專利名稱：串聯(lián)離子阱飛行時間質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，更具體地，涉及一種將離子從阱射入飛行時間質(zhì)譜儀的方法。
背景技術(shù)：
飛行時間(TOF)質(zhì)譜儀按照從離子源到檢測器的飛行時間的差異，來區(qū)分不同質(zhì)荷比的離子。因此，TOF方法本質(zhì)上需要從中可以以脈沖輸出具有相同初始位置和能量的離子這樣的離子源。實(shí)際上，由于離子源內(nèi)離子固有的熱能量分布和位置分布，這是不可能的?，F(xiàn)代ToF質(zhì)譜儀使用從脈沖源(pulsar)區(qū)域脈沖輸出的高電壓來加速離子。在發(fā)射之前，離子云占據(jù)相當(dāng)大的體積，并且具有相當(dāng)大的能量分布。在射出脈沖源之后，部分地由于初始位置差異，以及部分地由于初始速度分布，相同質(zhì)荷比的不同離子具有不同的能量。這兩個因素在離子到達(dá)檢測器的時間中引入分布，從而限制了ToF質(zhì)量測量的分辨率。由位置分布引入的離子的能量分布可以由能量會聚設(shè)備(例如反射器，reflectron)來校正。由速度分布導(dǎo)致的能量分布不能夠由靜電場的任何組合來校正，并且作為限制ToF質(zhì)量分辨率的主要因素。例如，假設(shè)兩個相同質(zhì)荷比(m/z)的離子位于離子阱的相同點(diǎn)處，但是具有不同速度。兩個離子具有相同的絕對速度V，但是第一離子的速度朝向ToF，而第二離子具有相反方向的速度。當(dāng)施加引出場時，兩個離子具有相同的加速度a＝E/(m/z)，其中，E是引出電場的強(qiáng)度。在第一離子向ToF運(yùn)動時，第二離子沿相反方向運(yùn)動，直到它的速度變?yōu)榱?，然后反向。在時間δt＝2V/a之后，第二離子到達(dá)原始位置，具有與第一離子在發(fā)射開始時相同的速度。此時，不能夠?qū)⒌诙x子與第一離子區(qū)分。從發(fā)射開始到第二離子反向所經(jīng)過的時間δt被稱為“轉(zhuǎn)向時間”。第一離子在時間δt之前就啟動了，并且到達(dá)檢測器更早些。ToF中的質(zhì)量測量主要是基于離子到達(dá)檢測器的時間的測量，因此相同m/z的兩個離子在時間差δt內(nèi)到達(dá)檢測器，并且這不能夠通過任何靜電場配置來校正。在實(shí)際設(shè)備中，離子總是具有熱速度分布δV，并且由于熱分布而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向時間δt使ToF譜的分辨率限制在理論值R＝Ttof/2δt，其中，Ttof是總飛行時間。在300K處每個自由度的熱能量分布等于0.013eV。例如，對于質(zhì)量為1000Da的單電荷離子，相應(yīng)的速度分布等于100m/s。當(dāng)在10mm距離上施加10kV加速電壓時，總轉(zhuǎn)向時間等于δt＝1.1ns。假設(shè)總飛行軌道是4m，飛行時間等于91μs。因此，在這種情況下，由于轉(zhuǎn)向時間而引起的理論分辨率極限是41.000。
在質(zhì)譜儀的技術(shù)中已知，離子阱可以給ToF質(zhì)譜儀提供改進(jìn)的離子源[1]。通過離子與輕緩沖氣體的動量消耗(dissipate)碰撞，離子云可以聚集在阱的中心附近，達(dá)到小于1mm的大小。認(rèn)為在這種云中離子的動力學(xué)分布接近熱分布。離子捕獲的現(xiàn)代方法是基于向離子阱的一個或多個電極所施加的諧波周期電壓(捕獲RF)。這種RF的電壓電源包含高Q諧振器，高Q諧振器在離子捕獲周期期間保持RF場的所有能量。通常內(nèi)部大小10mm的離子阱設(shè)備為了離子捕獲可能需要高至10kVo-p的電壓。為了優(yōu)化發(fā)射條件，在將離子射入TOF時應(yīng)該切斷RF電壓[2]。實(shí)際上，由于RF諧振器中存在巨大的能量，這是非常難的。應(yīng)該在RF切斷之后幾μs內(nèi)施加引出脈沖，否則離子將消失在電極上。因此在施加引出脈沖時在捕獲體積內(nèi)仍然存在殘留“減幅振蕩(ringing)”RF。這種減幅振蕩由于在發(fā)射期間引入了難以預(yù)測的加速場，降低了TOF質(zhì)譜的精確度和分辨率。假設(shè)殘留RF減幅振蕩僅僅只是原始電壓的0.1％，振蕩電壓的幅度是幾伏特。由該電壓差引入的離子的能量分布在幾電子伏特的量級上，比在300K處離子的熱能量分布大兩個量級。本發(fā)明的目的是通過消除在離子從離子阱射出期間由殘留RF引入的離子能量分布，在分辨率和質(zhì)量精確度方面改進(jìn)TOF質(zhì)量分析的性能。
現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)在大量專利中討論了使用離子阱作為TOF的離子源。在美國專利5,569,917[3]中公開了一種3D離子阱，對離子進(jìn)行發(fā)射和后加速使之進(jìn)入TOF飛行軌道。在該專利中描述的方法使用相對較低的引出電壓(小于500V)，因此不能夠有效地消除轉(zhuǎn)向時間。Kawato在美國專利6,380,666[4]中公開了從3D離子阱進(jìn)行引出的改進(jìn)方法。該方法使用高電壓脈沖(5kV和更高)以及引出電極上的電壓的特殊組合來進(jìn)行引出，來實(shí)現(xiàn)幾乎平行的離子束。這兩個專利都提到在發(fā)射過程期間RF不存在，但是沒有教導(dǎo)實(shí)際中這怎樣可以實(shí)現(xiàn)。在EP 1 302 973 A2[5]中描述了離子從阱射入脈沖源并且正交(相對于引出飛行軌道)后加速進(jìn)入TOF。在這種情況下，沿離子引出方向的轉(zhuǎn)向時間不會影響TOF分辨率?？梢允褂孟鄬^低的電壓來引出離子，而在離子到達(dá)脈沖源之后施加HV脈沖。應(yīng)該優(yōu)化這種發(fā)射方法，以便給出沿正交方向的最小速度，因?yàn)樵撍俣葲Q定了離開脈沖源的正交加速的轉(zhuǎn)向時間。在引用的專利申請[5]的方法中未使用這種優(yōu)化。顯而易見的是，如果在發(fā)射過程期間阱內(nèi)的正弦RF仍然運(yùn)轉(zhuǎn)，這種優(yōu)化幾乎是不可能的。
近幾年來，開始致力于增加可以存儲在阱內(nèi)并且用于質(zhì)量分析的離子的數(shù)量。已知典型的3D阱可以保持多達(dá)107個離子，但是只有3D阱內(nèi)基本電荷的總量小于幾千，才可以使用輔助AC信號對離子進(jìn)行高分辨率操作。考慮典型的100ms的阱內(nèi)離子操作時間，具有每秒10,000個電荷的總吞吐量或0.0016pA的分析電流。這種吞吐量對于多數(shù)應(yīng)用是不可接受的，因?yàn)楝F(xiàn)代離子源可以提供幾nA的總離子電流。對于線性離子阱(LIT)，空間電荷的影響非常小。LIT的電極結(jié)構(gòu)是基于四極結(jié)構(gòu)，其中四個平行電極沿著相同軸延伸。在這種離子阱中，離子由周期高頻率(典型的是0.5-3MHz)電場限定在徑向上。由施加到LIT的入口電極和出口電極的DC電壓限制離子沿軸的運(yùn)動。在平衡條件下，在這種阱內(nèi)的離子易于沿z軸以煙狀(cigar-like)云的形式聚集。假設(shè)云的徑向大小與3D阱中相同(典型地是0.2-1.0mm)，并且云的長度是10mm，則離子的總量至少是空間電荷變明顯之前的10倍[6]。
在大量專利中討論了結(jié)合TOF使用線性離子阱的問題。D.Douglas在WO 99/30350[7]中描述了一種串聯(lián)LIT-TOF儀器，其中在LIT中操作離子，然后沿阱的軸釋放離子。脈沖源與離子阱共軸，并且離子在到達(dá)脈沖源時被脈沖輸入到TOF。TOF軸與LIT軸正交，并且為了實(shí)現(xiàn)高分辨率，應(yīng)該使沿正交方向(關(guān)于LIT軸)的離子的速度分布最小化。這可以通過使用較小的膜片(disphragm)對來自LIT的離子束進(jìn)行準(zhǔn)直來實(shí)現(xiàn)?？偠灾?，該方法受離子的質(zhì)量區(qū)別的影響。同時，當(dāng)施加引出脈沖時，脈沖輸出區(qū)域僅包含特定質(zhì)量范圍的離子，即已經(jīng)到達(dá)且尚未消失的離子。一次僅可以將質(zhì)量范圍的有限部分引出到TOF。通過獲得多個子范圍的質(zhì)譜，可以分析較寬質(zhì)量范圍的離子。每個子范圍的分析需要利用離子重新填充離子阱并且重復(fù)所有操作。結(jié)果，這種儀器具有較低的吞吐量。
J.Franzen在美國5,763,878[8]中描述了一種使來自線性阱的離子直接射入ToF的離子軌道的方法。根據(jù)該方法，離子從離子源進(jìn)入LIT，通過與緩沖氣體的碰撞冷卻下來，并且沿阱的軸聚集。LIT的電源電壓能夠提供至少兩個電壓配置，一個用于離子捕獲，另一個用于引出。當(dāng)施加引出電壓時，沿與阱的軸正交的方向脈沖輸出離子。它們在桿(rod)之間穿過，并且出現(xiàn)在ToF的飛行軌道上。該方法提出在引出時完全切斷RF并且由阱的電極上的DC電壓的特定組合代替。該專利并沒有教導(dǎo)怎樣切斷RF場，但是提到該問題是困難的實(shí)際問題。也沒有描述電極上的最佳電壓配置和引出的時序。
近來，提出了一種具有所謂“數(shù)字驅(qū)動”的3D離子阱[9]。在該設(shè)備中，環(huán)形電極的電壓每個周期從正離散DC電平切換到負(fù)離散DC電平。計算機(jī)以高精確度控制切換時間，并且能夠產(chǎn)生任意給定的切換序列。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過周期性地僅在兩個離散DC電平(正和負(fù))之間切換，其中每個電平具有相等時間，可以在這種阱內(nèi)捕獲較寬質(zhì)量范圍的離子。這種波形被稱為具有50％占空比的方波。使用這種捕獲方法[10]可以進(jìn)行所有傳統(tǒng)模式的離子阱操作。迄今為止尚未描述數(shù)字離子阱與TOF分析的組合方法以及這種串聯(lián)的益處。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，所述離子阱具有與所述飛行時間質(zhì)譜儀的飛行軌道正交的直線中心軸，并且包括一組電極，至少一個所述電極具有用于向所述飛行時間質(zhì)譜儀發(fā)射離子的開口；一組DC電壓電源以及一定數(shù)目的快速電子開關(guān)，所述DC電源用于提供離散DC電平，所述快速電子開關(guān)能夠使所述DC電源與所述離子阱的至少兩個所述電極連接和斷開；中性氣體，填充所述離子阱的體積，以便減少被捕獲離子的動能使之平衡；數(shù)字控制器，提供用于離子捕獲、操作離子和冷卻的切換過程，并且包括從所述離子阱向所述飛行時間質(zhì)譜儀發(fā)射所有離子的一個狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種從線性離子阱引出離子的方法，所述離子阱由一組數(shù)字開關(guān)驅(qū)動，所述方法包括以下步驟通過在所述離子阱的電極上在一組捕獲狀態(tài)之間切換，在所述離子阱中捕獲所述離子；通過與緩沖氣體碰撞來使所述捕獲的離子冷卻以平衡；以及在預(yù)先選定的時間從預(yù)先選定的捕獲狀態(tài)切換到最終的發(fā)射狀態(tài)。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了數(shù)字離子阱與TOF的組合，提供了具有改進(jìn)性能的串聯(lián)質(zhì)譜儀?？梢酝ㄟ^優(yōu)化離子射入TOF的條件來提高例如分辨率和質(zhì)量精確度的TOF質(zhì)量分析的品質(zhì)，而這僅在發(fā)射過程期間場是恒定的時才是可能的。為了實(shí)現(xiàn)這種條件，發(fā)明人建議使用具有數(shù)字驅(qū)動的離子阱，使得在施加引出脈沖時，阱內(nèi)的電壓以高精確度保持恒定。因此，可以優(yōu)化引出電壓和切換時間，使得離子云離開離子阱，具有優(yōu)化相位空間分布，用于進(jìn)一步處理。進(jìn)一步處理可以包括使用TOF的質(zhì)量分析或者TOF質(zhì)譜儀的后加速階段，或者可以是需要離子脈沖的任意其它離子光學(xué)設(shè)備。在任何情況下，可以針對每個特定目的來優(yōu)化離子位置和速度的分布。在離子射出阱之后，捕獲波形返回到原始狀態(tài)，以允許下一個周期的離子引入、操作和質(zhì)量分析。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明包括離子源，具有包括存儲和脈沖輸出離子引導(dǎo)的傳輸離子光學(xué)設(shè)備；線性離子阱，填充了m托量級或更高壓力的中性氣體；以及飛行時間分析儀。離子阱由與所有四個主電極相連的數(shù)字開關(guān)驅(qū)動，以便提供包括至少2個離散DC電平的周期性捕獲電勢。具有相等正和負(fù)DC電平的方波優(yōu)選地作為最簡單的捕獲波形，以可以捕獲較寬質(zhì)量范圍的離子。來自離子源的離子被發(fā)射到線性離子阱中，并且從阱的中心軸附近的低場區(qū)域注入捕獲體積。在阱中按照希望的方式來操作離子。這些操作可以包括多個階段，包括冷卻、通過去除具有其它質(zhì)荷比的所有離子分離選定離子種類以及通過使用現(xiàn)有技術(shù)中的任意公知方法來解離離子，例如碰撞誘導(dǎo)解離(CID)、表面誘導(dǎo)解離(SID)、電子輔助解離、光子誘導(dǎo)解離等。最終，剩下的離子通過與輕緩沖氣體的碰撞冷卻下來，并且以煙狀云的形式聚集在阱的中心軸附近。在適當(dāng)?shù)臅r候，捕獲方波的周期變?yōu)楦L的值，并且在此之后立即施加引出脈沖。線性離子阱的至少一個電極具有開口，離子通過該開口射出阱。數(shù)字信號發(fā)生器(DSG)可以在應(yīng)用周期改變(切換狀態(tài))之前控制阱電極上的實(shí)際電壓狀態(tài)。調(diào)節(jié)切換狀態(tài)，即最后狀態(tài)的開始和引出脈沖的開始之間的持續(xù)時間(發(fā)射之前的最后狀態(tài)的持續(xù)時間)，以便產(chǎn)生離子的最佳分布，以用于在TOF質(zhì)量分析儀中進(jìn)一步處理。在優(yōu)選實(shí)施例中，TOF具有與線性離子阱的軸正交的飛行軌道，并且具有離子鏡(反射器)。
在第一優(yōu)選實(shí)施例中，離子從阱射入脈沖源，脈沖源與離子阱的軸平行，并且與TOF軸正交。當(dāng)離子到達(dá)脈沖源時，向脈沖源的電極施加高電壓脈沖，以便使離子加速進(jìn)入TOF的離子軌道。脈沖源中的加速電壓盡可能地高，以便減少離子的轉(zhuǎn)向時間。在TOF中由離子鏡使離子反向，并且會聚到檢測器，使得相同質(zhì)荷比的離子的到達(dá)時間盡可能地彼此接近?？梢詫⑤^寬的多通道板用作檢測器。離子到達(dá)檢測器則在電路中產(chǎn)生電脈沖，由記錄系統(tǒng)寄存這些脈沖。具有高采樣速率(1G樣本/s或更高)以及高動態(tài)范圍(12比特或更高)的數(shù)字轉(zhuǎn)換器是優(yōu)選的。
在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，離子從阱射出，直接進(jìn)入TOF的飛行軌道，所述飛行軌道相對于離子阱軸正交，并且?guī)缀跖c離子的發(fā)射飛行軌道共軸?？梢栽诎l(fā)射離子的飛行軌道和TOF飛行軌道之間引入較小角度，以便使離子偏轉(zhuǎn)進(jìn)入檢測器。TOF和檢測器系統(tǒng)的操作與前一種情況的相同。離子阱的電源與前一種情況的不同之處在于在引出離子時施加的電壓。在這種情況下，離子直接射入飛行軌道，并且引出電壓應(yīng)該盡可能地高。引出電極的電源允許至少3個DC電平用于離子捕獲的正和負(fù)電壓以及用于引出的高電壓。需要附加的開關(guān)，用于保護(hù)相對低壓的捕獲電路免受高引出電壓的影響。
在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，通過在正和負(fù)DC電平之間切換，僅驅(qū)動線性離子阱的一組桿(rod)(Y電極)，來實(shí)現(xiàn)離子的捕獲。用于引出的高電壓開關(guān)與另一對桿(X電極)相連，這一對桿中至少一個具有用于向TOF發(fā)射離子的開口。這種電源被稱為“雙極”數(shù)字捕獲波形。這種配置的優(yōu)勢是可以使高電壓和捕獲電源電壓彼此分離，這簡化了電子裝置，并且減少了儀器的整體成本。作為這種分離的結(jié)果，在發(fā)射期間不切斷Y電極上的數(shù)字驅(qū)動波形。僅僅使切換周期變得更長，以在高電壓脈沖的輔助下使所有離子從阱中發(fā)射。


通過下面的描述，結(jié)合附圖，可以更好地理解本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)，圖中圖1是優(yōu)選實(shí)施例的IT-TOF串聯(lián)儀器的方框圖。
圖2是基于3D離子阱的、具有傳統(tǒng)RF并且直接射入TOF的離子軌道的現(xiàn)有技術(shù)的IT-TOF串聯(lián)。
圖3是四極線性離子阱電極幾何布置和使用傳統(tǒng)RF電源用于離子捕獲的電源電壓。圖3A是電極布置的3D視圖。圖3B是在入口和出口上具有遏制膜片的LIT的X-Z面的橫截面圖。圖3C是包括3個四極分段的分段LIT的X-Z面的橫截面圖。圖3D是具有雙曲線電極和發(fā)射開口以及沿徑向方向的用于離子捕獲的傳統(tǒng)RF電源的LIT的X-Y面的橫截面。
圖4是以向TOF的脈沖源進(jìn)行發(fā)射的線性離子阱為基礎(chǔ)的、第一優(yōu)選實(shí)施例的IT-TOF串聯(lián)的橫截面圖。
圖5是以直接向TOF的飛行軌道進(jìn)行發(fā)射的線性離子阱為基礎(chǔ)的、第二優(yōu)選實(shí)施例的IT-TOF串聯(lián)的橫截面圖。
圖6是切換到更長的周期之前和之后的數(shù)字驅(qū)動的時域。
圖7是具有數(shù)字驅(qū)動的線性離子阱的電極上用于捕獲和引出的電壓的表。
圖8是在具有方波數(shù)字驅(qū)動的線性離子阱中在平衡條件下的離子云的動能的相位依賴性。圖8A是Y電極上的電壓波形。圖8B是Y方向的動能的匯集平均值。圖8C是X方向的動能的匯集平均值。
圖9是在方波數(shù)字驅(qū)動的相位0.25處(Y電極上的正電壓的中間)Y方向的離子的相位空間分布。
圖10是正電荷離子射入脈沖源之前和期間的離子阱的電極上的電壓波形。圖10A是阱的Y電極上的電壓。圖10B是左X電極上的電壓。圖10C是右X電極上的電壓(具有發(fā)射開口的電極)。
圖11是用于引出的電源電壓和在引出期間在不同時間處的600Da離子的位置。
圖12是在到達(dá)TOF時脈沖源區(qū)域時(在開始引出之后10μs)離子300Da、600Da和1200Da的位置的分布。
圖13是在到達(dá)脈沖源區(qū)域時(在開始引出之后10μs)沿Y方向的離子的相位空間分布。
圖14是在方波數(shù)字驅(qū)動的相位0.75處(在Y電極上的負(fù)脈沖的中間)X方向的離子的相位空間分布。
圖15是單電荷600Da離子射入TOF質(zhì)譜儀的離子軌道的仿真結(jié)果。示出了包括1000個離子的離子云在開始發(fā)射之后不同時間處的位置。
圖16是在X相位空間在第一級焦點(diǎn)中的600Da離子的相位空間分布。
圖17是在發(fā)射開始之后750ns處不同質(zhì)量的離子(單電荷)的位置。
圖18是僅在Y電極上具有數(shù)字捕獲電壓并且在X電極上施加引出脈沖的四極線性離子阱。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，圖1是包括離子源(用于將離子發(fā)射到離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀的裝置)的串聯(lián)IT-TOF質(zhì)譜儀的方框圖。離子源位于離子阱外部。可以利用現(xiàn)有技術(shù)中任意公知的方法在離子源中產(chǎn)生離子。具體地，電噴霧離子源和MALDI最常用于使生物種類的分子電離。離子源可以工作在高壓下，并且在RF離子引導(dǎo)的輔助下，離子從離子源聚集，并且通過差動泵的區(qū)域，進(jìn)入離子阱。在阱內(nèi)部操作離子，并且為使用TOF的質(zhì)量分析做好準(zhǔn)備。
可以以3D阱為基礎(chǔ)來構(gòu)建IT-TOF串聯(lián)。圖2中示出了其中離子從阱直接射入TOF飛行軌道的這種儀器的配置。然而，這種配置具有較低的引入效率質(zhì)量區(qū)分度和較低的3D阱電荷容量。優(yōu)選實(shí)施例是基于使用線性離子阱(LIT)的。圖3A示出了四極LIT的電極幾何布置。由與阱的中心軸(z軸)平行延伸的4個主要捕獲電極構(gòu)成這種離子阱。電極優(yōu)選地具有與2D四極場的等電位面形狀(圖3D)相對應(yīng)的雙曲線橫截面。所有4個電極都關(guān)于彼此對稱，并且位于與z軸相同距離處。這種電極配置能夠創(chuàng)建最接近四極場的電場。可以修改電極的形狀和位置，以便針對一些應(yīng)用來創(chuàng)建四極場的失真，并且本發(fā)明的范圍包括這些修改。如果將周期捕獲電勢施加到電極上，則在這種電極布置中可以捕獲特定質(zhì)量范圍的離子。同時，離子可以沿軸離開捕獲體積。為了避免發(fā)生離子離開，LIT具有額外的電極，用于在阱的入口和出口處創(chuàng)建勢壘。在最簡單的情況下，在離子阱的入口和出口處的膜片電極可以創(chuàng)建DC勢壘，以避免離子沿z軸離開阱(圖3B)。可選地，可以使用具有依次共軸排列的3個四極分段的分段結(jié)構(gòu)來設(shè)計線性離子阱(圖3C)。在這種情況下，由入口和出口部分(相對于中間部分)上的DC電壓偏移來創(chuàng)建勢壘。在以上兩種情況下，離子云被限定在四極的中間部分，并且對于進(jìn)一步的討論，沿z軸的離子運(yùn)動是不相關(guān)的。
參考圖4，圖4是其中離子從阱射入脈沖源體積的LIT-TOF的橫截面視圖，其中離子從脈沖源體積加速進(jìn)入TOF飛行軌道。由具有雙曲線橫截面的4個延伸的電極401、403(X電極)以及402、404(Y電極)創(chuàng)建離子阱。一個電極401具有用于將離子射入脈沖源區(qū)域的開口。脈沖源由平板405和半透明平面柵格(mesh)406創(chuàng)建。高電壓開關(guān)407和408與這些電極相連，并且能夠在適當(dāng)時候產(chǎn)生快速上升的電壓脈沖。由一組電子開關(guān)409在數(shù)字信號發(fā)生器(DSG)的控制之下操作離子阱。這些開關(guān)能夠在10-50ns內(nèi)使一組DC電源+V、-V、V1、V2與離子阱的電極連接或斷開。數(shù)字信號發(fā)生器能夠根據(jù)需要計算實(shí)際使用和任意的切換序列。該儀器如下操作。在離子源中形成離子，并且沿z軸將其注入離子阱，到阱中心附近。通過根據(jù)如下方式從阱電極周期性斷開和連接+V和-V電源電壓使離子捕獲在阱中在任意給定時間，阱的Y電極具有相同的極性，并且X電極也具有相同的極性，但是X電極具有與Y電極相反的符號。正電壓和負(fù)電壓的持續(xù)時間相等。通過與緩沖氣體的碰撞使離子冷卻下來，到阱的中心。在適當(dāng)時間，使+V和-V電源都與X電極斷開。同時電源V1和V2相應(yīng)地與電極401和403相連。這些電源電壓與電極相連，直到感興趣的所有離子將沿X方向向脈沖源離開離子阱才斷開，對于優(yōu)選地是正的+V電源電壓(對于正電荷離子)的Y電極的電源電壓也是如此。由DSG控制X電極上的電壓切換的時間，并且可以調(diào)節(jié)該時間，以便實(shí)現(xiàn)最佳性能。脈沖源的電極與略小于施加引出電壓時的阱中心電壓的同一個電壓V4相連，使得在到達(dá)脈沖源時離子繼續(xù)沿X軸漂移并且沿Y方向擴(kuò)展。高電源電壓V5和V6在適當(dāng)時候同時與脈沖源的電極相連，并且離子加速進(jìn)入TOF的飛行軌道。在離子鏡(反射器)中，離子返回并且以如下方式會聚在檢測器平面上相同質(zhì)荷比的離子的到達(dá)時間盡可能地接近。快速數(shù)字轉(zhuǎn)換器被用于記錄來自檢測器的信號，從而產(chǎn)生質(zhì)譜。
圖5示出了其中離子從阱直接射入TOF飛行軌道的LIT-TOF串聯(lián)的第二優(yōu)選實(shí)施例的橫截面圖。該配置不具有脈沖源，并因此需要高電源電壓V1和V2與阱電極相連，用于發(fā)射離子。電子設(shè)備包括額外開關(guān)，以保護(hù)捕獲電路不受高電壓的影響。該儀器與前一情況類似地進(jìn)行操作，但是具有以下修改。在離子云的足夠冷卻之后，X電極上的引出電源電壓與+V和-V電源斷開，而與高電源電壓V1和V2相連。Y電極上的電源電壓在引出之前優(yōu)選地為負(fù)(對于正電荷離子)。在引出之前，正電源電壓+V與Y電極相連，并且保持連接的時間足以使離子離開阱。由DSG控制并且調(diào)節(jié)在Y電極上的最后電壓切換之后經(jīng)過的時間和X電極上高電壓脈沖的開始，以實(shí)現(xiàn)儀器在TOF分辨率、質(zhì)量精確度或靈敏度方面的最佳性能。
對于優(yōu)選實(shí)施例的進(jìn)一步討論，離子阱內(nèi)離子云的準(zhǔn)備是重要的。現(xiàn)代離子阱在高壓條件(1-0.1m托)下工作。典型地，使用He緩沖氣體，以便給離子提供動量消耗碰撞。這種碰撞有助于在離子引入過程期間去除過量的動能，并且提供使離子云冷卻的手段。在一些配置中，使用重氣體(Ar、Xe、…)的脈沖引入，以便在離子分裂步驟期間提供更多的能量碰撞。準(zhǔn)備步驟可以包括以下多個階段離子冷卻、通過從阱中去除其它質(zhì)荷比離子選擇感興趣離子、以及選定離子的分裂?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域公知的多種方法來實(shí)施分離和分裂。對于所有離子云的準(zhǔn)備方式，離子阱操作都是非常復(fù)雜的?？梢远啻涡薷牟东@波形(電壓和/或頻率)，包括慢掃描和向阱電極施加附加的低電壓AC信號。最終，在離子阱內(nèi)使離子冷卻下來并且準(zhǔn)備好被引出到TOF。
盡管由TOF屬性本身確定最終質(zhì)量分析的分辨率和質(zhì)量精確度，但是離子從阱射出的過程是其中最重要的因素。本發(fā)明的核心是創(chuàng)建離子從阱射出的最佳條件，使得對于任意給定的TOF質(zhì)譜儀，分辨率可以達(dá)到最大的可能值。這通過在發(fā)射期間在阱內(nèi)自始至終創(chuàng)建靜電場的條件來實(shí)現(xiàn)，可以對離子阱使用“數(shù)字驅(qū)動”。在專利申請[9]中描述了這種驅(qū)動方法，其全部內(nèi)容一并在此作為參考。與傳統(tǒng)的正弦RF電源不同，具有數(shù)字驅(qū)動的離子阱電極上的電壓在離散DC電平之間切換。在最簡單的情況下，在每個電平具有相同持續(xù)時間的正和負(fù)兩個電平之間切換電壓(具有50％占空比的方波)?？梢栽跀?shù)字控制器的輔助之下實(shí)現(xiàn)周期的精確控制。使用該方法，可以在任意給定時間將波形的周期切換為更長的周期。圖6示出了離子阱的一個電極上的電壓的時間依賴性，其中通過每500ns在兩個電平+1000V和-1000V之間切換(給出了1μs總周期)來驅(qū)動電極。在特定時間處(在圖6上是等于10μs的時間處)，方波的周期變?yōu)?0μs。電極上的電壓電平在小于10-50ns內(nèi)達(dá)到恒定值，并且保持又一個5μs。在該時間期間，可以將離子引出到TOF。除了引出脈沖的上升沿之外，離子阱電極上的電壓以高精確度保持恒定，可以使上升沿短于10ns。在完全靜電場的條件下(“凍結(jié)場”)在阱內(nèi)發(fā)生發(fā)射過程。這提供了優(yōu)化發(fā)射過程以實(shí)現(xiàn)用于進(jìn)一步處理的最佳條件的手段。在本部分稍后提供兩個優(yōu)選實(shí)施例的TOF質(zhì)譜儀的這種優(yōu)化。
圖7示出了優(yōu)選實(shí)施例的LIT的電極上用于離子捕獲和引出的電壓的表。在離子捕獲模式期間，X電極對上的電壓在每個周期從正+V切換到負(fù)-V值。電極對Y的電壓同時被切換到與X電極相反的符號。在圖7中LIT電極上用于離子捕獲的電源電壓被示為“捕獲+”和“捕獲-”。通過使用該簡單的捕獲方法，可以捕獲較寬范圍的離子。通過使用具有多個DC電平的數(shù)字開關(guān)來驅(qū)動LIT的每個電極和/或通過在每個電極的波形之間引入延遲，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的捕獲波形。本發(fā)明的范圍包括這種離子捕獲方法。在適當(dāng)時候?qū)⒁鲭妷篤1和V2施加到X電極(左和右電極上為不同電壓)。為了直接射入TOF飛行軌道，這些電壓優(yōu)選地為高(5kV以上)，以便減少轉(zhuǎn)向時間。為了射入脈沖源，這些電壓可以與捕獲電壓具有相同的量級(從200V至2000V)。圖7中在發(fā)射期間LIT電極上的電源電壓被示為“發(fā)射”配置。
優(yōu)選實(shí)施例的進(jìn)一步討論是基于發(fā)射過程的優(yōu)化的。為此，詳細(xì)研究離子位置和速度的分布。在充分冷卻時間之后，離子沿軸以煙狀云的形式聚集在離子阱的中心附近。由于RF捕獲的本質(zhì)特征，離子沿徑向的能量分布是相位依賴的。通過使用在溫度323K處、在存在He緩沖氣體下捕獲的大量離子的仿真，來研究該現(xiàn)象。圖8示出了由方波在頻率1Mz和電壓電平+/-1000V下驅(qū)動的內(nèi)切半徑ro＝5mm的線性離子阱中質(zhì)量1000Da的單電荷離子的平均動能的依賴性。為了方便，在圖8的上圖中示出了一個周期上Y電極上的電壓。可見，徑向的能量分布是相位依賴的，并且具有兩個最小值，分別在電壓波形的正和負(fù)相位的中間。在323K處熱能量分布等于kT/2＝0.0139eV。對于X運(yùn)動，在相位0.75處(Y電極上的負(fù)電壓中間)達(dá)到此能量分布值，對于Y運(yùn)動，在相位0.25處(Y電極上的正電壓中間)達(dá)到此能量分布值。定性地，對于實(shí)際的最小和最大能量值稍稍有不同的不同質(zhì)荷比的離子，平均動能的相位依賴性是普適的。
為了使離子的速度分布最小化，在射入TOF之前，應(yīng)該在能量分布最小時施加引出脈沖。例如，對于引出到脈沖源的IT-TOF(圖4)，最佳相位應(yīng)該是0.25，因?yàn)樗o出了沿Y方向(從脈沖源進(jìn)入TOF的加速方向)的最小分布。在圖9中示出了在相位0.75處Y方向的離子云的相位空間分布?？梢詫⑵溆米麟x子射入脈沖源的仿真的初始條件。利用如圖10所示的離子阱電極上的電壓，來仿真發(fā)射過程。Y電極的切換周期從1μz改變?yōu)?0μs。在圖10中，發(fā)生改變的時間與t＝0相對應(yīng)。優(yōu)選地，Y電極上的正電壓應(yīng)該用于發(fā)射正電荷離子。X電極上的電壓被切換到負(fù)DC電平，與在捕獲模式中一樣。此后一段時間Δt處，負(fù)電源與X電極斷開，并且不同的電源電壓V1和V2分別與左和右X電極相連。在圖10中，這些電壓等于500V和0V?？梢哉{(diào)節(jié)持續(xù)時間Δt，以便實(shí)現(xiàn)最佳性能。對于Y方向(進(jìn)一步加速進(jìn)入TOF的方向)的離子的最小速度分布，使Δt等于引出前切換周期的四分之一是有用的。在圖10的示例中，該時間等于250ns。使V1和V2與X電極相連的時間也被稱為發(fā)射開始。
圖11示出了第一優(yōu)選實(shí)施例的LIT和脈沖源區(qū)域的橫截面。示出了從發(fā)射開始之后不同時間處質(zhì)量為600Da的單電荷離子的離子云位置。在發(fā)射期間，離子云經(jīng)歷沿Y和X方向的多個壓縮和解壓縮。當(dāng)?shù)竭_(dá)脈沖源時(7μs之后)，離子云開始沿兩個方向擴(kuò)展(就像在無場區(qū)域中一樣)。不同質(zhì)荷比的離子在不同時間到達(dá)脈沖源。這是基于引出到外部脈沖源的方法的常見問題。當(dāng)施加引出脈沖時，在脈沖源內(nèi)僅存在有限質(zhì)量范圍的離子。對于當(dāng)前的幾何形狀，圖12示出了當(dāng)?shù)竭_(dá)脈沖源時(發(fā)射開始之后10μs)質(zhì)量300Da、600Da和1200Da的單電荷離子的位置。這正是向脈沖源的相對電極施加另一個引出脈沖(高電壓)以便使離子加速進(jìn)入TOF的飛行軌道的時間。圖13示出了在10μs處在脈沖源區(qū)域內(nèi)離子的相位空間分布。600Da離子的速度分布小于300m/s。在10kV的加速電壓下，估計轉(zhuǎn)向時間為6.2ns。在100μs的典型飛行時間下，這給出了16.000的TOF譜最大分辨率。盡管此處未嘗試，通過在阱電極上使用不同引出電壓并且在離子阱和脈沖源之間使用傳統(tǒng)離子光學(xué)設(shè)備，可以進(jìn)一步優(yōu)化速度分布和TOF分辨率。
對于直接射入TOF飛行軌道(X方向)的配置，施加引出脈沖的時刻應(yīng)該接近0.75相位，因?yàn)樗峁┝穗x子沿X方向的最小速度分布。在圖14中示出了在相位0.75處(Y電極上的負(fù)電壓中間)離子在X相位空間中初始位置的相位空間分布。在該具體示例中，引出電壓應(yīng)該從在Y電極上的負(fù)脈沖開始之后250ns(四分之一周期)時施加。就在發(fā)射之前，將方波的周期從1μs(頻率1MHz)切換為10μs(頻率100kHz)。使Y電極上的負(fù)電壓保持又一個5μs，這足以使所有離子射出阱。線性離子阱的每個電極上的實(shí)際波形與圖10所示的類似，但是具有以下的差異就在發(fā)射開始之前，Y電極上的電壓為負(fù)，X電極上的電壓為正，并且引出電壓更高。圖15示出了在引出開始之后在不同時間處600Da的離子云的位置。在距離阱中心22.85mm處(發(fā)射開始之后550ns)，離子云具有第一級焦點(diǎn)。圖16示出了第一級焦點(diǎn)中離子位置的分布。第一級焦點(diǎn)中離子云的寬度是60μm，并且平均速度是54km/s?？梢詫⒃频脑摻裹c(diǎn)看作TOF質(zhì)譜儀的虛擬源。在經(jīng)過焦點(diǎn)之后，離子云開始再次擴(kuò)展，但是在TOF的離子鏡(反射器)中，離子返回并且會聚到檢測器。假設(shè)構(gòu)造反射器使得其將離子云會聚到至少不比虛擬源的大小更糟的大小，則具有典型3m飛行軌道的質(zhì)譜的分辨率等于3m/(2*60μm)＝25.000。這種分辨率被認(rèn)為對于TOF質(zhì)量分析足夠高。因此，所提出的方法可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的TOF質(zhì)譜儀。TOF質(zhì)譜的質(zhì)量精確度被認(rèn)為具有相同的量級，因?yàn)椴煌|(zhì)荷比的離子在相同的靜電“凍結(jié)場”條件下發(fā)射，并因此除了熱能量分布之外，具有基本相等的能量。
值得一提的是，可以通過調(diào)節(jié)引出電壓以及通過在從離子阱到TOF的離子飛行軌道上使用傳統(tǒng)的離子光學(xué)設(shè)備，來進(jìn)一步優(yōu)化分辨率。這種方法在現(xiàn)有技術(shù)中已知，并且被包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖18示出了在第三優(yōu)選實(shí)施例中使用的線性離子阱的橫截面和使用數(shù)字切換方法的電源電壓。在這種情況下，通過僅在阱的Y電極上在兩個離散DC電平之間切換，來實(shí)現(xiàn)離子的捕獲。用于引出的高電源電壓通過電子開關(guān)與阱的X電極相連，電子開關(guān)由DSG控制并且僅在發(fā)射時相連。在正常的捕獲和冷卻期間，X電極上的電壓恒定(零)。圖18示出了用于產(chǎn)生激勵波形的附加AC電源。在射入TOF之前準(zhǔn)備離子云期間需要該電源以用于離子分離和激活。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于使捕獲開關(guān)與高電壓開關(guān)分離。因此這種配置不需要額外的開關(guān)來保護(hù)捕獲電路免受高電壓的影響。這種配置是所提出方法的最簡單的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。
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權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，所述離子阱具有與所述飛行時間質(zhì)譜儀的飛行軌道正交的直線中心軸，并且包括一組電極，至少一個所述電極具有用于向所述飛行時間質(zhì)譜儀發(fā)射離子的開口；一組DC電壓電源以及一定數(shù)目的快速電子開關(guān)，所述DC電源用于提供離散DC電平，所述快速電子開關(guān)能夠使所述DC電源與所述離子阱的至少兩個所述電極連接和斷開；中性氣體，填充所述離子阱的體積，以便減少被捕獲離子的動能使之平衡；數(shù)字控制器，提供用于離子捕獲、操作離子、冷卻的切換過程，并且包括從所述離子阱向所述飛行時間質(zhì)譜儀發(fā)射所有離子的一個狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述電極組包括彼此對稱布置的、并且相對于離子阱軸平行布置的4個延伸電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，具有用于發(fā)射離子的開口的所述至少一個電極具有實(shí)質(zhì)上為雙曲線形狀的表面，所述開口的中心相對于所述雙曲線的頂點(diǎn)對稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述中性氣體具有小于感興趣離子的質(zhì)量的分子質(zhì)量，并且由所述中性氣體填充所述離子阱，使氣壓在0.01m托至1m托范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述數(shù)字控制器包括數(shù)字處理器，能夠計算任意切換序列；以及控制裝置，用于根據(jù)所述任意切換序列來控制所述數(shù)目的所述快速電子開關(guān)組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述切換過程包括最終步驟，在最終步驟期間，周期性地在一組狀態(tài)之間切換所述離子阱的所述電極上的電壓，并且在足以使離子冷卻的時間之后，將所述離子阱的所述電極上的電壓切換到最終的所述狀態(tài)，用于從所述離子阱發(fā)射所述離子。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，還包括脈沖源，所述飛行時間質(zhì)譜儀具有與所述發(fā)射離子的面正交的飛行軌道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述脈沖源包括兩個平行的平板電極，其中之一是半透明柵格，每一個所述平行平板都與所述發(fā)射離子的面平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述脈沖源通過由控制器控制的一組快速電子開關(guān)與高電壓電源相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述飛行時間質(zhì)譜儀的飛行軌道與離子的發(fā)射軌道共軸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一或權(quán)利要求10所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述電極組的相對電極對(Y對)與能夠以重復(fù)頻率切換的所述數(shù)目的所述快速電子開關(guān)的第一子集相連，并且所述電極組的另一相對放置的電極對(X對)中至少一個與具有更高額定電壓的所述數(shù)目的所述快速電子開關(guān)的第二子集相連，快速電子開關(guān)的所述第二子集使所述DC電壓電源與所述X電極相連，用于發(fā)射所述離子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述數(shù)目的所述快速電子開關(guān)的所述第一子集包括2個串聯(lián)的高重復(fù)開關(guān)，用于在正和負(fù)電壓之間切換，以給所述電極組的所述Y電極對提供矩形波形。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，提供給所述電極的電壓值高于4kV或者低于-4kV。
14.一種從線性離子阱引出離子的方法，所述離子阱由一組數(shù)字開關(guān)驅(qū)動，所述方法包括以下步驟通過在所述離子阱的電極上在由一組電壓狀態(tài)限定的一組捕獲狀態(tài)之間切換，在所述離子阱中捕獲所述離子；通過與緩沖氣體碰撞來使所述捕獲的離子冷卻以平衡；以及在預(yù)先選定的時間從預(yù)先選定的捕獲狀態(tài)切換到最終的發(fā)射狀態(tài)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的從線性離子阱引出離子的方法，其中，所述捕獲狀態(tài)組包括兩個狀態(tài)，每個所述狀態(tài)持續(xù)設(shè)定周期的一半。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的從線性離子阱引出離子的方法，其中，所述緩沖氣體在從0.01m托至1m托的氣壓范圍下填充所述離子阱。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的從線性離子阱引出離子的方法，其中，所述設(shè)定周期在0.3微秒至1.0微秒的范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的從線性離子阱引出離子的方法，其中，最終捕獲狀態(tài)在所述發(fā)射狀態(tài)之前具有近似為設(shè)定周期的四分之一的持續(xù)時間。
19.一種串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，實(shí)質(zhì)上如參考附圖中圖1和圖4至18所述。
20.一種從線性離子阱引出離子的方法，實(shí)質(zhì)上如參考附圖中圖1和圖4至18所述。
全文摘要
一種串聯(lián)線性離子阱和飛行時間質(zhì)譜儀，其中，離子阱具有與質(zhì)譜儀的飛行軌道正交的直線中心軸。離子阱包括一組電極(401、403、402、404)，至少一個所述電極具有用于向質(zhì)譜儀發(fā)射離子的開口；一組DC電壓電源(+V、－V、V1、V2)，用于提供離散DC電平，以及一定數(shù)目的快速電子開關(guān)(409)，用于使DC電源與至少兩個所述電極連接/斷開；中性氣體，填充離子阱；以及數(shù)字控制器，提供用于離子捕獲、操作離子、冷卻的切換過程，并且包括從離子阱向質(zhì)譜儀發(fā)射所有離子的狀態(tài)。
文檔編號H01J49/42GK1926657SQ200580005746
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者邁克爾·蘇達(dá)科夫, 丁力 申請人:島津歐州研究所