專利名稱：質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)譜儀，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及一種傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
在分子結(jié)構(gòu)的探測(cè)和鑒定與化學(xué)和物理過(guò)程的研究中，廣泛使用高分辨率的質(zhì)譜儀。已知各種不同的技術(shù)，采用各種捕集和探測(cè)方法來(lái)產(chǎn)生質(zhì)譜。
一種這樣的技術(shù)就是傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR)。FT-IIR利用回旋共振的原理，其中，高頻電壓激發(fā)離子在ICR小室內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng)。在室中的離子，沿著相同的徑向路徑，但以不同的頻率，象相干束那樣沿軌道旋轉(zhuǎn)。圓周運(yùn)動(dòng)的頻率(回旋頻率)正比于離子的質(zhì)量，裝置了一組探測(cè)器電極，并由相干的沿軌道旋轉(zhuǎn)的離子在它們中感應(yīng)出鏡象電流。探測(cè)到的信號(hào)幅度和頻率指示出離子的數(shù)量和質(zhì)量。通過(guò)進(jìn)行該“瞬態(tài)”(即在探測(cè)器電極處產(chǎn)生的信號(hào))的一次傅里葉變換，就可獲得質(zhì)譜。
FT-ICR之所以引起注意是它超高的分辨率(在某種情況下，最高可達(dá)1,000,000，而一般來(lái)說(shuō)，超過(guò)100,000已不錯(cuò)了)。但是，為了獲得如此高的分辨率，重要的是，應(yīng)把各種系統(tǒng)參數(shù)選擇到最佳的狀態(tài)。例如，眾所周知，如果在FT-IVR小室中的壓力升至約2×10-9mbar之上時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地降低FT-ICR室的性能，這時(shí)該小室的設(shè)計(jì)和對(duì)提供造成離子回旋運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)的磁體設(shè)置了限制。在室內(nèi)的空間電荷問題(它影響分辨率)也影響小室的設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，當(dāng)該室采用靜電注入到該室，或是采用多極注射裝置(參閱US-a-4,535,235)由外部源提供離子時(shí)，已經(jīng)知道，希望行程效果時(shí)間為最小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)法提供一種改良的FT-ICR質(zhì)譜分析儀裝置。尤其是，本發(fā)明設(shè)法提供一種改良的FT-ICR質(zhì)譜分析儀的幾何結(jié)構(gòu)，以及，另外或用另一種方法，對(duì)從外部源把離子注入到FT-ICR室中的系統(tǒng)改進(jìn)。
在第一方面中，本發(fā)明提供一種用于離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀的測(cè)量小室和磁體裝置，包括包括具有帶著縱軸的磁體腔的電磁體的磁體組件，該電磁體準(zhǔn)備用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其場(chǎng)線一般在與所述縱軸平行的方向上延伸，以及在所述電磁體的腔內(nèi)配置FT-ICR測(cè)量小室，該室具有室壁，在室壁的范圍之內(nèi)，限定用于容納來(lái)自外離子源的離子的室容積，該室在電磁體的縱軸方向上延伸，且一般來(lái)說(shuō)，與其共軸；其中磁體腔的截面積對(duì)該室容積的截面積的比率R小于4.25，每個(gè)截面積都被定義于與所述縱軸垂直的平面上。
測(cè)量小室和磁體的電流配置往往會(huì)有磁體腔部分對(duì)測(cè)量小室部分的顯著較高的比率。例如，在以產(chǎn)品名稱為Finnigan FT/MS下，由申請(qǐng)人出售的早先FT-ICR產(chǎn)品，具有7左右的R值。
在包含測(cè)量小室的真空室中的壓力必須盡可能的低—正如在引言中提及的，一般來(lái)說(shuō)，在約2×10-9mbar以上的壓力對(duì)分辨率會(huì)有有害的效果，這對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟知的。所以，至今已懂得，對(duì)于小室，真空室必需具有相對(duì)大的內(nèi)直徑，以對(duì)真空泵抽的限制減到最小。這又使磁體腔直徑要相對(duì)地大，來(lái)適合這種真空室。
另一方面，大直徑的測(cè)量小室是理想的，因?yàn)樗鼫p少空間電荷效應(yīng)。
申請(qǐng)人已意外地發(fā)現(xiàn)，可省去較大直徑的真空室。離子流是每秒10-14克的數(shù)量級(jí)，所以，一旦抽空到低壓時(shí)，真空室基本上無(wú)超高真空的污染源可容納。因此，已意識(shí)到，僅當(dāng)系統(tǒng)(真空室)一開始被抽空時(shí)的時(shí)刻。泵抽速度是恰當(dāng)?shù)摹?br> 通過(guò)把磁體腔的截面積減到最小，可獲得一些好處。首先，磁體腔面積越小，這種磁體的制造成本(通常)就越低，特別是在較佳的實(shí)施例中，在此實(shí)施例中的磁體是在氦浴中工作的超導(dǎo)體磁體。對(duì)一給定的磁體，相對(duì)較大的測(cè)量小室的面積，也使空間電荷效應(yīng)減到最小。
在該較佳實(shí)施例中，磁體腔和測(cè)量小室，一般各是直圓柱形的。如果是那樣，其磁體的內(nèi)直徑小于100mm，R值應(yīng)小于4.25，而其磁體內(nèi)直徑在100mm和150mm之間時(shí)，R值可以低到2.85或甚至更小。在該最佳實(shí)施例中，R是2.983。
對(duì)與短(在縱向上)真空室配合的小R值和磁體的組合，有特殊的好處。這意味著把真空室的容積減到最小，這就減少了初始的室抽空時(shí)間。最佳的是，在入射離子方向上，從磁體中心到磁體末端的縱向方向上的距離是600mm或更小。
較佳的是，磁體是非對(duì)稱的，也就是說(shuō)，幾何的和磁的中心不是重合的，在離子注入側(cè)，磁體到磁中心的長(zhǎng)度要保持短。
較佳的是，把該小室裝于真空室中。較佳的是，把小室或真空室做成懸臂伸出，即由小室前面(即上游)的一點(diǎn)來(lái)支撐，以前的系統(tǒng)已由另一側(cè)(即由注射側(cè)對(duì)面的末端)固定小室，由于這樣的做法先前已被認(rèn)為是較佳的，所以隨著到末端凸緣的距離于是就較短。最佳的是，鈦或一種同樣有彈性的非磁性材料被用作支持物，尤其是，多個(gè)徑向隔開的管子被用來(lái)使小室和/或真空室從上游結(jié)構(gòu)伸出懸臂。
較佳的是，小室和/或真空室能夠移動(dòng)，例如，在精確的軌道上滑行，進(jìn)入或離開磁體腔。通過(guò)在小室的背面安裝電接觸點(diǎn)，和通過(guò)在小室后面的一固定點(diǎn)上，提供相應(yīng)的電接觸點(diǎn)，則可從小室的遠(yuǎn)(背面)側(cè)提供到小室電極的射頻電源。因?yàn)檫@樣能使用相對(duì)短的電導(dǎo)線，經(jīng)又改善了信噪比。而且，由于同樣的理由，可縮短把信號(hào)從FT-ICR內(nèi)的探測(cè)器傳送到信號(hào)放大和處理級(jí)的電線，而這點(diǎn)改善了對(duì)離子探測(cè)的信噪比。因此，本發(fā)明在一較佳實(shí)施例中，由帶有從對(duì)面、背側(cè)的電接觸的第一、前側(cè)提供對(duì)小室的支撐，最佳的是，當(dāng)把小室鑲?cè)氲剿恼婵胀庹种袝r(shí)，使用導(dǎo)桿固定該小室。
由于是長(zhǎng)的均勻磁場(chǎng)區(qū)(例如至少80mm)，所以在選擇可被探測(cè)到的質(zhì)量范圍最佳的條件中，相對(duì)長(zhǎng)的小室(例如80mm)也是較佳的。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀，包括產(chǎn)生待分析離子的離子源裝置準(zhǔn)備容納和捕集所產(chǎn)生離子的離子存儲(chǔ)裝置；在離子源和離子存儲(chǔ)裝置之間配置的離子透鏡，用于當(dāng)離子從源通過(guò)到存儲(chǔ)裝置時(shí)，聚集和/或過(guò)濾離子，以及如上面列舉的一種裝置還帶有離子導(dǎo)引裝置，配置在離子存儲(chǔ)裝置和小室與磁體裝置的測(cè)量小室之間，以把來(lái)自離子存儲(chǔ)裝置的離子導(dǎo)引并聚集到測(cè)量小室，為在那里作質(zhì)譜分析。
在本發(fā)明的另外一個(gè)方面中，提供一種質(zhì)譜儀，包括用于產(chǎn)生待分析離子的離子源；離子捕集器，以容納這些所產(chǎn)生的離子；離子透鏡裝置，以把來(lái)自源的離子導(dǎo)引到離子捕集器中；具有固定在磁體腔之內(nèi)的測(cè)量小室的FT-ICR質(zhì)譜儀，該小室是在磁體前面的下游處，該FT-ICR質(zhì)譜儀還包括探測(cè)裝置，以探測(cè)注入到測(cè)量小室中的離子；離子導(dǎo)引裝置，被配置于離子捕集器和FT-ICR質(zhì)譜儀之間，以把從捕集器射出的離子導(dǎo)引到FT-ICR質(zhì)譜儀中，為在那里產(chǎn)生質(zhì)譜；以及用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電源供給，以加速在離子源和測(cè)量小金之間的離子；其中，該電源供給被構(gòu)筑成提供一個(gè)電位，該電位把來(lái)自源或離子捕集器的離子加速到動(dòng)能E，并剛好緊接在測(cè)量小室的前面，和磁體前表面的下游的一個(gè)位置處把所述離子減速。
就FT-ICR質(zhì)譜儀來(lái)說(shuō)的一個(gè)已知問題是，當(dāng)離子從離子源到測(cè)量小室行進(jìn)時(shí)，有離子的行程分離時(shí)間的引進(jìn)。概括地說(shuō)，可把現(xiàn)有的系統(tǒng)分成兩大類。
用于FT-ICR的離子注射系統(tǒng)的第一類型是一種所謂的靜電注射系統(tǒng)。此外，離子是通過(guò)靜電透鏡系統(tǒng)，從離子源被導(dǎo)引到FT-ICR的測(cè)量小室。為了用磁反射針對(duì)被覺察到的問題，這種系統(tǒng)已采用高的靜電電位差和強(qiáng)的靜電聚焦。因此，用高達(dá)幾百伏的高電壓，把離子加速到高速度，于是在FT-ICR磁體的散射場(chǎng)中被減速。這電位是這樣來(lái)設(shè)定的，使得靜電的Einzel透鏡聚集離子束。在幾個(gè)電子伏特相對(duì)低的動(dòng)能下，離子從靜電注射系統(tǒng)的最后透鏡行進(jìn)，通常稱之為“自由行程區(qū)”。這個(gè)低動(dòng)能行進(jìn)的距離可以是在30-40cm左右，它是離子所行進(jìn)的總距離的20-30％左右。這種情況引入了行程效果的時(shí)間，其中，較輕質(zhì)量的離子在較重質(zhì)量的離子之前到達(dá)該小室，并可優(yōu)先地被捕集在該小室中。
在第二種裝置中，在下文被稱為“多極注射”，使用一排多極離子導(dǎo)引器，以把離子從離子捕集器注入到FT-ICR測(cè)量小室。為了能在該小室中俘獲，采用了各種捕集的方案，諸如閘門捕集，在離子和其它粒子之間的動(dòng)能交換(碰撞捕集)，或在不同運(yùn)動(dòng)方向之間的動(dòng)能交換，如已描述的，例如在Gaffari和Conti的“Experimental Evidence for Chaotic Trausport in a PositronTrap”中，刊于Physical Review Letters 75(1995)，No.17，第3118-3121頁(yè)。但是，在每種情況中，離子必須要有小的動(dòng)能分布，最佳的是，具有小于1電子伏特的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差寬度。在沒有這種小的動(dòng)能分布的情況下，只有一部分離子束被捕集。
因此，對(duì)于多極注射技術(shù)來(lái)說(shuō)，它是加速離子的常見的實(shí)踐應(yīng)用，這種離子通常為幾個(gè)電子伏特，且一般不超過(guò)10電子伏特的，以非常低的能量從存儲(chǔ)捕集器(不論是2D或3D的射頻捕集器，磁捕集器，或其它)發(fā)射的。
這裝置的問題在于，盡管離子俘獲達(dá)到最大，但因?yàn)樾谐绦Ч麜r(shí)間隨綜合行程時(shí)間而增加，所以質(zhì)量范圍被折衷。
申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采取一切努力，以保持行程距離短，并保證仔細(xì)地導(dǎo)引離子，則可在源或離子捕集器之間，自始至終直至測(cè)量小室使用高的能量。例如，電源供給可提供一電位，以便把來(lái)自離子源和/或離子捕集器的離子加速到超過(guò)20電子伏特，更佳的是，超過(guò)50電子伏特，而最佳的是在50和60電子伏特之間，直接通過(guò)系統(tǒng)到測(cè)量小室?？疾炝硪环椒?，在升高的電位下，離子從離子源，或離子捕集器行進(jìn)到測(cè)量小室，至少達(dá)綜合距離的90％。正如在上面闡明的，在現(xiàn)有技術(shù)的靜電注射系統(tǒng)中，一般來(lái)說(shuō)，僅為從離子源到該小室總距離的65到80％維持較高的電位。就典型的多極注射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，離子完全不會(huì)在提高的動(dòng)能下行進(jìn)。
因此，本發(fā)明這方面的裝置顯著地減少了不希望有的行程分布的時(shí)間。結(jié)果，該裝置能獲得質(zhì)量范圍為M(高)＝10*M(低)。在目前的工藝水平，具有外部源的FT-ICR質(zhì)譜儀，其質(zhì)量范圍通常是M(高)＝1.6-3*M(低)。
在不擴(kuò)展動(dòng)能分布的情況下，為了有可能采用高速離子注射，使質(zhì)譜儀裝置的幾何結(jié)構(gòu)最佳化，這是有益的。例如，具有小內(nèi)半徑(一般是小于4mm，最佳的是小于2.9mm)的注射多極的采用，降低了動(dòng)能擴(kuò)展。
那些在本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員是覺察到的，就是即使當(dāng)把多極離子導(dǎo)引器安裝得較為不準(zhǔn)確，它們還是能滿意地工作的。再有，在本發(fā)明的一較佳實(shí)施例中，在離子導(dǎo)引裝置之內(nèi)的透鏡和/或多極被精確地對(duì)準(zhǔn)，且最佳的是，具有離最佳值小于0.1mm的偏差。同樣，這也被發(fā)現(xiàn)能減少離子的動(dòng)能分布。
概括地說(shuō)，為使對(duì)于離子的外部注入到FT-ICR小室中的離子行程距離最佳化，應(yīng)合意地考慮下列中的至少一項(xiàng)。較佳的是，要把下列特性的至少50％結(jié)合于具體實(shí)施本發(fā)明一個(gè)方面的系統(tǒng)中。
(a)應(yīng)該采用能提供來(lái)自離子源的離子束有良好聚焦的多極離子導(dǎo)引器即透鏡系統(tǒng)。
(b)多極離子導(dǎo)引器和/或透鏡應(yīng)具有小的內(nèi)直徑，而應(yīng)使在各級(jí)之間有差速的泵抽最佳化。
(c)可使用小直徑真空泵。
(d)應(yīng)使真空外殼最優(yōu)化，以把盲區(qū)減到最小，而這可包括具有低的或無(wú)限制的稍為彎曲的泵抽路徑，以通過(guò)泵和凸緣把空間消耗減到最小。
(e)多極/透鏡/多極組件應(yīng)是高精度的，以把在加速下的離子損耗減到最小，并使傳輸?shù)叫⊥哥R的離子達(dá)到最大。
(f)由于行程分布的時(shí)間隨離子速度的增加而減小，所以，較佳的是，讓離子加速最優(yōu)化。
(g)盡可能增加測(cè)量小室的長(zhǎng)度。較佳的是，這需要下列各點(diǎn)(h)使用具有長(zhǎng)的均勻區(qū)的磁體；(i)鄰近多極引出透鏡的一個(gè)短的減速區(qū)，把大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能，在該小室內(nèi)，后面有一長(zhǎng)且平緩的減速區(qū)，以除去最后幾個(gè)百分?jǐn)?shù)的動(dòng)能；(j)通過(guò)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的離子捕集器中的冷卻，通過(guò)注射電位的正常選擇與計(jì)時(shí)，和/或通過(guò)離子導(dǎo)引系統(tǒng)的精確加工，以把能量分布的未預(yù)見到的或非確定的展寬減到最小，來(lái)使所注入離子的動(dòng)能擴(kuò)展成為最小。
(k)使在其中安裝測(cè)量小室的真空室的容積成為最小，以減小可泵抽的容積。
(1)在注射路徑上，使注射路徑與磁場(chǎng)方向的對(duì)準(zhǔn)最佳(較佳的是，在注射路徑方向和磁場(chǎng)方向之間的偏差小于1°)。
(m)最后，在離子俘獲期間，要把測(cè)量小室的電位與將離子注入到那個(gè)測(cè)量小室的離子捕集器的電位盡可能地保持接近，被認(rèn)為是有益的。
本發(fā)明還推廣一種質(zhì)譜儀的方法，包括(a)在離子源，產(chǎn)生待分析的離子；(b)把所產(chǎn)生的離子導(dǎo)引到離子捕集器中；(c)從該捕集器射出離子；(d)把從離子捕集器射出的離子導(dǎo)引到具有安裝在磁體腔之內(nèi)的測(cè)量小室的FT-ICR質(zhì)譜儀中，該小室被配置在那磁體的前表面的下游處；(e)把來(lái)自離子源或離子捕集器的離子，加速到FT-ICR質(zhì)譜儀的測(cè)量小室；(f)在剛好緊接著測(cè)量小室上游的一個(gè)位置上，減速離子，該位置是磁體前表面的下游；以及(g)在測(cè)量小室內(nèi)探測(cè)離子。
通過(guò)所附權(quán)利要求書和從隨后的較佳實(shí)施例的專門描述的評(píng)述，將會(huì)明白理解本發(fā)明的另一些較佳特性。
附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在將描述僅作為例子的本發(fā)明一實(shí)施例，并參考下列諸圖，其中

圖1示意地示出包括傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR)質(zhì)譜儀的測(cè)量小室的質(zhì)譜儀系統(tǒng)(為了清晰起見，在圖1中未示出用于這種系統(tǒng)的磁體)；圖2a示出更詳細(xì)的圖1的一部分系統(tǒng)的特寫圖，包括測(cè)量小室，但沒有真空系統(tǒng)；圖2b示出圖2a的系統(tǒng)，但包括真空外殼；圖3示出圖1和2測(cè)量小室的更為詳細(xì)的特寫圖，所以還有真空外殼；圖4示出在超導(dǎo)磁體腔內(nèi)安裝的、圖1到3的測(cè)量小室；圖5示出測(cè)量小室和超導(dǎo)磁體腔在軸向和徑向方向較佳的有關(guān)尺寸；圖6a和6b示出能讓圖1到圖4的小室移進(jìn)(圖6a)和移出(圖6b)圖4的磁體的軌道裝置；以及圖7示出圖1系統(tǒng)的較佳電位分布。
具體實(shí)施例方式
首先參閱圖1，圖中示出具體實(shí)施本發(fā)明質(zhì)譜儀系統(tǒng)的高度示意的裝置。
在離子源10中產(chǎn)生離子，它可能是一種電噴射離子源(ESI)，由基質(zhì)輔助的激光離子解吸離子化(MALDI)源，或諸如此類的源。較佳的是，該離子源是在大氣壓下。
在離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)過(guò)諸如具有差速泵抽的一個(gè)或多個(gè)多極的離子透鏡系統(tǒng)20被傳輸。差速泵抽以轉(zhuǎn)移離子從大氣壓降到相當(dāng)?shù)偷膲毫?，在本領(lǐng)域中是熟知的，因此，不作進(jìn)一步的描述。
離開多極離子透鏡20的離子，進(jìn)入離子捕集器30。離子捕集器可以是2-D或3-D的射頻捕集器，多極捕集器或任何其它適宜的離子存儲(chǔ)裝置，包括靜態(tài)電磁或光學(xué)的捕集器。
離子從離子捕集器30被射出，經(jīng)過(guò)第一透鏡40，進(jìn)入第一多極離子導(dǎo)引器50。從這里，離子經(jīng)第二透鏡60進(jìn)入第二多極離子導(dǎo)引器70，然后，經(jīng)過(guò)第三透鏡80進(jìn)入相對(duì)較長(zhǎng)的第三多極離子導(dǎo)引器90。較佳的是，各種多極離子導(dǎo)引器和透鏡，對(duì)彼此來(lái)說(shuō)，是精確地對(duì)準(zhǔn)的，使得與最佳值的偏差小于0.1mm。
在圖1的裝置中，各多極離子導(dǎo)引器50，70和90的內(nèi)直徑(由多極中的桿所限定)是5.73mm，透鏡40，60和80具有內(nèi)直徑，較佳的是，為2-3mm。使用具有小內(nèi)半徑的注射多極，有助于改善當(dāng)離子經(jīng)多極離子導(dǎo)引器通過(guò)時(shí)，在不展寬離子功能分布的情況下，以高速度的離子注射。另外，在差速泵抽的約束之內(nèi)，要維持透鏡的內(nèi)直徑對(duì)多極的內(nèi)直徑之比盡可能地接近于1是合乎需要的。這樣，可把動(dòng)能的擴(kuò)展降到最小。
在第三多極離子導(dǎo)引器90的下游末端處，是一引出口閘門透鏡110，它確定了第三多極導(dǎo)引器和測(cè)量小室100的界限，測(cè)量小室100是傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR)質(zhì)譜儀的一部分。通常，測(cè)量小室100包括一組如圖1所示的圓柱形電極120-140，以使在該小室之內(nèi)，把電場(chǎng)施加到離子，與磁場(chǎng)相結(jié)合，就造成回旋共振，正如在本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所理解的。
要把引出口閘門透鏡110的內(nèi)直徑選得略小于多極內(nèi)直徑(它較佳的是5.73mm)，因?yàn)閬?lái)自FI-ICR磁體(未在圖1中示出)在那個(gè)點(diǎn)的磁導(dǎo)引場(chǎng)是如此之強(qiáng)，所以當(dāng)離子在磁場(chǎng)相對(duì)地可忽略的上游位置時(shí)，它們不會(huì)經(jīng)過(guò)透鏡被“拉出”。
通過(guò)采用被屏蔽的磁體，在第三透鏡80處的磁場(chǎng)實(shí)際上為零。這種主動(dòng)屏蔽磁體的另一好處就是它使高性能渦輪泵可安裝在靠近磁體表面，以便提供較佳的泵抽和較短的行程時(shí)間。因?yàn)閬?lái)自未屏蔽磁體的磁場(chǎng)會(huì)毀壞采用轉(zhuǎn)動(dòng)配件的泵，所以先前的設(shè)備采用遠(yuǎn)離磁體的擴(kuò)散泵，而不能把具有大的金屬質(zhì)量的擴(kuò)散泵裝得太靠近磁體，否則，它們將使磁場(chǎng)畸變。
要知道，尺寸可能在離子源10產(chǎn)生離子，并直接從那里傳輸?shù)綔y(cè)量小室100中，但它們可代之以從離子捕集器30被射出，用于在第一多極離子導(dǎo)引器50中的進(jìn)一步存儲(chǔ)，而隨后的通路，則從那里進(jìn)入測(cè)量小室100中。
在典型的工作環(huán)境下，在圖1系統(tǒng)內(nèi)的壓力，在離子源10的壓力為大氣壓，在離子捕集器30為10-3mbar左右，在第一多極離子導(dǎo)引器50為10-5mbar，在第二多極離子導(dǎo)引器70為10-7mbar；而在第三多極離子導(dǎo)引器和從那里的下游(尤其是，和在測(cè)量小室100)中為10-9mbar。為保持良好的質(zhì)譜分辨率，在測(cè)量小室中，這樣低的壓力是重要的。
在多極50，70，90的其中一個(gè)中，離子的動(dòng)能是當(dāng)離子或是從離子捕集器30或是從第一多極離子導(dǎo)引器50被射出時(shí)的離子的初始電位，和在相關(guān)的上游多極離子導(dǎo)引器50，70，90中的電位之差的結(jié)果。在測(cè)量小室100中的離子動(dòng)能是在初始電位和測(cè)量小室電位之間之差的結(jié)果。因?yàn)殡妶?chǎng)一般是成馬鞍形的，所以在離子捕集器30或第一多極離子導(dǎo)引器50上的電位，而須略高于小室的電位，例如，在圖1中圓柱形電極140所限定的小室電位。
動(dòng)能擴(kuò)展和束流發(fā)散隨著多極離子導(dǎo)引器和透鏡組件50-90的機(jī)械不精確加速電壓，和多極離子導(dǎo)引器的直徑而增加。但是，功能擴(kuò)展和束流發(fā)散隨著導(dǎo)引電位的強(qiáng)度而降低。因此，來(lái)自較高加速電壓所增加的動(dòng)能擴(kuò)展，可通過(guò)正常的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)和選擇具有高的有效導(dǎo)引電位的小直徑多極來(lái)補(bǔ)償。透鏡對(duì)準(zhǔn)和由兩個(gè)連接的并極為精確地對(duì)準(zhǔn)的多極的多極離子導(dǎo)引器90的結(jié)構(gòu)是有益的。尤其是，規(guī)定容許偏差為小于+/-0.5mm，且在某些地方更小。
不同極的加速電位示于圖1中的各級(jí)的上面。當(dāng)然，要知道這些電位僅是示范性的。離子捕集器30的電位為0V，而它的長(zhǎng)度約為50mm。第一透鏡40的電位為-5V。第一多極離子導(dǎo)引器50的電位為-10V，而這導(dǎo)引器還有約50mm的長(zhǎng)度。第二透鏡60具有-50V的電位，第二多極有-50V同樣的電位(具有約120mm的長(zhǎng)度)，以及第三透鏡80具有-110V的電位。第三多極離子導(dǎo)引器90的長(zhǎng)度約為600mm，并有-60V的電位。引出口/閘門透鏡110具有-8V的電位，而測(cè)量小室100較佳的是在0V，關(guān)于電極130和131則分別在+/-2V。在小室100中諸電極上的不同電壓一起提供在該小室內(nèi)的電位，該小室具有在小室100內(nèi)帶有某種動(dòng)能擴(kuò)展的離子的諸轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以致在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的離子是靜止的，然后，通過(guò)這電位反向加速。這又提供了足夠的時(shí)間來(lái)接近小室，并在小室100內(nèi)切換到存儲(chǔ)/探測(cè)，此處替代施加“呈盤子狀”的電位，如朝向圖7的右手部分底部所示。測(cè)量小室100的端部表面111被固定在2V，以提供捕集電位。
下面將描述在測(cè)量小室100中，對(duì)電極的電源供給方式，尤其是結(jié)合圖3。
由于在上面描述的電位，來(lái)自源的離子被加速，然后，以相當(dāng)高的能量行進(jìn)一直到小室100。在圖7中示意地示出所受到的電位。將注意到，尤其是，當(dāng)離子進(jìn)入磁體時(shí)，它們?nèi)砸?0電子伏特的能量在作傳輸，并在測(cè)量小室100用長(zhǎng)而平坦的減速電位來(lái)減速。
作為一種選擇，可把離子存儲(chǔ)在0V的第三多極離子導(dǎo)引器中。
現(xiàn)在參考圖2a，更詳細(xì)地示出從第一多極離子導(dǎo)引器50向前的系統(tǒng)部分。
特別是，圖2a示出用于小室100和用于離子轉(zhuǎn)移透鏡的支撐結(jié)構(gòu)200。
支撐結(jié)構(gòu)200是由諸如鈦或鋁的非磁性材料制成。支撐結(jié)構(gòu)200是用機(jī)械的方法連接到透鏡固定器81，它又支撐第三透鏡80。較佳的是，支撐結(jié)構(gòu)本身是由通過(guò)鋁襯墊220互連的鈦管210，211形成?？墒褂闷渌谴判圆牧希遣捎弥亓枯p的材料是有益的，因?yàn)樗苊鈴澢?br> 圖2a還示出電接觸系統(tǒng)300的一部分，將在下面結(jié)合圖3描述該系統(tǒng)。
從圖2a注意到小室100是由支撐結(jié)構(gòu)從注射側(cè)所支撐住是重要的，就是說(shuō)，它被做成懸臂伸出，即從透鏡固定器81被支撐住(雖然它可從小室的任何其它適宜的點(diǎn)上游被支撐住)。這也有助于改善系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精確度。
在下面，將結(jié)合圖4來(lái)解釋測(cè)量小室100可移進(jìn)和移出超導(dǎo)磁體的方式。
參考圖2b，示出圖2a的裝置，但是具有各種所附著的真空外殼。更準(zhǔn)確地說(shuō)，把第二透鏡60，第二多極離子導(dǎo)引器70，第三透鏡80和部分第三多極離子導(dǎo)引器90密封在內(nèi)的轉(zhuǎn)移塊真空室230具有排氣孔250，251，以實(shí)現(xiàn)泵抽。通過(guò)鄰近排氣孔251的機(jī)械裝置(未在圖2b中示出)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，這裝置可利用杠桿使測(cè)量小室100作X-Y移動(dòng)。
從圖2b要注意的另一重要特點(diǎn)是，小室100的內(nèi)直徑，相對(duì)于在其中安裝它的小室真空室240的直徑來(lái)說(shuō)是大的。換句話說(shuō)，在測(cè)量小室100的內(nèi)直徑和小室真空室240的內(nèi)直徑之間有著最小的距離。小室100與鈦管211共有徑向空間，鈦管被部分地切去，以在那點(diǎn)上為小室100提供更多的空間。
用這樣一種裝置，從上游(注射)側(cè)可較容易地實(shí)現(xiàn)把小室100鑲?cè)氲叫∈艺婵帐?40中。這就不需要在小室真空室240之內(nèi)，測(cè)量小室100的背(非注射)側(cè)構(gòu)筑凸緣。
現(xiàn)在參考圖3，示出了測(cè)量小室100和小室真空室240的更進(jìn)一步的特寫圖。將看到，對(duì)圓柱形電極(在圖1中的120-140)的電壓供給是來(lái)自背面(即，來(lái)自在圖3中觀看的右面)。對(duì)測(cè)量小室100電極的電接觸，通過(guò)形成部分支撐結(jié)構(gòu)的背后表面逐個(gè)獲得。這背后表面提供用于鈦管210，211的終端即安裝表面，并還起著在其內(nèi)安裝自對(duì)準(zhǔn)接觸320的端塊的作用。這些是穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)200的背后表面290來(lái)安裝的，并適合于與穿過(guò)小室真空室240的背墻(再一次如在圖3中看到的)延伸的相應(yīng)的銷子即突出部310接合。這個(gè)裝置讓電接觸從系統(tǒng)外部直至測(cè)量小室的電極，同時(shí)，使支撐結(jié)構(gòu)200，從而測(cè)量小室100，相對(duì)于小室真空室240的機(jī)械自對(duì)準(zhǔn)。后者本身又可在磁體內(nèi)被精確地安裝(正如將結(jié)合圖6a和6b，在下面解釋的)，以致測(cè)量小室100與磁場(chǎng)線的全部對(duì)準(zhǔn)是最優(yōu)化的。在背側(cè)(即，遠(yuǎn)離注射到測(cè)量小室100的一側(cè))具有接觸的另一個(gè)好處是引線可以相對(duì)地短。是從探測(cè)器到放大電路的探測(cè)引線(未示出)改善對(duì)離子探測(cè)的信噪比。
較佳的是，測(cè)量小室是相對(duì)地長(zhǎng)，并在該較佳實(shí)施例中，具有80mm的存儲(chǔ)區(qū)。同樣，較佳的是，由磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)(未在圖3中示出)，至少在那個(gè)80mm的長(zhǎng)度上是均勻的。
現(xiàn)在參考圖4，示出測(cè)量小室100和它在超導(dǎo)磁體400之內(nèi)的位置的示意圖。超導(dǎo)磁體400包括超導(dǎo)線圈410，氦浴420，熱屏蔽430，真空絕緣440和氦浴450。所有這些特性對(duì)在本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是熟知的，將不作進(jìn)一步的描述。
為了清晰起見，在圖4中，不示出小室真空室240，支撐結(jié)構(gòu)200和多極離子導(dǎo)引器50，70，90。
在磁體線圈410的前面和真空絕緣材料440之間是空間480。較佳的是，線圈在那空間480的方向移動(dòng)，以便縮短從磁體(它與測(cè)量小室100的幾何中心一致)向系統(tǒng)的一個(gè)端的距離。較佳的是，雖然未在圖4中示出，但是，磁體是非對(duì)稱的，以致可在注射側(cè)保持短的磁體長(zhǎng)度。尤其是，從前板到磁場(chǎng)中心的距離小于600mm是有益的。
把小室100(和小室真空室240)安裝在其中安放超導(dǎo)磁體的致冷器的腔460之內(nèi)。將會(huì)知道，腔460具有狹于超導(dǎo)線圈410的腔495的直徑490。
圖5示出圖4部件的有關(guān)面積。測(cè)量小室100的內(nèi)直徑面積由區(qū)域500示出。這具有小室半徑501。在圖5中，用參考數(shù)字511示出磁體的內(nèi)半徑(就是說(shuō)，在圖4中磁體腔490的半徑)，而這是面積510的半徑。最后，參考數(shù)字521指出在磁體的磁中心(較佳的是，它和測(cè)量小室100的幾何中心相符合)到磁體的較接近的端表面之間的軸向長(zhǎng)度，較佳的是，這磁體在幾何上是非對(duì)稱的，正如在上面所解釋的。我們定義比率R，它是在磁體腔內(nèi)、在垂直于磁體腔縱軸的平面上測(cè)量的截面積510，相對(duì)于測(cè)量小室100的內(nèi)部的面積(在圖5中參考數(shù)字500)之比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)具有磁體內(nèi)直徑小于100mm的系統(tǒng)，特別是對(duì)較佳的圓柱形小室，R應(yīng)小于4.25。在大多數(shù)我們通常實(shí)現(xiàn)的較佳儀器中，采用具有內(nèi)直徑為55mm和磁體腔直徑為95mm的小室，為的是使R＝2.983。選擇小的R，結(jié)合短長(zhǎng)度的真空系統(tǒng)和磁體，會(huì)有特殊的好處，例如，具有小的R和小于600mm的距離521，會(huì)有特殊的好處。
對(duì)具有其直徑511在100和150mm之間的磁體的系統(tǒng)，較佳的是，R應(yīng)小于2.85。例如，以前的系統(tǒng)具有超過(guò)7的R。
最后參考圖6a和6b，示出高精度軌道系統(tǒng)530。這系統(tǒng)支承圖1的系統(tǒng)(離子源，離子導(dǎo)引器，測(cè)量小室和測(cè)量小室的支撐結(jié)構(gòu))，與超導(dǎo)磁體400有關(guān)。這結(jié)構(gòu)可在AA’方向移動(dòng)至室溫的超導(dǎo)磁體400的腔中，正如分別在圖6a和6b所見到的。
權(quán)利要求
1.一種用于離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀的測(cè)量小室和磁體裝置，包括磁體組件，包括具有帶縱軸的磁體腔的電磁體，該電磁體被配置來(lái)產(chǎn)生具有場(chǎng)線的磁場(chǎng)，該場(chǎng)線通常在所述縱軸的平行方向延伸；以及FT-ICR測(cè)量小室，配置于所述電磁體的腔內(nèi)，該小室具有諸室壁，在諸室壁內(nèi)限定了用于容納來(lái)自外離子源的離子的小室容積，該小室在電磁體的縱軸方向延伸，并通常與它共軸；其中，磁體腔的截面積對(duì)小室容積的截面積之比率R小于4.25，各個(gè)截面積都被定義在垂直于所述縱軸的一個(gè)平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其中該磁體腔和該測(cè)量小室，通常各是直的圓柱體，以及其中該磁體腔的直徑小于150mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，其中該磁體腔的直徑大于100mm，以及其中R小于2.85。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，其中該磁體腔的直徑小于100mm，以及其中限定該小室容積的室壁的內(nèi)直徑至少是48.6mm。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，該磁體組件還包括配置來(lái)安裝該電磁體的外殼，該外殼限定小于磁體腔的外殼腔，該外殼腔適于安裝該測(cè)量小室。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，其中該磁體組件電磁體是超導(dǎo)磁體，該外殼起著致冷器的作用，用來(lái)把電磁體的線圈維持在低于使它們處于超導(dǎo)狀態(tài)的溫度之下。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，還包括安裝該測(cè)量小室的可抽空的室，該可抽空的室被配置在磁體腔內(nèi)使用。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，其中該測(cè)量小室的軸向中心被設(shè)置于在軸方向上遠(yuǎn)離電磁體的幾何中心。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，其中電磁體具有非對(duì)稱的繞組，以致該磁體腔縱軸方向上的磁中心與在那個(gè)方向上的幾何中心不同。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，其中該電磁體被配置來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在磁體腔縱軸方向的至少70mm的長(zhǎng)度上基本上是均勻的，其中小室的長(zhǎng)度在那個(gè)相同方向上同樣是至少70mm。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，其中該測(cè)量小室具有限定一開口的前表面，通過(guò)這開口接收來(lái)自上游方向的離子，以及其中該測(cè)量小室被做成懸臂伸出，即從在那個(gè)所述上游方向上的一個(gè)位置被支撐。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，其中該測(cè)量小室具有限定一開口的前表面，通過(guò)這開口接收來(lái)自上游方向的離子；在所述前表面對(duì)面的后表面，在跨越該小室容積產(chǎn)生電場(chǎng)的多個(gè)電極；以及探測(cè)裝置，該后表面包括至少一個(gè)適于與至少一個(gè)相應(yīng)的電源供給接觸的外部電接觸，和/或探測(cè)器信號(hào)處理裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，其中該測(cè)量小室相對(duì)于磁體組件是可移動(dòng)的。
14.一種離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀，包括離子源裝置，產(chǎn)生待分析的離子；離子存儲(chǔ)裝置，配置來(lái)容納和捕集所產(chǎn)生的離子；離子透鏡，配置于該離子源和該離子存儲(chǔ)裝置之間，當(dāng)離子從該源通到該存儲(chǔ)裝置中時(shí)，用作聚焦和/或過(guò)濾這些離子；一個(gè)在任一前述權(quán)利要求中要求保護(hù)的裝置；以及離子導(dǎo)引裝置，配置于該離子存儲(chǔ)裝置和小室與磁體裝置的測(cè)量小室之間，以導(dǎo)引和聚焦來(lái)自該離子存儲(chǔ)裝置的離子進(jìn)入該測(cè)量小室中，用于在其內(nèi)作質(zhì)譜分析。
15.一種質(zhì)譜儀，包括離子源，用于產(chǎn)生待分析的離子；離子捕集器，容納所產(chǎn)生的離子；離子透鏡裝置，把離子從該源導(dǎo)引到該離子捕集器中；FT-ICR質(zhì)譜儀，具有安裝在磁體的腔內(nèi)的測(cè)量小室，該小室在那磁體前表面的下游，該FT-ICR質(zhì)譜儀還包括探測(cè)裝置以探測(cè)注射到該測(cè)量小室中的離子；離子導(dǎo)引裝置，配置在該離子捕集器和該FT-ICR質(zhì)譜儀之間，以把從該捕集器射出的離子導(dǎo)引到該FT-ICR質(zhì)譜儀中，為在其內(nèi)產(chǎn)生質(zhì)譜，以及電源供給，用于產(chǎn)生電場(chǎng)，以在該離子源和該測(cè)量小室之間加速離子，其中該電源供給被構(gòu)筑來(lái)提供一電位，該電位把來(lái)自該電源或該離子捕集器的離子加速到動(dòng)能E，并把剛好在鄰近該測(cè)量小室前面和磁體前表面下游的位置上的所述離子減速。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該電源供給被配置來(lái)為從該離子捕集器到緊接著在該測(cè)量小室前面的所述位置的基本上所有的通路上，把離子加速到超過(guò)20eV的動(dòng)能。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該電源供給被配置來(lái)為從該離子源到緊接著在該測(cè)量小室前面的所述位置的基本上所有的通路上，把離子加速到超過(guò)20eV的動(dòng)能。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該電源供給被配置來(lái)把離子加速到超過(guò)50eV的動(dòng)能。
19.根據(jù)權(quán)利要求15、16、17或18所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該電源供給被構(gòu)筑來(lái)為從該離子捕集器到該測(cè)量小室的至少90％的距離上，或?yàn)閺脑撾x子源到該測(cè)量小室的至少90％的距離上，把離子加速到所述動(dòng)能。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19中任何一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該離子導(dǎo)引裝置包括至少一個(gè)注射多極離子導(dǎo)引器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該離子導(dǎo)引裝置包括彼此串聯(lián)的多個(gè)注射多極離子導(dǎo)引器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中各注射多極離子導(dǎo)引器具有一縱軸，以及其中各離子導(dǎo)引器與后繼的和/或在前的離子導(dǎo)引器的軸對(duì)準(zhǔn)要小于約0.1mm。
23.根據(jù)權(quán)利要求20、21或22所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該或者各多極離子導(dǎo)引器限定一內(nèi)容積，穿過(guò)該容積離子通向該小室，以及其中該或者各離子導(dǎo)引器的那內(nèi)容積的最大直徑小于4mm，且較佳的是小于2.9mm。
24.根據(jù)權(quán)利要求20-23所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，其中該離子導(dǎo)引裝置還包括至少一個(gè)用于聚焦離子的透鏡。
25.一種質(zhì)譜儀的方法，包括(a)在離子源，產(chǎn)生待分析的離子；(b)把所產(chǎn)生的離子導(dǎo)引到離子捕集器中；(c)從該離子捕集器射出離子；(d)把從該離子捕集器射出的離子，導(dǎo)引到FT-ICR質(zhì)譜儀中，該質(zhì)譜儀具有安裝于磁體腔之內(nèi)的測(cè)量小室，該小室被配置于那磁體前表面的下游；(e)加速?gòu)脑撾x子源或該離子捕集器到FT-ICR質(zhì)譜儀的測(cè)量小室的離子；(f)減速剛好緊接著測(cè)量小室上游的位置處的離子，那個(gè)位置是磁體前表面的下游；以及(g)探測(cè)在該測(cè)量小室內(nèi)的離子。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，其中步驟(e)包括把離子加速到超過(guò)20eV的動(dòng)能E，且較佳的是，超過(guò)50eV。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的方法，其特征在于，其中步驟(e)包括在該離子源和該測(cè)量小室之間距離的超過(guò)90％的距離上，和/或在該離子捕集器和該測(cè)量小室之間距離的超過(guò)90％的距離上，把離子加速到動(dòng)能E。
全文摘要
一種改良的FT－ICR質(zhì)譜儀具有產(chǎn)生離子的離子源(10)，所產(chǎn)生的離子，通過(guò)一系列多極(20)被傳輸?shù)诫x子捕集器(30)。離子從捕集器(30)射出，穿過(guò)一系列透鏡和多極離子導(dǎo)引級(jí)(40－90)而經(jīng)過(guò)引出口/閘門透鏡(110)進(jìn)入測(cè)量小室(100)中。在真空室(240)中安裝該測(cè)量小室，而這組件可滑動(dòng)地移入超導(dǎo)磁體(400)腔中，該磁體提供在該小室(100)中造成所產(chǎn)生離子作回旋運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)。通過(guò)把在該源(10)和小室(100)之間的距離減至最小，并通過(guò)對(duì)離子透鏡的仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)，離子能在高能下運(yùn)行直至測(cè)量小室(100)的前面。該小室(100)在磁體腔的縱方向延伸，并與它共軸。磁體腔的截面積對(duì)小室容積的截面積之比率是小的(小于3)。該磁體是非對(duì)稱的，并在離子注射側(cè)是相對(duì)地短。該小室(100)從小室的前面被支撐，并在其背后形成電接觸。
文檔編號(hào)H01J49/42GK1799118SQ200480006376
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月10日
發(fā)明者R·H·梅勒克, K·J·梅耶, S·斯朵夫, S·R·霍寧 申請(qǐng)人:薩默費(fèi)尼根有限公司