專利名稱：離子捕集的方法和設(shè)備的制作方法
離子捕集的方法和設(shè)備本發(fā)明涉及捕集離子的方法和離子捕集(iontrapping)裝置。具體地，本發(fā)明應(yīng) 用于質(zhì)譜儀中離子質(zhì)量分析之前的離子阱中的離子的氣體輔助捕集。可采用這種離子阱以便提供用于引入離子流的緩沖并準(zhǔn)備足以用于特定質(zhì)量 分析器的具有空間、角和時間特性的分組。質(zhì)量分析器的例子包括單或多反射飛行 時間(TOF)、傅里葉變換離子回旋共振(FTICR)、靜電阱(例如，軌道阱(Orbitrap)類 型的)或另外的離子阱。

圖1示出具有離子阱的典型的質(zhì)譜儀的框圖。質(zhì)譜儀包括生成并向單一離子 阱提供待分析的離子的離子源，在離子阱中離子被收集直到期望的量的離子可用于 隨后的分析。第一檢測器與離子阱相鄰以便在控制器的指導(dǎo)下獲得質(zhì)譜。質(zhì)譜儀總 體上也在控制器的指導(dǎo)下工作。質(zhì)譜儀一般位于真空室內(nèi)，該真空室具有一個或多 個泵以抽空其內(nèi)部。采用用于傳輸和存儲離子的RF場的離子存儲裝置在諸如圖l所示的質(zhì)譜儀中 己變得普遍。圖2a示出在利用DC、 RF和AC場的組合來捕集離子的線性離子阱 裝置中的四個電極的典型的布置。細(xì)長的電極沿z軸延伸，這些電極在x軸和y 軸方向上是成對的。正如從圖2a中看到的，四個細(xì)長的電極中的每一個沿z軸方 向分成三段。圖2b和2c示出施加到電極上的典型的電位。利用DC和RF場的組合來完成 存儲裝置中的捕集。將電極形成近似雙曲線等電位的形狀，并且它們形成有助于容 納進(jìn)入的離子或在捕集裝置中形成的離子的四極RF場。圖2c示出將相似的RF電 位施加到相對的電極使得x軸電極的電位的極性與y軸電極的相反。通過將升高的 DC電位施加到每一個分段電極相對于較長的中心部分的短端部分來輔助這種捕 集。這在RF場上疊加了勢阱。還可將AC電位施加到電極以形成有助于離子選擇的AC場分量。一旦離子被捕集，它稍后從離子阱的端部軸向地或通過設(shè)置在電極之一的中 心的孔徑垂直地噴射到質(zhì)量分析器。在美國專利第5,420,425號中進(jìn)一步詳細(xì)地描述了這種類型的離子阱。
可用氣體填充離子阱，以通過離子在與氣體的低能碰撞中損失其初始動能來 輔助離子的捕集。在離子失去足夠的能量后，它被捕集在離子阱內(nèi)形成的勢阱中。 在第一次通過期間未被捕集的離子通常錯過相鄰的離子光學(xué)部件。對于寬范圍的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)上的大多數(shù)離子，動能的大量損失發(fā)生在氣壓和離子行進(jìn)距離的積(PxD)超過約0.2至0.5毫米托(mm Tor)時。大部分實際的3D和線 性離子阱在約1毫托(mTorr)或更低的壓力下工作。這需要長度是100至150mm的 離子阱來提供足夠長的路徑長度以避免過度的離子損耗。然而，這種長的離子阱是 不理想的，因為例如，它導(dǎo)致過度嚴(yán)格的制造要求。所以實際的離子阱需要在離子 捕獲效率和系統(tǒng)的長度之間折衷。與背景相比，并根據(jù)第一方面，本發(fā)明屬于在 目標(biāo)離子阱中捕集離子的方法，包括將離子引入離子捕集裝置，該離子捕集 裝置包括安排成使得離子可從其中的一個體穿過到達(dá)下一個體的一系列的體， 該體包括目標(biāo)離子阱；使所述離子能夠進(jìn)入、穿過目標(biāo)離子阱并從目標(biāo)離子阱 出來而不被捕集；并導(dǎo)引離子使得它們第二次進(jìn)入目標(biāo)離子阱。本發(fā)明利用某些離子光學(xué)部件的條件下的實現(xiàn)，該折衷可通過提供穿過一系 列的體的離子的多次通過來避免，其中在每次通過中離子損失很低。諸體中的一個 內(nèi)的捕集僅在離子動能變得很低使得離子不能再離開該體時的最后階段發(fā)生。如果 使用多個體，則需要最后存儲離子于其中的體可被稱為"目標(biāo)離子阱"。諸體旨在對應(yīng)于分立的部件，例如，對應(yīng)于離子阱、離子反射器、離子光學(xué) 部件(僅用于在離子通過其中時導(dǎo)引它們)等。某些部件是組合的并包括一個以上的 體。例如，目標(biāo)離子阱可包括單一的體或可包括由電極分隔的一對捕集體。可開或 關(guān)電極上的電壓以形成單一的捕集體或一對捕集體。離子捕集裝置可以是離子處理 部件的較大的收集器的一部分，例如，它可以是包括離子源、另外的離子阱或存儲 器、離子光學(xué)部件等的裝置的組件。提供包括目標(biāo)離子阱和其它體的離子捕集裝置意味著離子可在穿過比目標(biāo)離 子阱的長度長的路徑的同時損失能量。這得到大大低于0.2-0.5毫米托的PxD(其中 D是目標(biāo)離子阱的長度)。確保離子返回目標(biāo)離子阱意味著可將離子收集在其中。方便地，方法可包括反射所述離子使得它們第二次穿入目標(biāo)離子阱，選擇地 第二次反射離子使得離子第三次穿過目標(biāo)離子阱。這可通過將第一電位設(shè)置在離子捕集裝置的第一端并將第二電位設(shè)置在離子捕集裝置的第二端來實現(xiàn)，從而使離子 在任一端處被反射以反復(fù)地穿過目標(biāo)離子阱。由此離子反復(fù)地穿過離子捕集裝置， 提供了離子在其上損失能量的十分長的路徑長度。這對于通常需要較長的停止路徑(在極端的情況下，多達(dá)十次反射)的較重的肽和蛋白質(zhì)尤其有用。選擇地，可將RF電位施加到離子捕集裝置的端部，使離子由所謂的"偽電位"(pseudo-potential)或"有效電位"(effective potential)捕集。這種偽電位表現(xiàn)出高的 質(zhì)量依賴性，并可用于同時捕集正極性和負(fù)極性的兩種離子。為了保證離子被捕集在目標(biāo)離子阱中，較佳的是將電位施加到離子捕集裝置 使得對于陽離子，目標(biāo)離子阱，處于所有充氣的體中的最低電位，從而形成勢阱。 由此，隨著離子損失能量它們往往穩(wěn)定在目標(biāo)離子阱中。另一方面，離子捕集裝置 內(nèi)每一通過具有可忽略的數(shù)量的碰撞的體(即，維持在相當(dāng)好的真空下的體)不具有這些限制它們的電位可比目標(biāo)阱的電位低或高。選擇地，目標(biāo)離子阱包括一系列的體的第一體和第二體，該方法包括將 電位施加到離子捕集裝置使得電位在目標(biāo)離子阱的任一端處升高從而形成勢 阱，并使得在所述離子捕集裝置的任一端處形成勢壘；將離子引入到所述離子 捕集裝置，其中它們隨后由離子捕集裝置的任一端處的所述勢壘反射，從而反 復(fù)地穿過目標(biāo)離子阱同時它們失去能量，最后穩(wěn)定在所述目標(biāo)離子阱中；隨后 施加一電位以在所述第一體和第二體之間起作用從而將穩(wěn)定在所述目標(biāo)離子 阱中的離子分裂成兩組， 一組被捕集在第一體中而另一組被捕集在第二體中。這一方法提供可捕集兩個或更多離子束的一種方便的方式。然后可分別處理 離子束(例如，發(fā)送到不同的質(zhì)譜儀)或可以相同的方式處理(例如，作為一對連續(xù)的 分組發(fā)送到相同的檢測器)。這種方法可提供檢測器的改進(jìn)的交叉校準(zhǔn)和更好的定 量分析。第一體和第二體可彼此相鄰。例如，目標(biāo)離子阱可包括兩個體，它們由置于其間的捕集電位分隔開。在離子阱周圍延伸的電極可用于提供該電位?；蛘撸谝?體和第二體可由諸如離子導(dǎo)引器之類的另外的一個體或多個體分隔。在這種意義 下，目標(biāo)離子阱是組合的并包括兩個分隔的離子阱。當(dāng)分裂離子束時，可相對于第 一體和第二體升高起劃分作用的體的電位，從而在第一體和第二體中形成勢阱。從 第二方面，本發(fā)明屬于一種在離子捕集裝置的目標(biāo)離子阱中捕集離子的方法，離 子捕集裝置包括安排的一系列的體使得離子可從一個體穿過到下一個體，這些 體包括所述目標(biāo)離子阱，該方法包括將電位施加到離子捕集裝置使得(i)電位 在目標(biāo)離子阱的任一端處升高，從而在目標(biāo)離子阱中形成勢阱，(ii)鄰接目標(biāo)離 子阱的一個或多個體處于比目標(biāo)離子阱高的電位，以及(iii)在離子捕集裝置的 任一端處形成勢壘；以及將離子引入離子捕集裝置，其中它們隨后由離子捕集
裝置的任一端處的勢壘反射，從而反復(fù)地穿過目標(biāo)離子阱以隨著其能量下降而 穩(wěn)定在所述勢阱中。選擇地，該方法可進(jìn)一步包括將一種氣體引入諸體中的至少一個中從而導(dǎo)致 離子的氣體輔助捕集。這表示一種幫助離子能量損失使得它們穩(wěn)定在目標(biāo)離子阱中形成的勢阱中的較佳的方法。0.1毫托至IO毫托的壓力范圍是較佳的，0.5毫托至 2毫托更佳。選擇地，該方法可進(jìn)一步包括將一種氣體引入與目標(biāo)離子阱相鄰的體中。較 佳的是，將一種氣體或多種氣體以目標(biāo)離子阱中的壓力低于相鄰的體的壓力的方式 引入到目標(biāo)離子阱和相鄰的體。根據(jù)一個設(shè)想的實施例，該方法還可包括在將離子從離子存儲器釋放到離子 捕集裝置前將離子捕集在離子存儲器中。選擇地，該方法可包括在離子存儲器中反 復(fù)地捕集離子并將它們釋放到離子捕集裝置中從而連續(xù)地增加了最后穩(wěn)定在目標(biāo) 離子阱中的離子的數(shù)量。選擇地，離子捕集裝置具有廣泛地對應(yīng)于離子穿過一系列的體的來回運動 的縱軸，且方法還包括將目標(biāo)離子阱中捕集的離子從目標(biāo)離子阱基本垂直地噴 出。例如，可將離子噴射到諸如靜電(軌道阱)類型分析器或單次或多次反射飛 行時間質(zhì)量分析器等質(zhì)量分析器的入口?？墒褂脧澢哪繕?biāo)離子阱使從其垂直 噴出的離子聚焦。從第三方面，本發(fā)明屬于一種離子捕集裝置，包括安排的一系列的體使得 離子可從一個體穿過到下一個體，這些體包括目標(biāo)離子阱；安排成承載電位的 電極；以及安排成設(shè)置電極上的電位的控制器，使得(i)電位在目標(biāo)離子阱的任 一端處升高，從而在目標(biāo)離子阱中形成勢阱，(ii)鄰接目標(biāo)離子阱的一個或多個 體處于比目標(biāo)離子阱高的電位，以及(iii)在離子捕集裝置的任一端處形成勢壘。選擇地，離子捕集裝置可包括對應(yīng)于與目標(biāo)離子阱相鄰的體中之一的離子 光學(xué)部件或可包括對應(yīng)于與目標(biāo)離子阱相鄰的體中之一的離子反射器。本發(fā)明還擴充到離子源和捕集裝置，包括離子源、位于離子源的下游的可選 的離子存儲器，以及位于下游的如上所述的離子捕集裝置?？刂破鞅话才懦稍O(shè) 置離子存儲器上的電位以捕集由離子源產(chǎn)生的離子，然后將捕集的離子釋放到 所述離子捕集裝置中。因為離子源(例如，電噴霧)經(jīng)常包含較高壓力的區(qū)域(例 如，具有差動抽吸和強迫離子通過它的電壓的大氣-真空接口)，這些區(qū)域事實 上是離子捕集裝置的一部分，使得它們形成諸體中的一個或多個，離子在穩(wěn)定 在目標(biāo)離子阱中之前通過這些體多次反射。本發(fā)明還延及包括如上所述的離子捕集裝置或離子源和捕集裝置的質(zhì)譜儀。 為了使本發(fā)明更易于理解，對以下僅作為例子的附圖進(jìn)行了參考，附圖中 圖1是質(zhì)譜儀的框圖；圖2a是線性四極離子阱的圖示，圖2b和2c示出用于離子阱的工作的DC、 AC和RF電位；圖3a示出軌道阱類型的質(zhì)譜儀，它包括根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的離子捕集裝置，而圖3b示出設(shè)置在使用中的離子捕集裝置上的電位；以及圖4a至4e示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的離子捕集裝置的五個實施例。 圖3a中示出了軌道阱類型的質(zhì)譜儀10，但不是按比例的。質(zhì)譜儀10在布置 上一般是線性的，且離子沿縱向軸(z)穿過。質(zhì)譜儀10的前端包括離子源12?？筛?據(jù)需要從各種公知的類型中選擇離子源12，例如，電噴霧、MALDI或任何其它己 知類型。離子光學(xué)部件14與離子源12相鄰，且其后連接線性離子阱16。另外的 離子光學(xué)部件18位于線性離子阱16的另一邊，其后連接以各個端處的門20和24 為界的彎曲的四極線性離子阱22。從離子在隨后用于質(zhì)量分析的噴出之前聚集在 這里的意義上來說，離子阱22是目標(biāo)離子阱。離子反射器26被設(shè)置成與下游門 24相鄰。離子光學(xué)部件18、離子阱22和離子反射器26組成離子捕集裝置，這些 元件中的每一個對應(yīng)于該裝置的一個分立的體。構(gòu)造目標(biāo)離子阱22使之在軌道阱質(zhì)譜儀30的入口的方向上穿過設(shè)置在目標(biāo) 離子阱22的電極中的孔并穿過有助于使從離子阱22發(fā)出的離子束聚焦的另外的離 子光學(xué)部件28垂直地噴出離子。在工作中，在離子源12中生成離子，并通過離子光學(xué)部件14輸送以臨時聚 集在離子阱16中。離子阱16含有1毫托的氦，使得離子在與氣體分子的碰撞中失 去一些動能。在固定的時間延遲(為使得足夠的離子聚集在離子阱16中而選擇的)后或在離 子阱16中檢測到足夠的離子后，離子從離子阱16噴出以穿過離子光學(xué)部件18并 進(jìn)入目標(biāo)離子阱22。具有足夠的能量的離子將穿過目標(biāo)離子阱22進(jìn)入離子反射器 26，在離子反射器26中它們被反射以返回目標(biāo)離子阱22。取決于離子的能量，它 們可由門20反射，或者如果它們具有足夠的能量以克服門20的電位并延伸到另一 邊則它們由離子阱16的較高的電位反射，這在下文中將詳細(xì)解釋。將冷卻氣體引入到離子反射器26，從這里它將進(jìn)入目標(biāo)離子阱22。氮、氬、
氦或任何其它適當(dāng)?shù)臍怏w物質(zhì)可用作冷卻氣體，但對于該實施例，氦用于離子阱16較佳而氮用于離子阱22較佳。這種布置導(dǎo)致在離子反射器26中有1毫托的氮， 并且在目標(biāo)離子阱22中有0.5毫托的氮，即，目標(biāo)離子阱22中的壓力低于反射器 26中的壓力。所采用的抽吸裝置(由抽吸端口和箭頭32指示)確保將離子阱16與目 標(biāo)離子阱22分離的離子光學(xué)部件18基本沒有氣體。圖3b示出沿從離子源12至離子反射器26的離子路徑存在的電位。通過將適 當(dāng)?shù)碾妷禾峁┙o離子源12、離子光學(xué)部件14和18、離子阱16和22、門20和24 以及離子反射器26中的電極來形成這種電位。正如所看到的，離子在離子源12 中以高電位開始，隨后在目標(biāo)離子阱22中電位一般降低到其最小值，從而在目標(biāo) 離子阱22中形成根據(jù)需要捕集離子的勢阱。事實上，在離子光學(xué)部件18中出現(xiàn)最低電位。因為在離子光學(xué)部件18中沒 有氣體，所以離子僅飛過離子光學(xué)部件18而不損失能量。因此，將離子光學(xué)部件 18的電位優(yōu)化成確保在離子通過它時離子損失最小。在這種情況下，離子光學(xué)部 件18的電位小于離子阱22的電位，使得在其間需要升高的電位以確保目標(biāo)離子阱 22中捕集的離子不會逃逸到離子光學(xué)部件18中。由離子源12生成的離子沿電位梯度40前行，以便在勢阱44中被捕集，勢阱 44在離子阱16中由位于其遠(yuǎn)端的較高的電位46和其近端處的電位降42形成。如 此捕集的離子可在與離子阱16中的氦氣碰撞中損失能量。離子阱16還可包括用于 進(jìn)行質(zhì)量分析實驗的檢測器。當(dāng)足夠的離子聚集在離子阱16中時，它們通過將電位46從由圖3b的虛線所 示的電位降低到由實線所示的電位來釋放。離子一旦離開離子阱16并且它們在離 子阱22中隨后的存儲過程完成時，電位46增加以與虛線一致。此后，阱16準(zhǔn)備 好再次填充?；蛘?，可將整個離子阱16的DC偏置升高，由此防止離子再次進(jìn)入 離子阱16。還有可能使用只處于傳輸模式的離子阱16，即，具有恒定設(shè)置的由實 線所示的電位46。在48處示出離開離子阱16的離子的一般路徑。離子穿過離子光學(xué)部件18和 目標(biāo)離子阱22以進(jìn)入離子反射器26，在其經(jīng)歷與目標(biāo)離子阱22和離子反射器26 中的氮氣碰撞時損失動能。最后，離子將由設(shè)置在離子反射器26上的很大的電位反射。正如所看到的， 離子反射器26中的電位被安排成按指數(shù)規(guī)律升高。 一次反射的離子再次穿過目標(biāo) 離子阱22，因為其動能超過門20上的電位50，所以繼續(xù)進(jìn)入離子光學(xué)部件18以由離子阱16和離子光學(xué)部件18之間的陡峭的電位梯度52反射。如果離子阱22 和離子反射器26中的能量損失足夠小，則離子甚至能再次進(jìn)入離子阱16，在與氣 體的碰撞中損失一些能量并由勢壘42反射。因此，離子被送回到目標(biāo)離子阱22， 以便由設(shè)置在離子反射器26上的電位48再一次反射。離子穿過目標(biāo)離子阱22反 射回來，以便由設(shè)置在離子反射器26上的電位48再次反射。
在圖3b中，第三次反射的離子再次穿過目標(biāo)離子阱22，但現(xiàn)在在與氣體分子 的碰撞中損失很多能量使得它不能克服門20上的勢壘50。因此，離子被反射回目 標(biāo)離子阱22。門24和到離子反射器26的入口的電位略高于目標(biāo)離子阱22:離子 由所得的電位梯度54反射，從而在門20和24之間形成的目標(biāo)離子阱22的勢阱內(nèi) 被捕集。
可利用從離子阱16的僅單次或連續(xù)的離子注入來在目標(biāo)離子阱22中聚集離 子。或者，可利用從離子阱16的兩次或更多次的注入來在目標(biāo)離子阱22中聚集更
多的離子。這可通過設(shè)置在離子阱16的末端上的電位46的適當(dāng)?shù)倪x通來實現(xiàn)。 在目標(biāo)離子阱22中一旦聚集了離子，就可以很多不同的方式來處理它們，例
如
1. 可把離子送回離子阱16并進(jìn)一步處理，例如，在其檢測器上檢測或分裂 等(參見下文)。
2. 離子可越過離子反射器26傳送到更遠(yuǎn)的下游至另外的質(zhì)量分析器或分裂 器等。
3. 離子可從目標(biāo)離子阱22的軸向質(zhì)量分析器跳動，例如，軌道阱30。 為了后一目的，可將電位50和54升高到由虛線峰值50鄰54'指示的電位，以
強制離子朝向阱22的中部。在這種"擠壓"期間，在與目標(biāo)離子阱22中的氣體的 碰撞中，離子能量的增加快速地消耗。
將聚集在目標(biāo)離子阱22中的離子如箭頭58所指示地通過電極之間的間隔或 通過設(shè)置在電極中的孔向其曲率中心噴出。可利用WO05/124821A2中所述的方法 來促進(jìn)噴出，其內(nèi)容整體結(jié)合于此。如上所述地聚束離子減小了穿過孔的離子束的 寬度。目標(biāo)離子阱22的曲率用于將離子聚焦在軌道質(zhì)譜儀30的入口孔上，且離子 光學(xué)部件28對該聚焦起輔助作用。
上述的實施例提供壓力增益，因為多次反射使得目標(biāo)離子阱22內(nèi)維持的較低 的氣壓能夠提供相同的碰撞阻尼。這種壓力增益約等于反射的數(shù)量，這進(jìn)而約等于 0.3至0.5除以每次通過從離子捕集裝置中損失的離子的部分。任何離子捕集裝置、
中的大部分離子損失在一般在分隔體的電極中設(shè)置的孔處。因此高傳輸離子光學(xué)部 件對于優(yōu)化性能很重要，尤其是關(guān)于孔限定的電極。對于同樣參與離子冷卻的其它
捕集區(qū)域，如果這些區(qū)域的氣體壓力比目標(biāo)離子阱22中的壓力高，則壓力增益能
夠更高。
較佳地，離子光學(xué)部件應(yīng)能夠傳輸能量變化很大的離子，諸如RF導(dǎo)引器和周 期透鏡。己在實驗中發(fā)現(xiàn)，對于內(nèi)切半徑為ro的RF多極可實現(xiàn)低的離子損耗，所 述RF多極由具有超過r。的0.3至0.4的內(nèi)部半徑且厚度大大小于ro的孔分隔開。
例如，在上面的實施例中，線性阱16的長度通常是50至100mm，離子光學(xué) 部件18的長度約是300mm，目標(biāo)離子阱22的軸向長度約是20mm，并且離子反 射器26的長度約是30mm。目標(biāo)離子阱22含有0.5毫托的氮氣，給出P><D=0.01 毫米托，離子反射器含有l(wèi)毫托的氮氣，給出PxD:0.03毫米托。
設(shè)置在門20和24中的孔的內(nèi)直徑是2.5至3mm，而其厚度不大于lmm。線 性離子阱16的內(nèi)切直徑是8mm，目標(biāo)彎曲線性離子阱22的內(nèi)切直徑是2xrd^6mm， 且離子光學(xué)部件18的內(nèi)切直徑是5.5mm。
典型地，捕集發(fā)生在幾毫秒的時間范圍上。
總的說來，目標(biāo)離子阱22中的低壓有利于使脆弱的離子垂直安全地跳出，以 及有利于在向軌道阱質(zhì)量分析器30的路徑上進(jìn)行更有效的差動抽吸。為了避免離 子在高能下分裂，要求P^r^l(^至1()J毫米托(取決于離子的質(zhì)量、電荷、結(jié)構(gòu) 和其它參數(shù))。對于fe『3mm，這意味著P^(0.3至3)"0-3托。
已發(fā)現(xiàn)由以上實施例提供的壓力增益提高了性能。以前在m/z 500以上在離子 阱中觀察到明顯的性能損失現(xiàn)在，直到m/z2000也沒有觀察到性能損失。
上述的實施例僅是本發(fā)明的一個可能的實現(xiàn)。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的讀者將意識 到在不背離本發(fā)明的范圍的情況下對本發(fā)明的改變是可能的。
例如，圖4a至4e示出可使用的離子光學(xué)部件和離子阱的不同的布置。圖4a 示出連接目標(biāo)離子阱62的離子光學(xué)部件60的簡單的離子捕集裝置。由離子源(未 示出)生成離子，以在64處注入到離子光學(xué)部件60內(nèi)。離子在離子捕集裝置的端 部被反射，如由箭頭66和68所指示的。目標(biāo)離子阱62包含用于實現(xiàn)氣體輔助捕 集的氣體。將離子光學(xué)部件60保持為比離子目標(biāo)阱62的電位高的電位。捕集在目 標(biāo)離子阱62的勢阱中的離子可如70所指示地軸向地噴出或如72所指示地垂直地 噴出。
圖4b示出包括夾在兩組離子光學(xué)部件82和84之間的目標(biāo)離子阱80的離子
、
捕集裝置。離子光學(xué)部件84擔(dān)當(dāng)離子反射器。離子在86處注入，以如88和90 處所指示的由離子光學(xué)部件82和84的端部反射。目標(biāo)離子阱80包含氣體。捕集 的離子聚集在由目標(biāo)離子阱80形成的勢阱中，并可在92處垂直地噴出或如94所 指示的經(jīng)由離子光學(xué)部件84軸向地噴出。
圖4c示出離子捕集裝置，其中在100處注入的離子依次穿過離子光學(xué)部件 102、充氣的離子阱104、離子光學(xué)部件106和充氣的離子阱108。在110處目標(biāo)阱 108的遠(yuǎn)端反射離子，并在112處離子阱104的遠(yuǎn)端反射離子。在由目標(biāo)離子阱108 設(shè)置的勢阱中捕集的離子可在114處軸向地噴出或在116處垂直地噴出。
圖4d示出離子捕集裝置，其中在120處注入的離子穿過離子光學(xué)部件122、 充氣的離子阱124、離子光學(xué)部件126、充氣的目標(biāo)離子阱128和離子反射器130。 離子在132處被離子反射器130反射并在134處被離子阱124的遠(yuǎn)端反射。可在 136處從阱128垂直地噴出或在138處經(jīng)由離子反射器130軸向地噴出在由目標(biāo)離 子阱128設(shè)置的勢阱中捕集的離子。
除目標(biāo)離子阱128和離子反射器130兩者都填充氣體外，圖4e基本對應(yīng)于圖 4d。因此，圖4e的離子捕集裝置與圖3a所示的相同。重要的是注意，在本發(fā)明的 所有實施例中，單次離子穿過目標(biāo)離子阱22中的碰撞導(dǎo)致捕獲離子束基本可忽略 的部分， 一般<10%。應(yīng)用本發(fā)明，與單次通過相比，捕獲效率提高至少2-5倍。 這將本發(fā)明與眾多已知類型的單次和多次捕集裝置相區(qū)別。
所述的捕集原理適用于任何類型的阱不管其構(gòu)造如何，因此包括電極或多 級的擴充的組、直徑恒定的或變化的孔、具有施加的RF和DC電位的螺旋或圓形 電極、磁和電磁阱等。盡管氣體輔助捕集的使用是較佳的，但也可采用諸如絕熱捕 集之類的其它裝置。同樣，可增加離子阱電位以在離子阱中實現(xiàn)離子云壓縮。
在使用氣體輔助捕集處，可自由地改變所使用的氣體的選擇，也可改變氣體 的維持的壓力。需要時可采用反應(yīng)性氣體(諸如甲烷、水蒸氣、氧等)或非反應(yīng)性氣 體(諸如惰性氣體、氮等)。
可設(shè)想所建議的捕集方法的其它使用。例如，圖3a或4b的裝置可用于增加 從離子源12引入離子的捕集效率而不需要分別增加離子阱16或104的長度(以及 由此的成本)。在這種情況下，首先可在目標(biāo)阱22或108中捕集大部分離子，隨后 轉(zhuǎn)移回離子阱16或104。
一般而言，可僅通過改變離子阱16和22上以及離子光學(xué)部件14和18上的 DC偏移量而使離子從一個離子阱移動到另一個。在該意義上，術(shù)語"目標(biāo)阱"應(yīng)
解釋成意指其中利用碰撞冷卻捕集離子的目標(biāo)(與在質(zhì)量分析前用于存儲的最后的 離子阱相對)。這還允許離子損失的診斷和最小化。例如，可將固定數(shù)量的離子從
離子阱16轉(zhuǎn)移到離子阱22，然后回到離子阱16，然后利用設(shè)置在離子阱16中的 一個檢測器或多個檢測器測量。在轉(zhuǎn)移到離子阱16和沒有轉(zhuǎn)移到離子阱16的情況 下由相同的檢測器收集的質(zhì)譜的比較允許用于每一個質(zhì)量峰的離子傳輸?shù)木_的
由多次通過捕集展開的另一種可能性是離子束的分裂。例如，如果兩個離子 阱具有完全相同的DC偏移量，并且沒有分隔它們的勢壘，則離子云將分布在這些 阱之間。在離子阱之間形成勢壘可將離子總體分裂為兩部分。這在阱的每一個中采 用不同的檢測器時是有用的，因為它可允許每一個阱的較好的交叉校準(zhǔn)和較好的定 量分析。例如，可將離子總體的第一部分分裂成目標(biāo)離子阱22的第一部分，并在 由相關(guān)聯(lián)的檢測器檢測前捕集在那里。然后可使用所測量的離子數(shù)量來預(yù)測存儲在 目標(biāo)離子阱22的第二部分中的、可隨后噴出到軌道阱30中的離子的精確數(shù)量。這 允許將修正應(yīng)用到在軌道阱30中所捕集的質(zhì)譜中的質(zhì)量校準(zhǔn)。這在諸如MALDI 之類的相對不穩(wěn)定的源的情況下使用時是有優(yōu)勢的。
因為如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)置電位則上述實施例中的離子阱中的任一個可用作目標(biāo)離 子阱，所以它還意味著可將離子阱中的每一個軸向地或垂直地連接到另一個質(zhì)量分 析器，如圖4中虛線所示意性地示出。這種質(zhì)量分析器較佳地是TOF、 FT ICR、 靜電阱或任何離子阱類型，但還可采用四極質(zhì)量分析器、離子遷移率光譜儀或磁扇 (magnetic sector)。質(zhì)量分析器可形成圖3或4中所示的任何離子光學(xué)部件的整體部 分。
以上是在捕集陽離子的上下文中描述的。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到 本發(fā)明容易地適用于捕集陰離子。盡管需要電位(具體的是極性)的適配，但這種適 配是簡單的，并在普通的技術(shù)人員的技術(shù)范圍內(nèi)。
事實上，本發(fā)明可用于同時捕集兩種極性的離子，假如采用能夠捕集兩種極 性的勢壘。這種勢壘可由RF場(類似于在離子阱中保持任何極性的離子的RF場) 的"偽電位"(另外稱為"有效電位")形成。例如，可將RF電壓施加到目標(biāo)阱22 的端部處的孔上，或者可在兩個多極的偏移之間有RF電壓等。
當(dāng)離子在RF場中移動時，可將它們的運動視為重疊在平滑"平均"軌道上的 RF場的頻率下的高頻脈動。正如由Landau和Lifshitz (Mechanics， Pergamon出版 社，Oxford, UK， 1969)所示出的，具有質(zhì)量與電荷比m/q的離子沿這種"平滑"
軌道的運動在某些條件(例如，當(dāng)脈動相對較小時)下等價于偽電位中的運動:其中<...>的意思是RF場的周期上取平均值，l...l的意思是向量的模量，而VO是 RF電位的梯度。偽電位可用于形成與DC電位一樣有效的勢阱或勢壘。偽電位與 場梯度的平均值的平方成比例并與m/q成反比，所以可表現(xiàn)出強的質(zhì)量依賴性。 在需要質(zhì)量選擇時可有利地使用偽電位的強的質(zhì)量依賴性。主要的差別在于偽勢阱 或勢壘對帶負(fù)電荷和正電荷的離子作用方式相同，因此允許同時捕集兩種極性的離 子。偽電位還可與DC電位結(jié)合。顯然，偽電位還可用于捕集僅一種極性的離子。 在以上的實施例中，在需要離子捕集時，RF電壓可在目標(biāo)阱22的端孔處或 者甚至是RF多極(例如，多極的DC偏移量的頂部)之間轉(zhuǎn)換。作為一個例子，可 僅利用DC勢阱來將陽離子存儲在目標(biāo)阱22的一端附近。然后可將陰離子從另外 的離子源或甚至從相同的離子源12(沿除目標(biāo)阱22外的所有離子路徑使電壓極性 反向)導(dǎo)入并存儲在目標(biāo)阱22的另一端附近?？蓮牧硗獾碾x子源引入離子。此后， 在目標(biāo)阱22的兩端之間接通RF，并去除DC勢阱。兩種極性的離子開始共用相同 的捕集體并相互吸引導(dǎo)致離子-離子相互作用，例如WO2005/090978和 WO2005/074004中所述的。
權(quán)利要求
1.一種在目標(biāo)離子阱中捕集離子的方法，包括將離子引入離子捕集裝置，所述離子捕集裝置包括一系列的體，其安排成使得離子可從一個體穿過到下一個體，所述體包括所述目標(biāo)離子阱；使離子能夠進(jìn)入所述目標(biāo)離子阱并從所述目標(biāo)離子阱出來而不被捕集；以及導(dǎo)引離子使得它們第二次進(jìn)入所述目標(biāo)離子阱。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括反射離子使得它們第二 次進(jìn)入所述目標(biāo)離子阱。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括第二次反射離子使得 離子第三次進(jìn)入所述目標(biāo)離子阱。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，包括將第一電位設(shè)置在所述 離子捕集裝置的一端，并將第二電位設(shè)置在所述離子捕集裝置的另一端，從而 導(dǎo)致離子在任一端處反射，并反復(fù)地穿過目標(biāo)離子阱。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo)離子阱的端部對應(yīng)于離子捕集裝置的端部。
6. —種在離子捕集裝置的目標(biāo)離子阱中的離子氣體輔助捕集方法，所述離子捕集裝置包括一系列的體，安排成使得離子可從一個體穿過到下一個體，所述體包括所述目標(biāo)離子阱，所述方法包括用氣體至少填充對應(yīng)于所述目標(biāo)離子阱的體；將電位施加到所述離子捕集裝置使得(i)所述電位在所述目標(biāo)離子阱的任一端處升高，從而在所述目標(biāo)離子阱中形成勢阱，(ii)鄰接所述目標(biāo)離子阱的 一個或多個充氣的體中的任一個處于比所述目標(biāo)離子阱高的電位，以及(iii) 在所述離子捕集裝置的任一端處形成勢壘；以及將離子引入所述離子捕集裝置，在其中它們隨后由所述離子捕集裝置的任 一端處的勢壘反射，從而反復(fù)地穿過所述目標(biāo)離子阱以隨著其能量下降穩(wěn)定在 所述勢阱中。
7. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括將一種 氣體引入所述體中的至少一個中，從而引起所述離子的氣體輔助捕集。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括將一種氣體引入所述目 標(biāo)離子阱中。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括將一種氣體引入鄰接 所述目標(biāo)離子阱的體。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，包括將一種氣體或幾種氣體 引入所述目標(biāo)離子阱和相鄰的體使得所述目標(biāo)離子阱中的壓力低于所述相鄰 的體中的壓力。
11. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括將RF 電位施加到所述離子捕集裝置以產(chǎn)生用于捕集離子的偽電位。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括施加適于同時捕集陽 離子和陰離子的RF電位。
13. 如權(quán)利要求8至12中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括將 電位施加到所述離子捕集裝置，使得所述目標(biāo)離子阱處于充氣體的最低電位。
14. 如權(quán)利要求8至13中的任一項所述的方法，其特征在于，包括填充 所述充氣體，使得所述離子捕集裝置的平均壓力與所述離子捕集裝置的長度的 乘積小于0. 5托毫米(Torr*mm)。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括填充所述充氣體，使 得所述乘積小于0.2托毫米。
16. 如權(quán)利要求8至16中的任一項所述的方法，其特征在于，包括在O. 1 毫托(mTorr)至IO毫托的壓力范圍內(nèi)操作所述充氣體。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，包括在O. 5毫托至2毫托 的壓力范圍內(nèi)操作所述充氣體。
18. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括在將離 子從離子存儲器釋放到所述離子捕集裝置之前將離子捕集在離子存儲器中。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，將離子反復(fù)地捕集在所述 離子存儲器中，并將它們釋放到所述離子捕集裝置，從而連續(xù)地增加所述目標(biāo) 離子阱中的離子的數(shù)量。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括將電位施加到所述 離子存儲器的任一端以將離子捕集于其中，然后降低一端的電位，從而將離子 從該端釋放到所述離子捕集裝置中。
21. 如權(quán)利要求18至20中的任一項所述的方法，其特征在于，包括將電 位施加到所述離子存儲器，使其處于比所述離子捕集裝置高的電位。
22. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述離子捕集 裝置具有廣泛地對應(yīng)于離子穿過一系列的體的來回運動的縱軸，且所述方法還包括將所述目標(biāo)離子阱中捕集的離子從所述目標(biāo)離子阱基本垂直地噴出。
23. 如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo)離子 阱包括所述體中的一個。
24. 如權(quán)利要求1至22中的任一項所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo) 離子阱包括所述一系列體的第一和第二體，所述方法包括將電位施加到所述離子捕集裝置，使得所述電位在所述目標(biāo)離子阱的任一 端處升高從而形成勢阱，并使得在所述離子捕集裝置的任一端處形成勢壘；將離子引入到所述離子捕集裝置，其中它們隨后由所述離子捕集裝置的任 一端處的所述勢壘反射，從而反復(fù)地穿過所述目標(biāo)離子阱同時它們失去能量， 以最后穩(wěn)定在所述目標(biāo)離子阱中；以及隨后施加一電位以在所述第一體和第二體之間起作用，從而將穩(wěn)定在所述 目標(biāo)離子阱中的離子分裂成兩組， 一組被捕集在所述第一體中，而另一組被捕 集在所述第二體中。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一體和第二體彼此相鄰。
26. 如權(quán)利要求24或25所述的方法，其特征在于，還包括確定所述第一 體中的離子的數(shù)量，并利用該確定值來估計所述第二體中的離子的數(shù)量。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二體中捕 集的離子噴射到質(zhì)譜儀，從所述離子獲得質(zhì)譜，以及根據(jù)所述第二體中離子的 估計數(shù)量將質(zhì)量分配到質(zhì)譜中的峰值。
28. —種離子捕集裝置，包括一系列的體，安排成使得離子可從一個體穿過到下一個體，其中所述體中 的一些適于以氣體填充，并且其中所述一系列的體包括目標(biāo)離子阱； 安排成承載電位的諸電極；以及控制器，安排成在所述諸電極上設(shè)定電位，使得(i)電位在所述目標(biāo)離子 阱的任一端處升高，從而在所述目標(biāo)離子阱中形成勢阱，(ii)鄰接所述目標(biāo)離 子阱的適于以氣體填充的一個或多個體處于比所述目標(biāo)離子阱高的電位，以及(iii)在所述離子捕集裝置的任一端處形成勢壘。
29. 如權(quán)利要求28所述的離子捕集裝置，其特征在于，包括對應(yīng)于與所 述目標(biāo)離子阱相鄰的體中之一的離子光學(xué)部件。
30. 如權(quán)利要求28或29所述的離子捕集裝置，其特征在于，包括對應(yīng)于 與所述目標(biāo)離子阱相鄰的體中之一的離子反射器。
31. 如權(quán)利要求28至30中的任一項所述的離子捕集裝置，其特征在于， 所述控制器被安排成設(shè)置電位以產(chǎn)生用于捕集離子的偽電位。
32. 如權(quán)利要求31所述的離子捕集裝置，其特征在于，所述控制器用于 設(shè)置電位以產(chǎn)生偽電位以同時捕集陽離子和陰離子。
33. 如權(quán)利要求28至32中的任一項所述的離子捕集裝置，其特征在于， 還包括用于將氣體引入所述體中的至少一個的氣體源。
34. 如權(quán)利要求28至33中的任一項所述的離子捕集裝置，其特征在于， 所述目標(biāo)離子阱包括所述體中之一。
35. 如權(quán)利要求28至34中的任一項所述的離子捕集裝置，其特征在于， 所述目標(biāo)離子阱包括所述一系列體中的第一體和第二體，且所述控制器被安排 成允許一個延時以使離子穩(wěn)定在所述目標(biāo)離子阱的勢阱中，然后設(shè)置在所述第 一體和第二體之間作用的電位，從而形成兩個勢阱，所述第一體和第二體中各 有一個勢阱。
36. 如權(quán)利要求35所述的離子捕集裝置，其特征在于，所述第一體和第 二體彼此相鄰。
37. —種離子源和捕集裝置，包括離子源、位于所述離子源的下游的離子 存儲器、以及位于所述離子存儲器的下游的如權(quán)利要求28至36中的任一項所 述的離子捕集裝置。
38. 如權(quán)利要求37所述的離子源和捕集裝置，其特征在于，所述控制器 被安排成設(shè)置離子存儲器上的電位以捕集由離子源產(chǎn)生的離子，然后將捕集的 離子釋放到所述離子捕集裝置中。
39. 如權(quán)利要求38所述的離子源和捕集裝置，其特征在于，所述控制器 被安排成將電位設(shè)置于所述離子存儲器的任一端以將離子捕集于其中，然后降 低一端的電位從而將離子從該端釋放到所述離子捕集裝置。
40. 如權(quán)利要求38或39所述的離子源和捕集裝置，其特征在于，所述控 制器被安排成每次將離子組釋放到所述離子捕集裝置時反復(fù)地捕集離子存儲 器中的離子，從而在所述目標(biāo)離子阱中聚集多個離子組。
41. 如權(quán)利要求37至40中的任一項所述的離子源和捕集裝置，其特征在 于，所述控制器被安排成將電位施加到所述離子存儲器，使得它處于比所述離 子捕集裝置高的電位。
42. 如權(quán)利要求37至41中的任一項所述的離子源和捕集裝置，其特征在 于，所述離子捕集裝置具有廣泛地對應(yīng)于離子穿過一系列的體的來回運動的縱 軸，且所述控制器被安排成將所述目標(biāo)離子阱中捕集的離子從所述目標(biāo)離子阱 基本垂直地噴出。
43. —種質(zhì)譜儀，包括權(quán)利要求28至36中的任一項所述的離子捕集裝置。
44. 一種質(zhì)譜儀，包括權(quán)利要求37至42中的任一項所述的離子源和捕集裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及捕集離子的方法以及離子捕集裝置。具體地，本發(fā)明應(yīng)用于質(zhì)譜儀中離子質(zhì)量分析之前的離子阱中的離子氣體輔助捕集。本發(fā)明提供了一種在離子捕集裝置的目標(biāo)離子阱中捕集離子的方法，該離子捕集裝置包括安排的一系列的體使得離子可從一個體穿過到下一個體，這些體包括目標(biāo)離子阱，由此使離子能夠反復(fù)地穿過體使得它們還進(jìn)入所述目標(biāo)離子阱并從所述目標(biāo)離子阱出來而不被捕集。電位可用于將離子從離子捕集裝置的各端反射。選擇地，勢阱和/或氣體輔助冷卻可用于使離子穩(wěn)定在目標(biāo)離子阱中。
文檔編號H01J49/00GK101151704SQ200680010091
公開日2008年3月26日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者A·A·馬卡羅夫, E·丹尼索夫, G·榮, O·蘭格, R·馬雷克 申請人:薩默費尼根有限公司