專利名稱：具有積聚電子碰撞離子源的飛行時間質(zhì)譜儀的制作方法
具有積聚電子碰撞離子源的飛行時間質(zhì)譜儀
背景技術(shù)：
電子碰撞(EI)電離被用于環(huán)境分析和技術(shù)控制的質(zhì)譜分析廣泛地采用。從分析的介質(zhì)(例如食物、土壤或水)中提取感興趣的樣品。提取物包括豐富化學(xué)基質(zhì)內(nèi)的感興趣的分析物。在一維或二維氣相色譜分析(GC或GCxGC)內(nèi)及時分離提取物。GC載體氣體(通常為氦氣)將樣品送入EI源中，以用于借助電子束進(jìn)行電離。電子能量通常保持為70eV，以便獲得標(biāo)準(zhǔn)的碎片光譜。利用質(zhì)譜儀收集光譜，然后提交光譜以與標(biāo)準(zhǔn)EI光譜庫作比較，來鑒定感興趣的分析物。很多應(yīng)用要求以高靈敏度(例如至少低于Ipg且優(yōu)選在Ifg的水平)且以在低水平分析物與豐富化學(xué)基質(zhì)之間的高濃度動態(tài)范圍(例如至少1E+5，期望地為1E+8)來進(jìn)行分析。為了可靠地鑒定化合物和為了改善信號與化學(xué)噪聲之比，通常需要具有高分辨能力的數(shù)據(jù)。很多GC —質(zhì)譜儀系統(tǒng)采用四極分析儀。由于EI光譜具有多峰值，因此通常必須在寬的質(zhì)量范圍上使用掃描質(zhì)量分析儀，這導(dǎo)致在四極質(zhì)譜儀上不可避免地產(chǎn)生離子損失，使光譜的獲得變慢，并且在各個質(zhì)量痕跡的形狀上引入變形，從而扭曲碎片強(qiáng)度比。由于GC、特別是GCxGC分離提供短的色譜峰(例如在GCxGC的情況下低于50ms)，飛行時間質(zhì)譜儀(TOF MS)在與GC或GCxGC結(jié)合(couple)時通常被用來快速獲取全景(完整的質(zhì)量范圍)光譜。

發(fā)明內(nèi)容
總體描述了一種多反射式飛行時間質(zhì)譜儀，其使用具有正交加速(orthogonalacceleration)的電子碰撞離子源。有利地，通過沿第一軸線從電離空間中引出積聚的分析物離子包、沿與第一軸線基本垂直的第二軸線正交加速分析物離子包，以及使離子包的引出和離子包的正交加速 同步(引出和正交加速之間存在時間延遲，其中所述時間延遲與各個被引出的分析物離子包的質(zhì)量范圍成正比)，所公開的光譜儀改善了這類系統(tǒng)中的分辨率、靈敏度和動態(tài)范圍的組合。本說明書的一個或多個實(shí)施方式的細(xì)節(jié)在附圖和下列描述中被說明。根據(jù)說明書、附圖及權(quán)利要求，其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。


圖1是示例性飛行時間(TOF)質(zhì)譜儀系統(tǒng)的示意圖；圖2是用于操作TOF質(zhì)譜儀系統(tǒng)的示例性的操作設(shè)置；圖3是示例性的封閉型積聚離子源的示意圖；圖4是電子束和電勢分布圖的示意圖，其示出了電子束內(nèi)的離子積聚以及隨后的脈沖式離子引出；圖5是示例性的電子碰撞電離一飛行時間質(zhì)譜儀(E1-T0F MS)系統(tǒng)的示意圖；圖6是沿X-Y平面的圖5所示系統(tǒng)的積聚電子碰撞離子源組件的示意圖7是沿X-Z平面的圖5所示系統(tǒng)的積聚電子碰撞離子源組件的示意圖；圖8A和8B提供了用于操作E1-TOF MS系統(tǒng)的示例性的操作設(shè)置；圖9A和9B分別提供了 E1-TOF MS系統(tǒng)的操作期間示例性的質(zhì)量范圍(mass span)分布圖的圖示；圖1OA提供了在將Ipg的六氯苯C6Cl6 (HCB)注入到氣相色譜(GC)柱上時，E1-TOFMS系統(tǒng)內(nèi)的離子信號強(qiáng)度與積聚離子源中的離子積聚時間之間的關(guān)系的圖示；圖1OB提供了圖1OA所示曲線對時間微分得到的圖示，其示出了離子積聚效率隨時間的變化；圖1lA提供了將Ipg的HCB注入E1-TOF MS系統(tǒng)所獲得的HCB的同位素的實(shí)驗(yàn)痕跡的圖示；圖1lB提供了在積聚離子源中實(shí)施離子積聚時，向E1-TOF MS系統(tǒng)中注入Ipg的HCB時得到的質(zhì)譜的一部分的圖示；圖12A提供了 E1-TOF MS系統(tǒng)內(nèi)積聚離子源的各種操作模式下動態(tài)范圍曲線圖。圖12B提供了離子積聚期間發(fā)生飽和的圖示。每I U s的離子存儲和每IpgHCB的離子數(shù)與加載到柱上的HCB樣品數(shù)量的關(guān)系被描繪成圖。 各個附圖中的相同附圖標(biāo)記指示相同元件。
具體實(shí)施例方式圖1提供了一種示例性的飛行時間(TOF)質(zhì)譜儀系統(tǒng)10的示意圖，質(zhì)譜儀系統(tǒng)10采用了與電子碰撞(EI)電離源內(nèi)離子積聚結(jié)合的正交加速。TOF質(zhì)譜儀系統(tǒng)10包括與離子反射鏡160和檢測器180連通的積聚電子碰撞離子源組件50。積聚電子碰撞離子源組件50包括與離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件120和正交加速器140連通的積聚離子源100。積聚離子源100限定第一 X軸和與X軸垂直的第二 Y軸。在一些實(shí)施方式中，積聚離子源100包括電子發(fā)射體102 (例如熱發(fā)射體)，其將連續(xù)的電子束104送入第一和第二電極108a和108b之間限定的電離空間115，所述第一和第二電極連接至相應(yīng)的第一和第二脈沖發(fā)生器110a、110b。在一些實(shí)施方式中，電子發(fā)射體102將電子束104加速到約25eV —約70eV，并且/或者將至少IOOy A的電流送入電離空間115。積聚離子源100可被構(gòu)造成在由脈沖發(fā)生器IlOaUlOb提供的引出脈沖之間在電子束104 (例如電離空間115)中積聚離子。正交加速器140可包括與相應(yīng)的第三和第四脈沖發(fā)生器144a和144b電連通的第三和第四電極142a和142b。來自第一和第二脈沖發(fā)生器IlOa和IlOb的脈沖與來自第三和第四發(fā)生器144a和144b的正交加速脈沖同步，以允許期望質(zhì)量范圍的離子包150受到正交加速器140的正交加速。經(jīng)正交加速的離子包150能由反射器160 (也稱離子反射鏡)接收，所述反射器利用靜電場使接收到的離子的行進(jìn)方向反轉(zhuǎn)。反射器160通過保證質(zhì)荷比基本相同、但動能不同的離子同時到達(dá)與反射器/離子反射鏡160連通的檢測器180而改進(jìn)質(zhì)量分辨率。圖2提供了用于操作TOF質(zhì)譜儀系統(tǒng)10的示例性的操作設(shè)置200。這些操作包括將分析樣品(即分析物)的蒸汽引入第一和第二電極108a和108b之間限定的電離空間115(202);以及將連續(xù)的電子束104送入(例如加速)電離空間115 (204)。例如，電子發(fā)射體102 (例如熱發(fā)射體)可以將能量在約25eV —約70eV之間的連續(xù)的電子束104送入第一和第二電極108a和108b之間的電離空間115，從而在電離空間115中連續(xù)產(chǎn)生分析物離子。為改善靈敏度，積聚離子源100能被布置成將離子積聚在電子束104中。在一些實(shí)例中，這些操作包括在第一和第二電極108a和108b上形成有助于離子積聚在電子束104內(nèi)的電勢。此外，能優(yōu)化積聚離子源100的參數(shù)(諸如電子電流及能量、氦氣流速、和/或積聚離子源100 (例如在第二電極108b上)限定的引出孔108b的直徑)，以改善積聚離子源100內(nèi)離子的離子積聚和碰撞阻尼。這些操作包括周期性地在第一和第二電極108a和108b上施加引出脈沖(206)，以例如沿Y軸引出積聚的離子，從而形成短的離子包130，所述離子包的估計(jì)持續(xù)時間為約0. 5 ii s —約2 ii S。這些操作還包括在離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件120內(nèi)形成離子包130的軌跡(208)，以降低離子包130在正交加速器140內(nèi)的發(fā)散度。這些操作還包括從引出脈沖開始延遲一段時間之后(例如由第三和第四發(fā)生器144a和144b)對第三和第四電極142a和142b施加正交加速脈沖(210)，以及沿X軸正交加速離子包130 (212)。沿Y軸引出加速各個分析物離子包130和沿X軸加速各個分析物離子包150之間的時間延遲提供了成正比(proportional)的各分析物離子包130的質(zhì)量范圍。正交加速脈沖可足以用于將期望質(zhì)量范圍的離子包130從正交加速器140轉(zhuǎn)移到飛行時間(TOF)分析儀160或離子反射鏡。此外，這些操作可以包括將經(jīng)正交加速的離子包150接收到TOF分析儀160中以用于反射(214)，以及將經(jīng)反射的離子包150接收到檢測器180中(216)。通常Y方向上的離子包130的能量在20_100eV之間，以便在加速器140內(nèi)形成近似平行的離子軌跡131，以及使離子包150的軌跡朝向檢測器180傾斜。Y軸方向上的離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件120的典型長度在IO-1OOmm量級上。Y軸方向上的正交加速器140的典型長度為10-100mm。在從電離區(qū)115到正交加速器140的中心的飛行路徑上，會產(chǎn)生飛行時間分離一與較重離子相比，較小離子更快到達(dá)加速器140。為擴(kuò)大加速脈沖114a和144b出現(xiàn)時加速器140中捕獲的離子質(zhì)量范圍，應(yīng)使用較短的約IOmm的離子光學(xué)器件120和較長的50mm以上的加速器140，這將能夠覆蓋標(biāo)準(zhǔn)的50 — IOOOamu的GC-MS質(zhì)量范圍。相反地，為了在飛行時間分析儀中獲得更高的分辨率，應(yīng)當(dāng)形成近似平行的離子束，這需要使用較長的離子光學(xué)器件，且其可選地具有離子束準(zhǔn)直功能。期望的離子光學(xué)器件長度為50 — 100mm,這會導(dǎo)致容許的質(zhì)量`范圍變小。為選擇期望的質(zhì)量范圍,應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器110a/110b的引出脈沖和發(fā)生器144a/144b的加速脈沖之間的延遲。典型的延遲約為10微秒。在一個具體實(shí)施例中，離子源100為“開放”型，正如用在LECO公司的Pegasus生產(chǎn)線上的。這種源因其在抗污染方面的魯棒性而出名。與Pegasus產(chǎn)品中的直接軸向引出相比，在此提議的延遲垂直引出法為電離區(qū)中形成的等離子體的分解提供時間延遲。除此之外，步驟208還使正交加速器140內(nèi)離子具有低發(fā)散度的離子軌跡。與直接脈沖引出相t匕，由此形成的離子包130應(yīng)允許在正交加速中形成較短的離子包150。圖3提供了“封閉”型積聚離子源300的示意圖。積聚離子源300包括具有電離區(qū)315的電離室310和將連續(xù)電子束314送入電離區(qū)315 (例如通過由電離室310限定的相應(yīng)孔口)的電子發(fā)射體312。在一些實(shí)例中，電子收集器316接收電子束314 (例如通過由電離室310限定的相應(yīng)孔口)。在一些實(shí)施方式中，電離室310為具有內(nèi)徑ID (例如13mm)和長度Lc (例如IOmm)的圓柱形。電離室310可以限定有束流入孔311 (例如具有約0. 5mm至約3mm的直徑D1),其與束流離開孔313相對。束流入孔311接收從電子發(fā)射體312通過孔的電子束314的采樣，束流離開孔313允許電子束314離開電離室310，并且被電子收集器316所接收。電離室310限定有第一 X軸和與X軸垂直的第二 Y軸。與電子發(fā)射體312電連通的功率源322給電子發(fā)射體312供電，以產(chǎn)生電子束314。離子源300還包括位于電離區(qū)315的相對側(cè)上的第一電極318a (推斥極)和第二電極318b (弓丨出極)。在一些實(shí)施方式中，電離室310限定有引出孔317 (例如其直徑D2在約Imm至約IOmm之間)，第二電極318b限定有離開孔319 (例如其直徑D3在約2mm至約4mm之間)以便從電離區(qū)域315中引出離子。引出孔319可以在尺寸上被設(shè)計(jì)成將電離室310中的氣壓保持在約ImTorr-約IOmTorr之間。在這種情況下，在儲存離子束的同時可伴隨有對存儲的離子的氣體冷卻和對離子云的空間壓縮。與相應(yīng)的第一和第二電極318a和318b電連通的第一和第二脈沖發(fā)生器320a和320b在存儲期間的第一組存儲電壓Ua和Ub與引出期間的第二組引出電壓Va和Vb之間切換。電壓隊(duì)和仏可以被用來形成四極靜電場，以在徑向方向上充分約束積聚的分析物離子。四極靜電場可以在電子束附近具有小于lv/_的強(qiáng)度?？梢栽陔婋x區(qū)315的相對側(cè)上設(shè)置第一和第二磁鐵326a和326b以進(jìn)行電子束聚焦。在所不實(shí)例中，第一磁鐵326a布置在電子發(fā)射體312附近，第二磁鐵326b布置在電子收集器316附近。轉(zhuǎn)移線路328 (也稱作樣品注入器)可被用于在載體氣體(諸如氦氣(或者例如氮?dú)?、氫氣或一些其它惰性氣體))的氣流中將樣品(即分析物)從氣相色譜分析儀(未示出)送至電離空間315。轉(zhuǎn)移線路328可引入在約0. lmL/min 一約10mL/min的流速下的載體氣體，以便在直徑為約2mm —約4mm的離開孔319處保持約ImTorr —約IOmTorr的氣壓。在一些實(shí)施方式中，對于積聚電子碰撞離子源組件300的積聚和靜態(tài)操作模式，束流入孔311具有約Imm的直徑D1、引出孔317具有約2mm —約4mm的直徑D2并且/或者允許約lmL/min的氣體流速，以使靈敏度最大化。與70eV的電子束能量相比，電子能量為30eV的電子束314可以使氦的電`離降低至少三個量級，并且使分析物信號提升2或3倍。這種效果源于氦的電離勢(PI=23eV)高于大多數(shù)有機(jī)物(例如，PI=7_10eV)。降低的電子能量使氦氣的流速范圍變大，同時不影響積聚離子源300的操作參數(shù)(例如可以與氦離子的空間電荷有關(guān))。為了在電子束314內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的離子積聚，電離區(qū)315中的場結(jié)構(gòu)可以被布置成在積聚階段避免連續(xù)引出離子。第一和第二電極318a和318b上的電勢Ua和Ub可以被設(shè)置在幾個伏特的電離室310的電勢范圍內(nèi)，以將場強(qiáng)保持在lV/mm之下。此外，電勢隊(duì)和Ub可以保持成略有吸引力以允許沿X軸壓縮電子束314。電子束314可以具有至少IOOiiA的電流，以使電子束314具有充足的空間電荷。為了相對于氦流具有相對較高的信號和較低的公差，電子束314可以具有約30eV的能量，以減少氦的電離(例如至少3個量級)。在一些實(shí)例中，電子收集器316相對于電子發(fā)射體312具有輕微的正電壓偏置，以便除去在樣品和氦氣電離過程中形成的慢電子。在一些實(shí)施方式中，電離區(qū)315中的積聚時間T與樣品流量F的乘積小于Ipg(T*F〈lpg),在一些情況下小于0.1pg (T*F〈0. lpg)。例如，在積聚時間T在約0. 5ms 一約Ims的情況下,分析流量F對應(yīng)的范圍為約Ifg/秒一約IOOpg/秒。在更高負(fù)載或積聚時間的情況下，積聚的離子束會充滿電離區(qū)315，積聚在電子束314內(nèi)的離子消失或被抑制，因而使儀器的靈敏度下降。通過在相對較小的負(fù)載下分析樣品或者在目標(biāo)分析雜質(zhì)與樣品基質(zhì)之間提供有效的時間分離，能夠?qū)崿F(xiàn)相對更高的儀器靈敏度。二維氣相色譜分析(GCxGC)可以在分析物和基質(zhì)之間提供充足時間的分離。參見圖4，在一些實(shí)施方式中，離子源300在具有直徑d的電子束314中形成離子積聚區(qū)域324。電子束314形成勢阱402，其可按照下列公式進(jìn)行估算D=I/e IV。在電子電流1=1001^、電子速度^4￡+6111/8、束流直徑(1=1￡-3111的情況下，可估算勢阱為IV。在一些實(shí)施方式中，在離子積聚階段期間，第一電極318a (推斥極)和第二電極318b (引出極)相對于電離室310具有弱的吸引電勢(例如幾個伏特)。這在電離區(qū)315附近形成相對弱的四極場，其場強(qiáng)小于lV/mm。四極場在Y軸方向上發(fā)散，在X軸方向上會聚。Y —發(fā)散場對勢阱402在Y軸上的深度具有較小影響；而乂_會聚場有助于沿X軸約束離子。在一些實(shí)施方式中，在離子排出或引出階段期間，第一電極318a (排斥極)接收脈沖正電勢，第二電極318b(引出極)接收吸引性的脈沖負(fù)電勢。為釋放積聚的離子，需要的引出場的強(qiáng)度大于lV/mm或5V/mm,以使勢講404傾斜。在一些實(shí)例中，引出場強(qiáng)小于約20V/mm,以便降低所引出的離子包150的能散。離子積聚過程不會擴(kuò)散到氦離子406上。He+離子和He原子之間會發(fā)生共振電荷交換，He原子上附著的自由慢電子的共振交換也會發(fā)生。這種電荷交換反應(yīng)控制電荷運(yùn)動而非電場。氦原子上的電荷可以離開勢阱402，因?yàn)殡姾蛇\(yùn)動不受電場控制，而是由共振電荷交換反應(yīng)406和氣體熱能 控制。這種效應(yīng)更可能發(fā)生在某些氦氣密度范圍內(nèi)，其中電子隧道反應(yīng)的穩(wěn)定速度超出離子形成的穩(wěn)定速度。圖5提供了示例性的電子碰撞電離一飛行時間質(zhì)譜儀(E1-TOF MS)系統(tǒng)500的示意圖，該系統(tǒng)500包括積聚電子碰撞離子源組件50 (例如具有離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件120和正交加速器140的積聚離子源100、300)、平面多反射TOF (M-TOF)分析儀560和檢測器580。平面M-TOF分析儀560包括兩個平面且無網(wǎng)格的離子反射鏡562，其通過無場空間564和無場空間564內(nèi)的一組周期性透鏡566分隔。積聚離子源100、300在引出脈沖之間積聚離子，所述脈沖的時間周期在約500 ii s至約IOOOiI S之間，與分析儀560中的離子飛行時間匹配。引出脈沖導(dǎo)致沿Y軸引出離子包150，正交加速器140沿X軸正交加速離子包150。積聚離子源100、300和光學(xué)器件120可相對于M-TOF分析儀560略微傾斜。離子包150在M-TOF分析儀560的反射鏡562之間反射，并且沿Z方向緩慢漂移，同時沿鋸齒形的主軌跡受到周期性透鏡566約束。圖6提供了沿X-Y平面的積聚電子碰撞離子源組件50的示意圖。圖7提供了沿X-Z平面的積聚電子碰撞離子源組件50的示意圖。在所示實(shí)例中，積聚電子碰撞離子源組件50包括積聚離子源100，其具有電子發(fā)射體102，所述發(fā)射體102將連續(xù)的電子束104輸入第一和第二電極108a和108b之間的電離空間115，第一和第二電極108a和108b連接相應(yīng)的第一和第二脈沖發(fā)生器110a、110b。積聚離子源100連通靜電式離子光學(xué)器件120，所述光學(xué)器件120降低從積聚離子源100中引出并且輸送到正交加速器140的離子包150的空間發(fā)散。正交加速器140包括第三和第四電極142a和142b，其電連通相應(yīng)的第三和第四脈沖發(fā)生器144a和144b。在這種情況下，第三電極142a為推板，其從第三脈沖發(fā)生器144a中接收正脈沖，第四電極142b為覆有網(wǎng)格的拉板，其從第四脈沖發(fā)生器144b中接收負(fù)脈沖。在一些實(shí)例中，正交加速器140包括靜電式加速級146、Z 一偏轉(zhuǎn)器148z和Y-偏轉(zhuǎn)器 148y。在圖6和7中示出的實(shí)例中，正交加速器140被定向成與離子光學(xué)器件120的軸線垂直。然而，整個積聚電子碰撞離子源組件50被定向成與E1-TOF MS系統(tǒng)500的X、Y和Z軸形成一定角度，以沿著MR-TOF分析儀560的鋸齒形軌跡(圖5)引導(dǎo)離子包150，從而相互補(bǔ)償因使積聚電子碰撞離子源組件50傾斜和使離子包150在偏轉(zhuǎn)器148y、148z中的一個或多個中轉(zhuǎn)向而引起的時間扭曲。圖8A和8B提供了用于操作E1-TOF MS系統(tǒng)500的示例性的操作設(shè)置800。這些操作包括將分析樣品(即分析物)的蒸汽引入第一和第二電極108a和108b之間的電離空間115 (802)，以及將連續(xù)的電子束104送入電離空間115 (804)以轟擊樣品和產(chǎn)生樣品離子(例如分析物離子)。為了提高靈敏度，這些操作包括在電離空間115中將離子積聚在電子束104內(nèi)(806)。例如可以通過(例如由第一和第二磁鐵326a和326b)形成磁場以在徑向方向上充分約束電子束104來增強(qiáng)離子積聚。在一些實(shí)例中，這些操作包括使第一和第二電極108a和108b具有有助于離子積聚在電子束104內(nèi)的電勢。電子束104附近的四極靜電場的場強(qiáng)可小于lV/mm?？梢酝ㄟ^向電子束104施加強(qiáng)度小于20V/mm的脈沖電場來形成分析物離子包130。這些操作包括周期性地向第一和第二電極108a和108b施加引出脈沖以沿第一軸線引出積聚的離子(808)，以及在離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件120內(nèi)形成離子包130的軌跡，以降低正交加速器140內(nèi)離子包130的發(fā)散度(810)。這些操作還包括從引出脈沖開始延遲一段時間之后(例如由第三和第四發(fā)生器144a和144b)向第三和第四電極142a和142b施加正交加速脈沖(812)，以及沿著與第一軸線垂直的第二軸線正交加速離子包150(814)。可以調(diào)整時間延遲以獲得具有特定質(zhì)荷比(m/z)的離子包130，用于進(jìn)行正交加速。

這些操作還包括沿第二軸線(X軸)將正交加速的離子包150接收到靜電加速器146中(816)，以及(例如沿Y軸方向)引導(dǎo)離子包150以相互補(bǔ)償傾斜和轉(zhuǎn)向的時間扭曲(818)。這些操作還包括與MR-TOF分析儀560的X、Y、Z軸中的至少一個成一定角度地將正交加速的離子包150接收到MR-TOF分析儀560中(820)，以在MR — TOF分析儀560內(nèi)沿鋸齒形軌跡引導(dǎo)離子包150。這些操作包括將反射的離子包150接收到檢測器180中(822)。E1-TOF MS系統(tǒng)500可以按照至少在有限質(zhì)量范圍上具有高分辨率的MR-T0F560的統(tǒng)一占空比運(yùn)行。此外，相比于E1-TOF MS系統(tǒng)500的靜態(tài)模式，積聚離子源100內(nèi)的離子積聚使占空比得到改善。對于靜態(tài)操作模式，第一和第二脈沖發(fā)生器IlOa和IlOb被關(guān)閉，并且向第一和第二電極108a和108b施加弱的引出電勢。然后，連續(xù)的離子束104通過離子光學(xué)器件120，進(jìn)入第三和第四電極142a和142b之間的加速間隙143(圖7)。在一些實(shí)例中，加速間隙143的長度U小于6_，同時離子能量約為80eV。在這些情況下，中等質(zhì)量(例如m/z = 300)的離子在小于Iii s的時間內(nèi)通過正交加速器140。因此，700 y s的周期中只有I U s可以被用于垂直弓丨出，S卩，連續(xù)模式下的MR-T0F560的占空比小于0. 15%。在積聚模式下，引出的離子包150比正交加速器140的長度L短，具有較窄質(zhì)量范圍的離子按照幾乎統(tǒng)一的占空比受到正交加速。與E1-TOF MS系統(tǒng)500的靜態(tài)操作模式相比，期望的靈敏度上的增益估計(jì)為500。實(shí)驗(yàn)測試為了實(shí)驗(yàn)測試E1-TOF MS系統(tǒng)500中的離子積聚效果，采用封閉型積聚離子源300，其具有內(nèi)徑ID為13mm、長度Lc為IOmm的電離室310。對于這些實(shí)驗(yàn)，熱電子發(fā)射體102提供3mA的穩(wěn)定發(fā)射電流。電離室310通過電離室310限定的束流入孔311采樣獲得IOOiiA電流的電子束。入孔311的直徑D1約為1mm。200高斯的均勻磁場將電子束104約束在電離區(qū)315中。電離室310的引出孔317具有約4_的直徑D2，第二電極318b (例如真空密封的引出電極)限定有直徑D3約為2mm的離開孔319。在0.1 — lOmL/min的氦氣流速下，電離區(qū)315經(jīng)由轉(zhuǎn)移線路328從Agilent6890N氣相色譜分析儀(可從AgilentTechnologies, Inc. , 5301Stevens Creek Boulevard, Santa Clara, CA95051-7201 處購得)中接收樣品。大部分實(shí)驗(yàn)對應(yīng)于lmL/min的氦氣流速,這是GC微型柱的典型值。對于這些實(shí)驗(yàn)，電離室310對地懸浮電壓為+80V，電子能量在約20eV至約IOOeV的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。在積聚階段期間，考慮到電離室310中的低場滲透，第一電極318a接收約70V —約78V的排斥極電勢(例如比電離室310的電勢低2-10V)，第二電極318b接收OV 一約70V的引出極電勢。在排出階段，第一電極318a接收約80V —約90V的排斥極電勢，第二電極318b接收OV—約-200V (負(fù))的引出極電勢。電壓可以選擇以使積聚模式期間的離子信號最大化。對于這些實(shí)驗(yàn)，在離子光學(xué)器件120內(nèi)，靜電式透鏡(未示出)包括-300V的中空加速電極，其限定有I X 2mm的狹縫，該狹縫限制經(jīng)過的離子包130的角發(fā)散度。狹縫被布置成與離子軌跡聚焦平面相匹配，以形成初始平行的離子束。加速電極布置在一對具有轉(zhuǎn)向元件(其懸浮電壓至少為-300V)的伸縮式透鏡附近。布置在伸縮式透鏡附近的減速透鏡形成基本平行的離子束，其在SOeV的離子能量下具有小于約2mm的直徑和小于約4度的全發(fā)散度。80eV的離子束進(jìn)入正交加速器140，其中垂直采樣的離子包150的有效長度為6mm。對于這些實(shí)驗(yàn)，積聚離子源300、透鏡系統(tǒng)120和正交加速器140共同關(guān)于MR-TOF分析儀560的Y軸傾斜約4. 5度角。經(jīng)過正交加速器140，束流被引導(dǎo)回XZ平面上。改變源引出脈沖和正交加速脈沖之間的延遲以接納期望質(zhì)量范圍的離子，其中在MR-TOF分析儀560中檢查所接納的質(zhì)量 范圍。MR-TOF分析儀560對于這些實(shí)驗(yàn)而言是平面的，并且包括兩個平行的離子平面反射鏡，所述反射鏡均由5個細(xì)長框架組成。電極上的電壓被調(diào)整成使相對于初始離子能量、空間分散和角分散，同步離子聚焦達(dá)到高水平。反射鏡罩的間距約為600_。這組周期性透鏡566提高了沿鋸齒形主軌道的離子約束。離子沿前后Z軸方向經(jīng)過透鏡。對于這些實(shí)驗(yàn)而言，離子路徑的總有效長度約為20m。通過MR-TOF分析儀560的懸浮無場區(qū)564限定出4kV的加速電壓。最重的IOOOamu的離子的飛行時間可為700 y S。在連續(xù)操作模式中，E1-TOF MS系統(tǒng)500的占空比在質(zhì)荷比相對較大(例如m/e=1000)時可約為0. 25%，并且與較小的離子質(zhì)荷比的平方根成比例地下降。對于相對較重的離子，E1-TOF MS系統(tǒng)500可具有45，000 — 50，000的分辨率。圖9A和9B分別提供了 E1-TOF MS系統(tǒng)500的操作過程中示例性的質(zhì)量范圍輪廓的圖示。積聚離子源300以脈沖離子引出的方式在積聚模式下運(yùn)行，圖9A示出了在離子的質(zhì)荷比m/e=69、219和502時，離子包150在正交加速器140內(nèi)的時間輪廓。經(jīng)過積聚離子源300的離子包150的半高全寬(FWHM)在質(zhì)荷比為69時為0. 5 y s,并且與質(zhì)荷比m/e的平方根成比例地增加。該寬度由正交加速器140中花費(fèi)的時間而非從積聚離子源300引出的離子包150的初始持續(xù)時間限制。因此，在正交加速時可將具有期望m/e的整個離子包150捕獲在正交加速器140內(nèi)，并且正交加速器140的占空比變得接近統(tǒng)一。通過在積聚離子源300內(nèi)積聚離子，(脈沖模式)E1-TOF MS系統(tǒng)500的靈敏度與E1-TOF MS系統(tǒng)500的靜態(tài)(連續(xù))操作模式相比可以改善數(shù)百倍。由于積聚離子源300和正交加速器140之間的飛行時間效應(yīng)，用于在正交加速器140中聚焦離子包150的時間不可避免地會縮短分析質(zhì)量范圍。圖9B提供了當(dāng)時間延遲為21 ii s時，質(zhì)量范圍的圖示，其中在豎向采用對數(shù)刻度。在280amu的中間質(zhì)量下，有效的質(zhì)量范圍為 15amu。在典型的GC-TOF分析中，必須通過GC保持時間來預(yù)設(shè)時間延遲。然而，GC分離通常在時間上可再現(xiàn)，并且大多數(shù)廣泛使用的GC - MS分析主要與已知超痕量的檢測有關(guān)。圖1OA提供了在將Ipg的六氯苯C6Cl6 (HCB)注入到GC柱上時，E1-TOF MS系統(tǒng)500內(nèi)的離子信號強(qiáng)度與積聚離子源300中的離子積聚時間之間的關(guān)系的圖示。如圖所示，離子信號強(qiáng)度在離子積聚持續(xù)時間上逐漸增大。所測量的信號是將Ipg的六氯苯C6CI6(HCB)注入到GC柱上時，MR-TOF分析儀560上的分子離子(范圍為282_290amu)的數(shù)量。此圖說明在積聚時間達(dá)到Ims的過程中，積聚離子數(shù)隨積聚時間而增大，然后在時間超出Ims時達(dá)到飽和。圖1OB提供了圖1OA所示曲線對時間微分得到的圖示，其示出了離子積聚效率隨時間的變化。最大效率在200-400 u s處觀察到，并且達(dá)到在GC柱上加載Ipg的HCB的情況下6個離子/毫秒。圖1lA提供了將Ipg的HCB注入E1-TOF MS系統(tǒng)500 (例如電離區(qū)315)時獲得的HCB的同位素的實(shí)驗(yàn)痕跡的圖示。針對282. 81+/-0. 005amu和290. 90+/-. 005amu的離子，示出了各個離子色譜的時間痕跡。這些痕跡給出了 HCB的次要同位素在分子同位素簇中，282. 8amu的同位素具有30%的豐度，290. 8amu的同位素具有0. 2%的豐度。在有效負(fù)載為2fg時，290. 8amu的同位素的GC痕`跡表現(xiàn)出非常平滑的形狀，其中信噪比S/N超過50。脈沖操作模式下的E1-TOF MS系統(tǒng)500的靈敏度能夠達(dá)到100，000個分子離子/在GC柱上加載Ipg的HCB。圖1lB提供了在積聚離子源30中實(shí)施離子積聚時，向E1-TOF MS系統(tǒng)500 (例如電離區(qū)315)中注入Ipg的HCB時得到的質(zhì)譜的一部分的圖示。所示質(zhì)譜的分辨能力為35，000。盡管280amu質(zhì)量范圍上的分辨率有點(diǎn)受到檢測器頻帶寬度限制，但是分辨率仍超過35，000 - 40，000，這使得能夠?qū)⒎治鑫锏姆鍙幕瘜W(xué)背景峰中分離出來，其中所述化學(xué)背景峰由GC柱放氣的281. 05和282. 05amu峰提供。高分辨率下的分析大大改善了檢測超痕量的能力。將化學(xué)背景包括到低分辨率質(zhì)譜儀的質(zhì)譜峰中會因基底強(qiáng)度(base intensity)的統(tǒng)計(jì)學(xué)變化而產(chǎn)生密集的基線。因此，化學(xué)噪聲濃度主要影響儀器的檢測極限值而非絕對靈敏度。這種限制會強(qiáng)烈依賴于樣品基質(zhì)的化學(xué)多樣性和復(fù)雜性。假布置在100%傳輸率下儀器具有最大靈敏度且最大EI電離效率為lE-4，281amu的0.1fg/秒的流量會產(chǎn)生6E+3個離子/秒。在要求的最小獲取速度為20個譜/秒的情況下，281amu離子的強(qiáng)度會對應(yīng)300個離子/譜。該信號的雙O的統(tǒng)計(jì)方差可估算為30個離子/譜，其對應(yīng)0. Olfg/秒的流量。因此，S/N>10的最小信號可對應(yīng)0.1fg/秒。在實(shí)際分析中，現(xiàn)實(shí)的基質(zhì)的化學(xué)背景會高出很多個量級，這使得檢測極限值變成皮克級。在一些實(shí)例中，單個離子噪聲之上100個離子的檢測極限值可對應(yīng)0.1-1fg的檢測極限值，其可與基質(zhì)濃度高度無關(guān)，因?yàn)榉治龌衔锸菑幕瘜W(xué)背景中大量分解的。圖12A提供了 E1-TOF MS系統(tǒng)500內(nèi)積聚離子源300的各種操作模式下動態(tài)范圍曲線圖。檢測器580上離子數(shù)與用于注入積聚離子源300的注入到GC柱上的HCB樣品的數(shù)量的關(guān)系被描繪成圖。所用模式包括從離子源300中靜態(tài)引出連續(xù)的離子束，以及積聚時間為10 u S、100 ii s和600 ii s時離子源300的離子積聚狀態(tài)。為表現(xiàn)E1-TOF MS系統(tǒng)500的動態(tài)范圍，HCB的分子同位素簇的信號與注入到GC柱上的樣品的數(shù)量的關(guān)系被描繪成圖。在源的靜態(tài)操作模式(即，從積聚離子源300中連續(xù)引出離子)中，信號與注入樣品的數(shù)量(從I 一 IOOOpg)成比例，靈敏度為300個離子/pg。在較高的注入量(例如高于IOOOpg)下，信號呈現(xiàn)飽和。因此，動態(tài)范圍為4個數(shù)量級。在積聚模式中，信號會依賴于離子積聚時間。與靜態(tài)操作模式相比，在積聚時間為10 U s時，信號增大約5-10倍，在積聚時間為100 u s時，信號增大約50-100倍，在積聚時間為600ii s時,信號增大300倍。然而,觀察到的最大信號在1E+6個離子/GC峰的水平上開始飽和。飽和可能是由積聚離子源300造成的。對于所有的操作模式，在積聚離子源300之后對離子束進(jìn)行經(jīng)校準(zhǔn)的散焦均引發(fā)成比例的信號變化，這不包括MR-TOF分析儀560和檢測器580的飽和效應(yīng)。在一些情況下，降低電子發(fā)射電流使得信號飽和出現(xiàn)在更高的樣品負(fù)載范圍上。圖12B提供了離子積聚期間發(fā)生飽和的圖示。離子儲存時間為IU s且HCB為Ipg時的離子數(shù)與加載到柱上的HCB樣品數(shù)量的關(guān)系被描繪成圖。該圖示出了離子儲存時間為Iii s且HCB為Ipg時的離子數(shù)在更高的樣品負(fù)載下達(dá)到飽和。當(dāng)積聚時間為IOii s時，在IOOOpg下達(dá)到飽和，當(dāng)積聚時間為IOOu s時，在IOOpg下達(dá)到飽和，當(dāng)積聚時間為600 u s時，在IO-1OOpg下達(dá)到飽和。

在樣品負(fù)載相對較低時，積聚模式使E1-TOF MS系統(tǒng)500的靈敏度改善300倍，達(dá)到100，000個離子/pg的水平。積聚離子源300可被用于檢測飛克和亞飛克水平的超痕量。縮小容許質(zhì)量范圍可有利于在積聚模式下進(jìn)行超敏感分析。作為替換方式，容許整個質(zhì)量范圍會因?yàn)閺?qiáng)烈的背景成分導(dǎo)致檢測器飽和。容許相對窄的質(zhì)量范圍會造成額外的復(fù)雜情況，但是當(dāng)為在所謂目標(biāo)分析中分析已知雜質(zhì)而預(yù)設(shè)每個GC保持時間的分析質(zhì)量范圍時，對于GC-MS分析而言是可接受的。質(zhì)量范圍可以通過改變積聚離子源300的第一和第二電極318a和318b上的引出脈沖與正交加速器140的第三和第四電極142a和142b上的正交加速脈沖之間的延遲來增大。盡管引出脈沖和正交加速脈沖之間的延遲會引起與質(zhì)量范圍擴(kuò)張成比例的信號損失，但是靈敏度仍然遠(yuǎn)高于靜態(tài)操作模式。例如，對于150amu的值(window),增益保持約為30。在樣品濃度相對較低時，靈敏度大概與積聚時間成正比，其可被用于經(jīng)校準(zhǔn)的束流裳減和用于提聞動態(tài)分析范圍。在濃度相對較高時，信號會出現(xiàn)飽和，靈敏度會下降。在樣品負(fù)載相對較小而積聚時間較長時，也會出現(xiàn)飽和。此外，飽和會因?yàn)闃悠房偤慷|發(fā)。因此，在共流的化學(xué)基質(zhì)的GC峰較強(qiáng)時，較小痕跡的分析會存在靈敏度歧視。例如，在樣品負(fù)載高于10-30pg/秒時會發(fā)生飽和。對于總負(fù)載約為毫克的基質(zhì)，會認(rèn)為各個基質(zhì)化合物為幾個納克的水平。因此，在積聚模式中，與樣品基質(zhì)峰發(fā)生重疊時會對儀器靈敏度產(chǎn)生10-30倍的抑制。
在一些實(shí)施方式中，避免因化學(xué)基質(zhì)造成信號抑制的方法包括在二維GCxGC色譜儀內(nèi)分離樣品，以將超痕量暫時從基質(zhì)中分離出。在其它實(shí)施方式中，避免因化學(xué)基質(zhì)造成信號抑制的方法包括每隔10-50 u s用脈沖調(diào)制積聚離子源300。在利用MR-TOF分析儀560的實(shí)例中，該方法包括使正交加速器140的正交加速脈沖與積聚離子源300的引出脈沖同步。為避免MR-TOF分析儀560上質(zhì)量峰發(fā)生重疊，該方法可以包括在飛行時間分析的早期階段分離較窄的質(zhì)量范圍。例如，該方法可以包括選擇較窄的質(zhì)量范圍，例如通過Z偏轉(zhuǎn)器148Z內(nèi)的脈沖式偏轉(zhuǎn)，以及采用從左到右的束流掃描原理。已經(jīng)描述了很多種實(shí)施方式。然而，將認(rèn)識到，可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行各種修改。因此，其它`實(shí)施方式也落在下列權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于飛行時間質(zhì)譜儀的離子源，該離子源包括 樣品注入器(328)，其將樣品蒸汽引入電離空間(115); 電子發(fā)射體(102)，其向電離空間(115)內(nèi)提供連續(xù)的電子束(104)，以產(chǎn)生一個或多個分析物離子包；以及 正交加速器(140)，其沿第一軸線接收分析物離子包，并且沿與第一軸線基本垂直的第二軸線周期性地加速分析物離子包； 其中，為了提高靈敏度和分辨率，在電離空間(115)中間隔設(shè)置第一和第二電極(108a, 108b),以用于將分析物離子積聚在電子束(104)內(nèi)，第一和第二電極(108a, 108b)接收周期性的脈沖引出電勢，以沿第一軸線加速來自電離空間(115)的分析物離子包；以及 其中，沿第一軸線引出各個分析物離子包與沿第二軸線加速各個分析物離子包之間的時間延遲大體與正交加速的離子包的中值質(zhì)荷比的平方根成正比。
2.如權(quán)利要求1所述的離子源，其中，電子發(fā)射體(102)將電子束(104)加速到能量為約 25eV 一約 70eVo
3.如權(quán)利要求1所述的離子源，其中，電子發(fā)射體(102)向所述電離空間(115)提供至少IOOii A的電流。
4.如權(quán)利要求1所述的離子源，其中，樣品注入器(328)引入在約0.lmL/min 一約lOmL/min的流速下的載體氣體，以將源中的氣壓保持在約ImTorr —約IOmTorr之間。
5.如權(quán)利要求1所述的離子源，其還包括電離室(310)，所述電離室包封電離空間(115)且限定用于接收電子束(104)的相對的第一和第二電子孔口，電離室(310)沿第一軸線限定用于引出分析物離子包(封閉型源)的引出孔口，其中引出孔口的直徑在約2_—約4mm之間。
6.如權(quán)利要求7所述的離子源，其還包括布置成與電子發(fā)射體(102)相對的電子收集器(316)，以接收電子束(104)，電子收集器(316)相對于電子發(fā)射體(102)被正偏置，以允許從電離空間(115)引出慢電子。
7.如權(quán)利要求1所述的離子源，其還包括離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件，所述離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件被布置成從電離空間(115)接收分析物離子包并且沿第一軸線傳遞分析物離子包，所述離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件降低正交加速器(140)中的分析物離子包的發(fā)散度。
8.如權(quán)利要求7所述的離子源，其中，所述離子轉(zhuǎn)移光學(xué)器件包括具有至少300V的加速電壓的電極，以及限定離子束(104)聚焦的孔口。
9.如權(quán)利要求1所述的離子源，其還包括多通道飛行時間分析儀，以用于分析沿第二軸線加速的分析物離子包的飛行時間。
10.如權(quán)利要求16所述的離子源，其中多通道飛行時間分析儀包括具有周期性透鏡的多反射式平面飛行時間分析儀。
11.如權(quán)利要求1所述的離子源，其中樣品注入器(328)包括氣相色譜儀或二維氣相色譜儀。
12.一種飛行時間質(zhì)譜分析方法，該方法包括 將樣品蒸汽引入電離空間(115)； 利用被送入電離空間(115)的連續(xù)電子束(104)來電離樣品蒸汽，以產(chǎn)生分析物離子；以及 沿與第一軸線基本垂直的第二軸線正交脈沖加速分析物離子包； 其中，為了提高分析的靈敏度和分辨率，電離空間(115)中的靜電場被布置成將離子積聚在電子束(104)中； 其中，施加電脈沖電場以沿第一軸線將積聚的分析物離子包脈沖引出電離空間(115); 其中，將離子包的引出與離子包的正交加速同步，且該引出和該加速之間存在時間延遲；以及 其中，時間延遲與由此正交加速的分析物離子包的中值質(zhì)荷比的平方根成正比。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括將電子束(104)加速到能量為約25eV—約70eVo
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括將電流為至少IOOyA的電子束(104)送入電離空間(115)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法,其還包括在約0.lmL/min 一約10mL/min的流速下將載體氣體引入電離空間(115)，以將源中的氣壓保持在約0.1mTorr 一約IOmTorr之間。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括調(diào)節(jié)所述引出脈沖的幅度以在正交加速器(140)內(nèi)為離子包提供飛行時間聚焦的步驟。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括在沿第一軸線引出分析物離子包與在分析物離子包正交加速之前之間對分析物離子包進(jìn)行空間聚焦。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其還包括在正交加速的步驟之前，將分析物離子包傳送通過由具有至少300V的加速電壓的電極限定的孔口。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括在單反射式或多通道式飛行時間質(zhì)譜儀的靜電場內(nèi)質(zhì)量分析所述正交加速的離子包的步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括調(diào)節(jié)電子束(104)內(nèi)的積聚時間以用于在更大樣品負(fù)載下提高分析動態(tài)范圍或在分析靈敏度與電子束(104)的飽和之間達(dá)到最佳折中的步驟。
21.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括在將樣品蒸汽引入電離空間(115)之前，色析法地分離樣品蒸汽。
22.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括在封閉型離子源中電離樣品蒸汽。
23.如權(quán)利要求12所述的方法，其還包括在開放型離子源中電離樣品蒸汽。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，積聚電子束(104)與正交加速場之間的距離小于第一方向上的正交加速場的長度。
25.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，積聚分析物離子包括形成靜電四極場，以在電子束(104)的方向上充分約束積聚的分析物離子。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，電子束(104)附近的靜電四極場的強(qiáng)度小于IV/mmD
27.如權(quán)利要求12所述的方法，其中用于積聚分析物離子的周期與樣品蒸汽流量的乘積小于lpg，以避免抑制離子積聚。
全文摘要
一種用于質(zhì)譜儀的積聚離子源，該離子源包括將樣品蒸汽引入電離空間(115)的樣品注入器(328)和向電離空間(115)內(nèi)發(fā)射連續(xù)電子束(104)以產(chǎn)生分析物離子的電子發(fā)射體(102)。該積聚離子源還包括在電離空間(115)中間隔設(shè)置的第一和第二電極(108a，108b)，以用于將分析物離子充分積聚于它們之間。第一和第二電極(108a，108b)接收周期性的引出能量勢，以沿第一軸線加速來自電離空間(115)的分析物離子包。正交加速器(140)沿第一軸線接收分析物離子包，并且沿與第一軸線基本垂直的第二軸線周期性地加速分析物離子包。引出加速與相應(yīng)的各個分析物離子包的加速之間的時間延遲提供成比例的分析物離子包的質(zhì)量范圍。
文檔編號H01J49/14GK103069539SQ201180040095
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者A·N·韋列奇科夫, Y·哈辛 申請人:萊克公司