專利名稱：在離子回旋諧振質(zhì)譜計中使用離子磁控管諧振的總離子數(shù)測定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜計(MS)，它使用傅里葉變換離子回旋諧振(FTICR)技術(shù)去測定離子的質(zhì)量，并更具體而言去測定在離子化或離子引入期間所形成或獲得的離子總數(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)描述當?shù)蛪合碌臍庀嚯x子處于均勻靜磁場中時，離子最后的狀態(tài)由離子速度相對于磁場的大小和取向決定。如果離子是靜止的，或如果離子僅具有平行于外加場的速度，離子不經(jīng)受與場的相互作用。
如果離子速度存在垂直于外加場的分量，離子將經(jīng)受垂直于速度分量和外加場二者的力。這個力引起圓形的離子軌道運動，它被稱為回旋運動。在不存在任何其他作用在離子上的情況下，這個運動的角頻率是離子電荷、離子質(zhì)量及磁場強度的簡單函數(shù)ω=qB/m(式1)其中ω=角頻率(弧度/秒)q=離子電荷(庫侖)B=磁場強度(特斯拉)m=離子質(zhì)量(千克)FTICR MS通過大幅度的回旋運動并隨后確定運動的頻率，利用式1所描述的基本關(guān)系去確定離子的質(zhì)量。在離子回旋諧振質(zhì)譜計中付里葉變換的第一次使用在1976年2月10日發(fā)布給M.B.Comisarow和A.G.Marshall的題為“傅里葉變換離子回旋諧振質(zhì)譜學(xué)的方法和儀器”的3,937,955號美國專利中被描述。
待分析的離子最初以最小的垂直(徑向)速度和彌散被引入磁場。由磁場誘發(fā)的回旋運動實現(xiàn)對離子的徑向限制；然而，平行于場軸的離子移動必須借助一對“捕集”電極被約束。這些電極一般由垂直于磁場軸的取向并被配置在初始的離子群體軸向范圍相對終端的一對平行板組成。捕集電極被保持與離子電荷相同符號的電勢，該電勢有足夠的大小在電極對之間附近所形成勢阱中去實現(xiàn)對離子的軸向限制。
被保留在捕集勢阱中的一些或全部離子除了前面描述的回旋模式外，還可呈現(xiàn)出兩種額外的周期運動模式。第一種是在捕集電極之間的軸向“捕集”振蕩，而第二種是由軸向磁場和捕集電場徑向分量的聯(lián)合作用引起的所謂“磁控管”模式。這種運動能被描述為回旋旋轉(zhuǎn)中心沿約在盒軸中心的徑向等勢線緩慢的徑向漂移。盡管為了分析的目的捕集和磁控管模式一般并不被利用，但這些模式的表現(xiàn)形式具有主要影響質(zhì)量校準和離子保留的顯著和熟知的后果。
俘獲離子的質(zhì)量分析由暴露在電場中開始，該電場垂直于磁場并且以待分析離子的回旋頻率振蕩。這樣的場一般通過施加適當?shù)牟顒与妱莸降诙ζ叫邪濉凹ぐl(fā)”電極產(chǎn)生，這對電極平行于磁場軸取向并被配置在初始離子群體徑向范圍相對的兩側(cè)。
如果多于一種質(zhì)量的離子待分析，振蕩場的頻率可被掃過適當?shù)姆秶?，或可包含各個頻率組分的適當混合。當振蕩場的頻率與給定的離子質(zhì)量的回旋頻率相符時，所有的那種質(zhì)量的離子將經(jīng)受被電場的諧振加速并且它們的回旋運動的半徑將增大。
這種諧振加速的重要特點是離子的初始徑向彌散基本上不改變。受激的離子將保持一起群聚在新的回旋軌道的周圍，并且到彌散相對于新的回旋半徑較小的范圍，它們的運動將相互同相位并且相干。如果初始的離子群體由多于一種質(zhì)量的離子組成，加速過程將引起許多等質(zhì)量離子束，每個按其相應(yīng)的回旋頻率沿軌道運動。
加速被延續(xù)直到回旋軌道使離子足夠接近到一個或更多的檢測電極以導(dǎo)致在電極上感生出可檢測的影象電荷。這些“檢測”電極一般由配置在初始離子群體徑向范圍相對兩側(cè)并垂直于激發(fā)的和捕集電極兩者取向的第三對平行板電極組成。因而被使用于離子捕集，激發(fā)和檢測的三對平行板電極是相互垂直并一起形成閉合的被稱為俘獲離子盒的箱形結(jié)構(gòu)。

圖1示出關(guān)于具有捕集電極12a及12b；激發(fā)電極12c及12d；和檢測電極12e及12f的俘獲離子盒12的簡化圖。圖1還示出磁場矢量11。
隨著盒內(nèi)的相干回旋運動使離子的各個等質(zhì)量束交替地接近檢測電極12e,12f或從它們后退，在檢測電極上的影象電荷相應(yīng)地增加或減少。如果檢測電極12e,12f被制成外部放大器電路(未被示出)的一部分，則變化的影象電荷將在外部電路中引起正弦電流。電流的振幅正比于軌道運動的離子束的總電荷并因而表現(xiàn)出所呈現(xiàn)的離子數(shù)目。這個電流被放大并被數(shù)字化，并且頻率數(shù)據(jù)借助于傅里葉變換被提取。最后，結(jié)果的頻率譜利用式1中的關(guān)系被轉(zhuǎn)換成質(zhì)量譜。
現(xiàn)在參看圖2，F(xiàn)TICR MS 10的概括的實施過程被示出。FTICR MS10由完成上述的分析程序所必需的七個主要的子系統(tǒng)組成。俘獲離子盒12被束縛在包含由適當?shù)某闅庋b置14b抽成真空的室14a的真空系統(tǒng)14內(nèi)。真空室位于磁鐵裝置16內(nèi)，該裝置遍及俘獲離子盒12的范圍施加均勻的靜磁場。盡管磁鐵裝置在圖2中被示作永久磁鐵，但超導(dǎo)磁鐵也可用于去提供磁場。
待分析的樣品借助樣品引入系統(tǒng)18被導(dǎo)入真空室14a，引入系統(tǒng)可以，例如，由泄漏閥或氣體色層分離柱組成。樣品分子借助電離器20在俘獲離子盒12內(nèi)被轉(zhuǎn)變成帶電形式，該電離器一般由穿過盒12的柵控電子束組成，但可由質(zhì)子源或其他電離裝置組成。另一方面，樣品分子可借助許多不同技術(shù)中的任何一種在真空室14a外部被產(chǎn)生，然后沿磁場軸被注入到室14a和俘獲離子盒12。
實現(xiàn)上述俘獲離子盒事項所必需的各種電子電路被容納在由利用計算機的數(shù)據(jù)系統(tǒng)24控制的電子包22內(nèi)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)24還被使用去完成所獲取信號數(shù)據(jù)的簡化、操縱、顯示和傳遞。
在FTICR MS 10中在離子化或離子引入過程期間所形成或獲得的離子總數(shù)是未知的。離子總數(shù)能被用于許多目的，包括定性分析，壓強確定，離子化過程表征和空間電荷確定。因此，需要知道在離子化或離子引入過程期間所形成或獲得的離子總數(shù)。
現(xiàn)在用于在實驗中確定離子總數(shù)的一種技術(shù)是逐一用數(shù)量表示并且總計在該實驗所獲取的寬帶FTICR質(zhì)譜中各個峰值。在應(yīng)用這項技術(shù)上的一個限制是該技術(shù)不能檢測具有回旋諧振在實驗帶寬以外的離子。在應(yīng)用這項技術(shù)上的另一個限制是所測量的離子群體被留在一種狀態(tài)，沒有復(fù)雜的離子軸向化步驟該狀態(tài)將防礙隨后的分析。這項技術(shù)的另一個限制是該技術(shù)在計算上復(fù)雜并且費時。因而需要有用于確定離子總數(shù)而不存在上述限制的技術(shù)。本發(fā)明使用的離子磁控管諧振(IMR)技術(shù)就不具有這些限制。
發(fā)明概述用于確定在具有俘獲離子盒的傅里葉變換離子回旋諧振(FTICR)質(zhì)譜計(MS)中總離子數(shù)的方法。該方法使用適諧技術(shù)并包括步驟a．在該俘獲離子盒中使樣品離子化；b．在離子化樣品中在引起離子磁控管諧振的頻率下激發(fā)離子化樣品；c．檢測來自受激離子化樣品的離子磁控管諧振信號；以及d．從所檢測的離子磁控管諧振信號的振幅確定該總離子數(shù)。
用于確定在具有俘獲離子盒的傅里葉變換離子回旋諧振(FTICR)質(zhì)譜計(MS)中總離子數(shù)的方法。該方法使用失諧技術(shù)并包括步驟a．在俘獲離子盒中使樣品離子化；b．在接近但并不等于在離子化樣品中引起離子磁控管諧振的頻率下激發(fā)離子化樣品，并同步檢測來自受激離子化樣品的代表離子運動的信號；以及c．從所檢測的離子運動代表信號的振幅確定總離子數(shù)。
附圖描述圖1示出關(guān)于俘獲離子盒的簡化圖。
圖2示出一般的FTICR MS的方框圖。
圖3a示出在FTICR MS的磁控管模式的適諧激發(fā)以后所獲得的瞬變過程。
圖3b示出圖3a中信號片斷的頻譜。
圖4a示出在磁控管模式的失諧激發(fā)以后所獲得的瞬變過程。
圖4b示出示于圖4a中信號的頻譜。
圖5示出對于示于圖1中盒的電極間和引線間的電容。
圖6示出示于圖5中電容的示意的等效電路。
圖7a和7b分別示出被連接在圖6的電路中可變的調(diào)諧電容器和為此的示意的等效電路。
圖8a和8b分別示出可變電容器接口板的前視和側(cè)視圖。
優(yōu)選實施方案描述在大多數(shù)ICR MS實驗條件下，所有呈現(xiàn)在俘獲離子盒中的離子將具有相同的磁控管頻率。只有那些具有質(zhì)量電荷比接近于所謂臨界質(zhì)量的離子將具有顯著不同于較輕離子的磁控管頻率。因為ICR MS的運轉(zhuǎn)性能對于接近臨界質(zhì)量的離子明顯地惡化，捕集勢阱很少接近臨界的模式被運行。
假定所有在捕集勢阱中的離子具有相同的磁控管頻率，總離子的確定能通過深思熟慮的磁控管模式的激發(fā)和檢測被作出。這個實驗要求在單獨一個易于達到的頻率下激發(fā)，并且因而已知被作為適諧技術(shù)。適諧技術(shù)進一步要求只有在捕集勢阱中代表整個離子群體的僅僅單個諧振的隨后的檢測。正如在FTICR實驗中，所檢測的諧振信號的振幅表現(xiàn)出引起信號的離子數(shù)。有興趣的是注意到由于所檢測的IMR信號只由一種頻率組成，信號的振幅可不靠傅里葉變換直接被確定。
在激發(fā)和檢測系統(tǒng)具有足以供對應(yīng)于磁控管頻率范圍的較低頻率信號的形成及操縱用的帶寬的條件下，適諧IMR實驗可不需要儀器在物理上的改進而在任何FTICR質(zhì)譜計中被實施，足以滿足完成IMR測量的簡單的實驗序列由下列過程組成1)樣品引入；2)樣品離子化；3)磁控管激發(fā)；4)磁控管檢測；5)數(shù)據(jù)簡化。這個過程序列類似于以磁控管頻率替代回旋頻率的基本的FTICR序列。
適諧實驗結(jié)果的一個實例被示于圖3a和3b中。圖3a示出在磁控管模式的諧振激發(fā)之后所獲得的離子磁控管諧振瞬變過程的10ms的片斷。圖3b示出從示于圖3a中信號的40ms傅里葉變換產(chǎn)生的頻譜。應(yīng)注意到只存在單一的頻率組分。因此，示于圖3a中所檢測的諧振信號的振幅表現(xiàn)出引起信號的離子數(shù)。
對于那些適諧IMR實驗，其中在IMR測量之后離子群體的進一步操縱或分析是需要的，受激的離子群體必須首先被折回盒軸。軸向化可借助前面已被描述的FTICR文獻中的兩種不同技術(shù)中的任一種完成。這些技術(shù)中初步的和最簡單的是反相位去激發(fā)。在這種技術(shù)中受激發(fā)的離子群體被暴露在呈現(xiàn)與使用激發(fā)的相似的磁控管頻率能譜的波形中。然而該波形的應(yīng)用被定時以使磁控管頻率組分與先前誘發(fā)的離子運動相位差180°。這導(dǎo)致離子的減速和去激發(fā)并使它們折回到接近它們在盒中的初始軸向位置。
第二種軸向化技術(shù)被稱為四極的軸向化。這種技術(shù)要求當施加在所謂“無擾的”回旋頻率下的四極激發(fā)波形時把較高壓強的緩沖氣體引入到俘獲離子盒。這導(dǎo)致磁控管運動轉(zhuǎn)變到回旋運動，它被迅速地抑制到盒軸。這種技術(shù)顯著地比反相位去激發(fā)更復(fù)雜而且另外需要改進儀器去完成氣體的引入和盒引線的迅速切換以在四極的與通用的雙極的激發(fā)及檢測模式之間轉(zhuǎn)換。原則上，它提供了優(yōu)點，使離子的彌散被縮減到甚至比由初始形成的離子群體原來所呈現(xiàn)的更小的半徑。
如以上被描述的，在適諧技術(shù)中測量過程把離子群體留在徑向彌散的狀態(tài)，該狀態(tài)不適合于隨后的激發(fā)及檢測，除非使用比如反相位去激發(fā)或?qū)嶒炆细鼜?fù)雜的四極軸向化技術(shù)使離子重新聚集在捕集勢阱中。盡管這些重新聚集或重新軸向化技術(shù)中任一種都不是可行的解決辦法，離子的徑向彌散狀態(tài)可借助使用同步的失諧激發(fā)和檢測的替換的IMR技術(shù)被避免。在替換的IMR技術(shù)中在同步檢測結(jié)果形成的離子運動時，磁控管模式在接近但不等于磁控管頻率的頻率下被激發(fā)。這個失諧激發(fā)當驅(qū)動頻率與正常的磁控管模式頻率“成拍”時導(dǎo)致磁控管模式的交替激發(fā)和去激發(fā)。失諧激發(fā)的持續(xù)時間可被選擇為拍頻的整數(shù)倍以使離子被留在它們的接近捕集勢阱軸的去激發(fā)位置。離子群體由此被留在不適于隨后分析的狀態(tài)。
盡管對于失諧IMR實驗被檢測的運動由兩種頻率組分組成，任一組分的振幅，或凈信號包絡(luò)的振幅，可被使用去確定引起信號的離子數(shù)。使用凈信號的優(yōu)點在于，正象是前面所描述的對于適諧IMR實驗的情形，傅里葉變換技術(shù)對于信號振幅的確定并不被需要。
失諧IMR實驗的一個重要特點是離子運動的激發(fā)和檢測必須回步出現(xiàn)。這在通用的FTICR儀器中一般是不可能的，因為激發(fā)和檢測電極的電容性耦合導(dǎo)致在激發(fā)波形的應(yīng)用期間信號檢測放大器的飽和。然而，如下面將被描述的有一些技術(shù)適用于同步地實施激發(fā)和檢測。
本發(fā)明的失諧IMR實驗技術(shù)具有按對激發(fā)過程固有的方式使離子群體折回到盒軸的優(yōu)點。因而本發(fā)明的失諧實驗技術(shù)不要求任何額外的軸向化過程。
失諧實驗結(jié)果的一個實例被示于圖4a和4b中。圖4a示出在磁控管模式的失諧激發(fā)期間所獲得的40ms的瞬變過程。圖4b示出由示于圖4a中信號的傅里葉變換產(chǎn)生的頻譜。應(yīng)注意到頻譜顯示出對應(yīng)于磁控管和激發(fā)頻率的兩個不同的頻率組分。任一個組分的振幅，或凈信號包絡(luò)的振幅，可被用于確定引起信號的離子數(shù)。
失諧IMR實驗的實施要求圖2的通用FTICR質(zhì)譜計10被改進以使離子運動的同步激發(fā)和檢測有可能。對這類實施存在一些替換的方法，包括信號過濾，諧振檢測，從激發(fā)電路所吸收功率的測量，及耦合激發(fā)信號間電容的調(diào)零。
如前面被描述的，由失諧IMR產(chǎn)生的信號由兩個組分組成；一個在正常的磁控管頻率而第二個在失諧激發(fā)頻率。后面的組分由來自電容性耦合激發(fā)信號以及由受激離子群體的“拍”的相應(yīng)組分所誘發(fā)信號的貢獻被形成。如果在激發(fā)與磁控管頻率之間的頻率差別足夠大，激發(fā)信號組分可用電子學(xué)方法在信號放大前從檢測電路被濾除而不引起磁控管信號組分的顯著衰減。
用于區(qū)分激發(fā)和磁控管信號的替代技術(shù)是使用諧振檢測。這需要使用輔助的諧振電路，它在磁控管頻率下被調(diào)諧到諧振并呈現(xiàn)出對其他頻率沒有顯著的響應(yīng)。
同步激發(fā)和檢測的第三種方法是在影象電荷檢測和Comisarow及Marshall的傅里葉交換技術(shù)的引入之前如在ICR儀器中所做的去監(jiān)視從激發(fā)電路所吸收的功率。所吸收的功率正比于在吸收的離子群體中所呈現(xiàn)的離子數(shù)。
也許用于同步激發(fā)和檢測的最簡單和有利的技術(shù)是借助平衡激發(fā)與檢測電路之間的凈電容去調(diào)整耦合激發(fā)信號。假定激發(fā)波形被差動地施加到俘獲離子盒，電勢用于平衡兩個有相位差的激發(fā)組分的凈耦合而存在，以致它們彼此在檢測放大器輸入中正好抵消。這種調(diào)零只需要電極間的電容被測定而且合適的可變電容器與這些電容被并聯(lián)添加以使凈耦合可被調(diào)節(jié)或調(diào)諧去完成所需要的調(diào)零。
現(xiàn)在參看圖5，顯示電容性耦合的主要來源的盒12的簡化圖被示出。如在圖5中被示出，這種電容的主要來源是激發(fā)電極12c,12d和檢測或接收電極12e,12f之間的極間電容以及用于這些電極的激發(fā)引線13a-13b和接收引線13c-13d之間的引線間電容。
圖6示出對于電極間和引線間的耦合電容，Cr1e1到Cr2e2，的等效電路。圖6還示出提供激發(fā)信號到俘獲離子盒12的激發(fā)電極12c,12d的電源26。圖7a示出添加到各個激發(fā)/檢測電極引線對之間的可變電容器Ctune。可變電容器被與各個耦合電容并聯(lián)添加。圖7b示出對于示于圖7a中電路的等效電路，其中各個可變電容器和相聯(lián)系的耦合電容的并聯(lián)組合被表示作可變電容器Cr1e1到Cr2e2。
圖8a和8b分別示出接口板30的前視和側(cè)視圖，該板被用于改進通用的FTICR質(zhì)譜計以提供調(diào)諧電容器并由此使離子運動的同步激發(fā)和檢測有可能。如被示于圖8b中，接口板30包括第一和第二個電路板32,34。接地的屏48使電路板32,34分開。電路板32具有兩個用于激發(fā)引線13a-13b的接頭44a-44b和兩個用于接收引線13c-13d的接頭46a-46b。
接口板30具有四個可變電容器組合36a-36d，在其上，每個組合位于貼近接口板30連帶的一個角落。每個組合36a-36d由銅管38a-38d和連帶的螺絲40a-40d及螺帽42a-42d組成。在對于組合36a-36d的一種實施方案中，管38a-38d由6.35mm外徑(OD)×1cm的銅管制成，而螺絲40a-40d和螺帽42a-42d的尺寸為4-40。
應(yīng)理解到本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的描述僅僅定為例證性的，而不是無遺漏的。那些精通普通技術(shù)的人將能對所公開主題的實施方案作出某些添加、刪除、和/或改進而不違反如由附加的權(quán)利要求所確定的本發(fā)明的精神或其范圍。
權(quán)利要求
1．用于確定在具有俘獲離子盒的傅里葉變換離子回旋諧振(FTICR)質(zhì)譜計(MS)中總離子數(shù)的方法，包含步驟a．在該俘獲離子盒中使樣品離子化；b．在該離子化樣品中在引起離子磁控管諧振的頻率下激發(fā)該離子化的樣品；c．檢測來自該受激的離子化樣品的離子磁控管諧振信號；以及d．從由該所檢測的離子磁控管諧振信號的振幅確定該總離子數(shù)。
2．權(quán)利要求1的方法另外包括使該受激樣品折回到該俘獲離子盒軸的步驟。
3．權(quán)利要求1的方法，其中該樣品是氣體。
4．用于確定在具有俘獲離子盒的傅里葉變換離子回旋諧振(FTICR)質(zhì)譜計(MS)中總離子數(shù)的方法，包含步驟a．在該俘獲離子盒中使樣品離子化；b．在接近于但不等于在該離子化樣品中引起離子磁控管諧振的頻率下激發(fā)該離子化樣品，并同步從該受激的離子化樣品檢測代表離子運動的信號；以及c．從該所檢測的離子運動代表信號的振幅確定該總離子數(shù)。
5．權(quán)利要求4的方法，其中該俘獲離子盒具有激發(fā)及檢測電極和連接到那里的引線，和激發(fā)該離子化樣品及同步檢測該離子運動代表信號的步驟，以及該FTICR MS包括用于在該激發(fā)和檢測電極之間的極間電容調(diào)零的裝置。
6．權(quán)利要求5的方法，其中用于該電極間電容調(diào)零的裝置也將連接到該激發(fā)及該檢測電極的該引線之間的引線間電容調(diào)零。
7．權(quán)利要求4的方法，其中該激發(fā)頻率與對應(yīng)于離子磁控管運動的頻率形成拍，由此產(chǎn)生拍頻而該激發(fā)頻率的持續(xù)時間被選擇為該拍頻的整倍數(shù)。
8．權(quán)利要求4的方法，其中該樣品是氣體。
全文摘要
在付里葉變換離子回旋諧振質(zhì)譜計中在離子化或離子引入過程期間所形成或獲得的離子總數(shù)或通過使用適諧實驗技術(shù)或失諧實驗技術(shù)被測定。兩種技術(shù)都利用離子磁控管的運轉(zhuǎn)。在適諧技術(shù)中質(zhì)譜計按磁控管模式被激發(fā)并且由這種激發(fā)引起的單個諧振信號被檢測以確定離子的總數(shù)。在失諧技術(shù)中磁控管模式在接近磁控管頻率的頻率下被激發(fā)而同步檢測所引起的離子運動。失諧技術(shù)使離子群體留在適合于隨后的分析狀態(tài)。
文檔編號H01J49/42GK1312952SQ99809237
公開日2001年9月12日 申請日期1999年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月28日
發(fā)明者S·C·博 申請人:西門子應(yīng)用自動控制公司