具有微分離子遷移率譜儀和質(zhì)譜儀的離子分析裝置及使用方法
【專利說明】具有微分離子遷移率譜儀和質(zhì)譜儀的離子分析裝置及使用方法
[0001]本申請是國際申請?zhí)枮镻CT/GB2010/000873、申請日為2010年4月30日、中國國家申請?zhí)枮?01080019355.5、發(fā)明名稱為“具有微分離子迀移率譜儀和質(zhì)譜儀的離子分析裝置及使用方法”的發(fā)明專利申請的分案申請
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及微分離子迀移率分析以及質(zhì)譜儀，尤其涉及微分迀移率光譜測定法與質(zhì)譜測定法的一起使用。
【背景技術(shù)】
[0003]微分離子迀移率光譜測定法(DMS)是一種基于離子迀移率光譜測定法(MS)原理的技術(shù)。在IMS中，軸向均勾電場引導(dǎo)離子穿過恒壓下的氣體介質(zhì)。使帶電核素(chargedspecies)加速的電場驅(qū)動力與由離子和氣體分子之間的碰撞引起的阻尼力的結(jié)合作用導(dǎo)致在施加的電場方向上離子的平均漂移速度。
[0004]離子迀移率被定義為注入頂S單元(cell)的離子組的平均漂移速度與施加的電場的比率，K = uav/E。因此，離子穿過給定長度的漂移時間由施加的電場和迀移率確定；后者反映了離子的碰撞截面以及離子與包含氣體介質(zhì)的分子之間的相互作用的性質(zhì)。具有不同碰撞截面并且依賴于與氣體介質(zhì)相互作用的性質(zhì)的離子，將分解為以不同的平均速度漂移穿過單元的組。MS中的分離主要依賴于離子的體積/電荷比的變化。
[0005]近來頂S的發(fā)展主要由涉及結(jié)合使用質(zhì)譜測定法(MS)確定分子質(zhì)量的高分子結(jié)構(gòu)說明的應(yīng)用所驅(qū)動。在確立IMS作為復(fù)雜樣品分析中不可缺少的工具的附加特征是化合物(即，具有相同m/z比率的化合物)同質(zhì)異位形式的分離，以及在質(zhì)譜中觀察到的信噪比的增強。
[0006]在所謂頂S-MS聯(lián)用儀器中，將離子迀移率漂移單元附連到質(zhì)譜儀的前端，位于質(zhì)譜儀的真空罩的外部，并且在環(huán)境壓力下操作。因此，將迀移率分離限制到大氣壓電離源中產(chǎn)生的離子。大氣壓MS因擴散造成離子束擴張而經(jīng)受離子傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀的真空罩中的低效率，當(dāng)離子必須穿過小孔(通常直徑為0.2 — 0.5mm)時，這會不利地影響在MS界面處的米樣效率。
[0007]盡管事實是在較低壓力下擴散變得更有優(yōu)勢，并且離子損失會變得顯著，但是，可以在MS器件之后插入離子光學(xué)器件以再聚集離子。這允許低壓和真空頂S的發(fā)展，從而大大延伸了可用于復(fù)雜混合物分析的IMS儀器和技術(shù)的范圍。除了可用的大氣壓電離源，中壓MS單元實際上可與任何真空離子源兼容?；陔x子迀移率的離子分離在低至0.1毫托(mtorr)的壓力下進(jìn)行。由于利用環(huán)境壓力IMS，可將離開頂S漂移單元和離子光學(xué)器件的離子提供到質(zhì)譜儀的前端。
[0008]離子迀移率K，隨著施加的電場和壓力的變化而非線性變化。通常，該相關(guān)性近似于迀移率K在參數(shù)E/N的偶數(shù)次冪下的級數(shù)展開，其中E是電場，N是每Eq.⑴的氣體密度量[E.A Mason, E.ff.McDaniel,氣體中的離子傳輸性質(zhì)(Transport Properties of 1nsin Gases) ；ffiley, 1988]:
[0009]K(E/N) = K(O) [1+α 2(E/N)2+a 4(E/N)4+…] (I)
[0010]零電場極限下的離子迀移率K(O)，用于定義閾值，低于該閾值，平均漂移速度的值隨電場線性換算，即，離子迀移率K(O)是常數(shù)，速度直接與電場成比例，uAV= Κ(0)Ε。通常，在零電場極限下操作在大氣壓下操作的漂移單元，且與在E/N的值會延伸到K的非線性范圍中的減小的壓力下操作的漂移單元相比，引導(dǎo)離子穿過氣體所需的電場梯度要大。使用Eq.(I)以及對應(yīng)的迀移率系數(shù)或阿爾法(alpha)系數(shù)對離子進(jìn)行分類，這確定了 K關(guān)于E/N的關(guān)系式。對于A型離子，α2>0，α4>0，且迀移率隨E/N增加。對于C型離子，影響相反，迀移率隨Ε/Ν降低且α2〈0，α4<0ο對于B型離子，獲得更復(fù)雜的行為，其中α 2>0，α 4〈0。引入湯森(Townsend)單位Td，來闡述K對參數(shù)比E/N的相關(guān)性揭示離子迀移率中離子-分子相互作用的基本特征，ITd = 10 21Vm2。
[0011]自從關(guān)于漂移單元頂S進(jìn)行早期研究以來，已經(jīng)發(fā)展了幾種基于離子種類的迀移率性質(zhì)分離離子的技術(shù)。尤其，微分迀移率光譜測定法(DMS) [1.A.Buryakov等，Int.J.Mass Spectrom, 1n Processes 1993，128，143]，也已知作為場不對稱離子遷移率光譜測定法(FAIMS) [R.ff.Purves 等,Rev, Sc1.1nstrum.1998, 69, 4094]，取決于離子遷移率 K，關(guān)于施加的電場和氣體密度量E/N的相關(guān)性。與頂S相對，DMS中的離子被輸送到氣體流中，并在周期不對稱波形下振蕩，該周期不對稱波形在高場和相反的低場之間交替。垂直于氣體流動的方向施加電場。依靠高和低迀移率之間的差，離子經(jīng)歷每個波形周期的平均凈位移。這導(dǎo)致離子漂移日益增多的偏軸(off-axis)以及對限定氣體流動的電極放電。可以通過DC電壓補償位移，并且可以成功的將給定迀移率相關(guān)性的離子傳輸穿過器件。通過以固定幅值和波形頻率掃描補償電壓以及收集傳輸?shù)碾x子形成光譜，通過使用靜電計或者將離子引入質(zhì)譜儀的前端來收集傳輸?shù)碾x子。
[0012]已經(jīng)發(fā)展了兩種主要的DMS系統(tǒng)，依據(jù)它們在橫向氣體流動的方向上聚焦離子的能力。在第一種類型中，由在同軸設(shè)置的不同半徑的兩個同心圓柱體之間限定的氣體流承載離子。通常將不對稱波形和補償電壓施加到內(nèi)電極。在兩個圓柱形電極之間建立的對數(shù)場具有橫向聚焦離子并在增加的波形幅值下保持高傳輸?shù)哪芰R.Guevremont, R.ff.Purves, Rev.Sc1.1nstrum.1999, 70, 1370]。在第二種構(gòu)造中，聚焦離子以在兩個平行的板之間振蕩，其中一個承載不對稱的周期波形和補償電壓，而相對的電極保持接地電勢下。板之間形成的偶極子場不具有聚焦性質(zhì)，并且在電極上損失的離子量大約與不對稱波形的幅值成比例。與傳輸變得有選擇性，即，某種類型的離子只能用指定波形傳輸?shù)膱A柱形設(shè)計相對，穿過這種偶極子場的傳輸有可能用于所有類型的離子，該類型是依靠K關(guān)于E/N的非線性相關(guān)類型分類的類型。
[0013]本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，到目前為止，由于與該相對新的技術(shù)相關(guān)的許多缺點而限制了 DMS的性能和應(yīng)用。尤其，不像頂S，文獻(xiàn)中描述的DMS器件專門在環(huán)境或亞環(huán)境壓力下操作，并且從外部連接到質(zhì)譜儀的真空罩。
[0014]通常，由MS的入口(例如，毛細(xì)孔或臨界孔)提供的抽吸比率在IL min 1的范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這對于慢慢穿過DMS或者FA頂S器件的板之間的間隙抽吸空氣是適宜的比率。這為發(fā)生分離提供必需的層流條件。
[0015]不過，在固定的流動率下操作的缺點是預(yù)先確定的離子穿過DMS的滯留時間不能容易的調(diào)節(jié)以增強儀器性能。在DMS電極之間的分離間隙也是固定的情況中，這尤其是真的。在環(huán)境壓力下或者在環(huán)境壓力附近操作DMS并建立足夠用于誘導(dǎo)分離的高場條件(?10Td)要求在電極之間的最小的可能分離距離，這限制了系統(tǒng)的采樣效率并危及靈敏度。尤其，通過穿過DMS的狹窄間隙的靜電噴霧的離子的MS的采樣變得有問題。而且，實驗論證了，傳輸?shù)碾x子電流不會超過?ΙΟρΑ，這顯著低于在靜電噴霧電離源中產(chǎn)生的離子電流[Shvartsburg 等，J.Am.Soc Mass Spectrom.2005，16，2-12]。總之，由于 DMS 造成的離子損失以及離子流動的限制，在MS中可用于分析的離子量少得多。
[0016]到目前為止，將DMS器件耦合到大氣壓力“軟”電離源，尤其耦合到在相對低的流動率?IyL min 1下操作的靜電噴霧電離源。除非允許充足的揮發(fā)發(fā)生，否則當(dāng)以較高的流動率噴涂使DMS的性能顯著退化時，該限制主要由較大的液滴(droplet)的形成物造成。由于這種器件在環(huán)境條件下的操作不能達(dá)到預(yù)期的性能，要將DMS用作為MS平臺中的前端的高處理能力LCMS分析所需的的這種高流動率的適應(yīng)仍然是目標(biāo)。
[0017]而且，將DMS器件在環(huán)境壓力下的操作限制到干凈的樣品和不包含不揮發(fā)鹽的液相色譜(LC)緩沖器。直接分析“臟”樣本例如生物流體會很快危及DMS性能。已經(jīng)發(fā)展了耐用(robust)電離源，與用于幫助LC分離的不揮發(fā)緩沖器一起，容許這些類型的樣品，但是，它們?nèi)匀慌c連接到MS的DMS界面不兼容。
[0018]目前DMS技術(shù)的另一限制是不良的分解，根據(jù)補償電壓由峰值寬度測量，其被限制到?20而且顯得明顯低于漂移單元頂S中所得到的。到目前為止，操作DMS的E/N的窄范圍危害了改進(jìn)分解的方法。
[0019]在US2003/0020012描述的FA頂S器件中，由樣本產(chǎn)生的母離子以正常方式經(jīng)過質(zhì)量分析，振蕩單元產(chǎn)生的碎片離子經(jīng)過FAIMS分離。這要求FAIMS器件中的壓力與振蕩單元操作壓力兼容。特別地，母離子有選擇的傳輸穿過在低壓室中的第一質(zhì)量分析儀，射入在以增加的壓力操作的第二壓力室中(第二壓力室位于低壓室中)操作的振蕩單元，其中在振蕩單元中發(fā)生母離子的碎裂。
[0020]隨后，為了質(zhì)量分析的第二階段而從第二壓力室返回低壓室中的離子射入之前通過FA頂S器件過濾碎片離子。
[0021]該幾何結(jié)構(gòu)只是用于分離具有m/z的相等比率的碎片離子(等壓離子)，當(dāng)在第二質(zhì)量分析儀中測量時，其會另外表現(xiàn)為單一光譜線。因此，碰撞單元的工作壓力限制了在FAIMS器件中建立的壓力范圍。實際上，提供到第二壓力室的專用碰撞氣體供應(yīng)決定FA頂S器件的壓力。因此，工作壓力的范圍是不可用的，并由此可達(dá)到的E/N比率范圍是狹窄的。
[0022]在E.G.Nazarov 等，Anal in Chem.2006, 78，7697 描述的另一 DMS 配置中，離子輸送穿過平面電極系統(tǒng)，其中可以通過流量控制器、針狀閥和小型栗構(gòu)成的系統(tǒng)調(diào)節(jié)DMS內(nèi)的壓力。DMS位于質(zhì)譜儀外部，并且順利傳輸穿過平面電極之間的間隙的離子經(jīng)DC偏置而偏移到2mm入口孔中并朝向質(zhì)譜儀的進(jìn)入孔。使用該系統(tǒng)，在0.4-1.55atm(405-1570.5mbar)的范圍內(nèi)研究壓力的影響。發(fā)現(xiàn)0.6-0.8atm的壓力提供減少的二聚作用以及高分解。本發(fā)明人注意到離子從DMS到質(zhì)譜的傳輸在相當(dāng)大的程度上取決于氣體流動，并且減少橫穿MS界面的壓力差對靈敏度具有顯著的影響。因此，減小壓力以低于Nazarov等研究的壓力，對離子從DMS穿過MS的入口毛細(xì)管或者孔的輸送效率會具有相反的影響。
[0023]因此，目前，在環(huán)境壓力和/或接近環(huán)境壓力下操作DMS和FA頂S器件，并且將E/N的值限制在?10Td(ITd = 10 21Vm2)，其相當(dāng)于?1220V穿過0.5mm間隙，以?Iatm =1013.25mbar以及300K。這里，壓力下降落現(xiàn)象把上限強加于波形的幅值，因此限制E/N比率可達(dá)到的范圍。而且，從DMS到MS的離子迀移效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]最一般地，本發(fā)明提出DMS器件(例如，使用不對稱波形以過濾離子而的一種器件)應(yīng)該位于質(zhì)譜儀外殼的初始抽吸階段。而且，一種方案是應(yīng)該將特定壓力和波形頻率施加到DMS器件以實現(xiàn)良好的分解能力以及離子傳輸。而且，另一方案是應(yīng)該使用多極DMS器件并且應(yīng)該將偶極子場與施加到多極以實現(xiàn)離子的徑向聚集的高階場結(jié)合使用。
[0025]在第一方面，本發(fā)明提供一種離子分析儀器，包括:
[0026]用于從樣本生成離子的電離源；以及
[0027]離子