從而，單個m/z碎片會對應(yīng)于10個脈沖加速，每個脈沖生成對應(yīng)于5ys信號串的信號。顯然，來自相鄰脈沖(展開約1ys)的信號不會在檢測器18上交疊。1E+10離子/秒的離子流分布在1E+5脈沖/秒之間，從而考慮到加速器的實(shí)際效率(下面說明)，把高達(dá)1E+4離子/脈沖提供到MR-TOF中。快速脈動降低分析器的空間電荷限制，避免檢測器動態(tài)范圍的飽和。第一級聯(lián)的掃描速率可被加速到lms(例如，當(dāng)利用TOF分離器時)，或者減慢到10ms (例如，為了實(shí)現(xiàn)雙級阱分離器)，仍然不會影響說明的原理，除非第一分離器每個掃描周期具有足以處理期望的1E+10離子/秒的電荷流的電荷容量，這將在特定的分離器實(shí)施例的下述說明中分析。
[0067]如果在雙MS模式和單MS模式之間交替，那么可以進(jìn)一步改善雙級MS 11的動態(tài)范圍。在一部分的時間中，至少一部分的初始離子流可被直接注入按EFP或加速器的標(biāo)準(zhǔn)方式工作的MR-TOF分析器中，以便盡管低占用比地記錄主要離子成分的信號，但是仍然提供主要成分的足夠強(qiáng)的信號。
[0068]在另一種優(yōu)選方法中，粗C-MS分離器13產(chǎn)生與離子m/z —致的時間分離離子流。離子流直接或者經(jīng)調(diào)節(jié)器14被引導(dǎo)到裂解池15中。裂解池15在較窄的即刻m/z窗口內(nèi)，誘發(fā)母離子的離子裂解。碎片離子流最好被調(diào)節(jié)，以減小流相空間，隨后被按10kHz的快速平均速率工作的加速器16脈沖注入MR-TOF 17中。加速器16的脈沖間隔最好被編碼，以在任意一對脈沖之間形成唯一的時間間隔。例如，當(dāng)前的編號j的脈沖的時間被定義為T(j) = PTfjU-1hT2，其中T1可以是10 μ s，T2可以是5ns。在通過引用包含于此的TO2011135477中，說明了編碼頻繁脈動(EFP)的方法。MR-TOF檢測器上的信號不具有頻譜交疊，因?yàn)樗槠x子是在寬m/z范圍內(nèi)形成的。面板20中表示了檢測器信號的例證片段，其中對于不同m/z的離子碎片，表示了兩個系列的信號Fl和F2。不過，由于與標(biāo)準(zhǔn)EFP-MR-TOF相比，即刻譜密度被顯著降低，因此預(yù)期高效的譜解碼。
[0069]注意，利用所謂的時間解卷積過程，可進(jìn)一步增大母質(zhì)量分辨率。實(shí)際上，持續(xù)時間匹配分離器13的循環(huán)時間的長質(zhì)譜的極快速OA脈動和記錄允許以10 μ s時間分辨率，重構(gòu)各個質(zhì)量組分的時間分布。因而可以在時間方面關(guān)聯(lián)碎片和母波峰，這允許在分離器13之后，按比母離子噴射分布的時間寬度小的時間分辨率分離相鄰的碎片質(zhì)譜。KlausBieman在六十年代后期針對GC — MS提出了解卷積的原理。
[0070]在數(shù)值例子中，第一分離器形成分辨率Rl = 100，持續(xù)時間1-1OOms的時間分離的m/z序列；具有Ims飛行時間的MR-TOF按10kHz平均重復(fù)率，使用EFP脈動工作；獲得對應(yīng)于整個MS-MS循環(huán)的長質(zhì)譜，如果色譜定時允許的話，那么可以幾個循環(huán)地合計(jì)所述長質(zhì)譜。母離子的每一個m/z碎片的碎片質(zhì)譜持續(xù)0.Ι-lms，對應(yīng)于對質(zhì)譜解碼來說應(yīng)該足夠的加速器的10-100個脈沖。該方法非常適合于多個次要被分析組分的分析。不過，對于主要的被分析物組成，即刻通量可被集中高達(dá)100倍。即使考慮到多個碎片波峰之間的信號分裂，在檢測器上，每次轟擊的即刻最大離子數(shù)也高達(dá)1E+4?1E+5個離子，超過MR-TOF分析器的空間電荷容量和檢測器動態(tài)范圍。為了增大動態(tài)范圍，可交替操作C-MS-MS串聯(lián)配置11，其中持續(xù)一部分的時間，信號強(qiáng)度或者被抑制或者被時間擴(kuò)展。另一方面，在MR-TOF分析器內(nèi)可以布置空間電荷的自動抑制，以致密集的離子包將在空間上散布，將在較低的傳輸下迀移。在下面的說明中，支持關(guān)于串聯(lián)配置11的電荷吞吐量和速度的優(yōu)點(diǎn)。
[0071]方法的主要效果
[0072]1.在雙級聯(lián)MS法中，前面的粗質(zhì)量分離允許高重復(fù)率地脈動MR-T0F，而不形成質(zhì)譜交疊，從而高占用比(20-30%)，總體分辨率高(R2 = 100000)，并且不強(qiáng)調(diào)儀器的空間電荷極限和檢測器極限地處理高達(dá)1E+10離子/秒的大離子流。為了清楚起見，我們把這種操作方法稱為“雙MS”。
[0073]2.在綜合性MS-MS (C-MS-MS)方法中，對于所有母離子，可在高達(dá)1E+10離子/秒的離子流下，占用比比約10%，母離子分辨率Rl = 100，碎片質(zhì)譜分辨率R2 = 100000，不強(qiáng)調(diào)MR-TOF分析器的空間電荷極限和檢測器動態(tài)范圍地獲得串聯(lián)質(zhì)譜。
[0074]3.在C-MS-MS模式下，類似于GC-MS中的解卷積，利用碎片質(zhì)譜的時間解卷積，可以進(jìn)一步提高母質(zhì)量選擇的分辨率。二維解卷積也會考慮色譜分離分布圖。
[0075]4.僅僅通過在裂解池的入口，調(diào)整離子能量，和或在加速器操作的低占用比和高占用比的兩種方式之間切換，即可在同一設(shè)備11內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩種方法-dual-MS和C-MS-MS。
[0076]5.采用串聯(lián)操作和EFP方法，目的在于按色譜時間尺度，檢測多個次要被分析物組分。對于一部分的時間，可按常規(guī)的操作方法，使用相同的設(shè)備，以獲得主要組成的信號，從而進(jìn)一步增強(qiáng)動態(tài)范圍。
[0077]利用阱陣列的實(shí)施例
[0078]參見圖2，在示意框圖的層面，本發(fā)明的質(zhì)譜儀21包括離子源22，聚集多通道離子緩沖器23，并行離子阱的陣列24，大口徑衰減RF離子通道25，RF離子導(dǎo)向裝置26，利用頻繁編碼脈沖(EFP)的正交加速器27，多反射質(zhì)譜儀28，和生命期延長的離子檢測器29。視情況，離子導(dǎo)向裝置25可充當(dāng)裂解池，比如CID池。質(zhì)譜儀21還包括多個未圖示的標(biāo)準(zhǔn)組件，比如真空室，用于差動栗浦的栗和壁，用于各級之間的耦合的RF導(dǎo)向裝置，DC、RF電源，脈沖發(fā)生器等。
[0079]表示了兩個實(shí)施例21和21C，這兩個實(shí)施例21和21C區(qū)別在于緩沖器和阱陣列的拓?fù)?對應(yīng)于平面23、24和柱面23C、24C配置)。阱陣列24的發(fā)射平面也可被彎曲，從而構(gòu)成柱面或球面的一部分。在柱面配置21C中，阱24C向內(nèi)噴射離子，圓柱體的內(nèi)部充當(dāng)排列有電阻式RF桿的大口徑離子通道，以利用軸向DC場加速離子迀移。其它方面，兩個實(shí)施例2IC和2IC類似地工作。
[0080]操作中，在前面通常是適當(dāng)?shù)纳V分離器的離子源22中形成離子。連續(xù)并且緩慢變化(對GC來說，時間常數(shù)為I秒，而對LC來說，時間常數(shù)為3-10秒)的離子流包含被分析組分的多個種類，以致富化學(xué)背景形成與主要種類相比，在1E-3?1E-5水平的成千上萬個種類。典型的l-2nA(S卩，1E+10離子/秒)離子電流在1-1OOOmTorr空氣或氦氣(GC情況下)的中等氣壓下，被輸送到射頻離子導(dǎo)向裝置中。
[0081]利用在1mTor?10Tor的中等氣壓下工作的射頻(RF)離子約束，連續(xù)的離子流被分布在離子緩沖器23的多個通道之間。最好，利用氦氣，以在質(zhì)量噴射步驟容許更高的質(zhì)量能量。緩沖器23不斷聚集離子，并定期(每隔1-1OOms)把大部分的離子傳送到阱陣列24中。離子緩沖器23可包含各種RF設(shè)備，比如RF多極桿陣列，離子通道或離子漏斗等。為了支持1E+10的離子/秒離子通量，緩沖器必須每10ms保存高達(dá)1E+9個離子。例如，10mm長的單個RF四極桿可同時保存尚達(dá)1E+7?1E+8個尚子。從而，尚子緩沖器應(yīng)具有10個到數(shù)十個獨(dú)立的四極桿離子導(dǎo)向裝置。最好，四極桿被排列在兩個同軸中心線表面上。最好，使四極桿是電阻式的，以利用軸向DC場允許受控離子噴射。更實(shí)用的是采用同軸離子通道，離子隧道或離子漏斗。最好，這種設(shè)備包含提供用于受控離子噴射的軸向DC場的裝置。下面說明改進(jìn)的電阻式多極桿。
[0082]阱陣列24定期接納來自離子緩沖器23的離子。預(yù)計(jì)離子在l_10ms時間內(nèi)，借助自我空間電荷，沿著通道分布在多個通道之間。在阱陣列24被充滿之后，阱電位斜線上升，以致安排與質(zhì)量相關(guān)的離子噴射，從而形成其中按照離子的m/z比，相繼噴射離子的離子流。在一個實(shí)施例中，阱通道被排列在圓柱中心線上。離子被向著圓柱體內(nèi)部噴射到具有RF離子約束和軸向DC場的大口徑通道25中，以便實(shí)現(xiàn)0.1-1ms時間尺度的快速離子疏散。RF通道25具有聚集段。下面說明阱陣列24和RF通道25的多個實(shí)施例。為了討論整個設(shè)備的工作原理，假定阱陣列提供具有1-1OOms循環(huán)內(nèi)，100的質(zhì)量分辨率的離子流的時間分離，即，每個分離的碎片具有0.ι-lms的持續(xù)時間。
[0083]從RF通道26的聚集段，離子進(jìn)入通常設(shè)置在差動栗浦室中，并在10-20mTor氣壓下工作的離子導(dǎo)向裝置26。離子導(dǎo)向裝置26最好包含電阻式四極桿或多極桿。下面說明例證的離子導(dǎo)向裝置。導(dǎo)向裝置時延約0.1-0.2ms，并且時間擴(kuò)展顯著低于0.1ms地不斷傳送離子。例如，在1mTor氦氣下，利用5V DC工作的1cm多極桿導(dǎo)向裝置會在約Ims內(nèi)傳送離子，而仍然不會引起裂解。窄m/z范圍的離子的時間擴(kuò)展預(yù)計(jì)為10-20 μ S。導(dǎo)向裝置后面是標(biāo)準(zhǔn)(對MR-TOF來說)離子光學(xué)器件(未圖示)，所述離子光學(xué)器件允許降低氣壓，形成離子能量30-100ev(取決于MR-TOF設(shè)計(jì))的大體平行的離子束。平行的離子束進(jìn)入正交加速器27。
[0084]加速器27最好是大體垂直于MR-TOF 28中的離子路徑的平面取向的正交加速器(OA)，這允許使用更長的0A，如在通過引用包含于此的US20070176090中所述。MR-TOF分析器最好是如在W02005001878中所述的具有一組周期透鏡的平面多反射飛行時間質(zhì)譜儀。在典型的OA長度6-9mm(取決于MR-TOF反射鏡設(shè)計(jì))和典型的離子能量50eV下，m/z = 1000的離子具有3mm/ μ s的速度，從而在2_3 μ s內(nèi)通過0A。在本技術(shù)中，可以快至10kHz (脈沖周期10 μ s)地脈動高壓脈沖發(fā)生器，從而使OA占用比為20-30%。如果在阱陣列24中排除離子分離，那么飛行時間譜會嚴(yán)重交疊。考慮到阱分離，輸入離子束具有較窄的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即，從100amu到lOlOamu。MR-TOF 28中的典型飛行時間為1ms，從而每個單獨(dú)的OA脈沖會產(chǎn)生1-1.005ms的信號。從而，可按10 μ s周期脈動0A，而不形成離子譜交疊。從而，第一 MS級聯(lián)中的提前質(zhì)量分離允許重復(fù)率高地脈動MR-T0F，而不形成譜交疊，同時提供約10%的總占用比(考慮到OA的20-30%占用比，和在OA之前的2_3倍束準(zhǔn)直損失)。儀器隨后按10%的總占用比和R2 = 100000的分辨率，記錄1E+10離子/秒輸入通量和MR-TOF檢測器29上的1E+9離子/秒離子通量的質(zhì)譜，這可幫助在色譜分析時檢測次要被分析物組分。
[0085]儀器22的高(10% )占用比不要求更高端的動態(tài)范圍。在雙級聯(lián)MS模式下，考慮到分離器22中的100倍時間濃縮，10kHz OA頻率和OA操作的10%效率，最強(qiáng)的離子包(假定單一被分析物的高濃縮)會達(dá)到每次轟擊1E+6個離子。這樣的離子包無疑會使MR-TOF檢測器的MR-TOF空間電荷容量和動態(tài)范圍過載。本發(fā)明提出一種解決方案:儀器22支持兩種模式-用于記錄弱被分析物組分的雙級聯(lián)MS模式，和其中例如在阱24裝載時間內(nèi)，離子流從離子緩沖器23被直接注入RF通道25中的標(biāo)準(zhǔn)工作模式。在標(biāo)準(zhǔn)工作模式下，最大離子包會具有約1E+4個離子，S卩，在MR-TOF空間電荷容量的邊緣。為了操作完全安全，檢測器應(yīng)具有過載保護(hù)，例如，利用在PMT的最后各級的限幅電路。最好利用由分析器中的周期透鏡的強(qiáng)度控制的MR-TOF分析器28中的空間電荷排斥，布置附加的保護(hù)層。
[0086]再次參見圖2，當(dāng)啟動離子裂解，例如，通過把離子能量足夠高(20_50eV)的離子誘導(dǎo)到電阻式離子導(dǎo)向裝置26(這樣，實(shí)際上轉(zhuǎn)換成CID池)中，可使相同的串聯(lián)配置21起綜合性MS-MS的作用。操作中，窄m/z范圍(例如，對凈數(shù)500amu來說5amu，對凈數(shù)100amu來說1amu)中的母離子的時間分離流在約0.1-1ms時間內(nèi)進(jìn)入CID池26。質(zhì)量窗口比同位素組的寬度稍寬。同位素組進(jìn)入裂解池，利用例如碰撞解離，形成碎片離子。碎片不斷進(jìn)AOA 26。使OA按W02011135477中記載的EFP模式工作。簡言之，利用非均勻時間序列，脈沖間隔被編碼成例如Ti = i*Tl+i(i+l)/2*T2，一般Tl = 1ys, T2 = 1ns0盡管碎片質(zhì)譜被交疊，不過，任意特定一對波峰的交疊不會被系統(tǒng)地重復(fù)?？紤]到脈沖間隔，并分析波峰系列之間的交疊，在質(zhì)譜解碼步驟，恢復(fù)通常類型的TOF質(zhì)譜。由于碎片質(zhì)譜的有限譜密度特性，EFP質(zhì)譜解碼變得有效。結(jié)果，在母離子分辨能力Rl?100，碎片分辨能力R2?100000，總占用比約10 %，并且處理高達(dá)1E+10離子/秒的離子通量下，對于所述母種類，記錄碎片質(zhì)譜。
[0087]我們來估計(jì)C-MS2方法的動態(tài)范圍?？紤]到1E+10離子/秒的總離子通量，主要被分析物組分中不大于10%的信號內(nèi)容(如果著眼于主要組分，那么不需要C-MS-MS)，分離器23中的100倍時間壓縮，OA 27的10%的總占用比(還考慮在OA之前的空間離子損耗)，和OA的10kHz的脈沖重復(fù)頻率，最大離子包可包含多達(dá)1E+4個離子。在MR-TOF中，會以較低的分辨率記錄如此強(qiáng)的離子包。不過，已知MR-TOF中的質(zhì)量精度可應(yīng)付每個離子包1E+4個離子。通過降低周期透鏡電壓，以便利用MR-TOF分析器內(nèi)的自我空間電荷排斥，自動抑制強(qiáng)信號，可設(shè)定另外的保護(hù)。為了捕捉強(qiáng)信號，可周期性地降低第一分離器23的分辨率(從而信號的時間濃縮)。從而，對于對應(yīng)于1E+9離子/秒的輸入離子通量的化合物，可以記錄最大信號。為了估計(jì)最小信號，我們認(rèn)為當(dāng)在檢測器，總碎片離子信號高于1E+3/母離子時，競爭性的Q-TO