在四極桿掃描過程中改變頻率以改進分辨率和質量范圍的制作方法
【專利說明】在四極桿掃描過程中改變頻率以改進分辨率和質量范圍 相關申請的交叉引用
[0001] 本申請涉及Schoen等人共同擁有的2010年3月2日提交的標題為"具有增強的靈敏 度和質量分辨能力的四極質譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer With Enhanced Sensitivity And Mass Resolving Power)"的美國專利號8,389,929和Smith等人的2014 年4月28日提交的標題為"從時變數據確定譜圖的方法（Method for Determining a Spectrum from Time-Varying Data)"的美國專利申請14/263947,這些專利的公開內容均 通過引用以其全文結合在此。 領域
[0002] 本披露總體上涉及質譜法，并且更具體地涉及用于四極濾質器以得到質譜的掃描 設置技術。 背景
[0003] 四極桿可以用作濾質器，使得只有一定范圍的質-荷比（也被稱為質量）的離子通 過該四極桿傳送。此種離子被認為具有穩定的軌跡。具有在穩定性范圍外的質荷比的離子 被過濾掉。該穩定性范圍在掃描中可隨時間變化，從而提供在所掃描的質量范圍內的質譜。
[0004] 穩定性極限通過施加能夠作為時間的函數斜變的AC和DC電位設定，使得具有特定 質荷比范圍的離子在整個裝置中具有穩定的軌跡。特別是，通過施加固定的和/或斜坡的AC 和DC電壓以配置圓柱形或雙曲線電極桿對，所希望的電場將預定離子在x和y方向上的運動 穩定化。其結果是，在x軸上施加的電場穩定了較重離子的軌跡，而較輕的離子具有不穩定 的軌跡。相比之下，在y軸上的電場穩定了較輕離子的軌跡，而較重的離子具有不穩定的軌 跡。在四極桿中具有穩定軌跡并且因此到達位于四極桿組的離開截面處的檢測器的質量 范圍是由這些質量穩定性極限所限定的。在典型的操作中，通過單調地在時間上改變質量 穩定性極限，離子的質荷比可以（大致）由其到達檢測器的時間確定。
[0005] 在一個常規的四極質譜儀中，由到達時間來估算質荷比的不確定度對應于質量穩 定性極限之間的寬度。這種不確定度可以通過收窄這些質量穩定性極限而減小，即通過將 四極桿作為窄帶濾波器運行。在這種模式下，四極桿的質量分辨能力增強了，因為在"穩定" 質量窄帶之外的離子撞擊到桿中而不是穿過到達檢測器。然而，這個改進的質量分辨能力 是以靈敏度為代價的。特別是當穩定性極限較窄時，即使"穩定的"質量也僅僅在邊際處是 穩定的，并且因此這些中僅有相對小的部分到達了檢測器。
[0006] 在美國專利號8,389,929中，使用更寬的穩定性范圍來增加靈敏度。并且，使用去 卷積算法來量化來自可以同時穩定的各種質量的信號。例如，在去卷積過程中可以使用在 檢測器上的時間和空間信息。在此，這樣的技術被稱為寬穩定性技術或去卷積技術。然而， 此類增加靈敏度而不犧牲分辨率的技術的有效性可能依賴于維持由所傳輸離子經歷的振 蕩場周期數目的仔細控制。控制這個參數的方法可能是很難在實際儀器中實現的。
[0007] 因此，所希望的是提供解決在使用寬穩定性技術時的此類問題的新掃描技術。 簡要概述
[0008] 本發明的實施例提供了用于掃描多極濾質器的頻率和電壓，同時保持在一系列質 量上的掃描期間每質量基本上相同數目的AC周期的系統、方法和裝置。例如，通過控制加速 離子到濾質器內的DC軸向電壓、施加到該濾質器上的DC解析電壓、施加到該濾質器上的AC 電壓幅值、和該AC電壓的AC頻率，可以獲得質譜。這些設置可以被控制為使得不同質荷比的 離子是在該濾質器內經過基本上相同數目的AC周期。為了實現該相同數目的AC周期，在該 掃描過程中改變該AC頻率。對于低質量，可以使用較高的AC頻率。對于高質量，可以使用較 低的AC頻率。這種AC頻率的變化可以允許實現保持AC周期數目恒定而不要求可能導致操作 問題的其他參數的過寬變化(例如，DC軸向電壓)的目的。
[0009] 其他實施例是針對與本文所述的方法相關聯的系統和計算機可讀介質。
[0010] 參考以下詳細描述和附圖可以得到本發明的實施例的性質和優點的更好理解。 附圖的簡要說明
[0011]圖1示出了根據本發明的實施例的示例性四極質譜儀1〇〇。
[0012]圖2示出了馬蒂厄(Mathieu)穩定性圖，該圖具有一條代表了較窄的質量穩定性極 限的掃描線以及一條"減小的分辨率"掃描線，其中已經將DC/RF之比減小以便提供更寬的 質量穩定性極限。
[0013] 圖3示出了可以用本發明的方法運行的三階段質譜儀系統的有益的示例性構型。
[0014] 圖4示出了根據本發明的實施例可用于保持質量不變RF周期計數的示例四極質譜 儀。
[0015] 圖5是根據本發明的實施例在掃描過程中改變頻率以保持RF周期不變性的方法 500的流程圖。
[0016] 圖6示出了根據本發明的實施例采用經典的掃描(其中RF頻率在質量范圍內是恒 定的）以及替代掃描(其中RF頻率隨質量變化)的圖。
[0017] 圖7示出了根據本發明的實施例采用經典的RF電壓幅值掃描和替代的RF電壓幅值 掃描的圖。
[0018]圖8示出了根據本發明的實施例采用經典的DC軸向電壓掃描和替代的DC軸向電壓 掃描的圖。
[0019] 圖9示出了與根據本發明的實施例的系統和方法一起可用的示例性計算機系統10 的框圖。 定義
[0020] 樣品的"譜圖"對應于一組數據點，其中每個數據點包括至少兩個值。第一值對應 于該譜圖中的辨別參數，如質量或頻率。該參數區別在于這些粒子在譜圖中基于該參數的 值而區分。該第二值對應于從樣品測量的具有對于該參數的第一值的一定量的粒子。例如， 數據點可以提供具有特定質荷比(有時也被稱為"質量"）的一定量的離子。
[0021] "軸向DC電壓"指的是用于在質譜儀中沿質譜儀內的離子路徑的行進的長軸加速 離子的電壓。軸向DC電壓可以將一定量的能量施加到離子上（例如50eV)，之后將這些離子 傳輸到該四極濾質器。可以改變實際的DC電壓，以增加給予這些離子的能量的量，例如以保 持在不同質量上的恒定速度。
[0022] 四極濾質器(也稱為分析儀)包括彼此平行設置的四個桿。將DC解析電壓和AC電壓 施加到這些桿上。DC解析電壓是指施加到該四極桿上的具有恒定幅值U(也稱為DC幅值）的 電壓信號（其中兩個極桿具有負電壓并且兩個極桿具有正電壓hAC電壓是指例如定義為 Vc〇S(wt)的振蕩幅值的電壓信號，其中V是AC幅值并且w是AC電壓的振蕩頻率。AC電壓典型 地具有在RF范圍內的頻率，并且因此經常被稱為RF電壓。 詳細說明
[0023] 當使用寬穩定性技術時，可能有益的是使離子在行進通過多極濾質器時遭遇相同 數目的AC周期，其中這些AC周期是施加到多極桿上的AC電壓。然而，在高和低質量下保持相 同數目的AC周期可能是困難的或引起問題。實施例提供了用于多極質譜儀的新操作模式。 掃描設置能夠按許多不同的方式來設置，同時保持每質量基本上相等的RF周期。例如，代替 簡單地調整軸向電壓和四極過濾器電壓(DC和AC)，新的模式包括調整RF頻率，例如與掃描 這些四極過濾器電壓相結合。當RF頻率變化時可以使用其他各種模式。這允許在使用寬穩 定性技術時改進的質量不變RF周期計數和更大的質量范圍。 I. 四極桿的掃描電壓
[0024] 圖1示出了根據本發明的實施例的示例性四極質譜儀100。如所示的，四極質譜儀 100包括離子源110、入口孔120、具有DC電壓源140和RF電壓源150的四極過濾器130、出口孔 160和離子檢測器170。四極質譜儀100還可以包括用于加速并聚焦離子通過入口孔120的離 子光學器件、檢測電子器件和高真空系統。四極過濾器130的示例長度是l/4m長，并且用于 離開離子光學器件的離子的能量示例量為l〇eV/100amu。
[0025]四極過濾器130包括四個平行的金屬桿135。兩個相對的桿具有(U+VC〇S(wt))的施 加電位并且其他兩個桿的具有-(U+VC〇S(wt))的電位，其中U是DC解析電壓并且Vc〇S(wt)是 RF電壓(也被稱為AC電壓）。振蕩頻率w對應于AC電壓變化有多快。
[0026] 所施加的DC和AC電壓幅值以及AC振蕩頻率w影響離子的軌跡，例如，離子是否沿四 個桿135之間中心的飛行路徑向下行進。對于給定的DC和RF電壓，只有一定范圍的質荷比 (也簡稱為"質量"）的離子穿過四極過濾器130和出口孔160被離子檢測器170檢測到。這些 離子被描述為共振離子。其他離子被迫使離開該中央路徑并且不被離子檢測器170檢測到。 因此，如果改變DC和AC電壓的值，不同的質量將通過四極過濾器130,并且將被離子檢測器 170檢測。
[0027]已經使用了兩種掃描過程來產生質譜。在一種掃描過程中，隨著時間的推移改變 (掃描)u和V，以提供質譜，同時保持振蕩頻率w恒定。在第二種掃描過程中，改變振蕩頻率w 同時保持U和V恒定，這總體上未提供良好的結果。這兩種技術可能有問題，特別是在高或低 質量下使用寬穩定性技術時。
[0028] 得到的質譜提供了在任意給定時刻若干特定質荷比的離子的測量。常規四極濾質 器典型地在約單位分辨率下運行，使得在任何給定時間，只有具有lm/z(也被稱為1湯姆森 (TH))范圍內的質荷比的離子被檢測且測量。然而，為了獲得更高的靈敏度，實施例可以傳 輸更寬范圍的質量。這樣的技術如下關于馬蒂厄方程式在下一節中更詳細地描述。 II. 時間分辨率
[0029] 在譜測定法中，設備通常被設置成在任何給定時間僅僅檢測具有對于辨別參數 (例如，質量或頻率）的單個值的粒子。例如，質譜儀可以被設置為在給定的時刻檢測特定 質-荷比的離-子。然后可以改變質譜儀的設置，以檢測不同質荷比(有時僅稱為"質量"）。為 了獲得高精確度并檢測特定的質量，例如，原子質量單位的分數(amu)，那么必須將質譜儀 設置為僅檢測非常窄的范圍的質量。然而，使用非常窄的范圍降低了靈敏度。因此，實施例 可以設置成檢測具有對于該辨別參數的相對寬的范圍的粒子，從而提高靈敏度。但是，為了 保持分辨率，可以使用去卷積方法來識別對應于不同粒子的信號。
[0030] 例如，高性能的四極系統的實施例可以使用去卷積方法來從由離子檢測系統產生 的一系列多維圖像中提取質譜數據。成像系統可檢測在四極