高占空比俘獲離子遷移譜儀的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種俘獲離子遷移率分析器和離子遷移率分析器的操作方法。所述俘獲離子遷移率分析器包括用于沿軸徑向地限定離子的射頻場、具有軸向直流電場的區域和沿軸對抗所述區域中直流電場的氣流，其中所述區域包括軸向直流電場增加的上升沿或軸向直流電場減小的下降沿，其中電場強度沿軸的斜率在邊沿的主要部分上并不恒定。
【專利說明】
高占空比俘獲離子遷移譜儀
技術領域
[0001]本發明涉及用于獲取按其迀移率分離的離子的質譜的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]質譜儀只能確定離子質量m和離子電荷數z的比率。為方便起見，下文所用術語“離子的質量”或“離子質量”都是指離子的質量m除以元電荷的無量綱數z。“離子種類”應表示具有相同元素組成、相同電荷和相同三維結構的離子。離子種類通常包括同位素基團的所有離子，同位素基團由質量略有不同但迀移率幾乎相同的離子組成。“異構體”是指具有相同元素組成但分子內的元素或元素基團的空間排列不同的分子。
[0003]尤其對于生物有機分子而言，關于不同種類的異構體的知識越來越重要:與初級結構有關的異構體(結構異構體)，尤其是與次級結構或三級結構有關的異構體(構象異構體)。所有異構體都具有不同的幾何形狀，但質量完全相同。因此，無法根據其質量區分異構體。從碎片離子質譜中可獲得有關結構的一些信息;但是，有效而確定地識別、區分和選擇此類異構體的方法是根據不同迀移率分離其離子。
[0004]可通過離子在電場影響下在氣體中的漂移速度來測量離子的迀移率。漂移區填充有諸如靜態的氦、氮或氬的惰性氣體，通過(多數情況下均勻的)電場使得待研究物質的離子穿過靜態氣體，或利用氣體吹動離子來對抗在空間上增加的電場(“電場勢皇”)，在其中離子根據其迀移率沿上升電場達到平衡位置。在靜態氣體中和恒定電場強度E下，離子在氣體中的漂移速度Vd與電場強度E成比例:Vd = KXE。比例因子K被稱為離子種類的“離子迀移率系數”(或簡稱為“離子迀移率” )ο具體地，離子迀移率K是離子碰撞截面的函數，但會受到氣體溫度、氣體壓力、氣體速度、氣體類型和離子電荷的影響。
[0005]許多學術研究團隊已經將使用長漂移管的離子迀移譜儀與質譜儀結合。對于迀移率漂移區，普遍應用幾百帕斯卡的壓力范圍。為獲得較高的迀移率分辨率，需要幾米長的漂移區，并施加每米2000伏及更高的電場強度。通常通過門控裝置以短離子脈沖的形式將離子引入漂移區，從而產生在空間上較小的離子云，利用電場使得離子云穿過漂移區。在漂移區的氣體中，這些離子云會擴散。所有方向(徑向和軸向)上的擴散行為都相同，因而限制了迀移率分辨率Rmcib = K/△ K = Vd/△ vd，其中△ K是在半高處迀移率K的離子信號的寬度，Δ Vd是速度上的相應差值。高于RMb = 60的迀移率值可認為是“高分辨率迀移率”。最好情況下，在長漂移管儀器中可獲得高達R?b = 200的迀移率分辨率。
[0006]特別地，正交發射離子的高分辨率飛行時間質譜儀(OTOF-MS)已證明可成功將迀移譜儀和質譜儀結合在一起。對于此類結合，當前類型的高分辨率離子迀移譜儀的缺點是長達幾米。這種解決方案并不利于市售儀器。即使僅提供中等分辨率的具有直漂移區的離子迀移譜儀也有大約一米長。為構造小型高分辨率迀移率分析器，必須尋找可縮短整體長度但不會降低迀移率分辨率的解決方案。
[0007]在文獻US 7,838,826 BI (M.A.Park，2008年)中，介紹了一種離子迀移譜儀，其長度總計僅為5厘米。該裝置在正交飛行時間質譜儀中布置經過修改的離子漏斗，在離子漏斗出口上的特殊離子通道中，移動的氣體推動離子以對抗反作用電場勢皇的方式移動。與其他建立小型離子迀移譜儀的試驗不同，M.A.Park發明的小型裝置已經能夠實現高達Rmcib =250的離子迀移率分辨率。
[0008]在圖1和圖2中示意性示出了M.A.Park的裝置及其工作原理。在圖1底部介紹了所述裝置的基本設計，該裝置配備有入口漏斗(10)和出口漏斗(12)，每個漏斗均具有位于電極之間的開口，以便放出氣體。在兩個漏斗(10、12)之間，由薄電極形成封閉的管狀四極通道(11)并沿z軸布置。通過絕緣材料來使電極彼此分離，該絕緣材料封閉電極之間的縫隙以形成圓管。在圖1頂部，示出了漏斗(10)的電極(15、16)和四極通道(11)的電極(17、18)。它們被分割成扇形體，從而在內部產生四極射頻電場。利用在指定時間管道內部四極射頻(RF)場的等勢線來表示管狀通道(11)的電極。圍繞著離子迀移譜儀的質譜儀的差動栗系統的尺寸設定為使得氣體以層流方式流經管狀通道(11)，進而產生近似的拋物線速度分布
(14)。進入第一漏斗(10)的離子由氣體攜帶，在贗勢的作用下碰撞聚集到管狀通道(11)的軸上。它們在氣體驅動下沿著管狀通道(11)的軸向其出口移動，經過帶孔隔膜(13)。大多數氣體通過第二個漏斗(12)的各電極之間的縫隙排出。
[0009]在管狀通道(11)內，直流(DC)電場勢皇阻止離子并根據離子的迀移率在空間上分聞聞 J O
[0010]通常通過帶孔隔膜操作離子漏斗，其開口逐漸減小至更小的直徑，從而形成漏斗形狀的內容積。將RF電壓的兩個相位交替施加于隔膜以建立贗勢，從而保持離子遠離漏斗壁。隔膜上的DC電勢梯度驅動離子進入并通過漏斗的窄端。通過被分為四個部分的電極在此處建立第一(入口)離子漏斗(10)，從而可產生更復雜的RF場。
[0011]圖2描述了本裝置的工作原理。來自電噴霧離子源(未顯示)的離子由氣體(7)攜帶，通過毛細管(8)被引入真空系統的第一個腔室。施加于推斥板(9)的推斥DC電勢驅動離子(6)進入迀移譜儀的入口漏斗(10)。入口漏斗(10)引導離子進入管狀通道(11)，在其中由氣流(14)驅動離子對抗DC電場勢皇。在圖2的底部，示出了 DC電場勢皇分布的三個階段。在z軸位置(20)和(23)之間，通過以二次方增加的電勢而產生的軸向電場線性增加。在z軸的位置(23)和位置(24)之間，電場基本保持恒定，從而形成DC電場勢皇的平臺，其通過線性增加的電勢而產生。在簡單裝置中，可通過單個電壓來產生電場分布，所述單個電壓施加于位置
(24)處的隔膜電極并由精密電阻沿管狀通道(11)的隔膜電極劃分。位于位置(20)和位置
(23)之間的電阻線性增加，(23)和(24)之間的各個電阻具有相等的電阻率。
[0012]操作從“離子積聚階段”(A)開始。通過大約300伏的電壓，生成最陡峭的電場分布，從而產生最高的DC電場勢皇。用箭頭(16)表示的氣流驅動離子對抗DC電場勢皇，并使離子在此停止，因為離子無法越過DC電場勢皇。離子積聚在位置(20)和位置(23)之間的DC電場勢皇的上升沿，其中低迀移率的離子(主要是碰撞截面較大的重離子)聚集在靠近上升沿上端的高電場中，反之，高迀移率的離子集中在靠近上升沿底部的低電場中，如同象征離子的圓點的大小所表示的那樣。在第二階段(B) “俘獲階段”中，通過在推斥板(9)上的吸合電壓停止供應離子，離子最終到達DC電場勢皇上升沿上的平衡位置。俘獲階段的時間非常短;離子在約一毫秒的時間內到達其平衡位置。在第三階段(C) “掃描階段”中，逐漸降低DC電場勢皇的電源電壓，迀移率增加的離子能夠逃脫進入離子檢測器，特別是作為離子檢測器工作的質譜儀。
[0013]所測量的總離子電流曲線直接顯示了從低離子迀移率到高離子迀移率的離子迀移譜。該裝置被命名為“TIMS”，即“俘獲離子迀移譜儀”。關于理論基礎信息，請參見研究論文“Fundamentals of Trapped 1n Mobility Spectrometry”(K.Michelmann，J.A.Silveira，M.E.Ridgewa}^PM.A.Park，J.Am.Soc.MassSpect;rom.，2015年I月，第26卷，第I期，第14-24頁)。
[0014]已改進本裝置的掃描模式以實現線性迀移率范圍或在迀移率范圍內恒定的分辨率(M.A.Park等，US 8,766,176 B2)。將兩個離子迀移譜儀串聯使用，可構建迀移率過濾器(M.A.Park 等，US2012/0273673A1)。
[0015]觀察發現，離子迀移率分辨率Rmcib主要取決于掃描速度(獲取速度)。掃描速度越快，分辨率越低。如上文所述，可利用小型裝置低速掃描來實現Rmcib = 250的離子迀移率。由于離子源中生成的離子在掃描階段有所損失，因此在離子源中產生、在分析器中積聚并隨后分析的離子的利用率由比率q = ta/(ta+ts)確定，其中ta是離子積聚時間，ts是未積聚離子的測量掃描時間。
[0016]對于某個分析任務，首先必須選擇解決分析任務所需的迀移率分辨率，例如Rmcib=80。該迀移率分辨率決定掃描時間。使用最佳氣體壓力和氣體速度，在大范圍迀移率內實現該分辨率的掃描時間ts總計約為60毫秒。簡單的計算顯示，若要使離子源中離子的利用率達到80%，那么積聚時間ta必須在200毫秒的范圍內。但是經驗表明，使用普通的高增益電噴霧離子源，在積聚時間大于40毫秒時，離子在管狀通道(11)中有所損失，導致占空比僅為40%。主要的損失是最為關注的高質量離子。
[0017]因此仍需要以質譜儀離子源中產生的離子的最高利用率(占空比)進行操作的裝置和方法，從而減少對迀移率分辨率的限制，尤其是要用耦合到液相色譜的電噴霧離子源在自下而上的蛋白質組學領域中分析復雜樣本時。

【發明內容】

[0018]本發明提供了一種離子迀移率分析器，其包括用于沿軸徑向地限定離子的RF場、具有軸向DC電場的區域和沿軸對抗所述區域中DC電場的氣流。所述區域包括軸向DC電場增加的上升沿或軸向DC電場減小的下降沿，電場強度沿軸的斜率在邊沿的主要部分中不恒定。
[0019]優選的是，電場強度沿軸的斜率在邊沿的30%以上不恒定，50%以上更優，75%以上最優。優選的是，所述RF場是四極的，并且所述氣流可被徑向地限定在沿區域的管道中。
[0020]優選的是，所述區域包括上升沿和具有實質上恒定的軸向DC電場的下游平臺，從而形成DC電場勢皇，離子被引入所述離子迀移率分析器后，氣流驅動離子對抗所述DC電場勢皇。上升沿在所述平臺附近的斜率可以低于上升沿的其他部分的斜率。優選的是，斜率最好沿上升沿向平臺單調降低。在上升沿，沿軸的電場強度可在電場勢皇的上升沿與(Z-ZcOp成比例地增加，其中z是沿軸的坐標，z。是偏移量，指數P小于I。優選的是，指數P的值在0.3< P < 0.9的范圍內。指數P的值最好為P = 2/3或P = 1/2。
[0021]所述區域還可包括下降沿和具有實質上恒定的軸向DC電場的下游平臺，其中氣流吹動離子對抗所述下降沿，從而阻礙離子通過所述下降沿。優選的是，斜率沿所述下降沿向平臺單調增加。
[0022]所述離子迀移率分析器可包括電極，各電極在區域中沿軸排列并被提供DC電勢，使得在上升沿或下降沿的電場強度呈現分段線性，其中電場強度的斜率在邊沿的至少兩個分段部分中有所不同。優選的是，根據有效的徑向限定的電勢來調整分段部分的斜率，徑向限定的電勢作用于各部分中俘獲的離子種類的離子。有效的徑向限定的電勢取決于四極RF場的幅度和頻率，取決于離子的質量、截面和電荷，特別取決于該部分中俘獲的離子種類的空間電荷。在具有高空間電荷的俘獲位置處降低斜率，以便減少由于離子種類的空間電荷造成的徑向散焦。多個數模轉換器(DAC)可生成施加于區域中沿軸排列的電極的多個DC電勢，從而可自由調整沿著(上升或下降)邊沿的電場斜率。
[0023]所述離子迀移率分析器包括調整所述區域中氣體流速的方法和用于調整平臺的電場強度的方法之一。
[0024]本發明還包括一種分析離子迀移率的方法，包括下列步驟:
[0025]-提供沿軸徑向地限定離子的RF場；
[0026]-提供軸向DC電場，包括電場強度增加的上升沿或電場強度減小的下降沿，還包括具有實質上恒定的電場強度的下游平臺；
[0027]-提供驅動離子對抗軸向DC電場的氣流，從而在邊沿上基本俘獲至少兩個離子種類的咼子；
[0028]-調節軸向DC電場在至少兩個離子種類的俘獲位置的斜率，使得在邊沿上的離子種類的各個俘獲位置的斜率有所不同；以及
[0029]-積聚和俘獲迀移率分析器中的離子，并掃描所述平臺的電場強度。
[0030]所述方法還包括步驟:確定作為迀移率的函數的離子密度或者甚至作為質量和迀移率的二維函數的離子密度，調整軸向DC電場沿邊沿的斜率，使得由于在各自的俘獲位置的離子種類的空間電荷排斥造成的徑向離子損失最小化，并在額外的積聚和俘獲步驟之后重新掃描平臺的電場強度。優選的是，使用軸向DC電場下游的質量分析器檢測離子，以便確定作為迀移率軸和質量軸二維分布的離子密度。可通過沿質量軸的積分，從二維分布確定作為迀移率的函數的離子密度。在積聚和俘獲離子迀移率分析器中的離子期間，也可調節離子種類的俘獲位置的斜率。
[0031]本發明還提供了一種包括質量分析器和離子迀移率分析器的系統，其中所述離子迀移率分析器包括用于沿軸徑向限定離子的RF場、具有軸向DC電場的區域和沿軸對抗區域中的DC電場的氣流。所述區域包括軸向DC電場增加的上升沿或軸向DC電場減小的下降沿。電場強度沿軸的斜率在邊沿的主要部分中并不恒定。所述質量分析器可以是正交飛行時間質量分析器、四極過濾器、RF離子阱、靜電離子阱和離子回旋共振質譜儀之一，并且位于所述離子迀移率分析器下游。所述系統還可包括位于離子迀移率分析器和質量分析器之間的破碎池。優選的系統包括上游迀移率分析器、四極質量過濾器、破碎池和下游高性能質量分析器(例如正交飛行時間質量分析器、靜電離子阱和離子回旋共振質譜儀)。
[0032]本發明可優選地應用于自下而上的蛋白質組學領域中，其中液相色譜分離與具有電噴霧離子源的串聯質譜儀結合，特別地與包括四極質量過濾器和下游高性能質量分析器的串聯質譜儀結合。
【附圖說明】
[0033]圖1示意性地示出了根據US 7，838，826 BI (M.A.Park，2008年)中所述的目前技術的離子迀移譜儀。在圖1的底部，顯示了入口漏斗(10)(提供了孔之間用于排出部分氣流的開放空間)、封閉的管狀通道(11)和開放的出口漏斗(12)的原理性設置。通道代表了迀移譜儀的主要部分。管狀通道(11)內的層流氣體(14)到達拋物線速度分布，驅動離子通過管狀通道(11)。管狀通道(11)內的四極RF場保持離子基本處于裝置的軸中，DC電場勢皇(未顯示)根據離子迀移率分離離子。在圖1的上部分，顯示了裝置的兩個隔膜電極，一個屬于入口漏斗(10)，一個屬于管狀通道(11)，二者分別被分割成扇形體(15、16)和扇形體(17、18)。通過扇形體分割，RF電壓可在裝置內部產生四極RF場(19)。
[0034]圖2顯示了圖1所示裝置的工作原理。來自電噴霧離子源(未顯示)的離子由氣體
(7)攜帶，通過毛細管(8)被引入真空系統的第一個腔室。施加于推斥板(9)的推斥DC電勢驅動離子(6)進入入口漏斗(10)。具有拋物線速度分布(14)的層流氣體驅動離子對抗電場勢皇通過管狀通道(11)。在圖2的底部，顯示了電場分布E(Z)沿z軸的三個階段，該電場通過施加在位置(20)和位置(24)之間并被沿著隔膜(未顯示)的精密電阻分隔的DC電壓產生。電場分布具有在位置(20)和位置(23)之間的上升沿處線性增加的DC電場，還有在(23)和(24)之間具有恒定DC電場的平臺。氣流用箭頭(16)表示。在第一“積聚階段”(A)中，離子積聚在DC電場的上升沿上，其中低迀移率的離子(主要是碰撞截面較大的重離子)聚集在靠近上升沿上端的高電場中，而高迀移率的離子集中在靠近上升沿底部的低電場中，如同圖中以象征離子的圓點的大小表示的那樣。在第二階段(B) “俘獲階段”中，通過推斥板(9)上的吸合電壓停止供應離子，離子最終在上升沿上達到其平衡位置。在第三階段(C) “掃描階段”中，逐漸降低DC電場勢皇的電源電壓，迀移率更高增加的離子能夠逃脫進入離子檢測器，特別是作為離子檢測器運行的質譜儀。
[0035]圖3顯示了低迀移率(K?0.5cm2/VS)離子的迀移率分辨率R與掃描時間ts的相關性。掃描時間^包括從低迀移率(K?0.5cm2/VS)到高迀移率(K? l.0cmVVs)的全部掃描。在整個迀移率范圍內，60毫秒的掃描時間可以實現約為80的迀移率分辨率;R ? 125的迀移率分辨率需要360毫秒的掃描時間。
[0036]圖4示出了針對三個不同掃描時間ts = 60ms、140ms和360ms的占空比與可實現積聚時間的相關性，這三種情況可分別獲得80、100和125的迀移率分辨率R。
[0037]圖5顯示了四種不同的電場空間分布；下方的三種分布象征性地表示本發明對不同截面的離子的密度的影響，如同不同直徑的圓點所表示的那樣。在上方部分(D)中，如上文所引用的文獻中最初描述的那樣，電場強度沿著裝置的z軸線性增加，顯示了沿上升沿相同的離子密度。下面，在部分(E)中，電場的上升沿顯示了具有不同斜率的分段線性電場的三個部分，這三個部分分別位于z軸位置(20)和(21)、(21)和(22)以及(22)和(23)之間，最低的斜率靠近頂部。與最上方的(D)部分中的分布相比，在頂部附近，離子密度和空間電荷降低。在第三分布(F)中，電場與z2/3成比例地增加。如圓點所示，上升沿頂部附近的高質量離子將被與z2/3成比例的電場解壓，而低質量離子在上升沿的底部被壓縮。在斜坡頂部附近，空間電荷減少，高質量離子的損失也將大幅降低。在底部(G)中，通過縮短平臺長度LP，可實現所述離子的進一步解壓。
[0038]圖6示出了另一個迀移譜儀，其通過氣流(17)驅動離子對抗下降沿而進行操作。當離子從離子源進入裝置(從左側進入)時，離子聚集在電場分布的下降沿處并按其迀移率分離，如圓點的大小所表示的那樣。改變電場分布(如箭頭(19)所示)使得離子(從高迀移率的離子開始)在離子檢測器的方向逃脫氣流，從而產生迀移譜。如附圖底部所示，曲線下降沿有助于降低空間電荷對低迀移率重離子的影響，從而避免這些離子在徑向上消失。
【具體實施方式】
[0039]本發明涉及文獻US 7,838,826 BI (M.A.Park，2008年)中所述的俘獲離子迀移譜儀，并提供了用于增加離子源中產生的離子的利用率的設備和方法。在俘獲離子迀移譜儀中，通常由氣流驅動離子對抗DC電場勢皇，并使離子在此停止，因為它們無法越過DC電場勢皇。最初的儀器被構建為具有在勢皇之前線性增加的電場，該電場對應于電勢的二次方增加。在平衡狀態下，具有高迀移率的離子(截面較小)集中在勢皇底部附近，具有低迀移率的離子(截面較大)集中在頂點附近。
[0040]本發明基于以下認知:在長時間積聚時，高質量離子(低迀移率)會損失，因為相比于低質量離子(高迀移率)，高質量離子在贗勢作用下在四極RF場內的聚集能力會弱很多。贗勢的有效力與z2/m成比例，其中z是電荷數，m是離子質量。高質量離子的聚集能力更低，因此，其更易受空間電荷引起的庫倫排斥的影響。多電荷離子的聚集能力更強，但也會受到庫倫力的強烈推斥。
[0041]本發明的一個想法是，通過降低頂點附近的場梯度來減小此處低迀移率離子的密度，然后通過更陡峭的場梯度來接受DC電場勢皇底部附近的更高密度的高迀移率離子。高迀移率離子更易被贗勢聚集，受到空間電荷排斥的影響更少。可通過勢皇之前的電場E(Z)的非恒定場梯度實現這一目標，例如，利用電場斜坡E?zp，其中指數P小于p = l.0，z是沿裝置的軸的坐標。這會降低頂點附近的場梯度，降低高質量離子的密度，并且增加底部附近的電場梯度，增大低質量離子的密度。指數P的理想范圍為0.3 <p <0.9;理想值為P = 2/3或P= 1/2。
[0042]此外，DC電場勢皇的上升沿長度可增加到幾厘米，優選的是超過3厘米，最好超過6厘米并且高達10厘米或更長，從而對沿電場斜坡的所有離子進行解壓。
[0043]采用標準高性能電噴霧離子源對已知離子混合物進行的試驗顯示，可將積聚時間從大約40毫秒增加到超過200毫秒，而高質量離子的損失幾乎同樣少。通過這些措施，可將占空比從大約40%提尚到80%和更尚。
[0044]如上文所述，本發明部分基于文獻US 7，838，82681(1^.?&4，2008年)中所描述的在圖1中示意性示出的離子迀移譜儀。本發明提供了增加離子源的離子的利用率(“占空比”)的設備和方法的實施例。
[0045]最初的儀器被構建為具有在場勢皇上升沿處線性增加的電場，如圖2底部所示。在積聚階段(A)，具有高迀移率的離子(截面較小)集中在DC電場勢皇底部附近，具有低迀移率的離子(截面較大)集中在頂點附近。在僅有2毫秒的較短俘獲階段(B)中，會中止進一步供應離子，離子到達其沿z軸的平衡位置。如果離子具有均勻分布的迀移率，它們將在z軸呈現均勻分布，如圖中的圓點所示。在掃描階段(C)中，整體電場分布逐漸降低，迀移率更高的離子將離開按迀移率分離離子的譜儀去(例如，由質譜儀)進行檢測。
[0046]所測量的離子電流曲線直接顯示了從低離子迀移率到高離子迀移率的離子迀移譜。該裝置被命名為“TMS”，即“俘獲離子迀移譜儀”。如果將質譜儀用作離子檢測器，那么總的離子電流代表迀移譜，但此外還可確定離子質量，從而沿質量軸和迀移率軸形成二維離子分布。
[0047]這種譜儀的迀移率分辨率主要取決于掃描從低迀移率(K? 0.5cm2/VS)到高迀移率(K ? 1.0cmVVs)的普通迀移率范圍所需的掃描時間ts。圖3中顯示了該相關性。由于迀移率分辨率Rmcib略依賴于迀移率K本身，因此針對K ? 0.5cm2/VS的離子示出相關性。
[0048]在離子源中產生、在分析器中積聚并隨后分析的離子的利用率由比率q= ta/(ta+ts)確定，其中ta是離子積聚時間，^是未積聚離子的測量掃描時間。由于俘獲時間非常短，因此通常可以忽視。利用率也稱為“占空比”。在圖4中，針對三個不同掃描時間ts(對應于三個不同的迀移率分辨率R)顯示了占空比與積聚時間的相關性。如果積聚期間未損失任何離子，并且分析器可以在沒有離子損失或飽和效應的前提下測量所有離子，則積聚時間^越長，利用率q越高。
[0049]本發明基于以下認知:在長時間積聚時，將首先損失高質量離子(由于其截面大，通常具有低迀移率)，因為相比于具有低迀移率的低質量離子，高質量離子在贗勢作用下在四極RF場內的徑向聚集能力會弱很多。贗勢的有效力與z2/m成比例，其中z是電荷數，m是離子質量。高質量離子在贗勢作用下僅能弱聚集，因而對于空間電荷排斥更加敏感，這種排斥會驅動離子沿徑向脫離裝置。使用標準高性能電噴霧離子源時，積聚時間超過40毫秒后，就會開始大量損失高質量離子，對于復雜樣本，這一積聚時間甚至更低。如果選擇60毫秒的掃描時間^以使得最為關注的低迀移率離子的迀移率分辨率為Rmcib - 80，那么當施加的積聚時間超過40毫秒時，利用率q僅為40%。如果要實現更高的迀移率分辨率，例如Rmcib ? 110，則必須將掃描時間調整為大約120毫秒，并且利用率降低到25%。
[0050]本發明的一個想法是:降低頂點附近的低迀移率離子的密度，并且接受DC電場勢皇底部附近的更高密度的高迀移率離子。通過DC電場勢皇前的電場E(Z)的非恒定梯度(斜率)可實現這個目標。例如，本發明的一個實施例由圖5的部分(E)中的分布示出，其顯示了以三種不同梯度分段線性增加的電場。z軸位置(20)和(21)之間的電場梯度最陡峭，(21)和
(22)之間的梯度陡峭程度中等，(22)和(23)之間最平緩。靠近頂部的平緩梯度將解壓具有低迀移率的離子，減少空間電荷排斥。當然，也可施加三個以上的梯度。
[0051]圖5的(F)部分顯示了本發明的另一個實施例。其中，電場按照函數E(z)?zp非線性增加，指數p = 2/3，z是沿z軸的位置。這種上升沿電場會降低頂點附近的場梯度，從而降低高質量離子的密度，并增加底部附近的場梯度，增大低質量離子的密度。數值P = 2/3僅是一個示例;實際上，指數P最好小于1.0。指數P的優選范圍是0.3 SpS 0.9。如果離子混合物包含很多高質量離子，則P = 1/2可能更為有利;在極端情況下，即使P = 1/3也能達到最佳效果。對于其他離子混合物或特殊問題或用途，可能最好減少位于邊沿的其他部分(例如邊沿中部)的電場梯度。
[0052]為進行比較，圖5的上部(D)顯示了上升沿處線性增加的電場，其中可見的是，迀移率范圍均勻分布的離子沿著上升沿均勻分布。但在實際中，離子迀移率很難均勻分布。
[0053]采用標準高性能電噴霧離子源和迀移率廣泛分布的離子混合物對已知離子混合物進行的試驗顯示，使用與z2/3成比例增加的場E(Z)的斜坡，可將積聚時間從40毫秒增加到大約200毫秒，而不會大量損失高質量離子。對于60毫秒(R? 80)的掃描時間，可通過這些措施將占空比從大約40%增加到高達80%。
[0054]此外，DC電場勢皇的上升沿可以盡可能地長，例如高達5厘米或更長，從而解壓沿電場斜面的所有離子。圖5的底部(G)示意性地示出了縮短的平臺長度Lp以及與z2/3成比例的被拉長的上升沿的綜合效果。通過短平臺的額外解壓效果，積聚時間可增加到大約300毫秒，而不會損失大量高質量離子。經驗和理論表明，縮短平臺不會大幅影響迀移率分辨率。
[0055]本發明的另一個想法是，使用可變(空間可調節)的電場分布，尤其是根據沿著迀移譜的迀移率軸的離子密度的一個或多個先前測量結果而改變分布。作為具有可變電場分布的實施例的示例，如圖5的部分(E)所示，利用提供施加于位置(21)、(22)和(24)的V21、V22和V24三種電壓的電壓發生器，可改變分段線性增加。通過相對于電壓V24調節電壓V2JPV22,可產生多種電場分布。例如，如果先前的測量顯示低迀移率離子的密度較高，則可將位置
(22)和(23)之間的電場梯度盡可能調節得平緩，以避免損失。當然，可在z軸上的更多位置使用更多可調節電壓。
[0056]使用更為復雜的裝置時，沿z軸的所有隔膜或大部分隔膜上的電壓可通過一系列數模轉換器(DAC)產生。然后所述裝置可生成任何電場分布，其使得精確響應于迀移率范圍中任何離子分布的操作能夠進行。
[0057]TIMS-MS裝置的各種實施例可用于不同分析任務。例如，分析任務可能要求迀移率分辨率R ? 120，這需要在K ? 0.5-1.0Cm2/VS的迀移率范圍內的大約300毫秒的掃描時間。可利用根據圖5的部分(G)的上升沿來完成這個任務。如果將積聚時間設定為300毫秒，則可使離子源提供的離子的利用率達到50%。但是，當電場梯度根據本發明在DC電場勢皇頂部附近降低時，僅能夠在沒有大量損失高質量離子的情況下實現該占空比。
[0058]如果積聚時間和掃描時間都設定為300毫秒，則在3秒時間段內可執行約五次掃描。利用獲取率為每秒10000樣本的現代飛行時間質譜儀，在每300毫秒的掃描過程中可獲取大約3000個質譜，因此每3秒鐘可獲取30000個質譜。如果將迀移率軸分為120個區段并且在每個區段中添加具有相同迀移率的離子的相應質譜，則在每個區段，每3秒鐘可獲取250個質譜。3秒鐘的時間段是從與質譜儀結合的液相色譜儀(HPLC)中對離子采樣的最佳時間，該液相色譜儀提供長度約為20秒到30秒的物質峰，該操作可針對根據離子迀移率而被有效分離的離子提供高質量質譜。
[0059 ]本發明提供了優選離子迀移譜儀，在其中通過徑向作用的四極RF場使離子保持在管道的z軸附近，通過管道的氣流吹動離子對抗DC電場勢皇，其中沿裝置z軸的電場強度E(z)在勢皇的上升沿具有非恒定的場梯度(斜率)，靠近DC電場勢皇頂部的場梯度低于上升沿其他部分中的場梯度。
[0060]在一個實施例中，沿裝置z軸的電場強度E(Z)在場勢皇的上升沿與Zp成比例地增加，指數P低于1.0。指數P的值可以在0.3<p<0.9的范圍內；確切值為P = 2/3或P = 1/2。
[0061]在另一實施例中，電壓生成器可提供多個電壓以調節沿裝置z軸的DC電場勢皇上升沿處的電場強度E(Z)分布。控制單元可使用在先前的一個或多個掃描過程中作為迀移率的函數測得的離子密度數據，來控制沿裝置z軸的電場強度E(Z)分布，以使積聚期間的離子損失最小化。在迀移率掃描階段，可按照使電場強度梯度不超過離子積聚處的梯度的方式來更改電場分布。
[0062]在圖6所示的俘獲離子迀移譜儀的另一實施例中，與圖5所示的實施例相比，氣流反向，并驅動離子對抗下降沿的電場移動。當入口電場允許離子從離子源進入裝置(從左側進入)時，離子在電場分布的下降沿上被俘獲，并按其迀移率在空間上分離，如圓點的大小所示的那樣。更改電場分布(用箭頭(19)表示)使得離子(從高迀移率的離子開始)能夠受到逐步增加的電場驅動而對抗反作用氣流(17)并向離子檢測器方向移動，從而獲得迀移譜。如圖6底部所示，具有非恒定電場強度斜率的曲線下降沿有助于降低空間電荷對低迀移率的重離子的影響，從而避免離子在橫向上消失。
[0063]此外，本發明還提出了離子迀移譜儀的操作方法，其中，通過徑向作用的四極RF場使離子保持在管道的z軸附近，通過管道的氣流對抗DC電場勢皇吹動離子，其中，在一個或多個先前的掃描中測量作為迀移率函數的離子密度，并沿著裝置的z軸調節電場強度E(Z)的分布，從而使積聚期間的離子損失最小化。
【主權項】
1.一種離子迀移率分析器，包括用于沿軸徑向地限定離子的射頻場、具有軸向直流電場的區域和沿軸對抗所述區域中的直流電場的氣流，其中，所述區域包括軸向直流電場增加的上升沿，或軸向直流電場減小的下降沿，所述離子迀移率分析器特征在于電場強度沿軸的斜率在所述上升沿或下降沿的主要部分中不恒定。2.根據權利要求1所述的離子迀移率分析器，其中，所述區域包括上升沿和具有實質上恒定的軸向直流電場的下游平臺，從而形成直流電場勢皇，離子被引入所述離子迀移率分析器后，氣流驅動離子對抗所述直流電場勢皇。3.根據權利要求2所述的離子迀移率分析器，其中，所述上升沿在所述平臺附近的斜率低于所述上升沿的其他部分的斜率。4.根據權利要求3所述的離子迀移率分析器，其中，所述斜率沿所述上升沿向所述平臺單調減小。5.根據權利要求4所述的離子迀移率分析器，其中，沿軸的電場強度在所述電場勢皇的上升沿與(Z-ZcOp成比例地增加，其中z是沿軸的坐標，z。是偏移量，指數P小于I。6.根據權利要求5所述的離子迀移率分析器，其中，指數P的值在0.3 < P < 0.9的范圍內。7.根據權利要求6所述的離子迀移率分析器，其中，指數P的值為P= 2/3或P = 1/2。8.根據權利要求1所述的離子迀移率分析器，其中，所述區域包括下降沿和具有實質上恒定的軸向直流電場的下游平臺，并且其中氣流吹動離子對抗所述下降沿，從而阻礙離子通過所述下降沿。9.根據權利要求8所述的離子迀移率分析器，其中，所述斜率沿所述下降沿向所述平臺單調增加。10.根據權利要求1所述的離子迀移率分析器，其中，所述離子迀移率分析器包括電極，各電極在所述區域中沿軸排列并被提供直流電勢，從而使得在所述上升沿或下降沿上的電場強度呈現分段線性，其中所述電場強度的斜率在所述上升沿或下降沿的至少兩個分段部分中不同。11.根據權利要求10所述的離子迀移率分析器，其中，根據有效的徑向限定的電勢來調整各個分段部分的斜率，所述徑向限定的電勢作用于各部分中俘獲的離子種類的離子。12.根據權利要求11所述的離子迀移率分析器，其中有效的徑向限定的電勢取決于四極射頻場的幅度和頻率，取決于離子的質量和電荷，并取決于各部分中俘獲的離子種類的空間電荷。13.根據權利要求1所述的離子迀移率分析器，其中，所述射頻場是四極的。14.根據權利要求1所述的離子迀移率分析器，其中，所述氣流被徑向地限定在沿所述區域的管道中。15.根據權利要求2或8所述的離子迀移率分析器，其中，所述離子迀移率分析器包括用于調整所述區域中的氣體流速的方法與用于調整所述平臺的場強度的方法之一。16.—種分析離子迀移率的方法，包括下列步驟: 提供沿軸徑向地限定離子的射頻場； 提供軸向直流電場，所述軸向直流電場包括電場強度增加的上升沿或電場強度減小的下降沿以及具有實質上恒定的電場強度的下游平臺； 提供驅動離子對抗所述軸向直流電場的氣流，從而在所述上升沿或下降沿上實質上俘獲至少兩個離子種類的離子； 調節軸向直流電場在所述至少兩個離子種類的俘獲位置處的斜率，使得在所述上升沿或下降沿上的離子種類的各個俘獲位置的斜率不同；以及 積聚和俘獲所述迀移率分析器中的離子，并掃描所述平臺處的電場強度。17.根據權利要求16所述的方法，還包括下列步驟: 確定作為迀移率的函數的離子密度或作為質量和迀移率的二維函數的離子密度； 調節軸向直流電場沿所述上升沿或下降沿的斜率，從而使得由于在各自的俘獲位置處的離子種類的空間電荷排斥而造成的離子損失最小化;以及 在額外的積聚和俘獲步驟之后，重新掃描所述平臺的場強度。18.—種包括質量分析器和離子迀移率分析器的系統，其中，所述離子迀移率分析器包括用于沿軸徑向地限定離子的射頻場、具有軸向直流電場的區域和沿軸對抗所述區域中的直流電場的氣流，所述區域包括軸向直流電場增加的上升沿，或軸向直流電場減小的下降沿，其中，電場強度沿軸的斜率在所述上升沿或所述下降沿的主要部分中不恒定。19.根據權利要求18所述的系統，其中，所述質量分析器是正交飛行時間質量分析器、四極過濾器、射頻離子阱、靜電離子阱和離子回旋共振質譜儀之一，并且位于所述離子迀移率分析器的下游。20.根據權利要求19所述的系統，其中，所述系統還包括位于所述離子迀移率分析器和所述質量分析器之間的破碎池。
【文檔編號】G01N27/62GK105869980SQ201610076654
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月3日
【發明人】梅爾文·安德魯·帕克, 奧利弗·拉瑟
【申請人】布魯克道爾頓有限公司