用於冷卻離子的離子阱的製作方法

2023-09-10 05:30:20

專利名稱：用於冷卻離子的離子阱的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於改變離子的動能的離子阱以及一種改變離子阱中離子的動能的方法，優選地涉及冷卻這些離子。
背景技術：
對於高解析度質譜儀而言，用於分析的離子具有低發射度是令人希望的，因為這提高了解析度和靈敏度。離子束髮射度部分地是由其溫度決定的。一般地，離子是通過與氣體的碰撞而冷卻的。然而，由於質量分析儀在高真空下進行運行，在質量分析儀外面冷卻這些離子是令人希望的。現有的解決方案具有以下兩種不同的策略。一種第一策略是在該質量分析儀的外部在一個阱中冷卻這些離子，該阱包含一種適合用於冷卻這些離子的氣體，例如，如美國 6，674，071中所示出的。然而，在此類裝置中，由於該氣體被有效地保持在該阱中，與其俘獲的物質處於熱平衡，所以這些離子僅能被冷卻到該氣體的溫度，該氣體的溫度受限於該阱的離子光學的溫度。這對該冷卻的離子束的最小可實現發射度構成了限制。而且，當該阱用於將這些冷卻的離子注入質譜儀中時，出現了其他問題。將這些離子加速穿過該氣體可能引起這些離子的碎裂並且在射出這些離子之前移除該氣體顯著地限制運行的速度。如果使用電場來加速這些離子，如典型的做法，儘管所有離子被加速到恆定的能量，它們的速度仍將取決於它們的質量。因此，在這類情況中從阱到分析儀的路徑長度必須被減少到最小以減少該分析儀外面的飛行時間質量分離。這將防止氣體殘留進入該分析儀中變成了一個嚴重的問題。這個問題典型地是以增加成本和複雜性及降低性能為代價，通過避免阱與分析儀之間的直達以及通過使用小的狹縫來緩解的。同樣，這進一步增加了路徑長度，由此惡化了任何外部的質量分離問題。在這種策略的一種實現方式中，以脈衝方式引入氣體是已知的。在離子冷卻之後的分析期間這有助於減少氣體負載。這種情況的更老的實例包括J. Carlin 與 B. S. Freiser, Anal. Chem. 55 (1983), 571 ；B. Emary, R. E. Kaiser, H. I. Kenttamaa 與 R. G. Cooks, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1 (1990) 308 ；以及 R. C. Beavis and B. Τ. Chait, Chem. Phys. Lett. 181(1991)479。這種技術的其他的、更近期的實例包括GB_2439107 ；以及D. Papanastasiou， 0. Belgacem, Μ. Sudakov 以及 Ε. Raptakis, Rev. Sci. Instrum. 79 (2008) 055103o 然而，在這種技術與靜態運行之間不存在任何根本性的差別。在這兩種技術中，氣體以一種高擴散的方式進入離子阱。第二策略是引導離子束穿過一個氣體射流。例如，美國5，373，156說明了一種用於使用輕氣體(如氫或氮)來冷卻非常重的離子(300，000至2百萬Da)的方法，該輕氣體在形成期間被絕熱地冷卻並且被作為一個射流來引導。該氣體射流還引起這些離子在質量分析儀的上遊立即減速，由此避免潛在的碎裂或質量分離問題。然而，此類裝置與俘獲不兼容，因為它們被設計為允許這些冷卻的離子被立即注入該質量分析儀中。另外，氣體殘留仍是此類裝置的一個問題。
氣體射流已經被用於離子的碰撞誘導解離(CID)。在美國4，328，420中，披露了一種質譜儀，該質譜儀具有三個四極區段，其中中間區段作為一個碰撞池來起作用，其中一個氣體射流以一種正交的方式截斷該離子束。在美國2004/0119015與美國2007/0085000中披露了用於CID的類似的安排，包括具有一個離子阱的安排，其中一個氣體射流進入一個碰撞池並且以一種正交的方式截斷離子軌道。此類離子阱額外地採用該阱中浴氣的巨大的壓力用於存儲這些離子，由此顯著地增加到該系統的氣體負載上。發明概述針對這種背景，本發明提供了一種改變離子的動能的方法，該方法包括將離子俘獲在一個離子阱的一個俘獲區域中；並且引導一個氣體束穿過該俘獲區域，從而由此改變這些被俘獲離子的動能。在另一方面，本發明提供了一種分離離子的方法，該方法包括使離子沿一個離子阱的一個俘獲區域的一個第一軸線進入該俘獲區域；沿該第一軸線引導一個氣體束並且在該第一軸線的方向上施加一個電位從而引起這些離子基於它們的離子遷移率而分離。優選地，該氣體是一種冷卻氣體，這樣使得將這些被俘獲離子冷卻。該方法優選地包括將這些離子存儲在該俘獲區域中，即，持續一段時間直到想要從該阱中射出這些離子為止。更優選地，這些被俘獲離子基本上未被該氣體束解離。這就是說，這些離子中的小部分可能被該束解離，例如非故意地，但是這些離子中的大多數未被該束解離。最優選地，將這些被俘獲離子冷卻，但基本上未被該氣體束解離。由此可以將存儲在該阱中的離子冷卻到低的溫度，並且從該阱中射出進入一個質量分析儀中或質量分析之前的另一個裝置中。這提供了顯著的靈活度，因為對於不同類型的質量分析儀(包括例如脈衝質量分析儀)由此可以將此類離子進行優化。與氣體射流冷卻的現有技術方法相比，它可以與一個離子束一起使用(該離子束在該儀器的真空環境中經歷了處理)，並且當它們被引入該儀器中時不僅僅用於離子束。一個氣體束的所有粒子可以被認為具有一個運動矢量，該運動矢量具有一個主要分量，該主要分量在所有這些粒子上是相同的，這樣使得這些氣體粒子具有低發散性。其結果是，在該阱體積內氣體的分布是不均勻的。有利地，本發明允許在離子阱中的有效率的俘獲及存儲離子，其中浴氣壓力比正常值要減少很多，因為已經發現由於該束的區域內該氣體與這些離子之間足夠的碰撞，引導的氣體束的使用提供了良好的離子存儲和冷卻能力。以此方式，本發明的離子阱能夠在比正常用於離子阱(它要求使用大的浴氣壓力)更低的壓力下運行(即，不在該氣體束上)。因此，本發明能夠使質譜儀系統的剩餘部分上的氣體負載相應地減小。因此，本發明優選地在離子阱中的壓力下運行(即，不在該束上)， 該壓力本身可能太低以致不能將離子存儲在該阱中，尤其是不能俘獲、存儲並冷卻離子。例如，儘管使用浴氣離子阱中典型的壓力可能是大約Ix 10_3毫巴，根據本發明的離子阱中的壓力可以是小於Ix 10_4毫巴。優選地，離子阱中的壓力是大約Ix 10_4毫巴或更小，更優選地小於Ix 10_4毫巴，仍更優選地大約切10_5毫巴或更小，例如，在Ix 10_5毫巴的範圍內。 在一個優選實施方案中，該方法進一步包括在該阱處接收離子。優選地，該俘獲區域包括一個第一軸線。該第一軸線優選地是俘獲區域的一個長軸，即，該俘獲區域的長度或最長尺寸的方向上的一個軸。這些被俘獲離子優選地沿該第一軸線重複地橫跨該俘獲區域。該第一軸線可以是直的或彎曲的或者是直線區段與曲線區段的一種組合。因此，優選地，該離子阱是沿該第一軸線延長的(即，在延長方向上比與其正交的方向上是更長的)。這就是說，該阱優選地是一個延長阱，具有一個與該束的方向基本上共線安排的長軸。在此類實施方案中，優選地，將這些離子從該阱中以與該氣體束方向不同的方向進行射出，即，以一個角度(優選地正交)。更優選地，基本上沿該第一軸線引導該氣體束。這意味著該束的發散是優選地這樣使得該束的至少一部分包圍該第一軸線的至少一部分。因此，沿該第一軸線引導這些氣體粒子的運動矢量的主要分量。最優選地，該離子阱是一個線性離子阱，沿該第一軸線延長。因此，這些被俘獲離子在一個相當長的相互作用長度上與該氣體束進行相互作用。進一步優選地，將有待俘獲入該俘獲區域中的離子基本上沿該第一軸線注入該阱中。在一個優選的實施方案類型中，將該氣體束基本上沿該第一軸線，但是在與基本上沿該第一軸線注入該阱內的離子相反的方向上進行引導。在另一個優選實施方案類型中，將該氣體束基本上沿該第一軸線，在與基本上沿該第一軸線將這些離子注入該阱內相同的方向進行引導。優選地將被俘獲離子沿一個第二軸線從該離子阱中射出，其中該第二軸線與該第一軸線不同。因此，在優選的實施方案中，可以將這些離子沿與它們進入該阱所沿著的軸不同的軸從該離子阱中射出。以此方式，因為它們加速穿過該氣體，離子碎裂的風險被有利地緩解了。由於該氣體是沿該第一軸線，通過沿該第二軸線射出這些離子來引導的，這些離子未沿該氣體束被加速，而是在該氣體束以外被加速。更優選地，該第二軸線基本上與該第一軸線正交，當將這些離子加速時，將這些離子在該氣體束內行進的路徑長度減少到最小。優選地，在該第二軸線的方向上行進的氣體束的比例顯著地小於在該第一軸線的方向上行進的氣體束的比例。有利地，沿該第二軸線該氣體的流速是基本上為零。因此，優選地該阱是一個低壓力阱。更優選地，用一種用於改變這些離子的動能的氣體(即，浴氣)將該阱進行非均勻地施加壓力。在一個優選的實施方案中，引導氣體束的步驟包括形成一個氣體射流。氣體射流是一個具有一個單一的優選運動方向的氣體流，該氣體流被噴射入一種周圍介質中。優選地，該方法還包括在一個氣體入口或噴嘴處接收該氣體。在這種情況中，該離子阱內的壓力可以顯著地小於該氣體入口外面的壓力。當通過超聲膨脹進入該離子阱時，這引起該氣體被絕熱地冷卻。可任選地，該離子阱內氣體的溫度顯著地小於所接收的離子的溫度。可任選地，該離子阱內氣體的溫度顯著地小於該離子阱的溫度。這些離子被俘獲或存儲在該俘獲區域中時可以將該氣體束連續地引導穿過該俘獲區域，或者可以將該氣體束間歇地引導穿過該俘獲區域，例如，通過脈衝該氣體束。可以將該氣體束引導穿過該俘獲區域持續將這些離子俘獲或存儲在該俘獲區域中的全部時間或小於該全部時間。在一個優選實施方案中，進入該俘獲區域的氣體束的一部分在與一個壁碰撞之前離開該離子阱。可任選地，該氣體束的這個部分是至少10%，但是按照逐漸增加的優選的次序，它可以是至少20%、至少30%、至少50%、至少75%、或至少90%。可任選地，該離子阱包括沿該第一軸線安排的一個差壓泵送狹縫。然後，該方法可以進一步包括在更接近該氣體入口的該差壓泵送狹縫的一側上產生一個第一壓力區域； 並且在該差壓泵送狹縫的另一側上產生一個第二壓力區域，該第二壓力低於該第一壓力。優選地，該差壓泵送狹縫是使用一個截取錐來形成的。有利地，該截取錐被定位在氣體入口與以下位置之間，該位置被識別用於流動穿過該氣體入口的氣體的馬赫盤。等效地，該截取錐被這樣定位從而使得在無噴射的條件下對流動穿過該氣體入口的氣體進行採樣。有利地，該入口狹縫被安排為接收一個電位以引起這些離子的離子遷移率分離。有益地，該離子阱被這樣安排從而使得沿該離子阱的第一軸線發生這種離子遷移率分離。更通常地，在不同的實施方案中，本發明的方法優選地包括穿過該俘獲區域施加一個電位梯度以弓丨起這些離子基於它們的遷移率而分離。更優選地在此類實施方案中，該方法包括沿該第一軸線引導該氣體束並且在該第一軸線的方向上施加一個電位梯度，以引起這些離子基於它們的離子遷移率沿該第一軸線進行分離。有益地，該離子阱被這樣安排從而使得沿該離子阱的第一軸線發生這些離子的離子遷移率分離，即，沿這個軸線發生空間分離。優選地，這些分離的離子是沿一個第二軸線從該阱中射出的，該第二軸線與該第一軸線不同並且更優選地不與其共線，例如，該第二軸線與該第一軸線正交。優選地，在該第一軸線的方向上施加一個電位梯度以產生與來自該氣體束的力反作用的一個電的力，這樣使得具有特定的離子遷移率的離子將會在這個電位梯度上在一個特定的點處平衡，即當這兩個力彼此補償時，即這樣使得可以實現空間中離子遷移率分離。如果該電位梯度被改變或被掃描，可以實現離子的離子遷移率依賴的提取(掃描)。美國5，847，386傳授了具有一個軸向電場的離子阱，但是未在其中披露引導穿過該阱的氣體束的用途。能夠以很多不同的配置來俘獲這些離子。在一個優選實施方案中，俘獲所接收的離子的步驟使用一組四極杆。可替代地，將所接收的離子俘獲入離子阱中的步驟包括引導這些離子沿一個環行路逕行進，該環行路徑包括該第一軸線。例如，可以使用電極的一種賽道安排來提供該環行路徑。在本發明的一個第二方面，提供了用於改變離子的動能的一個離子阱。該離子阱包括一個電極安排；一個泵送安排；以及一個控制器，該控制器被安排為控制該電極安排以將所接收的離子俘獲在一個俘獲區域內，並且安排為控制該泵送安排以引起將一個氣體束引導穿過該俘獲區域，從而由此改變這些被俘獲離子的動能。優選地，該氣體是一種冷卻氣體，從而被安排用於冷卻這些離子。優選地，該俘獲區域包括一個第一軸線。該控制器優選地被進一步配置為控制該電極安排以將所俘獲的離子沿一個第二軸線從該離子阱中射出，該第二軸線與該第一軸線不同。可任選地，該第二軸線與該第一軸線正交。在一個優選實施方案中，該控制器被進一步安排為控制該泵送安排從而形成一個氣體射流。可任選地，該控制器被進一步安排為控制該泵送安排這樣使得該離子阱內的壓力顯著地小於來自該離子阱的氣體入口的另一側上的壓力。在一些實施方案中，離子阱還可以包括沿該第一軸線安排的一個差壓泵送狹縫。 在這種情況中，該控制器可以被進一步安排為控制該泵送安排從而在更接近該氣體入口的該差壓泵送狹縫的側面上產生一個第一壓力區域，並且從而在該差壓泵送狹縫的另一側上產生一個第二壓力區域。有利地，該第二壓力低於該第一壓力。可任選地，該差壓泵送狹縫是使用一個截取錐來形成的。優選地，該截取錐被定位在氣體入口與以下位置之間，該位置被識別用於流動穿過該氣體入口的氣體的馬赫盤。等效地，該截取錐被這樣定位從而使得在無噴射的條件下對流動穿過該氣體入口的氣體進行採樣。有利地，該方法進一步包括使這些離子在被俘獲之前通過一個入口狹縫進入該離子阱；並且將一個電位施加到該入口狹縫上從而引起這些離子的離子遷移率分離。有益地，沿該離子阱的第一軸線實現了該離子遷移率分離。
在一個實施方案中，該電極安排包括一組四極杆。在一個可替代的實施方案中，該電極安排被配置在包括該第一軸線的一個環行路徑內，並且其中該控制器被進一步安排為控制該電極安排這樣使得這些離子被弓I導沿該環行路徑來行進。在本發明的另一方面中，提供了一個用於改變離子的動能的離子阱，該離子阱包括用於將所接收的離子俘獲在該離子阱的一個俘獲區域內的裝置；以及用於引導一個氣體束穿過該俘獲區域的裝置，以便由此冷卻這些被俘獲離子。優選地，該氣體是一種冷卻氣體，以便被安排用於冷卻這些離子。在本發明的另一個方面，提供了一個質譜儀，該質譜儀包括如上所述的一個離子阱以及一個質量分析儀，該質量分析儀被安排為從該離子阱接收冷卻的離子。該質譜儀還優選地包括一個離子源，該離子源被安排為產生離子。可任選地，該離子阱可以是一個第一離子阱並且一個第二離子阱可以被提供，定位在該離子源與該第一離子阱之間。在這種情況中，該第二離子阱有利地是充滿氣體的。在優選實施方案中，該質量分析儀包括以下各項之一一個軌道阱類型質量分析儀；一個飛行時間質量分析儀；或包括多向轉動或多反射配置中的至少一種的一個飛行時間質量分析儀。在本發明的又另一方面，提供了一個離子遷移率分離裝置，該裝置包括一個離子阱，該離子阱具有一個俘獲區域，該俘獲區域包括一個第一軸線；用於引導一個氣體束沿該第一軸線穿過該俘獲區域的裝置；以及用於在該第一軸線的方向上施加一個電場的裝置。 該裝置優選地進一步包括用於使離子沿該第一軸線(更優選地在與該氣體束相反的方向上)進入該俘獲區域的裝置。在優選實施方案中，該離子阱被定位在用於產生有待俘獲的離子的離子源與用於引導氣體束穿過該俘獲區域的裝置中間，其中該離子阱、離子源以及用於引導該氣體束穿過該俘獲區域的裝置以一種基本上線性(即，直線)的配置進行安排。在此類實施方案中， 該離子源以及用於引導該氣體束穿過該俘獲區域的裝置進一步優選地基本上位於該俘獲區域的第一軸線上。在一些實施方案中，該方法可以進一步包括對該氣體束或射流進行調整。優選地， 及時地對該氣體束的密度進行調整。有利地，當俘獲區域內的氣體束的密度在一個預定的最大水平以下時，將離子射出。此類調整優選地是通過一個脈衝閥來實現的，從而產生穿過該俘獲區域行進的一系列的氣柱。例如，當傳送這些氣柱時，這可以允許將冷卻離子以及在多個柱之間在間隔時間期間將這些離子進行提取。在提取過程期間，這可以進一步減小離子與氣體之間的任何相互作用。在一個實施方案中，另一個閥門被定位在所提取的離子沿其行進的路徑中。將這個閥門開放以僅允許離子朝向該分析儀來行進。這減小了來自該俘獲區域以及該分析儀外面的其他區域的該分析儀上的氣體負載，並且可以避免使用差分泵，節省了複雜性和成本。 這種脈衝閥可以包括例如一種壓電的或電磁的安排，並且能夠以一種脈衝方式或以一種諧波振蕩方式來運行，與將來自俘獲區域的離子注入該分析儀中相同步。附圖簡要說明本發明可以通過多種不同的方式來進行實踐，現在將僅通過舉例的方式並參考附圖對多種這些方式予以說明，其中

圖1示出了根據本發明的一種方法及質譜儀的一個第一且優選的實施方案；
圖2示出了根據本發明的一種方法及質譜儀的一個第二實施方案；並且圖3示出了根據本發明的一種方法及質譜儀的一個第三實施方案。優詵實施方案的具體說明首先參見圖1，示出了根據本發明的一種質譜儀的一個第一實施方案。將這些離子從一個離子源10穿過一個第一狹縫20引入到一個離子阱25中，該離子阱是由杆30的一個延伸的組來定義的，這些杆優選地是四極的。這些杆30定義了一個縱軸35，該縱軸的邊界為該第一狹縫20以及一個第二狹縫40。在與該縱軸垂直的方向上在該離子阱附近提供了質量分析儀50。將一個外部氣體管線95連接到噴嘴90上，並且該噴嘴附近的截取錐80 定義了一個差壓泵送狹縫。 將一個RF電位施加到該離子阱25的這些杆30上，這樣使得這些離子被沿著該離子阱的縱軸35進行引導。通過施加到第一狹縫20與第二狹縫40上的電壓來軸向地限制這些離子。氣體通過噴嘴90從外部氣體管線95進入質譜儀進入一個第一泵送區域85中。 由此通過使從外部氣體管線95接收的氣體超聲膨脹進入泵送區域85中形成了一個氣體射流70。截取錐80被定位在距離噴嘴90足夠遠以確保氣體射流70的低發散性。然後將該氣體射流70引導穿過一個第二泵送區域75並且沿縱軸35。通過與這些離子的相互作用，由此該氣體射流將這些被俘離子獲冷卻在該離子阱 25內。一旦已經冷卻，可以將這些離子正交地沿射出軸60射出，進入質量分析儀50中用於分析。質量分析儀50是一個Orbitrap 。以這樣一種方式來選擇氣壓、溫度、泵連同該噴嘴90與截取錐80的幾何參數從而使得該截取頭穿透該馬赫盤進入無噴射狀態(free jet)(例如，參見Bei jerinck等人， Chem. Phys. 96(1985) 153-173以及其中的參考文獻)。例如，通過用一個200L/s渦輪分子泵進行泵送可以使用大氣條件下的氮或氬來膨脹穿過一個50微米直徑的噴嘴進入區域85 內。該氣體噴射馬赫盤被定位在距離該噴嘴90大約Mmm處，且該截取錐80可以被定位在距離該噴嘴90大約12mm至15mm處。優選地以一種方式來選擇截取錐80的大小和形狀從而將可能使穿過該截取錐80 的流量減少的脫體激波的形成減少到最小。例如，優選的是截取錐80的內徑為1mm、銳邊及全形為70度(內)和90度(外)。該離子阱被定位在靠近該截取錐，例如離它IOmm至 20mm。可以使用用於常規的碰撞冷卻的已知氣體厚度(近似(1…3)SS1019mol/m2)粗略地估計該阱中所要求的氣體流量。在這些情況下，在數毫秒內發生冷卻。可以通過增加氣體密度來實現加速冷卻，這進而通過供給外部氣體管線95的一個氣體容器中壓力增加來實現。不同於常規的離子阱，不需要封閉該阱以產生一個局部高壓相反的是，一種更 「開放的」杆的構造允許將從阱25到質量分析儀50的離子提取期間的碰撞減少到最小。對以上說明的這些實施方案的替代方案和改進是可能的。可以使用該氣體射流分子的低溫來實現所接收的離子的深度冷卻。如果這些離子以與射流近似相同的速度移動， 同時由RF場所限制，實現了這一點。在圖2中展示了這個原理的一種實現方式，其中示出了根據本發明的一種質譜儀的一個第二實施方案。其中如圖1中那樣示出了相同的特徵，使用了完全相同的參考號。以一種賽道的形狀形成了一個離子阱100，該離子阱包括一個第一區段110、第二區段120、第三區段130以及第四區段140。
將離子源10中產生的離子引向該離子阱100。將施加到該離子阱100的區段120 上的電位關閉，例如，持續數十毫秒，以允許離子到達。注入的離子沿離子阱100的圓周進行移動。氣體射流70是穿過噴嘴90和截取錐80而產生的並且由此被導向區段110。被俘獲在離子阱100中的這些離子周期性地穿過該氣體射流70並且在速度和溫度兩者上變得與氣體分子越來越平衡。應當認識到的是引導該束穿過如在此提及的俘獲區域是指引導該束穿過該俘獲區域的至少一部分。例如，在圖2中，該氣體射流被引導穿過該俘獲區域的該部分，該部分是區段110。在多個環行之後，離子達到平衡並且準備就緒用於提取。然後，將離子阱100的區段140關閉以允許離子進入脈衝發生器150中。從這裡將離子注入質量分析儀50中。因為不同m/z的離子具有基本上相似的速度，在從離子阱100傳送到脈衝發生器150的期間質量區別被減少到最小。為了增加工作周期，可以採用一種替代的安排，該安排也示於圖2中。一旦離子已經到達區段130內通過將一個反射電位施加到區段140和120上，並且然後逐漸地降低上述區段130上的電壓以提供將離子絕熱地俘獲在區段130內，可以將離子留在區段130內它們的賽道移動中。因為區段130內的壓力是非常低的，內部離子溫度保持未被擾動。在這個擠壓過程的末端，通過從區段120移除該反射電位而將離子釋放到可替代的脈衝發生器151中。然後，將這些離子射出到替代的質量分析儀51中。然而，在這種安排中存在著由該擠壓導致的一種能量傳播的增加。參見圖3，示出了根據本發明的一個第三實施方案。其中如圖1和圖2中那樣示出了相同的特徵，使用了完全相同的參考號。提供了一個離子阱200，該離子阱具有C-阱形式，像例如WO 2008/081334中所說明的，該離子阱200是由多個延長的電極230定義的，這些延長的電極的至少一些是沿它們的長軸彎曲的。這些延長的電極230定義了該俘獲區域的一個長軸235，因此該長軸是略微彎曲的。在與該俘獲區域的長軸235正交的方向上在該 C-阱200附近提供了一個質量分析儀50。該C-阱200 (類似於圖1的離子阱25)對其周圍是開放的，這對於正常地在比其周圍環境高的壓力下運行的離子阱不是典型的，該高壓力是通過一個外殼以及一個碰撞氣體的供應來維持的。相反，該C-阱200是在阱中低內部壓力典型地為約Ix 10_4毫巴或更小下運行的，這個壓力比離子阱中正常發現的壓力要小。 該阱的直接環境的壓力典型地是大約Ix 10_5至Ix 10_6毫巴。將離子基本上沿長軸235從一個離子源10通過一個八極引導件觀0以及一個第一狹縫220引入離子阱200中。將一個RF電位施加到該離子阱200的這些電極230上，這樣使得這些離子沿該離子阱的長軸235進行引導。這些離子是通過施加到該第一狹縫220 以及一個第二狹縫240上的電壓來軸向地進行限制的。一個碰撞池290與該C-阱200的連通是在比阱200高的壓力下運行。在其外殼內碰撞池四0內的壓力是在Ix 10_2毫巴至Ix 10_3毫巴的範圍內。在這個實例中該碰撞池290與該C-阱200之間的壓力差別是大約100倍的。來自碰撞池四0的氣體穿過該碰撞池中的一個開口(未示出)並且穿過狹縫240進入該C-阱200。碰撞池290的形狀及配置(例如，該碰撞池的外殼的形狀以及該碰撞池內的杆或成疊的板的安排)幫助形成了該氣體的一個束270，該氣體束基本上沿長軸235以低發散性進行行進，儘管比膨脹的氣體射流更發散。因此，該俘獲區域的長軸235的略微彎曲的特性被氣體束270的略微發散所抵消。通過與這些離子進行相互作用，氣體束270將被俘獲在C-阱200內的這些離子冷卻。 一旦冷卻，可以將這些離子正交地沿射出軸沈0，射出進入質量分析儀50中用於分析。質量分析儀50是一種Orbitrap 。可以看到的是離子注入的方向、俘獲區域的長軸以及氣體束基本上是共線的 (即，在一個容許的小角度內)並且從C-阱的射出是與長軸成一個角度的。來自束270的氣體負載被驅散穿過離子進入狹縫220並且然後穿過C-阱200的頂部和底部。在一種替代的或額外的運行模式中，離子進入C-阱200 (可任選地在C-阱內的中間存儲)中、沿長軸235從該C-阱射出到碰撞池四0中、在該碰撞池四0中被碎裂和/或反應、並且然後與氣體束270 —起從該碰撞池290被注射返回到C-阱200中。雖然已經說明了多個具體的實施方案，普通技術人員可以考慮不同的變更和替換。可以提供一個控制器來控制該離子阱，例如，該阱的這些杆上的電位以及該泵送安排。 例如，儘管考慮了帶有多個直杆30的四極離子阱25，可替代地這些杆可以是彎曲的並且同樣地該縱軸可以是彎曲的。同樣，儘管以上使用了多個四極杆，可替代地這些四極杆可以是六極的、八極的或任何其他擴展的杆或板配置，這是普通技術人員應該知道的。類似地，儘管質量分析儀50是一種Orbitrap ，普通技術人員應當理解的是類似類型的質量分析儀， 如俘獲式質量分析儀、或飛行時間類型的質量分析儀。一個飛行時間類型的質量分析儀可以包括多反射分析儀以及多個額外的或可替代的多向轉動分析儀。所推薦的解決方案對於這些類型的分析儀而言是特別有益處，因為它們對殘餘氣體壓力是特別敏感的。對於更高質量的離子而言，這尤其是這樣的。而且，當離子的初始能量傳播減小時，這些分析儀的解析度增加。如果噴射膨脹起作用而沒有產生激波，可以將這些氣體分子冷卻到IOK與30K之間，具有低的傳播速度。在俘獲這些離子期間，這種冷卻將會影響這些離子並且使它們的動能和內能顯著降低(尤其是在低離子數下並且因此可忽略空間電荷的作用)。這進而將會改善前述分析儀的分析參數，如解析度、質量準確度、透射，等等。對於大分子離子(如蛋白質或DNA)而言，在質量分析儀中在飛行期間內能的降低提供了降低亞穩的衰變的額外的優點。普通技術人員應當理解的是存在許多不同的方法來獲得一個氣體射流70。儘管在此說明了一個外部氣體管線95，然而這可以簡單地是大氣。可替代地截取錐80可以作為狹縫40來起作用。以上已經在產生一個氣體射流中說明了一種渦輪分子泵，但是普通技術人員應當認識的是可以可替代地使用一個旋轉泵。在該第一實施方案的一種優選實現方式中，離子阱25可以與一個更常規的充滿氣體的離子阱相結合，該充滿氣體的離子阱定位在該離子源10與該離子阱25之間。這可以用於預冷卻離子(即，移除初始動能的大部分)。為此，在通過離子阱25之後將這個額外的阱用作用於該氣體射流的一個庫並且然後將泵送的傳導性限制到< lL/s是足夠的。當然，還可以從一條專用的氣體管線或先前的泵送區域85來遞送氣體。儘管上面已經說明了一種靜態氣體射流，其他形式的氣體射流是可能的。在另一個實施方案中，一個氣體射流由一個脈衝閥所調製，該脈衝閥被定位在噴嘴90附近以產生飛行穿過該俘獲區域的一系列的氣柱。這允許，例如，通過如上述的這些氣柱來冷卻離子，但是對於有待在多個柱之間在間隔時間期間提取的離子而言，因此進一步減少了在提取過程期間離子與氣體之間的任何相互作用。可以將另一個閥門定位在該提取路徑上並且僅在離子提取和向分析儀運送的時間期間開放，因此減小或避免了一起使用差壓泵。該脈衝閥可以是壓電的或電磁的並且以脈衝方式或諧波振蕩方式來運行。該閥門的切換時間或振蕩的周期可以優選地在數百毫秒至數千毫秒的範圍內。 如果噴射膨脹被保持穩定並且優選地伴隨氣體分子和離子的溫度降低，這些離子將承受沿膨脹方向的一個恆定力。這個力與它們的氣體動態截面和電荷狀態(即，離子遷移率)成比例。如果通過向狹縫20施加一個電壓以產生一個反作用的電的力來產生一個電位梯度，具有特定離子遷移率的離子將在這個電位斜率上的一個點處平衡，其中這兩個力彼此補償，即可以實現空間中離子遷移率分離。如果狹縫20上的電壓被改變或被掃描， 可以實現離子的遷移率依賴的提取(掃描)。這可以被用作用於離子分離的一種額外的尺寸的基礎，無論是否使用一個質譜儀用於檢測。例如，這種分離可以被用於從多電荷離子中分離單一電荷的離子。
權利要求
1.一種改變離子的動能的方法，該方法包括將離子俘獲在一個離子阱的一個俘獲區域中；並且引導一個氣體束穿過該俘獲區域，從而由此改變這些被俘獲離子的動能，而沒有大量地解離這些被俘獲離子。
2.如權利要求1所述的方法，其中該氣體束基本上沿一個單一的方向傳播。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中該俘獲區域定義了一個第一軸線並且沿所述第一軸線引導該氣體束，該方法進一步包括沿一個第二軸線從該離子阱射出被俘獲離子，該第二軸線與該第一軸線不同。
4.如權利要求3所述的方法，其中該第二軸線與該第一軸線是正交的。
5.如權利要求3或4所述的方法，其中該阱沿該第一軸線伸長，該第一軸線被安排為與該氣體束穿過該俘獲區域的方向基本上是共線的。
6.如權利要求4或5所述的方法，包括基本上沿該第一軸線將離子注入該阱中。
7.如以上任何一項權利要求所述的方法，其中該引導一種氣體的步驟包括形成一個氣體射流。
8.如以上任何一項權利要求所述的方法，該方法是一種存儲並冷卻這些離子的方法。
9.如以上任何一項利要求所述的方法，進一步包括 在一個氣體入口處接收該氣體；並且其中該離子阱內的壓力顯著地小於來自該離子阱的氣體入口的另一側上的壓力。
10.如權利要求9所述的方法，其中該離子阱包括沿該第一軸線安排的一個差壓泵送狹縫，該方法進一步包括在該差壓泵送狹縫的一側上產生一個第一壓力區域，該狹縫更接近於該氣體入口 ；並且在該差壓泵送狹縫的另一側上產生一個第二壓力區域，該第二壓力低於該第一壓力。
11.如權利要求10所述的方法，其中該差壓泵送狹縫是使用一個截取錐來形成的。
12.如權利要求10所述的方法，其中該截取錐被定位在該氣體入口與以下位置之間， 該位置被識別用於流經該氣體入口的氣體的馬赫盤。
13.如以上任何一項權利要求所述的方法，其中不在該束上的該離子阱中的壓力本身可能太低以致不能將離子存儲在該阱中。
14.如以上任何一項權利要求所述的方法，其中不在該束上的該離子阱中的的壓力是大約Ix 10-4毫巴或更小。
15.如以上任何一項權利要求所述的方法，其中穿過該俘獲區域施加一個電位梯度，從而引起這些離子基於它們的遷移率而分離。
16.如以上任何一項利要求所述的方法，進一步包括使這些離子在被俘獲之前穿過一個入口狹縫進入該離子阱；並且將一個電位施加到該入口狹縫上從而引起這些離子基於它們的遷移率而分離。
17.如以上任何一項權利要求所述的方法，其中俘獲所接收的離子的步驟使用了一組四極杆。
18.如權利要求3至16中任何一項所述的方法，其中該俘獲區域包括一個環行路徑，該環行路徑包括該第一軸線。
19.如以上任何一項權利要求所述的方法，進一步包括對該氣體束的密度進行調整。
20.一種用於改變離子的動能的離子阱，該離子阱包括一種電極安排；一種泵送安排；以及一個控制器，該控制器被安排為控制該電極安排以將所接收的離子俘獲在一個俘獲區域內、並且被安排為控制該泵送安排以使一個氣體束被引導穿過該俘獲區域，從而由此改變這些被俘獲離子的動能，而沒有大量地解離這些被俘獲的離子。
21.如權利要求20所述的離子阱，進一步包括一個入口狹縫，該入口狹縫被安排為接收離子。
22.如權利要求20或權利要求21所述的離子阱，其中該俘獲區域包括一個第一軸線， 並且其中該控制器被進一步配置為控制該電極安排以沿一個第二軸線從該離子阱射出被俘獲的離子，該第二軸線與該第一軸線不同。
23.如權利要求22所述的離子阱，其中該第二軸線與該第一軸線是正交的。
24.如權利要求20至23中任何一項所述的離子阱，其中該控制器被進一步安排為控制該泵送安排從而形成一個氣體射流。
25.如權利要求20至M中任何一項所述的離子阱，其中該控制器被進一步安排為控制該泵送安排，這樣使得該離子阱內的壓力顯著地小於該氣體入口外側的壓力。
26.如權利要求25所述的離子阱，進一步包括沿該第一軸線安排的一個差壓泵送狹縫；並且其中該控制器被進一步安排為控制該泵送安排從而在更靠近該氣體入口的該差壓泵送狹縫的一側上產生一個第一壓力區域、並且從而在該差壓泵送狹縫的另一側上產生一個第二壓力區域，該第二壓力低於該第一壓力。
27.如權利要求沈所述的離子阱，其中該差壓泵送狹縫是使用一個截取錐來形成的。
28.如權利要求27所述的離子阱，其中該截取錐被定位在該氣體入口與以下位置之間，該位置被識別用於流動穿過該氣體入口的氣體的馬赫盤。
29.如權利要求20至觀中任何一項所述的離子阱，其中該控制器被進一步安排為控制該泵送安排，這樣使得不在該束上的該離子阱內的壓力是這樣從而使得其本身可能太低以致於不能將離子存儲在該阱內。
30.如權利要求20至四中任何一項所述的離子阱，其中該控制器被進一步安排為控制該泵送安排，這樣使得不在該束上的該離子阱內的壓力是大約Ix 10-4毫巴或更小。
31.當權利要求觀從屬於權利要求21時，如權利要求觀所述的離子阱，其中該入口狹縫被安排為接收一個電位，從而引起這些離子的離子遷移率分離。
32.如權利要求20至31中任何一項所述的離子阱，其中該電極安排包括一組四極杆。
33.如權利要求20至31中任何一項所述的離子阱，其中該電極安排被配置在包括該第一軸線的一個環行路徑中，並且其中該控制器被進一步安排為控制該電極安排，這樣使得該俘獲區域包括該環行路徑。
34.一種用於改變離子的動能的離子阱，該離子阱包括用於將所接收的離子俘獲在該離子阱的一個俘獲區域中的裝置；以及用於引導一個氣體束穿過該俘獲區域的裝置，從而由此改變這些被俘獲離子的動能，而沒有大量地解離這些被俘獲離子。
35.一種質譜儀，包括如權利要求20至34中任何一項所述的離子阱；以及一個質量分析儀，該質量分析儀被安排為從該離子阱接收冷卻的離子。
36.根據權利要求35所述的質譜儀，其中該質量分析儀包括以下各項之一一個軌道阱類型質量分析儀；一個飛行時間質量分析儀；或包括多向轉動或多反射配置中的至少一種的一個飛行時間質量分析儀。
37.一種分離離子的方法，該方法包括使離子沿一個離子阱的一個俘獲區域的一個第一軸線進入該俘獲區域；沿該第一軸線引導一個氣體束並且在該第一軸線的方向上施加一個電位從而引起這些離子基於它們的離子遷移率而分離。
38.一種離子遷移率分離裝置，該裝置包括一個離子阱，該離子阱具有一個俘獲區域，該俘獲區域包括一個第一軸線；用於引導一個氣體束沿該第一軸線穿過該俘獲區域的裝置；以及用於在該第一軸線的方向上施加一個電場的裝置。
全文摘要
在此提供了一種改變離子的動能的方法，該方法包括將離子俘獲在一個離子阱的一個俘獲區域中；並且引導一個氣體束穿過該俘獲區域，從而由此改變這些被俘獲的離子的動能。在此還提供了一種分離離子的方法，該方法包括使離子沿一個離子阱的俘獲區域的一個第一軸線進入該俘獲區域；沿該第一軸線引導一個氣體束並且在該第一軸線的方向上施加一個電勢從而引起這些離子基於它們的離子遷移率而分離。在此還提供了用於實現這些方法的一種離子阱以及一個質譜儀。
文檔編號H01J49/04GK102224562SQ200980137070
公開日2011年10月19日 申請日期2009年9月11日 優先權日2008年9月23日
發明者亞歷山大·馬卡洛夫, 愛德華德·丹尼索瓦 申請人:塞莫費雪科學(不萊梅)有限公司