具有高吞吐量的多反射質(zhì)譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于綜合性的全質(zhì)量MS-MS分析的質(zhì)譜分析、多反射質(zhì)譜儀、離子阱和串聯(lián)質(zhì)譜儀的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]利用頻繁脈動(dòng)的MR-TOF
[0003]通過引用包含在此的US5017780公開一種具有折疊離子路徑的多反射飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(MR-TOF) ο利用一組周期透鏡改善離子約束。MR-TOR達(dá)到在100000范圍內(nèi)的分辨能力。當(dāng)與正交加速器(OA)組合時(shí)，MR-TOF具有通常低于1%的低占用比。當(dāng)與阱轉(zhuǎn)換器組合時(shí)，離子包的空間電荷按每次沖擊，每個(gè)離子包的離子數(shù)高于1E+3個(gè)離子地影響MR-TOF分辨率?？紤]到MR-TOF中的Ims的飛行時(shí)間，這對(duì)應(yīng)于通常每秒每個(gè)波峰低于1E+6的最大信號(hào)。
[0004]為了改善占用比和空間電荷吞吐量，通過引用包含在此的W02011107836公開一種開放阱靜電分析器，其中離子包不再被約束在漂移方向上，以致任何質(zhì)量種類由在離子反射的數(shù)目上對(duì)應(yīng)于跨距的多個(gè)信號(hào)表示。該方法解決了 MR-TOF分析器中的OA占用比的問題，和空間電荷限制的問題。不過，在高于每秒1E+8個(gè)離子的離子通量下，譜解碼失敗。
[0005]通過引用包含在此的W02011135477公開一種編碼頻繁脈動(dòng)(EFP)的方法，以用更加受控的方式解決相同的問題，和允許任意前期分離的極快分布圖記錄，時(shí)間分辨率下至10 μ S0譜解碼步驟非常適合于在串聯(lián)MS中記錄碎片譜，因?yàn)樽V密度低于0.1%。不過，當(dāng)EFP MR-TOF被用作單個(gè)質(zhì)譜儀時(shí)，歸因于密集填充的化學(xué)背景，譜解碼限制動(dòng)態(tài)范圍低于1Ε+4。
[0006]現(xiàn)代離子源能夠把高達(dá)1Ε+10離子/秒(1.6ηΑ)輸送到質(zhì)譜儀中。如果考慮1Ε+5動(dòng)態(tài)范圍中的信號(hào)，那么在任何解碼之前的譜密度接近30-50 % ο現(xiàn)有的EFP方法變得不適于在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，獲得巨大的離子通量。
[0007]本公開通過(a)利用前期的時(shí)間方面的無損并且粗略的質(zhì)量分離；質(zhì)量分離離子流的氣體衰減；噴射脈沖之間，周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MR-TOF中的最重離子的飛行時(shí)間的正交加速度器的頻繁脈動(dòng)；和利用具有擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍和生命期的檢測器處理高達(dá)1E+10離子/秒的離子通量，改進(jìn)EFP-MR-T0F。無損的第一級(jí)聯(lián)分離器可以是后面是大口徑離子傳送通道的阱陣列，或者后面是在低于10-20ev的低碰撞能量下工作的軟衰減池，主要是表面誘解解離(SID)池的具有大開口粗TOF分離器的阱陣列脈動(dòng)轉(zhuǎn)換器。
[0008]綜合件MS-MS (C-MS-MS)
[0009]為了可靠并且明確地識(shí)別被分析物，串聯(lián)質(zhì)譜儀如下工作:在第一質(zhì)譜儀中選擇母離子，并在諸如碰撞誘導(dǎo)解離(CID)池之類裂解池中被裂解；隨后在第二質(zhì)譜儀中記錄碎片離子質(zhì)譜。常規(guī)的串聯(lián)儀器，比如四極桿-TOF(Q-TOF)濾過較窄的質(zhì)量范圍，同時(shí)拒絕所有其它質(zhì)量范圍。當(dāng)分析復(fù)雜混合物時(shí)，多個(gè)m/z范圍的順序分離使采集減慢，影響靈敏度。為了提高M(jìn)S-MS分析的速度和靈敏度，記載了所謂的“綜合性”、“并行”或“全質(zhì)量”串聯(lián)配置:US6504148 和 TO01/15201 中的 Trap_T0F，TO2004008481 中的 TOF-TOFjP US7507953中的LT-T0F，所有這些專利通過引用包含在此。
[0010]不過，現(xiàn)有的綜合性MS-MS都不能解決與過濾式串聯(lián)配置相比，改進(jìn)串聯(lián)MS的任務(wù)，這挫敗了并行MS-MS的目的。多個(gè)限制不允許使用來自離子源的高達(dá)1E+10離子/秒的整個(gè)離子流來工作。從而，第一 MS中的并行分析的增益被在MSl入口的離子損耗抵消，總的靈敏度和速度(主要受小組分的信號(hào)強(qiáng)度限制)不會(huì)超過常規(guī)的過濾式Q-TOF中的靈敏度和速度。
[0011]提供簡要的評(píng)估，以支持陳述。在Q-TOF中，MSl的占用比為1%，以提供母質(zhì)量選擇的標(biāo)準(zhǔn)分辨率Rl = 100在R2?50000的分辨率下，TOF的占用比約為10-20%。MS-MS分析中的最新趨勢表明這種水平的R2在MS-MS數(shù)據(jù)可靠性方面帶來顯著的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于把TOF周期的下限設(shè)定為300 ys的MS-MS，不應(yīng)考慮較低的R2。從而，供比較的全部指標(biāo)是:在1E+10離子/秒的輸入離子流下，DC = 0.1%, R = 5000。在如US7507953中說明的例證MS-MS中，記錄單個(gè)母離子碎片的碎片質(zhì)譜所需的時(shí)間至少為Ims (每個(gè)母質(zhì)量碎片3個(gè)TOF質(zhì)譜)。為了提供Rl = 100的母質(zhì)量分離，掃描時(shí)間不小于100ms?？紤]到單個(gè)線性咼子講的空間電荷容量N = 3E+5咼子/循環(huán)，總的電荷吞吐量為3E+6咼子/秒?？紤]到1E+10離子/秒的輸入流，US7507953中的LT-TOF的總占用比等于0.03%，低于上面評(píng)估的Q-TOF串聯(lián)配置。由于并行MS-MS的目的和任務(wù)未得到解決，因此US7507953的串聯(lián)配置只是現(xiàn)有已知解決方案的組合:用于擴(kuò)展空間電荷容量的LT，用于使離子流傳送通過阱的RF通道，用于所有質(zhì)量的并行記錄的T0F，和并行操作的阱與TOF的串聯(lián)；同時(shí)提供新的組件-用于收集經(jīng)過線性阱的離子的RF通道。
[0012]本公開提出一種效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過濾串聯(lián)配置之一，比如Q-TOF的綜合性MS-MS分析任務(wù)的解決方案。相同的上面提出的串聯(lián)配置(無損質(zhì)量分離器和EFP MR-T0F)還包含在質(zhì)譜級(jí)聯(lián)之間的裂解池。在阱陣列的情況下，大口徑衰減傳輸通道后面是RF會(huì)聚通道，比如離子漏斗，離子被引入CID池中，CID池例如由電阻式多極桿構(gòu)成，以便實(shí)現(xiàn)快速離子迀移。在粗TOF分離器的情況下，和延遲脈動(dòng)引出一起采用SID池。
[0013]提出的MS-EFP-MRT0F和MS-CID/SID-EFP-MRTOF串聯(lián)配置存在(挫敗所述目的的)相同問題，如果串聯(lián)組件任意之一不能處理分離時(shí)的高于1E+10離子/秒和檢測時(shí)的高于1E+9離子/秒的離子通量的話。顯然，現(xiàn)有的阱質(zhì)譜儀、粗TOF分離器、TOF檢測器和數(shù)據(jù)系統(tǒng)都不能處理1E+9?1E+10離子/秒的離子通量。在本發(fā)明中，只有在引入多個(gè)新組件的情況下，新的儀器才變得實(shí)用。
[0014]并行質(zhì)暈分離器:
[0015]分析的四極桿質(zhì)量分析器(Q-MS)起通過一種m/z種類，同時(shí)除去所有其它種類的質(zhì)量過濾器作用。為了提高占用比，離子阱質(zhì)譜儀(ITMS)循環(huán)工作-所有m/z的離子被注入阱中，隨后按質(zhì)量被順序釋放。借助RF振幅的斜線變化，和在利用特定種類的長期運(yùn)動(dòng)的諧振激發(fā)，促進(jìn)所述特定種類的噴射的輔助AC信號(hào)的支持下，實(shí)現(xiàn)與質(zhì)量相關(guān)的離子噴射。ITMS的缺點(diǎn)是掃描速度低(每次掃描lOO-lOOOms)，空間電荷容量小-在3D阱中，小于3E+3，而在線性離子阱中，小于3E+5?？紤]到每次掃描0.1-1秒，最大吞吐量受到限制，低于3E+6離子/秒。
[0016]Q-Trap質(zhì)譜儀使用借助排斥阱邊緣的質(zhì)量選擇性噴射來工作。為了越過邊緣勢皇噴射離子，在線性四極桿內(nèi)，有選擇地激發(fā)特定m/z離子的徑向長期運(yùn)動(dòng)。歸因于慢掃描(每次掃描0.3-1秒)，Q-Trap的吞吐量低于3E+6離子/秒。MSAE阱在lE_5Tor真空下工作，這使下游的離子收集和衰減變得復(fù)雜。
[0017]本公開提出一種新穎的質(zhì)量分離器，它包括在1-1OOmTor氦氣的升高氣壓下工作的射頻阱的陣列(TA)，以致在約Ims的時(shí)間內(nèi)，收集從大面積(例如，1X 1cm)發(fā)出的離子。在一個(gè)實(shí)施例中，各個(gè)阱是新式質(zhì)量分析器，它包含帶有利用四極DC場的徑向離子噴射的四極射頻(RF)講。在實(shí)施例中，陣列最好被布置在圓柱體中心線上，以致向圓柱體內(nèi)部噴射離子。另一方面，離子發(fā)射面可以是平面，或者部分是柱面或球面。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施例中，TA包含具有諧振和徑向離子噴射的線性離子阱的陣列。最好，所述陣列可被布置在圓柱體中心線上，噴射的離子在大口徑圓柱形氣體衰減池內(nèi)被徑向俘獲和軸向驅(qū)動(dòng)。另一方面，陣列被布置在平面內(nèi)，噴射的離子由大口徑離子漏斗或離子隧道收集。最好，阱陣列充滿10-30mTor氣壓的氦氣。
[0019]在一組實(shí)施例中，為了綜合性的全質(zhì)量MS-MS分析，在所述阱陣列和EFP-MR-TOF之間設(shè)置裂解池，比如CID池。
[0020]具有1cm長的約100個(gè)通道的阱陣列能夠處理1E+8離子/循環(huán)。EFP方法允許10 μ s時(shí)間分辨率的輸入離子流的快速時(shí)間剖析，這又允許把TA循環(huán)時(shí)間下降到10ms，這樣使阱陣列吞吐量達(dá)到1E+10離子/秒。
[0021]電阻式離子導(dǎo)向裝置
[0022]快速離子迀移可被有效地布置在具有疊加的軸向DC梯度的RF離子導(dǎo)向裝置內(nèi)?，F(xiàn)有的電阻式離子導(dǎo)向裝置存在實(shí)際限制，比如電阻薄膜的不穩(wěn)定性或者塊狀鐵氧體內(nèi)的RF抑制。本發(fā)明提出一種改進(jìn)的電阻式離子導(dǎo)向裝置，它采用SiC或B4C材料的填充塊狀碳的電阻器，改善與DC絕緣導(dǎo)電跡線的RF耦接，同時(shí)利用借助次級(jí)RF線圈的中央抽頭進(jìn)行DC供電的標(biāo)準(zhǔn)RF電路。
[0023]TOF 檢測器:
[0024]大多數(shù)現(xiàn)在的飛行時(shí)間檢測器，比如雙微通道板(MCP)和二次電子倍增管(SEM)具有測量I庫侖輸出電荷的生命期?？紤]到1E+6檢測器增益，在1E+10離子通量下，檢測器工作時(shí)間不到1000秒。Daly檢測器早為人們所知，其中離子撞擊金屬轉(zhuǎn)換器，二次電子由靜電場收集到后面是光電倍增管(PMT)的閃爍體上。密封的PMT的生命期可高達(dá)300C。不過，該檢測器引入顯著的時(shí)間擴(kuò)展(數(shù)十納秒)，并且由于二次負(fù)離子的形成，引入偽信號(hào)。
[0025]備選的混合TOF檢測器包括順序連接的微通道板(MCP)、閃爍體和PMT。不過，低于1C，MCP和閃爍體都失效。閃爍體因亞微米金屬涂層的破壞而劣化?？紤]到單級(jí)MCP的較低增益(1E+3)，在1E+10離子/秒的通量下，生命期延長到1E+6秒(I個(gè)月)。
[0026]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的限制，本公開提出一種帶有改進(jìn)的閃爍體的同步Daly檢測器。二次電子由磁場轉(zhuǎn)向，然后被引導(dǎo)到閃爍體。閃爍體被金屬網(wǎng)覆蓋，以確保電荷消除。兩個(gè)光電倍增管以不同的立體角，收集二次光子，從而改善檢測器的動(dòng)態(tài)范圍。至少一個(gè)PMT-高增益PMT具有限制電子雪崩電流的常規(guī)電路。估計(jì)新的檢測器的生命期在1E+10離子/秒的通量下高于1E+7秒(I年)，從而使上述串聯(lián)配置實(shí)用。
[0027]數(shù)據(jù)系統(tǒng):
[0028]常規(guī)的TOF MS采用積分ADC，其中在與TOF起動(dòng)脈沖同步的多個(gè)波形內(nèi)求信號(hào)的積分。數(shù)據(jù)流量與每個(gè)質(zhì)譜的波形數(shù)成比例地被減小，以匹配進(jìn)入PC的信號(hào)傳輸總線的速度。這種數(shù)據(jù)系統(tǒng)自然適合TOF MS要求，因?yàn)槿蹼x子信號(hào)需要波形積分來檢測次要種類(species)。
[0029]EFP-MRT0F要求保留串聯(lián)循環(huán)期間的快速變化的波形的時(shí)間過程信息，和長波形(高達(dá)100ms)的記錄。在積分時(shí)間內(nèi)，長波形可被合計(jì)，與色譜分離的時(shí)間相比，所述積分時(shí)間仍然較短。在利用具有I秒波峰的氣相色譜法(GC)的情況下，積分時(shí)間應(yīng)該特別短，比方說0.1-0.3秒。從而，能夠積分有限數(shù)目的波形(3-30)。為了減小經(jīng)總線的數(shù)據(jù)流，最好零濾波信號(hào)。另一方面，零濾波信號(hào)可按所謂的數(shù)據(jù)資料記錄模式被傳送到PC中，其中非零數(shù)據(jù)串連同實(shí)驗(yàn)室時(shí)間戳一起被記錄。信號(hào)最好在傳輸過程中由多核PC或者由多核處理器，比如視頻卡分析和壓縮。
[0030]結(jié)論:
[0031]預(yù)期提出的一組解決方案對(duì)于1E+10離子/秒的離子通量，提供MR-TOF的高R2=100000分辨率和高(?10% )占用比的MS和C-MS-MS，從而，與現(xiàn)有技術(shù)相比，顯著改進(jìn)各種質(zhì)譜設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0032]提出的方法和設(shè)備目的是克服現(xiàn)有質(zhì)譜儀和綜合性串聯(lián)MS的電荷吞吐量限制，同時(shí)有效利用高達(dá)1E+10離子/秒的離子通量，提供時(shí)間分辨率與色譜法時(shí)標(biāo)0.1-1秒相當(dāng)?shù)馁|(zhì)譜分析的高分辨率(R>100000)。提出了新的方法和設(shè)備，以及用于達(dá)到相同目的的多個(gè)改進(jìn)組件。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種高電荷吞吐量質(zhì)譜分析方法，包括以下步驟:(a)在離子源中，生成在寬m/z范圍中的離子；(b)在第一質(zhì)量分離器內(nèi)，利用介于10和100之間的分辨率，根據(jù)尚子m/z在時(shí)間上粗分尚子流；和(C)飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中的尚分辨率(R2>50000)質(zhì)譜分析，所述質(zhì)譜分析是按與所述飛行時(shí)間分離器中的離子飛行時(shí)間相比，小得多的周期觸發(fā)的，以致使由在注入由于第一分離器中的時(shí)間分離m/z窗口較窄的離子時(shí)的各個(gè)起動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)之間的質(zhì)譜交疊降至最小，或者避免所述質(zhì)譜交疊。
[0034]最好，所述方法還包括在質(zhì)量分離級(jí)和質(zhì)量分析級(jí)之間的離子裂解步驟，其中對(duì)于飛行時(shí)間內(nèi)的任意一對(duì)觸發(fā)脈沖之間的唯一時(shí)間間隔，所述飛行時(shí)間分析器的觸發(fā)脈沖被時(shí)間編碼。最好，所述粗質(zhì)量分離步驟可包括多通道離子阱內(nèi)或者前面是多通道阱脈沖轉(zhuǎn)換器的大口徑空間聚焦飛行時(shí)間分離器內(nèi)的時(shí)間分離。最好，所述方法還可包括持續(xù)一部分的時(shí)間，旁路所述第一分離器，和接納來自所述離子源的一部分離子流進(jìn)入所述高分辨率質(zhì)量分析器的步驟，以致分析最豐富的離子種類，而不使所述TOF分析器的空間電荷飽和，或者避免檢測器的飽和。
[0035]在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種更詳細(xì)的高電荷吞吐量質(zhì)譜分析方法，包括以下步驟:(a)對(duì)于色譜分離的被分析物流，在離子源中，生成在寬離子m/z范圍中的多個(gè)離子，并把所述離子流高達(dá)1E+10離子/秒地傳送到中等氣壓下的射頻離子導(dǎo)向裝置；(b)在射頻約束離子緩沖器的多個(gè)通道之間，分流所述離子流；(C)把所述流累積在所述離子緩沖器中，并定期