本发明专利技术涉及带特殊反射器的高解析度飞行时间(TOF)质谱仪的实施例。本发明专利技术提供基于Cassini离子阱的、具有理想能量和立体角聚焦的反射器，并提出了TOF质谱仪飞行路径的一部分采用Cassini反射器的形式。特别有利的是，让离子以相对较低的能量飞过TOF质谱仪的这个Cassini反射器，其动能低于1或2千电子伏。这样，除了其他飞行路径的飞行时间外，还能产生较长的质量分散通过时间，而不需要增加相同质量离子的能散、角展度或临时分布宽度。还可以串联放置若干Cassini反射器，以便延长质量分散飞行时间。介绍了几个具有Cassini反射器的轴向以及正交注入离子的TOF质谱仪。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带Cassini反射器的飞行时间质谱仪
本专利技术涉及带特殊形状反射器的飞行时间质谱仪。
技术介绍
在现有技术中，主要有两种高解析度反射器飞行时间质谱仪，按离子注入方式相应区分。轴向注入飞行时间质谱仪包括采用基质辅助激光解吸来电离的MALDI飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS)，但是也包括从诸如RF四极杆离子阱等存储设备中将存储的离子轴向注入飞行路径的飞行时间质谱仪。它们通常有Mamyrin反射器(B.A.Mamyrin等人，“Themass-reflectron,anewnonmagnetictime-of-flightmassspectrometerwithhighresolution”(“质量反射器，一种新型非磁性高解析度飞行时间质谱仪”)，Sov.Phys.-JETP,1973:37(1)，45-48)，用来临时聚焦具有能散的离子。Mamyrin反射器能够进行二阶临时聚焦，但不能进行更高阶的聚焦。由于使用点离子源，所以反射器可以无栅，以此改进采用栅条的Mamyrin反射器。MALDI-TOFMS采用离子延迟加速(在绝热膨胀的激光等离子体内)，加速电压高达30千伏；在良好实施例中，飞行路径总长度约为2.5米时，质量解析度R可达50000(质量范围约为1000至3000道尔顿)。对于主离子束在与离子原始飞行方向垂直的方向上经过脉冲加速的飞行时间质谱仪，术语称作OTOF-MS(正交飞行时间质谱仪)。图1示出了此类OTOF-MS的简化示意图。OTOF-MS的质量分析仪在飞行路径(13)开端有一个所谓的离子脉冲发生器(12)，这个离子脉冲发生器使一段低能主离子束(11)(即串状离子包)在与射束先前方向垂直的方向上加速进入飞行路径(13)。正常加速电压(只有一小部分在脉冲发生器转换)相当于8至20千伏。这就形成了带状次离子束(14)，该离子束由各个横向串状离子包组成，每个离子包由具有相同质量的离子组成。含有轻离子的串状离子包飞行较快，而含有重离子的则飞行较慢。此带状次离子束(14)的飞行方向介于主离子束的先前方向和与此方向垂直的加速方向之间，这是因为离子保持其在主离子束(11)原始方向上的速度。这种飞行时间质谱仪最好也采用Mamyrin聚能反射器(15)，它将含有串状离子包的带状次离子束(14)全宽反射，聚集能散并将其引向平板检测器(16)。离子束的宽度意味着反射器必须采用栅条。在此类OTOF质谱仪中，质量解析度R可达40000左右(质量为1000道尔顿时)。这两个示例表明，在当今技术中，具有高质量解析度的飞行时间质谱仪大多具有Mamyrin反射器。Mamyrin反射器能够进行二阶聚能，但不能进行更高阶的聚焦。如果与平均能量相比，离子的能散相对较大，则会发生不利的聚焦错误。由于产生离子时，或脉冲加速离子时，离子的动能总是轻微扩散，因此飞行时间质谱仪必须对离子施加较高的加速电压，例如介于5到30千伏之间，这样才能确保相对能散相对于平均能量来说尽可能小。由于离子具有较高能量，因此必须选择非常长的飞行路径，这样才能让不同质量的离子实现良好的临时弥散。由于目前最快的离子检测器的测量速率可达到每秒测量50亿次，因此，待解析的两种离子质量之间需要几纳秒的间隔，因而高质量解析度所需的飞行路径必须有几米长(通常长于十米)。如果使用多个反射器来确保仪器紧凑和延长飞行路径，那么反射器的残差将累加。如果使用较低的加速电压来实现较短的飞行路径，就会有较高相对能散，这些能散无法在更高阶聚焦，从而无法实现高解析度。已知反射器中以二次方增加的电位会导致理想反射并在所需高阶聚能(T.J.Cornish等人，“Acurvedfieldreflectiontime-of-flightmassspectrometerforthesimultaneousfocusingofmetastableproductions”(“同时聚焦亚稳产物离子的曲面场反射飞行时间质谱仪”)，RapidCommun.MassSpectrom.，1994：8(9)，781-785)。如果此类场通过从一个孔到另一个孔以二次方增加的电压在简单的光阑堆叠中产生，那么结果就是在两个横向方向上都产生散焦效应。如果降低离子的动能以实现较长的弥散飞行时间，则横向散焦效应将增加。A.A.Makarov在J.Phys.D；Appl.Phys.24，533(1991)的公开中介绍了至少能“准理想”聚能的其他电场。Kingdon离子阱一般是静电离子阱，其中，离子可以绕一个或多个内部电极运转或在几个内部电极之间振荡。将一个封闭的外部腔室放在直流电位处，带有预定总能量(动能和势能的总和)的离子无法到达这一腔室。在可用作质谱仪的特殊Kingdon离子阱中，腔室电极的内表面和内部电极的外表面可以这样设计：首先，离子在Kingdon离子阱中的纵向运动与它们的横向运动完全分离，其次，在纵向上产生对称的抛物线势能分布，其中离子将在纵向上谐振。下文提到“Kingdon离子阱”时，其始终是指这些特殊设计。在DE102007024858A1(C.和DE102011008713A1(C.的公开中，Cassini离子阱被描述为若干内部电极的布置方式不同的特殊类型的Kingdon离子阱。这里，内部电极和外部腔室电极(以及可能分成几段的腔室电极)的设计方式为：纵向运动与横向运动完全分离，在纵向上产生抛物线势阱以发生谐振。此类Cassini离子阱的势分布φ(x,y,z)可以是，例如，下列形式的超对数场：场的形状可以通过常数a、b和B改变。Uln、Uquad和Uoff是电势电压。外部腔室的内表面和内部电极的外表面是等势面φ(x,y,z)＝这一势分布的常数。在横截面中，等势线形成与此处内部电极有关的近似Cassini椭圆；两个内部电极产生二阶Cassini椭圆，而n个内部电极产生n阶Cassini椭圆。对于偶数个内部电极，有离子在至少一对内部电极之间的中心面附近横向振荡的实施例。任何纵向振荡周期与横向振荡周期的比率都可借助形状参数进行设置。鉴于上述观点，需要提供具有高质量解析度的紧凑型飞行时间质谱仪，尤其需要为飞行时间质谱仪提供反射器，该反射器的能量和立体角聚焦应尽可能理想。
技术实现思路
本专利技术提供具有离子源、飞行路径和离子检测器的飞行时间质谱仪，其中，飞行时间质谱仪的飞行路径的至少一部分具有Cassini离子阱的势分布，该离子阱具有若干内部电极，优选偶数个电极，Cassini离子阱的形状使得离子在纵向和横向独立地振荡。优选地，根据本专利技术的飞行时间质谱仪具有至少一个无场的飞行路径部分和至少一个反射器，该反射器具有Cassini离子阱的势分布，该离子阱具有若干内部电极，该离子阱的形状使得离子在纵向和横向产生独立的振荡。例如，所述至少一个反射器拥有对半分开的Cassini离子阱，该离子阱具有腔室、两个内部电极和带电极的端接等势片，其中，等势片的电极沿着Cassini离子阱在等势片位置处的势分布的等势面布置。此处的等势片具有用于注入和抛射离子的孔，反射器的形状以及注入和抛射孔位置被设计为最好能够使得质量相同的离子在反射器中经过奇数个横向半振荡。Cassini反射器的腔室可以构造为带孔光阑堆叠，尤其是形状相同的带孔光阑本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种飞行时间质谱仪，其具有离子源、飞行路径和离子检测器，其中，飞行路径的至少一部分具有Cassini离子阱的势分布，该Cassini离子阱具有若干内部电极，Cassini离子阱的形状使得离子在纵向和横向上独立地振荡。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.10 DE 102013011462.41.一种飞行时间质谱仪，其具有离子源、飞行路径、在飞行路径内具有Cassini离子阱的势分布的单个反射器、和离子检测器，其中，所述单个反射器为一个对半分开的Cassini离子阱，该Cassini离子阱具有腔室、几个内部电极和带电极的端接等势片，该等势片的电极沿着Cassini离子阱在等势片位置处的势分布的等势面布置，从而维持Cassini离子阱内部的电场。2.根据权利要求1的飞行时间质谱仪，其中，等势片具有用于注入离子和抛射离子的孔。3.根据权利要求2的飞行时间质谱仪，其中，反射器的形状以及注入孔和抛射孔的位置被设计为使得质量相同的离子在半个纵向振荡期间在反射器中经过奇数个横向半振荡。4.根据权利要求1至3中任一项的飞行时间质谱仪，其中，反射器的腔室被构造为相同带孔光阑的堆叠，利用电压源产生从光阑到光阑以二次方增加的电势。5.根据权利要求1至3中任一项的飞行时间质谱仪，其中，存在至少一个光阑系统用于加速或减速离子，使离子在通过反射器时，其动能少于2千电子伏。6.根据权利要求1至3中任一项的飞行时间质谱仪，其中，飞行时间质谱仪包括用于正交注入细离子束的脉冲发生器。7.根据权利要求1至3中任一项的飞行时间质谱仪，其中，...
【专利技术属性】
技术研发人员：克劳斯·克斯特，
申请(专利权)人：布鲁克道尔顿有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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