高占空比俘获离子迁移谱仪制造技术

本发明专利技术提供了一种俘获离子迁移率分析器和离子迁移率分析器的操作方法。所述俘获离子迁移率分析器包括用于沿轴径向地限定离子的射频场、具有轴向直流电场的区域和沿轴对抗所述区域中直流电场的气流，其中所述区域包括轴向直流电场增加的上升沿或轴向直流电场减小的下降沿，其中电场强度沿轴的斜率在边沿的主要部分上并不恒定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于获取按其迁移率分离的离子的质谱的装置和方法。
技术介绍
质谱仪只能确定离子质量m和离子电荷数z的比率。为方便起见，下文所用术语“离子的质量”或“离子质量”都是指离子的质量m除以元电荷的无量纲数z。“离子种类”应表示具有相同元素组成、相同电荷和相同三维结构的离子。离子种类通常包括同位素基团的所有离子，同位素基团由质量略有不同但迁移率几乎相同的离子组成。“异构体”是指具有相同元素组成但分子内的元素或元素基团的空间排列不同的分子。尤其对于生物有机分子而言，关于不同种类的异构体的知识越来越重要：与初级结构有关的异构体(结构异构体)，尤其是与次级结构或三级结构有关的异构体(构象异构体)。所有异构体都具有不同的几何形状，但质量完全相同。因此，无法根据其质量区分异构体。从碎片离子质谱中可获得有关结构的一些信息；但是，有效而确定地识别、区分和选择此类异构体的方法是根据不同迁移率分离其离子。可通过离子在电场影响下在气体中的漂移速度来测量离子的迁移率。漂移区填充有诸如静态的氦、氮或氩的惰性气体，通过(多数情况下均匀的)电场使得待研究物质的离子穿过静态气体，或利用气体吹动离子来对抗在空间上增加的电场(“电场势垒”)，在其中离子根据其迁移率沿上升电场达到平衡位置。在静态气体中和恒定电场强度E下，离子在气体中的漂移速度vd与电场强度E成比例：vd＝K×E。比例因子K被称为离子种类的“离子迁移率系数”(或简称为“离子迁移率”)。具体地，离子迁移率K是离子碰撞截面的函数，
但会受到气体温度、气体压力、气体速度、气体类型和离子电荷的影响。许多学术研究团队已经将使用长漂移管的离子迁移谱仪与质谱仪结合。对于迁移率漂移区，普遍应用几百帕斯卡的压力范围。为获得较高的迁移率分辨率，需要几米长的漂移区，并施加每米2000伏及更高的电场强度。通常通过门控装置以短离子脉冲的形式将离子引入漂移区，从而产生在空间上较小的离子云，利用电场使得离子云穿过漂移区。在漂移区的气体中，这些离子云会扩散。所有方向(径向和轴向)上的扩散行为都相同，因而限制了迁移率分辨率Rmob＝K/ΔK＝vd/Δvd，其中ΔK是在半高处迁移率K的离子信号的宽度，Δvd是速度上的相应差值。高于Rmob＝60的迁移率值可认为是“高分辨率迁移率”。最好情况下，在长漂移管仪器中可获得高达Rmob＝200的迁移率分辨率。特别地，正交发射离子的高分辨率飞行时间质谱仪(OTOF-MS)已证明可成功将迁移谱仪和质谱仪结合在一起。对于此类结合，当前类型的高分辨率离子迁移谱仪的缺点是长达几米。这种解决方案并不利于市售仪器。即使仅提供中等分辨率的具有直漂移区的离子迁移谱仪也有大约一米长。为构造小型高分辨率迁移率分析器，必须寻找可缩短整体长度但不会降低迁移率分辨率的解决方案。在文献US 7,838,826 B1(M.A.Park，2008年)中，介绍了一种离子迁移谱仪，其长度总计仅为5厘米。该装置在正交飞行时间质谱仪中布置经过修改的离子漏斗，在离子漏斗出口上的特殊离子通道中，移动的气体推动离子以对抗反作用电场势垒的方式移动。与其他建立小型离子迁移谱仪的试验不同，M.A.Park专利技术的小型装置已经能够实现高达Rmob＝250的离子迁移率分辨率。在图1和图2中示意性示出了M.A.Park的装置及其工作原理。在图1底部介绍了所述装置的基本设计，该装置配备有入口漏斗(10)和出口漏斗(12)，每个漏斗均具有位于电极之间的开口，以便放出气体。在两个漏斗(10、12)之间，由薄电极形成封闭的管状四极通道(11)并沿z轴布置。通过绝缘材料来使电极彼此分离，该绝缘材料封
闭电极之间的缝隙以形成圆管。在图1顶部，示出了漏斗(10)的电极(15、16)和四极通道(11)的电极(17、18)。它们被分割成扇形体，从而在内部产生四极射频电场。利用在指定时间管道内部四极射频(RF)场的等势线来表示管状通道(11)的电极。围绕着离子迁移谱仪的质谱仪的差动泵系统的尺寸设定为使得气体以层流方式流经管状通道(11)，进而产生近似的抛物线速度分布(14)。进入第一漏斗(10)的离子由气体携带，在赝势的作用下碰撞聚集到管状通道(11)的轴上。它们在气体驱动下沿着管状通道(11)的轴向其出口移动，经过带孔隔膜(13)。大多数气体通过第二个漏斗(12)的各电极之间的缝隙排出。在管状通道(11)内，直流(DC)电场势垒阻止离子并根据离子的迁移率在空间上分离离子。通常通过带孔隔膜操作离子漏斗，其开口逐渐减小至更小的直径，从而形成漏斗形状的内容积。将RF电压的两个相位交替施加于隔膜以建立赝势，从而保持离子远离漏斗壁。隔膜上的DC电势梯度驱动离子进入并通过漏斗的窄端。通过被分为四个部分的电极在此处建立第一(入口)离子漏斗(10)，从而可产生更复杂的RF场。图2描述了本装置的工作原理。来自电喷雾离子源(未显示)的离子由气体(7)携带，通过毛细管(8)被引入真空系统的第一个腔室。施加于推斥板(9)的推斥DC电势驱动离子(6)进入迁移谱仪的入口漏斗(10)。入口漏斗(10)引导离子进入管状通道(11)，在其中由气流(14)驱动离子对抗DC电场势垒。在图2的底部，示出了DC电场势垒分布的三个阶段。在z轴位置(20)和(23)之间，通过以二次方增加的电势而产生的轴向电场线性增加。在z轴的位置(23)和位置(24)之间，电场基本保持恒定，从而形成DC电场势垒的平台，其通过线性增加的电势而产生。在简单装置中，可通过单个电压来产生电场分布，所述单个电压施加于位置(24)处的隔膜电极并由精密电阻沿管状通道(11)的隔膜电极划分。位于位置(20)和位置(23)之间的电阻线性增加，(23)和(24)之间的各个电阻具有相等的电阻率。操作从“离子积聚阶段”(A)开始。通过大约300伏的电压，生
成最陡峭的电场分布，从而产生最高的DC电场势垒。用箭头(16)表示的气流驱动离子对抗DC电场势垒，并使离子在此停止，因为离子无法越过DC电场势垒。离子积聚在位置(20)和位置(23)之间的DC电场势垒的上升沿，其中低迁移率的离子(主要是碰撞截面较大的重离子)聚集在靠近上升沿上端的高电场中，反之，高迁移率的离子集中在靠近上升沿底部的低电场中，如同象征离子的圆点的大小所表示的那样。在第二阶段(B)“俘获阶段”中，通过在推斥板(9)上的吸合电压停止供应离子，离子最终到达DC电场势垒上升沿上的平衡位置。俘获阶段的时间非常短；离子在约一毫秒的时间内到达其平衡位置。在第三阶段(C)“扫描阶段”中，逐渐降低DC电场势垒的电源电压，迁移率增加的离子能够逃脱进入离子检测器，特别是作为离子检测器工作的质谱仪。所测量的总离子电流曲线直接显示了从低离子迁移率到高离子迁移率的离子迁移谱。该装置被命名为“TIMS”，即“俘获离子迁移谱仪”。关于理论基础信息，请参见研究论文“Fundamentals ofTrapped Ion Mobility Spectrometry”(K.Michelmann,J.A.Silveira，M.E.Ridgeway和M.A.Park，J.Am.Soc.MassSpectrom.，2015年1月，第26卷，第1期，第14本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子迁移率分析器，包括用于沿轴径向地限定离子的射频场、具有轴向直流电场的区域和沿轴对抗所述区域中的直流电场的气流，其中，所述区域包括轴向直流电场增加的上升沿，或轴向直流电场减小的下降沿，所述离子迁移率分析器特征在于电场强度沿轴的斜率在所述上升沿或下降沿的主要部分中不恒定。

【技术特征摘要】
2015.02.05 US 14/614,4631.一种离子迁移率分析器，包括用于沿轴径向地限定离子的射频场、具有轴向直流电场的区域和沿轴对抗所述区域中的直流电场的气流，其中，所述区域包括轴向直流电场增加的上升沿，或轴向直流电场减小的下降沿，所述离子迁移率分析器特征在于电场强度沿轴的斜率在所述上升沿或下降沿的主要部分中不恒定。2.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其中，所述区域包括上升沿和具有实质上恒定的轴向直流电场的下游平台，从而形成直流电场势垒，离子被引入所述离子迁移率分析器后，气流驱动离子对抗所述直流电场势垒。3.根据权利要求2所述的离子迁移率分析器，其中，所述上升沿在所述平台附近的斜率低于所述上升沿的其他部分的斜率。4.根据权利要求3所述的离子迁移率分析器，其中，所述斜率沿所述上升沿向所述平台单调减小。5.根据权利要求4所述的离子迁移率分析器，其中，沿轴的电场强度在所述电场势垒的上升沿与(z-zo)p成比例地增加，其中z是沿轴的坐标，zo是偏移量，指数p小于1。6.根据权利要求5所述的离子迁移率分析器，其中，指数p的值在0.3≤p≤0.9的范围内。7.根据权利要求6所述的离子迁移率分析器，其中，指数p的值为p＝2/3或p＝1/2。8.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其中，所述区域
\t包括下降沿和具有实质上恒定的轴向直流电场的下游平台，并且其中气流吹动离子对抗所述下降沿，从而阻碍离子通过所述下降沿。9.根据权利要求8所述的离子迁移率分析器，其中，所述斜率沿所述下降沿向所述平台单调增加。10.根据权利要求1所述的离子迁移率分析器，其中，所述离子迁移率分析器包括电极，各电极在所述区域中沿轴排列并被提供直流电势，从而使得在所述上升沿或下降沿上的电场强度呈现分段线性，其中所述电场强度的斜率在所述上升沿或下降沿的至少两个分段部分中不同。11.根据权利要求10所述的离子迁移率分析器，其中，根据有效的径向限定的电势来调整各个分段部分的斜率，所述径向限定的电势作用于各部分中俘获的离子种类的离子。12.根据权利要求11所述的离子迁移率分...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅尔文·安德鲁·帕克，奥利弗·拉瑟，
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