圆筒型多次反射式飞行时间质谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种通过设置圆筒型分析器提高多次反射式TOF质谱仪(MR-TOF)的分辨率和占空比的方法和装置，该圆筒型分析器具有适当的径向偏转装置，用于限制离子切向发散度的装置，以及提供小于1mm*deg的离子包发散度的脉冲源。还公开了用于五阶聚焦圆筒型离子反射镜的实施例。不同的实施例提供了单个圆筒型MR-TOF中的并行级联MS-MS。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及质谱分析领域，特别是涉及提高多次反射式飞行时间质谱仪的灵敏度和分辨率。
技术介绍
飞行时间质谱仪(TOF MS)广泛应用于分析化学中，以识别和定量分析各种混合物。这种分析的灵敏度和分辨率是实际使用时所特别关心的。为了增加TOF MS的分辨率，US 4,072,862(在此引用作为参考)公开了一种用于改善对于离子能量的飞行时间聚焦的离子反射镜。为了针对连续离子束使用TOF MS，WO9103071(在此引用作为参考)公开了一种正交脉冲加速(OA)方案。由于TOF MS的分辨率与飞行路径成比例，已提议一种多次通过(multi-pass)飞行时间质谱仪(M-TOF MS)，包括多次反射式(MR-TOF)和多转式(multi-turn)(MT-TOF)质谱仪。SU1725289(在此引用作为参考)介绍了一种使用了二维无栅网平面离子反射镜的折叠路径式MR-TOF MS。GB2403063和US5017780(在此引用作为参考)公开了一组周期性透镜，用于将离子包在空间上约束于二维MR-TOF中。WO2007044696(在此引用作为参考)提议了一种用于提高OA效率的双正交注入的方法。然而，OA-MR-TOF的占空比仍然低于1％。在共同待审的申请中，PCT申请号PCT/IB2010/051617(在此引用作为参考)公开了一种圆筒型多次反射式静电分析器，主要是优化开放式静电阱，其中切向的离子束约束并不重要。综上所述，现有技术的多次反射式TOF系统提高了分辨率，但是限制了脉冲转换器的占空比。因此，需要提高MR-TOF的灵敏度和分辨率。
技术实现思路
通过组合以下几个改善步骤，本专利技术人实现了显著(约10倍)地提高由平行离子反射镜构成的MR-TOF的占空比和分辨率：(i)使用分析器的圆筒拓扑结构，其通过将平板型分析器卷成圆筒型成，其显著延伸了所谓漂移方向(Z方向，这里也指切向)的可用长度；(ii)通过使用足够大的圆筒曲率半径和离子反射镜端盖间的距离的比值(至少六分之一)来减少分析器的曲率的影响；(iii)保持离子平均轨迹相对于X方向(反射方向)的足够小的倾角(对于超过100,000的分辨率为4度)；(iv)通过使用至少一个用于径向偏转的环形电极并调节该偏转使离子包在离子反射镜的轴向上延迟，来显著减少分析器的曲率的影响；(v)限制径向(Y方向)上的离子包宽度，并延长切向(Z方向)的离子包，来减小Y方向相关的像差，同时提高脉冲源的占空比且提高分析器的空间电荷容纳；(vi)提供多种措施和方法来减少切向(Z方向)上的离子束发散，同时保持离子包的Z向长度为10-20mm；(vii)通过一组周期性狭缝，或者(优选)通过焦距至少超过离子反射镜端盖间距两倍的弱周期性透镜，来限制分析器中离子包在Z方向的发散度；这些透镜可以由离子反射镜场的较弱的Z向调制或者漂移空间内的一组周期性透镜形成。本专利技术人还认识到，与之前的平板型MR-TOF相反，存在其中分析器像差成为主导的显著漂移。本专利技术提出了对离子反射镜特性的多种改善，特别适合于Y方向较窄的离子包。圆筒型TOF分析器内的漂移长度的显著延长允许在单个分析器内构建一个综合级联的TOF谱仪，其中两个TOF谱仪使用圆筒型MR-TOF的各个部分。为了简化不同的泵浦系统，使用表面诱导解离技术(SID)。附图说明下面通过仅示例的方式并参照附图描述出于示例目的给出的本发明的各种实施例，其中：图1示出平板型多次反射式飞行时间质谱仪；图2示出圆筒型MR-TOF的实施例；图3示出后面跟有离子包转向的倾斜正交加速器的实施例，在所述实施例中，加速器切向对准；图4示出高阶能量聚焦的离子反射镜的实施例；图5示出圆筒型MR-TOF的实施例的机械构造；图6示出级联质谱仪的实施例，该质谱仪基于单个圆筒型MR-TOF中的两个TOF示例级。具体实施方式参考图1，示出平板型多次反射式飞行时间质谱仪11，包括：通过无场空间13和所述无场空间中的一组周期性透镜14隔开的两个平行无栅网离子反射镜12、脉冲离子源15和检测器16。每个反射镜12包括至少四个具有矩形窗的平板电极，其中一个电极(称为反射镜透镜12L)被设置在加速电位，使得允许飞行时间聚焦到相对于能量发散度至少三个量级及相对于离子包的空间发散度、角发散度和能量发散度(包括交叉项)的小偏差至少两个量级。操作上，离子源15产生离子包17，并将其以倾角α(相对于X轴)发射，其中离子角散度为Δα。离子在反射镜12之间经历多次反射，同时在漂移方向(Z方向)缓慢漂移，这样就向着检测器16形成了“之”字形轨迹。尽管有角发散和能量分散，离子包还可以通过一组周期性透镜14沿着平均“之”字形轨迹18被约束。为了设置为小的倾角，将离子脉冲源倾斜放置，然后离子包通过离子源被转向。为了提高脉冲源的占空比，离子包17在Y方向被拉长。如果离子包在Z方向被拉长，将需要很长的漂移尺度和不合理的平板型分析器尺寸，以到达量级为100,000的分辨率。在LECO公司的商用仪器Citius中，平板型MR-TOF的真空室长500mm，宽250mm。折叠飞行路径为16m且Y方向尺寸为6mm的离子包可以实现50,000的分辨率。短的离子包和长的飞行路径将占空比限制在0.5％以下。圆筒型HRT分析器在一个实施例中，为了提高MR-TOF的分辨率和灵敏度，把分析器卷成一个圆筒，将离子包取向为沿着漂移方向。如下面所述提供了其它分析器的改进和配置。参考图2，圆筒型HRT 21的实施例包括：两个被无场空间23隔开的平行且共轴的离子反射镜22，一组周期性透镜或一组周期性狭缝24。如图所示，每个反射镜22可以包括两组共轴的电极22A和22B。在实施例中，每组电极22A和22B包括至少三个具有不同电位的环形电极，它们在反射镜入口处形成加速透镜22L，以使飞行时间聚焦到相对于能量发散度至少三个量级及相对于离子包的空间发散度、角发散度和能量发散度(包括交叉项)的小偏差至少两个量级。另外，在实施例中，电极组22A和22B中的至少一个包括额外的环形电极25，以用于离子径向偏转。在另一个实施例中，径向偏转环形电极26可以置于无场区中，但是位于离子反射镜邻近处。在一个具体实施例中，代替使用周期性透镜或狭缝24，例如，通过在一个反射镜电极22本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多次反射式飞行时间质谱仪，包括：脉冲离子源或脉冲转换器；至少两个平行的静电式离子反射镜，所述离子反射镜之间具有无场区，其中每个所述离子反射镜具有至少一个带吸引势的电极，其中每个离子反射镜由环形端盖电极和两组共轴环形电极构成，以在内外电极组之间形成圆筒体，另外，其中所述圆筒体的平均半径大于所述反射镜端盖之间的距离的六分之一，另外，其中所述离子反射镜之一或所述无场空间包括至少一个用于径向离子偏转的环形电极；用于在切向限制离子发散度的装置；以及脉冲离子源或脉冲转换器，用于生成离子包，所述离子包具有在小于1mm*deg的切向中的相空间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.09 US 61/724,5041.一种多次反射式飞行时间质谱仪，包括：
脉冲离子源或脉冲转换器；
至少两个平行的静电式离子反射镜，所述离子反射镜之间具有无
场区，其中每个所述离子反射镜具有至少一个带吸引势的电极，其中
每个离子反射镜由环形端盖电极和两组共轴环形电极构成，以在内外
电极组之间形成圆筒体，另外，其中所述圆筒体的平均半径大于所述
反射镜端盖之间的距离的六分之一，另外，其中所述离子反射镜之一
或所述无场空间包括至少一个用于径向离子偏转的环形电极；
用于在切向限制离子发散度的装置；以及
脉冲离子源或脉冲转换器，用于生成离子包，所述离子包具有在
小于1mm*deg的切向中的相空间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中限制装置选自于包括以下
的组：(i)一组沿曲轴卷成的周期性透镜；(ii)一组沿曲轴卷成的周
期性狭缝；以及(iii)在切向调制的静电反射镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其中具有吸引势的反射镜电极
的高度为内外反射镜电极之间的间隙的至少两倍。
4.根据权利要求1至3所述的装置，其中所述脉冲源包括一个
正交脉冲转换器，该正交脉冲转换器选自于包括以下的组：(i)正交
脉冲加速器；(ii)无栅网正交脉冲加速器；(iii)具有脉冲正交提取
的射频离子导向装置；(iv)具有脉冲正交提取的静电离子导向装置；
(v)前面设置有上游聚集射频离子导向装置的以上任意加速器。
5.根据权利要求1至4所述的装置，其中所述脉冲源或脉冲转
换器相对于Z轴倾斜，额外的偏转器在所述离子反射镜内的至少一

\t个离子反射之后以相同角度使离子包转向。
6.根据权利要求1至5所述的装置，还包括用于对通过离子源
的离子包再聚焦的装置，以将通过离子源的离子包的角发散度减小为
低于3mrad。
7.根据权利要求1至6所述的装置，为了获得级联质谱，还包
括以下组中的至少一个：(i)SID单元；(ii)定时离子选择栅极；(iii)后
端转向透镜；(iv)辅助检测器。
8.根据权利要求7所述的装置，还包括上游第一质量或离子迁
移分离器和碎裂单元。
9.一种质谱分析方法，包括：
设置离子包在两个平行静电离子反射镜的静电场之间多次反射，
所述离子反射镜通过无场区隔开；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·N·维尔恩驰寇韦，
申请(专利权)人：莱克公司，
类型：发明
国别省市：美国;US