多电极离子阱
阅读：344发布：2020-05-13
专利汇可以提供多电极离子阱专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 主要涉及多反射静电系统，尤其涉及对轨道阱静电 离子阱 的改进。本发明提出了一种适用于操作静电离子俘获装置的方法，该静电离子俘获装置具有能够模拟单个 电极 工作的电极阵列，所述方法包括：确定三个或者多个不同 电压 ，当将这些电压施加于多个电极中的各个电极时就产生静电俘获场，该俘获场近似于将电压施加于单个电极所产生的场；以及将三个或者多个所确定的电压施加于各个电极。另一项改进是从一个或者多个所采集到的质谱中具有不同强度的峰值中测量多个性能，并得到特性，以及使用所测量到的特性来改善将要施加于多个电极的电压。，下面是多电极离子阱专利的具体信息内容。
1.一种用于操作具有电极阵列的静电离子阱装置的方法，所述电极阵列可操作地用于模仿单个电极，所述方法包括：确定三个或者更多个不同的电压，当这些电压被施加于所述电极阵列中的各个电极时产生一静电俘获场，该静电俘获场模拟通过将电压施加于单个电极所产生的场；以及将所述三个或者更多个如此确定的电压施加于各个电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述电压施加于各个电极模拟一种超对数俘获场。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电极阵列的形状使得作为离子俘获装置的俘获体积的边界的那些表面都遵循所述超对数场的等电位，并且所述方法包括将所述三个或者更多个电压施加于各个电极以便产生所期望的等电位。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电极阵列的表面是弯曲的以遵循所述超对数场的等电位。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电极阵列的表面成台阶状以遵循所述超对数场的等电位。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电极阵列具有圆柱形的内部表面或者外部表面，所述方法包括将所述三个或者更多个电压施加于各个电极以匹配于所期望的超对数场的电位，此处所述超对数场接触各个电极的边缘。
7.如权利要求3至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述电极阵列包括平板电极。
8.如权利要求2至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述超对数场关于所述离子俘获装置的俘获体积的中心对称。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电极阵列关于所述俘获体积的中心对称，并且所述方法包括将共同电压施加于一对对称设置的电极。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定三个或者更多个电压的步骤包括：
(a)将第一组三个或者更多个电压施加于各个电极，由此产生一俘获场以便将一组测试离子俘获在所述俘获体积中，使得所俘获到的离子采用振荡运动；
(b)从所俘获到的离子中收集一个或者多个质谱，并且测量所述一个或者多个质谱的多个性能从而得到一个或多个特性；
(c)将所测得的一个或多个特性与一个或多个容许数值进行比较；以及
(d)如果所测得的一个或多个特性符合所述一个或多个容许数值，则使用所述第一组三个或者更多个电压作为确定的三个或者更多个电压；
或者
(e)如果所测得的一个或多个特性不符合所述一个或多个容许数值，则使用所测得的一个或多个特性来改善将要施加于各个电极的电压；和
(f)重复(a)至(c)的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括从具有不同强度的峰值中测量多个性能。
12.如权利要求11所述的方法，还包括测量其强度相差在2和1000之间的因子的两个峰值的性能。
13.如权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括将具有不同强度的峰值的一个或多个相应测得特性与一个或多个容许数值进行比较，以确保在所述测得特性之间的扩展在容许的范围之内。
14.如权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括测量下列的两项或者多项：峰值位置、峰值振幅、峰值宽度、峰值形状、峰值分辨率、信号比噪声、质量精度或者漂移。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个特性涉及所述一个或者多个质谱的逼真度。
16.如权利要求13所述的方法，还包括执行步骤(e)，以便根据演化算法来改善电压。
17.如权利要求10至12中的任一项所述的方法，还包括比较所述电压以便产生一俘获场，所述俘获场用于改善振荡着的被俘离子的等时性的保持。
18.如权利要求10至12中的任一项所述的方法，还包括改善所述电压以便产生一俘获场，所述俘获场用于改善振荡着的被俘离子的相干性的保持。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述质谱是在检测时间内收集到的，并且所述方法包括改善所述电压使得在检测期间与相干性丢失有关的任何相位漂移都小于
2π。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述俘获体积具有纵轴，并且所述方法包括优化被俘离子振荡的轴向分量的相干性的保持。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述俘获装置的俘获体积被定义在内部电极和外部电极之间，所述外部电极围绕着所述内部电极，并且其中所述电极阵列形成所述内部电极和/或外部电极。
22.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括改善施加于各个环状电极的共同电压，以便为每一对对称设置的平板电极产生经改善的电压。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阱装置的阱容许被限定在内部电极配置和大致环绕所述内部电极配置的外部电极配置之间，并且其中电极的阵列形成所述外部电极配置，所述方法还包括：
通过测量在至少两个电极之间的来自电极的阵列的镜像电流来检测离子。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述电极的阵列包括至少四个电极，所述方法还包括：
通过测量在至少两个电极之间的来自电极的阵列的镜像电流来检测所述离子的轴向振荡的谐波。
多电极离子阱
[0001] 本发明专利申请是国际申请号为PCT/GB2006/002361，国际申请日为2006年6月27日，进入中国国家阶段的申请号为200680022640.6，名称为“多电极离子阱”的发明专利申请的分案申请。
发明领域
发明领域
[0002] 本发明主要涉及多反射静电系统，尤其涉及轨道阱(Orbitrap)静电离子阱中的改进及其相关的改进。
[0003] 发明背景
[0004] 质谱仪可以包括一个离子阱，用于在进行质谱分析期间或者分析之前存储离子。众所周知，所有俘获式质谱仪的有效高性能都决定性地取决于离子阱所使用的电磁场的品质，其中包括高阶非线性分量。这一品质和它的重复性都是确定的，也就是说，是由离子阱制造过程中的不完美性以及向离子阱中的电极提供信号以便于产生俘获场的相关电源的控制程度所确定的。大家都知道，越是复杂的组件，越是难以获得所需要等级的性能，因为容许和误差都会有较大的分布或者积累，以及俘获场的调试麻烦也大大增加。
[0005] 这一问题在轨道阱质谱仪中得到了例证，例如在美国专利US5,886,346中的讨论。在这类轨道阱质谱仪中，离子是以脉冲的方式从外部源(例如，直线性阱(LT))注入到在内部、类似细长轴状电极和外部、桶状电极之间所定义的体积中。这些电极的形状都需要十分仔细的设计，使得它们的形状以尽可能理想的方式一起形成，称之为在俘获体积中的“超对数”静电势能，其公式为：
[0006]
[0007] 式中：r和z都是圆柱坐标，C是常数，k是场曲率，以及Rm是特征半径。俘 获体积的中心被定义为z＝0，且俘获场对称于该中心。
[0008] 离子可以各种方式(径向或者轴向)注入到轨道阱中。WO-A-02/078,046讨论了一些必要的离子注入参数，以便于确保离子可以给定质量尽可能紧凑的离子束方式进入到俘获体积中，以改变m/z比率，使得能量适合于轨道阱质谱仪的能量接受窗口。一旦注入之后，离子就呈现出以轴向围绕着中心电极的轨道运动并且使用在电极上的静电电压实现在俘获体积中的径向俘获。
[0009] 外部电极一般绕其中心(z＝0)分开并且在外部电极中由离子团形成的图像电流通过差分放大器来检测。最终产生的信号是可以进行数字化和快速傅立叶变换的时域“瞬时”信号，以便于最后给出存在于俘获体积中的离子的质谱。
[0010] 用于将外部电极分开的间隙可以用于将离子引入到俘获中心。在这种情况下，激发离子从而形成除了轨道运动之外的轴向振荡。另外，离子也可以在沿着偏离z＝0的轴向位置上引入，在这种情况下，离子就自动地呈现出除了轨道运动之外的轴向振荡。
[0011] 电极的精确形状以及最终产生的静电场都会产生离子的运动，这种运动组合了围绕着中心电极旋转的轴向振荡。在理想的阱中，超对数场不会包含任何r和z的交叉项，从而使得在z方向上的电位是一个单纯的二次方程式。这就形成沿着z轴的离子振荡，这可以被认为是一个谐波振荡器，它与离子的(x，y)运动无关。在这种情况下，轴向振荡的频率仅仅只与离子的质量电荷之比(m/z)有关，即：
[0012]
[0013] 式中：ω是振荡的频率，而K是常数。
[0014] 所需要的高性能和高分辨率对俘获体积中所产生的场的品质提出了高要求。这也进一步对电极形状的优化提出了更高的要求，因为偏离理想电极形状的任何误差都会引入非线性。这就使得轴向振荡的频率变成不再单纯取决于离子的质量电荷比，还要考虑其它因素。这一结果使得对诸如质量精确度(峰值位置)、分辨率、峰值强度(相对于离子的边界)等等因素进行尽可能的折衷变得难以接受。因此，批量生产这类具有苟刻容许的电极成为一种挑战。
[0015] 轨道阱质谱仪仅仅只是较为普及类型的基本上静电式的多反射系统中的一种特定情况，这些在下列非限制的举例中进行了讨论，US-A-6013913，US-A-6888130，US-A-2005-0151076，US-A-2005-0077462，WO-A-05/001878，US-A-2005/0103992，US-A-6300625，WO-A-02/103747或者GB-A-2,080,021。
发明内容
[0016] 针对这一背景，本发明的第一方面提出了一种操作静电离子阱装置的方法，该静电离子阱装置具有可模拟单个电极的电极阵列，所述方法包括：确定三个或者多个不同的电压，当将这些不同的电压施加于多个电极中的各个电极上时就会产生模拟通过将电压施加于单个电极所产生的场的静电俘获场；以及将三个或者多个如此确定的电压施加于各个电极。
[0017] 这样，不完美性通过使用电极阵列并通过确定要施加于这些电极的电压以确保俘获场具有较好的品质，便可以校正单个电极中的不完美性。在电极中的任何不完美性，无论是电极形状还是电极位置，都会引起在俘获场中的不完美性，并由此表现出在俘获场中所俘获到的离子形成的质谱的不完美性。
[0018] 另一种选择，该方法包括将电压施加于各个电极，从而形成模拟超对数的俘获场。这是类似于轨道阱分析仪的静电质量分析仪的特定优点。电极阵列的形状使得作为离子俘获装置的俘获体积的边界的那些表面遵循超对数场的等电位；因此该方法可以包括将三个或者多个电压施加于各个电极以便于产生所需要的等电位。另外一种方法，作为俘获体积的边界的表面采用在俘获体积中所产生的俘获场的等电位。
[0019] 电极阵列的表面可以是弯曲的，使之遵循超对数场的等电位，或者，另一种选择，电极阵列的表面可以是成台阶的，使之遵循超对数场的等电位。在其它的结构中，电极阵列可以模拟圆柱形的内或外表面，所述方法包括将三个或者多个电压施加于各个电极以匹配于所需要的超对数场的电位，此处该场接触各个电极的边缘。
[0020] 任选地，上述电极可以包括平板电极阵列且平板电极沿着俘获体积的纵轴间隔排列，并且该方法可以包括将电压施加于平板电极阵列。在另外一个预想的实施例中，平板电极的边缘定义了作为俘获体积边界的内部或外部电极表面，并且该方法包括将电压施加于平板电极以匹配于所需要的超对数场的电位，此处该场 接触电极的边缘。这样，平板电极被用于设置与俘获场边界条件相匹配的电位，此处俘获场接触电极。这种解决方法允许使用不遵循等电位的表面。例如，环形电极的阵列可以用于定义圆柱形电极。
[0021] 超对数俘获场关于俘获装置的俘获体积的中心对称，并且电极阵列也可以关于俘获体积的中心来对称排列。这是一项优点，因为它允许将共同电压施加于对称设置的电极对。
[0022] 较佳的是，确定三个或者多个将要施加于各个电极的电压的步骤包括：(a)将第一组三个或者多个电压施加于各个电极，从而产生俘获场以将一组测试离子俘获在俘获体积中，使得所俘获到的离子采用振荡运动；(b)从所俘获到的离子中收集一个或者多个质谱并且测量所述一个或者多个质谱的多个性能，从而得到一个或多个特性；以及(c)将一个或多个测量到的特性与一个或多个容许数值相比较。如果一个或多个测量到的特性符合一个或多个容许数值的话，则控制器：(d)使用第一组三个或者多个电压作为确定的三个或者多个电压。如果一个或多个测量到的特性不符合一个或多个容许数值，则控制器：(e)使用一个或多个测量到的特性来改善施加于各个电极的电压；以及(f)重复(a)至(c)的步骤。
[0023] 测量离子的特性(例如，在质谱中的峰值形状)以及将该特性与已知的数值进行比较，允许改善施加于各个电极的电压从而可以产生更好的俘获场。
[0024] 较佳的是，步骤(b)包括从不同强度的峰值中测量多个性能。峰值可以形成相同的质谱。另外，步骤(c)可以包括将一个或多个具有不同强度的峰值的测量特性与一个或多个容许数值相比较，从而确保测量特性之间的扩展是在容许的范围之内。
[0025] 已观察到，对于在静电阱中不同强度的峰值而言，甚至于对于相同的m/z而言，离子的测量参数实际上都是不同的。潜在的物理原因是在特定质量峰值中的离子数量。随着离子数量的增加，就会发生因带静电场的空间电荷所引起的复杂相互作用。这些相互作用完全能够改变离子的动力系统，并因此改变静电阱的分析参数，尤其是非线性电场。
[0026] 已经发现，静电阱的正确调试需要系统以一种不同于现有技术的方式进行多参数优化：一个强度的质量峰值的分析参数的优化需要同时伴有另一个强度的质量峰值的分析参数的连续监控，后者最好不同于前者(甚至于存在着巨大的不同)。 在实际项目中，较佳的是，质量峰值强度相差一个在2至1000之间因子。
[0027] 在这一具体内容中，“强度”定义为一种显示出的特性，它反映了引起相应质量峰值的离子的数量。这一新的调试方法变得十分必要，因为不同于在诸如磁扇形、四极飞行时间质谱仪等等之类的束仪器中，静电阱中的调试条件对于不同的峰值强度而言可以是不同的。因此很重要的是，不仅对单个峰值(在质谱仪中的典型做法)而且对其它强度的峰值(例如，相同峰值的同位素)，优化狭小质量范围内的分辨能力。
[0028] 一般来说，“合适的”调试应该在较宽的质量范围内对所有的峰值强度给出类似的改进，并且更重要的是，在不同强度峰值(但相似的m/z)之间的“测量特性”的扩展应该是最小化的。这种调试在多电极静电阱中特别重要，其中高维度搜寻空间格外需要高效的算法。本发明提出了适用于这种调试的普通和特定解决方法，从上述讨论的选择标准开始一直到最适用的电极结构。
[0029] 任何数量的性能都可以用于得到可改善施加于电极的电压的特性。例如，性能可以对应于峰位置、峰振幅、峰宽度、峰形状、峰分辨率、信号与噪声、质量精度或者漂移。较佳的是，使用在若干m/z处的峰值。也可以使用相对数值，例如，一峰值相对于另一个峰值的振幅，一峰值相对于另一个峰值的宽度。一个或多个特性与质谱的逼真度有关，尽管除此之外或者作为另一选择，可以使用其它特性，其中包括电压分布的单调性或者平滑度、质量校准公式的参数、调试控制参数抖动的注入效率或者稳定性。
[0030] 该方法包括改善施加于电极的电压。这些改善可以迭代地进行，从而对电压进行小的调整，进而逐渐地获得最佳的俘获场。例如，它允许起初进行猜测如何来改善电压，可以测量测量特性对这种变化的响应，随后，相应地进行如何最佳地改善电压的猜测。可选择的是，迭代方法可以一种简单的方法、演化算法、遗传算法或者其它适用的优化方法来实现。
[0031] 为了能够覆盖在现实采样分析期间所出现的所有可能，较佳地，一组测试离子尽可能是随后的分析离子的代表。这意味着一个或多个特性最好应该从非单个m/z(例如，类似于锁定质量校准的情况)而是从多个m/z中得到的。同样，较佳的是，针对不同的强度测量一个或多个特性，即针对离子的总数进行测量，也针对特定峰值进行测量，所以要考虑空间电荷效应。在目前的实践中，在FT ICR质 谱仪中时常使用总的离子强度来校准与质量偏移有关的空间电荷。
[0032] 峰值形状的明显改善可能是一种自身分支中的伪像，而不是峰值形状的真实改善(参见，例如，GB0511375.8)。正如以上所讨论的那样，它有利于检查在相同或者不同谱中的明显较低强度的峰值的峰值形状。这类一个或多个特性的多参数测量将提供最佳的改善。
[0033] 较佳的是，该方法可以包括提高电压以便于产生一俘获场，该场能够改善振荡的俘获离子的等时性或者相干性的维持。轨道运动离子中相干性的损失常会引起质谱的衰减，特别是在使用成像电流的测量的情况下。因此，俘获场的优化有助于保持轨道运动离子的相干性，从而产生改善的质谱。在检测时间中收集质谱的情况下，电压可以得到改善，使得在检测期间与相干性的损失相关的任何相位漂移都小于2π。
[0034] 在诸如轨道阱质量分析仪之类的一些质量分析仪中，通过测量振荡的轴向分量来收集质谱，在这种情况下，就希望优化俘获离子振荡的轴向分量的相关性的维持。
[0035] 在预期的实施例中，电极阵列边缘定义了作为俘获体积边界的内部或者外部电极的表面，使得该表面至少近似遵循超对数场的等电位，并且该方法包括将共同电压施加于平板电极和使用上述特性来确定要施加于各个电极的经改善的电压。从本质上来看，这一方法假定所有的平板电极都是完美形成和完美定位的，使得相同的电压可以施加于各个电极。实际上，完美是难以实现的，但使用所测量到的特性允许将经改善的电压施加于各个平板电极上，以此来补偿这种不完美性。
[0036] 本发明的第二方面是关注分析在质谱仪俘获体积中所俘获的离子的方法，该方法包括：(a)将电压施加于多个电极，从而产生一俘获场以便将一组测试离子俘获在俘获体积中，使得俘获到的离子采用振荡运动；(b)从所俘获到的离子中收集一个或者多个质谱，并且从上述一个或者多个质谱中具有不同强度的峰值中测量多个性能，从而得到一个或多个特性；以及(c)将一个或者多个测量特性与一个或者多个容许数值相比较。如果一个或多个测量到的特性符合一个或者多个容许数值的话，该方法还包括：(d)将该电压施加于上述多个电极以便将一组分析离子俘获在俘获体积中，使得所俘获到的离子采用振荡运动；以及(e)从俘获 体积中所俘获的分析离子中收集一个或者多个质谱。如果一个或多个测量到的特性不符合一个或者多个容许数值的话，该方法还进一步包括：(f)使用一个或多个测量到的特性来改善将要施加于多个电极的电压；以及(g)重复步骤(a)至[0037] (c)。
[0039] 为了便于更好的理解本发明，将以下列附图作为实例来进行讨论。附图包括：
[0040] 图1是包括根据本发明一个实施例的轨道阱质量分析仪的质谱仪的示意图；
[0041] 图2是图1所示的轨道阱质量分析仪的电极的剖面透视图；
[0042] 图3是在根据本发明第一实施例的轨道阱质量分析仪中的电极的局部视图；
[0043] 图4是图3所示的电极的剖面透视图；
[0044] 图5对应于图3，并且显示了用于提供电极上电压的电源提供网络；
[0045] 图6显示了可以用于替代在电极上电压的嵌套电阻网络；
[0046] 图7显示了可以用于替代在电极上电压的调节电阻网络；
[0047] 图8是在根据本发明第二实施例的轨道阱中的电极的剖面示意图；
[0048] 图9是在根据本发明第三实施例的轨道阱中的电极的剖面示意图；
[0049] 图10是在根据本发明第四实施例的轨道阱中的电极的剖面示意图；以及，[0050] 图11是在根据本发明第五实施例的轨道阱中的电极的剖面示意图。
[0051] 具体实施方法
[0052] 具有静电质量分析仪22的质谱仪20的一个实例如图1所示，其中静电质量分析仪22包括例如根据本发明的轨道阱质量分析仪。所示的质谱仪仅仅只是一个实例，并且其它结构都有可能。
[0053] 质谱仪20一般在结构上是成直线的，离子在离子源24和中间离子存储装置26之间通过，其中它们被俘获。离子以脉冲方式垂直于中间离子存储装置26的轴喷射到轨道阱质量分析仪22中。任选地，离子可以在重新回到中间离子存储装置26之前从中间离子存储装置26轴向喷射到反应单元28中，以便于向轨道阱质量分析仪22垂直喷射。
[0054] 更详细地说，质谱仪20的前端包括用于提供分析离子的离子源24。离子光学 装置30设置在离子源24的附近并且紧跟着线性离子阱32，该离子阱32可以俘获或者传输的工作方式进行工作。另一个离子光学装置34设置在远离离子源24的位置上并且紧跟着曲面的四极线性离子阱，该离子阱提供中间离子存储装置26。中间离子存储装置26以它端面的栅极电极36和38为边界。离子光学装置40设置在下游栅极38的附近，用于引导离子进出反应单元28。
[0055] 离子也从中间离子存储装置26通过设置在电极44中的缝隙42在入口46的方向上垂直注入到轨道阱质量分析仪22。此外，离子光学装置48设置在中间离子存储装置26和轨道阱质量分析仪22之间，它有助于聚焦突发的脉冲离子束。值得注意的是，中间离子存储装置26的曲面结构也有助于聚焦离子。此外，一旦离子被俘获在中间离子存储装置26中，则电位被放置在栅极36和38上，并且引起离子在中间离子存储装置26的中心成束，这也有助于聚焦。
[0056] 正如以上所讨论的那样，轨道阱质量分析仪22包括俘获体积50，该俘获体积50是由内部、细长状的电极52和外部、桶状的电极54定义的。图1显示了俘获体积50和相关电极52和54通过它们中心(z＝0)的剖面图。图2以透视图的方式显示了根据现有技术的轨道阱质量分析仪22的电极52和54。俘获体积50具有纵向轴56，定义为z轴，还具有定义为z＝0的俘获体积的中心。内部和外部电极52和54延长并构成与z轴同轴。两个电极52和54终止在各自开口端58。
[0057] 内部电极52是一整块并且将它的外表面60机械加工成尽可能精确地定义所需要的超对数形状。于是，可以将电压施加于这一内部电极52上，并且其外表面60应该采用将要在俘获体积50中产生的、必需的超对数场的等电位。
[0058] 外部电极54是中空的，通常在剖面部分是环形的。它所定义的空间以它的中心容纳内部电极52，将俘获体积50定义在内部电极52和外部电极54之间，外部电极54的内部表面62也被仔细地机械加工成具有所需要的超对数形状。因此，当电位被施加于外部电极54时，它的内部表面62采用将要在俘获体积50中产生的、所需要的超对数场的等电位。于是，所产生的超对数场在由电极52和54相对的外部表面60和内部表面62所采用的等电位之间延伸。
[0059] 外部电极54在z＝0的位置上分成两半，从而形成两个相等的一半54a和54b。外部电极54也充当检测电极：将其分成两半能够收集由轨道运动离子团所引入的镜像电流。从外部电极54的两半中获得差分信号，它提供了对应于离子的谐波轴 向振荡的瞬时信号。
[0060] 在外部电极54的两半之间的间隙可以用作为离子团切线注入俘获体积50的入口。在z＝0处切线注入的离子只形成离子的轨道运动。因此，就需要其它激发场或者俘获场的变化来启动离子的轴向振荡。
[0061] 或者，沿着离子团注入的z轴可以提供分开的孔径，正如以64所示那样，在这种情况下，离子将自动采用轴向振荡，正如以66所示的那样。施加于内部和外部电极52和54的电压可以被选择成产生稳定的俘获场，用于俘获所需要的m/z范围内的离子。这就使得离子团围绕着内部电极52以及围绕着z＝0的轴向进行轨道连贯运动。一旦引入到俘获体积50中，则离子团遵循在外部电极54附近(即，以较大的半径距离)的螺旋型路径并且具有相对较大的轴向振荡。距离内部和外部电极52和54相等的离子路径是较佳的，以便于将两个电极52和54的容许要求最小化。为了获得这一效果，电极52和54上的电压随着离子团引入到俘获体积50中而逐步上升，使得它们的轨道在内部、径向且轴向地运动。
[0062] 正如以上已经讨论的那样，在电极52和54形成时能够获得所需要的容许是一项挑战。在电极成形过程中，由不可避免的不完美性所引起的偏离理想超对数俘获场的偏差导致随着离子失去它们的空间相干性而失去分辨。
[0063] 图3对应于沿着根据本发明第一实施例的轨道阱质量分析仪22的电极52、54和68的轴向所截取的剖面图，而图4以透视图的方式显示了内部和外部电极52和54。与图2相比较，外部电极54定义为圆柱形的形状。俘获体积50的端面由端点电极68来闭合(仅仅如图3所示)，而不是像图2所示的那样开口的。内部电极52也是圆柱形的。内部和外部电极52和54保持与z轴同轴。
[0064] 图3和图4所示的静电质谱仪22使用了用于产生所需要超对数场的完全不同的解决方法。图2所示的内部和外部电极52和54的形状使得它们各自的外部和内部表面60和62都遵循等电位，从而允许将几乎相同的电压施加于各个内部电极52和外部电极54。这种完整电极形状的有利解决方法已经被抛弃了，使得在图3和图4中，外部电极54的内部表面62和内部电极52的外部表面60的形状不再遵循等电位的，而仅仅只定义简单的圆柱形表面。于是，理想的超对数场的自然等电位将在沿着这些电极52和54长度的一系列位置上满足内部和外部电极52和54。
[0065] 为了产生所需要的超对数场，内部和外部电极52和54以匹配于它们相交位置的不同等电位的电位来工作。这通过将内部电极52和外部电极54分成为轴向延伸的一系列环状电极521至52n和541至54n来实现。环状电极521...n和541..n都被设置成围绕着z＝0而对称的。这种对称性是非常有用的，因为等电位也是围绕着z＝0所对称的，并且使得环状电极521...n和541..n可以成对的方式来处理，例如，521和52n，522和52n-1，等等。
[0066] 在内部电极52和外部电极54两者之中，各个环状电极521...n和541..n之间保留着小的间隙。这些间隙最好是在检测期间至少比最近的轨道运动离子的距离要小两至三倍。为了有助于场的定义，设置了端面电极68。这些端面电极68各自包括一系列径向延伸的同心环状电极681至68m并设置在内部电极52和外部电极54的各自端面之间。
[0067] 为了向内部电极52和外部电极54各环状电极521...n和541...n提供所需电压，在该实施例中使用了电阻网络70。环状电极521...n和541...n的对称性意味着单个电阻网络70可以为各个电极52和54提供所需电压。在这一结构中，将各个电压施加于环状电极(例如，521、522等等)以及在各个电极52或者54的另一对称一半中它所对应的另一对(例如，52n-1、52n等等)。然而，为了能够获得更好的精度，较佳的是，对内部电极52和外部电极54各自使用两个对应的但分离的电阻网络701至704。此外，为端面电极68各自提供电阻网络705和706。
[0068] 图5显示了图3所示的电极结构，它具有向所添加的环状电极521...n、541...n以及681...m提供适当电压的电阻网络701至706。两个网络701和702分别向内部电极52的各个对称一半提供电压。同样，两个网络703和704分别向外部电极54的各个对称一半提供电压。正如以上所讨论的那样，网络702和704可以省略并且701和703可以向对称环状电极
521...n和541...n。
521...n和541...n。
[0069] 使用电阻网络70的问题是电阻器标称数值的不正确(这是因为制造精度好于0.1％的电阻器是困难的)。此外，常规高电压电阻器的温漂是很明显的(几十ppm/℃)。这些问题也使它们出现在俘获场能够获得的精度方面。在需要超对数场的这一特定实例中，就需要具有很大变化的电阻器。其结果是，场的精度趋于形成在质谱仪20中的有限分辨能力。
[0070] 这些问题可以通过使用计算机控制的电阻网络70来解决。这些网络70可用 于使用反馈环路自适应算法来调整在相邻环状电极521...n、541...n和681...m之间的电压差，正如以下将更加详细的讨论那样。
[0071] 图6显示了这类计算机控制电阻网络70的一个实施例。电阻网络70包括整体组的低电压、高精度的电阻器(例如，1MΩ，放置于温度调节的控制装置内达到3ppm/℃)。使用比环状电极521...n、541...n和681...m明显大得多的电阻器。电阻网络70的计算机控制使用较慢的多路复用器72的电流绝缘切换来实现。各个多路复用器72都覆盖着一个局部的电阻器网络74，该网络横跨提供给任何特定环状电极521...n、541...n和681...m的电压数值范围。通过使用嵌套网络就能在电阻器的精度方面获得戏剧性的变化。对于单调的场(例如，本文中的超对数场)这类电压范围不能对相邻的环状电极形成重叠，使得局部网络72可以依次连接并且由单个电源来供电，手动操作也是可能的，例如，使用DIP开关。
[0072] 图7显示了适用于计算机控制的电阻网络70的另一种选择的实施例。其中，在相邻环状电极之间的电压降由传统的电阻网络70来提供，但是各个环状电极521...n、541...n和681...m上的电压精细调整可由浮置的、低电压、高精度的电源/调节器76来实现。较佳的是，各个调节器76是光耦合计算机控制。当仅仅只需要非常小的电流时，这种结构允许使用比调节器76更加简单的示意图。
[0073] 所需的电压提供网络根本就不需要是电阻型的，尤其是在相比于数字电压调节器电阻器的成本和稳定性的优点都下降的时候。本发明的优点是使电极形状的复杂程度最小化从而更加容易制造这些电极，并且同时能够通过施加于电极52和54上的电压自适应优化来补偿这些电极相互位置上所增加的不确定性。这一优化是基于质谱仪20使用这些电极52和54并且分析来自校准混合物的分析离子所采集到的一个或者多个质谱来进行的。例如，对于较宽m/z范围内的离子，有可能使用峰值形状或者峰值高度在50％、10％和1％的峰值宽度，这既可以适用于主要峰值也可以适用于它们的同位素(以区别自身分支效应，参见UK专利申请0511375.8)。较佳的是，质谱是使用电极52和54中的一组电极的成像电流来采集的。另一种选择是，有可能对二次电子倍增器使用谐振喷射扫描或者质量选择不稳定性扫描，正如在美国专利US5,886,346或者A.Makarov在“分析化学(Anal.Chem.，v.72，2000，1156-1162)”中所讨论的那样。
[0074] 对于成像电流检测(检测的较佳方法)而言，如果将瞬时的衰减最小化，则 分辨能力和灵敏度就能最大化，即，由于相位偏差所引起的相干性丢失最小化。当相位扩展达到π而使相干性全部丢失时，就必须具有良好的参数从而保持相位扩展远小于2π，或者在整个采集时间过程中明显小于或者远小于2π。因此，这一条件也有可能用作为调整电极52和54上的电压的基本标准。
[0075] 在图5和图6所示的两个实施例中，计算机控制较佳地使用遗传或者演化算法来是实现。若干初始设置是随机产生的(例如，各个多路复用器72的设置)，并且这些设置根据遗传法则，例如，变异、交叉、最佳适应的选择、随机介入等等。对新的设置进行测试和再次更新，并且多次迭代直至达到全局最佳。
[0076] 环状电极上的电压的优化是在较佳使用演化算法(EAS)(参见Corne等人，“在优化中的新想法(New ideas in Optimisation，McGraw-Hill；H.P.Schwefel(1995)，Evolution and Optimum Seeking，Wiley：NY))的计算机控制条件下进行的。EAS是基于生物演化的几种模拟的全局优化方法。
[0077] 一种模拟是繁殖种群的概念，在该繁殖种群中，最适应的个体具有较高的产生后代的机会并且能够将它们的遗传信息传递给后代。在本发明中，在环状电极521...n、541...n和681...m上的电压(或者电阻器数值)组将具有个体的作用，同时适应标准将主要是(不是通过排除)减小在测量时间(较佳的是，测量不同m/z和强度的离子)过程中的离子失相。
[0078] 另一模拟是交配的概念，在该交配的概念中，后代的遗传材料是它的父母双亲的混合物。在本发明中，表示在不同组之间的电压(或者电阻器)的局部交换。
[0079] 另一模拟是变异的概念，在该概念中，遗传材料是偶尔会被破坏的，于是要在种群中维持一定水平的遗传多样性。例如，某些电压(或者电阻器)的数值可能是随机变化的。
[0080] 无限大的搜索空间已经被证明不会屏蔽对仅仅只产生少量第二代的各自有效的EA搜索。EAs的实例包括memetic算法、粒子群算法、差分演化等等。
[0081] 在该算法的第一步骤中，选择电压/电阻器数值的随机组，通过它有可能及时在这一级就将选择限制在仅仅单调的电压分布。通过测量不同m/z和在较宽质量范围中的同位素峰值，就能为各组指定组合的适应数值。随后，进行选择：仅仅只允许最适应的组生存下去，而所有其它各组都被抛弃。相同大小的下一代从生存的组中产生，并且它们的下一代是通过变异和交叉来产生的。之后，发生下一 个演化周期。演化的速度和成功率通过平衡变异、交换和生存率来提高。
[0082] 现在，讨论图3和图4所述的轨道阱质量分析仪22的操作方法。将离子脉冲以轴向或者径向的方式注入到俘获体积50中。对于轴向(“螺旋型运动”)运动来说，在俘获体积50的对称一半中的一个电极上的电压分布是关闭的，例如，通过使用图5所示的开关78来使合适的电阻网络701和703短路。离子沿着恒定半径的螺旋进行运动。径向的电位分布仍籍助于网络705来提供。
[0083] 随后，在端面电极68的环状电极681...m之间切线注入离子团，使得离子在z轴方向上具有速度分量。剩余场使得离子以恒定的半径围绕着内部电极52螺旋，直至它们到达俘获体积50的中心并且经历由电阻网络702和704所创建的轴向减速场。在这一瞬间，电阻网络701和703切换回来并随后将离子约束在两个轴向减速场之间。作为另一种选择，电阻网络701和703可以随着离子螺旋形趋向中心而逐步上升。
[0084] 对于径向(“挤压”)离子注入而言，离子在外部电极54的环状电极541...n之间(即，在z＝0或者偏离z＝0的位置上)切线注入。在离子注入的过程中，内部电极52和外部电极54之间的电压差迅速上升，例如，通过使用高电压开关导通电压。电压上升的时间常数是由电阻网络70的电阻和在环状电极521...n和521...n之间总的电容所确定的。这就逐步缩小旋转半径并且将离子挤压到俘获体积50的中心，正如以上所讨论的那样。
[0085] 作为其它另一种选择，离子可以采用完全关闭的俘获场(即，径向或者轴向)注入到俘获体积50。一旦在感兴趣的m/z范围内的离子处于俘获体积50中，则电阻网络70就导通，以便于产生径向和轴向电位壁。这种方法在感兴趣较窄质量范围(例如，具有后续MS/MS的先驱离子选择)时有更大的用处。
[0086] 离子团被俘获在俘获体积50中，就进行离子的激发。这并不一定是必需的，例如，在离子已经被偏离z＝0介入的情况下，使得它们自动采用轴向振荡。虽然如此，就需要适用于成像电流检测或者一定m/z范围选择的离子激发。这种激发可以使用适用于离子阱的已知技术来进行，例如，对一对环状电极544和54n-3(参见图5所示)或者一组环状电极521...n和541...n使用在一定频率范围内的RF电压。可以使用径向、轴向或者混合场。由于电阻无论70的存在，激发可能直接电容耦合至环状电极521...n和541...n(见，例如，Grosshans等人发表的文章，Int.J.Mass Spectrom.Ion Proc.139，1994，169-189)。
[0087] 离子的检测可以通过测量在外部电极54中的一对或者一组环状电极541...n的成像电流来进行。图5显示了用于成像电流检测的一对对称环状电极543和54n-2。采用成像电流检测，放大器80的第一级可以浮置在对应的电压上，同时差分放大器82的最后一级在电容退耦84之后进行(参见图5)。较佳的是，检测电极543和54n-2保持在虚地(随后，对于正的离子，施加于内部电极52的电压是负的，而施加于外部电极54的电压是正的)。正是由于不是使用单独一对电极543和54n-2，而是可使用多对电极来检测轴向振荡的高阶谐波，于是提高了在采集过程中的场的分辨能力。
[0088] 作为使用成像电流来进行检测的另一种选择，离子可以轴向注入到二次电子倍增器。在这种情况下，也可能使用RF场来俘获离子(例如，将RF场施加于内部电极52或者沿着一系列环状电极分布)。另一种选择是，具有几个mTorr的气体的存在可有助于帮助离子的俘获。可以调试网络70，以便于为这一注入提供适当的非线性轴向场，适当的非线性有利于提高离子的注入并因此提供质量分辨能力和质量精度。
[0089] 图3和图4仅仅只显示根据本发明的质量分析仪22的一个实施例。图8至11显示了其它实施例的实例。
[0090] 图8显示了根据本发明第二实施例的轨道阱质量分析仪22的电极结构。在该实施例中，没有端面电极68，使得俘获体积50在端面58是开放的。在内部和外部电极52和54仍包括环状电极组521...n和541...n的情况下，它们的外部和内部表面各种不再与定义圆柱形边缘成平面。而是各个外部和内部表面60和62都成台阶的，使之大致遵循所需要的超对数场的等电位。
[0091] 电压可以在计算机控制下施加于环状电极521...n和541...n。当环状电极521...n和541...n的通常遵循等电位时，施加于各个环状电极521...n和541...n的各个电压将是基本相等的。于是，能够在电阻网络70端面产生更小的电压，从而可以使用更加精确、更小电压的电阻器。计算机控制用于对这些近似理想的电压进行较小的校准，从而获得最佳的场。这种结构也能够更加容易地将预放大器与多个后者电极521...n和541...n相耦合，因为预放大器可以浮置在非常低的电压上。
[0092] 在环状电极521...n和541...n的边缘用于定义外部和内部表面60和62且具有以 沿着轴向方向延伸的平坦顶端的情况下，该边缘可倾斜来遵循等电位或者可弯曲来遵循等电位。
[0093] 图9显示了根据本发明的质量分析仪22中的电极结构的第三实施例。该实施例基本对应于图3和图4所示的实施例，除了内部电极52现在是由采用类似于图2所示现有技术的单块电极所形成的。就制造而言，使用单块内部电极52是十分有利的，这非常容易碾磨或者车加工这种单块的内部电极52。计算机控制为外部电极54和端面电极68提供许多环状电极541...n和681...n的方法仍可以用于使得俘获场最佳化，包括校准在内部电极52形状方面的任何误差。
[0094] 图10显示了电极结构的第四实施例。外部电极54在图3和图4的基础上进行了改进。具体地说，在图3所示的各个端面541、542、54n-1和54n上的外部两个环状电极已经被单个电极541和54n所替代并将其成形使之尖端部分定义为俘获体积50的端面58。这种结构允许省略端面电极68以及相关的电阻网络705和706。当成形的电极541和54n定位在远离检测期间的离子团轨道位置时，较佳的是，该距离大于在内部和外部电极52和54之间距离的两倍，则它们形状的精度要比环状电极定位所需要的精度或者有关现有技术所讨论的单块电极的形状所需要的精度低得多(典型是的，相差一个数量级)。
[0095] 图3、4和8至11所示的实施例都采用了内部和外部电极52和54并将其分成为一系列环状电极541和542。相对于离子的轨道来选择环状电极541和542的尺寸。如果环状电极结构的空间周期为h，则离子应该限制在离开电极52和54的至少两倍或者三倍的轨道中。较佳的是，h的五倍或者大于五倍的间距，在内部或者外部电极52和54中的环状电极541和542的数量应该至少是10个，并且最好是大于20个。在图中仅仅只显示了任意数量的电极。此外，附图显示相同数量n个环状电极521...n和541...n用于内部和外部电极52和54的同时，可以选择不同数量的环状电极521...a和541...b，其中a≠b。内部和外部电极52和54的长度应该大于在内部和外部电极52和54之间的间距，且较佳的是长度大于间距至少三倍。内部电极52的外部直径和外部电极54的内部直径的典型实例分别为大于8mm和小于50mm。
[0096] 环状电极521...n和541...n的厚度可以为0.25mm到4mm并且它们可以通过电刻蚀、激光切削、引线腐蚀或者电子束切割来制成。环状电极521...n、541...n和681...m可以由因瓦低膨胀合金、不锈钢、镍、钛或者用于电极的任何常用金属来制成。为了确保环状电极521…n、541…n和681…m阵列的正确分开，环状电极可以假定为它们都是采用精密碾磨的介质间隔块或者球来分开的。陶瓷、玻璃和石英都是最好适用于作为介质所使用的材料的实例。环状电极521…n、541…n和681…m可以安装在或者适配压制在精密碾磨的陶瓷棒或者管上。同样，环状电极521…n、541…n和681…m也有可能通过在介质管或者棒上沉积金属涂层来制成。当已经组装了电极和绝缘材料时，就有可能进行电极成形的部分工作。
[0098] 例如，上述实施例都具有内部和外部电极52和54且一般都具有圆柱形剖面结构，但是这种需要不是必须。可以使用注入椭圆形或者双曲线的其它剖面，正如图11所示。唯一的限制是外部电极54应该基本围绕着内部电极52，并且电极52和54应该能共同模拟下面公式所描述的电位分布：
[0099]
[0100] 式中：K是常数(对于正的离子，k＞0)并且：
[0101]
[0102] 例如：
[0103]
[0104]
[0105] 式中： 以及α、β、γ、a、b、c、A、B、D、E、F、G、H都是任意常数(D＞0)，并且n是整数。-10 -8
[0106] 俘获体积50可能是充气至压力10 ...10 毫巴，以便于为MS/MS实验的碰撞引入分裂(CID)。碎片的后续检测将需要使用频率扫描或者其它波形耦合至至少一些内部和外部环状电极521...n和541...n来实现轴向振荡的激发(正如现有技术中所已知的那样，参见例如P.B.Grosshans，R.Chen、P.A.Limbach、A.G.Marshall等发表的文章；Int.J.Mass Spectrom.Ion Proc.139，1994，169-189)。
[0107] 同样，也有可能在非常高的压力、甚至于在几个毫托下进行质量分析仪22的操作，并在成形提供适当地非线性的场中较佳地使用谐振注入或者质量选择不稳定性将离子注入到二次电子倍增器。在这种情况下，离子是碰撞变冷的并且它们的俘获不仅由静电和离心的平衡来提供，而且还由通过俘获耦合着内部和外部电极521...n和541...n的高电压RF所形成的四极等电位来提供。在这种情况下，上述的电位分布仍保持有效，但它们受到RF的频率和相位的调制。较佳的是，如果俘获体积50特别拉长的话，则端面电极68也可在不采用RF的条件下工作。否则的话，RF与径向有关的部分应该施加于各个端点电极68。充气RF离子阱的所有已知的MS/MS容量也都能够在这种阱中实施。
[0108] 在所有的实施例中，在环状电极521...n、541...n或681...m之间的间隙也可以用于MS/MS实验的粉碎。例如，激光束可以通过一个间隙引入，以便于能够进行光子引导分裂(PID)。可以使用一个或者多个间隙来注入将要存储或者分析的离子。
[0109] 电极电压的小的控制波动能够用于在共同申请的专利GB0511375.8所讨论的小的非线性场的引入。
[0110] 应该注意的是，在本发明中，术语“俘获”可以有较宽背景来解释，例如，作为离子沿着至少一个方向运动的限制。因此，它包括不仅在所有三个方向上的俘获，而且还包括离子沿着其它方向扩散的俘获，例如，典型的是在GB-A-2,080,021多反射系统中的扩散俘获。因此，以上所讨论的调试和操作静电阱的方法不仅适用于上述实施例，而且还适用于基本包含静电场的所有类型的多反射装置。
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