专利名称：质谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及质谱仪和用于质谱仪的方法。
背景技术：
质谱测量是一种比较简单的光谱测定概念，其中将样品的分子电离，随后在质量分析器中根据它们的质荷比将离子分开并随后检测。可以得到许多类型的质谱仪，诸如磁场、电磁场、四极、离子回旋加速共振、四极离子存储阱和飞行时间分析器。它们中，飞行时间质谱仪(TOFMS)提供高灵敏度并能测量扩展(实际上无限)的质量范围。因此，理论上适于分析生物和合成聚合物。TOFMS相比其它质量分析方法的另一个优点在于可以从每个电离结果得到完整的质谱。但是，TOFMS仪器太大且需要很高的真空条件(10-6Torr)，因为在分开不同质量的离子所需的场自由漂移区(field free drift region)的长度(约0.5到1米长)。在漂移区端部具有反射(离子镜)以便将离子反射回通过漂移区，这可以提高质量分辨率。但是问题依旧存在，即TOFMS仪器太大且需要高真空。
提供极高分辨率的另一个高灵敏度的质量分析器是使用离子回旋加速共振(ICR)现象的一种，例如，傅里叶变换质谱仪(FTMS)。在FTMS中，使离子在离子阱中以确定的轨道循环通过延长的时间段。施加根据离子的质荷比改变离子轨道的交流输入信号。依靠当离子通过电极时产生的“图像电流”来检测它们。所产生的时域信号随后被傅里叶变换成频域信号，且随后变换成相应的质谱。但是，FTMS仪器非常昂贵。
本发明的上述背景用于说明本发明的上下文。不能认为这就承认任何所涉及的事情都是在任何权利要求的优先权日时澳大利亚本技术领域内公知的一部分。
本发明的一个目的是提供质谱仪和方法，由此可以具有高灵敏度、高分辨率和测量扩大的质量范围的能力，且其中上述TOFMS和FTMS的问题都将减少。
发明概述根据第一方面，本发明提供用于测量分子质量的质谱仪，它包括用于产生分子的离子的电离装置，
作用于所述离子以使它们来回振荡，由此使离子的振荡频率取决于其质量的装置，对应振荡离子而配置的电子产生装置，某些振荡离子使该电子产生装置以由离子的振荡频率所确定的频率产生电子，以及用于检测电子及其产生频率的检测器，根据所述电子及其产生频率可以计算出以该频率振荡的离子的质量。
根据第二方面，本发明还提供用于质谱分析的方法，它包括(i)电离样品的分子从而产生其离子，(ii)对离子作用以便使它们来回振荡，从而使离子的振荡频率取决于其质量，(iii)使某些振荡离子和电子产生装置相互作用，由此以由离子的振荡频率确定的频率产生电子，(iv)检测所产生的电子和其产生的频率，以及(v)根据步骤(iv)的频率确定结果，计算以该频率振荡的离子的质量。
本发明是依赖于离子的振荡频率取决于它们质量(实际上是它们的质荷比)这一事实以及发现了这一比FTMS的测量方式更简单的测量不同质量离子振荡频率的“机制”。该“机制”包括每当特定质荷比的振荡离子通过固定位置(该位置由电子产生装置确定)时即产生电子，以及或取信号(电子“猝发”)对时间的表示(signalvs time representation)。在该表示中每个电子产生事件的信号的频率分布可以用来区分不同质量的离子。
较佳地，电子产生装置根据与振荡离子的碰撞来发射电子。因此该装置可以是包括多个小孔的电极，某些振荡离子可以通过所述小孔，同时其它的振荡离子和电极碰撞。较佳地，电子产生电极是相对精细的金属网眼或网格。在一个实施例中，金属网眼或网格使约15％的振荡离子和该网眼或网格碰撞从而发射电子。
可以理解，在上述实施例中，检测“机制”包括每当离子振荡通过电子产生电极时某些离子的破坏。尽管这没有FTMS中(其中轨道离子的检测不造成它们的破坏)那么理想，但还是比离子的检测导致它们全部破坏的TOFMS要好。当然，电子产生电极的网眼或网格可以具有透过性，这可以有选择地和要求相匹配，例如，对振荡离子的更高的透过性将减少离子每次通过所发射的电子(并因此减少所检测的信号)，但将测量到更多的通过量从而得到更好的质量分辨率。
本发明的优点在于，可以作用于离子以使其在靠近它们所产生的地方进行振荡，且电子产生装置必须靠近振荡的离子，从而质谱仪的主要部件可以紧凑地排列，进而得以开发相当紧凑的质谱仪器。此外，本发明需要10-5Torr或更低的真空，该数据比常规TOFMS所容许的最高压强高约十倍。因此，根据本发明的质谱仪的真空系统要求比用于TOFMS的要小。因此，本发明克服了TOFMS的问题。
较佳地，用于对离子作用以使它们来回振荡的装置是用于提供电场来反射离子以使它们振荡的电极(以下称为反射器电极)。较佳地，用于反射离子的这些电极是一对隔开的平行电极，而电子产生网眼或网格电极位于这对反射器电极之间。较佳地，电子产生电极位于基本是这对反射器电极中间且基本和这对反射器电极平行。
较佳地，反射器电极中的一个包括用于使电极可以渗透相当多所产生电子的多个小孔，且安置检测器以便检测通过该电极的所产生电子。较佳地，该反射器电极是相对精细的金属网眼或网格。
在前述段落中本发明方面的进一步的实施例中，另一个反射器电极优选包括某些振荡离子可以通过的多个小孔，而质谱仪包括用于降低该另一个反射器电极的电位从而通过它提取由于不同的振荡频率而和不同质量的振荡离子分开的所选质量的振荡离子的电子装置。较佳地，该电子装置可以用来将相对较高的负电压脉冲施加到另一个反射器电极。较佳地，该另一个反射器电极也是相对精细的金属网眼或网格。
在操作中，反射器电极和电子发射电极被独立充电到一电位，由此电子发射电极处于相对反射器电极较低(更负)的电位。在一个实例中，反射器电极约0伏而电子发射电极被充电到相对较高的负电压，例如-4000伏。该电压状态具有使所产生电子加速通过所述一个反射器电极的网眼或网格并因此进入检测器的作用。用于降低一个反射器电极的电位从而提取离子的电子装置，将电极(所述另一个反射器电极)脉冲到相对较高的负电位以相对短的时间周期。在一个实施例中，该负电位约-4000伏。
较佳地，检测器是渠道倍增器检测器。
较佳地，质谱仪包括用于将分子引入质谱仪并由电离装置电离的喷嘴型样品注射器或脉冲喷嘴型样品注射器形式的装置。较佳地，这种注射器被设计来在一对反射器电极中的一个和电子发射电极之间注入分子。
较佳地，电离装置是脉冲激光器，它通过多光子电离(MPI)电离分子。
为了更好地理解本发明并示出它如何产生效果，现在将参考附图以非限制性实例的方式描述其较佳实施例。
附图概述
图1是根据本发明的实施例的质谱仪的示意图。
图2A是图1所示的质谱仪中离子轨迹的图示。
图2B是图2A的离子轨迹的图示。
图2C是图1所示的质谱仪中电子轨迹的图示。
图2D是图2C的电子轨迹的图示。
图3是图1质谱仪的对二氟代苯(pDFB)的质谱。
图4是图1质谱仪的pDFB和氟苯(FB)的质谱。
图5是图1质谱仪的pDFB、FB和溴氟苯(BFB)的质谱。
图6A到6F是离子和电子轨迹的示意图和图示，类似图2A到2D，但示出从质谱仪提取所选离子的电极的脉冲；以及图7是根据图6脉冲时质谱仪的pDFB和FB的质谱。
具体实施例方式
根据本发明实施例的质谱仪10(参见图1)包括一对平行隔开的反射器电极12、14，它们的中间是电子发射电极16形式的电子产生装置，它和反射器电极12、14平行。渠道倍增器离子检测器18形式的检测器位于电极12之后。三个电极12、14、16和检测器18位于真空腔20内。质谱仪10还包括脉冲阀门或喷嘴形式的样品注射器22，如本技术领域内公知的样品分子从样品源24提供到该注射器。样品分子的路径由图1中的箭头26表示。质谱仪10还包括用于电离分子的脉冲激光器28形式的装置，当分子通过脉冲样品注射器22被引入反射器电极12和电子发射电极16之间时，该装置电离分子。脉冲激光器28提供高强度聚焦的激光束，它和分子束相交于图1中用星表示的点并通过多光子电离(MPI)将分子电离。
电极12、14构成用于对离子作用以使它们来回振荡的装置。这些电极12、14和电子产生电极16是相对精细的网眼或网格结构的金属圆盘，其具有允许离子和电子渗透或通过的尺寸。通常，离子和电子以约85％的效率通过网眼或网格电极12、14、16。质谱仪10包括电压源装置30，由此电极12、14、16可以独立充电到诸如高正或负电压的预定电位，由此离子可以受电场作用从而产生在反射器电极12和14之间的振荡。即，在电极16上吸引离子的电位的协助下，反射器电极12和14提供电场来使离子在其间来回反射。
质谱仪10的其它部件是电子信号放大和数字化装置32，它连接到检测器18和计算机34，它用于控制质谱仪10的工作并使其同步，且用于处理所检测的信号并提供合适的质量分析输出。
图2A到2D示出质谱仪10的工作。图2A示出正离子的轨迹而图2C示出电子的轨迹。图2B和2D的曲线分别示出所画的一维电位，这示出离子或电子“下坡”行进(即，正离子向负电位行进，而电子向较低的负电位行进)。撞击渠道倍增器检测器18的任何正离子或电子将产生通过电子装置32和计算机34处理的放大电流信号。样品注射器22对于将气相的挥发物引入反射器电极12和电子发射电极16之间的区域是有效的。脉冲激光器28在图2A中四角星36表示的点处通过MPI电离分子。在该实例中的激光器脉冲很短，通常5纳秒。随后，产生光电子且光电子从激光器的焦点加速到反射器电极12。如果光电子获得超过2keV动能，则它们将到达检测器18。否则光电子减速、停止并倒转方向最终和电极12、14或16或真空腔20的壁碰撞。在检测器18处光电子的到达几乎是瞬时的，且用作质谱仪10的内部时钟。
正离子向电子发射电极16(它处于-4000伏的电位)加速且，如果任何离子和该电极16的网眼或网格碰撞，则由二次发射产生电子。这些二次发射电子形成用于在质谱仪10内离子检测的基础。在该实例中，约15％的离子和电极16的网眼或网格内的网线碰撞。离子碰撞的动能超过了电极16的金属的功函数，从而发射出一个或更多的二次电子。这些电子加速通过反射器电极12的网眼或网格(它处于0伏，即相对电子是正的电位)并由渠道倍增器检测器18检测(参见图2C中的标号38)。电子的加速增加了它们的动能并因此改善了质谱仪10的灵敏度。
通过电极16的网眼或网格的正离子(以下术语“网格”将用来表示网眼或网格)由电极16和14之间增加的正电位减速，并倒转过来向电极16(参见图2A中的标号40)。再一次，约15％的离子和电极16网格中的网线碰撞，这引起进一步的电子发射。这些进一步的二次电子大多加速朝向反射器电极14网格(参见图2C中的标号42)并因此未被检测到。但是，可以考虑在反射器电极14之后添加第二检测器从而改善灵敏度。
穿透电极16的网格的离子通过电极16和12之间的增加的正电场再一次倒转(参见图2A中标号44)，且另15％和电极16碰撞并在渠道倍增器检测器18引起又一个可检测的电子峰(参见图2C中的标号46)。该离子的振荡和电子从电极16的网格的发射继续，同时离子保持在质谱仪10内。离子以由它们的质量确定的频率在电极12/16和16/14的中点之间振荡。可以理解，所有的质量在同一点倒转，在该实施例中即电极12/16和16/14之间的中点。
图3示出对二氟代苯(pDFB，质量＝114amu)的振荡质谱。第一个峰是t＝0时产生的光电子峰。随后的峰全部具有相等的间隔且都对应图2A中从左向右撞击中间电子发射电极16的pDFB。图4示出对于包含两种不同物质，即pDFB和氟苯(FB，质量＝96amu)的样品的振荡质谱。可以清楚地看见振荡离子信号。如预期给它们不同的振荡频率，还可以观察到当它们继续通过质谱仪10振荡时，质量之间具有增加的间距。此图的谱中的第一个峰是FB的第九次振荡。
图5中的谱示出FB、pDFB和溴氟苯(BFB)，三种物质的混合。溴原子具有两种天然产生的同位素，m＝79和81且具有几乎相等的丰度。可以清楚地分辨出两个对应的BFB质量，174和175.9amu。该谱仅示出离子的第七次通过，其中为了清楚而省去了之前和之后的通过。但是，可以理解该整个曲线本身在整个谱中振荡。在更高的通过时且使用更仔细的激光器聚焦，就可能在靠近所有主峰处观察到自然产生的D-同位素(它和所有的质子化的分子隔开1amu)。
质谱仪10内的预定次数的振荡后，不同质量的物质将具有半个振荡的异相。此时将发现质量(m1)和质量(m2)在质谱仪10的相对的一半内(参见图6A)。如果发射器电极14的网格随后快速地脉冲到高负电位，则将提取在质谱仪10的那半边的正离子m1，参见图6C。如果在其它离子m2进入质谱仪10的该阶段(stage)之前发射器电极14的网格可以随后回到接地电位(即，0伏)，则离子m2将继续振荡如同什么都没有发生。图7说明的该操作的实例。在图上方的整个谱以第九次FB和pDFB通过中间电极16开始，在该阶段它们具有约半个振荡的异相。
当FB或pDFB在电极16和14之间时，安排产生提取脉冲。图7的其它两个谱示出可以在另一种物质不受影响的情况下消除一种或另一种物质。因此，通过使用计算机34控制电压源装置30，就有可能发送高电压脉冲串到反射器电极14的网格来从复杂的化学“浓雾”中消除多数物质。这简化了质谱并可以选择所需的物质作进一步研究。
申请人还进行了扩展的三维理论模拟质谱仪10内的电场和运行通过这些电场的离子轨迹。通过该模拟，申请人已经确认离子如上所述地运行。
本技术领域内的熟练的技术人员可以理解，这里描述的本发明易于进行除这里所特别描述的之外的变化和修改。例如，渠道倍增器检测器18可以由比检测渠道倍增器检测器18更灵敏且更小的多路板(MCP)代替。因此，MCP将产生更小的质谱仪10的整体设计，这会是质谱仪设计中重要的优点。此外，直接一个光子的真空紫外线(VUV)电离可以用来代替所述激光器电离28。可以理解，VUV以很高的效率电离几乎任何分子。所述脉冲喷嘴22也是许多注射装置中的一种，这些注射装置诸如，可以用于所述发明的连续源或电喷源。还可以理解，反射器电极12和14和/或电子发射电极16的网格可以具有和所述的不一致的渗透性，例如95％的通过量将减少所发射的二次电子并因此减少离子每次通过的信号，但将允许产生更多的通过并因此得到更好的质量分辨率。所有的这些变化和修改及其它将在根据所附权利要求书的范围的本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于测量分子质量的质谱仪，其特征在于，包括用于产生分子的离子的电离装置，用于对所述离子产生作用以使它们来回振荡，由此使离子的振荡频率取决于其质量的装置，对应振荡离子配置的电子产生装置，某些振荡离子引发该电子产生装置以由离子的振荡频率所确定的频率产生电子，以及用于检测电子及其产生频率的检测器，根据所述电子及其产生频率可以计算出以该频率振荡的离子的质量。
2.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述电子产生装置由于和振荡离子碰撞而发射电子。
3.如权利要求2所述的质谱仪，其特征在于，所述电子产生装置是电极，它包括多个小孔，某些振荡离子可以通过这些小孔而其它的振荡离子和电极碰撞。
4.如权利要求3所述的质谱仪，其特征在于，电极是相对精细的金属网眼或网格。
5.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述用于对所述离子产生作用的装置是用于提供电场来反射离子以使它们来回振荡的电极。
6.如权利要求5所述的质谱仪，其特征在于，所述电极是一对分开的大体平行的电极，且其中，电极产生装置是位于这对电极之间的另一个电极，所述另一个电极包括多个小孔，某些振荡离子可以通过这些小孔而其它的振荡离子和所述另一个电极碰撞，使所述电极发射电子。
7.如权利要求6所述的质谱仪，其特征在于，所述另一个电极大体位于所述一对电极之间的中间位置且基本和所述一对电极平行。
8.如权利要求6所述的质谱仪，其特征在于，所述一对分开的大体平行的电极中至少一个包括多个小孔，某些振荡离子可以通过这些小孔，质谱仪包括一电子装置，用于降低所述至少一个电极的电位从而通过所述至少一个电极提取所选质量的振荡离子，该所选质量的振荡离子由于振荡频率不同而与不同质量的振荡离子分离。
9.如权利要求8所述的质谱仪，其特征在于，所述电子装置可将相对高的负电压脉冲施加到所述至少一个电极。
10.如权利要求8或权利要求9所述的质谱仪，其特征在于，所述至少一个电极是相对精细的金属网眼或网格。
11.如权利要求6所述的质谱仪，其特征在于，所述一对分开的大体平行的电极中至少一个包括多个小孔，由此相当数目的所产生的电子所述电极是可渗透的，且放置探测器来探测通过所述至少一个电极的所产生的电子。
12.如权利要求11所述的质谱仪，其特征在于，所述至少一个电极是相对精细的金属网眼或网格。
13.如权利要求1到12中任一项所述的质谱仪，其特征在于，所述检测器是渠道倍增器检测器。
14.如权利要求1到13中任一项所述的质谱仪，其特征在于，包括用于将分子导入质谱仪从而由电离装置电离的装置。
15.如权利要求14所述的质谱仪，其特征在于，所述用于导入分子的装置是喷嘴类型的样品注射器。
16.如权利要求15所述的质谱仪，其特征在于，所述用于导入分子的装置是脉冲喷嘴类型的样品注射器。
17.如权利要求14到16中的任意一项所述的质谱仪，其特征在于，所述电离装置是脉冲激光器。
18.用于质谱仪的方法，其特征在于，包括(i)电离样品的分子从而产生其离子，(ii)对离子产生作用以便使它们来回振荡，由此使离子的振荡频率取决于其质量，(iii)使某些振荡离子和电子产生装置相互作用，由此以由离子的振荡频率确定的频率产生电子，(iv)检测所产生的电子和其产生的频率，以及(v)根据步骤(iv)的频率确定结果，计算以该频率振荡的离子的质量。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤(ii)包括建立用于反射离子的电场以使它们来回振荡。
20.如权利要求18或权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤(iii)包括使某些振荡离子和电子产生装置碰撞，从而使该装置发射电子。
21.如权利要求18到20中任一项所述的方法，其特征在于，包括提取由于不同的振荡频率而和不同质量的振荡离子分开的所选质量的振荡离子的附加步骤。
22.如附加于权利要求19的权利要求21所述的方法，其特征在于，所述提取步骤包括暂时改变电场从而使所选质量的离子不被反射而通过所述电场。
全文摘要
描述了一种新的质谱仪(10)，其中将样品分子(26)电离并通过在真空腔(20)内的两个电极(12，14)之间建立的反射电场使之来回振荡。网眼电子产生电极(16)位于反射器电极(12，14)之间并通过当某些离子撞击网眼时振荡离子每次通过时的二次发射产生电子。在通过同样是网眼的反射器电极(12)之后检测(18)到二次电子。离子的振荡频率取决于其质量并且从来自每个电子产生事件的信号的频率分布中可以识别不同质量的离子。相比飞行时间质谱仪，本发明允许更紧凑的质谱仪器，且它比使用离子回旋加速共振的傅里叶变换质谱仪更廉价。
文档编号G01N27/62GK1507647SQ02809336
公开日2004年6月23日 申请日期2002年5月3日 优先权日2001年5月3日
发明者M·B·A·韦斯特, F·张, O·沃塔瓦, S·H·凯布尔, , M B A 韦斯特, 凯布尔 申请人:悉尼大学
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