專利名稱：質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)譜儀，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及一種傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
在分子結(jié)構(gòu)的探測(cè)和鑒定與化學(xué)和物理過(guò)程的研究中，廣泛使用高分辨率的質(zhì)譜儀。已知各種不同的技術(shù)，采用各種捕集和探測(cè)方法來(lái)產(chǎn)生質(zhì)譜。
一種這樣的技術(shù)就是傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR) 。 FT-ICR利用回旋共振的原理，其中，高頻電壓激發(fā)離子在ICR小室內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng)。在室中的離子，沿著相同的徑向路徑，但以不同的頻率，象相干束那樣沿軌道旋轉(zhuǎn)。圓周運(yùn)動(dòng)的頻率(回旋頻率)正比于離子的質(zhì)量，裝置了一組探測(cè)器電極，并由相干的沿軌道旋轉(zhuǎn)的離子在它們中感應(yīng)出鏡象電流。探測(cè)到的信號(hào)幅度和頻率指示出離子的數(shù)量和質(zhì)量。通過(guò)進(jìn)行該"瞬態(tài)"(即在探測(cè)器電極處產(chǎn)生的信號(hào))的一次傅里葉變換，就可獲得質(zhì)譜。
FT-ICR之所以引起注意是它超高的分辨率(在某種情況下，最高可達(dá)1,000， 000，而一般來(lái)說(shuō)，超過(guò)100， 000已不錯(cuò)了)。但是，為了獲得如此高的分辨率，重要的是，應(yīng)把各種系統(tǒng)參數(shù)選擇到最佳的狀態(tài)。例如，眾所周知，如果在FT-IVR小室中的壓力升至約2X10—9mbar之上時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地降低FT-ICR室的性能，這時(shí)該小室的設(shè)計(jì)和對(duì)提供造成離子回旋運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)的磁體設(shè)置了限制。在室內(nèi)的空間屯荷問(wèn)題(它影響分辨率)也影響小室的設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，當(dāng)該室采用靜電注入到該室，或是采用多極注射裝置(參閱US-a-4,535,235)由外部源提供離子時(shí)，已經(jīng)知道，希望行程效果時(shí)間為最小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)法提供一種改良的FT-ICR質(zhì)譜分析儀裝置。尤其是，本發(fā)明設(shè)法提供一種改良的FT-ICR質(zhì)譜分析儀的幾何結(jié)構(gòu)，以及，另外或用另一種方法，對(duì)從外部源把離子注入到FT-ICR室中的系統(tǒng)改進(jìn)。
在第一方面中，本發(fā)明提供一種用于離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀的測(cè)量小室和磁體裝置，包括包括具有帶著縱軸的磁體腔的電磁體的磁體組件，該電磁體準(zhǔn)備用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其場(chǎng)線一般在與所述縱軸平行的方向上延伸，以及在所述電磁體的腔內(nèi)配置FT-ICR測(cè)量小室，該室具有室壁，在室壁的范圍之內(nèi)，限定用于容納來(lái)自外離子源的離子的室容積，該室在電磁體的縱軸方向上延伸，且一般來(lái)說(shuō)，與其共軸；其中磁體腔的截面積對(duì)該室容積的截面積的比率R小于4. 25，每個(gè)截面積都被定義于與所述縱軸垂直的平面上。
測(cè)量小室和磁體的電流配置往往會(huì)有磁體腔部分對(duì)測(cè)量小室部分的顯著較高的比率。例如，在以產(chǎn)品名稱為Finnigan FT/MS下，由申請(qǐng)人出售的早先FT-ICR產(chǎn)品，具有7左右的R值。
在包含測(cè)量小室的真空室中的壓力必須盡可能的低一正如在引言中提及的， 一般來(lái)說(shuō)，在約2X10—9mbar以上的壓力對(duì)分辨率會(huì)有有害的效果，這對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟知的。所以，至今己懂得，對(duì)于小室，真空室必需具有相對(duì)大的內(nèi)直徑，以對(duì)真空泵抽的限制減到最小。這又使磁體腔直徑要相對(duì)地大，來(lái)適合這種真空室。
另一方面，大直徑的測(cè)量小室是理想的，因?yàn)樗鼫p少空間電荷效應(yīng)。
申請(qǐng)人已意外地發(fā)現(xiàn)，可省去較大直徑的真空室。離子流是每秒10"克的數(shù)量級(jí)，所以， 一旦抽空到低壓時(shí)，真空室基本上無(wú)超高真空的污染源可容納。因此，已意識(shí)到，僅當(dāng)系統(tǒng)(真空室) 一開始被抽空時(shí)的時(shí)刻。泵抽速度是恰當(dāng)?shù)摹?br> 通過(guò)把磁體腔的截面積減到最小，可獲得一些好處。首先，磁體腔面積越小，這種磁體的制造成本(通常)就越低，特別是在較佳的實(shí)施例中，在此實(shí)施例中的磁體是在氦浴中工作的超導(dǎo)體磁體。對(duì)一給定的磁體，相對(duì)較大的測(cè)量小室的面積，也使空間電荷效應(yīng)減到最小。在該較佳實(shí)施例中，磁體腔和測(cè)量小室， 一般各是直圓柱形的。如果是那
樣，其磁體的內(nèi)直徑小于100mm， R值應(yīng)小于4.25，而其磁體內(nèi)直徑在100mm 和150mm之間時(shí)，R值可以低到2. 85或甚至更小。在該最佳實(shí)施例中，R是2.983。 對(duì)與短(在縱向上)真空室配合的小R值和磁體的組合，有特殊的好處。 這意味著把真空室的容積減到最小，這就減少了初始的室抽空時(shí)間。最佳的是， 在入射離子方向上，從磁體中心到磁體末端的縱向方向上的距離是600mm或更小。
較佳的是，磁體是非對(duì)稱的，也就是說(shuō)，幾何的和磁的中心不是重合的， 在離子注入側(cè)，磁體到磁中心的長(zhǎng)度要保持短。
較佳的是，把該小室裝于真空室中。較佳的是，把小室或真空室做成懸臂 伸出，即由小室前面(即上游)的一點(diǎn)來(lái)支撐，以前的系統(tǒng)已由另一側(cè)(即由 注射側(cè)對(duì)面的末端)固定小室，由于這樣的做法先前已被認(rèn)為是較佳的，所以 隨著到末端凸緣的距離于是就較短。最佳的是，鈦或一種同樣有彈性的非磁性 材料被用作支持物，尤其是，多個(gè)徑向隔開的管子被用來(lái)使小室和/或真空室 從上游結(jié)構(gòu)伸出懸臂。
較佳的是，小室和/或真空室能夠移動(dòng)，例如，在精確的軌道上滑行，進(jìn) 入或離開磁體腔。通過(guò)在小室的背面安裝電接觸點(diǎn)，和通過(guò)在小室后面的一固 定點(diǎn)上，提供相應(yīng)的電接觸點(diǎn)，則可從小室的遠(yuǎn)(背面)側(cè)提供到小室電極的 射頻電源。因?yàn)檫@樣能使用相對(duì)短的電導(dǎo)線，經(jīng)又改善了信噪比。而且，由于 同樣的理由，可縮短把信號(hào)從FT-ICR內(nèi)的探測(cè)器傳送到信號(hào)放大和處理級(jí)的 電線，而這點(diǎn)改善了對(duì)離子探測(cè)的信噪比。因此，本發(fā)明在一較佳實(shí)施例中， 由帶有從對(duì)面、背側(cè)的電接觸的第一、前側(cè)提供對(duì)小室的支撐，最佳的是，當(dāng) 把小室鑲?cè)氲剿恼婵胀庹种袝r(shí)，使用導(dǎo)桿固定該小室。
由于是長(zhǎng)的均勻磁場(chǎng)區(qū)(例如至少80mm)，所以在選擇可被探測(cè)到的質(zhì)量 范圍最佳的條件中，相對(duì)長(zhǎng)的小室(例如80mm)也是較佳的。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種離子回旋共振(ICR)質(zhì)譜儀，包括 產(chǎn)生待分析離子的離子源裝置準(zhǔn)備容納和捕集所產(chǎn)生離子的離子存儲(chǔ)裝置； 在離子源和離子存儲(chǔ)裝置之間配置的離子透鏡，用于當(dāng)離子從源通過(guò)到存儲(chǔ)裝 置時(shí)，聚集和/或過(guò)濾離子，以及如上面列舉的一種裝置還帶有離子導(dǎo)引裝置，配置在離子存儲(chǔ)裝置和小室與磁體裝置的測(cè)量小室之間，以把來(lái)自離子存儲(chǔ)裝 置的離子導(dǎo)引并聚集到測(cè)量小室，為在那里作質(zhì)譜分析。
在本發(fā)明的另外一個(gè)方面中，提供一種質(zhì)譜儀，包括用于產(chǎn)生待分析離 子的離子源；離子捕集器，以容納這些所產(chǎn)生的離子；離子透鏡裝置，以把來(lái) 自源的離子導(dǎo)引到離子捕集器中；具有固定在磁體腔之內(nèi)的測(cè)量小室的FT-ICR 質(zhì)譜儀，該小室是在磁體前面的下游處，該FT-ICR質(zhì)譜儀還包括探測(cè)裝置， 以探測(cè)注入到測(cè)量小室中的離子；離子導(dǎo)引裝置，被配置于離子捕集器和 FT-ICR質(zhì)譜儀之間，以把從捕集器射出的離子導(dǎo)引到FT-ICR質(zhì)譜儀中，為在 那里產(chǎn)生質(zhì)譜；以及用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電源供給，以加速在離子源和測(cè)量小金之 間的離子；其中，該電源供給被構(gòu)筑成提供一個(gè)電位，該電位把來(lái)自源或離子 捕集器的離子加速到動(dòng)能E，并剛好緊接在測(cè)量小室的前面，和磁體前表面的 下游的一個(gè)位置處把所述離子減速。
就FT-ICR質(zhì)譜儀來(lái)說(shuō)的一個(gè)已知問(wèn)題是，當(dāng)離子從離子源到測(cè)量小室行 進(jìn)時(shí)，有離子的行程分離時(shí)間的引進(jìn)。概括地說(shuō)，可把現(xiàn)有的系統(tǒng)分成兩大類。
用于FT-ICR的離子注射系統(tǒng)的第一類型是一種所謂的靜電注射系統(tǒng)。此 外，離子是通過(guò)靜電透鏡系統(tǒng)，從離子源被導(dǎo)引到FT-ICR的測(cè)量小室。為了 用磁反射針對(duì)被覺察到的問(wèn)題，這種系統(tǒng)已采用高的靜電電位差和強(qiáng)的靜電聚 焦。因此，用高達(dá)幾百伏的高電壓，把離子加速到高速度，于是在FT-ICR磁 體的散射場(chǎng)中被減速。這電位是這樣來(lái)設(shè)定的，使得靜電的Einzel透鏡聚集 離子束。在幾個(gè)電子伏特相對(duì)低的動(dòng)能下，離子從靜電注射系統(tǒng)的最后透鏡行 進(jìn)，通常稱之為"自由行程區(qū)"。這個(gè)低動(dòng)能行進(jìn)的距離可以是在30-40cm左 右，它是離子所行進(jìn)的總距離的20-30%左右。這種情況引入了行程效果的時(shí) 間，其中，較輕質(zhì)量的離子在較重質(zhì)量的離子之前到達(dá)該小室，并可優(yōu)先地被 捕集在該小室中。
在第二種裝置中，在下文被稱為"多極注射"，使用一排多極離子導(dǎo)引器， 以把離子從離子捕集器注入到FT-ICR測(cè)量小室。為了能在該小室中俘獲，采 用了各種捕集的方案，諸如閘門捕集，在離子和其它粒子之間的動(dòng)能交換(碰 撞捕集)，或在不同運(yùn)動(dòng)方向之間的動(dòng)能交換，如已描述的，例如在Gaffari 禾口 Conti的"Experimental Evidence for Chaotic Trausport in a PositronTrap"中，刊于Physical Review Letters 75(1995), No. 17，第3118-3121 頁(yè)。但是，在每種情況中，離子必須要有小的動(dòng)能分布，最佳的是，具有小于 1電子伏特的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差寬度。在沒有這種小的動(dòng)能分布的情況下，只有一 部分離子束被捕集。
因此，對(duì)于多極注射技術(shù)來(lái)說(shuō)，它是加速離子的常見的實(shí)踐應(yīng)用，這種離 子通常為幾個(gè)電子伏特，且一般不超過(guò)10電子伏特的，以非常低的能量從存 儲(chǔ)捕集器(不論是2D或3D的射頻捕集器，磁捕集器，或其它)發(fā)射的。
這裝置的問(wèn)題在于，盡管離子俘獲達(dá)到最大，但因?yàn)樾谐绦Ч麜r(shí)間隨綜合 行程時(shí)間而增加，所以質(zhì)量范圍被折衷。
申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采取一切努力，以保持行程距離短，并保證仔細(xì)地導(dǎo) 引離子，則可在源或離子捕集器之間，自始至終直至測(cè)量小室使用高的能量。 例如，電源供給可提供一電位，以便把來(lái)自離子源和/或離子捕集器的離子加 速到超過(guò)20電子伏特，更佳的是，超過(guò)50電子伏特，而最佳的是在50和60 電子伏特之間，直接通過(guò)系統(tǒng)到測(cè)量小室?？疾炝硪环椒?，在升高的電位下， 離子從離子源，或離子捕集器行進(jìn)到測(cè)量小室，至少達(dá)綜合距離的90%。正如 在上面闡明的，在現(xiàn)有技術(shù)的靜電注射系統(tǒng)中， 一般來(lái)說(shuō)，僅為從離子源到該 小室總距離的65到80%維持較高的電位。就典型的多極注射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，離子完 全不會(huì)在提高的動(dòng)能下行進(jìn)。
因此，本發(fā)明這方面的裝置顯著地減少了不希望有的行程分布的時(shí)間。結(jié) 果，該裝置能獲得質(zhì)量范圍為M(高)二1(TM(低)。在目前的工藝水平，具有外 部源的FT-ICR質(zhì)譜儀，其質(zhì)量范圍通常是M(高)二1.6-3'M(低)。
在不擴(kuò)展動(dòng)能分布的情況下，為了有可能采用高速離子注射，使質(zhì)譜儀裝 置的幾何結(jié)構(gòu)最佳化，這是有益的。例如，具有小內(nèi)半徑(一般是小于4nmi， 最佳的是小于2.9mm)的注射多極的采用，降低了動(dòng)能擴(kuò)展。
那些在本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員是覺察到的，就是即使當(dāng)把多極離子導(dǎo)引 器安裝得較為不準(zhǔn)確，它們還是能滿意地工作的。再有，在本發(fā)明的一較佳實(shí) 施例中，在離子導(dǎo)引裝置之內(nèi)的透鏡和/或多極被精確地對(duì)準(zhǔn)，且最佳的是， 具有離最佳值小于O. lmm的偏差。同樣，這也被發(fā)現(xiàn)能減少離子的動(dòng)能分布。
概括地說(shuō)，為使對(duì)于離子的外部注入到FT—ICR小室中的離子行程距離最佳化，應(yīng)合意地考慮下列中的至少一項(xiàng)。較佳的是，要把下列特性的至少50 %結(jié)合于具體實(shí)施本發(fā)明一個(gè)方面的系統(tǒng)中。
(a) 應(yīng)該釆用能提供來(lái)自離子源的離子束有良好聚焦的多極離子導(dǎo)引器
即透鏡系統(tǒng)。
(b) 多極離子導(dǎo)引器和/或透鏡應(yīng)具有小的內(nèi)直徑，而應(yīng)使在各級(jí)之間有
差速的泵抽最佳化。
(c) 可使用小直徑真空泵。
(d) 應(yīng)使真空外殼最優(yōu)化，以把盲區(qū)減到最小，而這可包括具有低的或 無(wú)限制的稍為彎曲的泵抽路徑，以通過(guò)泵和凸緣把空間消耗減到最小。
(e) 多極/透鏡/多極組件應(yīng)是高精度的，以把在加速下的離子損耗減到 最小，并使傳輸?shù)叫⊥哥R的離子達(dá)到最大。
(f) 由于行程分布的時(shí)間隨離子速度的增加而減小，所以，較佳的是， 讓離子加速最優(yōu)化。
(g) 盡可能增加測(cè)量小室的長(zhǎng)度。較佳的是，這需要下列各點(diǎn)
(h) 使用具有長(zhǎng)的均勻區(qū)的磁體；
(i) 鄰近多極引出透鏡的一個(gè)短的減速區(qū)，把大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能， 在該小室內(nèi)，后面有一長(zhǎng)且平緩的減速區(qū)，以除去最后幾個(gè)百分?jǐn)?shù)的動(dòng)能；
(j)通過(guò)在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的離子捕集器中的冷卻，通過(guò)注射電位的正常選 擇與計(jì)時(shí)，禾tV或通過(guò)離子導(dǎo)引系統(tǒng)的精確加工，以把能量分布的未預(yù)見到的 或非確定的展寬減到最小，來(lái)使所注入離子的動(dòng)能擴(kuò)展成為最小。
(k)使在其中安裝測(cè)量小室的真空室的容積成為最小，以減小可泵抽的容積。
CD在注射路徑上，使注射路徑與磁場(chǎng)方向的對(duì)準(zhǔn)最佳(較佳的是，在 注射路徑方向和磁場(chǎng)方向之間的偏差小于。
(m)最后，在離子俘獲期間，要把測(cè)量小室的電位與將離子注入到那個(gè) 測(cè)量小室的離子捕集器的電位盡可能地保持接近，被認(rèn)為是有益的。
本發(fā)明還推廣一種質(zhì)譜儀的方法，包括(a)在離子源，產(chǎn)生待分析的 離子；(b)把所產(chǎn)生的離子導(dǎo)引到離子捕集器中；(c)從該捕集器射出離子； (d)把從離子捕集器射出的離子導(dǎo)引到具有安裝在磁體腔之內(nèi)的測(cè)量小室的FT—ICR質(zhì)譜儀中，該小室被配置在那磁體的前表面的下游處；(e)把來(lái)自離 子源或離子捕集器的離子，加速到FT—ICR質(zhì)譜儀的測(cè)量小室；(f)在剛好 緊接著測(cè)量小室上游的一個(gè)位置上，減速離子，該位置是磁體前表面的下游；
以及(g)在測(cè)量小室內(nèi)探測(cè)離子。
通過(guò)所附權(quán)利要求書和從隨后的較佳實(shí)施例的專門描述的評(píng)述，將會(huì)明白 理解本發(fā)明的另一些較佳特性。
附圖簡(jiǎn)述
現(xiàn)在將描述僅作為例子的本發(fā)明一實(shí)施例，并參考下列諸圖，其中


圖1示意地示出包括傅里葉變換離子回旋共振(FT — ICR)質(zhì)譜儀的測(cè)量小
室的質(zhì)譜儀系統(tǒng)(為了清晰起見，在圖1中未示出用于這種系統(tǒng)的磁體)；
圖2a示出更詳細(xì)的圖1的一部分系統(tǒng)的特寫圖，包括測(cè)量小室，但沒有
真空系統(tǒng)；
圖2b示出圖2a的系統(tǒng)，但包括真空外殼；
圖3示出圖1和2測(cè)量小室的更為詳細(xì)的特寫圖，所以還有真空外殼； 圖4示出在超導(dǎo)磁體腔內(nèi)安裝的、圖1到3的測(cè)量小室； 圖5示出測(cè)量小室和超導(dǎo)磁體腔在軸向和徑向方向較佳的有關(guān)尺寸； 圖6a和6b示出能讓圖1到圖4的小室移進(jìn)(圖6a)和移出(圖6b)圖4 的磁體的軌道裝置；以及
圖7示出圖1系統(tǒng)的較佳電位分布。
具體實(shí)施例方式
首先參閱圖1,圖中示出具體實(shí)施本發(fā)明質(zhì)譜儀系統(tǒng)的高度示意的裝置。 在離子源10中產(chǎn)生離子，它可能是一種電噴射離子源(ESI)，由基質(zhì)輔
助的激光離子解吸離子化(MALDI)源，或諸如此類的源。較佳的是，該離子
源是在大氣壓下。
在離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)過(guò)諸如具有差速泵抽的一個(gè)或多個(gè)多極的離子透 鏡系統(tǒng)20被傳輸。差速泵抽以轉(zhuǎn)移離子從大氣壓降到相當(dāng)?shù)偷膲毫?，在本領(lǐng) 域中是熟知的，因此，不作進(jìn)一步的描述。離開多極離子透鏡20的離子，進(jìn)入離子捕集器30。離子捕集器可以是2 一D或3 — D的射頻捕集器，多極捕集器或任何其它適宜的離子存儲(chǔ)裝置，包括 靜態(tài)電磁或光學(xué)的捕集器。
離子從離子捕集器30被射出，經(jīng)過(guò)第一透鏡40，進(jìn)入第一多極離子導(dǎo)引 器50。從這里，離子經(jīng)第二透鏡60進(jìn)入第二多極離子導(dǎo)引器70，然后，經(jīng)過(guò) 第三透鏡80進(jìn)入相對(duì)較長(zhǎng)的第三多極離子導(dǎo)引器90。較佳的是，各種多極離 子導(dǎo)引器和透鏡，對(duì)彼此來(lái)說(shuō)，是精確地對(duì)準(zhǔn)的，使得與最佳值的偏差小于 0， lmm。
在圖l的裝置中，各多極離子導(dǎo)引器50， 70和90的內(nèi)直徑(由多極中的 桿所限定)是5. 73mm，透鏡40， 60和80具有內(nèi)直徑，較佳的是，為2 — 3mm。 使用具有小內(nèi)半徑的注射多極，有助于改善當(dāng)離子經(jīng)多極離子導(dǎo)引器通過(guò)時(shí)， 在不展寬離子功能分布的情況下，以高速度的離子注射。另外，在差速泵抽的 約束之內(nèi)，要維持透鏡的內(nèi)直徑對(duì)多極的內(nèi)直徑之比盡可能地接近于1是合乎 需要的。這樣，可把動(dòng)能的擴(kuò)展降到最小。
在第三多極離子導(dǎo)引器90的下游末端處，是一引出口閘門透鏡110，它確 定了第三多極導(dǎo)引器和測(cè)量小室100的界限，測(cè)量小室100是傅里葉變換離子 回旋共振(FT—ICR)質(zhì)譜儀的一部分。通常，測(cè)量小室100包括一組如圖1 所示的圓柱形電極120—140，以使在該小室之內(nèi)，把電場(chǎng)施加到離子，與磁場(chǎng) 相結(jié)合，就造成回旋共振，正如在本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所理解的。
要把引出口閘門透鏡110的內(nèi)直徑選得略小于多極內(nèi)直徑(它較佳的是 5. 73mm)，因?yàn)閬?lái)自FI — ICR磁體(未在圖1中示出)在那個(gè)點(diǎn)的磁導(dǎo)引場(chǎng)是 如此之強(qiáng)，所以當(dāng)離子在磁場(chǎng)相對(duì)地可忽略的上游位置時(shí)，它們不會(huì)經(jīng)過(guò)透鏡 被"拉出"。
通過(guò)采用被屏蔽的磁體，在第三透鏡80處的磁場(chǎng)實(shí)際上為零。這種主動(dòng) 屏蔽磁體的另一好處就是它使高性能渦輪泵可安裝在靠近磁體表面，以便提供 較佳的泵抽和較短的行程時(shí)間。因?yàn)閬?lái)自未屏蔽磁體的磁場(chǎng)會(huì)毀壞采用轉(zhuǎn)動(dòng)配 件的泵，所以先前的設(shè)備采用遠(yuǎn)離磁體的擴(kuò)散泵，而不能把具有大的金屬質(zhì)量 的擴(kuò)散泵裝得太靠近磁體，否則，它們將使磁場(chǎng)畸變。
要知道，尺寸可能在離子源10產(chǎn)生離子，并直接從那里傳輸?shù)綔y(cè)量小室100中，但它們可代之以從離子捕集器30被射出，用于在第一多極離子導(dǎo)引器
50中的進(jìn)一步存儲(chǔ)，而隨后的通路，則從那里進(jìn)入測(cè)量小室IOO中。
在典型的工作環(huán)境下，在圖1系統(tǒng)內(nèi)的壓力，在離子源10的壓力為大氣 壓，在離子捕集器30為10—3mbar左右，在第一多極離子導(dǎo)引器50為10—5mbar， 在第二多極離子導(dǎo)引器70為10—7mbar;而在第三多極離子導(dǎo)引器和從那里的 下游(尤其是，和在測(cè)量小室100)中為10—9mbar。為保持良好的質(zhì)譜分辨率， 在測(cè)量小室中，這樣低的壓力是重要的。
在多極50， 70， 90的其中一個(gè)中，離子的動(dòng)能是當(dāng)離子或是從離子捕集 器30或是從第一多極離子導(dǎo)引器50被射出時(shí)的離子的初始電位，和在相關(guān)的 上游多極離子導(dǎo)引器50， 70， 90中的電位之差的結(jié)果。在測(cè)量小室100中的 離子動(dòng)能是在初始電位和測(cè)量小室電位之間之差的結(jié)果。因?yàn)殡妶?chǎng)一般是成馬 鞍形的，所以在離子捕集器30或第一多極離子導(dǎo)引器50上的電位，而須略高 于小室的電位，例如，在圖1中圓柱形電極140所限定的小室電位。
動(dòng)能擴(kuò)展和束流發(fā)散隨著多極離子導(dǎo)引器和透鏡組件50 — 90的機(jī)械不精 確加速電壓，和多極離子導(dǎo)引器的直徑而增加。但是，功能擴(kuò)展和束流發(fā)散隨 著導(dǎo)引電位的強(qiáng)度而降低。因此，來(lái)自較高加速電壓所增加的動(dòng)能擴(kuò)展，可通 過(guò)正常的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)和選擇具有高的有效導(dǎo)引電位的小直徑多極來(lái)補(bǔ)償。透鏡對(duì) 準(zhǔn)和由兩個(gè)連接的并極為精確地對(duì)準(zhǔn)的多極的多極離子導(dǎo)引器90的結(jié)構(gòu)是有 益的。尤其是，規(guī)定容許偏差為小于+ Z — 0.5mm，且在某些地方更小。
不同極的加速電位示于圖1中的各級(jí)的上面。當(dāng)然，要知道這些電位僅是 示范性的。離子捕集器30的電位為0V，而它的長(zhǎng)度約為50mm。第一透鏡40 的電位為一5V。第一多極離子導(dǎo)引器50的電位為一10V，而這導(dǎo)引器還有約50咖 的長(zhǎng)度。第二透鏡60具有一50V的電位，第二多極有一50V同樣的電位(具有 約120mm的長(zhǎng)度)，以及第三透鏡80具有一110V的電位。第三多極離子導(dǎo)引 器90的長(zhǎng)度約為600ram，并有一60V的電位。引出口/閘門透鏡110具有一8V 的電位，而測(cè)量小室100較佳的是在0V，關(guān)于電極130和131則分別在+ / — 2V。在小室100中諸電極上的不同電壓一起提供在該小室內(nèi)的電位，該小室具 有在小室100內(nèi)帶有某種動(dòng)能擴(kuò)展的離子的諸轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以致在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的離子 是靜止的，然后，通過(guò)這電位反向加速。這又提供了足夠的時(shí)間來(lái)接近小室，并在小室100內(nèi)切換到存儲(chǔ)/探測(cè)，此處替代施加"呈盤子狀"的電位，如朝
向圖7的右手部分底部所示。測(cè)量小室100的端部表面111被固定在2V，以提 供捕集電位。
下面將描述在測(cè)量小室100中，對(duì)電極的電源供給方式，尤其是結(jié)合圖3。 由于在上面描述的電位，來(lái)自源的離子被加速，然后，以相當(dāng)高的能量行 進(jìn)一直到小室100。在圖7中示意地示出所受到的電位。將注意到，尤其是， 當(dāng)離子進(jìn)入磁體時(shí)，它們?nèi)砸?0電子伏特的能量在作傳輸，并在測(cè)量小室IOO 用長(zhǎng)而平坦的減速電位來(lái)減速。
作為一種選擇，可把離子存儲(chǔ)在OV的第三多極離子導(dǎo)引器中。 現(xiàn)在參考圖2a，更詳細(xì)地示出從第一多極離子導(dǎo)引器50向前的系統(tǒng)部分。 特別是，圖2a示出用于小室100和用于離子轉(zhuǎn)移透鏡的支撐結(jié)構(gòu)200。 支撐結(jié)構(gòu)200是由諸如鈦或鋁的非磁性材料制成。支撐結(jié)構(gòu)200是用機(jī)械 的方法連接到透鏡固定器81，它又支撐第三透鏡80。較佳的是，支撐結(jié)構(gòu)本 身是由通過(guò)鋁襯墊220互連的鈦管210， 211形成?？墒褂闷渌谴判圆牧?， 但是采用重量輕的材料是有益的，因?yàn)樗苊鈴澢?br> 圖2a還示出電接觸系統(tǒng)300的一部分，將在下面結(jié)合圖3描述該系統(tǒng)。 從圖2a注意到小室100是由支撐結(jié)構(gòu)從注射側(cè)所支撐住是重要的，就是 說(shuō)，它被做成懸臂伸出，即從透鏡固定器81被支撐住(雖然它可從小室的任 何其它適宜的點(diǎn)上游被支撐住)。這也有助于改善系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)精確度。
在下面，將結(jié)合圖4來(lái)解釋測(cè)量小室100可移進(jìn)和移出超導(dǎo)磁體的方式。 參考圖2b，示出圖2a的裝置，但是具有各種所附著的真空外殼。更準(zhǔn)確 地說(shuō)，把第二透鏡60，第二多極離子導(dǎo)引器70，第三透鏡80和部分第三多極 離子導(dǎo)引器90密封在內(nèi)的轉(zhuǎn)移塊真空室230具有排氣孔250， 251，以實(shí)現(xiàn)泵 抽。通過(guò)鄰近排氣孔251的機(jī)械裝置(未在圖2b中示出)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)， 這裝置可利用杠桿使測(cè)量小室100作X — Y移動(dòng)。
從圖2b要注意的另一重要特點(diǎn)是，小室100的內(nèi)直徑，相對(duì)于在其中安 裝它的小室真空室240的直徑來(lái)說(shuō)是大的。換句話說(shuō)，在測(cè)量小室100的內(nèi)直 徑和小室真空室240的內(nèi)直徑之間有著最小的距離。小室100與鈦管211共有 徑向空間，鈦管被部分地切去，以在那點(diǎn)上為小室IOO提供更多的空間。用這樣一種裝置，從上游(注射)側(cè)可較容易地實(shí)現(xiàn)把小室ioo鑲?cè)氲叫?br> 室真空室240中。這就不需要在小室真空室240之內(nèi)，測(cè)量小室100的背(非 注射)側(cè)構(gòu)筑凸緣。
現(xiàn)在參考圖3，示出了測(cè)量小室IOO和小室真空室240的更進(jìn)一步的特寫 圖。將看到，對(duì)圓柱形電極(在圖1中的120—140)的電壓供給是來(lái)自背面(即， 來(lái)自在圖3中觀看的右面)。對(duì)測(cè)量小室100電極的電接觸，通過(guò)形成部分支 撐結(jié)構(gòu)的背后表面逐個(gè)獲得。這背后表面提供用于鈦管210， 211的終端即安 裝表面，并還起著在其內(nèi)安裝自對(duì)準(zhǔn)接觸320的端塊的作用。這些是穿過(guò)支撐 結(jié)構(gòu)200的背后表面290來(lái)安裝的，并適合于與穿過(guò)小室真空室240的背墻(再 --次如在圖3中看到的)延伸的相應(yīng)的銷子即突出部310接合。這個(gè)裝置讓電 接觸從系統(tǒng)外部直至測(cè)量小室的電極，同時(shí)，使支撐結(jié)構(gòu)200，從而測(cè)量小室 100，相對(duì)于小室真空室240的機(jī)械自對(duì)準(zhǔn)。后者本身又可在磁體內(nèi)被精確地 安裝(正如將結(jié)合圖6a和6b，在下面解釋的)，以致測(cè)量小室100與磁場(chǎng)線 的全部對(duì)準(zhǔn)是最優(yōu)化的。在背側(cè)(即，遠(yuǎn)離注射到測(cè)量小室100的一側(cè))具有 接觸的另一個(gè)好處是引線可以相對(duì)地短。是從探測(cè)器到放大電路的探測(cè)引線 (未示出)改善對(duì)離子探測(cè)的信噪比。
較佳的是，測(cè)量小室是相對(duì)地長(zhǎng)，并在該較佳實(shí)施例中，具有80mm的存 儲(chǔ)區(qū)。同樣，較佳的是，由磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)(未在圖3中示出)，至少在那個(gè) 80mm的長(zhǎng)度上是均勻的。
現(xiàn)在參考圖4，示出測(cè)量小室100和它在超導(dǎo)磁體400之內(nèi)的位置的示意 圖。超導(dǎo)磁體400包括超導(dǎo)線圈410，氦浴420，熱屏蔽430，真空絕緣440和 氦浴450。所有這些特性對(duì)在本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是熟知的，將不作進(jìn)一 步的描述。
為了清晰起見，在圖4中，不示出小室真空室240，支撐結(jié)構(gòu)200和多極 離子導(dǎo)引器50， 70， 90。
在磁體線圈410的前面和真空絕緣材料440之間是空間480。較佳的是， 線圈在那空間480的方向移動(dòng)，以便縮短從磁體(它與測(cè)量小室100的幾何中 心一致)向系統(tǒng)的一個(gè)端的距離。較佳的是，雖然未在圖4中示出，但是，磁 體是非對(duì)稱的，以致可在注射側(cè)保持短的磁體長(zhǎng)度。尤其是，從前板到磁場(chǎng)中
14心的距離小于600匪是有益的。
把小室100 (和小室真空室240)安裝在其中安放超導(dǎo)磁體的致冷器的腔 460之內(nèi)。將會(huì)知道，腔460具有狹于超導(dǎo)線圈410的腔495的直徑490。
圖5示出圖4部件的有關(guān)面積。測(cè)量小室100的內(nèi)直徑面積由區(qū)域500示 出。這具有小室半徑501。在圖5中，用參考數(shù)字511示出磁體的內(nèi)半徑(就 是說(shuō)，在圖4中磁體腔490的半徑)，而這是面積510的半徑。最后，參考數(shù) 字521指出在磁體的磁中心(較佳的是，它和測(cè)量小室100的幾何中心相符合) 到磁體的較接近的端表面之間的軸向長(zhǎng)度，較佳的是，這磁體在幾何上是非對(duì) 稱的，正如在上面所解釋的。我們定義比率R，它是在磁體腔內(nèi)、在垂直于磁 體腔縱軸的平面上測(cè)量的截面積510，相對(duì)于測(cè)量小室100的內(nèi)部的面積(在 圖5中參考數(shù)字500)之比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)具有磁體內(nèi)直徑小于100mm的系統(tǒng)， 特別是對(duì)較佳的圓柱形小室，R應(yīng)小于4.25。在大多數(shù)我們通常實(shí)現(xiàn)的較佳儀 器中，采用具有內(nèi)直徑為55mm和磁體腔直徑為95mm的小室，為的是使R = 2.983。選擇小的R，結(jié)合短長(zhǎng)度的真空系統(tǒng)和磁體，會(huì)有特殊的好處，例如， 具有小的R和小于600mm的距離521，會(huì)有特殊的好處。
對(duì)具有其直徑511在IOO和150ram之間的磁體的系統(tǒng)，較佳的是，R應(yīng)小 于2. 85。例如，以前的系統(tǒng)具有超過(guò)7的R。
最后參考圖6a和6b，示出高精度軌道系統(tǒng)530。這系統(tǒng)支承圖1的系統(tǒng) (離子源，離子導(dǎo)引器，測(cè)量小室和測(cè)量小室的支撐結(jié)構(gòu))，與超導(dǎo)磁體400 有關(guān)。這結(jié)構(gòu)可在AA'方向移動(dòng)至室溫的超導(dǎo)磁體400的腔中，正如分別在圖 6a和6b所見到的。
權(quán)利要求
1. 一種用于離子回旋共振質(zhì)譜儀的裝置，包括磁體組件，包括具有帶縱軸的磁體腔的電磁體，所述電磁體被配置成產(chǎn)生具有場(chǎng)線的磁場(chǎng)，所述場(chǎng)線通常在所述縱軸的平行方向延伸；以及傅里葉變換離子回旋共振測(cè)量小室，配置于所述電磁體的腔內(nèi)，所述小室具有諸室壁，在諸室壁內(nèi)限定了用于容納來(lái)自外部離子源的離子的小室容積，所述小室在電磁體的縱軸方向延伸，并通常與它共軸；其中，磁體腔的截面積對(duì)小室容積的截面積之比率R小于4.25，各個(gè)截面積都被定義在垂直于所述縱軸的平面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述磁體腔和所述測(cè)量小室通 常各是直的圓柱體，以及所述磁體腔的直徑小于150mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述磁體腔的直徑大于100mm， 以及R小于2.85。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述磁體腔的直徑小于100mm， 以及限定所述小室容積的室壁的內(nèi)直徑至少是48.6mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述磁體組件還包括配置來(lái)安 裝所述電磁體的外殼，所述外殼限定小于磁體腔的外殼腔，所述外殼腔適于安裝所 述測(cè)量小室。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述磁體組件電磁體是超導(dǎo)磁 體，所述外殼起著致冷器的作用，用來(lái)把電磁體的線圈維持在低于使它們處于超導(dǎo) 狀態(tài)的溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括安裝所述測(cè)量小室的可抽空的室，所 述可抽空的室被配置在磁體腔內(nèi)使用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量小室的軸向中心被設(shè) 置于在軸方向上遠(yuǎn)離電磁體的幾何中心。
9."士日j:B卡n-ll面"^r O f^C二+iVi壯頃 甘斗力4工w工 f;-二士出7T^:>Nr曰六dh3Tf f/^rVi々iS^口以致所述磁體腔縱軸方向上的磁中心與所述磁體腔縱軸方向上的幾何中心不同。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電磁體被配置來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)在磁體腔縱軸方向的至少70mm的長(zhǎng)度上基本上是均勻的，其中小 室的長(zhǎng)度在那個(gè)相同方向上同樣是至少70mm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量小室具有限定一開 口的前表面，通過(guò)所述開口接收來(lái)自上游方向的離子，以及所述測(cè)量小室被做成懸 臂伸出，即從所述上游方向上的一個(gè)位置被支撐。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量小室具有限定一開 口的前表面，通過(guò)所述開口接收來(lái)自上游方向的離子；在所述前表面對(duì)面的后表面， 在跨越該小室容積產(chǎn)生電場(chǎng)的多個(gè)電極；以及探測(cè)裝置，所述后表面包括至少一個(gè) 適于與至少一個(gè)相應(yīng)的電源供給接觸的外部電接觸，和/或探測(cè)器信號(hào)處理裝置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，所述測(cè)量小室相對(duì)于 磁體組件是可移動(dòng)的。
14. 一種離子回旋共振質(zhì)譜儀，包括 離子源裝置，產(chǎn)生待分析的離子； 離子存儲(chǔ)裝置，配置來(lái)容納和捕集所產(chǎn)生的離子；離子透鏡，配置于所述離子源和所述離子存儲(chǔ)裝置之間，用于當(dāng)離子從所述 源通到所述存儲(chǔ)裝置中時(shí)，聚焦和/或過(guò)濾這些離子； 一個(gè)在任一前述權(quán)利要求所述的裝置；以及離子導(dǎo)引裝置，配置于所述離子存儲(chǔ)裝置和所述測(cè)量小室之間，用于把來(lái)自 所述離子存儲(chǔ)裝置的離子導(dǎo)引和聚焦到所述測(cè)量小室中，用于在其內(nèi)作質(zhì)譜分析。
全文摘要
一種改良的FT-ICR質(zhì)譜儀具有產(chǎn)生離子的離子源(10)，所產(chǎn)生的離子，通過(guò)一系列多極(20)被傳輸?shù)诫x子捕集器(30)。離子從捕集器(30)射出，穿過(guò)一系列透鏡和多極離子導(dǎo)引級(jí)(40-90)而經(jīng)過(guò)引出口/閘門透鏡(110)進(jìn)入測(cè)量小室(100)中。在真空室(240)中安裝該測(cè)量小室，而這組件可滑動(dòng)地移入超導(dǎo)磁體(400)腔中，該磁體提供在該小室(100)中造成所產(chǎn)生離子作回旋運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)。通過(guò)把在該源(10)和小室(100)之間的距離減至最小，并通過(guò)對(duì)離子透鏡的仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)，離子能在高能下運(yùn)行直至測(cè)量小室(100)的前面。該小室(100)在磁體腔的縱方向延伸，并與它共軸。磁體腔的截面積對(duì)小室容積的截面積之比率是小的(小于3)。該磁體是非對(duì)稱的，并在離子注射側(cè)是相對(duì)地短。該小室(100)從小室的前面被支撐，并在其背后形成電接觸。
文檔編號(hào)H01J49/34GK101504907SQ20091000409
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月10日
發(fā)明者K·J·梅耶, R·H·梅勒克, S·R·霍寧, S·斯朵夫 申請(qǐng)人:薩默費(fèi)尼根有限公司