在四極桿掃描過程中改變頻率以改進(jìn)分辨率和質(zhì)量范圍的制作方法
【專利說明】在四極桿掃描過程中改變頻率以改進(jìn)分辨率和質(zhì)量范圍 相關(guān)申請的交叉引用
[0001] 本申請涉及Schoen等人共同擁有的2010年3月2日提交的標(biāo)題為"具有增強(qiáng)的靈敏 度和質(zhì)量分辨能力的四極質(zhì)譜儀（Quadrupole Mass Spectrometer With Enhanced Sensitivity And Mass Resolving Power)"的美國專利號8,389,929和Smith等人的2014 年4月28日提交的標(biāo)題為"從時(shí)變數(shù)據(jù)確定譜圖的方法（Method for Determining a Spectrum from Time-Varying Data)"的美國專利申請14/263947,這些專利的公開內(nèi)容均 通過引用以其全文結(jié)合在此。 領(lǐng)域
[0002] 本披露總體上涉及質(zhì)譜法，并且更具體地涉及用于四極濾質(zhì)器以得到質(zhì)譜的掃描 設(shè)置技術(shù)。 背景
[0003] 四極桿可以用作濾質(zhì)器，使得只有一定范圍的質(zhì)-荷比（也被稱為質(zhì)量）的離子通 過該四極桿傳送。此種離子被認(rèn)為具有穩(wěn)定的軌跡。具有在穩(wěn)定性范圍外的質(zhì)荷比的離子 被過濾掉。該穩(wěn)定性范圍在掃描中可隨時(shí)間變化，從而提供在所掃描的質(zhì)量范圍內(nèi)的質(zhì)譜。
[0004] 穩(wěn)定性極限通過施加能夠作為時(shí)間的函數(shù)斜變的AC和DC電位設(shè)定，使得具有特定 質(zhì)荷比范圍的離子在整個(gè)裝置中具有穩(wěn)定的軌跡。特別是，通過施加固定的和/或斜坡的AC 和DC電壓以配置圓柱形或雙曲線電極桿對，所希望的電場將預(yù)定離子在x和y方向上的運(yùn)動 穩(wěn)定化。其結(jié)果是，在x軸上施加的電場穩(wěn)定了較重離子的軌跡，而較輕的離子具有不穩(wěn)定 的軌跡。相比之下，在y軸上的電場穩(wěn)定了較輕離子的軌跡，而較重的離子具有不穩(wěn)定的軌 跡。在四極桿中具有穩(wěn)定軌跡并且因此到達(dá)位于四極桿組的離開截面處的檢測器的質(zhì)量 范圍是由這些質(zhì)量穩(wěn)定性極限所限定的。在典型的操作中，通過單調(diào)地在時(shí)間上改變質(zhì)量 穩(wěn)定性極限，離子的質(zhì)荷比可以（大致）由其到達(dá)檢測器的時(shí)間確定。
[0005] 在一個(gè)常規(guī)的四極質(zhì)譜儀中，由到達(dá)時(shí)間來估算質(zhì)荷比的不確定度對應(yīng)于質(zhì)量穩(wěn) 定性極限之間的寬度。這種不確定度可以通過收窄這些質(zhì)量穩(wěn)定性極限而減小，即通過將 四極桿作為窄帶濾波器運(yùn)行。在這種模式下，四極桿的質(zhì)量分辨能力增強(qiáng)了，因?yàn)樵?穩(wěn)定" 質(zhì)量窄帶之外的離子撞擊到桿中而不是穿過到達(dá)檢測器。然而，這個(gè)改進(jìn)的質(zhì)量分辨能力 是以靈敏度為代價(jià)的。特別是當(dāng)穩(wěn)定性極限較窄時(shí)，即使"穩(wěn)定的"質(zhì)量也僅僅在邊際處是 穩(wěn)定的，并且因此這些中僅有相對小的部分到達(dá)了檢測器。
[0006] 在美國專利號8,389,929中，使用更寬的穩(wěn)定性范圍來增加靈敏度。并且，使用去 卷積算法來量化來自可以同時(shí)穩(wěn)定的各種質(zhì)量的信號。例如，在去卷積過程中可以使用在 檢測器上的時(shí)間和空間信息。在此，這樣的技術(shù)被稱為寬穩(wěn)定性技術(shù)或去卷積技術(shù)。然而， 此類增加靈敏度而不犧牲分辨率的技術(shù)的有效性可能依賴于維持由所傳輸離子經(jīng)歷的振 蕩場周期數(shù)目的仔細(xì)控制?？刂七@個(gè)參數(shù)的方法可能是很難在實(shí)際儀器中實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 因此，所希望的是提供解決在使用寬穩(wěn)定性技術(shù)時(shí)的此類問題的新掃描技術(shù)。 簡要概述
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于掃描多極濾質(zhì)器的頻率和電壓，同時(shí)保持在一系列質(zhì) 量上的掃描期間每質(zhì)量基本上相同數(shù)目的AC周期的系統(tǒng)、方法和裝置。例如，通過控制加速 離子到濾質(zhì)器內(nèi)的DC軸向電壓、施加到該濾質(zhì)器上的DC解析電壓、施加到該濾質(zhì)器上的AC 電壓幅值、和該AC電壓的AC頻率，可以獲得質(zhì)譜。這些設(shè)置可以被控制為使得不同質(zhì)荷比的 離子是在該濾質(zhì)器內(nèi)經(jīng)過基本上相同數(shù)目的AC周期。為了實(shí)現(xiàn)該相同數(shù)目的AC周期，在該 掃描過程中改變該AC頻率。對于低質(zhì)量，可以使用較高的AC頻率。對于高質(zhì)量，可以使用較 低的AC頻率。這種AC頻率的變化可以允許實(shí)現(xiàn)保持AC周期數(shù)目恒定而不要求可能導(dǎo)致操作 問題的其他參數(shù)的過寬變化(例如，DC軸向電壓)的目的。
[0009] 其他實(shí)施例是針對與本文所述的方法相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。
[0010] 參考以下詳細(xì)描述和附圖可以得到本發(fā)明的實(shí)施例的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的更好理解。 附圖的簡要說明
[0011]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性四極質(zhì)譜儀1〇〇。
[0012]圖2示出了馬蒂厄(Mathieu)穩(wěn)定性圖，該圖具有一條代表了較窄的質(zhì)量穩(wěn)定性極 限的掃描線以及一條"減小的分辨率"掃描線，其中已經(jīng)將DC/RF之比減小以便提供更寬的 質(zhì)量穩(wěn)定性極限。
[0013] 圖3示出了可以用本發(fā)明的方法運(yùn)行的三階段質(zhì)譜儀系統(tǒng)的有益的示例性構(gòu)型。
[0014] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可用于保持質(zhì)量不變RF周期計(jì)數(shù)的示例四極質(zhì)譜 儀。
[0015] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在掃描過程中改變頻率以保持RF周期不變性的方法 500的流程圖。
[0016] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例采用經(jīng)典的掃描(其中RF頻率在質(zhì)量范圍內(nèi)是恒 定的）以及替代掃描(其中RF頻率隨質(zhì)量變化)的圖。
[0017] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例采用經(jīng)典的RF電壓幅值掃描和替代的RF電壓幅值 掃描的圖。
[0018]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例采用經(jīng)典的DC軸向電壓掃描和替代的DC軸向電壓 掃描的圖。
[0019] 圖9示出了與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)和方法一起可用的示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)10 的框圖。 定義
[0020] 樣品的"譜圖"對應(yīng)于一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括至少兩個(gè)值。第一值對應(yīng) 于該譜圖中的辨別參數(shù)，如質(zhì)量或頻率。該參數(shù)區(qū)別在于這些粒子在譜圖中基于該參數(shù)的 值而區(qū)分。該第二值對應(yīng)于從樣品測量的具有對于該參數(shù)的第一值的一定量的粒子。例如， 數(shù)據(jù)點(diǎn)可以提供具有特定質(zhì)荷比(有時(shí)也被稱為"質(zhì)量"）的一定量的離子。
[0021] "軸向DC電壓"指的是用于在質(zhì)譜儀中沿質(zhì)譜儀內(nèi)的離子路徑的行進(jìn)的長軸加速 離子的電壓。軸向DC電壓可以將一定量的能量施加到離子上（例如50eV)，之后將這些離子 傳輸?shù)皆撍臉O濾質(zhì)器?？梢愿淖儗?shí)際的DC電壓，以增加給予這些離子的能量的量，例如以保 持在不同質(zhì)量上的恒定速度。
[0022] 四極濾質(zhì)器(也稱為分析儀)包括彼此平行設(shè)置的四個(gè)桿。將DC解析電壓和AC電壓 施加到這些桿上。DC解析電壓是指施加到該四極桿上的具有恒定幅值U(也稱為DC幅值）的 電壓信號（其中兩個(gè)極桿具有負(fù)電壓并且兩個(gè)極桿具有正電壓hAC電壓是指例如定義為 Vc〇S(wt)的振蕩幅值的電壓信號，其中V是AC幅值并且w是AC電壓的振蕩頻率。AC電壓典型 地具有在RF范圍內(nèi)的頻率，并且因此經(jīng)常被稱為RF電壓。 詳細(xì)說明
[0023] 當(dāng)使用寬穩(wěn)定性技術(shù)時(shí)，可能有益的是使離子在行進(jìn)通過多極濾質(zhì)器時(shí)遭遇相同 數(shù)目的AC周期，其中這些AC周期是施加到多極桿上的AC電壓。然而，在高和低質(zhì)量下保持相 同數(shù)目的AC周期可能是困難的或引起問題。實(shí)施例提供了用于多極質(zhì)譜儀的新操作模式。 掃描設(shè)置能夠按許多不同的方式來設(shè)置，同時(shí)保持每質(zhì)量基本上相等的RF周期。例如，代替 簡單地調(diào)整軸向電壓和四極過濾器電壓(DC和AC)，新的模式包括調(diào)整RF頻率，例如與掃描 這些四極過濾器電壓相結(jié)合。當(dāng)RF頻率變化時(shí)可以使用其他各種模式。這允許在使用寬穩(wěn) 定性技術(shù)時(shí)改進(jìn)的質(zhì)量不變RF周期計(jì)數(shù)和更大的質(zhì)量范圍。 I. 四極桿的掃描電壓
[0024] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性四極質(zhì)譜儀100。如所示的，四極質(zhì)譜儀 100包括離子源110、入口孔120、具有DC電壓源140和RF電壓源150的四極過濾器130、出口孔 160和離子檢測器170。四極質(zhì)譜儀100還可以包括用于加速并聚焦離子通過入口孔120的離 子光學(xué)器件、檢測電子器件和高真空系統(tǒng)。四極過濾器130的示例長度是l/4m長，并且用于 離開離子光學(xué)器件的離子的能量示例量為l〇eV/100amu。
[0025]四極過濾器130包括四個(gè)平行的金屬桿135。兩個(gè)相對的桿具有(U+VC〇S(wt))的施 加電位并且其他兩個(gè)桿的具有-(U+VC〇S(wt))的電位，其中U是DC解析電壓并且Vc〇S(wt)是 RF電壓(也被稱為AC電壓）。振蕩頻率w對應(yīng)于AC電壓變化有多快。
[0026] 所施加的DC和AC電壓幅值以及AC振蕩頻率w影響離子的軌跡，例如，離子是否沿四 個(gè)桿135之間中心的飛行路徑向下行進(jìn)。對于給定的DC和RF電壓，只有一定范圍的質(zhì)荷比 (也簡稱為"質(zhì)量"）的離子穿過四極過濾器130和出口孔160被離子檢測器170檢測到。這些 離子被描述為共振離子。其他離子被迫使離開該中央路徑并且不被離子檢測器170檢測到。 因此，如果改變DC和AC電壓的值，不同的質(zhì)量將通過四極過濾器130,并且將被離子檢測器 170檢測。
[0027]已經(jīng)使用了兩種掃描過程來產(chǎn)生質(zhì)譜。在一種掃描過程中，隨著時(shí)間的推移改變 (掃描)u和V，以提供質(zhì)譜，同時(shí)保持振蕩頻率w恒定。在第二種掃描過程中，改變振蕩頻率w 同時(shí)保持U和V恒定，這總體上未提供良好的結(jié)果。這兩種技術(shù)可能有問題，特別是在高或低 質(zhì)量下使用寬穩(wěn)定性技術(shù)時(shí)。
[0028] 得到的質(zhì)譜提供了在任意給定時(shí)刻若干特定質(zhì)荷比的離子的測量。常規(guī)四極濾質(zhì) 器典型地在約單位分辨率下運(yùn)行，使得在任何給定時(shí)間，只有具有l(wèi)m/z(也被稱為1湯姆森 (TH))范圍內(nèi)的質(zhì)荷比的離子被檢測且測量。然而，為了獲得更高的靈敏度，實(shí)施例可以傳 輸更寬范圍的質(zhì)量。這樣的技術(shù)如下關(guān)于馬蒂厄方程式在下一節(jié)中更詳細(xì)地描述。 II. 時(shí)間分辨率
[0029] 在譜測定法中，設(shè)備通常被設(shè)置成在任何給定時(shí)間僅僅檢測具有對于辨別參數(shù) (例如，質(zhì)量或頻率）的單個(gè)值的粒子。例如，質(zhì)譜儀可以被設(shè)置為在給定的時(shí)刻檢測特定 質(zhì)-荷比的離-子。然后可以改變質(zhì)譜儀的設(shè)置，以檢測不同質(zhì)荷比(有時(shí)僅稱為"質(zhì)量"）。為 了獲得高精確度并檢測特定的質(zhì)量，例如，原子質(zhì)量單位的分?jǐn)?shù)(amu)，那么必須將質(zhì)譜儀 設(shè)置為僅檢測非常窄的范圍的質(zhì)量。然而，使用非常窄的范圍降低了靈敏度。因此，實(shí)施例 可以設(shè)置成檢測具有對于該辨別參數(shù)的相對寬的范圍的粒子，從而提高靈敏度。但是，為了 保持分辨率，可以使用去卷積方法來識別對應(yīng)于不同粒子的信號。
[0030] 例如，高性能的四極系統(tǒng)的實(shí)施例可以使用去卷積方法來從由離子檢測系統(tǒng)產(chǎn)生 的一系列多維圖像中提取質(zhì)譜數(shù)據(jù)。成像系統(tǒng)可檢測在四極