[发明专利]静电离子陷阱

说明书

相关申请案

本申请案主张2009年5月6日申请的第61/215,501号美国临时申请案、2009年5月7日申请的第61/176,390号美国临时申请案、2010年4月16日申请的第61/325,119号美国临时申请案，以及2010年4月29日申请的第61/329,163号美国临时申请案的权益。

以上申请案的整个教示以引用的方式并入本文中。

背景技术

质谱仪是根据离子的质荷比(mass-to-charge ratio)来分离并检测离子的分析仪器。质谱仪可基于是否需要离子的俘获或储存以实现质量分离和分析来区分。非俘获式质谱仪不俘获或储存离子，且离子密度在质量分离和分析之前不在装置内部聚集或累积。此种类中的常见实例为四极滤质器(quadrupole mass filter)和磁性扇区质谱仪，其中分别使用高功率动态电场或高功率磁场来选择性地使具有单一质荷比(m/q)的离子束的轨迹稳定化。俘获式谱仪可再分为两个子类别：动态陷阱，例如保罗(Paul)设计的四极离子陷阱(QIT)；以及静态陷阱，例如更新近开发的静电限制陷阱。当前可用且用于质谱仪的静电陷阱一般依靠谐波电位俘获阱来俘获离子使其在陷阱内进行离子能量相依振荡，振荡周期仅与离子的质荷比有关。已通过使用远程电感拾取和感测电子设备以及傅里叶变换质谱法(FTMS)中的快速傅里叶变换(FFT)波谱反卷积来执行一些现代静电陷阱中的质量分析。

或者，已通过高电压俘获电位的快速切断来在任何瞬间提取离子。所有离子接着逃逸，且经由飞行时间(TOF)分析确定其质荷比。一些新近发展已将离子的俘获与圆柱形陷阱设计内的动态(伪)和静电电位场两者组合。在这些设计中，使用四极径向限制场在径向方向上约束离子轨迹，同时使用静电电位阱在轴向方向上将离子限制于大体谐波振荡运动。接着使用轴向方向上离子运动的谐振激励来实现质量选择性离子喷射。

厄马科夫(Ermakov)等人的第PCT/US2007/023834号申请案揭示将具有不同质荷比和动能的离子限制于非谐电位阱内的静电离子陷阱。所述离子陷阱还具备激励被限制离子的小振幅AC驱动。被限制离子的振荡振幅归因于AC驱动频率与离子的质量相依自然振荡频率之间的自谐振而随着其能量增加而增加，直到离子的振荡振幅超过陷阱的物理尺寸且检测到质量选定离子，或离子碎片或经历任何其它物理或化学转变。

自谐振是当受激励非线性振荡器的驱动频率随着时间缓慢变化时发生的持久的锁相现象。利用锁相，振荡器的频率将锁定到且遵循驱动频率。就是说，非线性振荡器将自动以驱动频率谐振。在此体系中，谐振激励是连续的且不受振荡器的非线性影响。随着时间几乎周期性地在通过相对小的外力驱动的非线性振荡器中观察自谐振。如果驱动频率随着时间缓慢变化(在非线性符号确定的正确方向上)，那么振荡器可保持锁相，但平均来说随着时间增加其振幅。这导致连续的谐振激励过程，而无需反馈。具有微扰的长时间锁相导致即使在小驱动振幅下响应振幅也较大程度增加。驱动振幅与频率扫描速率有关，自谐振阈值与升高到3/4幂的扫描速率成比例。

厄马科夫等人揭示的静电离子陷阱包含保持在接地(0 VDC)电位的两个圆柱形对称杯形电极，以及保持在负DC电位(通常-1000 VDC)的位于杯形电极之间的中部的平面孔隙陷阱电极。此离子陷阱完全圆柱形对称，通过从热灯丝发射到陷阱中的电子的冲击、借助将小振幅RF电位施加到杯形电极中的一个而进行的离子的AC激励，以及通过轴上电子倍增器装置进行的质量选择性喷射离子的检测，来实现气体分子和原子的轴上电离。此设计产生高真空环境(低于10^-6托的压力)的良好质量谱，但产生具有实质基线偏移和较高压力(10^-4到10^-5托)环境中的波谱分辨率损失的噪声谱。

发明内容

在一些实施例中，一种离子陷阱包含电极结构，其包含第一和第二相反镜面电极和其间的中心透镜，所述电极结构产生使得离子在自然振荡频率下被限制于若干轨迹的静电电位，所述限制电位为非谐的。所述离子陷阱还包含具有激励频率f的AC激励源，其在与所述离子的所述自然振荡频率相关的频率下激励被限制的离子，所述AC激励频率源优选地连接到所述中心透镜。在一个实施例中，所述离子陷阱包含扫描控件，其控制所述AC激励频率与所述离子的所述自然振荡频率之间的关系。