带有电连接的离子源和离子探测器的飞行时间质谱仪

摘要

飞行时间质谱仪包括支承分析用样本的样本片。脉冲离子源从置于样本片上的样本，产生离子脉冲。离子加速器接收由脉冲离子源产生的离子脉冲，并加速所述离子。离子探测器包括在从无场漂移空间出射的加速离子的飞行路径上的输入，和电连接到样本片的输出。所述离子探测器把检测的离子转换成电子脉冲。

说明书

这里使用的各部分标题只是用于组织说明书，不应被解释成以任何方式，限制在本申请中记载的主题。

相关申请的引用

本申请要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/792,083，“Time-Of-FlightMassSpectrometerwithBothIonSourceInputandSignalOutputatGroundPotential”的优先权。美国临时专利申请No.61/792,083的整个内容通过引用包含于此。

背景技术

飞行时间(TOF)质谱仪在本领域中众所周知。Wiley和McLaren在超过50年前，描述了TOF质谱仪的理论和操作。参见W.C.Wiley和I.H.McLaren的“Time-of-FlightMassSpectrometerwithImprovedResolution”，Rev.Sci.Instrum.26,1150-1157(1955)。在发明TOF质谱法之后的头20年内，TOF质谱仪仪器通常被视为离子性质的奇异研究的有益工具，但未被广泛用于解决分析问题。

众多更新的发现，比如自然脉冲离子源(例如，等离子体解吸离子源)，静态次级离子质谱法(SIMS)，和基质辅助激光解吸/电离(MALDI)的发现已导致重新开始关注TOF质谱仪技术。例如参见R.J.Cotter，“Time-of-FlightMassSpectrometry:InstrumentationandApplicationsinBiologicalResearch”，AmericanChemicalSociety,Washington,D.C.(1997)关于TOF-MS在生物学研究方面的历史、发展和应用的描述。

最近，工作集中在开发新的和改进的TOF仪器和软件，所述TOF仪器和软件允许把MALDI的全电位质量分辨率应用于困难的生物学分析问题。电喷雾(ESI)和MALDI的发明消除了质谱法的挥发性障碍。电喷雾质谱仪发展很快，至少部分归因于这些仪器易于与可从市场获得的广泛用于许多分析应用的四极杆和离子阱仪器面接。MALDI对TOF仪器的应用发展更缓慢，不过MALDI的潜能已激励专门为MALDI电离技术设计的改进TOF仪器的发展。

近来，基质辅助激光解吸/电离飞行时间(MALDI-TOF)质谱法已成为分析各种非挥发性分子，包括蛋白质、缩氨酸、低聚核苷酸、脂质、多糖和生物学重要的其它分子的既定技术。尽管MALDITOF质谱法技术已应用于许多分析应用，不过由于许多因素，例如包括这些仪器的成本和复杂性，可靠性较差，和性能不足，比如速度、灵敏度、分辨率和质量精度不足，广泛接受一直受到限制。

取决于待分析分子的性质，不同的分析应用需要不同种类的TOF分析器。例如，分析大质量离子，比如完整蛋白质，低聚核苷酸和分子量较大的多糖，优选简单的线性分析器，而要获得分析缩氨酸和小分子的足够分辨能力和质量精度，需要反射分析器。利用MS-MS技术确定分子结构还需要另一个分析器。在一些商用仪器中，所有这些种类的分析器被组合在单一仪器中。相对于拥有并操作3个独立的仪器，这种组合仪器具有稍微降低成本的优点。不过，这些组合仪器存在仪器复杂性显著增大，可靠性降低，和使所有分析器的性能并非最佳的其它折衷的缺点。

附图说明

在结合附图的以下详细说明中，更详细地说明了按照优选的例证实施例的本教导，以及其另外的优点。本领域的技术人员明白下面说明的附图仅仅用于举例说明。附图不一定是按比例的，改为注重举例说明本教导的原理。附图并不意图以任何方式限制申请人的教导的范围。

图1图解说明能够进行MALDI-TOF质谱法的现有飞行时间质谱仪的方框图。

图2是按照本教导的飞行时间质谱仪的一个实施例的方框图。

图3是按照本教导的一个实施例的线性飞行时间质谱仪的电位图。

图4是按照本教导的一个实施例的包括离子镜的反射飞行时间质谱仪的电位图。

图5是按照本教导的串联飞行时间质谱仪的一个实施例的电位图。

图6图解说明按照本教导的串联飞行时间质谱仪的另一个实施例的电位图。

具体实施方式

说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味关于该实施例说明的特定特征、结构或特性包含在本教导的至少一个实施例中。出现在说明书中的各个地方的短语“在一个实施例中”不一定都指的是相同的实施例。

应明白本教导的方法的各个步骤可按照任何顺序和/或同时进行，只要本教导仍然可行。此外，应明白本教导的设备和方法可包括任意数目或全部说明的实施例，只要本教导仍然可行。

下面参考如附图中所示的本教导的例证实施例，更详细地说明本教导。尽管结合各个实施例和例子，说明本教导，不过本教导并不局限于这些实施例。相反，本领域的技术人员会意识到，本教导包含各种备选方案、修改和等同物。可以理解这里的教导的本领域普通技术人员会识别出在这里说明的本公开的范围之内的另外的实现、修改和实施例，以及其它应用领域。

诸如组织成像和生物标记物发现之类的许多分析应用需要在很宽的质量范围内，对于完整蛋白质的测量。对于这些应用，仪器的质量范围，宽质量范围内的质量灵敏度，分析速度，可靠性和易用性是比仪器的分辨能力更重要的指标。本教导的一个方面是一种为这些和类似应用提供最佳性能的更可靠、更易用和不太昂贵的质谱仪。

典型的MALDI-TOF质谱仪包括在真空罩中支承MALDI样本的MALDI样本片。脉冲离子源位于离子源室中，在离子源室中，使诸如激光脉冲之类的能量脉冲射向样本片，以电离MALDI样本，从而生成离子脉冲，所述离子在TOF分析器中，按照其质荷比分离。真空发生器保持离子源室和分析器室中的高真空。高电压发生器向样本片施加高电压，以便加速离子。离子探测器探测离子脉冲。

图1图解说明能够进行MALDI-TOF质谱法的现有飞行时间(TOF)质谱仪10的方框图。TOF质谱仪10包括在真空罩中支承MALDI样本的MALDI样本片11。设置脉冲离子源12，以对样本片11施加能量脉冲14，以便生成离子脉冲。紧接样本片11设置离子加速器16，以致使进入离子加速器16的离子加速进入抽真空漂移空间18，到达离子探测器20。

离子探测器20响应脉冲离子源12生成的离子脉冲的到达，产生电子脉冲22。电子记录设备26用于获得飞行时间谱。利用脉冲离子源12生成离子脉冲和生成电子脉冲22之间的时间对应于离子从脉冲离子源12行进到离子探测器20所需的时间。该时间取决于离子的质荷比，并且取决于离子的动能。时间、质荷比和离子的动能之间的关系由本领域公知的方程式描述。作为结果的飞行时间谱被校准，以产生生成并探测的离子的质荷比谱。

在许多现有TOF质谱仪中，脉冲离子源12与离子探测器输出脉冲22电绝缘。在脉冲离子源12和离子探测器输出之间，一般存在很大的电位差。在这种现有的质谱仪中，一般使离子源12和离子探测器输出22至少之一与地电位隔离。

离子探测器20电连接到飞行时间质谱记录设备26。在许多现有系统中，飞行时间质谱记录设备26通过电阻器28接地。在其中使探测器输出22与地电位隔离的谱仪中，一般在离子探测器20和记录设备26之间耦接电子耦接设备24，以把电子脉冲传送给记录设备26的接地输入。

电子记录设备一般电连接到技术员操作的至少一个计算机。为了安全，以及其它实际原因，技术人员操作的这些电子设备和计算机处于地电位。不过，必须在很高的电位下，偏置MLADI样本片11，所述很高的电位相对于地电位通常为30kV或更大。为把样本片11引入离子源真空罩所需的设备被设计成提供样本片11的高电压绝缘，以便保护用户。提供所需的高电压绝缘显著增大仪器的成本。此外，与在地电位操作样本片相比，所需的高电压绝缘显著降低可靠性，从而增大失败的可能性，因为频繁发生高电压击穿，这些高电压击穿通常会损害仪器。

图2是按照本教导的飞行时间质谱仪100的一个实施例的方框图。TOF质谱仪100类似于结合图1说明的TOF质谱仪10，具有与在转让给本受让人的美国专利7,564,026中记载的线性TOF质谱仪几何结构类似的几何结构。美国专利7,564,026的整个内容通过引用包含于此。所述TOF质谱仪包括用于在真空罩中，支承MALDI样本的MALDI样本片110。设置脉冲离子源120，以对样本片110施加能量脉冲140，以便生成离子脉冲。紧接样本片110设置离子加速器160，以致进入离子加速器160的离子被加速，行进到抽真空漂移空间180中，随后到达离子探测器200。离子探测器200响应脉冲离子源120生成的离子脉冲的到达，产生电子脉冲220。记录设备260用于记录离子脉冲的到达，和形成飞行时间谱。

在本教导的各个实施例中，样本片110直接地或者通过一个或多个电阻器280、280'，电连接到离子探测器200的输出，且电连接到记录设备260。在一个实施例中，样本片110和离子探测器200输出都处于公共电位。在该实施例中，电阻器280和280'或者是电阻极低的电阻器，或者被低电阻电连接器代替，以致离子源120直接连接到离子探测器200输出。公共电位可以是地电位。不过，应理解本教导包括其中样本片110和离子探测器200输出的公共电位都实质上在相对于地电位的公共电位，而不在地电位的结构。所述公共电位可以是任意正电位或负电位。这种结构具有一些优点，因为为了操作员安全，许多记录设备被设计成接地。

在本教导的另一个实施例中，如图2中所示，脉冲样本片110通过电阻器280、280'中的至少一个，电连接到离子探测器200的输出。例如，离子探测器200的输出可通过电阻器280，电连接到公共电位，样本片110可通过电阻器280'，电连接到公共电位，如图2中所示。另一方面，离子探测器200的输出可通过电阻器280，电连接到公共电位，而在图2中的电阻器280'被低电阻电连接代替的情况下，样本片110可直接连接到公共电位。另外，在电阻器280被低电阻电连接代替的情况下，离子探测器200的输出可被直接连接到公共电位，样本片110可通过电阻器280'，直接连接到公共电位。

按照本教导的TOF质谱仪100的操作类似于结合图1说明的TOF质谱仪10的操作，因为利用脉冲离子源120的离子脉冲的生成，和电子脉冲220的生成之间的时间对应于离子从脉冲离子源120行进到离子探测器200所需的时间。从而，作为结果的飞行时间谱可被校准，以产生生成并探测的离子的质荷比谱。

在本教导的一个方面，在实质上与离子探测器200输出的电位相等的电位下，偏置包括样本片110的脉冲离子源120。在许多实施例中，还通过电阻器280，在与样本片110及脉冲离子源120以及离子探测器200输出实质相同的电位下，偏置记录飞行时间谱的记录设备260。在一个具体实施例中，脉冲离子源120、离子探测器200的输出、和记录设备260都处于公共电位290，公共电位290可以是地电位。不过，应理解本教导包括其中包括样本片110的脉冲离子源120、离子探测器200输出、和记录设备260的电位都实质上在相对于地电位的公共电位，而不在地电位的结构和操作方法。所述公共电位可以是任意正电位或负电位。在各种其它结构和操作方法中，包括样本片110的脉冲离子源120，和离子探测器200输出通过在操作期间，在这些组件之间形成电位差的至少一个电阻器电连接。

图3是按照本教导的一个实施例的线性飞行时间质谱仪的电位图300。参见电位图300，和结合图2说明的飞行时间质谱仪100的方框图，带有分析用样本330的样本片320处于地电位，不过，本领域的技术人员会理解如这里所述，样本片320可以处于其它电位。诸如激光脉冲之类的能量脉冲340撞击置于样本片320上的分析用样本330，从而在撞击期间产生离子脉冲。离子脉冲由加速场360加速。在一个具体实施例中，加速场360包括施加于引出电极350的脉冲加速电压362，和产生具有与加速电位-V366对应的动能eV的离子的静态加速场364。离子脉冲穿过抽真空的无场区380，随后撞击离子探测器392，离子探测器392把离子脉冲转换成电子脉冲。

电子脉冲随后被加速场390加速到能量eV。加速的电子脉冲随后撞击电子探测器394，电子探测器394把电子脉冲转换成光脉冲。光脉冲撞击把光脉冲转换成第二电子脉冲398的光子探测器396的输入，第二电子脉冲398表示检测的离子。第二电子脉冲以地电位为基准。记录第二电子脉冲398和脉冲源340之间的时间间隔，随后利用本领域已知的方程式，根据所述时间间隔，确定检测的离子的质/荷比。

本领域的技术人员会意识到按照本教导的飞行时间质谱仪有许多变化。在各个实施例中，在抽真空漂移空间180(图2)中，可以包含另外的元件，比如离子镜、离子偏转器、离子透镜、定时离子选择器和脉冲加速器，以改善产生的质谱的分辨率，或者提供关于被分析离子的附加信息。

图4是按照本教导的一个实施例的包括离子镜的反射飞行时间质谱仪的电位图400。在本实施例中，带有分析用样本330的样本片320处于地电位，不过，本领域的技术人员会理解如这里所述，样本片320可以处于其它电位。诸如来自激光器的光脉冲之类的能量脉冲340撞击样本片320，从而在撞击期间产生离子脉冲。离子脉冲由加速场360加速。在一个具体实施例中，加速场360由施加于引出电极350的脉冲加速电压362，和静态加速电压364产生，静态加速电压364产生具有与加速电位-V366对应的动能eV的离子。

离子脉冲穿过第一无场抽真空区480，随后被离子镜482反射。有时称为离子反射器的离子镜在本领域中众所周知。离子镜产生补偿离子的初始动能分布的影响的一个或多个减速静电场。当离子穿过离子镜时，它们被减速，直到离子在电场方向的速度分量变为0为止。随后，离子倒转方向，通过离子镜向后加速。离子带有等于或几乎等于其进入能量的能量，但是速度方向相反地从第一离子镜出射。具有更大能量的离子更深地穿透离子镜，从而将时间更长地留在离子镜中。在恰当设计的离子镜中，选择电位，以更改离子的飞行路径，以致对于质量和电荷相似的离子，在离子镜的焦点之间的行进时间与离子的初始能量无关。

离子镜482反射的离子随后穿过第二无场抽真空区484，在第二无场抽真空区484，离子撞击离子探测器392，离子探测器392把离子脉冲转换成电子脉冲。电子脉冲随后被加速场390加速到能量eV。加速的电子脉冲随后撞击电子探测器394，电子探测器394把电子脉冲转换成光脉冲。光脉冲撞击把光脉冲转换成第二电子脉冲398的光探测器，比如光子探测器396的输入，第二电子脉冲398具有与检测到的离子的数目成比例的振幅。在本教导的一个实施例中，第二电子脉冲398以样本片320的电位为基准，在本教导的一个具体实施例中，样本片320的电位是地电位，不过它可以是任意电位。在其它实施例中，第二电子脉冲398以与样本片320的电位一样的另一个电位为基准。记录第二电子脉冲398的产生和能量脉冲340的产生之间的时间间隔，随后利用本领域已知的方程式，根据所述时间间隔，确定检测的离子的质/荷比。

图5是按照本教导的串联飞行时间质谱仪的一个实施例的电位图500。在本实施例中，带有分析用样本330的样本片320处于地电位，不过，本领域的技术人员会理解如这里所述，样本片320可以处于其它电位。诸如激光脉冲之类的能量脉冲340撞击样本片320，从而在撞击期间产生离子脉冲。离子脉冲由第一加速场360加速。在一个具体实施例中，第一加速电压360包括施加于引出电极350的脉冲加速电压362，和产生具有与加速电位-V₁366对应的动能eV₁的离子的静态加速电位364。

离子脉冲穿过包括定时离子选择器582的第一无场抽真空区580，随后穿过裂解室584和586。第一无场抽真空区580由加速器脉冲588终结，借助脉冲加速电压V_p590和静态加速器电压592，加速器脉冲588在第二无场抽真空区480中进一步加速到电位-V₂594。离子脉冲由离子镜482反射到第三无场抽真空区484，随后撞击离子探测器392，离子探测器392把离子脉冲转换成电子脉冲。电子脉冲随后由电压390加速到能量eV。

电子脉冲随后撞击电子探测器394，电子探测器394把电子脉冲转换成光脉冲。光脉冲撞击把光脉冲转换成电子脉冲398的光子探测器396的输入，其中电子脉冲398以地电位为基准。记录电子脉冲398和脉冲能量源340之间的时间间隔，随后利用本领域已知的方程式，根据所述时间间隔，确定检测的离子的质/荷比。

图6图解说明按照本教导的串联飞行时间质谱仪的另一个实施例的电位图600。在本实施例中，带有分析用样本的样本片320电连接到地电位。脉冲能量源340撞击样本片320，产生由第一加速电压616加速的离子脉冲。在一个具体实施例中，向样本片320施加振幅+V₁614的正脉冲，向引出电极330施加振幅+V₃616的正脉冲，以便在第一抽真空无场区580中，在地电位下把离子加速到动能eV₁。离子脉冲在地电位下，穿过第一抽真空无场区580。第一抽真空无场区580包含第一定时离子选择器582，和裂解室584和586。第一抽真空无场区580由加速器588终结，借助脉冲加速器V_p590和静态加速器592，加速器588在第二抽真空无场区480中进一步加速到电位-V₂594。离子脉冲由离子镜482反射到第三抽真空无场区484，随后撞击离子探测器392，离子探测器392把离子脉冲转换成电子脉冲。

电子脉冲随后由电场390加速到能量eV，然后撞击电子探测器394，电子探测器394把电子脉冲转换成光脉冲。光脉冲撞击把光脉冲转换成电子脉冲398的光子探测器396的输入。电子脉冲398以地电位为基准。记录电子脉冲398和脉冲能量源340之间的时间间隔。利用本领域公知的方程式，根据所述时间间隔，确定检测的离子的质/荷比。

操作中，离子脉冲由脉冲离子加速器产生。第一定时离子选择器582选择具有预定的质荷比之值的一组离子。离子脉冲在裂解室584和586中被裂解。定时离子选择器582把选定的离子及其碎片引导到脉冲离子加速器590，并偏转掉所有其它离子。脉冲离子加速器590把从离子裂解室586出射的离子及其对应碎片加速到施加到第二无场漂移空间480的电位-V₂594。离子镜482反射加速的离子，随后引导它们穿过第三抽真空无场漂移空间484，到达离子探测器392，在离子探测器392，加速的离子被检测，并由数字处理器(未图示)处理。所述处理器可用于判读碎片离子质谱，以同时识别关心的分子。

在一些实施例中，第二抽真空无场区480还包括当被给与电压时，传送源于各个选定的先驱体质量(precursormess)的碎片谱的选定部分，而拒绝所有其它部分的第二定时离子选择器596。

等同物

尽管结合各个实施例，说明了申请人的教导，不过申请人的教导并不意图局限于这些实施例。相反，本领域的技术人员会意识到，申请人的教导包含在不脱离本教导的精神和范围的情况下，可以作出的各种替代方案、修改和等同物。