GUIA DE IONES MULTIPOLAR PARA ESPECTROMETRIA DE MASAS.

SE HA INCORPORADO UNA GUIA MULTIPOLAR DE IONES (40), QUE EMPIEZA EN UNA ETAPA DE BOMBEO (53) Y SIGUE,

CONTINUAMENTE, EN UNA O MAS ETAPAS DE BOMBEO CONSECUTIVAS (41,42), A UN SISTEMA ESPECTROMETRICO MASIVO DE UNA FUENTE DE PRESION ATMOSFERICA DE IONES. LOS IONES SUMINISTRADOS AL VACIO DESDE UN PULVERIZADOR ELECTRICO, LA IONIZACION QUIMICA DE LA PRESION ATMOSFERICA O UNA FUENTE DE IONES DE PLASMA ACOPLADO POR INDUCCION, SE DIRIGEN Y CONCENTRAN EN UN ANALIZADOR MASIVO (57), CON UNA ALTA EFICACIA, UTILIZANDO LA GUIA MULTIPOLAR DE IONES. LA PRESION DE FONDO SOBRE UNA PARTE DE LA LONGITUD DE LA GUIA MULTIPOLAR DE IONES ES LO SUFICIENTEMENTE ALTA, COMO PARA PROVOCAR QUE EL ENFRIAMIENTO DE LA ENERGIA CINETICA DE LOS IONES ATRAVIESE LA LONGITUD DE LA GUIA DE IONES, DEBIDO A COLISIONES DE IONES CON MOLECULAS DE GAS NEUTRAL DEL FONDO. ESTE ENFRIAMIENTO DE LA ENERGIA CINETICA DE IONES REDUCE LA EXTENSION DE LA ENERGIA DE LOS IONES QUE ATRAVIESAN LA LONGITUD DE LA GUIA MULTIPOLAR DE IONES. EL POTENCIALSECUNDARIO DE CORRIENTE ELECTRICA DE LA GUIA MULTIPOLAR DE IONES, PUEDE UTILIZARSE PARA AJUSTAR LA ENERGIA MEDIA DE LOS IONES Y LOS VALORES A Y Q DE LA GUIA DE IONES PUEDEN ESTABLECERSE PARA QUE REDUZCAN O AUMENTEN LA GAMA DE MASA DE IONES A CARGAR, QUE SE TRANSMITIRA A TRAVES DE LA GUIA DE IONES. ESTAS CARACTERISTICAS DE LAS GUIAS MULTIPOLARES DE IONES Y GUIAS MULTIPOLARES DE IONES DE MULTIPLES ETAPAS DE BOMBEO, SE UTILIZAN PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO Y REDUCIR EL COSTE DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROMETROS MASIVOS DE LA FUENTE DE IONES DE PRESION ATMOSFERICA

Guía de iones multipolar para espectrometría de masas.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a la configuración y método del uso de una guía de iones multipolar para transportar y enfocar iones que se introducen al vacío desde una fuente de iones a presión atmosférica, a un analizador de masas. La guía de iones multipolar que comienza en una fase de bombeo de vacío ha sido configurada para extenderse continuamente a través de una o más fases de vacío posteriores. Las guías de iones multipolares se utilizan para transferir eficazmente iones a través de una o más fases de vacío mientras que se permite que el gas ambiente neutro sea bombeado hacia afuera. La frecuencia de CA y voltajes de CA y CC que son aplicados a los polos de una guía de iones multipolar pueden ser establecidos de modo que la guía de iones multipolar pase una gama seleccionada de masa a carga iónica. Las propiedades de transmisión de iones de las guías de iones multipolares pueden utilizarse para aumentar el rendimiento de tipos específicos de analizadores de masas que son conectados a fuentes de iones a presión atmosférica.

Antecedentes de la invención

Las fuentes de iones a presión atmosférica (API) se han vuelto cada vez más importantes como medios para generar iones usados en el análisis de masas. Las fuentes de iones por electrospray o electrospray asistido por nebulización (ES), ionización química a presión atmosférica (APCI) y plasma acoplado de forma inductiva (ICP) producen iones de especies de analito en una región que está aproximadamente a presión atmosférica. Los iones deben después ser transportados en vacío para el análisis de la masa. Una parte de los iones creados en la fuente API son arrastrados en la cámara de la fuente API con gas de baño y son barridas en vacío junto con el gas de baño o portador a través de un orificio en vacío. Espectrómetros de masa (MS) generalmente operan en un vacío mantenido a entre 10^-4 a 10^-10 torr dependiendo del tipo de analizador de masas. Los iones de fase de gas que entran al vacío desde una fuente API deben ser separados del gas portador ambiente y transportados y enfocados a través de un sistema de vacío de única o múltiples fase(s) en el analizador de masas. Las variaciones en el sistema de vacío y configuraciones de lente electroestática asociadas han emergido en sistemas API/MS. Cuando múltiples fases de bombeo han sido empleadas, los elementos de lentes electroestáticas se configuran para servir como orificios restringidos entre fases de vacío al igual que el suministro de aceleración de iones y enfoque de iones dentro del analizador de masas. Los equilibrios de rendimiento pueden ocurrir cuando las lentes electroestáticas deben también adaptar la restricción de la transmisión de gas neutro desde una fase de bombeo a la siguiente. Por ejemplo, un separador colocado entre una fase de bombeo y la siguiente puede restringir el flujo de gas neutro pero puede también restringir el paso de iones también debido a su orificio de tamaño relativamente pequeño. Dos tipos de lentes iónicas han sido usadas para transportar y enfocar iones en vacío, particularmente cuando los iones están introduciendo vacío desde la presión atmosférica a través de una expansión de chorro libre. La primera es una lente de voltaje estático y la segunda es una guía de iones de campo dinámico. Las configuraciones de lente más eficaces usadas en sistemas API/MS emplean una combinación juiciosa de ambos elementos que tienen campos estáticos y dinámicos aplicados.

El primer tipo de lente iónica, una lente electroestática, tiene un voltaje fijo o de CC estático aplicado durante el tiempo en el que un ión está atravesando el campo eléctrico de la lente. La Figura 1 es una representación esquemática de un sistema API/MS de cuatro fases de bombeo con lentes electroestáticas de voltaje estático. El gas que emerge desde la salida del capilar 8 en vacío se extiende como un chorro supersónico libre y una parte del gas pasa a través de los separadores primero 10 y segundo 14. Los separadores entre las fases de bombeo normalmente tienen orificios pequeños para restringir el flujo de gas neutro en cada fase de vacío de flujo descendente. Los voltajes de CC son aplicados a la salida del capilar, separadores y otras lentes electroestáticas 9, 14, 15, 16 y 17 con valores establecidos para maximizar la transmisión de iones dentro del analizador de masas 18. Los iones arrastrados en el gas en expansión siguen trayectorias que son conducidas por una combinación de fuerzas electroestáticas y dinámicas de gas. Una fuerte influencia de la dinámica del gas puede extenderse hasta y más allá del segundo separador 13 para la configuración mostrada en la figura 1. La eficacia de la transmisión de iones a través de un conjunto de lente de voltaje estático puede ser reducida dispersando las pérdidas debidas a colisiones entre iones y el gas ambiente que ocurren a lo largo de la trayectoria iónica. Los iones con diferente m/z pueden tener secciones transversales colisionales diferentes y por lo tanto experimentar números diferentes de colisiones ambientes mientras que son transportados a través del vacío. Para un ajuste de voltaje dado de lente electroestática, la eficacia del transporte iónico en el espectrómetro de masas puede variar con m/z o la sección transversal colisional. El establecimiento de los valores del voltaje de la lente para optimizar la transmisión para una especie de ión dada puede no optimizar la eficacia de transmisión para otras especies de iones. Las configuraciones de las lentes estáticas usadas en aplicaciones de API/MS no pueden transmitir compuestos de masa molecular inferior tan eficazmente como los compuestos de masa molecular más alta. Los iones más pequeños pueden soportar unas pérdidas de transmisión mayores debido a la dispersión colisional del gas ambiente que los compuestos de masa mayor. Para aumentar la eficacia de la transmisión de iones a través de una pila de lentes estáticas, la energía electroestática debe ser ajustada lo suficientemente alta de modo que los iones de m/z baja puedan ser conducidos a través del gas ambiente. También, las configuraciones de lente de voltaje estático pueden enfocar iones de diferente energía en puntos focales diferentes. Los iones entregados dentro del vacío desde una fuente de API producen un haz de iones que puede inicialmente tener energías iónicas diferentes para las diferentes especies de iones presentes. Si el punto focal para un ión dado no está localizado en la entrada del espectrómetro de masas, pueden ocurrir pérdidas de transmisión. Para superar los efectos de la discriminación de transmisión de la masa a carga y los inconvenientes del transporte iónico que ocurren cuando se usan lentes de voltaje estáticas, se emplean guías de iones de campo dinámico multipolar para transportar iones a través de fases de bombeo de vacío en la región de vacío de sistemas API/MS. Los campos dinámicos electroestáticos dentro de una guía de iones multipolar dominan sobre las colisiones de dispersión del gas ambiente y "atrapan" eficazmente los iones mientras que atraviesan la longitud de la guía de iones multipolar.

El uso de guías de iones multipolares ha demostrado ser un medio eficaz para transportar iones a través de vacío. Publicaciones por Olivers et. al. (Anal. Chem, vol. 59, p. 1230-1232, 1987), Smith et al. (Anal. Chem. vol. 60; p. 436-441, 1988) y la patente estadounidense número 4,963,736 han proporcionado el uso de la guía de iones cuadrupolar accionada en el modo sólo CA para transportar iones desde una fuente API en un analizador de masas cuadrupolar. La patente estadounidense 4,963,736 describe el uso de una guía de iones multipolar sea en la fase de bombeo en vacío dos de un sistema de tres fases o sea en la primera fase de bombeo de un sistema de vacío de dos fases. Esta patente también informa de que el aumento de la presión ambiente hasta 10 militorr en la fase de vacío donde se situó la guía de iones resultó en un aumento en la eficacia de la transmisión de iones y una reducción en la dispersión de energía iónica de los iones transmitidos. La intensidad de la serial iónica disminuyó para presiones ambientes superiores a 6 militorr en la configuración cuadrupolar proporcionada. Un instrumento API/MS comercialmente disponible fabricado por Sciex, una empresa canadiense, incorpora una guía de iones cuadrupolar accionada en el modo sólo CA localizado antes del filtro de masa cuádruple en un sistema de vacío de fase única. Los iones y el gas neutro que fluyen en vacío a través de un orificio en la fuente de API se introducen en la guía de iones cuadrupolar en...

1. Aparato para analizar especies químicas, comprendiendo:

(a) una fuente de iones para producir iones a partir de una sustancia de muestra;

(b) al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54), cada una de dichas fases de vacío (53, 41, 42, 54) teniendo medios para bombear hacia afuera el gas para producir un vacío parcial, dichas fases de vacío (53, 41, 42, 54) estando en comunicación entre sí de manera que dichos iones puedan moverse a través de una secuencia de fases de vacío (53, 41, 42, 54) y donde cada fase de vacío sucesiva en dicha secuencia de fases de vacío tiene una presión ambiente inferior que la fase de vacío precedente;

(c) un analizador de masas (57) y detector, dicho analizador de masa (57) y detector estando localizado en al menos una de las fases de vacío (54); y

(d) al menos una guía de iones multipolar (40); y

(e) medios para aplicar voltaje eléctrico a dicha al menos una guía de iones multipolar (40);

donde:

dicha al menos una guía de iones multipolar (40) se extiende continuamente desde una fase de vacío (41) dentro de al menos una fase de vacío posterior (42) y donde la presión ambiente para una parte de la longitud de la guía de iones multipolar es lo suficientemente alta para provocar un enfriamiento de la energía cinética iónica dando como resultado una reducción de la dispersión de la energía iónica para dichos iones de una proporción masa a carga dada transmitida a través de dicha guía de iones multipolar.

2. Aparato según la reivindicación 1, donde la primera de dichas fases de vacío (53) está en comunicación con dicha fuente de iones de manera que dichos iones pueden moverse desde dicha fuente de iones a dicha primera de dichas fases de vacío (53).

3. Aparato según las reivindicaciones 1 o 2, donde dicha fuente de iones produce iones a partir de una solución y entrega dichos iones en una primera fase de bombeo de vacío (53) a través de un orificio (50).

4. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (40) es cuadrupolar o hexapolar o tiene más de seis polos.

5. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicho analizador de masas (57) es uno de un espectrómetro de masas cuadrupolar, un espectrómetro de masas por sector magnético, un espectrómetro de masas por trampa de iones, o un espectrómetro de masas por transformada de Fourier.

6. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicho analizador de masas (57) es un espectrómetro de masas por tiempo-de-vuelo.

7. Aparato según la reivindicación 6, donde dicho espectrómetro de masas por tiempo-de-vuelo comprende una región de impulsos de iones, y un tubo de tiempo-de-vuelo (127).

8. Aparato según la reivindicación 7, donde dicho analizador de masas por tiempo-de-vuelo incluye medios para el impulso ortogonal de dichos iones de dicha región de impulsos en dicho tubo de tiempo-de-vuelo (127).

9. Aparato según la reivindicación 7, donde dicho analizador de masas por tiempo-de-vuelo incluye medios para impulsar linealmente dichos iones desde dicha región de impulsos en dicho tubo de tiempo-de-vuelo (127).

10. Aparato según la reivindicación 6, donde dicho analizador de masas por tiempo-de-vuelo incluye una trampa de iones para el impulso de dichos iones desde dicha región de impulsos en dicho tubo de tiempo-de-vuelo (127).

11. Aparato según la reivindicación 6, donde dichos medios para aplicar voltaje eléctrico a dicha guía de iones multipolar comprende medios para aplicar voltajes de CA y CC ajustables que pueden ser establecidos para aumentar el ciclo de funcionamiento de dicho analizador de masas por tiempo-de-vuelo.

12. Aparato según la reivindicación 6, donde dichos medios para aplicar voltaje eléctrico a dicha guía de iones multipolar comprende medios para aplicar voltaje de CA y CC ajustable que puede ser establecido para reducir el tiempo muerto del detector de dicho analizador de masas por tiempo-de-vuelo.

13. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dichas al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54) comprenden tres de dichas fases de vacío (41, 42, 54).

14. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dichas al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54) comprenden cuatro de dichas fases de vacío (53, 41, 42, 54).

15. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dichas al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54) comprenden más de cuatro de dichas fases de vacío (53, 41, 42, 54).

16. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (165) se extiende continuamente en al menos tres de dichas fases de vacío (148, 157, 151).

17. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (40) se extiende continuamente en dos de dichas fases de vacío (41, 42).

18. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicho aparato comprende al menos tres fases de vacío (53, 41, 42, 54), y donde dicha al menos una guía de iones multipolar (40) se inicia en la segunda fase de vacío (41) de dichas fases de vacío y se extiende continuamente en la tercera fase de vacío (42) de dichas al menos tres fases de vacío (53, 41, 42, 54).

19. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (165) se inicia en la primera (148) de dichas al menos dos fases de vacío (148, 157, 151)) y se extiende continuamente en la segunda fase de vacío (157) de dichas al menos dos fases de vacío (148, 157, 151).

20. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (40) se extiende continuamente desde una fase de bombeo de vacío (41) a la siguiente (42) de dichas al menos dos fases de bombeo de vacío (53, 41, 42, 54).

21. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (165) se inicia en la primera fase de vacío (148) de dichas al menos dos fases de vacío (148, 157, 151).

22. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha al menos una guía de iones multipolar (40) se inicia en la segunda fase de vacío (41) de dichas al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54).

23. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicho aparato comprende al menos tres fases de vacío (148, 157, 151), y donde dicha al menos una guía de iones multipolar (165) se extiende continuamente desde la primera (148) de dichas al menos tres fases de vacío (148, 157, 151) a través de al menos dos fases de vacío posteriores (157, 151) de dichas al menos tres fases de vacío (148, 157, 151).

24. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde la primera (53) de dichas al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54) tiene una presión ambiente inferior a 2.6 kPa (20 torr).

25. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde la segunda (41) de dichas fases de vacío (53, 41, 42, 54) tiene una presión ambiente inferior a 66.5 Pa (500 militorr).

26. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dichas al menos dos fases de vacío (53, 41, 42, 54) comprenden al menos tres fases de vacío (53, 41, 42, 54) y donde la tercera (42) de dichas al menos tres fases de vacío (53, 41, 42, 54) tiene una presión ambiente inferior a 1.33 Pa (10 militorr).

27. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dichos medios de aplicación de voltaje eléctrico a al menos una guía de iones multipolar (40) incluye la aplicación de voltaje de CA y CC a dicha al menos una guía de iones multipolar (40).

28. Aparato según la reivindicación 27, donde dichos voltajes de CA y CC y la frecuencia de CA son ajustables.

29. Aparato según la reivindicación 27, donde dicha frecuencia de CA es fija, dicha amplitud de voltaje de CA es ajustable y dichos voltajes de CC son ajustables.

30. Aparato según la reivindicación 28, donde dicha frecuencia de CA y dichos voltajes de CA y CC son establecidos para limitar la gama de masa-a-carga de dichos iones que pueden ser transmitidos a través de dicha al menos una guía de iones multipolar (40).

31. Aparato según la reivindicación 29, donde dicha frecuencia de CA es fija y dicha amplitud de voltaje de CA y dichos voltajes de CC son ajustados para limitar la gama de masa-a-carga de iones que pueden ser transmitidos a través de dicha al menos una guía de iones multipolar (40).

32. Aparato según la reivindicación 28 o 29, donde dichos voltajes de CA y CC son ajustados para seleccionar la energía de dichos iones que se introducen en dicho analizador de masas (57).

33. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde la presión ambiente en al menos una de dichas al menos dos fases de vacío donde se extiende una parte de dicha al menos una guía de iones multipolar (40) es de tal manera que se produce el enfriamiento colisional de la energía cinética iónica.

34. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde al menos una (41) de dichas al menos dos fases de vacío (41, 42) en las que dicha al menos una guía de iones multipolar (40) se extiende siendo mantenida a una presión ambiente de al menos 0,13 Pa (1 militorr), más preferiblemente al menos 6,6 Pa (50 militorr), más preferiblemente al menos 13,3 Pa (100 militorr), incluso más preferible al menos 20 Pa (150 militorr).

35. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde la distancia radial desde la superficie interna de un polo (160) de dicha al menos una guía de iones multipolar (40) a la línea central de dicha al menos una guía de iones multipolar (40) no es mayor de 2.5 milímetros, de forma más preferible no mayor de 1.5 milímetros, incluso más preferible no mayor de 1.0 milímetros.

36. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha fuente de iones funciona sustancialmente a presión atmosférica.

37. Aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, donde dicha fuente de iones es una de una fuente de iones por electrospray, una fuente de ionización química a presión atmosférica, una fuente de iones de plasma acoplado inductivamente, o una fuente de iones por electrospray con asistencia de nebulización neumática.

38. Método de análisis de especies químicas comprendiendo:

(a) suministrar el aparato según la reivindicación 1;

(b) producir iones a partir de una sustancia de muestra usando dicha fuente de iones;

(c) dirigir dichos iones en dicha guía de iones multipolar (40), dicha guía de iones multipolar (40) teniendo un voltaje eléctrico aplicado a dicha guía de iones multipolar (40);

(d) dirigir dichos iones a través de dicha al menos una guía de iones multipolar (40); y,

(e) transferir dichos iones en dicho espectrómetro de masas (57) y detector para analizar dichos iones.

39. Método según la reivindicación 38, donde dicha fase de producción de dichos iones es realizada a presión sustancialmente atmosférica.

40. Método según la reivindicación 38, donde dicha sustancia de muestra introducida en dicha fuente de iones es una solución.

41. Método según la reivindicación 38, comprendiendo además la fase de mantener una presión ambiente de al menos 0.13 Pa (1 militorr), más preferiblemente al menos 6.6 Pa (50 militorr), más preferiblemente al menos 13.3 Pa (100 militorr), incluso más preferiblemente al menos 20 Pa (150 militorr) en al menos una de dichas fases de vacío (53, 41, 42, 54) en la que está localizada una parte de dicha guía de iones (40).

42. Método según la reivindicación 38, donde dicho voltaje eléctrico aplicado a dicha al menos una guía de iones multipolar (40) comprenden componentes de CA y CC, y comprenden además la fase de aplicación de dicho voltaje eléctrico comprendiendo componentes de CA y CC para dicha al menos una guía de iones multipolar (40) para establecer la energía de dichos iones que salen de dicha al menos una guía de iones multipolar (40).

43. Método según la reivindicación 38, donde dicho voltaje eléctrico aplicado a dicha al menos una guía de iones multipolar (40) comprende componentes de CA y CC, y comprende además la fase de aplicación de dicho voltaje eléctrico comprendiendo componentes de CA y CC para dicha al menos una guía de iones multipolar (40) para limitar la gama de masa-a-carga de dichos iones que pasarán a través de dicha al menos una guía de iones multipolar (40).

44. Método según la reivindicación 38, donde dicho análisis es realizado con cualquiera de un analizador de masas cuadrupolar (57), un analizador de masas por sector magnético, un analizador de masas por tiempo-de-vuelo, un analizador de masas por trampa de iones (177), un analizador de masas por transformada de Fourier, o un analizador de masas por tiempo-de-vuelo que tiene una región de impulsos y un tubo de tiempo-de-vuelo (127).

45. Método según la reivindicación 38, donde dicha fase de producción de dichos iones es realizada usando cualquiera de ionización por electrospray, ionización por electrospray asistida por nebulizador, ionización química a presión atmosférica, o ionización de plasma acoplado inductivamente.