一種在離子阱質(zhì)量分析器中進行高效快速分析的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于質(zhì)量分析技術領域，具體為在離子阱質(zhì)譜儀中實現(xiàn)高效快速質(zhì)量分析 的方法，通過掃描數(shù)字射頻工作電壓的頻率和快速調(diào)節(jié)離子阱質(zhì)量分析器前后端蓋電極上 的工作電壓，只進行其中的一個離子共振逐出階段，即可快速完成對離子的質(zhì)量分析。
【背景技術】
[0002] 質(zhì)譜儀是目前分析測試領域中最重要的分析科學儀器之一，廣泛應用于現(xiàn)代科學 研究和生產(chǎn)活動中，在生命科學、食品安全、環(huán)境污染檢測、國防安全、航空航天、醫(yī)學等各 種微量或痕量物質(zhì)檢測領域中發(fā)揮著不可或缺的作用，已成為現(xiàn)代科技發(fā)展和日常生活中 不可缺少的分析工具。
[0003] 離子阱質(zhì)譜儀是眾多質(zhì)譜儀中的一種，它具有結構簡單、體積小、易加工等優(yōu)點。 離子阱質(zhì)譜儀的核屯、關鍵部件是離子阱質(zhì)量分析器，離子阱質(zhì)量分析器是目前可W在單一 的質(zhì)量分析器中同時實現(xiàn)離子存儲和串級質(zhì)譜分析功能，可W同時獲得更多被測樣品成分 組成和分子結構的多重信息。此外，離子阱質(zhì)量分析器由于同時具有離子存儲和串級質(zhì)譜 分析功能等優(yōu)勢，常常與飛行時間質(zhì)譜，四極桿質(zhì)譜，軌道離子阱質(zhì)譜等其他類型的質(zhì)譜 組合成為功能更為強大的復雜質(zhì)譜儀器系統(tǒng)，獲得更多的樣品信息。
[0004] 四極離子阱質(zhì)量分析器和四極桿質(zhì)量分析器雖然都工作在完全相同的四極場理 論基礎上，即都是利用四極電場將不同質(zhì)荷比的離子區(qū)分開來，但它們在進行離子的質(zhì)量 分析時，其分析過程卻有著很大區(qū)別。簡單地說，當使用四極桿質(zhì)量分析器作樣品中的離 子質(zhì)量分析時，它是通過連續(xù)改變加載在四極桿電極上的在工作電壓來改變四極桿電極系 統(tǒng)中的電場分布，使得在某種特定的電場中可W在一定的空間范圍內(nèi)穩(wěn)定運動的單一質(zhì) 荷比的離子通過四極桿電極而到達后置的離子探測器而被檢測到，而其它離子則由于運 動范圍超出了四極桿的幾何空間范圍而不能到達離子探測器。理論上，為了實現(xiàn)高質(zhì)量分 辨能力的離子質(zhì)量分析，四極桿電極的幾何加工和組裝精度都要求非常高，一般為幾個微 米W內(nèi)。該是因為四極桿電極的微小幾何誤差會導致四極電場中高階場的產(chǎn)生，而高階場 是獲得高分辨質(zhì)量分析的克星。
[0005] 四極離子阱質(zhì)量分析器雖然同樣是利用一定空間內(nèi)的四極電場將離子束縛在離 子阱的離子存儲空間內(nèi)，但與四極桿質(zhì)量分析器不同的是，當用離子阱質(zhì)量分析器進行離 子質(zhì)量分析時，它不是利用對應于某種特定電場分布的特定離子的穩(wěn)定運動而區(qū)分離子 質(zhì)量，而是采用某離子在特定四極電場下的固有久期頻率，利用外加的偶極電場實現(xiàn)偶 極電場的頻率與離子久期頻率的所謂共振激發(fā)，使得此離子的運動變得不穩(wěn)定而被逐出 離子阱，并被外置的離子探測器檢測到。
[0006] 離子阱質(zhì)量分析器與四極桿質(zhì)量分析器的不同之處還有，在相同質(zhì)量分辨能力的 情況下，組成離子阱的電極的幾何加工精度和組裝精度可W低一些，該是因為即使四極電 場中存在少量的高階場成分，但離子在電場中的久期頻率仍然與電場分布有關，因此，仍然 可W利用偶極電場的頻率與特定離子的共振來實現(xiàn)離子的共振逐出。例如，一個幾何精度 為20微米的四極桿質(zhì)量分析器最多只能實現(xiàn)上百的質(zhì)量分辨能力，而具有相同幾何精度 的離子阱可W實現(xiàn)至少1000的質(zhì)量分辨。
[0007] 與四極桿質(zhì)量分析器相比，離子阱質(zhì)量分析器也存在一些不足之處。一個明顯的 劣勢就是，它的分析周期比較長。在通常的質(zhì)量分析過程中，當利用離子阱質(zhì)量分析器進行 離子樣品的質(zhì)量分析時，一般需進行四個階段，目P;離子引入、離子冷卻、離子質(zhì)量分析和 離子阱清空.每個階段的時間約為數(shù)10毫秒，完成一個分析過程需要時間約為100ms。該 對于日益追求的高速，高通量，在線分析等實際需求來說顯然是有差距的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種檢測效率高、檢測過程簡單的在離子阱質(zhì)量分析器中進 行高效快速質(zhì)量分析的方法。
[0009] 本發(fā)明提出的離子阱質(zhì)量分析方法，通過掃描數(shù)字射頻工作電壓的頻率和快速調(diào) 節(jié)離子阱質(zhì)量分析器前后端蓋電極上的工作電壓，只進行其中的一個離子共振逐出階段， 即可快速完成對離子的質(zhì)量分析。
[0010] 離子阱的驅動電壓主要是射頻電壓（radio化equency，簡稱RF)。目前，驅動離子 阱的射頻電壓可W有兩種類型，一種是傳統(tǒng)的正弦波驅動，另一種是數(shù)字方波驅動。本發(fā)明 提出的方法主要應用在數(shù)字方波驅動模式下。下文W數(shù)字方波為例進行說明。
[0011] 在數(shù)字方波驅動的離子阱中，用于束縛離子的方波的幅值一般為幾百伏，且為一 定值。離子阱工作時，通過對數(shù)字方波頻率的掃描，在掃描階段，在數(shù)字方波上疊加偶極共 振激發(fā)信號，當離子頻率與掃描時的偶極共振激發(fā)信號頻率實現(xiàn)共振時，實現(xiàn)離子的共振 彈出。用于離子共振激發(fā)的偶極激發(fā)方波同束縛方波一樣，均由相同的方式產(chǎn)生和控制，但 是其幅值較低一般在10伏W內(nèi)，其頻率與束縛方波保持一固定的比例關系。束縛方波和用 于離子彈出的偶極激發(fā)方波的波形均為對稱波形，即具有50%的占空比。
[0012] 使用與馬修方程中類似的參數(shù)（a,q)來描述離子在數(shù)字化方波離子阱中的穩(wěn)定情 況。當一個質(zhì)量為m、電荷為e的離子在純四極場中運動時，參數(shù)（a,q)可表示為：
【主權項】
1. 一種在離子阱質(zhì)量分析器中進行高效快速分析的方法，其特征在于： 僅用一個離子共振逐出階段，實現(xiàn)整個離子阱質(zhì)量分析器工作過程，具體步驟如下： 在離子共振逐出階段，施加對稱波形的射頻工作電壓信號，離子在離子阱射頻工作電 壓產(chǎn)生的電場作用下，通過與中性氣體分子的碰撞冷卻被束縛在離子阱中； 在數(shù)字方波驅動離子阱工作模式下，掃描數(shù)字射頻工作電壓的頻率和快速調(diào)節(jié)離子阱 質(zhì)量分析器前后端蓋電極上的工作電壓，在掃描過程中施加偶極激發(fā)電壓信號，離子在偶 極激發(fā)電壓的作用下，發(fā)生共振激發(fā)，最終從離子引出電極的引出孔或引出槽中被逐出，被 安置在離子阱外的離子探測器檢測獲得離子的質(zhì)譜信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：在離子共振逐出階段，所施加的離子射頻 電壓信號波形是數(shù)字方波或者正弦波，或者其它形式的波形。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：在所述離子共振逐出階段中，通入離子阱 內(nèi)的冷卻氣體為中性氣體。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：在所述離子共振逐出階段，射頻工作電壓 與偶極共振激發(fā)電壓頻率比值為任意值。
5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：所述離子阱質(zhì)量分析器為任何四極離子 阱質(zhì)量分析器，包括三維離子阱，二維線形離子阱，或者其它任何幾何形狀的離子阱質(zhì)量分 析器。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于：所述離子阱質(zhì)量分析器既可以實現(xiàn)傳統(tǒng) 離子阱的離子存儲，質(zhì)量分析，串級質(zhì)譜分析功能，又可以和四極桿質(zhì)量分析器一樣進行樣 品的快速分析。
【專利摘要】本發(fā)明屬于質(zhì)譜分析測試技術領域，具體為在離子阱質(zhì)量分析器中進行高效快速分析的方法。該方法在離子進入離子阱的過程中，利用一偶極電壓對離子進行共振逐出，實現(xiàn)離子的質(zhì)量分析工作過程。具體為通過掃描數(shù)字射頻工作電壓的頻率和快速調(diào)節(jié)離子阱質(zhì)量分析器前后端蓋電極上的工作電壓，在不需要進行常規(guī)離子阱質(zhì)譜作質(zhì)量分析時所需要的四個時序階段，只進行其中的一個離子共振逐出階段，即可快速完成對離子的質(zhì)量分析，縮短整個離子阱質(zhì)譜儀的分析時間，提高檢測效率。本發(fā)明不需要額外的硬件改變，僅通過軟件的控制即可實現(xiàn)高效的快速分析。
【IPC分類】G01N27-62, H01J49-02, H01J49-42
【公開號】CN104766780
【申請?zhí)枴緾N201510126428
【發(fā)明人】徐福興, 陳銀娟, 黨乾坤, 汪源源, 方向, 丁傳凡
【申請人】復旦大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月20日