一種在離子阱質(zhì)量分析器中進(jìn)行高效快速分析的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于質(zhì)量分析技術(shù)領(lǐng)域,具體為在離子阱質(zhì)譜儀中實(shí)現(xiàn)高效快速質(zhì)量分析 的方法,通過(guò)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(jìn)行其中的一個(gè)離子共振逐出階段,即可快速完成對(duì)離子的質(zhì)量分析。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)譜儀是目前分析測(cè)試領(lǐng)域中最重要的分析科學(xué)儀器之一,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué) 研究和生產(chǎn)活動(dòng)中,在生命科學(xué)、食品安全、環(huán)境污染檢測(cè)、國(guó)防安全、航空航天、醫(yī)學(xué)等各 種微量或痕量物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易加工等優(yōu)點(diǎn)。 離子阱質(zhì)譜儀的核屯、關(guān)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(shí)實(shí)現(xiàn)離子存儲(chǔ)和串級(jí)質(zhì)譜分析功能,可W同時(shí)獲得更多被測(cè)樣品成分 組成和分子結(jié)構(gòu)的多重信息。此外,離子阱質(zhì)量分析器由于同時(shí)具有離子存儲(chǔ)和串級(jí)質(zhì)譜 分析功能等優(yōu)勢(shì),常常與飛行時(shí)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(qiáng)大的復(fù)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(chǎng)理 論基礎(chǔ)上,即都是利用四極電場(chǎng)將不同質(zhì)荷比的離子區(qū)分開(kāi)來(lái),但它們?cè)谶M(jìn)行離子的質(zhì)量 分析時(shí),其分析過(guò)程卻有著很大區(qū)別。簡(jiǎn)單地說(shuō),當(dāng)使用四極桿質(zhì)量分析器作樣品中的離 子質(zhì)量分析時(shí),它是通過(guò)連續(xù)改變加載在四極桿電極上的在工作電壓來(lái)改變四極桿電極系 統(tǒng)中的電場(chǎng)分布,使得在某種特定的電場(chǎng)中可W在一定的空間范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的單一質(zhì) 荷比的離子通過(guò)四極桿電極而到達(dá)后置的離子探測(cè)器而被檢測(cè)到,而其它離子則由于運(yùn) 動(dòng)范圍超出了四極桿的幾何空間范圍而不能到達(dá)離子探測(cè)器。理論上,為了實(shí)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(gè)微 米W內(nèi)。該是因?yàn)樗臉O桿電極的微小幾何誤差會(huì)導(dǎo)致四極電場(chǎng)中高階場(chǎng)的產(chǎn)生,而高階場(chǎng) 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(chǎng)將離子束縛在離 子阱的離子存儲(chǔ)空間內(nèi),但與四極桿質(zhì)量分析器不同的是,當(dāng)用離子阱質(zhì)量分析器進(jìn)行離 子質(zhì)量分析時(shí),它不是利用對(duì)應(yīng)于某種特定電場(chǎng)分布的特定離子的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)而區(qū)分離子 質(zhì)量,而是采用某離子在特定四極電場(chǎng)下的固有久期頻率,利用外加的偶極電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)偶 極電場(chǎng)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(yùn)動(dòng)變得不穩(wěn)定而被逐出 離子阱,并被外置的離子探測(cè)器檢測(cè)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?yàn)榧词顾臉O電 場(chǎng)中存在少量的高階場(chǎng)成分,但離子在電場(chǎng)中的久期頻率仍然與電場(chǎng)分布有關(guān),因此,仍然 可W利用偶極電場(chǎng)的頻率與特定離子的共振來(lái)實(shí)現(xiàn)離子的共振逐出。例如,一個(gè)幾何精度 為20微米的四極桿質(zhì)量分析器最多只能實(shí)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(shí)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(gè)明顯的 劣勢(shì)就是,它的分析周期比較長(zhǎng)。在通常的質(zhì)量分析過(guò)程中,當(dāng)利用離子阱質(zhì)量分析器進(jìn)行 離子樣品的質(zhì)量分析時(shí),一般需進(jìn)行四個(gè)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(gè)階段的時(shí)間約為數(shù)10毫秒,完成一個(gè)分析過(guò)程需要時(shí)間約為100ms。該 對(duì)于日益追求的高速,高通量,在線分析等實(shí)際需求來(lái)說(shuō)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(cè)效率高、檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單的在離子阱質(zhì)量分析器中進(jìn) 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(guò)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(jìn)行其中的一個(gè)離子共振逐出階段, 即可快速完成對(duì)離子的質(zhì)量分析。
[0010] 離子阱的驅(qū)動(dòng)電壓主要是射頻電壓(radio化equency,簡(jiǎn)稱RF)。目前,驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng),另一種是數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明 提出的方法主要應(yīng)用在數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)模式下。下文W數(shù)字方波為例進(jìn)行說(shuō)明。
[0011] 在數(shù)字方波驅(qū)動(dòng)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(shí),通過(guò)對(duì)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(hào),當(dāng)離子頻率與掃描時(shí)的偶極共振激發(fā)信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)共振時(shí),實(shí)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(guān)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(duì)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(lái)描述離子在數(shù)字化方波離子阱中的穩(wěn)定情 況。當(dāng)一個(gè)質(zhì)量為m、電荷為e的離子在純四極場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),參數(shù)(a,q)可表示為:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在離子阱質(zhì)量分析器中進(jìn)行高效快速分析的方法,其特征在于: 僅用一個(gè)離子共振逐出階段,實(shí)現(xiàn)整個(gè)離子阱質(zhì)量分析器工作過(guò)程,具體步驟如下: 在離子共振逐出階段,施加對(duì)稱波形的射頻工作電壓信號(hào),離子在離子阱射頻工作電 壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下,通過(guò)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(qū)動(dòng)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(guò)程中施加偶極激發(fā)電壓信號(hào),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(cè)器檢測(cè)獲得離子的質(zhì)譜信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)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(hào)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng) 離子阱的離子存儲(chǔ),質(zhì)量分析,串級(jí)質(zhì)譜分析功能,又可以和四極桿質(zhì)量分析器一樣進(jìn)行樣 品的快速分析。
【專利摘要】本發(fā)明屬于質(zhì)譜分析測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域,具體為在離子阱質(zhì)量分析器中進(jìn)行高效快速分析的方法。該方法在離子進(jìn)入離子阱的過(guò)程中,利用一偶極電壓對(duì)離子進(jìn)行共振逐出,實(shí)現(xiàn)離子的質(zhì)量分析工作過(guò)程。具體為通過(guò)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(jìn)行常規(guī)離子阱質(zhì)譜作質(zhì)量分析時(shí)所需要的四個(gè)時(shí)序階段,只進(jìn)行其中的一個(gè)離子共振逐出階段,即可快速完成對(duì)離子的質(zhì)量分析,縮短整個(gè)離子阱質(zhì)譜儀的分析時(shí)間,提高檢測(cè)效率。本發(fā)明不需要額外的硬件改變,僅通過(guò)軟件的控制即可實(shí)現(xiàn)高效的快速分析。
【IPC分類】G01N27-62, H01J49-02, H01J49-42
【公開(kāi)號(hào)】CN104766780
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月20日