CN101752179A - 质谱分析器 - Google Patents

Abstract

一种基于对离子镜像电流进行检测的质谱分析器和分析方法，包括在多圈飞行时间分析器中用静电反射镜或静电偏转装置使脉冲离子在其中进行多次周期性运动，并在其中部分区域形成时间会聚，空间上成细长离子束；让离子束周期性通过沿离子束的轴向串型排列的多个管状镜像电流检测器，再用低噪声电子放大装置差分地检测多个管状检测器拾取的镜像电流，并用数学转换的方法获得质谱。

Description

质谱分析器

技术领域

本发明涉及质谱分析技术，进一步说，本发明涉及到利用镜像电流对高速运动的离子进行无损探测的质谱分析技术。

背景技术

质谱学发展至今，已有多种常用质谱仪产品。从对离子信号的检测技术来说，这些质谱仪又可以分为有损检测型和无损检测型两类。有损探测即为，离子经过分析器后用法拉第筒或打拿极接受，离子的电荷在法拉第筒上转化为电流，或者经打拿极倍增后，被电路放大检测到。经过一次检测，离子在法拉第筒或打拿极上被中和而消失掉。传统上大部分质谱仪都是利用这类检测方法。如，四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、磁偏转质谱仪和飞行时间质谱仪等。

当带电粒子移动到导体附近时，导体内会感应出极性相反的所谓“镜像电荷”，与该导体连接的电路中就会产生一个电流。用这种方法可以测出一个电极附近运动着的电荷，在测量的同时，该带电粒子并没有被中和消失掉。所以这类探测方法属于离子的无损探测方法。近来发展的回旋共振傅立叶变换(FTICR)质谱仪、轨道阱质谱仪(Orbitrap)用的就是这种方法。在这两种质谱仪的分析器中，离子在磁场或电场的束缚下来回震荡，在分析器一侧的电极上就感应出镜像电流，镜像电流的周期变化频率即是离子在磁场或电场中振动的频率，所以将镜像电流进行傅立叶变换得到的频谱即反映了阱中离子的质谱。

其实在带电粒子的束流管道中早已使用了无损探测粒子流的方法，比如曾被用于加速器中的粒子束流的检测器。Michel Sonck与Alex Hermanne在文章“The beam pick-up：A Transducer with a versatile set of applicationsin applied nuclear science”(<IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement>，Vol.46，No.4，Aug.1997)设计的同轴双圆桶束流检测器(beamcurrent Pick-up)可以检测到一束离子的脉冲信号。在束流管中使用镜像电流的探测原理也被引用于飞行管型的质谱仪器中，H.Benner在美国专利US5880466A中提出一种静电离子阱，它实际上是一种含有两个反射镜的静电飞行管。离子在两个反射镜之间来回反射，在两个反射镜之间的漂移区间，离子具有很高的运动速度。当它们穿过一个圆筒电极时，就会在该电极上感应出镜像电荷，与其连接的电路中就能探测到一个脉冲信号。但是单一的管形检测器灵敏度不高，只适合于检测如DNA这种超大分子的多电荷离子。Zajfman在他的专利离子捕获(WO02103747(A1))中，也描述了一种含有两个反射镜的静电飞行离子阱。并用一个管形检测器来获取镜像电流。但问题是镜像电流的强度很弱，即使离子源产生104个同种质荷比的离子，它们完全聚在一起运动，这时可产生的脉冲镜像电流信号才刚能被低噪声放大器检测出来，而经过多次往复运动以后，离子群中的离子因初始动能的差异逐步散开，镜像电流信号在时间上展宽，强度上减弱，直到最后就检测不出来了。镜像电流信号的记录时间越长，检测次数越多，转换获得的质谱精度就越高。所以通常人们希望离子在飞行管中往复几百次、上千次。为了避免离子信号的衰减，Zajfman提出了利用反射镜的非线性和离子间的库仑相互作用实现离子群的聚集(bunch)，使离子在飞行管中往复几百次不发散。但是，这种基于库仑相互作用的聚集(bunch)对于分析复杂离子组合的质谱仪来说，特别是有许多同位素伴峰时，大峰就会劫持小峰，会影响离子的分辨，破坏分析器的精度。

利用静电偏转透镜，也可以把飞行管设计成回旋跑道式的，同样也可以在跑道的一些漂移区间安置圆筒镜像电流检测器，来多次记录飞过离子的镜像电流。同样，这里也会有最低检测限的问题。综上所述，要想实现高分辨率和低检测限，还是要提高检测器的灵敏度，在较小的离子数量也能拾取足够的镜像电流信号。

发明内容

本发明目的之一是，提高质谱分析器中无损离子探测器对多圈飞行管中离子检测的效率。

本发明的另一个目的是，解决现有镜像电流检测器输出信号不良和离子往返两程信号极性不分的问题。

本发明为解决上述技术问题而采用的一种技术方案是提出一种基于对离子镜像电流进行检测的质谱分析器，包括能够使脉冲产生或启动的待分析的离子在其中进行多次周期性运动，且在其中部分区域形成时间会聚，并形成细长束的静电透镜，静电反射镜或静电偏转器；在上述静电偏转装置或反射镜以外有漂移空间，漂移空间中设有多个沿离子束轴向串型排列，离子从中通过的管状镜像电流检测器；与管状镜像电流检测器相连的低噪声电子放大装置；以及基于一种将差分镜像电流信号转化成质谱的信号处理装置和软件。

本发明为解决上述技术问题而采用的另一种技术方案是提出一种利用多圈式飞行时间分析器进行质谱分析的方法，包括设置飞行时间分析器静电反射镜或静电偏转装置使脉冲产生或启动的待分析的离子在其中进行多次周期性运动，并在其中部分区域形成时间会聚，且空间上成细长离子束；让离子束周期性通过沿离子束的轴向串型排列的多个管状镜像电流检测器，再用低噪声电子放大装置差分地检测多个管状检测器拾取的镜像电流，并用数字快速傅立叶变换法等方法对放大后的信号进行数学转换，获得质谱。

本发明由于采用了上述技术方案，使之与现有技术相比，有如下显著优点：

1.在多圈飞行管中，单一圆筒检测器在离子运动的每一个周期中只能检测到一次信号，即使在直线反射往复式多圈飞行管中也只能检测到两次信号，所以信号提取量很小，当使用两个管状圆筒检测器时，两个管状圆筒会被从中通过的离子感应出不同镜像电流，这两个镜像电流既可加和取用，也可以差分取用，取其差分时可以得到比单一圆筒检测极幅度更强的信号。

2.在直线反射往复式多圈飞行管中(静电反射离子阱)离子往返经过单一探测器的信号的极性相同，而使用本发明的两个圆筒检测器时，离子从第一个检测极进入，由第二个检测极穿出时，差分信号极性为正；反之离子从第二个检测极进入，由第一个检测极穿出时差分信号极性为负，所以信号的极性反映了离子的入射方向。

3.将一列多个圆筒检测极同轴相串，离子从一端射入后，每个圆筒会在不同时刻感应出脉冲镜像电流，将相邻的圆筒检测极上的镜像电流取差分，并与接下去相邻检测极之差分信号叠加，可以得到一个时间成一定规律的脉冲信号序列，这个信号序列的高频成分比单一检测筒检出的高频成分有很大增强。这些高频成分与离子的运动速度有紧密的关系，通过对信号的适当解析转换，可以得到一张质谱，且信噪比能够得以增强。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1，含有一对镜像电流检测器的多次反射飞行时间质谱仪。

图2，单圆筒镜像电流检测器。

图3，正电荷通过时单圆筒镜像电流检测器的输出电流信号。

图4，双圆筒镜像电流检测器，以及经放大器(或电流对电压转换器)输出的波形。

图5，正电荷通过双圆筒镜像电流检测器时在左圆筒、右圆筒上拾取的输出电流，以及左右差分后获得的信号。

图6，喇叭形双圆筒镜像电流检测器。

图7，正电荷通过喇叭形双圆筒镜像电流检测器时差分信号的反冲波(正向)大大减小。虚线为作为比较的单圆筒拾取的镜像电流信号。

图8，一列8个圆筒的镜像电流检测器及其信号拾取方案一例，下部给出放大器输出的信号波形。

图9，离子群在多次反射飞行管中来回运动时，多个圆筒的镜像电流检测器输出的信号波形。

图10，多圆筒镜像电流检测器的信号拾取方案另一例。

图11，回旋跑道式多圈飞行管中用多圆筒镜像电流检测器采样的实施例。

具体实施方式

首先以往复式多次反射飞行管的基本结构来描述这种新型分析器。

图1中的飞行管100包含了相对着的两个反射镜2a和2b，离子源1产生的脉冲离子束Ib，可以经反射镜两端电极上的小孔H引入。离子引入后反射镜2中的一些电极电压应立刻恢复到正常反射状态的电压值。这样离子就会在两个反射镜之间不断反射。

对于正离子模式，反射镜中电极要加正电压，反射镜内的电势相对于漂移空间7，高达几千伏到上万伏，所以当离子往反行至漂移区7时，具有几千到上万ev的动能。在漂移空间7中同轴安装了一对圆筒检测电极10，其分别连接到差分放大器8。

一个设计良好的反射镜，应当满足等时性的条件，所谓等时性即当离子质荷比相同，即使初始动能有少量差异，经反射镜反射后都能同时回到漂移区内的某一点。比如，离子群从点P1出发，经反射镜2b反射后能同时回到点P2，这个反射镜就满足了等时性条件，在等时点P2处安置离子检测器，就能获得很高的质量分辨率。同样，如反射镜2a也满足等时性的条件，并能将从点P2出发的离子群，经反射后，同时回到点P1，这对反射镜构成的多次(圈)反射飞行管就是一个具有等时性的静电离子阱。

如果用图2显示的现有单圆筒检测器置于上述漂移空间7，则检出的镜像电流信号波形如图3所示，这个波形与离子运动方向无关。如果用图4所示的双圆筒检测器，离子群Ig从筒10L进入，镜像电流信号波形如图5所示。由左筒检出的信号波形为虚线K1，由右筒10R检出的信号波形如虚线K2，T为两波形取差(K1-K2)。波形T有一个较高的负向尖峰。如果离子是由右边入射，右筒10R就会检出如虚线K1所示的信号波形，左筒10L就会检出如虚线K2所示的信号波形，取差后就得到与波形T相反的正向尖峰信号输出。所以用双圆筒探测可以辨别离子运动的方向。

可以有不同的方法获取差分信号，可以像图4所示那样直接用差分放大器8将筒10上的感应电流放大，也可以分别将筒10上的感应电流放大，再用差分放大器取差。

图5中的波形T，除了中间的尖峰以外，其两边还有两个反向的小峰，在没有较好的解析算法时，容易与其它离子群的信号相混淆，如果将双圆筒检测器做成图6中11所示的喇叭筒状，差分波形就能大大改观。图7显示喇叭筒筒长10mm，筒小头直径4mm，两筒间距为2mm，半张角为45度时获得的差分电流信号。作为比较，图中同时给出了直径18mm长7mm的单个直筒对同样离子群的镜像电流波形，可见本发明提出的双圆筒探测方案对提高信号强度有明显效果。

在本发明的又一实施方案中，分析器中的圆筒检测器为一列多个，离子穿过该列检测器时，不仅可以利用差分取样的信号增强作用，还能在离子的一个回转周期得到一个序列的镜像电流脉冲。如图8所示，置于无场漂移区的有8个圆筒，每个圆筒内径为6mm，长度为7mm.相邻圆筒间距1mm，各圆筒从左到右标记为10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g和10h。奇数号的圆筒联接在一起，接通差分放大器8的正向输入端；偶数号的圆筒联接在一起，接通差分放大器8的负向输入端。一个匀速由左向右运动的离子群Ig穿入圆筒序列，每个圆筒会在不同时刻感应出脉冲镜像电流，奇数与偶数圆筒的镜像电流之和取差分，在差分放大器8的输出端可以得到一个如图8所示的波形脉冲信号序列。该波形脉冲信号序列中各个脉冲上的标记分别指示该脉冲是离子从第一个号码的圆筒进入第二个号码的圆筒时产生的。例如负脉冲a-b就是离子从圆筒a进入圆筒b时产生的，正脉冲b-c就是离子从圆筒b进入圆筒c时产生的，等等。

检测器中的圆筒级数并不只限于8级，在飘移区长度和离子束聚焦特性允许的情况下越多越好。当离子群在两个反射镜之间来回振荡时，飘移区中的检测器就会不断地拾取上述脉冲序列信号，形成如图9所示的波包串。一对波包对应于离子的一次来回，其周期反映了离子在飞行管中振荡的周期，正比于质荷比的平方根同时，每一个波包中的脉冲间隔，反映了离子穿越每个圆筒的时间。如果圆筒的长度为l，离子在入射飞行管前的加速电压为U，则波包中的脉冲间隔：

$\mathrm{\&Delta;t}=\frac{l}{\sqrt{2U}}\sqrt{\frac{m}{\mathrm{ze}}}$

所以，波形中的两个时间(或频率)参数都与离子的质荷比有关。采用一定的算法对波包串信号进行数学转换，就能得到一张质谱。而本发明的一个特点就是对输出信号进行数学转换的方法利用了多项频率与质荷比的关系。例如可以用傅立叶变换获得离子在飞行管中振荡的频谱和波包中的脉冲频谱，并分别折算成质谱，再叠加起来。由于时域型号中的多种高频分量被充分利用，此方法获得的质谱比用单一圆筒检测器获取镜像电流的傅立叶转换质谱的信噪比大为提高。

从电子学角度考虑，如果能把低噪声放大器做成一个阵列，放置于检测器圆筒阵列附近，可进一步提高信噪比。如图10所示，检测器的每个圆筒都连接一个低噪声放大器9，所有奇数圆筒9a、9c、9e、9g的放大器输出端分别经过电阻6a、6c、6e、6g，汇集到一点，连到下一级差分放大器的正向输入端；所有偶数圆筒9b、9d、9f、9h的放大器输出端分别经过电阻6b、6d、6f、6h，汇集到一点，连到下一级差分放大器的负向输入端；最后由差分放大器给出总的输出信号。

本发明的另一种配置实例如图11所示。图中的多圈飞行管200呈一个封闭跑道状，包涵静电偏转器4，聚集透镜5，以及两个漂移区7。离子由离子源1产生，通过切断、恢复偏转器4的电压的方法，使离子源1产生的离子注入封闭跑道状飞行管，并在其中周而复始地运转。在每个漂移区中装有一列圆筒检测器10，离子每次穿越圆筒检测器，将在与其相连的放大器(图中未显示)上输出脉冲波包信号。两组圆筒检测器的输出信号，即可以分别使用，也可以通过一定的移相调整后叠加在一起使用。所得的时域信号最后通过一定的数据转换方法得到离子的质谱。

总之利用多个管状电极检测器能在离子的一个往复/循环运动周期内给出多个镜像电流脉冲，提高了信号拾取量，经处理后获得的质谱信噪比得以提高。在以上的实施方案中，考虑离子束的截面是圆形的，所以用的是多个圆筒检测器。如果针对静电飞行管的不同设计，检测器的圆筒也可改为截面是其他形状的管筒状电极，比如长方筒，这仍为本发明的思想所涵盖。对于将时域信号转换成质谱数据处理方法本文仅作了粗略的说明，除了常用的快速傅立叶转换以外，行业之专家们还可以采用其他方法，比如小波分析、数字退卷积等。

Claims (11)

1.质谱分析器，包括：

能够使脉冲产生或启动的待分析的离子在其中进行多次周期性运动，且在其中部分区域形成时间会聚，并形成细长束的静电透镜，静电反射镜或静电偏转装置；

在上述静电偏转装置或反射镜以外的漂移空间，漂移空间中设有多个沿离子束轴向串型排列，能使离子从中通过的管状镜像电流检测器；

与管状镜像电流检测器相连的低噪声电子放大装置；

将差分镜像电流信号转化成质谱的信号处理装置和软件。

2.根据权利要求1所述的质谱分析器，其特征在于，上述漂移空间中沿离子束轴串形排列的有一对管状检测器，其拾取到的镜像电流信号被低噪声电子放大装置检出，再取差值。

3.根据权利要求1所述的质谱分析器，其特征在于，上述漂移空间中沿离子束轴串形排列的一对管状检测器，检出两镜像电流差值的电子放大装置为差分放大器，其输入电流分别来自每个管状检测器。

4.根据权利要求1至3所述的质谱分析器，其特征在于，上述一对管状检测器为对称放置的喇叭筒形，相靠近一端内径较小，相远离一端内径较大，喇叭筒母线对中轴线的张角为25度到55度之间。

5.根据权利要求1所述的质谱分析器，其特征在于，低噪声电子放大装置包含至少一个差分放大器，上述多个沿离子束轴向串型排列的一部分管状检测器拾取到的镜像电流汇集到该差分放大器的一个输入端，而另一部分管状检测器之拾取到的镜像电流汇集到该差分放大器的另一个输入端。

6.根据权利要求5的质谱分析器，其中汇集到差分放大器一个输入端的镜像电流的那一部分管状检测器为奇数序号的管状检测器，而汇集到该差分放大器的另一个输入端的镜像电流的另一部分管状检测器为序号是偶数的管状检测器

7.一种利用多圈式飞行时间分析器进行质谱分析的方法，其特征包括：

设置飞行时间分析器静电反射镜或静电偏转装置使脉冲产生或启动的待分析的离子在其中进行多次周期性运动，并在其中部分区域形成时间会聚，且空间上成细长离子束；

在上述的部分区域，让离子束周期性通过沿离子束的轴向串型排列的多个管状镜像电流检测器；

用低噪声电子放大装置差分地检测多个管状检测器拾取的镜像电流；

将上述电子放大装置的输出信号进行数学转换，获得质谱。

8.根据权利要求7所述的质谱分析方法，其特征在于，差分地检测多个管状检测器拾取的镜像电流手段包括将所有奇数检测器拾取的镜像电流信号送往差分放大器的一个输入端，将所有偶数检测器拾取的镜像电流信号送往差分放大器的另一个输入端。

9.根据权利要求7所述的质谱分析方法，其特征在于，差分地检测多个管状检测器拾取的镜像电流手段包括，分别用低噪声放大器将每个检测器拾取的镜像电流信号放大，再把所有奇数通道的输出之和，与所有偶数通道的输出之和取差分、放大，构成输出信号。

10.根据权利要求7所述的质谱分析方法，其特征在于，对输出信号进行数学转换的方法包括数字快速傅立叶变换法。

11.根据权利要求7至10所述的质谱分析方法，其特征在于，对输出信号进行数学转换的方法利用了某一质荷比与多项频率分量的关系。

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