CN102778498A

CN102778498A - 用于质谱和光谱分析的高分辨离子选择性光解离装置与方法

Info

Publication number: CN102778498A
Application number: CN2012102384168A
Authority: CN
Inventors: 周鸣飞; 王冠军; 王亮
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: CN102778498B

Abstract

本发明属于质谱和光谱分析技术领域，具体为一种用于质谱和光谱分析的高分辨离子选择性光解离装置与方法。具体为：通过在离子飞行时间质谱的无场飞行区设置一组电极，同时在不同的电极上施加与时间相关的直流电压，使得在某一条件下只允许具有一定质荷比的离子通过，选择出指定质量数的离子，被选出的离子经过后续的激光辐射后发生光解离。同时，光解离产物经后续电极上的电场加速后被分离和检测，最终得到光解离光谱。本发明给出了一种独到的电极结构及其电压分布设计，使得离子可以进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱。

Description

用于质谱和光谱分析的高分辨离子选择性光解离装置与方法

技术领域

本发明属于质谱和光谱分析技术领域，具体涉及一种高分辨离子选择和分析的装置与方法。

背景技术

质谱和光解离谱分析方法是目前分析分子的种类和性质的二种最常用方法，被广泛地应用于物理学，化学，生命科学，环境科学等科学研究领域和众多的应用科学领域，如环境监测，食品卫生，国土安全等。质谱和光解离谱分析有几个最显著的共同优点有：速度快，灵敏度高，准确性好等。质谱仪器可以对几乎所有的分子进行质量分析，但往往很难得到分子空间结构的信息；光解离谱分析虽然可以获得分子结构的信息，但对于含很多分子成分的混合体系，由于各种分子的光解离谱结构信息有可能被同时探测到，导致实验测量得到的光谱结果十分复杂，难以对获得的包含多种分子结构信息的光谱结果进行归属。

可以将质谱分析和光解离光谱分析结合起来使用，这样既可以获得分子组成的信息，有可以得到分子结构的信息。

目前，质谱仪和光谱仪是二种最常用的科学分析仪器，被广泛应用于科学研究的各个领域。但将质谱和光谱结合起来使用的仪器，国际上还仅限于少数几个实验室使用。其原因在于，一个同时具有质谱和光解离光谱测量功能的仪器将是非常先进和复杂的。它必须同时具有质谱的高分辨质量分析功能和光谱的分子结构分析功能。因此，它必须包含可以进行离子质量分析的质量分析器和分析分子光谱结构的光源等。其复杂的结构和昂贵的造价导致目前只有少数几个高水平的实验室掌握其制造和实验技术。

将质谱仪和光解离光谱仪结合起来使用的一个最大优点在于，第一，它可以分析选择离子的分子结构。其原理和实验过程是，首先根据质谱学原理，将某种特定的离子选择出来，然后再用光源-通常为激光-辐照被选择的离子，获得此种离子的光谱信息。第二，由于质谱是工作在高真空条件下，它可以分析一些在常温常压下不稳定的自由基，离子以及各种由非共价相互作用结合起来的亚稳态分子，如分子团簇等。一些传统光谱学方法无法研究的亚稳态分子可以用质谱-光解离谱联用的方法开展研究。

由于质谱在质谱仪和光解离谱仪结合使用中的主要作用是分离选择出特定的分子离子，因此，质谱仪的质量分辨能力将决定此研究方法和仪器的性能，比如说，对于二个质荷比非常相近的离子，能否将它们完全分离开是决定研究结果可靠性的唯一保证。

本发明给出了一种高分辨离子选择和分析的技术及其装置，它可以对离子源产生的离子进行高分辨的选择和分析，使得后续的光解离更为有效。本发明提出的技术和装置通过在离子飞行时间质谱的无场飞行区设置一组电极，同时在不同的电极上施加与时间相关的直流电压，使得在某一条件下只允许具有一定质荷比的离子通过，达到离子选择的目的。更进一步，被选出的离子经过后续的激光辐射后发生光解离。其光解离产物经后续电极上的电场加速后被分离和检测到，获得所谓的光解离光谱。本发明给出了一种独到的电极结构设计，使得离子可以进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于质谱和光谱分析系统的，可以进行高分辨质量选择、并实现高分辨光解离产物质量分析的装置与方法，以获得高质量的分子光解离光谱。

为实现上述目的，本发明提供一种用于质谱和光谱分析系统的高分辨离子选择和分析的装置，该装置为一电极组，该电极组由依次并行排列的5片平板形电极组成，电极的形状可以使圆形也可以是方形，形状和尺寸不受限制，电极的厚度在毫米量级。每片电极中间开有圆孔，且各片电极中圆孔的中心同轴，圆孔的大小可以相同，也可以不同，取决于具体的样品离子的选择和解离情况。电极间的距离在5毫米至15毫米之间，用于光解离的两片电极间距略大于其它电极间距。圆孔上装有栅网，供离子通过，栅网的尺寸不受限制；电极组置于离子飞行时间质谱的无场飞行区，如图1所示。对于反射式飞行时间质谱而言，电极组位于加速和偏转电极之后，反射电场之前，对于直线式飞行时间质谱而言，电极组位于加速和偏转电极之后，检测器之前。其中，自左至右的第一、第二、第三平板电极102、103、104组成质量门，用于选择特定质量数的离子；在第三和第四电极104和105之间的区域，被选择的特定质量数的离子在解离激光的照射下发生解离，产生碎片离子；第三、第四、第五电极104、105、106组成一个两级加速电场，用于将碎片离子再一次加速，继续飞行，最终到达离子检测器微通道板（MCP）。

如图1所示，离子源产生的一系列样品离子101，通过加速电极和偏转电极后进入无场飞行区。在经过一段时间的飞行后，样品离子按照质量数从小到大的顺序依次进入电极102、103、104、105、106五片电极组成的电极组。电极102、103、104三片电极组成质量门，用于选择特定质量数的离子。在电极104和105之间的区域，被选择的特定质量数的离子107在解离激光的照射下发生解离，产生碎片离子109。电极104、105、106三片电极组成一个两级加速电场，用于将碎片离子再一次加速，继续飞行，最终到达离子检测器微通道板（MCP）。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到的被选择的样品离子光解离后的质谱图。

电极组中第一电极102和第五电极106始终为接地电极。在样品选择和解离的过程中，以样品离子是正离子为例说明电极103、104、105上的电压分布情况。电极103上施加负脉冲电压，控制脉冲的时序，使得电压下降的时间段内，目标离子通过电极104，其它时间电极103处于很高的正电位，阻拦离子101通过。电极104上施加正脉冲电压，控制脉冲的时序，当被选择的离子107通过电极103 的一瞬间，电极104上电压为正高压，用于对选择通过电极103的离子107进行减速。当离子107减速后缓慢通过电极104时，解离激光轰击离子107，使离子产生解离。解离激光为脉冲式，可根据被选择离子的不同，控制其时序使其与离子通过电极104的过程同步，以保证离子进入电极104和105之间的区域时，解离激光正好发射。电极105上施加脉冲正高压，且高压的幅值略小于电极104上的脉冲高压幅值。对于被解离后的离子109，电极104和105的脉冲正高压构成了一个两级加速电场，使离子109再次加速。两级加速电场与离子质量门的结合使用，可以减少解离后碎片离子109的能量分散，使仪器对解离后离子109具有较高的质量分辨。同时，五片电极的组合即实现了离子的质量选择和光解离后碎片离子的高分辨质量分析。由于每一片电极上必须装载栅网，而栅网对离子的传输效率有一定影响，所以五片电极的数量可以大大减少离子的损失。电极103、电极104、电极105上的施加电压需根据具体的样品离子具体设置，其电压从200伏到4000伏不等，范围不受限制。

本发明中，电极上施加具有时序的直流电压，电压的幅值和方向不受限制，可根据样品离子的极性和具体所选择的离子的质量数而具体设置。

本发明中，片状平板电极的形状、厚度、尺寸，以及中间开孔的尺寸不受限制。

附图说明

图1为离子在五片电极组中的选择、光解离以及再次加速的过程示意图。

图2为具体实施方案中的仪器结构示意图。

具体实施方式

具体实施方案如图2所示，样品201在激光202作用下电离成离子203，经过锥孔204后，以垂直正交的方向进入到离子调制区，在离子调制电极205上施加的脉冲电压下，离子进入加速电场206中，经过加速，通过偏转电极207后，进入无场飞行区。在离子的飞行途径中，置有一组电极211、212、213、214、215组合，用于选择离子并进行光解离，解离激光以脉冲的形式进入电极213和214之间的区域，与被选择的指定的离子作用。解离后的离子离开电极215后，继续在无场区飞行，进入反射电场区209，经过反射后最终到达离子检测器微通道板（MCP）210，经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到的样品离子光解离后的质谱图，进而获得高质量的分子光解离光谱。

一个实施例中，电极组的结构如下：电极组由5片直径为80毫米、厚度为0.5毫米的圆片电极组成。每片电极中心开有直径为12毫米的圆孔，电极213与电极214的间距为15毫米，其它电极间距为5.5毫米。圆孔上装载有栅网，栅网尺寸为0.32mm×0.32mm。电极组位于一个直线式的飞行时间质谱的无场飞行区中，电极组距离加速和偏转电极1.4米，距离检测器0.6米。

电极211、212、213、214、215组合的电压分布如下，以样品离子为正离子为例，电极211和215为接地电极，保持零电位，电极212上施加脉冲高压，例如，电极212在大多数时间内始终保持在2800V的直流电位上，直到需要选择的离子要通过时，电压迅速降低至0V，待选择的离子通过电极212后，迅速升高至2800V。

电极213上施加脉冲高压，例如，电极213在大多数时间内保持在1700V的电压，被选择的离子通过电极212后，受到1700V的电压的排斥作用而减速。当离子通过电极213后，解离激光与离子作用，使得离子发生解离，此时电极213上的电压迅速升高到2700V，电极213对离子起到加速的作用。

电极214上施加脉冲高压，例如，电极214在大多数时间内保持在1700V的电压，当解离后的离子经过收到电极213的加速作用时，电极214上的电压迅速升高到2500V，对通过214电极的离子再次进行加速。

电极213和214的组合可以将解离后的离子通过两级加速的过程，将不同质量数的离子分开，进而通过后面的无场飞行实现飞行时间质谱分析，结合解离激光的波长与质谱峰的关系得到高质量的被分析物的光解离光谱。

Claims

1.一种用于质谱和光谱分析的高分辨离子选择性光解离装置，其特征在于该装置为一电极组，该电极组由依次并行排列的5片平板形电极组成，每片电极中间开有圆孔，且各片电极中圆孔的中心同轴；圆孔上装有栅网，供离子通过；电极组设置于离子飞行时间质谱的无场飞行区；其中，自左至右的第一、第二、第三电极组成质量门，用于选择特定质量数的离子；在第三和第四电极之间的区域，被选择的特定质量数的离子在解离激光的照射下发生解离，产生碎片离子；第三、第四、第五电极组成一个两级加速电场，用于将碎片离子再一次加速，继续飞行，最终到达离子检测器微通道板。

2.使用如权利要求1所述的高分辨离子选择性光解离装置进行离子选择性光解离的方法，其特征在于具体步骤为：

在样品选择和解离的过程中，当样品离子是正离子时，第二电极上施加负脉冲电压，控制脉冲的时序，使电压下降的时间段内，目标离子通过第三电极，其它时间第二电极处于高的正电位，阻拦离子通过；第三电极上施加正脉冲电压，控制脉冲的时序，使被选择的离子通过第二电极的一瞬间，第三电极上电压为正高压，用于对选择通过第二电极的离子进行减速，当选择通过的离子减速后缓慢通过第三电极时，解离激光轰击选择通过的离子，使离子产生解离；解离激光为脉冲式，根据被选择离子的不同，控制其时序使其与离子通过第三电极的过程同步，以保证离子进入第三电极和第四电极之间的区域时，解离激光正好发射；第四电极上施加脉冲正高压，且高压的幅值略小于第三电极上的脉冲高压幅值；对于被解离后的离子，第三电极和第四电极的脉冲正高压构成一个两级加速电场，使被解离后的离子再次加速。