CN103700566B - 一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置和方法，所述装置包括管路、气源和定量模块，定量模块一端经管路与气源连接，其特征在于：定量模块包括至少一个定量环、至少两个脉冲阀，每一定量环的两端分别连接至少一个脉冲阀；至少一个定量环的一端通过脉冲阀和管路与离子阱定量质谱仪的真空腔连接，并经管路引入离子阱。在离子阱分析过程开始之前，将定量环中充满缓冲气，并使定量环两端的脉冲阀处于关闭状态；在离子阱分析过程中的设定的分析阶段的起始时刻开通位于至少一个定量环和真空腔之间的脉冲阀，使定量环中的气体注入离子阱中。本发明本装置结构简单，只需定量环和脉冲阀，可实现精确定量，对脉冲阀的关断时间没有严格限制。

Description

一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置和方法

技术领域

本发明属于质谱技术领域，具体来说涉及一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置。

背景技术

质谱仪是一种化学分析仪器，由于它具有定性能力强、定量准确性高、灵敏度高、检测限低等优点，因此被广泛地应用于食品安全、生命科学、医学制药、环境监测和公共安全等领域。

离子阱质谱仪主要由离子阱质量分析器（简称离子阱）、离子源、离子检测器、真空腔、真空泵和电路系统等组成。其中离子阱是进行质量分析的核心部件，离子阱进行质量分析过程如图1所示，分为离子引入、离子冷却、质量分析和离子清空等几个阶段：在离子引入阶段，离子从离子阱外部进入离子阱（也可在离子阱内部进行电离）并被电场束缚，从而存储在离子阱中；在离子冷却阶段，离子与离子阱中的缓冲气体碰撞损失大部分动能，离子因此聚集在离子阱中央区域；在质量分析阶段，离子在交变电场的作用下，按照质荷比的大小先后被排出离子阱，从而被离子探测器检测，得到质谱峰；在离子清空阶段，所有离子阱中残余的离子被排出离子阱，以备下一次分析。从上述分析过程可知，在离子阱的分析过程中，缓冲气是必不可少的。首先，缓冲气与离子碰撞可大幅降低离子的动能，利于离子在离子阱中的存储，提高离子存储效率；其次，离子动能降低使得电场可将离子聚集在离子阱的几何中心区域，使离子在质量分析过程中不受离子初动能的干扰，可提高质量分辨率。

离子阱进行多级质谱分析时，其分析过程如图2所示，它与常规分析的主要区别是在分析过程中增加了离子质量隔离和碰撞诱导解离两个阶段，离子质量隔离阶段的作用是将目标离子之外的其他所有离子排出离子阱外，碰撞诱导解离阶段的作用是将隔离出的目标离子通过碰撞诱导解离的方法碎裂成碎片离子，通过后续的质量分析阶段可得到碎片离子的质谱峰，以进一步分析被测样品的结构。碰撞诱导解离的关键是通过激发电场使得离子获得一定的动能，离子在激发电场作用下与缓冲气发生碰撞，当碰撞的能量大于离子的化学键能时，离子就会发生裂解，从而产生碎片离子。因此，在离子碰撞诱导解离阶段，离子阱中必须存在一定压力的缓冲气。

目前最常用的方法是在离子阱中持续注入缓冲气（如氦气），这种方法的不足之处有：（1）在离子阱的分析过程中，只有离子引入、离子冷却和离子碰撞诱导解离几个阶段需要用到缓冲气，而在质量分析阶段，离子在共振激发出射的过程中将与缓冲气发生自由碰撞，使离子偏离既定的出射轨迹，因此会降低离子阱的质量分辨率；（2）持续注入缓冲气使真空系统中的分子泵负载加大，特别在小型质谱仪中，由于分子泵的抽速较小，持续注入缓冲气将增加分子泵的功耗，甚至达不到预定真空；（3）持续注入缓冲气将使真空腔中的气压升高，从而缩短离子探测器和灯丝等高真空器件的寿命。

美国专利US20110174965A中提出只在离子冷却阶段（retentiontime）注入缓冲气，且缓冲气的注入时间小于离子冷却的时间，但该专利未给出具体的实施装置和操作办法。这种方法可实现在离子分析过程中的特定阶段注入缓冲气，并在离子阱中达到一定的气压，实现离子冷却和提高质量分辨率的目的。但是，该方法在实际操作中通常采用脉冲阀与流量控制器实现，因此也存在一定的不足之处：（1）由于离子阱分析过程中各个阶段的持续时间很短（1ms至几十ms不等），而现有的脉冲阀的最快响应时间通常为几十ms，因此，要实现较准确的定时注入缓冲气在实际操作中难度很大；（2）气体从气源（如气瓶等）输出后，需要流量控制器控制气体的流量，流量控制器的造价通常较高，因此增加了仪器的成本。（3）在脉冲阀从关闭状态切换到开通状态的过程中，流量传感器无法准确控制流量，由于脉冲阀的开关时间较长，这种方法要实现准确控制目标气压难度很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，使其能在离子阱分析过程中的特定分析阶段为离子阱准确定量的供给缓冲气。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种为离子阱定量质谱仪供给缓冲气的装置，包括管路、气源和定量模块，所述定量模块一端经管路与气源连接，所述定量模块包括至少一个定量环、至少两个脉冲阀，每一定量环的两端分别连接至少一个脉冲阀；至少一个定量环的其中一端通过脉冲阀和管路与离子阱定量质谱仪的真空腔连接，并经管路引入离子阱。

上述技术方案中的定量环和对应的脉冲阀可以有多种连接结构。

一种技术方案是，设有至少2个定量环，各定量环之间采用串联的方式连接，且定量环与定量环之间通过脉冲阀隔离。

另一种技术方案中，设有至少2个定量环，各定量环之间采用并联的方式连接，每一定量环的其中一端通过脉冲阀和管路与真空腔连接，每一定量环的另一端通过脉冲阀和管路与气源连接。

进一步的技术方案，各定量环通过多通连接器连通后，再经一个脉冲阀和管路与气源连接。

或者，设有至少3个定量环，各定量环之间采用串联和并联混合的方式连接。

一种为离子阱定量供给缓冲气的方法，采用上述装置实现，供给缓冲气的方法是：

(1)在离子阱分析过程开始之前，将定量环中充满缓冲气，并使定量环两端的脉冲阀处于关闭状态；(2)在离子阱分析过程中的设定的分析阶段的起始时刻开通位于至少一个定量环和真空腔之间的脉冲阀，使定量环中的气体注入离子阱中。

上述技术方案中，所述离子阱分析过程中的设定的分析阶段为离子引入阶段或离子化阶段。

或者，所述离子阱分析过程中的设定的分析阶段为离子冷却阶段。

或者，所述离子阱分析过程中的设定的分析阶段为离子碰撞诱导解离阶段。

进一步的技术方案，在所述设定的分析阶段中先后开通两个或两个以上的脉冲阀，使两个或两个以上与所述脉冲阀连接的定量环中的缓冲气按先后顺序进入离子阱，开通所述脉冲阀的时间间隔之和小于所述设定的分析阶段的总时间。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明中采用的定量环可对即将注入离子阱的缓冲气进行精确定量，通过离子阱内部有效体积和目标压力可计算出定量环的体积；

2.本装置使用定量环和脉冲阀，定量环内的缓冲气的量是固定的，脉冲阀开通后定量环中的缓冲气将全部进入离子阱，并在定量环中形成真空区域，因此对脉冲阀的关断时间没有严格限制；

3．本装置结构简单，只需定量环和脉冲阀就能实现目标，与现有装置中需使用价格昂贵的流量控制器相比，本装置节省了仪器的成本。

附图说明

图1为离子阱进行常规分析过程中所包含的分析阶段；

图2为离子阱进行多级质谱分析过程中所包含的分析阶段；

图3为实施例1的装置示意图；

图4为实施例1中的控制方法和时序示意图；

图5为实施例2的装置示意图；

图6为实施例2中的控制方法和时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

一种为离子阱定量供给缓冲气的装置，其实施方式如图3所示。301为为离子阱质谱仪的真空腔，302为离子源的电离室，303为离子聚焦透镜，304为离子阱，305为离子探测器，306为第一脉冲阀，307为第一定量环，308为第二脉冲阀，309为第二定量环，310为第三脉冲阀，311为气源，气源内盛装氦气作为缓冲气。由图3中可知，第一脉冲阀306位于真空腔301（离子阱314）和第一定量环306之间，第三脉冲阀310位于气源311和第二定量环309之间，而第二脉冲阀308位于第一定量环307和第二定量环309之间。两个定量环307和309采用串联的连接方式。所述定量环均为内径0.5mm的不锈钢管制作而成，定量环可容纳的气体体积为0.1mL。

离子阱的分析过程如下（分析时序图如图1所示）：在离子引入阶段，待测样品在电离室302中被电离成离子，所述离子在聚焦透镜303的作用下被引入离子阱304，在离子阱内部电场的作用下被束缚在离子阱内，本阶段中缓冲气和离子的碰撞有助于降低离子的动能，提高离子存储效率；在离子冷却阶段，离子与缓冲气的碰撞进一步降低离子的动能，使离子存储在离子阱的几何中心区域，有助于提高离子阱的质量分辨率；在质量分析阶段，离子在交变电场的作用在按照质荷比顺序被排出离子阱，从而被离子探测器接收和检测，得到质谱图；在离子清空阶段，离子阱内残余的离子被全部排出离子阱外，以便下一次分析。

本实施例中，缓冲气的控制方法和时序如图4所示。离子阱在进行分析之前，第一定量环307和第二定量环309中充满缓冲气（本例中为氦气），三个脉冲阀306、308和310都处于关闭状态。在离子引入阶段的起始时刻，第一脉冲阀306开通，将第一定量环307中的氦气注入离子阱，在离子冷却阶段的起始时刻，第二脉冲阀308开通，将第二定量309中的氦气通过第一定量环307注入离子阱。待第二定量环中的气体全部排空后，关闭第一脉冲阀306，待第一脉冲阀306完全关闭后，开通第三脉冲阀310，使气源311中的氦气进入第一定量环307和第二定量环309中，带氦气充满两个定量环，关闭第二脉冲阀308和第三脉冲阀310，此时，该装置已再次就绪，可进行下一次分析。在进行下一次分析的过程中，重复上述分析过程。

实施例2

一种为离子阱定量供给缓冲气的装置，其实施方式如图5所示。501为真空腔，502为电离室，503为聚焦透镜，504为离子阱，505为离子探测器，506为第一脉冲阀，507为第一定量环，508为第二脉冲阀，509为第二定量环，510为第三脉冲阀，511为第三定量环，512为第四脉冲阀，513为气源，内部盛装氦气作为缓冲气，514和515为四通连接器。由图5中可以看出，三个定量环507、509和511为并联的连接方式，所述三个定量环的其中一端分别与三个脉冲阀506、508和510连接，三个脉冲阀的另一端通过一个四通连接器514与真空腔连接，并将管路引入离子阱区域。三个定量环的另一端首先通过一个四通连接器512连接在一起，然后与第四脉冲阀512连接，最后连接至气源513上。所述定量环均为内径0.5mm的不锈钢管制作而成，定量环可容纳的气体体积为0.1mL。

本例中离子阱进行多级质谱分析，其分析过程如下（分析时序图如图2所示）：在离子引入阶段，待测样品在电离室502中被电离成离子，所述离子在聚焦透镜503的作用下被引入离子阱304，在离子阱内部电场的作用下被束缚在离子阱内，本阶段中缓冲气和离子的碰撞有助于降低离子的动能，提高离子存储效率；在离子冷却阶段，离子与缓冲气的碰撞进一步降低离子的动能，使离子存储在离子阱的几何中心区域；在离子质量隔离阶段，通过特殊电场目标离子之外的其他所有离子排出离子阱外；在离子碰撞诱导解离阶段，通过外部激发信号使离子获得一定动能，同时与离子阱内的缓冲气碰撞，离子在一定能量的碰撞下将发生解离，生成碎片离子；在质量分析阶段，所述碎片离子在交变电场的作用在按照质荷比顺序被排出离子阱，从而被离子探测器接收和检测，得到碎片离子的质谱图，有利于进一步对离子的结构进行解析；在离子清空阶段，离子阱内残余的离子被全部排出离子阱外，以便下一次分析。

本实施例中，缓冲气的控制方法和时序如图6所示。离子阱在进行分析之前，三个定量环507、509和511中都充满缓冲气（本例中为氦气），同时所有脉冲阀（包括506、508、510和512）都处于关闭状态。在离子引入阶段的起始时刻，开通第一脉冲阀506，使第一定量环507中的氦气进入离子阱中，待定量环507中的氦气全部排空后，关闭第一脉冲阀506。在离子冷却阶段的起始时刻，开通第二脉冲阀508，使第二定量环509中的氦气进入离子阱中，待定量环509中的氦气全部排空后，关闭第二脉冲阀508。在碰撞诱导解离阶段的起始时刻，开通第三脉冲阀510，使第三定量环511中的氦气进入离子阱，待定量环511中的氦气全部排空后，关闭第三脉冲阀510。带第三脉冲阀510完全关闭后，开通第四脉冲阀512，使气源513中的氦气进入三个定量环中，待定量环507、509和511中全部充满氦气后，关闭第四脉冲阀。此时，该装置已再次就绪，可进行下一次分析。

Claims (10)

1.一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，包括管路、气源和定量模块，所述定量模块一端经管路与气源连接，其特征在于：所述定量模块包括至少一个定量环、至少两个脉冲阀，每一定量环的两端分别连接至少一个脉冲阀；至少一个定量环的其中一端通过脉冲阀和管路与离子阱定量质谱仪的真空腔连接，并经管路引入离子阱。

2.根据权利要求1所述的为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，其特征在于：设有至少2个定量环，各定量环之间采用串联的方式连接，且定量环与定量环之间通过脉冲阀隔离。

3.根据权利要求1所述的为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，其特征在于：设有至少2个定量环，各定量环之间采用并联的方式连接，每一定量环的其中一端通过脉冲阀和管路与真空腔连接，每一定量环的另一端通过脉冲阀和管路与气源连接。

4.根据权利要求3所述的为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，其特征在于：各定量环通过多通连接器连通后，再经一个脉冲阀和管路与气源连接。

5.根据权利要求1所述的为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，其特征在于：设有至少3个定量环，各定量环之间采用串联和并联混合的方式连接。

6.一种为离子阱定量供给缓冲气的方法，其特征在于：采用权利要求1至5中任一装置实现，供给缓冲气的方法是：

(1)在离子阱分析过程开始之前，将定量环中充满缓冲气，并使定量环两端的脉冲阀处于关闭状态；(2)在离子阱分析过程中的设定的分析阶段的起始时刻开通位于至少一个定量环和真空腔之间的脉冲阀，使定量环中的气体注入离子阱中。

7.根据权利要求6所述的为离子阱定量供给缓冲气的方法，其特征在于：所述离子阱分析过程中的设定的分析阶段为离子引入阶段或离子化阶段。

8.根据权利要求6所述的为离子阱定量供给缓冲气的方法，其特征在于：所述离子阱分析过程中的设定的分析阶段为离子冷却阶段。

9.根据权利要求6所述的为离子阱定量供给缓冲气的方法，其特征在于：所述离子阱分析过程中的设定的分析阶段为离子碰撞诱导解离阶段。

10.根据权利要求6所述的为离子阱定量供给缓冲气的方法，其特征在于：在所述设定的分析阶段中先后开通两个以上的脉冲阀，使两个以上与所述脉冲阀连接的定量环中的缓冲气按先后顺序进入离子阱，开通所述脉冲阀的时间间隔之和小于所述设定的分析阶段的总时间。