CN104201086B - 一种分子离子反应质谱系统及分子离子反应、清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分子离子反应质谱系统及分子离子反应、清洗方法，该系统包括分子试剂容器，用于存储该分子的液态反应试剂分子；分子试剂容器加热装置，用于加热该分子试剂容器，产生该分子的气态反应试剂分子；矩形离子阱系统，用于产生感兴趣的试剂离子；分子离子反应容器，用于该气态反应试剂分子，与该试剂离子进行反应，并检测反应后的产物；离子阱加热系统，用于加热该分子离子反应容器，增加该分子与该离子的反应活性、控制反应条件；该矩形离子阱系统内的气压高于该分子离子反应容器内的气压，及将高纯气充入该分子离子反应容器内。

Description

一种分子离子反应质谱系统及分子离子反应、清洗方法

技术领域

本发明涉及气态环境下分子离子反应在线快速鉴定产物的系统，特别涉及一种分子离子反应质谱系统及分子离子反应、清洗方法。

背景技术

常规的化学反应是实验室里化学试剂与化学试剂间的反应，通常成为“湿实验”，具有用样量大及过程产物难以及时检测鉴定等问题。气态环境下分子离子反应能够有效解决这些问题，不仅用试剂量少，而且能够快速及时检测到其中间产物，然而，气态环境下分子离子反应需要一套装置来实现，至少需要分子试剂载入系统、离子源系统和分子离子反应容器及产物定性定量检测系统。

质谱分析仪器是将化学合成产物或化学实验产物进行定性定量检测系统的权威分析仪器。分子离子反应容器与质谱检测系统可以是分开彼此独立，也可以是同一个系统。能够在同一个装置中实现先分子离子反应，再对产物进行质谱检测的是以离子阱为质量分析器的质谱系统。

质量分析器是质谱仪器中将离子依照质核比分离出可以检测的部件，离子阱是重要的一种质量分析器，其原理是将众离子存储于阱内后，再分离检测，相对与其他质量分析器，可以存储离子，因此可以在该质量分析器内做MSⁿ操作。

离子阱的结构多种，传统的3D离子阱、某公司的线形离子阱(UnitedStates Patent 5,420,425)，以及某博士发明的矩形离子阱(United StatesPatent 6,838,666)。

矩形离子阱能够克服传统的3D离子阱储存离子少，线形离子阱难于加工等问题，将线性离子阱作为分子离子反应容器及离子的分离分析离子的首选质量分析器，其工作原理是：离子源产生离子，经过离子光学系统后进入离子阱，被束缚在离子阱中，往往离子源产生离子不是参与反应的试剂离子，其碎裂后产生的子离子才是参与反应的试剂离子，逐出非试剂离子，让试剂离子与载入的试剂分子进行反应再检测反应产物离子。

但是通常以矩形离子阱为容器和质量分析器的分子离子反应质谱系统存在若干问题：感兴趣的试剂离子难以获得，或者获得的试剂离子量很少；试剂分子与试剂离子可能由于活性不足难以发生反应；试剂分子往往会污染离子阱，影响到后续试剂离子的产生(由于试剂分子的存在使得难以产生感兴趣的离子)，从而影响后续的分子离子反应结果。另外，清洗离子阱是一件费时费力的工作，需要通过仪器安装培训的人员承担。以上这些问题阻碍了分子离子反应质谱系统的广泛应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种分子离子反应质谱系统及分子离子反应、清洗方法。

为实现上述目的，本发明提出了一种分子离子反应质谱系统，包括：

分子试剂容器，用于存储该分子的液态反应试剂分子；

分子试剂容器加热装置，用于加热该分子试剂容器，产生该分子的气态反应试剂分子；

矩形离子阱系统，用于根据该离子产生感兴趣的试剂离子；

分子离子反应容器，用于该气态反应试剂分子，与该试剂离子进行反应，并检测反应后的产物；

离子阱加热系统，用于加热该分子离子反应容器，增加该分子与该离子的反应活性、控制反应条件；其中该离子光学系统、该矩形离子阱系统、该阱间带孔电极、该分子离子反应容器，位于梯度真空系统中，且该矩形离子阱系统内的气压高于该分子离子反应容器内的气压，以防止该分子离子反应容器内的该液态反应试剂分子或该气态反应试剂分子进入该矩形离子阱系统，从而防止该矩形离子阱被污染，及将高纯气充入该分子离子反应容器内，以清洗反应完成后的该分子离子反应容器。

所述的分子离子反应质谱系统，还包括：

第一三通阀，用于选择该高纯气进入分子离子反应容器，还是该气态反应试剂分子进入该分子离子反应容器；

离子光学系统，用于将该离子传输到该矩形离子阱系统；

阱间带孔电极，用于传输该试剂离子到该分子离子反应容器，且辅助产生差异气压；

电子控制气体开关，用于该气态反应试剂分子充入该分子离子反应容器。

所述的分子离子反应质谱系统，还包括：

多个流量计，用于控制该高纯气的流量；

多个加热装置，用于加热该高纯气；

第二三通阀，用于选择该高纯气充入该矩形离子阱系统，还是缓冲气充入该矩形离子阱系统。

本发明还提出一种利用该分子离子反应质谱系统的分子离子反应、清洗方法，包括：

步骤1，打开该离子光学系统，让离子通过该离子光学系统，该离子经过调制、聚焦后进入该矩形离子阱系统；

步骤2，将该矩形离子阱系统内的该离子碎裂成若干子离子，选择该若干子离子中参与反应的子离子作为试剂离子，排出除该试剂离子之外的子离子；

步骤3，通过该阱间带孔电极，将该试剂离子传输到该分子离子反应容器，若该分子离子反应容器内的该试剂离子数量过少，则重复该步骤1和该步骤2，直到该试剂离子数量足够多；

步骤4，打开该电子控制气体开关，使该气态反应试剂分子进入该分子离子反应容器内，通过该离子阱加热系统控制该分子离子反应容器内的温度；

步骤5，反应结束后，关闭该电子控制气体开关，检测该分子离子反应容器内的产物。

所述系统的分子离子反应、清洗方法，在该步骤2之前还包括：

步骤21，将缓冲气充入该矩形离子阱系统，以降低该离子的动能。

所述系统的分子离子反应、清洗方法，在该步骤4之前还包括：

步骤41，记录该分子离子反应容器内离子的种类和数量。

所述系统的分子离子反应、清洗方法，还包括：

步骤6，关闭该梯度真空系统，通过该多个流量计控制该高纯气的流量，将一定流量的该高纯气通过该多个加热装置进行加热；

步骤7，打开该电子控制气体开关，将加热后的该高纯气充入该分子离子反应容器；

步骤8，通过加热后的该高纯气，清除该分子离子反应容器内的该气态反应试剂分子。

所述系统的分子离子反应、清洗方法，在该步骤6之前还包括：

通过该离子阱加热系统，加热该分子离子反应容器。

所述系统的分子离子反应、清洗方法，还包括切换该第二三通阀，使缓冲气充入该分子离子反应容器。

所述系统的分子离子反应、清洗方法，还包括：该矩形离子阱系统内的气压高于该分子离子反应容器内的气压，以防止该分子离子反应容器内的该气态反应试剂分子进入该矩形离子阱系统，从而防止该矩形离子阱系统被污染。

本发明所提出一种分子离子反应质谱系统及其操作方法，该分子离子反应质谱系统可以获得足够多的感兴趣的试剂离子、增加分子离子反应的可能性并控制反应条件而且能够有效减少试剂分子对离子阱的污染，能够作为一款广泛应用的分子离子反应质谱系统。

附图说明

图1是分子离子反应质谱系统示意图；

图2是分子离子反应及反应产物检测的操作流程示意图；

图3是分子离子反应系统在线清洗的操作示意图。

其中附图标记为：

步骤S200为分子离子反应及反应产物检测的操作步骤，包括：

S201/S202/S203/S204/S205/S206/S207/S208/S209/S210/S211/S212/S213；

步骤S300为分子离子反应系统在线清洗的操作步骤，包括：

S301/S302/S303/S304/S305/S306/S307/S308/S309/S310/S311/S312；

大气压下离子源 100；

离子光学系统 110；

矩形离子阱系统 120；缓冲气 121；

第二三通阀 122；

气体流量控制系统 123；

阱间带孔电极 130；

分子离子反应容器 140；

离子阱加热系统 141；

电子控制气体开关 142；

分子试剂容器 150；

分子试剂容器加热装置 151；

第一三通阀 152；

高纯气 170；

流量计 171；

加热装置 172；

气体控制开关 173；

梯度真空系统 180。

具体实施方式

本发明从两个方面解决现有技术中存在的技术问题：

一是增加一个矩形离子阱系统(计为RIT-A)专用于产生感兴趣的试剂离子，再将该试剂离子传输到分子离子反应容器(计为RIT-B)中，在整个离子反应过程中，保持RIT-A内的气压高于RIT-B内气压使得试剂分子(气态反应试剂分子)难以进入RIT-A，从而避免污染RIT-A，不仅如此，由于增加了RIT-A，可以多次进行产生感兴趣的试剂离子再传输到RIT-B内的过程从而逐步积累获得足够多的产生感兴趣的试剂离子，这是单个离子阱难以完成的。

二是增加RIT-B在线清洗功能，在分子离子反应结束后，通过加热RIT-B增加阱内残余试剂分子活性，同时冲入高温的高纯气(高纯氮气等)，冲洗试剂分子载入管路系统和RIT-B内残余试剂分子，不仅如此，由于分子离子反应容器能够加热，能够增加试剂分子的活性，增加分子离子反应的可能性。

以下为本发明系统的一实施例，下面结合附图对本发明进行具体说明：

图1是分子离子反应质谱系统示意图，如图1所示，该系统包括：大气压下离子源100，可以是电喷雾离子源(ESI)或大气压化学源(APCI)；离子光学系统110，用于将大气压下产生的离子传输到真空环境下矩形离子阱系统(RIT-A)；矩形离子阱系统120，计为RIT-A，专用于产生感兴趣的试剂离子；缓冲气121，用于导入到矩形离子阱系统120内与离子发生碰撞，减小矩形离子阱系统120内离子动能或发生离子碎裂；第二三通阀122，用于选择是缓冲气进入矩形离子阱系统还是加热后的高纯气进入矩形离子阱系统；气体流量控制系统123，用于控制进入矩形离子阱系统120内的流量；阱间带孔电极130，既用于离子传输，又辅助产生差异气压，中间的圆孔直径约2mm；分子离子反应容器140(也为离子阱)，是分子与离子发生反应的容器，计为RIT-B，反应后检测其产物离子；离子阱加热系统141，用于加热分子离子反应容器140到指定温度，增加分子离子反应活性，控制反应条件；电子控制气体开关142，快速控制进入分子离子反应容器140的气体开关；分子试剂容器150，用于存储少量的液态反应试剂分子；分子试剂容器加热装置151，用于加热分子试剂容器150到设定的温度；第一三通阀152，用于选择是高纯气还是气态反应试剂分子进入分子离子反应容器140；高纯气170，用于清洁分子离子反应容器140，通常是高纯氮气；流量计171；加热装置172，用于加热高纯气到设定的温度；气体控制开关173；梯度真空系统180，本发明的系统从离子源到离子光学系统110到RIT-A，再到RIT-B，气压越来越低。

本发明系统的操作方法的整体步骤包括：

打开该离子光学系统，让离子通过该离子光学系统，该离子经过调制、聚焦后进入该矩形离子阱系统；将缓冲气充入该矩形离子阱系统，以降低该离子的动能；

将该矩形离子阱系统内的该离子碎裂成若干子离子，选择该若干子离子中参与反应的子离子作为试剂离子，排出除该试剂离子之外的子离子；

通过该阱间带孔电极，将该试剂离子传输到该分子离子反应容器，若该分子离子反应容器内的该试剂离子数量过少，则重复产生该试剂离子，直到该试剂离子数量足够多；记录该分子离子反应容器内离子的种类和数量；

打开该电子控制气体开关，使该液态反应试剂分子或该气态反应试剂分子进入该分子离子反应容器内，通过该离子阱加热系统控制该分子离子反应容器内的温度；

反应结束后，关闭该电子控制气体开关，检测该分子离子反应容器内的产物；

通过该离子阱加热系统，加热该分子离子反应容器；

关闭该梯度真空系统，通过该多个流量计控制该高纯气的流量，将一定流量的该高纯气通过该多个加热装置进行加热；

打开该电子控制气体开关，将加热后的该高纯气充入该分子离子反应容器；

通过加热后的该高纯气，清除该分子离子反应容器内的该液态反应试剂分子或该气态反应试剂分子；

切换该第二三通阀，使缓冲气充入该分子离子反应容器，完成以上步骤后关闭本发明的系统。

该矩形离子阱系统内的气压高于该分子离子反应容器内的气压，以防止该分子离子反应容器内的该气态反应试剂分子进入该矩形离子阱系统，从而防止该矩形离子阱系统被污染。

以下为本发明系统的操作方法的实施例，具体如下：

图2分子离子反应及反应产物检测的操作流程示意图，如图2所示，首先做好必要的准备工作，选择感兴趣的试剂离子所在的溶液，载入该溶液并准备好离子化条件，将RIT-B分子离子反应容器140设置到指定的温度，将分子试剂加热到指定的温度，调试好离子源系统100、离子光学系统110等质谱分析检测系统，包括以下步骤：

步骤S201，在离子源100内离子化试剂获得感兴趣的母离子；

步骤S202，打开离子光学系统110让众离子通过，众离子获得调制、聚焦进入矩形离子阱系统120；

步骤S203，离子进入矩形离子阱系统120后，首先被存储下来，离子与缓冲气碰撞逐步降低动能；

步骤S204，通过离子光学系统110，关闭离子注入；选择感兴趣的母离子，排出其他离子使得矩形离子阱系统120内仅存储感兴趣的母离子；

步骤S205，选择适当的离子碎裂点和能量，将感兴趣母离子碎裂成若干子离子；

步骤S206，在众多子离子中选择真正参与反应的试剂离子，排出其他子离子；

步骤S207，通过阱间带孔电极130，试剂离子进入分子离子反应容器140；

步骤S208，存储进入分子离子反应容器140的试剂离子；如果试剂离子数量过少，重复操作S202到S208，直到进入分子离子反应容器140内的试剂离子足够多；

步骤S209，检测分子离子反应前的分子离子反应容器140内的离子的种类和数量，作为反应前的数据；再重复操作S202到S208，直到进入分子离子反应容器140内的试剂离子足够多，准备好试剂离子参与分子离子反应；

步骤S210，打开电子控制气体开关142，让指定温度一定量的试剂分子(液态反应试剂分子或该气态反应试剂分子)进入分子离子反应容器140内。

步骤S211，试剂分子与试剂离子反应一定时间；

步骤S212，关闭电子控制气体开关142，停止试剂分子进入分子离子反应容器140；

步骤S213，检测分子离子反应的产物，获得分子离子反应后的测试数据。对于新产物进行鉴定，需要重复S202到S212操作获得产物离子，再对感兴趣的产物离子进行选择、碎裂和检测其子离子的种类和数量。

在此过程中，由于矩形离子阱系统120内通入缓冲气，该缓冲气可以通过阱间带孔电极130的孔进入分子离子反应容器140，因此，矩形离子阱系统120内的气压大于分子离子反应容器140。这带来两方面的好处：一是试剂分子难以进入矩形离子阱系统120，减小试剂分子污染矩形离子阱系统120的概率；二是矩形离子阱系统120气压高利于降低刚进入矩形离子阱系统120内的离子，也利于试剂离子的产生，同时分子离子反应容器140气压低利于产物离子的鉴定(其分辨率和灵敏度相对较高)。

图3分子离子反应系统在线清洗的操作示意图，首先做好必要的准备工作，关闭质谱电子系统，加热分子离子反应容器140到较高的温度，卸除分子试剂(液态反应试剂分子或该气态反应试剂分子)，将分子试剂容器加热装置151设置到较高温度。

如图3所示，包括以下步骤：

步骤S301，关闭梯度真空系统180，进一步讲，关闭其中的分子泵系统，等待分子泵系统停止，同时保持前级泵运行(如机械泵)；

步骤S302，调节气体流量，载入高纯气；

步骤S303，加热高纯气到指定温度；

步骤S304，切换第二三通阀122，载入加热后的高纯气；

步骤S305，调节气体流量，加大流量，让高纯气进入矩形离子阱系统120；

步骤S306，打开电子控制气体开关142，让加热后的高纯气进入离子阱140；

步骤S307，运行一段时间，通常30分钟，如果试剂分子易于被加热的高纯气清除则减少时间，如果不易则增加时间。

步骤S308，关闭电子控制气体开关142，停止高纯气载入分子离子反应容器140；

步骤S309，调节气体流量，减小流量；

步骤S310，切换第二三通阀122，停止加热后的高纯气载入矩形离子阱系统120，载入微量的缓冲气；

步骤S311，关闭流量计171，停止高纯气的释放；

步骤S312，停止加热装置172的加热，停止分子试剂容器加热装置151的加热，停止离子阱加热系统对分子离子反应容器140的加热。

在此过程中，保持矩形离子阱系统120内的气压高于分子离子反应容器140内的气压，能够减少经过加热后的残余试剂分子进入矩形离子阱系统120内污染矩形离子阱系统120。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种分子离子反应质谱系统，其特征在于，包括：

分子试剂容器，用于存储该分子的液态反应试剂分子；

分子试剂容器加热装置，用于加热该分子试剂容器，产生该分子的气态反应试剂分子；

矩形离子阱系统，用于根据离子产生感兴趣的试剂离子；

分子离子反应容器，用于该气态反应试剂分子，与该试剂离子进行反应，并检测反应后的产物；

离子阱加热系统，用于加热该分子离子反应容器，增加该分子与该离子的反应活性、控制反应条件；其中离子光学系统、该矩形离子阱系统、阱间带孔电极、该分子离子反应容器，位于梯度真空系统中，且该矩形离子阱系统内的气压高于该分子离子反应容器内的气压，以防止该分子离子反应容器内的该液态反应试剂分子或该气态反应试剂分子进入该矩形离子阱系统，从而防止该矩形离子阱被污染，及将高纯气充入该分子离子反应容器内，以清洗反应完成后的该分子离子反应容器。

2.如权利要求1所述的分子离子反应质谱系统，其特征在于，还包括：

第一三通阀，用于选择该高纯气进入分子离子反应容器，还是该气态反应试剂分子进入该分子离子反应容器；

离子光学系统，用于将该离子传输到该矩形离子阱系统；

阱间带孔电极，用于传输该试剂离子到该分子离子反应容器，且辅助产生差异气压；

电子控制气体开关，用于该气态反应试剂分子充入该分子离子反应容器。

3.如权利要求1或2所述的分子离子反应质谱系统，其特征在于，还包括：

多个流量计，用于控制该高纯气的流量；

多个加热装置，用于加热该高纯气；

第二三通阀，用于选择该高纯气充入该矩形离子阱系统，还是缓冲气充入该矩形离子阱系统。

4.一种利用如权利要求1所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，包括：

步骤1，打开该离子光学系统，让离子通过该离子光学系统，该离子经过调制、聚焦后进入该矩形离子阱系统；

步骤2，将该矩形离子阱系统内的该离子碎裂成若干子离子，选择该若干子离子中参与反应的子离子作为试剂离子，排出除该试剂离子之外的子离子；

步骤3，通过该阱间带孔电极，将该试剂离子传输到该分子离子反应容器，若该分子离子反应容器内的该试剂离子数量过少，则重复该步骤1和该步骤2，直到该试剂离子数量足够多；

步骤4，打开电子控制气体开关，使该气态反应试剂分子进入该分子离子反应容器内，通过该离子阱加热系统控制该分子离子反应容器内的温度；

步骤5，反应结束后，关闭该电子控制气体开关，检测该分子离子反应容器内的产物。

5.如权利要求4所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，在步骤1之后该步骤2之前还包括：

步骤21，将缓冲气充入该矩形离子阱系统，以降低该离子的动能。

6.如权利要求4所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，在该步骤3之后该步骤4之前还包括：

步骤41，记录该分子离子反应容器内离子的种类和数量。

7.如权利要求4所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，还包括：

步骤6，关闭该梯度真空系统，通过多个流量计控制该高纯气的流量，将一定流量的该高纯气通过该多个加热装置进行加热；

步骤7，打开该电子控制气体开关，将加热后的该高纯气充入该分子离子反应容器；

步骤8，通过加热后的该高纯气，清除该分子离子反应容器内的该气态反应试剂分子。

8.如权利要求7所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，在该步骤5之后该步骤6之前还包括：

通过该离子阱加热系统，加热该分子离子反应容器。

9.如权利要求7所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，还包括切换第二三通阀，使缓冲气充入该分子离子反应容器。

10.如权利要求4或7所述系统的分子离子反应、清洗方法，其特征在于，还包括：该矩形离子阱系统内的气压高于该分子离子反应容器内的气压，以防止该分子离子反应容器内的该气态反应试剂分子进入该矩形离子阱系统，从而防止该矩形离子阱系统被污染。