CN105551928A - 高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作方法。高效的分子离子反应质谱简易装置包括一套离子阱质量分析器、试剂分子导入离子阱精确控制系统、缓冲气流量导入精确控制系统、真空规及离子阱气压自动调节功能模块。此外，本发明还提出了一种操作上述系统进行高效分子离子反应、精确测量分子离子反应产物的方法。

Description

高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及气态环境下分子/离子高效反应在线快速精确鉴定产物的系统，特别是有关于有序调节离子阱内试剂分子含量、缓冲气含量的基于离子阱技术的分子/离子反应质谱装置系统。

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，离子阱的方向一般定义为以离子阱前端盖和后端盖的轴向为Z方向，竖直方向为X方向，水平方向为Y方向。

离子阱的结构多种，传统的3D离子阱和线性离子阱如：某公司的线形离子阱(UnitedStatesPatent5,420,425)，以及某博士发明的矩形离子阱(UnitedStatesPatent6,838,666)。线性离子阱相对传统的3D离子阱，能够存储更多数量的离子，更适合做为分子离子反应的容器和检测器。

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(当然，也存在一些离子源直接产生试剂离子的情况，这取决于具体的实验目的)，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。

设计和实现专用的新型的分子/离子反应质谱系统是一种解决方案。

在成熟的商用离子阱质谱仪器系统的基础上实现分子/离子反应质谱系统也是一种解决方案。该方案需要增加分子试剂管路和流量精确控制硬件系统和重新设计(或改造)软件系统，然而这种方案的完成需要克服以下的技术难题：分子试剂的导入离子阱的时机和导入量的确定。

然而，不论哪种方案，以离子阱为核心的分子/离子反应质谱系统都受限于离子阱的操作模式。离子运作模式分两个阶段：离子注入存储阶段和离子分离检测阶段。

在离子注入存储阶段，通常在离子阱内充入缓冲气(往往是高纯He气)，让缓冲气与进入阱内的离子进行碰撞从而减小离子的初始动能，降低离子进入离子阱后逃出的概率。当缓冲气少，离子与缓冲气碰撞的概率就少，不足以降低离子的动能，因此需要相对较多的缓冲气。

在离子分离检测阶段，要求缓冲气量少，避免过多的缓冲气碰撞力影响射频电场力对离子的控制使得质量分辨率变差，同时检测器在低气压下工作的信噪比会更好。

在这两个不同的阶段，对缓冲气有完全矛盾的要求。因此，往往采用折中的策略，即充入折中流量的缓冲气，兼顾离子注入和离子检测，但是，不论离子注入还是离子检测均难达到最佳的性能。

由于离子阱操作模式带来的固有的问题，因此，当前以线性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一个显著问题：分子试剂的导入量不好控制。

如果分子试剂导入不足，导入离子阱内的分子试剂很快就本真空泵给抽走了，参与反应的分子少，因此其分子离子反应不充分，其产物含量很少难以被精确鉴定。

如果分子试剂导入过多，虽然为分子离子充分反应提供了必要条件(分子试剂导入太多也不行，如果离子阱内气压高于1E-2torr，在离子阱的离子就会大量湮灭)，但是由于离子阱内气压过大(通常情况下，离子检测阶段，离子阱内气压1E-4torr，离子阱外检测器所在气压为1E-5torr)，检测到离子信号分辨率和灵敏度都不好。如果导入试剂分子过多，还容易污染离子阱、腔体和导入管路系统。

这个问题是阻碍当前成千上万离子阱质谱仪器不宜直接用于分子/离子反应的主要原因。

因此，可以自动调节离子阱内气压的质谱装置可能会是一种较理想的解决方案。但是，实现自动调节离子阱内气压的质谱装置存在着三个方面的技术难题：

一、离子阱内真空度不容易直接测量，往往是通过测量真空腔体内的真空度来间接估算出离子阱内的真空度(离子阱内气压比腔体内的稍高)。

二、向离子阱内输入缓冲气体，形成真空梯度较容易，但是形成指定的真空梯度则不易。通常离子阱有1个气体输入孔，4个气体输出孔，孔的几何参数和空间位置会严重影响离子阱内真空度的形成。

三、在较短的时间内(一个扫描周期内)，在离子注入阶段要求高气压、在离子分离检测阶段要求低气体，而且要求气压稳定非常困难，否则影响分析的重现性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作方法。

为实现上述目的，本发明提出了一种高效的分子离子反应质谱简易装置，包括离子源、离子导入管路、多级梯度真空系统、真空腔体、标准大气压区间、离子导引管路、离子阱、检测器、缓冲气注入系统、真空计和控制模块，所述标准大气压区间、多级梯度真空系统和真空腔体之间依次连通，所述离子源设置在标准大气压区间内，所述多级梯度真空系统通过离子导入管路和标准大气压区间内的离子源连通，多级梯度真空系统的各级梯度真空区间之间通过通孔连通，离子导引管路包括设置在多级梯度真空系统每级梯度真空区间内的传输管路，离子源发射的离子由离子导入管路进入到多级梯度真空系统后，通过各级梯度真空区间内的传输管路传输，在多级梯度真空系统的最后一级梯度真空区间内的传输管路末端设置离子透镜，多级梯度真空系统与真空腔体之间通过通孔连通，所述离子阱设置在真空腔体内，在离子阱前端设置有离子传输整形杆(四极杆或八极杆)，所述检测器包括对称设置在离子阱两侧的两个检测器，还包括缓冲气流量控制器、分子试剂流量控制器和分子试剂注入系统，所述缓冲气注入系统和分子试剂注入系统均通过管道与离子阱的后端盖连通，在分子试剂注入系统和离子阱的后端盖连通的管道上设置分子试剂流量控制器，在缓冲气注入系统和离子阱的后端盖连通的管道上设置缓冲气流量控制器，所述真空计通过管道与离子阱的前端盖连通，所述缓冲气流量控制器、分子试剂流量控制器和真空计均和控制模块通讯连接。

优选地，所述离子阱包括设置在其内部X方向和Y方向的两组电极、设置在其两端的前端盖、后端盖和导气盖板，两组所述电机分别包括两个相向设置电极；在设置在X方向的两组电极中间设置有0.5mm*4mm的狭缝，用于弹射出离子，使检测器检测到离子信号。

优选地，所述多级梯度真空系统的各级真空区间内的气压在1Torr～1E-4Torr范围内依次降低，所述真空腔体内的气压为1E-5Torr～1E-6Torr。

优选地，所述前端盖中心开有离子导入孔，在离子导入孔周围成环形均布多个缓冲气导出孔；所述后端盖中心开有离子导出孔，在所述离子导出孔周围成环形均布多个缓冲气导入孔，所述导气盖板为环形盖板，所述环形盖板设置在前端盖和后端盖的外侧，前端盖和相近的环形盖板之间以及后端盖和相近的环形盖板之间形成环形腔，所述环形板的中间通孔大于等于前端盖的离子导入孔和后端盖的离子导出孔，所述前端盖上的缓冲气导出孔和后端盖上的缓冲气导入孔均与相应的环形腔导通；连接后端盖与缓冲气注入系统和分子试剂注入系统的管道与后端盖的环形腔连通；连接前端盖和真空计的管道与前端盖的环形腔导通。

优选地，所述导气盖板为导电绝缘体，所述前端盖和后端盖为导电电极片，所述导电电极片的厚度为0.8～1.2mm。

优选地，所述前端盖上的离子导入孔和缓冲气导出孔与后端盖上的离子导出孔和缓冲气导入孔均一一对应设置，所述离子导入孔和离子导出孔的直径为1mm，缓冲气导出孔和缓冲气导入孔的直径为0.5mm，所述离子导入孔和缓冲气导出孔之间的圆心距为1.5mm，离子导出孔和缓冲气导入孔之间的圆心距为1.5mm。

优选地，设置在离子阱内部X方向和Y方向的两组电极为平板电极或双曲面电极。

一种高效的分子离子反应质谱简易装置的操作方法，依次包括如下步骤：

第一步，通过高效的分子离子反应质谱简易装置的全扫描操作检测分子与离子反应后产生的反应物分子量；

第二步，将第一步中获得的反应物进行离子化后再次通入离子阱内进行高效的分子离子反应质谱简易装置的多级质谱分析操作，检测反应物的结构。

优选地，高效的分子离子反应质谱简易装置的全扫描操作检测反应物分子量的过程依次包括如下步骤：

S1，控制模块向缓冲气流量控制器发出指令，打开缓冲气流量控制器，缓冲气注入系统将缓冲气通过管道导入离子阱；

S2，随着缓冲气进入到离子阱，测量离子阱内真空度的真空计实时监测离子阱内的真空度，并将测得的真空度反馈至控制模块，控制模块依据相应分子离子反应试验所需要的目标真空度、离子阱内当前真空度计算出缓冲气流量和分子试剂流量，进而通过控制缓冲器流量和分子试剂流量达到实验所需要的目标真空度；

S3，打开离子源，离子通过离子导入管路、离子导引管路和离子透镜进入到离子阱内，同时关闭分子试剂流量控制器，向离子阱内通入缓冲气，形成气压范围在1E-3Torr～5E-4Torr的真空度，缓冲气与进入离子阱内的离子进行碰撞减缓离子的动能，达到离子冷却的目的；

S4，隔离指定的参与反应的试剂离子，将其他离子排出离子阱外。依据实验的具体情况，可能真正参与反应的离子是该选择的试剂母离子的子离子，这时，需要将该母离子打碎，再通过隔离出指定的子离子；

S5，通过分子试剂流量控制器增大分子试剂流量，同时通过缓冲气流量控制器减小或关闭缓冲器流量，直至离子阱内气压达到1E-3Torr后，保持此状态下的分子试剂的流量和缓冲气的流量，使分子试剂与离子进行充分反应；

S6，通过分子试剂流量控制器关断分子试剂的流量，通过缓冲气流量控制器减小或关闭缓冲气流量，直至离子阱内气压达到2E-6Torr后，保持此状态下的分子试剂流量和缓冲气的流量，使离子阱内的离子减少与分子碰撞；

S7，分离检测离子阱中的离子，得出离子和分子试剂反应后产物的分子量；

S8，反应与扫描停止，相关电压值置零。

优选地，高效的分子离子反应质谱简易装置的多级质谱分析操作检测反应物结构的过程依次包括如下步骤：

S1，控制模块向缓冲气流量控制器发出指令，打开缓冲气流量控制器，缓冲气注入系统将缓冲气通过管道导入离子阱，直至离子阱内气压达到5E-4Torr相对平稳为止；

S2，打开离子源，将离子与分子反应后得到的离子通过离子导入管路、离子导引管路和离子透镜进入到离子阱内，向离子阱内通入缓冲气，保持离子阱内气压为5E-4Torr，缓冲气与进入离子阱内的离子进行碰撞减缓离子的动能，达到离子冷却的目的；

S3，逐渐向离子阱上施加用于检测离子的射频电压至至q值为0.8时所对应的的射频电压，所述q值按下列公式计算：

$q=\frac{8{\mathrm{eV}}_{RF}}{m(r^2+2z^2){\mathrm{\Ω}}^2}=\frac{8V_{RF}}{(r^2+2z^2){\mathrm{\Ω}}^2}*\left(\frac{e}{m}\right)---\left(1\right)$

(1)中，为离子的质荷比倒数，V_RF为射频电压幅值，Ω为射频电压的频率值，r为离子阱中心点到X方向或Y方向电极的最短距离值，z为离子阱中心点到Z方向端盖的距离值；针对指定离子来说，相对其他电压值，此时的指定离子在离子阱中最稳定，最不容易逃出离子阱，换句话说，此时的电压值是能够牢牢捕获指定离子的射频电压值，但是对于非隔离离子，不具有这个效果；

S4，在离子阱的X方向电极上施加波形，所述波形的频率为在10kHZ-500kHZ范围内剔除反应物中任一种离子在X方向运动频率后的频率，使除该离子外的其他离子均被逐出离子阱，完成该离子与其他离子的分离；

S5，将离子阱上的射频电压逐步下降到q值为0.25时所对应的射频电压值，为后续的离子检测做准备；

S6，将离子阱上射频电压幅度设置到q值为0.25时所对应的射频电压值，并将X方向电极的选择共振交流电压设置到频率与指定离子在X方向的频率相同，从而形成共振，让指定离子与缓冲气分子发生碰撞从而使离子的化学键断离产生离子碎片和中性丢失分子；此频率下的选择共振交流电压的幅值较小，不至于把离子共振出离子阱，而是给指定离子激励信号，使指定离子快速与周围的缓冲气碰撞发热而断裂化学键，此时，离子的振动幅度小而快速，当交流电压幅值加大时，碰撞得能量也大，如果太大了就振出离子阱，产生不了碎裂的效果；

S7，保持施加在离子阱上的射频电压频率保持不变的前提下，使射频电压幅度值逐渐上升，X方向的选择共振交流电压频率保持不变的前提下幅值也逐渐上升，当射频电压上升到q值小于0.908且大于0.2时所对应的射频电压值时，在离子阱内的不同质荷比的碎片离子在X方向上按照各自的运动频率运动，当碎片离子的频率正好与X方向施加的交流电压频率相同时发生共振，所述碎片离子被逐出离子阱从而被检测到。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

高效的分子离子反应质谱简易装置能够在离子注入存储阶段，增大缓冲气流量实现阱内高气压，获得更多的试剂离子；在离子反应阶段，开启试剂分子控制流量阀，向离子阱中导入大量试剂分子，让试剂分子与试剂离子充分反应生成新的产物离子；在离子检测阶段，关闭试剂分子控制流量阀，停止分子试剂导入，停止或降低缓冲气的导入离子阱，有序实现离子阱内外低气压，保证在离子分离检测阶段具有低气压获得最佳的检测环境。该装置具有更好的气态环境下分子/离子反应效率和效果，更优的反应离子产物检测分析性能，同时，该系统可以在成熟商用离子阱质谱仪器系统上改造实施，具有实现成本低、控制简单等特点，能够作为一款广泛应用的分子/离子反应质谱装置系统。

附图说明

图1为高效的分子离子反应质谱简易装置的结构示意图；

图2为高效的分子离子反应质谱简易装置系统的全扫描操作示意图；

图3为高效的分子离子反应质谱简易装置系统的多级质谱分析操作示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本发明进行具体说明。

如图1所示，一种高效的分子离子反应质谱简易装置，包括离子源101、离子导入管路111、多级梯度真空系统110、真空腔体120、标准大气压区间100、离子导引管路112、离子阱131、检测器132、缓冲气注入系统143、真空计151和控制模块161，所述标准大气压区间100、多级梯度真空系统110和真空腔体120之间依次连通，所述离子源101设置在标准大气压区间100内，所述多级梯度真空系统110通过离子导入管路111和标准大气压区间100内的离子源101连通，多级梯度真空系统110的各级梯度真空区间之间通过通孔连通，离子导引管路112包括设置在多级梯度真空系统110每级梯度真空区间内的传输管路，离子源101发射的离子由离子导入管路111进入到多级梯度真空系统110后，通过各级梯度真空区间内的传输管路传输，在多级梯度真空系统110的最后一级梯度真空区间内的传输管路末端设置离子透镜113，多级梯度真空系统110与真空腔体120之间通过通孔114连通，所述离子阱131设置在真空腔体120内，在离子阱前端设置有离子传输整形杆121(四极杆或八极杆)，所述检测器132包括对称设置在离子阱131两侧的两个检测器132，还包括缓冲气流量控制器142、分子试剂流量控制器144和分子试剂注入系统145，所述缓冲气注入系统143和分子试剂注入系统145均通过管道与离子阱131的后端盖连通，在分子试剂注入系统145和离子阱131的后端盖连通的管道上设置分子试剂流量控制器144，在缓冲气注入系统143和离子阱131的后端盖连通的管道上设置缓冲气流量控制器142，所述真空计151通过管道与离子阱131的前端盖连通，所述缓冲气流量控制器142、分子试剂流量控制器144和真空计151均和控制模块161通讯连接。

所述离子阱131包括设置在其内部X方向和Y方向的两组电极、设置在其两端的前端盖、后端盖和导气盖板，两组所述电机分别包括两个相向设置电极；在设置在X方向的两组电极中间设置有0.5mm*4mm的狭缝，用于弹射出离子，使检测器132检测到离子信号。

所述多级梯度真空系统110的各级真空区间内的气压在1Torr～1E-4Torr范围内依次降低，所述真空腔体120内的气压为1E-5Torr～1E-6Torr，多级梯度真空系统110和真空腔体120内的真空环境由不同抽速的分子泵(119、129)抽真空形成，其中，多级梯度真空系统110的每级梯度真空区间均配备有一台分子泵，且各分子泵之间的抽速均不同(图1中由于简略了多级梯度真空系统110的详细结构，仅画出一台分子泵119示意)。

所述前端盖中心开有离子导入孔，在离子导入孔周围成环形均布多个缓冲气导出孔；所述后端盖中心开有离子导出孔，在所述离子导出孔周围成环形均布多个缓冲气导入孔，所述导气盖板为环形盖板，所述环形盖板设置在前端盖和后端盖的外侧，前端盖和相近的环形盖板之间以及后端盖和相近的环形盖板之间形成环形腔，所述环形板的中间通孔大于等于前端盖的离子导入孔和后端盖的离子导出孔，所述前端盖上的缓冲气导出孔和后端盖上的缓冲气导入孔均与相应的环形腔导通；连接后端盖与缓冲气注入系统143和分子试剂注入系统145的管道与后端盖的环形腔连通；连接前端盖和真空计151的管道与前端盖的环形腔导通。

所述导气盖板为导电绝缘体，所述前端盖和后端盖为导电电极片，所述导电电极片的厚度为0.8～1.2mm。

所述前端盖上的离子导入孔和缓冲气导出孔与后端盖上的离子导出孔和缓冲气导入孔均一一对应设置，所述离子导入孔和离子导出孔的直径为1mm，缓冲气导出孔和缓冲气导入孔的直径为0.5mm，所述离子导入孔和缓冲气导出孔之间的圆心距为1.5mm，离子导出孔和缓冲气导入孔之间的圆心距为1.5mm。

设置在离子阱131内部X方向和Y方向的两组电极为平板电极或双曲面电极。

一种高效的分子离子反应质谱简易装置的操作方法，依次包括如下步骤：

第一步，通过高效的分子离子反应质谱简易装置的全扫描操作检测分子与离子反应后产生的反应物分子量；

第二步，将第一步中获得的反应物进行离子化后再次通入离子阱内进行高效的分子离子反应质谱简易装置的多级质谱分析操作，检测反应物的结构。

1.高效的分子离子反应质谱简易装置的全扫描操作检测所述分子量过程依次包括如下步骤：

S1，控制模块161向缓冲气流量控制器142发出指令，打开缓冲气流量控制器142，缓冲气注入系统143将缓冲气通过管道导入离子阱131；

S2，随着缓冲气进入到离子阱131，测量离子阱131内真空度的真空计151实时监测离子阱131内的真空度，并将测得的真空度反馈至控制模块161，控制模块161依据相应分子离子反应试验所需要的目标真空度、离子阱131内当前真空度计算出缓冲气流量和分子试剂流量，进而通过控制缓冲器流量和分子试剂流量达到实验所需要的目标真空度；

S3，打开离子源101，离子通过离子导入管路111、离子导引管路112和离子透镜113进入到离子阱131内，同时关闭分子试剂流量控制器144，保持向离子阱131内通入缓冲气，形成气压1E-3Torr～5E-4Torr的真空度，缓冲气与进入离子阱131内的离子进行碰撞减缓离子的动能，达到离子冷却的目的；

S4，通过分子试剂流量控制器144增大分子试剂流量，同时通过缓冲气流量控制器142减小或关闭缓冲器流量，直至离子阱131内气压达到1E-3Torr后，保持此状态下的分子试剂的流量和缓冲气的流量，使分子试剂与离子进行反应；

S5，通过分子试剂流量控制器144关断分子试剂的流量，通过缓冲气流量控制器142减小减小或关闭缓冲气流量，直至离子阱131内气压达到1E-6Torr后，保持此状态下的分子试剂流量和缓冲气的流量，使离子阱131内的离子减少与分子碰撞；

S6，通过测量离子阱131内反应产物的分辨率和灵敏度，得出离子和分子试剂反应后产物的分子量。

2.高效的分子离子反应质谱简易装置的多级质谱分析操作检测反应物结构的过程依次包括如下步骤：

S1，控制模块161向缓冲气流量控制器142发出指令，打开缓冲气流量控制器142，缓冲气注入系统143将缓冲气通过管道导入离子阱131，直至离子阱131内气压达到5E-4Torr为止；

S2，打开离子源101，将离子与分子反应后得到的离子通过离子导入管路111、离子导引管路112和离子透镜113进入到离子阱131内，向离子阱131内通入缓冲气，保持离子阱内气压为5E-4Torr，缓冲气与进入离子阱131内的离子进行碰撞减缓离子的动能，达到离子冷却的目的；

S3，逐渐向离子阱131上施加用于检测离子的射频电压至q值为0.8时所对应的的射频电压，所述q值按下列公式计算：

$q=\frac{8{\mathrm{eV}}_{RF}}{m(r^2+2z^2){\mathrm{\Ω}}^2}=\frac{8V_{RF}}{(r^2+2z^2){\mathrm{\Ω}}^2}*\left(\frac{e}{m}\right)---\left(1\right)$

(1)中，为离子的质荷比倒数，V_RF为射频电压幅值，Ω为射频电压的频率值，r为离子阱中心点到X方向或Y方向电极的最短距离值，z为离子阱中心点到Z方向端盖的距离值；针对指定离子来说，相对其他电压值，此时的指定离子在离子阱中最稳定，最不容易逃出离子阱，换句话说，此时的电压值是能够牢牢捕获指定离子的射频电压值，但是对于非隔离离子，不具有这个效果；

S4，在离子阱131的X方向电极上施加波形，所述波形的频率为在10kHZ-500kHZ范围内剔除反应物中任一种离子在X方向运动频率后的频率，使除该离子外的其他离子均被逐出离子阱131，完成该离子与其他离子的分离；

S5，将离子阱131上的射频电压逐步下降到q值为0.25时所对应的射频电压值，为后续的离子检测做准备；

S6，将离子阱131上射频电压幅度设置到q值为0.25时所对应的射频电压值，并将X方向电极的选择共振交流电压设置到频率与指定离子在X方向的频率相同，从而形成共振，让S4中剩余的离子与缓冲气分子发生碰撞从而使离子的化学键断离产生离子碎片；

S7，保持施加在离子阱131上的射频电压频率保持不变的前提下，使射频电压幅度值逐渐上升，X方向的选择共振交流电压频率保持不变的前提下幅值也逐渐上升，当射频电压上升到q值小于0.908且大于0.2时所对应的射频电压值时，在离子阱131内的不同质荷比的碎片离子在X方向上按照各自的运动频率运动，当碎片离子的频率正好与X方向施加的交流电压频率相同时发生共振，所述碎片离子被逐出离子阱131从而被检测到。

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)

1.一种高效的分子离子反应质谱简易装置，包括离子源、离子导入管路、多级梯度真空系统、真空腔体、标准大气压区间、离子导引管路、离子阱、检测器、缓冲气注入系统、真空计和控制模块，所述标准大气压区间、多级梯度真空系统和真空腔体之间依次连通，所述离子源设置在标准大气压区间内，所述多级梯度真空系统通过离子导入管路和标准大气压区间内的离子源连通，多级梯度真空系统的各级梯度真空区间之间通过通孔连通，离子导引管路包括设置在多级梯度真空系统每级梯度真空区间内的传输管路，离子源发射的离子由离子导入管路进入到多级梯度真空系统后，通过各级梯度真空区间内的传输管路传输，在多级梯度真空系统的最后一级梯度真空区间内的传输管路末端设置离子透镜，多级梯度真空系统与真空腔体之间通过通孔连通，所述离子阱设置在真空腔体内，在离子阱前端设置有离子传输整形杆，所述检测器包括对称设置在离子阱两侧的两个检测器，其特征在于，还包括缓冲气流量控制器、分子试剂流量控制器和分子试剂注入系统，所述缓冲气注入系统和分子试剂注入系统均通过管道与离子阱的后端盖连通，在分子试剂注入系统和离子阱的后端盖连通的管道上设置分子试剂流量控制器，在缓冲气注入系统和离子阱的后端盖连通的管道上设置缓冲气流量控制器，所述真空计通过管道与离子阱的前端盖连通，所述缓冲气流量控制器、分子试剂流量控制器和真空计均和控制模块通讯连接。

2.根据权利要求1所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，所述离子阱包括设置在其内部X方向和Y方向的两组电极、设置在其两端的前端盖、后端盖和导气盖板，两组所述电机分别包括两个相向设置电极；在设置在X方向的两组电极中间设置有0.5mm*4mm的狭缝，用于弹射出离子，使检测器检测到离子信号。

3.根据权利要求1所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，所述多级梯度真空系统的各级真空区间内的气压在1Torr～1E-4Torr范围内依次降低，所述真空腔体内的气压为1E-5Torr～1E-6Torr。

4.根据权利要求2所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，所述前端盖中心开有离子导入孔，在离子导入孔周围成环形均布多个缓冲气导出孔；所述后端盖中心开有离子导出孔，在所述离子导出孔周围成环形均布多个缓冲气导入孔，所述导气盖板为环形盖板，所述环形盖板设置在前端盖和后端盖的外侧，前端盖和相近的环形盖板之间以及后端盖和相近的环形盖板之间形成环形腔，所述环形板的中间通孔大于等于前端盖的离子导入孔和后端盖的离子导出孔，所述前端盖上的缓冲气导出孔和后端盖上的缓冲气导入孔均与相应的环形腔导通；连接后端盖与缓冲气注入系统和分子试剂注入系统的管道与后端盖的环形腔连通；连接前端盖和真空计的管道与前端盖的环形腔导通。

5.根据权利要求4所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，所述导气盖板为导电绝缘体，所述前端盖和后端盖为导电电极片，所述导电电极片的厚度为0.8～1.2mm。

6.根据权利要求5所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，所述前端盖上的离子导入孔和缓冲气导出孔与后端盖上的离子导出孔和缓冲气导入孔均一一对应设置，所述离子导入孔和离子导出孔的直径为1mm，缓冲气导出孔和缓冲气导入孔的直径为0.5mm，所述离子导入孔和缓冲气导出孔之间的圆心距为1.5mm，离子导出孔和缓冲气导入孔之间的圆心距为1.5mm。

7.根据权利要求2所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，设置在离子阱内部X方向和Y方向的两组电极为平板电极或双曲面电极。

8.一种高效的分子离子反应质谱简易装置的操作方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

第一步，通过高效的分子离子反应质谱简易装置的全扫描操作检测分子与离子反应后产生的反应物分子量；

第二步，将第一步中获得的反应物进行离子化后再次通入离子阱内进行高效的分子离子反应质谱简易装置的多级质谱分析操作，检测反应物的结构。

9.根据权利要求8所述的高效的分子离子反应质谱简易装置的操作方法，其特征在于，高效的分子离子反应质谱简易装置的全扫描操作检测所述分子量过程依次包括如下步骤：

S1，控制模块向缓冲气流量控制器发出指令，打开缓冲气流量控制器，缓冲气注入系统将缓冲气通过管道导入离子阱；

S2，随着缓冲气进入到离子阱，测量离子阱内真空度的真空计实时监测离子阱内的真空度，并将测得的真空度反馈至控制模块，控制模块依据相应分子离子反应试验所需要的目标真空度、离子阱内当前真空度计算出缓冲气流量和分子试剂流量，进而通过控制缓冲器流量和分子试剂流量达到实验所需要的目标真空度；

S3，打开离子源，离子通过离子导入管路、离子导引管路和离子透镜进入到离子阱内，同时关闭分子试剂流量控制器，向离子阱内通入缓冲气，形成气压范围在1E-3Torr～5E-4Torr的真空度，缓冲气与进入离子阱内的离子进行碰撞减缓离子的动能，达到离子冷却的目的；

S4，隔离指定的参与反应的试剂离子，将其他离子排出离子阱外；

S5，通过分子试剂流量控制器增大分子试剂流量，同时通过缓冲气流量控制器减小或关闭缓冲器流量，直至离子阱内气压达到1E-3Torr后，保持此状态下的分子试剂的流量和缓冲气的流量，使分子试剂与离子进行反应；

S6，通过分子试剂流量控制器关断分子试剂的流量，通过缓冲气流量控制器减小减小或关闭缓冲气流量，直至离子阱内气压达到2E-6Torr后，保持此状态下的分子试剂流量和缓冲气的流量，使离子阱内的离子减少与分子碰撞；

S7，分离检测离子阱中的离子，得出离子和分子试剂反应后产物的分子量；

S8，反应与扫描停止，相关电压值置零。

10.根据权利要求8所述的高效的分子离子反应质谱简易装置，其特征在于，高效的分子离子反应质谱简易装置的多级质谱分析操作检测反应物结构的过程依次包括如下步骤：

S1，控制模块向缓冲气流量控制器发出指令，打开缓冲气流量控制器，缓冲气注入系统将缓冲气通过管道导入离子阱，直至离子阱内气压达到5E-4TorrTorr为止；

S2，打开离子源，将离子与分子反应后得到的离子通过离子导入管路、离子导引管路和离子透镜进入到离子阱内，向离子阱内通入缓冲气，保持离子阱内气压为5E-4Torr，缓冲气与进入离子阱内的离子进行碰撞减缓离子的动能，达到离子冷却的目的；

S3，逐渐向离子阱上施加用于检测离子的射频电压至至q值为0.8时所对应的的射频电压，所述q值按下列公式计算：

$q=\frac{8{\mathrm{eV}}_{RF}}{m(r^2+2z^2){\mathrm{\Ω}}^2}=\frac{8V_{RF}}{(r^2+2z^2){\mathrm{\Ω}}^2}*\left(\frac{e}{m}\right)---\left(1\right)$

(1)中，为离子的质荷比倒数，V_RF为射频电压幅值，Ω为射频电压的频率值，r为离子阱中心点到X方向或Y方向电极的最短距离值，z为离子阱中心点到Z方向端盖的距离值；

S4，在离子阱的X方向电极上施加波形，所述波形的频率为在10kHZ-500kHZ范围内剔除反应物中任一种离子在X方向运动频率后的频率，使除该离子外的其他离子均被逐出离子阱，完成该离子与其他离子的分离；

S5，将离子阱上的射频电压逐步下降到q值为0.25时所对应的射频电压值，为后续的离子检测做准备；

S6，将离子阱上射频电压幅度设置到q值为0.25时所对应的射频电压值，并将X方向电极的选择共振交流电压设置到频率与指定离子在X方向的频率相同，从而形成共振，让指定离子与缓冲气分子发生碰撞从而使离子的化学键断离产生离子碎片和中性丢失分子；

S7，保持施加在离子阱上的射频电压频率保持不变的前提下，使射频电压幅度值逐渐上升，X方向的选择共振交流电压频率保持不变的前提下幅值也逐渐上升，当射频电压上升到q值小于0.908且大于0.2时所对应的射频电压值时，在离子阱内的不同质荷比的碎片离子在X方向上按照各自的运动频率运动，当碎片离子的频率正好与X方向施加的交流电压频率相同时发生共振，所述碎片离子被逐出离子阱从而被检测到。