CN105609400B - 含有高阶场成分的离子阱质谱系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于质谱分析测试技术领域，具体为含有高阶场成分的离子阱质谱系统。该离子阱质谱系统由四个圆弧截面结构的线形杆状电极组成，通过调节圆弧电极的圆弧半径的大小比例关系，使四极电极系统可以产生以四极场A2为主，并含有部分八极场A4、十二极场A6、十六极场A8、二十极场A10等高阶场成分。当四极离子阱质谱系统引入适当的高阶场成分后，可以有效提高离子阱的质量分辨率、离子质谱信号强度及串级质谱分析效率，同时可以有效改善离子阱的低质量数截止值，解决传统离子阱质谱仪在串级质谱过程中低质量数检测的主要难点。本发明给出的含有高阶场成分的离子阱质谱系统具有结构简单，加工容易，性能独特等优点。

Description

含有高阶场成分的离子阱质谱系统
技术领域
本发明属于质量分析技术领域，具体涉及一种离子阱质谱系统。
背景技术
质谱仪是目前分析测试领域中最重要的分析科学仪器之一，广泛应用于现代科学研究和生产活动中, 在生命科学、食品安全、环境污染检测、国防安全、航空航天、医学等各种微量或痕量物质检测领域中发挥着不可或缺的作用，已成为现代科技发展和日常生活中不可缺少的分析工具。
离子阱质谱仪是众多质谱仪中的一种，它具有结构简单、体积小、易加工等优点。离子阱质谱仪的核心关键部件是离子阱质量分析器，离子阱质量分析器是目前可以在单一的质量分析器中同时实现离子存储和串级质谱分析功能，可以同时获得更多被测样品成分组成和分子结构的多重信息。此外，离子阱质量分析器由于同时具有离子存储和串级质谱分析功能等优势，常常与飞行时间质谱,四极杆质谱, 轨道离子阱质谱等其他类型的质谱组合成为功能更为强大的复杂质谱仪器系统, 获得更多的样品信息。
四极离子阱质量分析器和四极杆质量分析器虽然都工作在完全相同的四极场理论基础上。理想的纯四极电场通过双曲面电极系统来实现，比如三维离子阱和双曲面四极杆，但双曲面电极的精度加工与装配相当困难。在文献Dayton, P. H.; et.al. Rev.Scientific Instruments,1954,25:485中提出在四极杆质量分析器系统中，通过理论计算表明用圆柱电极杆代替双曲面电极杆，当圆柱电极杆的半径r是场半径r0的1.148时，可获得近乎完美的四极场分布，四极杆质量分析器性能最好，这个数值已被商业公司广泛采用。
用圆柱形代替传统的双曲面形电极，由于电极形状的改变以及电极加工精度及组装误差，在四极杆系统中高阶场产生是不可避免的。而在离子质量分析器中，专利号为WO9747025-A 的专利和文章 James W. Hager， A new linear ion trap massspectrometer (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002,16:512-526) 中公开的一种线形离子阱质谱仪和专利号US6838666B2中提到的矩形离子阱质量分析器，采用的是圆柱电极和矩形电极取代双曲面电极，在这些电极改进的过程中，降低了加工难度，但同时不可避免的同样引入了高阶场成分。而这些高阶场成分的多少是直接影响四极质量分析器的质量分辨能力。
在早期的电场研究结构认为高阶场的引入会影响质量分辨率，在近些年的研究结果表明，引入适当的高阶场分量，如六极场（A3）、八极场（A4）、十极场（A5）、十二极场（A6）等，通过激发相应的高阶场非线性共振运动可有效改善四极质量分析器的质量分辨率，在美国专利US6897438B2和文献Sudakov,M.; Douglas,D.J.;Rapid Commun. MassSpectrom.2003, 17, 2290-2294.和文献Ding, C. F.;Kononkov,N.V.; Douglas,D.J.Rapid Commun. Mass spectrom. 2003, 17, 2495-2502都讲述了通过改变四极杆系统中两对电极杆的杆半径的比例（Ry/Rx）或场半径R0与电极杆的比例关系，即可在四极场中引入一定量的八极场分量，通过实验表明这些方案引入的八极场可有效的改善四极杆的质量分辨。另外在美国专利US7141789B2中是通过改变四极杆系统中一对极杆的圆周上的角度，从而引入较为显著的六极场分量。
在四极离子阱质量分析器中，采用非双曲面电极取代双曲面电极结构的离子阱质量分析器，内部电场以四极电场为主，同时还含有其他高阶场成分，而这些高阶场成分是无序的引入，会直接影响到离子阱质量分析器的分析性能，通过理论研究表明，在离子阱质量分析器中，引入特定的高阶场成分，可以有效的提高离子阱质量分析器分析性能，在四极质量分析中，高阶场成分是无法避免的，将高阶场成分的引入，变成提高四极质量分析器分析性能的关键因素，是具有重要的科学价值。
发明内容
本发明的目的是提出一种离子阱质量分辨、离子引出效率高，加工方便，生产成本低的含有高阶场成分的离子阱质谱系统。
本发明提供的含有高阶场成分的离子阱质谱系统，是用于产生以四极场为主，同时含有八极场、十二极场、十六极场等其他高阶场电场成份的离子阱质谱系统。其主要通过改变离子阱系统的X方向和Y方向的圆弧电极比例及与场半径的比例，实现离子阱系统内部电场成分的变化，从而优化离子阱电极结构，提高离子阱质量分辨、离子引出效率，及低质量数截止值（Low mass cut off, LMCO）的优化，而且结构易加工，生产成本低。
本发明提出的含有高阶场成分的离子阱质谱系统，具体由X、Y、Z三个方向上的三对电极构成，并合围成近似于长方体的空间立体结构。设离子引入的方向为Z 方向，Z方向上的一对电极为平面电极，X方向和Y方向的电极结构为圆弧形杆状电极，在4根杆状电极中至少一根杆状电极的横截面上加工有小孔，用于离子引出。X、Y、Z 三个方向的各个电极之间存在空隙或以电绝缘材料隔开，以保持相互之间的电绝缘状态。X 和Y 方向上的两对电极所在的ZX 平面和ZY 平面在径向上围成离子的束缚空间，其电极上施加的射频（RadioFrequency, RF）电压，对阱中的离子实现径向上的束缚。Z 方向上一对电极上开有小孔，用于离子引入，在该电极上施加直流电压，在轴向上将离子束缚在阱中。
X方向和Y方向的圆弧电极的表面到中心轴的最小距离即场半径R0相等。
本发明中，构成离子阱的X方向和Y方向的电极结构为圆弧形杆状结构，即它们的截面为一个圆的一部分。所述的X方向一对圆弧电极，其圆弧半径完全相等，记为Rx，所述的Y方向的一对圆弧电极，其圆弧半径完全相等，记为Ry，且Ry>Rx。
本发明中，离子阱系统场半径就是离子阱系统各个电极的边缘到中心轴的最小距离即R0相等。所述的X方向上的圆弧形，其圆弧电极的半径Rx与四根X方向和Y方向上的电极所合围而成的电场场半R0关系为: Rx=R0。
本发明利用在加载在X 或Y 方向电极上的一个偶极电压对离子进行共振逐出,实现离子的质量分析。通过调节X方向和Y方向圆弧电极的圆弧半径的大小比例关系，实现高阶场成分的引入，使整个离子阱系统内部电场中包括四极场A2、八极场A4、十二极场A6、十六极场A8、二十极场A10等多极场分布，达到离子阱系统的分析性能优化。
本发明中，所述的高阶场成分分布中，八极场A4的含量在四极场A2的-5% ~ 5%之间。
本发明中，所述的高阶场成分分布中，十二极场A6的含量在四极场A2的-1.5% ~1.5%之间。
本发明中，所述的高阶场成分分布中，十六极场A8的含量在四极场A2的-0.1% ~0.1%之间。
本发明中，所述的高阶场成分，在X方向电极加载偶极激发电压，使得离子被激发从X方向电极的小孔中被逐出离子阱并被设置在电极外的离子检测器检测到。在这种情况下，所述的离子阱内部电场中的八极场为正八极场。
本发明中，所述的高阶场成分，在Y方向电极加载偶极激发电压，使得离子被激发从Y方向电极的小孔中被逐出离子阱并被设置在电极外的离子检测器检测到。在这种情况下，所述的离子阱内部电场八极场为负八极场。
本发明中，所述的高阶场离子阱，其离子弹出的方法可以是共振激发弹出，也可以边界激发弹出或Z方向轴向弹出，其离子弹出方法不受限定。
本发明中，所述的离子阱电极可以是金属材料，也可以是非金属材料镀金属膜制作加工。
本发明中，所述的驱动离子阱的射频工作电源，为正弦波电压、数字方波电压、或三角波形电压。
本发明中，所述的高阶场离子阱，它可以作为离子阱质量分析器使用，也可以作为离子存储装置使用。并且它可以单独作为一个仪器使用，也可以与其他仪器装置，如四极杆质谱、飞行时间质谱、轨道离子阱质谱等结合起来组成一个较为复杂的仪器使用。
在目前已检索的专利文献中，主要报道了四极杆中高阶场成分的影响，还未见到在离子阱质量分析器中引入相对显著的八极场、十二极场分量的具体实现方法及相应的离子阱质量分析器系统。而采用本发明所述的离子阱结构，离子从离子阱的径向弹出，通过调节X方向和Y方向圆弧电极的大小比例关系，能够有效地在离子阱内产生以四极电场为主并引入相对显著的八极场和十二极场分量电势分布。理论研究和实验结果表明，通过本发明中的离子阱结构，引入的一定量的八极场和十二极场是有助于提高离子阱的分析性能，同时该结构易加工与装配，更容易实现。
附图说明
图1为可调节高阶场成分的离子阱结构示意图。
图2 为不同电极比例下的从X电极方向弹射离子时高阶场成分含量分布图。
图3为不同电极比例下的从Y电极方向弹射离子时高阶场成分含量分布图。
图4为离子阱仪器实验工作平台示意图。
图5为离子从X方向弹出时的数字方波电压加载方式驱动示意图。
图6为离子阱高阶场成分对质量分辨率实验结果，样品采用利血平（m/z=609）。
图7为离子阱高阶场成分对离子强度的实验结果。
图8为离子阱高阶场成分对串级质谱效率及低质量数截止的实验结果。
图9为离子从Y方向弹出时的数字方波电压加载方式驱动示意图。
图10为离子从X方向弹出时的正弦波电压加载方式驱动示意图。
图11为离子从Y方向弹出时的正弦波电压加载方式驱动示意图。
具体实施方式
实施例1
离子阱的驱动电压主要是射频电压（radio frequency，简称RF）。目前，驱动离子阱的射频电压可以有两种类型，一种是传统的正弦波驱动，另一种是数字方波驱动。本发明提出的方法在主要应用在数字方波驱动模式下。下文以数字方波为例进行说明。
在数字方波驱动的离子阱中，用于束缚离子的方波的幅值一般为几百伏，且为一定值。离子阱工作时，通过对数字方波频率的扫描，在扫描阶段，在数字方波上叠加偶极共振激发信号，当离子频率与扫描时的偶极共振激发信号频率实现共振时，实现离子的共振弹出。用于离子共振激发的偶极激发方波同束缚方波一样，均由相同的方式产生和控制，但是其幅值较低一般在10伏以内，其频率与束缚方波保持一固定的比例关系。束缚方波和用于离子弹出的偶极激发方波的波形均为对称波形，即具有50%的占空比。在本发明的具体实施例中，主要以数字方波驱动离子阱的工作模式，并都已进行实验验证，具体内容如下：
该方案中的离子阱结构示意图如图1所示，其中电极101和电极103为Y方向电极对，电极102和104为X方向电极对，由电极101,102,103,104围成内切圆的空间105，其内切圆空间105到各个电极的距离R0相等，其中Y方向电极对101和103相等，X方向电极对102和104相等，通过调节电极101的半径Ry与电极102的半径Rx的比例关系，实现内部电场成分的变化，且Rx与R0相等。在本实例中，选用Ry:Rx分别为1:1，1.1:1，1.2:1，1.3:1，1.4:1。当离子从离子阱的X方向弹出时，其内部电场的高阶场成分关系如图2所示；当离子从离子阱的Y方向弹出时，其内部电场的高阶场成分关系如图3所示。通过图2和图3可看出，通过改变Ry和Rx可以改变离子阱内部电场高阶场成分的变化，随着比例的增加，发现A4的成分越来越高，A6的成分越来越小，而A8和A10的成分变化非常小。在本实例中，离子从X方向弹出，如图5所示，仪器实验平台如图4所示，本实验室自行设计和加工的电喷雾电离源-离子阱质谱仪器系统（ESI-IT-MS）。仪器由三级差分真空系统构成，离子阱所在第三级真空腔内真空度可达到3×10-3Pa。电喷雾电离源产生的离子通过取样锥孔进入二级真空腔，经过一段长度为200毫米的四极离子导引进入矩形离子阱中，完成质量分析。氦气作为冷却气从阱的后端盖电极上的小孔中引入用于离子冷却。试剂：利血平（Reserpine, m/z=175，上海阿拉丁试剂有限公司）， 配制成5×10-5 M的溶液，溶剂采用甲醇∶水=50∶50，其中含有0.05%的醋酸。
数字直接合成（DDS）的方法产生低电平的方波电压，一般为5V的TTL电平。经过快速开关（switches）和MOSFET场效应管的放大后，得到幅度在0-500V0-p范围内连续可调的高压方波用作束缚电压。偶极激发电压通过束缚电压的分频得到，即偶极激发电压与束缚电压的频率之间存在一比例关系，系数为β/2，β值小于1。射频工作电压方波的周期、扫速、对称性和时序可以通过软件精确控制。矩形离子阱上的方波电压的施加方式如图5所示。一对幅度相同、相位完全相反的方波束缚电压分别施加到离子阱x和y方向的两对电极上。离子从x方向弹出，偶极激发电压与方波束缚电压耦合后施加到一对x方向电极上。
通过进行质量扫描的方法，可以得到一张样品离子的完整谱图。此时偶极激发电压的波形为对称波形，其频率为束缚方波的频率的三分之一，即 β值为2/3，幅度为一定值。随着束缚方波的频率扫描，不同质荷比的离子依次到达共振点发生共振，从阱中弹出被离子探测器检测。
在本实施实例中，数字方波射频工作电压为200V0-p，其偶极激发频率为束缚方波的频率的三分之一，即 β值为2/3，幅度为0.8V0-p。随着束缚方波的频率扫描，不同质荷比的离子依次到达共振点发生共振，从阱中弹出被离子探测器检测，得到谱图如图6所示，图6中（a）-(e)谱图中的A4/A2分别为0、0.95%、1.8%、2.56%、3.24%；初步的实验结果表明，随着高阶场A4的增加，离子阱的分辨率越来越高，当A4/A2=2.56%时，离子阱质量分辨率最高。同时提高离子的强度，提高离子阱质谱的灵敏度，如图7所示，当A4/A2=2.56%时，离子强度是A4/A2=0时的2倍左右。
离子阱都具有串级质谱的分析功能，在离子阱中高阶场成分也会对串级质谱分析具有一定的影响，在本发明中，引入特定量的高阶场成分A4后，通过实验结果表明，随着A4的成分越来越多，会改善离子阱的低质量数截止值，同时可以提高解离效率，如图8所示，样品为利血平的串级质谱分析可以得到碎片离子峰最低值为174，而在没有A4成分中的离子阱，串级质谱最低质量数只能达到365。通过实验表明，在离子阱中引入A4成分可以改善离子阱低质量数截止值效应，丰富了母体离子结构信息。
本发明中，离子弹出方向还可以从Y方向电极出射，离子阱内部的A4高阶场成分为负的，加载方式如图9所示。另外还可采用传统的正弦波电压驱动离子阱，偶极激发电压也采用正弦波，射频电压和偶极激发电压的施加如图10所示。

Claims (8)

1. 含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，由X、Y、Z三个方向上的三对电极构成，并合围成近似于长方体的空间立体结构；设离子引入的方向为Z 方向，Z方向上的一对电极为平面电极，X方向和Y方向的电极结构为圆弧形杆状电极，在4根杆状电极中至少一根杆状电极的横截面上加工有小孔，用于离子引出；X、Y、Z 三个方向的各个电极之间存在空隙或以电绝缘材料隔开，以保持相互之间的电绝缘状态；X 和Y 方向上的两对电极所在的ZX 平面和ZY 平面在径向上围成离子的束缚空间，其电极上施加的射频电压，对阱中的离子实现径向上的束缚；Z 方向上一对电极上开有小孔，用于离子引入，在该电极上施加直流电压，在轴向上将离子束缚在阱中；X方向和Y方向的圆弧电极的表面到中心轴的最小距离即场半径R0相等；
通过调节X方向和Y方向圆弧电极的圆弧半径的大小比例关系，引入高阶场成分，使整个离子阱系统内部电场中包括四极场A2、八极场A4、十二极场A6、十六极场A8、二十极场A10等多极场分布，实现离子阱系统的分析性能优化。
2.根据权利要求1所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，所述的X方向一对圆弧电极，其圆弧半径完全相等，记为Rx，所述的Y方向的一对圆弧电极，其圆弧半径完全相等，记为Ry，且Ry>Rx。
3. 根据权利要求1或2所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，所述的X方向上的圆弧电极的半径Rx与四根X方向和Y方向上的电极所合围而成的电场场半径R0关系为: Rx=R0 。
4. 根据权利要1或2所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，所述的高阶场成分分布中，八极场A4的含量在四极场A2含量的-5% ~ 5%之间。
5. 根据权利要求1或2所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，所述的高阶场成分分布中，十二极场A6的含量在四极场A2含量的-1.5% ~ 1.5%之间。
6. 根据权利要求1或2所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，所述的高阶场成分分布中，十六极场A8的含量在四极场A2含量的-0.1% ~ 0.1%之间。
7.根据权利要求1或2所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，在X方向电极加载偶极激发电压，使得离子被激发从X方向电极的小孔中被逐出离子阱并被设置在电极外的离子检测器检测到，这时，离子阱内部电场中的八极场为正八极场；
在Y方向电极加载偶极激发电压，使得离子被激发从Y方向电极的小孔中被逐出离子阱并被设置在电极外的离子检测器检测到，这时，离子阱内部电场八极场为负八极场。
8.根据权利要求1或2所述的含有高阶电场成分的离子阱质谱系统，其特征在于，所述的射频电源为正弦波电压、数字方波电压或三角波形电压。
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C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20201216

Address after: 430075 building d3-1, Guanggu biological city, 666 Gaoxin Avenue, Donghu high tech Zone, Wuhan City, Hubei Province

Patentee after: WUHAN FRASERGEN INFORMATION Co.,Ltd.

Address before: 200433 No. 220, Handan Road, Shanghai, Yangpu District

Patentee before: FUDAN University

TR01 Transfer of patent right
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Ion trap mass spectrometry system with high-order field components

Effective date of registration: 20230418

Granted publication date: 20180112

Pledgee: Wuhan area branch of Hubei pilot free trade zone of Bank of China Ltd.

Pledgor: WUHAN FRASERGEN INFORMATION CO.,LTD.

Registration number: Y2021420000096

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right