CN105655224A - 一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪及其检测方法，所述的质谱仪包括两级真空腔:第一级真空腔内包含大气压接口取样锥、四极杆和离子门电极，三者组成四极离子阱；第二级真空腔内包括矩形离子阱和离子检测器以及毛细管；两级真空腔之间设有离子光学元件。所述的检测方法包括控制一级腔内的四极离子阱为储存离子阱模式和同步分析离子阱模式,可以提高质谱的灵敏度、降低定量限、提高分析通量，并降低空间电荷效应影响，提高分辨率。此处的四极杆不要求较高分辨，对加工精度要求不高，而且矩形阱加工装配简单，从而便于小型化，同时所述的检测方法可以保证良好的分析性能，在现场分析检测领域有广泛的应用前景。

Description

一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及利用质谱仪器进行生化物质的原位和现场检测领域，特别涉及一种具有二级真空系统的小型矩型离子阱质谱仪以及提高其分析性能的检测方法。

背景技术

质谱分析法是一种高特异性、高灵敏度，并且应用广泛的普适性化学分析方法。近年来，原位分析与现场检测需求的不断增加，使小型化质谱仪器得到了快速的发展与应用。在各种质谱仪中，离子阱质谱仪凭借其相对简单的结构和强大的时间串级质谱能力，在生命科学、医药卫生、环境监测、食品安全等领域发挥着巨大的作用。但传统的线性离子阱由于双曲面形状的电极结构，不便于小型化。

在2004年由PURDUERESEARCHFOUNDATION发表的国际专利(PCT/US2003/041687)，将传统线性离子阱的双曲面电极替换为平板电极，提出了矩形离子阱质量分析器。其在拥有与双曲面的线性离子阱一样强大的离子储存能力的同时有更加简单的结构，降低了质量分析器的加工难度和制作成本，成为小型质谱仪一个良好的质量分析器的选择。他们团队也在此基础上发展了多款基于矩型离子阱的具有一级腔体的小型质谱仪。然而对于只有一级腔体的小型矩形离子阱质谱仪，离子收集，动能冷却，质量分析等过程均有矩形离子阱来完成，其进样效率低，空间电荷效应明显，导致分析效率、检测灵敏度、质量精度以及分辨率等性能都大大降低。所以提高矩形离子阱质谱的分析效率和性能对质谱小型化非常重要。

在传统的商用质谱中，有人提出将多个质量分析器联合使用，结合不同分析器的特点来提高质谱性能。如MDSSciex公司发表的美国专利US7049580，提出来一种串联四极杆复合线性离子阱质谱，将三重四极杆质谱仪的最后一级四极杆(Q3)改为线性离子阱(LIT)，并结合轴向质量选择出射功能，提高了灵敏度和分辨率的同时兼有定量分析的功能。ThermoFinnigan公司提出的美国专利US20080142705，发明了一种双压线性离子阱质谱，结合高压离子阱与低压离子阱的优点，提高了分析效率。然而这种双气压阱的模式在原来LTQ质谱上多了一个线性离子阱与缓冲气单元，增加了系统的复杂性，并且高气压单元的离子阱是无质量选择的进行离子收集与传递，浪费了其质量选择能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有两级真空系统的小型矩形离子阱质谱仪以及提高其分析性能的检测方法，以克服一级腔体的小型质谱仪结构简单但性能不高的问题，同时克服现有商用质谱仪虽性能较高但系统复杂的缺陷，使质谱仪不仅结构简单，对加工精度要求不高，便于小型化，而且具有良好的分析性能。

本发明的技术方案如下：

一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪，其特征在于：该质谱仪包括具有气压梯度的两级真空腔，第一级真空腔内包括大气压接口取样锥、四极杆和离子门电极；第二级真空腔内包括矩形离子阱和离子检测器；两级真空腔之间设有离子光学元件；所述的大气压接口取样锥、四极杆、离子门电极、离子光学元件和矩形离子阱的中心轴位于同一直线上，构成离子传输的路径。

上述技术方案中，所述的离子光学元件由带孔的平板电极、八极杆、四极杆或它们的组合构成。所述的孔的直径在0.02mm-2mm范围内。

本发明的技术特征还在于：第二级真空腔内含有引入缓冲气体的毛细管，来调节真空度；所述的缓冲气体为氦气、氮气或空气。

基于所述的一种具有二级真空系统的小型矩形离子阱质谱仪的检测方法，其特征在于：第一级真空腔内的四极离子阱和第二级真空腔内的矩形离子阱配合工作为两种模式：储存离子阱-矩形阱模式和同步分析离子阱-矩形阱模式。

第一种模式：

1)离子进入气压为1-0.001Pa的第一级真空腔后，对大气压接口取样锥施加直流电压，四极杆施加射频电压或带有直流偏置的射频电压，离子门电极施加直流电压，三者组成四极离子阱进行快速的离子收集；在进行串级质谱分析时，收集到的母离子在四级离子阱内完成隔离与碎裂过程；

2)降低离子门电极的电压，并利用直流、射频和辅助AC电压控制离子光学元件和矩形离子阱，将目标离子传递到位于具有气压为0.01Pa-0.0001Pa的第二级真空腔内的矩形离子阱中；

3)提高矩形离子阱中前Z平板电极的电压，目标离子被束缚在矩形离子阱中并完成动能冷却；

4)扫描矩形离子阱的射频电压，完成目标离子的质量分析；

5)在矩形离子阱进行质量分析的同时，四极离子阱进行下一个周期的离子收集。

第二种模式：

如权利要求1所述的一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪的检测方法，其特征在于该检测方法采用同步分析离子阱-矩形阱模式，其包括如下步骤：

1)离子进入气压为1-0.001Pa的第一级真空腔后，对大气压接口取样锥施加直流电压，四极杆施加射频电压或带有直流偏置的射频电压，离子门电极施加直流电压，三者组成四极离子阱进行快速的离子收集；

2)提高大气压接口取样锥的电压，目标离子被束缚在四极离子阱中完成动能冷却；

3)四极离子阱工作在轴向质量选择模式下与矩形离子阱进行同步射频扫描，目标离子按照质荷比由小到大的顺序，依次分时地从四极离子阱进入矩形离子阱中进行质量分析，矩形离子阱内始终只包含所有目标离子中的部分离子。

本发明具有以下优点及突出性效果：①所述的具有两级真空腔的矩型离子阱质谱仪，第一级真空腔内的四极杆不要求较高分辨，对加工和装配精度要求不高；第二级真空腔内的分析器采用矩形离子阱，结构简单，加工与装配成本低；从而适合小型化质谱仪的研制。②储存离子阱-矩形阱模式利用高气压四极离子阱进行离子收集与隔离，然后传递到矩形离子阱中进行质量分析，可以提高信号强度，降低定量检测限；而且在矩形离子阱质量分析的同时，四极离子阱可进行下一次离子收集，提高离子利用率的同时大大提高分析通量。③同步分析离子阱-矩形阱模式利用四极离子阱进行离子收集与冷却后，由四极离子阱与矩形离子阱进行同步扫描分析，减少了矩形离子阱中同一时间存在的离子数量，降低了空间电荷效应的影响，提高了分辨率。

附图说明

图1是本发明所涉及的一种具有二级真空腔的小型矩型离子阱质谱仪的结构示意图。

图2是已有的矩形离子阱质量分析器的结构示意图。

图3(a)传统的四极杆-矩形离子阱模式进行连续两次质谱分析的控制时序图，图3(b)为本发明所涉及的储存离子阱-矩形离子阱模式进行连续两次质谱分析的控制时序图。

图4(a)传统的四极杆-矩形离子阱模式进行伊马替尼药品的定量校正曲线图；图4(b)本发明所涉及的储存离子阱-矩形离子阱模式进行伊马替尼药品的定量校正曲线图。

图5是本发明所涉及的新的检测方法：储存离子阱-矩形离子阱模式与传统的四极杆-矩形离子阱模式在相同的总进样时间50ms内得到精氨酸谱峰及其信号强度对比图。

图6(a)是传统的四极杆-矩形离子阱模式分析聚乙二醇样品得到的质谱图；图6(b)是本发明所涉及的同步分析离子阱-矩形离子阱模式分析聚乙二醇样品在矩形离子阱与四极杆-矩形离子阱模式中相同的分析参数下得到的质谱图。

图中：1-大气压离子源；2-第一级真空腔；3-第二级真空腔；4-大气压接口取样锥；5-四极杆；6-离子门电极；7-离子光学元件；8-矩形离子阱；81-前Z平板电极；82-Y平板电极；83-带有狭缝X平板电极；84-后Z平板电极；9-离子检测器；10-引入缓冲气的毛细管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明提供的一种适合小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪及其检测方法做进一步说明。

图1是本发明所涉及的一种小型的具有二级真空腔的矩型离子阱质谱仪的结构示意图。结构上它包括一个可在大气环境下进行电离的离子源1和具有气压梯度的两级真空腔，第一级真空腔2内包括一进样用的大气压接口取样锥4、四极杆5和离子门电极6，三者可以配合工作在四极离子阱的模式下，进行离子的储存与低分辨扫描分析；两级真空腔之间设有离子光学元件7；第二级真空腔3内包括一个矩形离子阱8和离子检测器9以及用于引入缓冲气体的毛细管10。

所述的两级真空腔，其腔内的气压通过同一个真空泵的两级或者两个不同的真空泵或配合不同长度或规格的毛细管10引入不同流量的缓冲气体来调节。其特征在于：第一级真空腔2内保持相对较高的气压，为1-0.001Pa，便于四极离子阱进行离子的收集与低分辨扫描分析；第二级真空腔内为相对较低的气压0.01Pa-0.0001Pa，适合矩形离子阱进行高分辨的扫描分析；所述的缓冲气体，可以为氦气、氮气或者是空气。

所述的离子光学元件7，其中心轴包含0.02-2mm直径尺寸的孔径，允许离子通过的同时使两级真空腔内保持所述的气压梯度。离子光学元件7与大气压接口取样锥4、四极杆5、离子门电极6以及矩形离子阱8的中心轴在同一直线上，构成离子传输的路径。所述的离子光学元件7可以是带孔的平板电极、八极杆、四极杆或是他们的组合。

所述的矩形离子阱8的示意图如图2所示：包括施加直流电压来控制离子轴向运动的前Z平板电极81和后Z平板电极84、施加射频电压来形成四极场的一对Y平板电极82和一对X平板电极83。所述的X平板电极83上开有可以供离子通过的狭缝。按照传统矩形离子阱的控制方式，通过在X平板电极83上耦合辅助AC电压，矩形离子可以工作在质量选择非稳定模式下，进行高分辨质谱分析。

基于所述的一种具有二级真空系统的小型矩形离子阱质谱仪的检测方法，将图1中第一级真空腔2内的四极离子阱和第二级真空腔3内的矩形离子阱8配合工作为两种模式：储存离子阱-矩形阱模式和同步分析离子阱-矩形阱模式，用以区分传统的四极杆‐矩形离子阱模式。

所述的四极杆‐矩形离子阱模式，第一级真空腔2内的四级杆5工作在离子导引的模式下，离子收集，离子隔离，动能冷却，离子分析等功能均有矩形离子阱8来完成。

本发明所述的储存离子阱-矩形阱模式包括如下步骤：

1)离子进入气压为1-0.001Pa的第一级真空腔2后，对大气压接口取样锥4施加直流电压，四极杆5施加射频电压或带有直流偏置的射频电压，离子门电极6施加直流电压，三者组成四极离子阱进行快速的离子收集；在进行串级质谱分析时，收集到的母离子在四级离子阱内完成隔离与碎裂过程；

2)降低离子门电极6的电压，并利用直流、射频和辅助AC电压控制离子光学元件7和矩形离子阱8，将目标离子传递到位于具有气压为0.01Pa-0.0001Pa的第二级真空腔3内的矩形离子阱8中；

3)提高矩形离子阱8中前Z平板电极81的电压，目标离子被束缚在矩形离子阱8中并完成动能冷却；

4)扫描矩形离子阱8的射频电压，完成目标离子的质量分析；

5)在矩形离子阱8进行质量分析的同时，四极离子阱进行下一个周期的离子收集。

所述的同步分析离子阱-矩形阱模式包括如下步骤：

1)离子进入气压为1-0.001Pa的第一级真空腔后，对大气压接口取样锥施加直流电压，四极杆施加射频电压或带有直流偏置的射频电压，离子门电极施加直流电压，三者组成四极离子阱进行快速的离子收集；

2)提高大气压接口取样锥4的电压，目标离子被束缚在四极离子阱中完成动能冷却；

3)四极离子阱工作在轴向质量选择模式下与矩形离子阱8进行同步射频扫描，目标离子按照质荷比由小到大的顺序，依次分时地从四极离子阱进入矩形离子阱8中进行质量分析，矩形离子阱8内始终只包含所有目标离子中的部分离子。

下面结合具体的实施例对所提出的检测方法涉及到的两种模式：储存离子阱-矩形阱模式和同步分析离子阱-矩形阱模式，进行说明。如图1中的两级真空腔通过两个不同的真空泵来维持真空，并利用毛细管10引入氦气调节第二级真空腔3内的气压，最终第一级真空腔2内气压为0.06Pa，第二级真空腔3的气压为0.005Pa；所述的离子光学元件1，采用带有1mm孔径的平板电极和一个八极杆组合而成。

所述的储存离子阱‐矩形离子阱模式：将一级真空腔内的四极杆3、大气压接口取样锥4以及离子门电极5相互配合，组成一个具有离子储存功能的四极离子阱。利用第一级真空腔2内较高气压，可以大大提高离子束缚效率，减小离子收集时间。四极离子阱束缚住离子之后，通过降低离子门电极6的电压，利用电势梯度可以将离子在短时间内逐出到矩形离子阱8中进行储存。以50μg/mLCiprofloxacin同样获得100信噪比的谱图信号为例，如图3(a)所示，在传统的四极杆‐矩形离子阱模式下两次连续分析，工作时序分为离子进样(160ms)、动能冷却(10ms)、离子分析(100ms)、离子清除(10ms)四个阶段，离子利用率约为52.3％(离子利用率＝离子进样时间/总时间)。而储存离子阱‐矩形离子阱模式下得到相同结果的两次连续的分析工作时序过程主要包括五个阶段：四极阱离子收集(15ms)、离子传递(5ms)，二者构成总的进样时间、动能冷却(10ms)、离子分析(100ms)、离子清除(10ms)。如图3(b)所示，在储存离子阱‐矩形离子阱模式下，离子总的进样时间由四极杆‐矩形离子阱模式的160ms减小为20ms，提高了分析效率，而且在矩形离子阱8进行离子冷却与分析的同时，四极离子阱可以同时进行下一次离子收集，从而离子利用效率由52.3％增加到96.4％。

质谱仪的定量功能对污染物浓度检测以及药物剂量浓度分析都有重要的意义。欧阳证提出了利用二级质谱进行定量检测的方法：首先利用矩形离子阱进行待分析物的隔离与碰撞诱导解离(CID)，然后根据待测物与内标物的二级谱峰强度比确定浓度比。在CID过程前的离子隔离可以排除其他非目标离子的干扰，从而得到相比于不隔离时有更低的定量检测限(LOQ)和更优异的校正曲线线性度。而本发明提出的储存离子阱‐矩形离子阱模式，将离子隔离过程由矩形离子阱转移到高气压的四极离子阱中，具有更好的效果。采用Imatinib与0.75μg/mL的Imatinib‐D‐8做内标物的混合溶液作为样品，探究了四极杆‐矩形离子阱模式和储存离子阱‐矩形离子阱模式两种模式下，分别利用矩形离子阱与四极离子阱进行离子隔离的定量性能。如图4(a)所示，在四极杆‐矩形离子阱模式下，利用矩形离子阱进行隔离得到的LOQ为500ng/mL，回归拟合直线的确定系数R2＝0.9952。而对于储存四极离子阱‐矩形离子阱模式，由于四极杆离子阱工作在较高真空气压下，从而具有更好的隔离效果，从图4(b)可以得出Imatinib的LOQ小于50ng/mL，回归拟合直线的确定系数R2＝0.9989，具有更高的定量准确性。

此外，图5给出了50μg/mL的L‐Arginine溶液在相同的总进样时间条件下下四极杆‐矩形离子阱模式(进样时间50ms)和储存离子阱‐矩形离子阱模式(离子收集45ms，离子传递5ms)得到的目标信号峰的谱图及其信号强度。可以看出储存离子阱‐矩形离子阱模式相比于传统的四极杆‐矩形离子阱模式信号强度提高31.4倍。

所述的同步分析离子阱-矩形离子阱模式：该模式的目的在于解决矩形离子阱由于空间电荷效应的影响导致分辨能力低的问题。减小空间电荷效应需要限制矩形离子阱内同时存在的离子数量，为了保证足够的信号强度，最好的方式是矩形离子阱内只存在待分析质荷比的离子而无其他离子干扰。同步分析离子阱‐矩形离子阱模式正是出于这种考虑，结合第一级真空腔内四极离子阱强大的离子储存功能与第二级真空腔内低气压矩形离子阱更好的质量分析功能，使离子首先束缚在四极离子阱中，然后利用四极离子阱轴向质量选择出射功能(适当的降低离子门，同时扫描四极离子阱电压VRF1)和矩形离子阱进行同步扫描分析，不同质量数的离子将依次逐出四极离子阱进入矩形离子阱中，随着矩形离子阱射频电压VRF2的扫描，离子便可以在矩形离子阱中停留一段时间之后被逐出，接着又有新的待分析离子进入。在整个分析过程中矩形离子阱内始终只存在很小质荷比范围的离子，可以有效的减小空间电荷效应的影响，提高分辨率。

下面通过理论公式给出具体的实现方法。公式(1)为四极离子阱中质荷比与射频电压的关系，公式(2)为矩形离子阱中质荷比与射频电压的关系：

$m/z=\frac{4V_{RF}}{{{\mathrm{qr}}_0}^2{\mathrm{\Ω}}^2}---\left(1\right)$

$m/z=\frac{8V_{RF}}{q({x_0}^2+{y_0}^2){\mathrm{\Ω}}^2}---\left(2\right)$

其中，m/z为离子质荷比，V_RF为射频电压的幅度，q为马修方程中的离子稳定系数，Ω为射频电压的频率，r₀为四级杆的场半径，x₀为矩形离子阱的x极板方向的场半径，y₀为矩形离子阱y极板方向的场半径

假设离子源1产生的均为单电荷离子，则公式(1)和(2)可以分别简化为：

m₁＝K₁V_RF1(3)

m₂＝K₂V_RF2(4)

其中，m₁为四极离子阱中离子的质量数，V_RF1为四极离子阱的射频电压幅度，K₁为转换系数；m₂为矩形离子阱中离子的质量数，V_RF2为矩形离子阱的射频电压幅度，K₂为转换系数；

则在矩形离子阱内存在的质量数范围为：Δm＝m₁-m₂，从而得到两射频电压的对应关系：

$V_{RF1}=\frac{K_2{V}_{RF2}-\mathrm{\Δ}m}{K_1}---\left(5\right)$

通过四极离子阱轴向质量选择出射与矩形离子阱径向选择出射的稳定性图，可以得到针对本文所用系统的K₁和K₂参数，从而实现在分析过程中，矩形离子阱始终只存在△m质量范围的离子，进而可以减小空间电荷效应的影响，提高分辨率。

如图6给出了(a)四极杆‐矩形离子阱模式与(b)同步分析离子阱‐矩形离子阱模式得到的聚乙二醇的谱图，其中同步分析离子阱‐矩形离子阱模式得到的主峰处的半峰宽可达0.68，相比于四极杆‐矩形离子阱模式分辨率提高3倍。

Claims (6)

1.一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪，其特征在于：该质谱仪包括具有气压梯度的两级真空腔，第一级真空腔(2)内包括大气压接口取样锥(4)、四极杆(5)和离子门电极(6)；第二级真空腔(3)内包括矩形离子阱(8)和离子检测器(9)；两级真空腔之间设有离子光学元件(7)；所述的大气压接口取样锥(4)、四极杆(5)、离子门电极(6)、离子光学元件(7)和矩形离子阱(8)的中心轴位于同一直线上，构成离子传输的路径。

2.按照权利要求1所述的一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪，其特征在于：所述的离子光学元件(7)由带孔的平板电极、八极杆、四极杆或它们的组合构成。

3.按照权利要求2所述的一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪，其特征在于：所述的孔的直径在0.02mm-2mm范围内。

4.按照权利要求1所述的一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪，其特征在于：第二级真空腔(3)内含有引入缓冲气体的毛细管(10)，来调节真空度；所述的缓冲气体为氦气、氮气或空气。

5.如权利要求1所述的一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪的检测方法，其特征在于该检测方法采用储存离子阱-矩形离子阱模式，其包括如下步骤：

1)离子进入气压为1-0.001Pa的第一级真空腔(2)后，对大气压接口取样锥(4)施加直流电压，四极杆(5)施加射频电压或带有直流偏置的射频电压，离子门电极(6)施加直流电压，三者组成四极离子阱进行快速的离子收集；在进行串级质谱分析时，收集到的母离子在四级离子阱内完成隔离与碎裂过程；

2)降低离子门电极(6)的电压，并利用直流、射频和辅助AC电压控制离子光学元件(7)和矩形离子阱(8)，将目标离子传递到位于具有气压为0.01Pa-0.0001Pa的第二级真空腔(3)内的矩形离子阱(8)中；

3)提高矩形离子阱(8)中前Z平板电极(81)的电压，目标离子被束缚在矩形离子阱(8)中并完成动能冷却；

4)扫描矩形离子阱(8)的射频电压，完成目标离子的质量分析；

5)在矩形离子阱(8)进行质量分析的同时，四极离子阱进行下一个周期的离子收集。

6.一种如权利要求1所述的一种小型化的二级真空矩型离子阱质谱仪的检测方法，其特征在于该检测方法采用同步分析离子阱-矩形阱模式，其包括如下步骤：

1)离子进入气压为1-0.001Pa的第一级真空腔(2)后，对大气压接口取样锥(4)施加直流电压，四极杆(5)施加射频电压或带有直流偏置的射频电压，离子门电极(6)施加直流电压，三者组成四极离子阱进行快速的离子收集；

2)提高大气压接口取样锥(4)的电压，目标离子被束缚在四极离子阱中完成动能冷却；

3)四极离子阱工作在轴向质量选择模式下与矩形离子阱(8)进行同步射频扫描，目标离子按照质荷比由小到大的顺序，依次分时地从四极离子阱进入矩形离子阱(8)中进行质量分析，矩形离子阱(8)内始终只包含所有目标离子中的部分离子。