CN105931943B - 基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置，包括通过在线性离子阱内先施加射频电场和偏置电场，以使得正负离子在同时导入时彼此分离并存储于离子阱中，然后通过保持、改变电场强度等参数或是反复施加和撤销电场，实现对离子存储和反应状态的精确控制，最后通过施加激发电场将待测离子射出，通过检测设备完成对正负离子的同时检测。

Description

基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置

技术领域

本发明涉及质谱技术领域，特别是一种基于线性离子阱的离子反应控制方法。

背景技术

质谱分析法(mass spectrometry)是将化合物按不同质荷比(m/z)进行分离检测，实现成分和结构鉴别的一种分析方法。质谱技术因其具有的高特异性和灵敏度，在生物分析领域中的重要地位日益凸显。生物质谱(Bio-mass spectrometry，Bio-MS)是应用于生物分子分析的质谱技术，其在蛋白质和多肽研究中有着广泛的应用：如蛋白质相对分子质量测定、肽谱测定、肽序列测定技术、巯基和二硫键定位、蛋白质翻译后修饰、定量蛋白质组分析、蛋白质相互作用研究等。此外，生物质谱还应用于多糖结构测定、寡核苷酸和核酸分析、微生物鉴定、药物研发等领域。

气相离子反应广泛应用于物质结构分析的串级质谱技术中及反应动力学的研究中。与其他质量检测器相比，离子阱具有体积小、分辨率高等特点，特别适用于各种样品的二级和多级质谱检测。

在气相离子反应的质谱检测中，正、负离子分别存储于反应器中进行反应，反应器通常具有较为复杂的机械结构；反应结束后，采用不同操作参数分别进行正离子模式检测或负离子模式检测，在排除一种极性离子的情况下继续进行二级质谱等后续检测，导致样品用量增大、检测效率降低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置，满足正负离子的同时检测，并使得正负离子在线性离子阱中得到精确控制，改善定量分析的准确性。

第一方面，本发明实施例提供的一种基于线性离子阱的离子反应控制方法，包括

步骤一：给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后将正离子和负离子导入所述离子阱内，使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

步骤二：控制正离子和负离子处于相互分离的状态保持一时间，以使得离子冷却；以及

步骤三：在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

在第一方面的第一种可能实现的方式中，所述步骤二中的离子冷却阶段，保持所述射频电场和偏置电场的电场强度不变。

在第一方面的第二种可能实现的方式中，所述步骤一中，所述不同电极施加的直流电压的大小相等。

在第一方面的第三种可能实现的方式中，所述步骤二中还包括控制正离子和负离子积聚的过程，该过程与离子冷却过程同时进行或交替进行。

第二方面，本发明实施例提供的一种基于线性离子阱的离子反应控制方法，包括

步骤一：给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后将正离子和负离子导入所述离子阱内，使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

步骤二：撤销所述直流电压以使得偏置电场消失，并使得正离子和负离子在射频电场的作用下集中在离子阱中心发生反应；

步骤三：再次给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场，并在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

在第二方面的第一种可能实现的方式中，所述步骤二中还包括控制正离子和负离子反应进程的步骤。

结合第二方面的第一种可能实现的方式，在第二种可能实现的方式中，所述控制正离子和负离子反应进程的步骤为：通过反复施加和撤销所述直流电压控制正离子和负离子的反应进程。

结合第二方面的第一种可能实现的方式，在第三种可能实现的方式中，所述控制正离子和负离子反应进程的步骤为：通过调整直流电压的大小控制正离子和负离子的反应进程。

第三方面，本发明实施例提供的一种离子反应控制装置，包括

射频电压源，用于给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；

直流电压源，用于给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；

线性离子阱，用于在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后接收正离子和负离子，并在射频电场和偏置电场的作用下使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

激发电压源，用于在离子冷却后，给不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

第四方面，本发明实施例提供的一种离子反应控制装置，包括

射频电压源，用于给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；

直流电压源，用于给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；

线性离子阱，用于在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后接收正离子和负离子，并在射频电场和偏置电场的作用下使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；当直流电压源撤销后，所述正离子和负离子在线性离子阱中发生反应；

激发电压源，用于当正离子和负离子发生反应后，所述直流电压源再次给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场时，在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

本发明提供的基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置，通过在离子阱内施加射频电场和偏置电场，可以将正负离子导入后分开，并同时存储于线性离子阱中，然后控制正负离子在线性离子阱中进行离子冷却或者离子反应，实现了对离子的精确控制，包括对离子积聚程度、冷却时间、反应进程等都可以在线性离子阱中得到准确的控制，因此改善了定量分析的准确性，最后通过施加激发电场将待测的离子从离子阱中射出，以实现对正负离子的同时检测。

附图说明

图1为本发明提供的离子反应控制装置的结构示意图；

图2为本发明应用实施例一中采用传统方法的正离子质谱图；

图3为本发明应用实施例一中采用传统方法的负离子质谱图；

图4为本发明应用实施例一中采用本发明方法的双极性离子质谱图；

图5为本发明应用实施例一中采用本发明方法的质谱信号随电压变化规律图；

图6为本发明应用实施例二中采用传统方法的正离子质谱图；

图7为本发明应用实施例二中采用传统方法的负离子质谱图；

图8为本发明应用实施例一中采用本发明方法的双极性离子质谱图；

图9为本发明应用实施例二中反应动力学曲线图；

图10为本发明应用实施例二中，通过本发明方法抑制反应发生与电压关系图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置，主要构思是通过在线性离子阱内先施加射频电场和偏置电场，以使得正负离子在同时导入时彼此分离并存储于离子阱中，然后通过保持、改变电场强度等参数或是反复施加和撤销电场，实现对离子存储和反应状态的精确控制，最后通过施加激发电场将待测离子射出，通过下游设备完成对正负离子的同时检测。

实施例一

本实施例提供一种基于线性离子阱的离子反应控制方法，包括如下步骤：

步骤一：给线性离子阱的四个电极施加双相位射频电压以形成射频电场；给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后将正离子和负离子导入所述离子阱内，使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

当正离子和负离子产生后，通过双离子传输方式将正负离子分别从线性离子阱的两端导入到线性离子阱内部。在偏置电场和射频电场的作用下，正离子和负离子逐渐向着与自身极性相反的电极靠近，即正离子向着施加了负直流电压的电极靠近，负离子向着施加了正直流电压的电极靠近。在两个电极上，直流电压的极性相反，但大小可以相等也可以不等。可以针对不同的正负离子施加不同的直流电压值，以使其控制在离子阱中合适的区域内。直流电压的施加方向为线性离子阱的径向，既可以沿着x轴施加，也可以沿着y轴施加。

步骤二：控制正离子和负离子处于相互分离的状态保持一时间，以使得离子冷却；

离子冷却程度不同会给检测结果带来不同的影响。为了对离子冷却过程进行精确控制，可以保持射频电压与直流电压不变，这样正负离子可以在相互分离的状态下冷却一段时间。当所需的冷却时间结束后再进行下一步处理。当然在离子冷却的同时，还可以控制离子的积聚程度，如通过设置适当的射频电场和偏置电场强度，为离子积聚预留出空间，在离子积聚的过程中离子同时也在冷却。当积聚程度达到检测所需要求后再冷却一段时间即可完成离子冷却过程。

步骤三：在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

在离子冷却过程结束后，施加激发交流电压AC，使得正离子从负极性电极端射出并被下游的一个检测器接收和检测，负离子从正极性电极端射出并被下游的另一个检测器接收和检测。

实施例二

本实施例提供的一种基于线性离子阱的离子反应控制方法，包括

步骤一：给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后将正离子和负离子导入所述离子阱内，使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

当正离子和负离子产生后，通过双离子传输方式将正负离子分别从线性离子阱的两端导入到线性离子阱内部。在偏置电场和射频电场的作用下，正离子和负离子逐渐向着与自身极性相反的电极靠近，即正离子向着施加了负直流电压的电极靠近，负离子向着施加了正直流电压的电极靠近。在两个电极上，直流电压的极性相反，但大小可以相等也可以不等。可以针对不同的正负离子施加不同的直流电压值，以使其控制在离子阱中合适的区域内。直流电压的施加方向为线性离子阱的径向，既可以沿着x轴施加，也可以沿着y轴施加。

步骤二：撤销所述直流电压以使得偏置电场消失，并使得正离子和负离子在射频电场的作用下集中在离子阱中心发生反应；

在离子积聚到反应所需程度时，撤销直流电压后，相应的偏置电场消失，正离子和负离子会逐渐向着线性离子阱的中心汇集并发生反应。在步骤二中，还可以对反应的进程进行精确的控制，以得到不同反应程度下的所需样品。具体的控制方法可以是：

通过反复施加和撤销所述直流电压控制正离子和负离子的反应进程。例如当反应进行到A时刻时，撤销直流电压，正离子和负离子再次分开，进而得以检测当前状态下的反应产物。如果需要进一步反应，则重新施加直流电场，等到下一时刻再进行检测。

具体的控制方法还可以是通过调整直流电压的大小控制正离子和负离子的反应进程。

步骤三：再次给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场，并在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

当反应结束后，再次施加的偏置电场使得正离子和负离子再次分离，与此同时，施加的交流电压形成激发电场，使得正离子从负极性电极端射出并被下游的一个检测器接收和检测，负离子从正极性电极端射出并被下游的另一个检测器接收和检测。

实施例三

本实施例提供一种对应于实施例一中控制方法的离子反应控制装置，该装置包括

射频电压源，用于给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；

直流电压源(DC)，用于给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；

线性离子阱，用于在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后接收正离子和负离子，并在射频电场和偏置电场的作用下使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

激发电压源(AC)，用于在离子冷却后，给不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

本实施例提供的装置用于执行实施例一中的方法，其具体的工作方式和实现方式可以是实施例一中的任意的情形，在本实施例中不再赘述。

实施例四

本实施例提供一种对应于实施例二中控制方法的离子反应控制装置，该装置包括

射频电压源，用于给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；

直流电压源(DC)，用于给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；

线性离子阱，用于在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后接收正离子和负离子，并在射频电场和偏置电场的作用下使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；当直流电压源撤销后，所述正离子和负离子在线性离子阱中发生反应；

激发电压源(AC)，用于当正离子和负离子发生反应后，所述直流电压源再次给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场时，在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

本实施例提供的装置用于执行实施例二中的方法，其具体的工作方式和实现方式可以是实施例二中的任意的情形，在本实施例中不再赘述。

实施例三和实施例四中离子反应控制装置的结构均可以参考图1所示。

应用实施例一

本应用实施例一提供实施例一中所述方法的一种具体应用方式，具体如下：采用125μM缓激肽作为正离子样品，400μM全氟-1-辛醇作为负离子样品进行实验，所述样品的传统检测方法质谱图，分别由图2，图3所示。两种样品分别由正负离子源离子化，缓激肽正离子首先导入离子阱，在导入同时，在线性离子阱四个电极施加射频电场(简称RF)，电场幅度为600Vpp、频率为1.128MHz，并且在线性离子阱离子检测方向施加一直流电场(简称DC)，直流电场强度为20V。经过2ms后，停止导入缓激肽正离子，开始导入全氟-1-辛醇负离子，此过程中，施加的RF和DC保持不变。经过5ms后，停止导入全氟-1-辛醇负离子。此时正负离子相互分离并同时存储于线性离子阱中。

进行100ms离子冷却过程，此过程中施加RF和DC保持不变。

在离子冷却后，在DC同一方向施加激发射频电场(AC)，AC幅度为0.1Vpp，频率为430KHz，并扫描RF幅度，扫描速度为19000amu/sec(质量数/秒)。扫描时间为150ms。由于DC电场作用，正极性离子从负极性电极端出射并被检测，负极性离子从相反方向出射及检测，即实现双极性产物的离子的同步检测，获得的双极性质谱图，如图4所示。与图2、3所示的传统方法得到的图谱相比，两种离子同时出现于质谱图中，同时两种离子信号的强度提高约一倍。此过程中各主峰信号强度随DC幅度变化关系图如图5所示。

应用实施例二

本应用实施例二提供实施例二中所述方法的一种具体应用方式，具体如下：采用100μM细胞色素C(甲醇∶水的体积比1∶1)作为正离子样品，100μM AMPNa₂作为负离子样品进行实验，所述样品的传统检测方法质谱图分别由图6、图7所示。在气相环境中，此两种物质会发生双质子转移反应，AMP负离子获得2个质子产生AMP正离子，即所谓的极性反转现象。

两种样品分别由正负离子源离子化，细胞色素C正离子首先导入离子阱，在导入同时，在线性离子阱四个电极施加射频电场(简称RF)，电场幅度为600Vpp、频率为1.128MHz，并且在离子阱离子检测方向施加一直流电场(简称DC)，DC的电场强度为20V。经过10ms后，停止导入细胞色素C离子，开始导入AMP负离子，此过程中，施加RF和DC不变。经过10ms后，停止导入AMP负离子。此时正负离子同时存储于线性离子阱中。

反应进行阶段，施加的RF保持不变，并停止施加DC，正、负离子在RF电场作用下运动到离子阱中心，发生反应。

反应600ms后，再次施加20V DC电压，并在DC电压同一轴向施加激发激发电场(简称AC)，AC的幅度为0.1Vpp、频率为430KHz，并扫描RF幅度，扫描速度为19000amu/sec，扫描时间为150ms。由于DC电场作用，正极性离子从负极性电极端出射并被检测，负极性离子从相反方向出射并被检测，即实现双极性产物的离子的同步检测，获得的双极性质谱图，如图8所示。图中所示正负反应物及正负产物，且与传统方法相比信号强度有所提高。

通过调整反应时间，可以获得该反应动力学曲线，如图9所示。AMP负离子随时间增长而被消耗，AMP正离子呈现先增长，后达到平衡趋势。另一方面，在反应过程中(600ms)施加DC，可在一定程度上抑制反应发生，如图10所示，当施加10V DC时，反应被完全抑制，无AMP正离子产生。

以上对本发明所提供的基于线性离子阱的离子反应控制方法和离子反应控制装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.基于线性离子阱的离子反应控制方法，其特征在于，包括

步骤一：给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后将正离子和负离子导入所述离子阱内，使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；

步骤二：撤销所述直流电压以使得偏置电场消失，并使得正离子和负离子在射频电场的作用下集中在离子阱中心发生反应；

步骤三：再次给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场，并在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。

2.如权利要求1所述的基于线性离子阱的离子反应控制方法，其特征在于，所述步骤二中还包括控制正离子和负离子反应进程的步骤。

3.如权利要求2所述的基于线性离子阱的离子反应控制方法，其特征在于，所述控制正离子和负离子反应进程的步骤为：通过反复施加和撤销所述直流电压控制正离子和负离子的反应进程。

4.如权利要求2所述的基于线性离子阱的离子反应控制方法，其特征在于，所述控制正离子和负离子反应进程的步骤为：通过调整直流电压的大小控制正离子和负离子的反应进程。

5.离子反应控制装置，包括

射频电压源，用于给线性离子阱的电极施加射频电压以形成射频电场；

直流电压源，用于给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场；

线性离子阱，用于在施加所述射频电场和偏置电场的同时或之后接收正离子和负离子，并在射频电场和偏置电场的作用下使正离子和负离子向着与自身极性相反的电极靠近并存储于线性离子阱中；当直流电压源撤销后，所述正离子和负离子在线性离子阱中发生反应；

激发电压源，用于当正离子和负离子发生反应后，所述直流电压源再次给线性离子阱的不同电极施加直流电压以形成偏置电场时，在所述不同电极上施加与直流电压方向一致的激发电压，以形成激发电场并使需要被检测的正离子和负离子射出线性离子阱。