CN106601581B

CN106601581B - 降低线性离子阱中空间电荷效应的系统和方法

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Publication number: CN106601581B
Application number: CN201510662982.5A
Authority: CN
Inventors: 徐伟; 胡莉莉; 王玉琢
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: CN106601581A; US20170140915A1

Abstract

本发明提供一种降低线性离子阱中空间电荷效应的系统和方法，该系统包括：线性离子阱，第一交流电源，第二交流电源，射频电源；所述线性离子阱包括相同的四个电极杆，第一交流电源的两极分别连接至离子阱中的间隔设置的两个电极杆，第二交流电源的两极分别连接至另外两个电极杆，射频电源的两极分别连接所述第一交流电源和所述第二交流电源；所述第一交流电源和所述第二交流电源产生正弦交流电信号。本发明减少了空间电荷效应造成的分辨率下降，提升了分析性能。

Description

降低线性离子阱中空间电荷效应的系统和方法

技术领域

本发明涉及质谱分析领域，具体地说，涉及一种降低线性离子阱中空间电荷效应的系统和方法。

背景技术

质谱分析系统通常由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。作为质量分析器的线性离子阱将待测离子囚禁，再通过离子在电场中的运动特性将目标离子选择性射出。检测器对射出的离子进行离子分析。线性离子阱是使用一个封闭的交直流射频电场将离子囚禁，常用线性离子阱的电信号部分通常只有一个交流信号AC，用于将某一种离子选择性地激发释放出来。

但是，离子阱的性能受到空间电荷效应的制约，所谓空间电荷效应是指当大量离子在离子阱中聚集时，带电离子形成离子云，此时离子云外层电荷对内层电荷产生屏蔽，干扰离子阱电场对离子云内部电荷的作用。可见，空间电荷效应会影响离子运动轨迹，进而导致对离子的分析性能下降。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种降低线性离子阱中空间电荷效应的系统和方法，减少了空间电荷效应造成的分辨率下降，提升了分析性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种降低线性离子阱中空间电荷效应的系统，包括：

线性离子阱，第一交流电源，第二交流电源，射频电源；

所述线性离子阱包括相同的四个电极杆，所述第一交流电源的两极分别连接至所述四个电极杆中间隔设置的两个电极杆，所述第二交流电源的两极分别连接至另外两个电极杆，射频电源的两极所产生的射频电压信号分别耦合所述第一交流电源和所述第二交流电源所产生的交流电压信号；所述第一交流电源和所述第二交流电源产生正弦交流电信号。

在一种可选的实施方式中，所述第一交流电源和所述第二交流电源的相位差为0°到180°。

在一种可选的实施方式中，所述第一交流电源和所述第二交流电源的相位差为90°。

在一种可选的实施方式中，所述线性离子阱还包括套设于所述四个电极杆的外部的外接圆环，以及设置于所述四个电极杆前后两端的端盖，所述端盖上设有若干个通孔。

在一种可选的实施方式中，所述第一交流电源和所述第二交流电源的信号频率为50Hz-500Hz，信号幅度为0.5V-50V。

在一种可选的实施方式中，所述射频电源的信号频率为0.8MHz-1.2MHz，信号幅度为200V-5000V。

本发明还提供了一种降低线性离子阱中空间电荷效应的方法，用于上述任意一种系统中，该方法包括以下步骤：

向线性离子阱发射待测离子；

调节射频电源的电压，将待测离子囚禁在所述线性离子阱中；所述射频电源的电压和频率与待测离子的运动特性满足马修方程的稳定条件；

开启所述第一交流电源和所述第二交流电源；

通过调节所述第一交流电源和所述第二交流电源的信号频率，引起待测离子中目标离子的共振，使所述目标离子弹射出所述线性离子阱。

在一种可选的实施方式中，所述方法还包括：

检测器对弹出所述线性离子阱的所述目标离子进行检测。

本发明实施例所述降低线性离子阱中空间电荷效应的系统和方法，线性离子阱包括相同的四个电极杆，第一交流电源的两极分别连接至离子阱间隔设置的两个电极杆，第二交流电源的两极分别连接至另外两个电极杆，射频电源的两极产生的射频电压信号分别耦合第一交流电源和第二交流电源所产生的交流电压信号，第一交流电源和第二交流电源产生正弦交流电信号，组成双向偶极交流电源，增加了线性离子阱中离子的振动幅度，扩大了离子在电场中的动态范围，使离子在运动偏离离子云中心时受到的库伦力减弱，空间电荷效应对离子运动轨迹的影响也随之降低。此时通过调节电信号的频率，使电信号频率趋近离子的运动频率，就可以选择出与之共振的离子，实现离子分析，减小因空间电荷效应引起的质量漂移和分辨率下降等问题。

附图说明

图1为本发明所述降低线性离子阱中空间电荷效应的系统的示意图；

图2为线性离子阱的示意图；

图3中的(a)为单个离子在单偶极AC作用下的线性离子阱中的轨迹仿真图，(b)-(e)为单个离子在双偶极AC作用下的线性离子阱中的轨迹仿真图；

图4为单偶极AC与双向偶极AC作用下的质谱峰比对图；

图5为单偶极AC与双向偶极AC作用下的利血平质谱比对图；

图6a-图6d为单向偶极AC作用下不同进样时间的PEG质谱图；

图6e-图6h为双向偶极AC作用下不同进样时间的PEG质谱图；

图7为利血平质谱图的分辨率随进样时长的关系图；

图8为单偶极AC与双向偶极AC作用下的质量漂移比对图。

具体实施方式

下面参考附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明实施例提供了一种降低线性离子阱中空间电荷效应的系统，如图1所示，该系统包括：线性离子阱，第一交流电源，第二交流电源，射频电源。

该线性离子阱包括相同的四个电极杆，如图1中所示，第一交流电源与射频耦合后分别连接至离子阱间隔设置的两个电极杆，第二交流电源与射频耦合后连接至另外两个电极杆。在以O为原点的X-Y坐标轴上，电极杆11和电极杆12以O点为中心在X轴上对称设置，电极杆13和电极杆14以O点为中心在Y轴上对称设置，电极杆11和电极杆12与场中心的距离为x₀，电极杆13和电极杆14与场中心的距离为y₀。该四个电极杆的横截面半径均为r_d。

第一交流电源AC1的两极分别连接在X轴上对称设置的电极杆11和电极杆12，第二交流电源AC2的两极分别连接在Y轴上对称设置的电极杆13和电极杆14，AC1和AC2构成了双向偶极交流电源。

射频电源RF的两极分别连接第一交流电源和第二交流电源。

第一交流电源和所述第二交流电源产生正弦交流电信号。两个交流电源的相位差在0°至180°之间。具体的，相位差可以为90°。

在一种可选的实施方式中，r_d为6mm,场半径x0＝y0＝5.33mm。

在一种可选的实施方式中，AC1和AC2的信号频率为50Hz-500Hz，信号幅度为0.5V-50V。射频电源的信号频率为0.8MHz-1.2MHz，信号幅度为200V-5000V。

进一步的，如图2所示，四个电极杆21通过外接圆环22固定，且前后两端通过端盖23进行封闭固定。离子阱若采用轴向弹射时，检测器应置于端盖的中心通孔24处；若采用径向弹射，则置于侧面相应的弹射出孔处。

本发明实施例所述的系统，包括四个相同的电极杆及电信号部分，其中双向偶极AC(AC1和AC2)和一个射频信号RF为电信号部分。四根电极杆由外接圆环和两端端盖固定，两个偶极AC分别连接x和y轴上对称排列的两对电极(如图1)。AC1和AC2是正余弦交流信号。双向偶极AC增加了离子的振动幅度，扩大了离子在电场中的动态范围，使离子在运动偏离离子云中心时受到的库伦力减弱，空间电荷效应对离子运动轨迹的影响也随之降低。此时通过调节电信号的频率，使电信号频率趋近离子的运动频率，就可以选择出与之发生共振的离子，实现离子分析，在一定程度上减小了因空间电荷效应引起的质量漂移和分辨率下降等问题。并且，本发明实施例所述的系统的电信号部分的结构和连接也比较简单。

此系统适用于多种质量分析器等质谱系统。图3给出了采用轴向弹射离子阱的设计验证效果，同理，径向弹射的离子阱同样适用。

如图3所示为仿真单个离子在电场的运动轨迹。该仿真试验中的仿真离子质荷比m/z为195Th，初始位置(x0,y0)＝(0.1,0.1)mm，双向偶极AC的AC1和AC2具有相同的电压与频率，其中电压为U＝750mV,频率f＝234KHz。实际应用中，AC1和AC2也可以不相同。向真空离子阱内注入氦气使气压达到1mTorr，其作用是为了通过与离子碰撞来吸收离子动能和降低离子损失。大量离子进入离子阱中在阱中心聚集形成离子云。在单向偶极AC作用下，单个离子的轨迹在x-y平面映射为近似一条直线，此时，离子在离子云中来回穿梭震荡，受到的空间电荷效应比较大,参见图3中的(a)。当使用双向偶极AC时，离子运动轨迹逐渐远离阱中心，空间电荷效应较单向偶极AC有所减弱，减弱程度随着相位差的改变而不同。当双向偶极AC相位差为90°时，空间电荷效应最小，参见图3的(b)。图3的(c)、(d)、(e)分别为是0°、30°、60°情况下的离子运动轨迹。可以看到，在图3的(a)中，离子运动基本局限于一个方向上。而在图3的(b)、(c)、(d)、(e)中，离子在x轴和y轴方向上均有明显的运动轨迹，运动范围扩大，有利于减弱空间电荷效应。该仿真结果从理论上验证了双向偶极AC可以降低线性离子阱的空间电荷效应。

降低空间电荷效应的结果体现在质谱图上为其分辨率的改善和对质量漂移的抑制，如图4所示，横轴为质荷比(m/z)，纵轴为相对强度(relative intensity)。其中图4的(a)是单个AC作用时的质谱峰分辨率。图4的(b)、(c)、(d)、(e)分别是双向偶极AC中的AC1和AC2相位差为90°、0°、30°、60°时的质谱峰分辨率。半峰宽Δm是衡量质谱分辨率的一个重要指标，半峰宽越窄，其分辨率越高。由图4可以看出双向偶极AC较单向偶极AC在分辨率上有不同程度的改善，且当双向偶极AC相位差为90°时的半峰宽较单向偶极AC时的半峰宽有明显的改善。

本发明实施例还提供了一种降低线性离子阱中空间电荷效应的方法，该方法应用于如前所描述的降低线性离子阱中空间电荷效应的系统中，该方法包括如下步骤:

S01：开启离子源，向线性离子阱发射待测离子。

S02：调节射频电源的电压，将待测离子囚禁在所述线性离子阱中。

射频电源的电压和频率与待测离子满足马修方程的稳定条件，使得该待测离子被囚禁在线性离子阱中。关于马修方程的原理以及离子基于马修方程如何被囚禁在离子阱中，本领域技术人员可以参考March,Ramond E.所著的《Quadrupole ion trap massspectrometer》。

在马修方程中，描述了射频RF的交流强度q，离子电荷e，离子质量m，四极杆半径r0，RF的电场幅度V，RF的电场频率Ω。

q通常取一个固定的值，在r0和q不变的情况下，对于每个具有特定质荷比m/z的离子，都存在唯一的一组V和Ω，使得该特定的离子被囚禁在四极杆中。

射频电源的信号频率范围通常为0.8MHz-1.2MHz，具体可以是1MHz。信号幅度范围在200V-5000V。

S03：开启第一交流电源AC1、第二交流电源AC2。

AC1和AC2的信号频率范围为50Hz-500Hz，信号幅度的范围为0.5V-50V。

S04：调节AC1、AC2的信号频率，当信号频率接近目标离子的运动频率时，目标离子在共振效应下振动幅度变大，弹出线性离子阱。

对AC1和AC2的信号进行调节从而引起待测离子中的目标离子的共振，运动幅度增大，进而弹出离子阱。

该方法还包括后续步骤S05：检测器对弹出线性离子阱的离子进行检测。

本发明实施例提供的降低线性离子阱中空间电荷效应的方法，通过设置双向偶极AC，降低了线性离子阱中的空间电荷效应，从而减轻了在对弹出离子阱的离子进行质谱分析时分辨率下降的问题，并且一定程度上抑制了质量漂移。

下面分别以利血平(reserpine)和聚乙二醇(PEG)作为目标离子，结合附图来说明本发明实施例方案的效果。

实施例1：

下面以利血平为例来比较单偶极AC与双向偶极AC的质谱图。在图5中，横轴为质荷比，纵轴为相对强度。(a)、(b)、(c)、(d)为单向偶极AC作用，(e)、(f)、(g)、(h)为双向偶极AC作用，(a)和(e)的进样时长为35ms,(b)和(f)的进样时常为55ms，(c)和(g)的进样时常为75ms，(d)和(h)的进样时常为95ms。其中双向偶极AC的相位差电压U＝500mV，频率f＝210KHz。

在图中示出了609、610和611三个同位素峰。

依次观察(a)、(b)、(c)、(d)可以发现，质谱图的分辨率逐渐降低。这是由于随着进样时间的延长，进入线性离子阱的离子越多，空间电荷效应的作用越为明显。

参考(a)、(b)、(c)、(d)可见，单向偶极AC下的质谱图随着进样时长的增加，其同位素峰被湮没，相应的同样进样时长下通过双向偶极AC得到的(e)、(f)、(g)、(h)却可以保持良好的峰形。这主要是由于随着时长的增加，双向偶极AC的质量漂移较同等条件下的单向偶极AC有所改善，从而在一定程度上抑制了分辨率的急剧下降。

实施例2：

图6a-图6h则为PEG在不同进样时长下的质谱图，其中横轴为质荷比，纵轴为相对强度。图6a-图6d是单向偶极AC作用，图6e-图6h是双向偶极AC作用。图6a和图6e的进样时长为15ms,图6b和图6f的进样时常为45ms，图6c和图6g的进样时常为75ms，图6d和图6h的进样时常为105ms。其中双向偶极AC的相位差电压U＝500mV，频率f＝210KHz。

在图中示出了305、349、393、437、481、525、569、613、657、701、745、789等不同质量峰。

随着进样时长的延长，双向偶极AC在低质量端漂移的抑制较单向偶极AC稍好，可见双向偶极AC在低质量端对质量漂移有一定的作用。

此外，本发明实施例还给出了利血平质谱图的分辨率随进样时长的关系图，如图7所示，其中横轴为时间(time)，纵轴为分辨率(Resolution)。整体来看，双向偶极AC在整个测量范围内相对于单向偶极AC的分辨优势随着进样时长的增加而逐渐明显。当进样时长大于70ms，单向偶极AC出现明显的分辨率下降，而双向偶极AC因降低了空间电荷效应，从而在一定程度上缓解了分辨率下降的问题。

另外，本发明实施例中还给出了PEG各组分在不同进样时长下单向偶极AC和双向偶极AC的质量漂移情况，如图8所示，其中横轴为时间，纵轴为质量漂移量(Mass shiftΔm)。如图可见，同等进样时长的条件下，双向偶极AC的质量漂移明显小于单向偶极AC的质量漂移，而质荷比小的离子比质荷比大的离子更易受到空间电荷效应的影响，产生更大的质量漂移。

根据如上描述的内容可知，本发明实施例提供的降低线性离子阱中空间电荷效应的系统，使用双向偶极AC，其中AC1的两极分别连接在X轴上对称设置的电极杆11和电极杆12，第二交流电源AC2的两极分别连接在Y轴上对称设置的电极杆13和电极杆14，通过双向偶极AC对线性离子阱施加电场，相比于单偶极AC降低了线性离子阱的空间电荷效应，提高了质谱图的分辨率，并且一定程度上抑制了质量漂移。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims

1.一种降低线性离子阱中空间电荷效应的系统，其特征在于，包括：

质量分析器，第一交流电源，第二交流电源，射频电源；所述质量分析器为线性离子阱；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一交流电源和所述第二交流电源的相位差为0°到180°。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一交流电源和所述第二交流电源的相位差为90°。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线性离子阱还包括套设于所述四个电极杆外部的外接圆环，以及设置于所述四个电极杆前后两端的端盖，所述端盖上设有若干个通孔。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一交流电源和所述第二交流电源的信号频率为50Hz-500Hz，信号幅度为0.5V-50V。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频电源的信号频率为0.8MHz-1.2MHz，信号幅度为200V-5000V。

7.一种降低线性离子阱中空间电荷效应的方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1-6中任意一项所述的系统中，包括以下步骤：

向线性离子阱发射待测离子；

开启所述第一交流电源和所述第二交流电源；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测器对弹出所述线性离子阱的目标离子进行检测。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一交流电源和所述第二交流电源的信号频率为50Hz-500Hz，信号幅度为0.5V-50V。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述射频电源的信号频率为0.8MHz-1.2MHz，信号幅度为200V-5000V。