CN107219294A - 一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法 - Google Patents

一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，包括以下步骤：步骤一，将待分析样品进行离子化；步骤二，对来自于离子源的连续离子流进行频率调制；步骤三，在关闭迁移电压的情况下将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器信号，得到检测器原始输出的第一平均谱图i(t)；在打开迁移电压的情况得到检测器原始输出的第二平均谱图p(t)；步骤四，对第一平均谱图i(t)进行处理记录，得到各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线；步骤五，对第二平均谱图p(t)进行处理然后利用互相关变换重建离子迁移谱。本发明的方法控制灵活，灵敏度高，分辨率高，简单。

Description

一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法
技术领域
本发明涉及化合物探测技术领域，尤其涉及一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法。
背景技术
离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)又称离子淌度谱，是上世纪70年代出现的一种新型快速分离检测技术。由于离子化及分离过程均在大气压下进行，与传统质谱仪器相比具有结构简单，灵敏度高，分析速度快，分析成本低的特点。同时，离子迁移谱的分离速度非常快，通常几十毫秒内就可以完成一次分析，几秒至几十秒内就能给出分析的结果，能够在大气环境中对微量化学物质进行检测，特别适于现场分析。目前，离子迁移谱在机场、车站等安检场合，易制毒化学品的检测，化学战试剂的检测等方法得到了广泛应用，在传统的安全领域具有独特的作用。离子迁移谱通常由离子源、离子门、迁移分离区和检测器组成。固体、液相或气体样品在离子源中电离产生离子，离子在电场的驱使下通过周期性开启的离子门进入漂移区，并在与逆流的中性漂移气体分子不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离并先后到达收集极被检测。因此通过测量迁移时间就可确定分析目标物质的存在，而应用峰面积或峰高可确定相应物质的浓度。
上述过程中离子门开门时间和离子进入迁移区后的迁移时间之比称为占空比(Duty Cycle,DC)，DC决定了仪器的信噪比和灵敏度，同时也影响着分析的分辨率。通常来说，DC越低，分辨率越高，但灵敏度越低。相比传统的周期性单次开门方法，Hadamard变换方法可以将占空比提高到50％，与常规方法相比可提高灵敏度3-5倍。然而，Hadamard变换所带来的假峰失真现象导致仪器误报。另一种基于傅里叶变换的多路复用技术同样可以将占空比提高到50％，但由于傅里叶变换需要对离子流信号使用窗函数进行加窗处理，从而降低了其有用信号，且对分辨率的不利影响也非常明显，因而离子迁移谱的性能有待进一步提高。
采用巴克码(Barker Codes)对离子门进行调制并利用互相关变换的多路复用方法亦可将离子迁移谱(Correlation IMS)的占空比提高至50％，信噪比明显提高。但由于巴克码的长度有限，在与离子迁移时间匹配时限制较多，且其长达500微秒以上的离子门控制脉冲导致离子迁移谱分辨率很低。一种改进的方法是采用预变形模拟Chirp信号的互相关变换离子迁移谱同样可以将占空比提高到50％，仍然有明显的波峰旁瓣，因而灵敏度提高有限，且分辨率仍然较低。
对上述多路复用技术进行分析可发现，离子迁移谱信号的编解码过程都是生成一个离子门控制序列，按照序列对离子门进行调制并获取检测信号，再利用检测信号对控制序列进行Hadamard变换、傅里叶变换、互相关变换等数学运算而得到原始的离子迁移谱信号。尽管以上过程在数学上非常严谨有效，但由于以上方法都是基于处理线性系统而提出，而离子在迁移管中的传输并非线性关系，应用于离子迁移谱时都产生较大偏差，具有较大的缺陷。
基于多路复用技术离子迁移谱信号劣化的原因主要有以下：首先，仪器存储或实时产生的控制序列在经过数模转换后送到离子门控制器，再经离子门控制器隔离高压后将信号放大送入离子门，在此过程中信号的传递和转换存在较大程度的延迟。在隔离高压时通常使用光电转换的方式，光电转换本身是一个非线性过程，因而控制序列与离子门的控制输出之间存在较大的误差。另外，在对离子门进行调制时，其方波脉冲的上升沿及下降沿都会对检测器产生不利的影响，通常，脉冲上升沿会在检测器上产生一个正峰，而脉冲下降沿会产生一个负峰，这些信号会迭加在离子检测信号上，因而带来较大的干扰，特别是对于采用多路复用技术的离子迁移谱，会在正常信号上产生额外的噪音，甚至产生假峰。
其次，离子迁移谱常用的B-N离子门本身存在较大的耗尽效应。由于离子在大气中的运动速度有限，因而在离子门打开时，离子需要较长的时间通过离子门，当离子门关闭时，刚通过离子门的离子会变离子门垂直电场所吸引而折返，因而在离子门高速开关时，离子的通过率会迅速降低，且离子迁移谱峰的前后沿并不对称，不符合高斯分布。
再次，离子在迁移区移动时会发生扩散效应。扩散会造成离子迁移说的峰形展宽，尽管峰形展宽本身是符合高斯分布的，但由于展宽的程度与迁移电压、迁移管长度、温度、压力及离子本身的迁移率有关因而是非线性的，会造成多路复用技术的数学变换误差。
最后，空间电荷效应也是谱图劣化的原因之一。由于同种离子在迁移管中互相排斥，这种库仑斥力会造成谱图较大程度的展宽。研究发现，离子门脉冲宽度与库仑斥力的大小有关，因而利用预变形模拟Chirp信号的互相关变换离子迁移谱并不能消除这种误差。
以上情况都会造成基于多路复用技术的离子迁移谱信噪比降低，其峰形展宽也会造成分辨率的降低。由于离子迁称谱检测器的输出非常微弱，输出电流通常处于10-9～10-12安培之间，为了提高信号放大过程的信噪比，放大器的带宽通常限制在一个比较窄的水平，这样也会造成放大器的响应速率慢，从而进一步降低离子迁移谱的分辨率。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，可采用不同的控制序列对离子门进行调制，且可以采用不同的占空比。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，包括以下步骤：
步骤一，将待分析样品进行离子化；
步骤二，对来自于离子源的连续离子流进行频率调制；
步骤三，在关闭迁移电压的情况下将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器信号，得到检测器原始输出的第一平均谱图i(t)；在打开迁移电压的情况得到检测器原始输出的第二平均谱图p(t)；
步骤四，对第一平均谱图i(t)进行处理记录，得到各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线；
步骤五，对第二平均谱图p(t)进行处理然后利用互相关变换重建离子迁移谱。
所述步骤二中，对连续离子流进行频率调制，采用方波Chirp信号或者正弦波，占空比保持恒定，或呈线性或非线性单向变化。
所述步骤二中，调制周期在50ms到10s之间，离子迁移谱相应的获取频率为20～0.1Hz；
调制的最高频率为20K Hz，最低频率为0Hz；
离子门控制序列D/A及检测器输出A/D转换的时间增量相同，在1微秒至100微秒之间。
所述在步骤三中，在关闭迁移电压的情况下将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器信号，重复10～100次，求取检测器原始输出的第一平均谱图i(t)。
所述步骤三中，第二平均谱图p(t)的获取方法包括，在离子化区域引入高浓度单一成分，或者直接利用背景离子或溶剂离子作为模式离子，使得通过离子门进入分离区的离子为单一物种；
将离子门与检测器之间的距离设为5mm，将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器输出的模式离子信号，重复10～100次，求取检测器原始输出的第二平均谱图p(t)。
所述步骤四的具体步骤为，
将第一平均谱图i(t)放大后经AD转换为数字信号s(t)，导入计算机得到离子随时间的变化曲线或者经过接口导入质谱仪直接进行鉴定分析，记录各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线。
所述步骤五包括，
将第二平均谱图p(t)和数字信号s(t)分别减去第一平均谱图i(t)得到差谱信号y(t)和x(t)；
对差谱信号x(t)进行标准化得到X(t)，求取模式离子的迁移时间DTm，并且求取y(t)对X(t)的互相关Rxy(t)；
根据样品中迁移率最小的离子及模式离子迁移时间DTm对Rxy(t)进行裁切，得到样品的重建的离子迁移谱。
对差谱信号x(t)进行标准化的方法为，X(t)＝(x(t)-Min(x))/(Max(x)-Min(x))。
求取y(t)对X(t)的互相关Rxy(t)的方法为：
所述步骤一中，将待分析样品置于正离子模式、负离子模式下或二者自动切换的双模式下进行电离，使其离子化，其离子化的方式包括电喷雾电离、大气压化学电离、大气压光电离、放射源电离或实时直接分析电离，离子化连续不间断进行。
本发明的有益效果：
1.控制灵活。本发明提供的方法可采用不同的控制序列对离子门进行调制，且可以采用不同的占空比。
2.灵敏度高。本发明提供的方法可将离子的利用率提高到50％～95％，较传统方法灵敏度提高3～10倍，与传统的多路复用技术相比，灵敏度可提高1-2倍。与质谱仪联用时，灵敏度提高更为显著。
3.分辨率高。本发明提供的方法与常规方法相比可以大幅提高分辨率，进而提高化合物识别及定量的效果。
4.简单。本发明提供的方法可以不经改造即可应用到已有的离子迁移谱仪，离子迁移谱-质谱联用仪、气相色谱-离子迁移谱联用仪、液相色谱-离子迁移谱联用仪上，并大幅提高其性能。
附图说明
图1为本实施例离子迁移谱仪示意图；
图2为本发明离子迁移谱图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，具体步骤如下：
(1)对样品进行离子化；所述离子化的方式包括电喷雾、大气压化学电离、大气压光电离、放射源电离或实时直接分析电离源，离子化连续不间断进行。根据分析的样品，电离可在正离子模式下或负离子模式下进行。
(2)对连续的离子流进行频率调制，频率调制可以采用升频或降频的方法，根据所需要的信噪比及采样速率，调制周期可在50ms到10s之间选择，离子迁移谱相应的获取频率为20～0.1Hz，可以与HPLC或GC的数据采集速度相适应。调制的最高频率为10K Hz，最低频率为0Hz。离子门控制序列D/A及检测器输出A/D转换的时间增量相同，为v之间进行优选。
(3)获取离子门脉冲干扰信号，其实现方法是在关闭迁移电压的情况下将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集检测器信号，重复10～100次，求取检测器原始输出的第一平均谱图i(t)。
(4)获取离子门工作特性曲线，其实现方法是在在离子化区域引入高浓度单一成分，或者直接利用背景离子或溶剂离子等作为模式离子。将离子门与检测器之间的距离设为5mm，将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集检测器输出的模式离子信号，重复10～100次，求取检测器原始输出的第二平均谱图p(t)。
(5)将调制后的离子流在迁移电场作用下引入到迁移装置中进行离子分离，所述迁移装置中通在固定压力、固定流速的逆向运行的中性气体，所述中性气体为氮气、空气、氦气或二氧化碳。
(6)将步骤(3)处理后的包括了离子迁移速率信息的连续离子流经法拉弟盘检测器检测，放大后经AD转换为数字信号s(t)，或者经过接口导入质谱仪，记录各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线。
(7)对s(t)进行标准化，即X(t)＝(s(t)-Min(s))/(Max(s)-Min(s))，并求取模式离子的迁移时间DTm。
(8)求取y(t)对X(t)的互相关Rxy(t)，即：
并根据样品中迁移率最小的离子及模式离子迁移时间DTm对Rxy(t)进行裁切，得到样品的离子迁移谱。
(10)可将以上多路复用的离子迁移谱作为气相色谱或液相色谱的检测器，从而对复杂体系进行二维分离，并同时得到保留时间、离子的迁移时间及强度等定性和定量信息。
(11)可将以上多路复用的离子迁移谱连接不同类型的质谱检测器，并连接气相色谱或液相色谱，从而对复杂体系进行三维分离，并同时得到保留时间、离子的迁移时间、质荷比及强度等定性和定量信息。
在对样品进行离子化处理之前：对复杂的样品，利用毛细管电色谱、气相色谱、液相色谱或毛细管电泳手段对样品进行预分离，或者经过稀释、富集、纯化、除杂预处理后直接用注射泵导入到离子源中。
所述步骤(2)中调制通过以下装置实现：B-N离子门、TYNDALL离子门或其它离子栅格。
如图1所示，采用所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法的装置：顺次包括离子源1、离子门2、迁移管4、检测器7，离子门2与离子门控制器3，调制方法使离子流的占空比达到50％，频率调制的方式可采用频率升高或频率降低，或者二者的组合。迁移管4上设有迁移气入口5，并且迁移管6与高压电源6连接。
还包括与离子源1连接的气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪、离子色谱仪或超临界流体色谱仪，或通过大气压接口与离子迁移谱相联用的质谱仪。
色谱-离子迁移谱及离子迁移谱-质谱联用仪在分析或检测蛋白质组学、代谢组学、脂类组学、食品安全、天然产物和环境污染物中的应用以及毒品、爆炸物、化学战试剂、突发环境事故等检测中的应用。
本实施例中所使用的离子迁移谱仪的结构如图1所示，离子迁移谱工作在大气压下，离子源为电喷雾离子源，离子迁移谱的温度为50℃，迁移气体为空气，流速为900mL.min-1,迁称管的总长度为31厘米，由一个B-N型离子门隔开为两个区域，前端为离子化区，长度为7.8厘米，后端为迁移区，长度为23.2厘米。迁移区后接一飞行时间质谱仪。
本发明可大幅提高离子迁移谱系统的性能，如传统的离子迁移谱仪在50ms的离子迁移谱图中，为达到良好的分离效果，离子门的开启时间为0.25ms，若采用方波Chirp进行离子门调制，占空比为50％，则离子的利用效率为：
0.25/50＝0.5％，
离子利用效率从0.5％提高到50％，到达质谱仪检测器的离子数量提高了100倍。从离子的利用效率及提高的倍数可以看到本发明对离子迁移谱仪所起的作用以及其显著的优越性。
按照50ms的周期提取溴化四正癸基铵T10A的离子迁移谱图，由图2可以看出，本发明离子迁移谱图的分辨率高，比传统离子迁移谱图信噪比也提高了很多。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，将待分析样品进行离子化；
步骤二，对来自于离子源的连续离子流进行频率调制；
步骤三，在关闭迁移电压的情况下将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器信号，得到检测器原始输出的第一平均谱图i(t)；在打开迁移电压的情况得到检测器原始输出的第二平均谱图p(t)；
步骤四，对第一平均谱图i(t)进行处理记录，得到各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线；
步骤五，对第二平均谱图p(t)进行处理然后利用互相关变换重建离子迁移谱。
2.如权利要求1所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述步骤二中，对连续离子流进行频率调制，采用方波Chirp信号或者正弦波，占空比保持恒定，或呈线性或非线性单向变化。
3.如权利要求1所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述步骤二中，调制周期在50ms到10s之间，离子迁移谱相应的获取频率为20～0.1Hz；
调制的最高频率为20KHz，最低频率为0Hz；
离子门控制序列D/A及检测器输出A/D转换的时间增量相同，在1微秒至100微秒之间。
4.如权利要求1所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述在步骤三中，在关闭迁移电压的情况下将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器信号，重复10～100次，求取检测器原始输出的第一平均谱图i(t)。
5.如权利要求1所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述步骤三中，第二平均谱图p(t)的获取方法包括，在离子化区域引入高浓度单一成分，或者直接利用背景离子或溶剂离子作为模式离子，使得通过离子门进入分离区的离子为单一物种；
将离子门与检测器之间的距离设为5mm，将离子门调制信号连续送入离子门并同时采集法拉第盘检测器输出的模式离子信号，重复10～100次，求取检测器原始输出的第二平均谱图p(t)。
6.如权利要求1所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述步骤四的具体步骤为，
将第一平均谱图i(t)放大后经AD转换为数字信号s(t)，导入计算机得到离子随时间的变化曲线或者经过接口导入质谱仪直接进行鉴定分析，记录各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线。
7.如权利要求6所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述步骤五包括，
将第二平均谱图p(t)和数字信号s(t)分别减去第一平均谱图i(t)得到差谱信号y(t)和x(t)；
对差谱信号x(t)进行标准化得到X(t)，求取模式离子的迁移时间DTm，并且求取y(t)对X(t)的互相关Rxy(t)；
根据样品中迁移率最小的离子及模式离子迁移时间DTm对Rxy(t)进行裁切，得到样品的重建的离子迁移谱。
8.如权利要求7所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，对差谱信号x(t)进行标准化的方法为，X(t)＝(x(t)-Min(x))/(Max(x)-Min(x))。
9.如权利要求7所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，求取y(t)对X(t)的互相关Rxy(t)的方法为：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <msup> <mi>X</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>.</mo> </mrow>
10.如权利要求1所述一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法，其特征是，所述步骤一中，将待分析样品置于正离子模式、负离子模式下或二者自动切换的双模式下进行电离，使其离子化，其离子化的方式包括电喷雾电离、大气压化学电离、大气压光电离、放射源电离或实时直接分析电离，离子化连续不间断进行。
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