CN107799381B - 双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪 - Google Patents

双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，包括：第一线性离子阱和第二线性离子阱，第一线性离子阱和第二线性离子阱串联且间隔设置，构设出沿轴向方向延伸的离子通道，该离子通道包括位于两侧的囚禁区域和位于中部的碰撞区域；第一电极，第一电极设于第一线性离子阱的一端；第二电极，第二电极设于第一线性离子阱和第二线性离子阱之间；第三电极，第三电极设于第二线性离子阱的另一端；在第一线性离子阱和第二线性离子阱加载不同的电压，从而在第一线性离子阱和第二线性离子阱之间形成电压差驱动离子沿着离子通道轴向传输，向碰撞区域通入气体，使得离子与气体发生碰撞而碎裂。根据本发明实施例的质谱仪解离方便且易于实现。

Description

双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪
技术领域
本发明涉及质谱仪器分析技术领域，特别涉及一种双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪。
背景技术
串级质谱分析是一种有效的化学分析方法，对于测定分子结构、检测未知生物分子、复杂混合物样品中确定特定化学物质等起着重要的作用；串级质谱分析的基本过程是通过对待分析样品离子施加能量使离子内能增加，通过能量的激发作用使离子内部化学键发生断裂，得到不同质荷比碎片离子的质谱图，通过对碎片离子的分析，推测待测样品分子结构、物质组成等信息，为质谱仪器自顶向下的分析方法提供了一种有效的途径，所以串级质谱分析在质谱仪器的应用过程中起到了至关重要的作用。
实现串级质谱分析常用的技术手段包括：电子转移诱导裂解(Electron TransferDissociation,ETD)、碰撞诱导解离(Collision Induced Dissociation，CID)、表面碰撞诱导解离(Surface Induced Dissociation，SID)、红外多光子解离(Infrared MultiphotonDissociation，IRMPD)、紫外光解离(Ultraviolet Photodissociation，UVPD)等几种有效的离子解离方法，电子转移诱导裂解是待分析样品正离子与有机化合物负离子发生电子转移反应，进而实现待分析样品正离子有效裂解，属于通过化学激发的方法来实现离子的裂解；碰撞诱导解离和表面碰撞诱导解离是待分析离子与中性物质发生碰撞，碰撞的过程中离子的动能转化为内能，当内能的增加达到一定程度后，就会发生离子解离，两种方法的不同点在于碰撞诱导解离是通过离子与中性气体原子或分子发生多次碰撞实现的，而表面碰撞诱导解离是离子与固体表面发生单次碰撞实现的，通过单次碰撞就可以较大的增加离子内能，有效的实现离子解离；红外多光子解离(Infrared Multiphoton Dissociation，IRMPD)和紫外光解离(Ultraviolet Photodissociation，UVPD)属于光激发的方式实现离子的解离，不同点在于红外光子能量较低，需要吸收多个红外光子才能实现解离，而紫外光单光子的能量较高，单一光子就可以实现离子的解离，得到不同碎片离子的信息；由于不同的方法所施加的能量大小以及所施加能量方式的不同，其对应相同样品离子所产生的碎片离子信息也就不同，根据不同的应用特点和不同的待分析物离子，合理选择不同的激发裂解方式，会得到更多的待分析样品的信息，所以上述裂解方式没有优劣之分，根据其不同的特点，选择合适的应用领域。
质谱仪器中最为常见的离子裂解方式是碰撞诱导解离(CID)，该方式由于设计方法简单，可集成化程度高等优点，被广泛的应用于三重四级杆质谱仪和四级杆-飞行时间质谱仪器中，在上述类型质谱仪器中设计用于发生碰撞诱导解离的碰撞反应池，在碰撞反应池中通入与待分析样品离子发生碰撞的中性气体，通过控制气体流速使碰撞反应池内产生合适的气压，在加速电场的作用下使样品离子与中性气体分子发生碰撞产生碎片离子，经过碰撞反应池的离子进入下一级质量分析器中进行质谱分析，通过上述过程就得到了经过碰撞诱导解离后的质谱图，完成了对某种物质的串级质谱分析过程。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明提出一种双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，该质谱仪通过对第一线性离子阱和所述第二线性离子阱加载不同的电压就可以实现离子的轴向传输，离子在传输过程中与气体碰撞解离，解离过程简单且易于实现。
根据本发明实施例的双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，包括：第一线性离子阱和第二线性离子阱，所述第一线性离子阱和所述第二线性离子阱串联且间隔设置，构设出沿轴向方向延伸的离子通道，该离子通道包括位于两侧的囚禁区域和位于中部的碰撞区域；第一电极，所述第一电极设于所述第一线性离子阱的一端；第二电极，所述第二电极设于所述第一线性离子阱和所述第二线性离子阱之间；第三电极，所述第三电极设于所述第二线性离子阱的另一端；离子检测器，所述离子检测器对于囚禁区域的离子进行质谱分析，其特征在于，对所述第一线性离子阱和所述第二线性离子阱加载不同的电压，从而在第一线性离子阱和第二线性离子阱之间形成电压差驱动离子沿着离子通道轴向传输，在传输过程中向所述碰撞区域通入气体，使得离子与气体发生碰撞而碎裂。
根据本发明实施例的双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，通过向第一线性离子阱和所述第二线性离子阱加载不同的电压，从而在第一线性离子阱和第二线性离子阱之间形成电压差驱动离子沿着离子通道轴向传输，并通过导气装置向所述碰撞区域通入气体，从而实现离子的诱导解离，该质谱仪结构相对简单，解离方便且易于实现。
另外，根据本发明实施例的质谱仪，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述第一线性离子阱的电压大于所述第二线性离子阱的电压的情况，离子从第一线性离子阱向第二线性离子阱方向轴向传输。
根据本发明的一个实施例，所述第一线性离子阱的电压小于所述第二线性离子阱的电压的情况，离子从第二线性离子阱向第一线性离子阱方向轴向传输。
根据本发明的一个实施例，在第一传输时间段内，所述第一线性离子阱的电压大于所述第二线性离子阱的电压，此时，离子在离子通道内正向轴向传输；在第二传输时间段内，所述第一线性离子阱的电压小于所述第二线性离子阱的电压，此时，离子在离子通道内反向轴向传输。
根据本发明的一个实施例，该质谱仪的离子解离过程包括如下步骤：S100：对第一电极、第二电极、第一线性离子阱、第二线性离子阱和第三电极施加电压；S200：将离子导入并囚禁于第一线性离子阱内，对处于第一线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；S300：控制第一线性离子阱的电压大于第二线性离子阱的电压，离子轴向传输进入第二线性离子阱内，且在传输过程中向碰撞区域通入气体使得离子在碰撞区域内与气体发生碰撞产生碎片离子；S400：停止通气，对处于第二线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；S500：调整第一线性离子阱和第二线性离子阱的电压，使得第一线性离子阱的电压小于第二离子阱的电压，离子轴向传输进入第一线性离子阱内，且在传输过程中向碰撞区域通入气体，使得离子在碰撞区域内与气体发生碰撞产生碎片离子；S600：停止通气，对处于第一线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；重复循环步骤S100-S600多次，从而实现对离子进行多级碎裂和多级质谱分析。
根据本发明的一个实施例，步骤S200还进一步包括：筛选出一种质荷比的离子进入所述第一离子阱内。
根据本发明的一个实施例，步骤S300还进一步包括：筛选出另一种质荷比的离子进入所述第二离子阱内。
根据本发明的一个实施例，步骤S500还进一步包括：筛选出另一种质荷比的离子进入所述第一离子阱内。
根据本发明的一个实施例，导气装置所通入的气体为空气、氮气、氩气和氦气的其中之一。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一些实施例中的质谱仪的结构示意图；
图2a为第一和第二线性离子阱间电压差为20V时，利血平离子的碰撞诱导解离程度图；
图2b为第一和第二线性离子阱间电压差为30V时，利血平离子的碰撞诱导解离程度图；
图2c为第一和第二线性离子阱间电压差为40V时，利血平离子的碰撞诱导解离程度图；
图3为从其中一个线性离子阱内筛选出一种质荷比离子轴向传输至另一个线性离子阱中，且发生离子裂解的示意图；
图4a为质荷比527的离子轴向传输到第二线性离子阱中解离后得到的质谱图；
图4b为质荷比365(527离子的碎片离子)的离子轴向传输到第一线性离子阱中解离后得到的质谱图；
图4c为质荷比275(365离子的碎片离子)的离子轴向传输到第二线性离子阱中解离后得到的质谱图；
图5根据本发明一些实施例中质谱仪的离子解离的流程图。
附图标记：
质谱仪100；
第一线性离子阱1；第二线性离子阱2；囚禁区域31；碰撞区域32；
第一电极4；第二电极5；第三电极6；
离子检测器7；
导气装置8。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
相关技术中的质谱仪设有碰撞反应池用于碰撞诱导解离样品离子，在碰撞反应池中通入待分析样品离子发生碰撞的中性气体，通过控制气体流速使碰撞反应池内产生合适的气压，在加速电场的作用下使样品离子与中性气体分子发生碰撞产生碎片离子，经过碰撞反应池的离子进入下一级质量分析器中进行质谱分析。上述质谱仪需要设计特定的碰撞池才能进行诱导解离，使得质谱仪的结构复杂，且不方便对样品离子进行多级碎裂和多级质谱分析。
下面参照图1描述根据本发明实施例的质谱仪100，该质谱仪100大体可以包括：第一线性离子阱1、第二线性离子阱2、第一电极4、第二电极5、第三电极6和离子检测器7。其中，离子检测器7可以对囚禁于第一线性离子阱1内的离子进行质谱分析，离子检测器用于放大与检测离子信号。
如图1所示，第一线性离子阱1和第二线性离子阱2串联且间隔设置，构设出沿轴向方向延伸的离子通道，该离子通道包括位于两侧的囚禁区域31和位于中部的碰撞区域32。换言之，第一线性离子阱1和第二线性离子阱2位于同一轴向方向上且间隔预定距离，离子进入离子通道内之后，可以囚禁于第一线性离子阱1内，也可以囚禁于第二线性离子阱2内，从而可以实现从不同区域对离子进行质谱分析。
第一电极4设于第一线性离子阱1的一端。第二电极5设于第一线性离子阱1和第二线性离子阱2之间。第三电极6设于第二线性离子阱2的另一端。在第一、第二和第三电极6，第一和第二线性离子阱2通上直流电压之后，第一电极4、第二电极5和第一线性离子阱1可以构成一个用于囚禁离子的囚禁区域，第二电极5、第三电极6和第二线性离子阱2可以构成另一用于囚禁离子的囚禁区域，从而可以实现从不同区域对离子进行质谱分析。
对第一线性离子阱1和第二线性离子阱2加载不同的电压，从而在第一线性离子阱1和第二线性离子阱2之间形成电压差驱动离子沿着离子通道轴向传输，向碰撞区域通入气体，离子与气体发生碰撞而碎裂。也就是说，当第一线性离子阱1和第二线性离子阱2存在电压差时，位于第一线性离子阱1或位于第二线性离子阱2内的离子可以获得动能，并在第一线性离子阱1或位于第二线性离子阱2射频电压的作用下，使得离子可以从第一线性离子阱1轴向传输至第二线性离子阱2内或者从第二线性离子阱2轴向传输至第一线性离子阱1内，在轴向传输的过程中，离子与气体发生碰撞，而碰撞诱导解离所产生的碎片离子。
需要说明的是，线性离子阱可以使得离子获得更大的动能并沿离子通道的轴向方向运动，从而高效地与气体发生碰撞解离，诱导出更多的碎片离子。
其中，离子轴向传输方向与电动势的方向相同，例如，第一线性离子阱1的电压大于第二线性离子阱2的电压，离子从第一线性离子阱1向第二线性离子阱2方向轴向传输；第一线性离子阱1的电压小于第二线性离子阱2的电压，离子从第二线性离子阱2向第一线性离子阱1方向轴向传输。因此，质谱仪100在进行离子解离过程中，可以改变第一线性离子阱1和第二线性离子阱2之间的电动势方向，从而改变离子在离子通道内的轴向传输方向。
此外，结合图2a-2c,在离子传输过程中，第一线性离子阱1与第二线性离子阱2的电压差大小与离子解离程度成正比,其中，图2a中第一线性离子阱1与第二线性离子阱2的电压差为20V,质荷比为609的离子被解离出一种质荷比为397的离子；图2b中第一线性离子阱1与第二线性离子阱2的电压差为30V,质荷比为609的离子被解离出较多质荷比为397和174的离子；图2c中第一线性离子阱1与第二线性离子阱2的电压差为40V,质荷比为609的离子被解离出大量、多种碎片离子质荷比为397和174及其他小碎片的离子。即第一线性离子阱1与第二线性离子阱2的电压差越大，离子可以获得动能越大，与气体碰撞的越激烈，离子解离程度越高；电压差越小，离子可以获得动能越小，与气体碰撞的越弱，离子解离程度越低。因此，质谱仪100在进行离子激发过程中，可以改变第一线性离子阱1与第二线性离子阱2的电压差大小以提高或降低离子的解离程度。
简言之，根据本发明实施例的质谱仪100，通过向第一线性离子阱1和所述第二线性离子阱2加载不同的电压，从而在第一线性离子阱1和第二线性离子阱2之间形成电压差驱动离子沿着离子通道轴向传输，并通过导气装置8向所述碰撞区域通入气体，从而实现离子的诱导解离，该质谱仪100结构相对简单，解离方便且易于实现。
在本发明的一些实施例中，在第一传输时间段内，第一线性离子阱1的电压大于第二线性离子阱2的电压，此时，离子在离子通道内正向轴向传输；在第二传输时间段内，第一线性离子阱1的电压小于第二线性离子阱2的电压，此时，离子在离子通道内反向轴向传输。即离子在离子通道内可以双向轴向传输，每次经过碰撞区域，进行一次碎裂，从而实现对离子进行充分解离。在第一传输时间段之前、第一传输时间段和第二传输时间段期间和第二传输时间段之后的时间为离子冷却和质谱分析等时间。
在本发明一个具体实施例中，参照图5所示，该质谱仪100的离子解离过程包括如下步骤：S100：对第一电极、第二电极、第一线性离子阱、第二线性离子阱和第三电极施加电压；S200：将离子导入并囚禁于第一线性离子阱内，对处于第一线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；S300：控制第一线性离子阱的电压大于第二线性离子阱的电压，离子轴向传输进入第二线性离子阱内，且在传输过程中向碰撞区域通入气体使得离子在碰撞区域内与气体发生碰撞产生碎片离子；S400：停止通气，对处于第二线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；S500：调整第一线性离子阱和第二线性离子阱的电压，使得第一线性离子阱的电压小于第二离子阱的电压，离子轴向传输进入第一线性离子阱内，且在传输过程中向碰撞区域通入气体，使得离子在碰撞区域内与气体发生碰撞产生碎片离子；S600：停止通气，对处于第一线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；重复循环步骤S100-S600多次，从而实现对离子进行多级碎裂和多级质谱分析。
可选实施例中，步骤S200还进一步包括：筛选出一种质荷比的离子进入所述第一线性离子阱内。即从中质荷比的离子中选择其中一种离子进入第一线性离子阱内进行质谱分析。如图4a示意出选择了质荷比为527的离子进入第一线性离子阱内进行质谱分析。质荷比为527的离子在碰撞区域内被解离成质荷比为275和365的离子。
可选实施例中，步骤S300还进一步包括：筛选出另一种质荷比的离子进入第二离子阱内。如图4b示意出选择了质荷比为365的离子进入第二线性离子阱内进行质谱分析。质荷比为365的离子在碰撞区域内被解离成质荷比为275和347的离子。
可选实施例中，步骤S500还进一步包括：筛选出另一种质荷比的离子进入所述第一离子阱内。如图4c示意出选择了质荷比为275的离子进入第一线性离子阱内进行质谱分析。质荷比为275的离子在碰撞区域内被解离成质荷比为185的离子。
图4a-图4c说明了在质谱仪进行离子激发解离过程中，通过改变第一线性离子阱和第二线性离子阱之间的电动势方向，可以改变离子在离子通道内的轴向传输方向，且对于每次进入碰撞区域进行解离的离子质荷比可以进行选择，从而满足不同质谱分析的需要。
此外，质谱仪100还可以包括导气装置8，在离子传输过程中，通过导气装置8向碰撞区域32输送气体，其中输送的气体可以为空气、氮气、氩气和氦气的其中之一，离子与这些中性分子碰撞，诱导解离出碎片离子。
对于质谱仪100的其他构成以及操作属于本领域普通技术人员所理解并容易获得的，在此不再进行赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，包括：
第一线性离子阱和第二线性离子阱，所述第一线性离子阱和所述第二线性离子阱串联且间隔设置，构设出沿轴向方向延伸的离子通道，该离子通道包括位于两侧的囚禁区域和位于中部的碰撞区域；
第一电极，所述第一电极设于所述第一线性离子阱的一端；
第二电极，所述第二电极设于所述第一线性离子阱和所述第二线性离子阱之间；
第三电极，所述第三电极设于所述第二线性离子阱的另一端；
离子检测器，所述离子检测器对于囚禁区域的离子进行质谱分析；
其特征在于，对所述第一线性离子阱和所述第二线性离子阱加载不同的电压，从而在第一线性离子阱和第二线性离子阱之间形成电压差驱动离子沿着离子通道轴向传输，在轴向传输过程中向所述碰撞区域通入气体，使得离子与气体发生碰撞而碎裂；
该质谱仪的离子解离过程包括如下步骤：
S100：对第一电极、第二电极、第一线性离子阱、第二线性离子阱和第三电极施加电压；
S200：筛选出一种质荷比的离子进入所述第一离子阱内，对处于第一线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；
S300：控制第一线性离子阱的电压大于第二线性离子阱的电压，筛选出另一种质荷比的离子进入所述第二离子阱内，且在传输过程中向碰撞区域通入气体使得离子在碰撞区域内与气体发生碰撞产生碎片离子；
S400：停止通气，对处于第二线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；
S500：调整第一线性离子阱和第二线性离子阱的电压，使得第一线性离子阱的电压小于第二离子阱的电压，筛选出另一种质荷比的离子进入所述第一离子阱内，且在传输过程中向碰撞区域通入气体，使得离子在碰撞区域内与气体发生碰撞产生碎片离子；
S600：停止通气，对处于第一线性离子阱囚禁区域内的离子进行质谱分析；
重复循环步骤S100-S600多次，从而实现对离子进行多级碎裂和的多级质谱分析。
2.根据权利要求1所述的双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，其特征在于，所述第一线性离子阱的电压大于所述第二线性离子阱的电压的情况，离子从第一线性离子阱向第二线性离子阱方向轴向传输。
3.根据权利1所述的双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，其特征在于，所述第一线性离子阱的电压小于所述第二线性离子阱的电压的情况，离子从第二线性离子阱向第一线性离子阱方向轴向传输。
4.根据权利1所述的双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，其特征在于，在第一传输时间段内，所述第一线性离子阱的电压大于所述第二线性离子阱的电压，此时，离子在离子通道内正向轴向传输；在第二传输时间段内，所述第一线性离子阱的电压小于所述第二线性离子阱的电压，此时，离子在离子通道内反向轴向传输。
5.根据权利要求1所述的双线性离子阱间实现离子解离的质谱仪，其特征在于，导气装置所通入的气体为空气、氮气、氩气和氦气的其中之一。
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