CN110146585B - 预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分析仪器技术领域，具体为预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，将离子束调制装置与迁移区进行电场隔离，对离子流进行周期性快速调制，调制脉冲序列的修正，将调制后的离子流引入到迁移装置中进行离子分离，通过测量每个序列提前和滞后量对Hadamard变换产生的假峰进行预测和扣除。本发明的方法灵敏度高，分辨率高；操作简单；可以方便的将离子迁移谱‑质谱联用仪与气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪、离子色谱仪、超临界流体色谱仪等进行联用，在不损失色谱的分离度、质谱的灵敏度的情况下提供额外维度的离子迁移分离，从而大幅提高定性分析和定量分析的效率和准确度。

Description

预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法
技术领域
本发明属于分析仪器技术领域，具体为预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法。
背景技术
离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是上世纪70年代出现的一种新型快速分离检测技术。由于分离可以在大气压下进行，不需要真空，与传统的质谱仪器相比具有结构简单，灵敏度高，分析速度快，结果可靠的特点。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物质进行检测，适于现场使用。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。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。
相比传统的周期性单次开门方法,近年来提出的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数十倍。这种方式可看作是一种对离子信号的编解码过程,整个应用过程可分3个阶段。第1阶段是设计伪随机二进制序列m,该序列要求是能够用来构造对应阶数的Hadamard矩阵的Hadamard行序列。第2阶段是在离子信号的产生阶段进行信号编码,通过伪随机序列代替传统周期性脉冲控制离子门开关产生离子信号。第3阶段是在离子信号的处理阶段进行信号解码,使用对应控制序列的Hadamard逆矩阵作为反卷积核,通过去卷积将编码信号还原成离子迁移谱信号。
理论上，信噪比的提高可由以下公式进行计算：
Figure BDA0002103765480000011
DCp:传统脉冲模式的占空比。
文献报道，阿德马变换离子迁移谱质谱法显著的提高了灵敏度而对分辨能力没有影响。将阿德玛变换离子迁移谱质谱联用法用于人类的代谢组学分析，在2分钟内可以检测到250种化合物，分辨率可以达到100以上。
但是，目前受制于离子迁移谱的分离原理，离子迁移谱的分辨率和质谱分析的灵敏度成了一对互相制约的参数。要提高分辨率，就必需尽量缩短离子注入的时间，这样又会减少注入离子的数量，从而牺牲灵敏度。为解决这个问题，Hadamard变换和傅立叶变换同样也用到了离子迁移谱-质谱联用仪上，但问题依然很突出，同时还带来一些新的问题，如Hadamard变换会产生一些本不存在的假峰，定性和定量出现错误。傅立叶变换对不同质荷比的离子有很强的歧视效应，从而使得高质荷比的离子灵敏度大幅降低。
已经有一些办法解决Hadamard变换带来的假峰，如在IMS-MS联用仪中使用特定的算法对所有的峰进行判定，如果是假峰则将其去掉，或者是将Hadamard变换例用的二进制随机序列延长使假峰避开通常使用的时间范围，因而不干扰结果的判断。也有人使用正反相两个序列对离子门进行调制，从而使产生的假峰部分抵消而提高了信噪比。但这些方法都没有针对Hadamard变换产生假峰的根本原因，因而效果都很有限，且不能从根本上去除假峰，只能在一定程度上降低假峰的影响。特别的是，当离子迁移谱的灵敏度已经较高，如单张谱图的信噪比超过100时，Hadamard变换产生的噪音和假峰将完全超过正常的噪音水平，影响灵敏度的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，通过脉冲序列预测Hadamard变换离子迁移谱产生假峰的位置，并通过电场隔离、修正脉冲序列等方法对假峰进行扣除的方法得到无假峰的离子迁移谱图。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，包括以下步骤：
(1)将离子束调制装置与迁移区进行电场隔离：来自离子源的连续离子流中包含了各种待分离的离子，将离子在电场作用下引入到调制装置，如B-N离子门，TYNDALL离子门等，通过改变离子流路上的电势，使离子的连续流在控制讯号作用下截断，调制的序列信号为s-序列。为使迁移管中运行的离子不受调制装置的干扰，在调制装置后加入一个电场隔离装置，该装置是一个金属丝网、或者激光刻蚀的不锈钢网、或者化学刻蚀的不锈钢网。
(2)对离子流进行周期性快速调制：根据测定样品的离子密度(根据离子门完全打开时的离子电流强度测定)，决定不同离子门调制序列时序的脉冲提前量和滞后量，脉冲提前量和滞后量根据所采用的离子门调制序列进行测定，测定时系统中只有一种离子(反应离子或溶剂离子)，提前量和滞后量为脉冲的时间及对应的离子峰之间扣除相应离子迁移时间后的时间差。
(3)调制脉冲序列的修正
对调制装置的调制脉冲序列进行扩展，扩展的方法是对脉冲序列进行超采样，并根据离子门和离子电流的特性对每个脉冲进行修正，修正的方法是对脉冲加入提前量或滞后量。脉冲提前量和滞后量可在0-100μs之间进行优化，优化的原则是根据脉冲之间的间隔时间及离子电流进行选择，脉冲与前一脉冲之间的时间距离越长，对此脉冲进行滞后量修正，且时间越长，修正量越大。同样，根据脉冲与后一脉冲之间的时间距离进行提前量修正，时间越长，提前修正量越大。
(4)将调制后的离子流引入到迁移装置中进行离子分离，并记录各不同离子电流强度随时间的变化曲线，并利用标准的HT算法或者傅里叶变换算法对脉冲序列重构离子迁移谱图。
其中，电场隔离装置与离子门之间的距离依测定物质中迁移时间最长的离子而设置，设置的原则是在使用的调制周期内迁移时间最长的离子能通过离子门及电场隔离装置而进入到迁移区，能常在0.3-2mm之间进行选择。距离越长，则要求调制的周期越长，反之亦然。
电场隔离装置与离子门之间的距离固定时，可通过设定离子门及电场隔离装置之间的电压而适应不同离子的要求，如离子的迁移时间长，则增加二者之间的电压，反之亦然。
(5)可通过测量每个序列提前和滞后量对Hadamard变换产生的假峰进行预测和扣除，预测的方法是采用标准高斯峰对偏移的Hadamard序列卷积，采用标准高斯峰对偏移的Hadamard序列卷积，偏移量由步骤(5)所述方法测得，并由目标峰的强度值进行修正，再对标准Hadamard序列解卷积，高斯峰谱图与解卷积谱图的差谱即为预测的假峰。
对Hadamard变换产生假峰进行扣除的方法是先对Hadamard变换后的谱图进行高斯峰模拟，并将高斯峰模拟谱图对偏移的Hadamard序列卷积，再对标准Hadamard序列解卷积，Hadamard变换谱与上述谱图的差谱即为扣除假峰后的真实谱图。
本发明的有益效果是：
1灵敏度高；本发明提供的方法可将离子的利用率提高到几十倍，与传统信号平均法相比信噪比提高5-10倍，与传统的阿德玛变换相比灵敏度相当，但消除了变换的假峰，从而离子峰的识别率大幅提高，且消除了可能产生的误警误报。
2分辨率高；本发明提供的方法与常规方法相比可将分辨率提高30％以上，理想的情况下离子迁移谱的分辨率超过150以上。
3简单；本发明提供的方法可以直接或经过很少的改造即可应用到已有的离子迁移谱-质谱联用仪上，并提高其性能。
4多维分离；利用本发明提供的方法，可以方便的将离子迁移谱-质谱联用仪与气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪、离子色谱仪、超临界流体色谱仪等进行联用，在不损失色谱的分离度、质谱的灵敏度的情况下提供额外维度的离子迁移分离，从而大幅提高定性分析和定量分析的效率和准确度。
附图说明
图1为传统的信号平均法；
图2为传统的HT-IMS谱图；
图3为本发明的HT-IMS谱图；
图4为本发明使用的调制序列及原始数据；
图5为实施例Hadamard调制脉冲的偏移量。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本实施例中所使用的离子迁移谱仪工作在大气压下，离子源为电喷雾电离源，离子迁移谱的温度为150℃，迁移气体为氮气，流速为900mL.min-1,迁称管的总长度为28厘米，由一个B-N型离子门隔开为两个区域，前端为脱溶剂区，后端为迁移区。离子门电场与迁移电场隔离的方法是在离子门后加入一个不锈钢栅网，栅网距离离子门1mm，中间以陶瓷环绝缘，栅网与离子门之间的电压为120V。
通过注射泵将环己胺的甲醇溶液注入电喷雾离子源，流速为3.5uL.min-1，喷雾电压为2800V，离子源的前端与离子门的距离为3.5厘米。
离子门的调制采用9bit的m-序列，为提高谱图的分辨率，需对离子流AD转换进行超采样，超采样的倍率为20倍。即采用0.2ms的开门时间时，采样速率为100K。
图1至图4充分说明了本发明的优越性，其中图1为传统的信号平均法，图2为传统的HT-IMS谱图，图3为本发明的HT-IMS谱图，图4为本发明使用的调制序列及原始数据，图5为每个脉冲的偏移量，横座标为脉冲序号，纵座标为偏移值，单位为微秒。
可以看出，与图1相比，图3的信噪比大为提高，基本上没有噪音。与图2相比，基线上的假峰完全去除，峰的识别完全不受影响。
以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将离子束调制装置与迁移区进行电场隔离；
来自离子源的连续离子流中包含了各种待分离的离子，将离子在电场作用下引入到调制装置，通过改变离子流路上的电势，使离子的连续流在控制讯号作用下截断，调制的序列信号为s-序列；为使迁移管中运行的离子不受调制装置的干扰，在调制装置后加入一个电场隔离装置，所述的电场隔离装置为金属丝网，或者激光刻蚀的不锈钢网，或者化学刻蚀的不锈钢网；
所述的电场隔离装置与离子门之间的距离依测定物质中迁移时间最长的离子而设置，设置的原则是在使用的调制周期内迁移时间最长的离子能通过离子门及电场隔离装置而进入到迁移区，在0.3-2mm之间进行选择；距离越长，则要求调制的周期越长；
（2）对离子流进行周期性快速调制；
根据测定样品的离子密度，决定不同离子门调制序列时序的脉冲提前量和滞后量，脉冲提前量和滞后量根据所采用的离子门调制序列进行测定，测定时系统中只有一种离子即反应离子或溶剂离子，提前量和滞后量为脉冲的时间及对应的离子峰之间扣除相应离子迁移时间后的时间差；
（3）调制脉冲序列的修正；
对调制装置的调制脉冲序列进行扩展，扩展的方法是对脉冲序列进行超采样，并根据离子门和离子电流的特性对每个脉冲进行修正，修正的方法是对脉冲加入提前量或滞后量；
脉冲提前量和滞后量在0-100μs之间进行优化，优化的原则是根据脉冲之间的间隔时间及离子电流进行选择，脉冲与前一脉冲之间的时间距离越长，对此脉冲进行滞后量修正，且时间越长，修正量越大；
同样，根据脉冲与后一脉冲之间的时间距离进行提前量修正，时间越长，提前修正量越大；
（4）将调制后的离子流引入到迁移装置中进行离子分离，并记录各不同离子电流强度随时间的变化曲线，并利用标准的HT算法或者傅里叶变换算法对脉冲序列重构离子迁移谱图；
（5）通过测量每个序列提前和滞后量对Hadamard变换产生的假峰进行预测和扣除。
2.根据权利要求1所述的预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，其特征在于，所述的电场隔离装置与离子门之间的距离固定时，可通过设定离子门及电场隔离装置之间的电压而适应不同离子的要求，离子的迁移时间长，则增加二者之间的电压。
3.根据权利要求1所述的预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，其特征在于，步骤（5）所述的对Hadamard变换产生的假峰进行预测，包括以下步骤：采用标准高斯峰对偏移的Hadamard序列卷积，偏移量由步骤（2）所述方法测得，并由目标峰的强度值进行修正，再对标准Hadamard序列解卷积，高斯峰谱图与解卷积谱图的差谱即为预测的假峰。
4.根据权利要求1或3所述的预测和消除哈德玛变换离子迁移谱变换假峰的方法，其特征在于，步骤（5）所述的对Hadamard变换产生假峰进行扣除，包括以下步骤：先对Hadamard变换后的谱图进行高斯峰模拟，并将高斯峰模拟谱图对偏移的Hadamard序列卷积，再对标准Hadamard序列解卷积，Hadamard变换谱与上述谱图的差谱即为扣除假峰后的真实谱图。
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