CN110610847B - 基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱技术领域，提供了一种四极杆‑离子阱串联质谱仪的离子解离方法。样品经过电喷雾离子源离子化，利用四极杆从离子化离子中筛选出设定质荷比的离子进入离子阱中，所述离子阱对离子进行解离，解离后的碎片离子存储在所述离子阱中；其中，所述四极杆对目标离子筛选及所述离子阱对离子的解离两个过程同时进行。不同于传统解离操作发生在离子门关闭后，本发明在四极杆筛选目标离子的同时对离子阱施加解离操作，使目标离子和质荷比相近的杂质离子在进入离子阱时即刻解离，杂质离子不会干扰目标离子的解离与碎片离子的捕获，显著提高分析的准确性；同时本发明不需额外的时序进行解离操作，节约了操作时间。

Description

基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法

技术领域

本发明涉及质谱技术领域，特别涉及一种基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法。

背景技术

质谱仪作为现代分析仪器的重要代表之一，是一种用于检定物质结构的高灵敏度、高分辨率仪器。其基本工作原理是：首先把被检测的物质以离子的形式导入，通过电场或磁场将离子按质荷比(m/z)的不同进行空间、时间或频谱上的分离，然后通过离子检测器检测这些被分离的离子，从而得到质谱图。通过对质谱图的分析，即可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量等信息。

四极杆质量分析器，其结构为在相互垂直的两个平面上平行放置四根金属圆柱。电压施加方式为：两组相对电极上施加射频交流电压V_rf和幅值相等，方向相反的直流电压U_dc，从而在四根极杆之间形成四极电场。离子进入四极杆区域中受到电场的作用，只有特定质荷比的离子才能稳定地通过四极质滤器。

离子阱可以捕获离子并长时间存储。作为质量分析器时，离子阱具有许多独特的优点，包括对真空度要求低、灵敏度高、质量范围大且能实现多级串联质谱分析等。早期人们使用三维离子阱，近年来线性离子阱(Linear Ion Trap)由于离子容量大，质量歧视性较小而得到了广泛关注。但无论何种离子阱，都存在空间电荷效应，导致实际分析应用中杂质离子干扰离子阱对目标质荷比离子(下面简称目标离子)有效捕获与质量分析，应用受到极大限制。

发明内容

本发明所解决的技术问题：

四极杆-离子阱串联结构既可保留四极杆质量分析器的筛选功能，又结合了离子阱的长时间存储功能，其结构示意图如图2所示。由于四极杆可以筛选出单个质荷比离子进入离子阱，可以显著克服质荷比相差较大的杂质离子对目标离子的空间电荷干扰，从而提高离子阱对目标离子的捕获能力与分析能力。但是，对于杂质离子质荷比与目标离子质荷比非常接近甚至相同的情况，四极杆的筛选功能不能有效区分杂质离子和目标离子，在这种情况下，大量的杂质离子进入离子阱，同样导致目标离子难以有效捕获与分析。

现有的离子阱操作时序图如图3所示：

首先，离子门(通常为某个离子透镜的电压)打开，目标离子、杂质离子一起进入离子阱；然后，离子门关闭，通过几个毫秒的时间离子冷却(通常为与背景气体碰撞冷却)后，对离子实施选择和碎裂，产生碎片离子保存在离子阱中；最后扫描离子阱的射频电压，按照质荷比顺序检测出不同离子的强度，得到质谱。

从上述原理可以看出，现有的离子阱操作中，杂质离子和目标离子同时存储，大量的杂质离子会干扰目标离子在离子阱中的运动，离子阱对目标离子的捕获和解离均受到干扰，分析准确性显著下降。

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法，不同于传统解离操作发生在离子门关闭后，本发明在四极杆筛选目标离子的同时对离子阱施加解离操作，使目标离子和质荷比相近的杂质离子在进入离子阱时即刻解离，杂质离子不会干扰目标离子的解离与碎片离子的捕获，显著提高分析的准确性；同时本发明不需额外的时序进行解离操作，节约了操作时间。

本发明采用如下技术方案：

一种基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法，样品经过电喷雾离子源离子化，利用四极杆从离子化离子中筛选出设定质荷比的离子进入离子阱中，所述离子阱对离子进行解离，解离后的碎片离子存储在所述离子阱中；其中，所述四极杆对目标离子筛选及所述离子阱对离子的解离两个过程同时进行。其时序图如图4所示。

进一步的，经过所述四极杆筛选并进入所述离子阱的离子，包括目标离子及与所述目标离子质荷比相近的杂质离子。

进一步的，所述离子阱中的离子解离过程，通过施加实现碰撞诱导解离(CID)的辅助波形电压信号，或者注入激光照射阱中离子等方法实现。

进一步的，利用所述四极杆从离子化离子中选出目标离子的方法具体为：

所述四极杆上同时施加射频交流电压V_rf和直流电压U_dc，实现目标离子的筛选功能。由马修方程可得a和q的计算公式如下：

式中r₀＝5.32为已知常量，m为目标离子质量数，e为电荷量。

第一稳定区图如图1所示。在第一稳定区中a和q的范围：a＝0～0.237，q＝0～0.908，顶点坐标：a＝0.237，q＝0.706。对于任何一种离子(m/e)，其在稳定区图上都对应一个坐标(a，q),只有这个坐标在第一稳定区内时，离子的运动才是稳定的，即该离子可以通过四极杆质量分析器，被后置离子探测器检测到。所以控制射频交流电压V_rf和直流电压U_dc可控制a,q的大小进而实现目标离子的筛选。

进一步的，所述离子阱为线性离子阱。

进一步的，所述离子阱的两端各有一个端盖，分别是前端盖EndCap1和后端盖EndCap2；离子阱的前端盖与所述四极杆相邻，将前端盖打开，后端盖关闭，使四极杆选出的离子能顺利的进入并存储于离子阱中。

进一步的，在进行目标离子筛选的同时对离子阱施加射频电压和交流辅助波形AC，对目标离子进行解离。持续该过程，直到离子阱中存储的碎片离子到达一定数量。

本发明的有益效果为：

1、传统的离子阱解离方法，质荷比相近的杂质离子与目标离子同时存在于离子阱中，空间电荷效应使得杂质离子干扰目标离子的运动，体现在对目标离子的捕获有效性、解离效率、特征碎片的存储能力显著下降；本发明在杂质离子进入阱中的同时将其打碎，有效避免其干扰目标离子的运动，显著提高了分析的准确性。

2、本发明在筛选目标离子的同时对离子阱施加解离，节省了传统解离时序所需的时间，提高了分析速度。

附图说明

图1所示为第一稳定区示意图。

图2所示为四极杆-离子阱串联质谱仪原理示意图。

图3所示为传统离子阱解离方法的时序图。

图4所示为本发明实施例一种基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法的时序图。

图5所示为实施例1中目标离子质谱图。

图6所示为实施例1中使用本发明方法分析目标离子的碎片离子质谱图。

图7所示为对比例1中使用传统离子阱解离方法分析目标离子的碎片离子质谱图。

图8所示为实施例2中目标离子质谱图。

图9所示为实施例2中使用本发明方法分析两种质荷比相近物质的碎片离子质谱图。

图10所示为对比例2中传统离子阱解离方法分析两种质荷比相近物质的碎片离子质谱图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本发明的工作原理与传统离子阱解离工作原理的对比分析：

传统离子阱解离方法：大量目标离子及杂质离子进入离子阱后封闭离子门，离子冷却后，对大量的目标离子及杂质离子同时施加射频电压和交流辅助波形AC，如果离子过多会发生空间电荷效应，引起质量偏移，导致对目标离子的解离效率降低。

本发明实施例的解离方法：目标离子及杂质离子进入离子阱的同时即开始解离，此时，待解离的目标离子和杂质离子的数量均为小量，此时质量偏移很小，可准确确定射频电压及交流辅助波形(AC)，目标离子的解离效率相对于传统方法得到了显著提高。同时，由于不需要大量目标离子及杂质离子进入离子阱后再关闭离子门后解离，同时不需要离子冷却，因此整体时序大大缩短，提高了分析速度。

实施例1

用5uL/min的流速将1ppm的利血平注入质谱仪中，使用电喷雾离子源(ESI)将其进行离子化，离子捕获时间大约10ms。q值选为0.3。四极杆上施加一定的射频(radio-frequency,RF)交流电场和直流(DC)电场，这样便可以将目标离子筛选出。之后目标离子进入离子阱，并存储在离子阱中。最后通过施加激发电场将目标离子射出，通过检测设备完成对目标离子的检测，目标离子检测如图5所示。

用5uL/min的流速将1ppm的利血平注入质谱仪中，使用电喷雾离子源(ESI)将其进行离子化，离子捕获时间大约10ms。q值选为0.3。四极杆上施加一定的射频(radio-frequency,RF)交流电场和直流(DC)电场，这样便可以将目标离子筛选出。之后目标离子进入离子阱中。在筛选目标离子的同时对离子阱施加射频电压和0.018V的AC电压，对阱中离子进行解离，解离后的碎片离子存储在离子阱中。最后通过施加激发电场将待测的碎片离子射出，通过检测设备完成对碎片离子的检测，碎片离子检测如图6所示。

对比例1

按照图3所示操作时序的传统CID方法，在目标离子及杂质离子全部进入离子阱且冷却后施加共振激发波形进行解离，碎片离子检测图如图7所示。

通过实施例1与对比例1，可以得到：当进入离子阱的总离子数量少，不足以产生空间电荷效应时，两种方法解离效果无明显区别，但本发明方法节省了扫描时间，提高了分析速度。

实施例2

在实验室中制备两种质量数相同但结构不同的肽段，分别为VVFFGG和GVFGVF，它们的质荷比均为625，其中目标离子VVFFGG的特征碎片离子质荷比为460.4。各取10ml的20μmol/L的溶液进行混合，得到20ml的各自浓度为10μmol/L的混合溶液。

使用电喷雾离子源(ESI)将其进行离子化，离子捕获时间大约500ms，q值选为0.3，进样速度为5uL/min。四极杆上施加一定的射频(radio-frequency,RF)交流电场和直流(DC)电场，这样便可以将目标离子筛选出。之后目标离子进入离子阱中，并存储在离子阱中。最后通过施加激发电场将目标离子射出，通过检测设备完成对目标离子的检测，目标离子检测图如图8所示。

使用电喷雾离子源(ESI)将其进行离子化，离子捕获时间大约500ms，q值选为0.3，进样速度为5uL/min。四极杆上施加一定的射频(radio-frequency,RF)交流电场和直流(DC)电场，这样便可以将目标离子筛选出。之后目标离子进入离子阱中。在筛选目标离子的同时对离子阱施加射频电压和0.02V的AC电压，对阱中离子进行解离，解离后的碎片离子存储在离子阱中。最后通过施加激发电场将待测的碎片离子射出，通过检测设备完成对碎片离子的检测，碎片离子检测图如图9所示。

对比例2

按照图3所示操作时序的传统CID方法，在目标离子及杂质离子全部进入离子阱且冷却后施加共振激发波形进行解离，碎片离子检测图如图10所示。

由图8可以看到，由于离子阱中目标离子数量多，有空间电荷的影响，产生了质量偏移和分辨率降低的现象。通过本发明方法进行碎裂时，质荷比460.4的碎片离子的强度为8.30711V，使用传统CID方法进行碎裂时该碎片离子强度为7.69756V。通过实施例2与对比例2，可以得到：与传统方法相比，本方法既节省了时间还提高了解离效率。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (4)

1.一种基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法，其特征在于，样品经过电喷雾离子源离子化，利用四极杆从离子化离子中筛选出设定质荷比的离子进入离子阱中，所述离子阱对离子进行解离，解离后的碎片离子存储在所述离子阱中；其中，所述四极杆对目标离子的筛选及所述离子阱对离子的解离两个过程同时进行；所述离子阱中的离子解离过程，通过施加实现碰撞诱导解离的辅助波形电压信号的方法实现；

在进行目标离子筛选的同时对离子阱施加射频电压和交流辅助波形AC，对目标离子进行解离；持续该解离过程，直到离子阱中存储的碎片离子到达设定数量。

2.如权利要求1所述的基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法，其特征在于，经过所述四极杆筛选并进入所述离子阱的离子，包括目标离子及与所述目标离子质荷比相近的杂质离子。

3.如权利要求1所述的基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法，其特征在于，利用所述四极杆从离子化离子中选出目标离子的方法具体为：

所述四极杆上同时施加射频交流电压V_rf和直流电压U_dc，实现目标离子的筛选功能；由马修方程可得a和q的计算公式如下：

式中r₀＝5.32为已知常量，m为目标离子质量数，e为电荷量，ω为射频交流电压角频率；

其中，a＝0～0.237，q＝0～0.908；设定a和q的值，求得相对应的射频交流电压V_rf和直流电压U_dc；控制射频交流电压V_rf和直流电压U_dc实现目标离子的筛选。

4.如权利要求1所述的基于四极杆-离子阱串联质谱仪的离子解离方法，其特征在于，所述离子阱的两端各有一个端盖，分别是前端盖和后端盖；离子阱的前端盖与所述四极杆相邻；当将前端盖打开而后端盖关闭时，四极杆选出的离子能顺利地进入并存储于离子阱中。

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