CN110648896B - 适用于高扫速模式的线性离子阱及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于高扫速模式的线性离子阱及分析方法，包括：一对电极X部件、一对电极Y部件以及两个端盖电极部件；一对电极X部件、一对电极Y部件、两个端盖电极部件围成所述线性离子阱；所述电极Y部件不设离子引出槽；所述电极X部件包括：电极X1单元和电极X2单元；所述电极X1单元上设有狭缝；所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离为r0；所述电极X1单元至线性离子阱几何中心的距离为rx；所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离与电极X2单元至线性离子阱几何中心的距离相等；所述rx、r0满足：rx>r0>0。本发明在高扫速模式下，仍可实现高质量分辨率检测。

Description

适用于高扫速模式的线性离子阱及分析方法

技术领域

本发明涉及质量分析器技术领域，具体地，涉及一种适用于高扫速模式的线性离子阱及分析方法。

背景技术

质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，广泛应用许多科学研究和日常生活领域。近年来，随着生命科学、材料科学、环境保护等科学研究工作的进一步深入和人类物质生活水平的大幅度提高，应用领域越来越广泛。质谱分析技术的飞速发展也大大促进了科学研究工作的发展和社会的进步。质量分析器是质谱仪器的核心，是将离子源产生的离子按照质荷比(m/z)大小顺序分开排列的部件。三维离子阱质量分析器是最早出现的离子阱质量分析，它是由Paul W等于上世纪50年代提出的，对整个质谱学产生了巨大的影响，是现在质谱学理论的基础。三维离子阱是由三个电极组成，包括2个双曲面端盖电极和1个中央环电极，具有极高的质量分辨率。然而，三维离子阱也存在一定的缺陷。在三维离子阱中，中央环电极上施加的是主射频，而两个端盖上施加辅助射频。一个端盖上设有进样小孔，在离子穿过小孔进入离子阱的这个过程中受到四极场的作用，这会导致离子引入效率低，此外三维离子阱中离子在中心聚集，造成离子之间的巨大库伦力相互作用，造成三维离子阱较低的离子存储容量。2002年Schwartz JC等提出的线性离子阱结构很好地解决了上述问题，离子在阱中为轴向的线排列，极大地提高了离子存储量和存储效率。线性离子阱通常由2对两两平行的柱状电极和1对端盖电极围成，2对柱状电极上施加射频信号形成径向束缚场，端盖电极施加直流电压形成轴向束缚场。离子出射方向的电极对上施加激发信号AC，激发离子出射。由于离子在径向方向出射，出射方向的电极上需要开设离子引出槽，造成电极上这部分的射频电压缺失，对离子阱内部场型造成一定的破坏，影响离子分析的效果。为了补偿离子引出槽带来的场型畸变，通常还采用“拉伸”电极的方式，将开槽的一侧电极沿背离离子阱中心的方向向外平移一段距离，修正内部电场，同时这也会使得离子阱内部电场中心发生偏移，实现离子单向出射。

专利文献CN105869986A中提出一种可提高检测效率的质谱分析系统，通过平移开槽电极，离子从被“拉伸”的电极槽中单向出射，最高单向出射效率可达90％。然而，该发明工作在低扫描模式下(1500Th/s)，单向出射效率并没有达到100％，同时，质量分辨率也仅能保持与对应对称线性离子阱质谱分析系统相当的质量分辨率。此外，电极“拉伸”距离过长会导致离子阱结构变形严重，可能会造成其他影响。

目前，质谱检测追求快速、高效、准确，高扫速可以提高仪器灵敏度，是获得低噪声、高丰度谱图的有效检测模式。尤其当质谱与色谱联用时，更加要求质谱仪器要有较高的扫描速度。比如气质联用时，气相色谱的色谱峰一般很窄，一个完整的色谱峰通常需要至少6个以上的数据点，所以要求质谱要有较高的扫描速度，以保证色谱峰形的完整准确。众所周知，扫描速率对离子阱的质量分辨率具有显著影响。扫描速率与质量分辨率成反比例关系，扫描速率越快，质量分辨率越差。就算是目前商业离子阱质谱仪的代表LTQ(Thermofisher company)在扫描速率高达16666Da/s时，目标物的同位素峰已经无法完全分开，而当扫描速率上十万以上时，基本已经没有分辨率。如图1所示，其具体质量分辨率与扫描速率的关系由论文High resolution i s not a strict requirement forcharacterization and quantification of histone post-translationalmodification报道指出，当扫速大于20000Da/s时，质量分辨率降为很低的值，且随着扫描速率的上升仍在逐渐降低。因此，亟需研发一种在高扫速模式下具有高分辨的线性离子阱质量分析器，并同时具有较高的高检测效率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于高扫速模式的线性离子阱及分析方法。

根据本发明提供的一种适用于高扫速模式的线性离子阱，包括：一对电极X部件、一对电极Y部件以及两个端盖电极部件；一对电极X部件、一对电极Y部件、两个端盖电极部件围成所述线性离子阱；所述电极Y部件不设离子引出槽；所述电极X部件包括：电极X1单元和电极X2单元；所述电极X1单元上设有狭缝；所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离为为r0；所述电极X1单元至线性离子阱几何中心的距离为rx；所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离与电极X2单元至线性离子阱几何中心的距离相等；所述rx、r0满足：rx>r0>0。

优选地，(rx-r0)/r0大于或者等于1％且小于或者等于10％。

优选地，所述适用于高扫速模式的线性线性离子阱工作在高扫速模式下；所述高扫速模式下的扫描速度≥20000Da/s。

优选地，激发信号以偶极形式施加于电极X部件，激发离子朝电极X2单元方向运动出射。

优选地，所述电极X2单元上不开设离子引出槽；在电极X2单元上设置有检测装置；所述检测装置为镜像电荷检测器。

优选地，所述电极X2单元上开设有离子引出槽，在离子引出槽槽口处装有辅助结构；所述电极X2单元一侧安装有电子倍增器。

优选地，所述辅助结构采用导电材料，辅助结构与电极X2单元导通；

根据本发明提供的一种适用于高扫速模式的线性离子阱分析方法，包括：步骤1：射频信号施加于所述电极X部件与所述电极Y部件，激发信号以偶极形式施加于电极X部件；步骤2：在高扫速模式下，通过调整所述电极X1单元与离子阱中心之间的距离rx，激发离子全部朝电极X2单元方向运动而发生出射，而并非由电极X1单元上的狭缝出射。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.结构简单，无复杂部件，易于加工实现。

2.在高扫速模式下，仍可实现高质量分辨率检测。

3.本发明最高可以实现100％的单向出射效率，大大提高离子检测效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明三维示意图。

图2为本发明背景技术中采用LTQ分析H4 4-17 2Aceytl时，质量分辨率与扫描速率的关系示意图。

图3为本发明实施例1中所述适用于高扫速模式的线性离子阱的截面示意图。

图4为本发明实施例1中适用于高扫速模式的线性离子阱的三维示意图。

图5为本发明实施例1中不同r2值的情况下，离子阱内部电场变化趋势示意图。

图6为本发明实施例1中最高质量分辨率时的质谱图示意图。

图7为本发明实施例2中适用于高扫速模式的线性离子阱的截面示意图。

图8为实施例2中槽口处辅助结构放大示意图。

图9为本发明实施例2中所述适用于高扫速模式的线性离子阱三维图。

图10为实施例3中所述适用于高扫速模式的线性离子阱的截面图。

图11为实施例3中槽口处辅助结构放大示意图。

图12为实施例3中所述适用于高扫速模式的线性离子阱三维示意图。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示，根据本发明提供的一种适用于高扫速模式的线性离子阱，包括：一对电极X部件、一对电极Y部件以及两个端盖电极部件；一对电极X部件、一对电极Y部件、两个端盖电极部件围成所述线性离子阱；所述电极Y部件不设离子引出槽；所述电极X部件包括：电极X1单元和电极X2单元；所述电极X1单元上设有狭缝；所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离为为r0；所述电极X1单元至线性离子阱几何中心的距离为rx；所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离与电极X2单元至线性离子阱几何中心的距离相等；所述rx、r0满足：rx>r0>0。

本发明的工作原理是：在其中一侧电极上开狭缝，狭缝处电场部分会发生畸变，向外平移带狭缝的一侧电极，可以弥补狭缝带来的场型畸变，同时这会使得离子阱内部电场中心向电极平移方向偏移，使得离子往另一侧电极出射。在高扫描速度的条件下，获得高质量分辨率和高检测效率。

(rx-r0)/r0大于或者等于1％且小于或者等于10％。

所述适用于高扫速模式的线性离子阱工作在高扫速模式下；所述高扫速模式下的扫描速度≥20000Da/s。所述适用于高扫速模式的线性离子阱工作在高扫速模式下，扫速定义：＜20000Da/s为正常扫速，≥20000Da/s为高扫速。

激发信号以偶极形式施加于电极X部件，激发离子朝电极X2单元方向运动出射。即高扫速高分辨离子阱工作时，离子不从电极X1上的狭缝出射，全部朝电极X2方向运动出射。

所述电极X2单元上不开设离子引出槽；在电极X2单元上设置有检测装置；所述检测装置为镜像电荷检测器。

所述电极X2单元上开设有离子引出槽，在离子引出槽槽口处装有辅助结构；所述电极X2单元一侧安装有电子倍增器。

当所述电极X2上不开设离子引出槽时，在电极X2上安装镜像电荷检测器等检测装置来检测离子；当所述电极X2上开设离子引出槽时，在槽口处装有辅助结构，所述电极X2一侧安装电子倍增器用于离子检测。

所述辅助结构采用导电材料，辅助结构与电极X2单元导通；辅助结构必须为导电材料，与电极X2导通，其形式可以为圆孔网、铁丝等不影响离子通过效率的结构。

根据本发明提供的一种适用于高扫速模式的线性离子阱分析方法，包括：步骤1：射频信号施加于所述电极X部件与所述电极Y部件，激发信号以偶极形式施加于电极X部件；步骤2：在高扫速模式下，通过调整所述电极X1单元与离子阱中心之间的距离rx，激发离子全部朝电极X2单元方向运动而发生出射，而并非由电极X1单元上的狭缝出射。

实施例1

如图3所示，一种适用于高扫速模式的线性离子阱，由2对双曲面电极围成中心质量分析区域。图4为所述适用于高扫速模式的线性离子阱的三维图，所述Y1电极为电极101，Y2电极为103，所述X1电极为电极104；所述X2电极为电极102，本例中电极102上未设离子引出槽。分析过程中，激发信号AC以偶极形式施加于电极102和104用于激发离子，所有离子朝电极102方向出射，即离子出射后全部打在电极102上，电极102外接一个镜像电流检测器以检测离子信号。在本例中，电极101、102和103的场半径皆为r1＝5mm，电极104的场半径r2对离子阱的分析性能具有非常大的影响，本例中对该参数值进行了讨论，寻找其能使离子阱达到最优分辨性能的值。这里讨论r2的范围设置为[5mm,5.45mm]，每0.05mm取一组数据，共10组。

在r2值不同的情况下，不同的离子阱结构具有不一样的内部电场分布，这将是影响离子阱性能的关键因素。如图5所示，不同r2值的条件下，离子阱内部电场占比发生变化，这里主要讨论了六极场A3，八极场A4和十极场A5占比的变化，更高阶场的占比和变化较小，因此不做讨论。随着场半径r2的增大，六极场成分A3的占比呈线性增长，八极场A4和十极场A5的占比同样增加，其增加趋势相对A3较缓慢。显然，r2的变化对离子阱内部电场的影响很大，从而影响其分析性能。此外，A3占比的增加会导致离子阱内部电场中心发生偏移，电场中心与离子阱几何结构中心不再重合，这将有利于离子单向出射，可提高离子阱的检测效率。通过对质谱峰的模拟仿真，最终得出当r2＝0.35mm，离子阱的质量分析性能最优，产生的质谱峰图如图6所示。在扫描速度高达80000Da/s的情况下，获得的质量分辨率非常高，最优的质谱峰半峰宽仅为0.24。相较于传统结构且不开设离子出射槽的双曲面线性离子阱在同样扫速模式下的得到的结果，本实例中的高扫速高分辨的线性离子阱得到质量分辨率提升了2倍，同时本例中还实现了离子的单向出射，单项出射效率最高可达100％，这将极大地提升离子检测效率，具有非常重要的意义。

实施例2

如图7所示，参照实施例1，本实施例中的电极形状仍然选择双曲面，同样地，2对双曲面电极围成中心质量分析区域。图9为本实施所述适用于高扫速模式的线性离子阱的三维图。图中Y1电极201，Y2电极为203，X1电极为202，X2电极为204。本例中设定电极202上开设有离子引出槽，槽口处附有辅助结构205，这里选择为圆孔网结构如图8所示。出射方向上的电极202开设有离子引出槽，离子可以最终从离子阱中出射，进入检测器，无需在电极上安装额外的检测器，使得仪器结构更加简单。离子最终由网状结构的圆孔中出射至离子倍增器被检测分析。

电极202上开设离子引出槽，在槽口处RF电压会发生缺失，类似在四极场中引入了一个电场“缺口”，会对离子阱内部的四极场造成一定程度的破坏，损害离子阱的分析性能。槽口处添加导电网状结构，弥补了该处射频电压的缺失，修正了内部场型，极大地降低了开设离子引出槽对内部电场的影响。同时，圆孔网状结构不会影响离子的通过率，虽然前人报道里已有在出射方向利用类似栅网结构修正电场来提高分辨率的办法，但是本发明中，采用圆孔网状结构配合所述适用于高扫速模式的线性离子阱结果，既是高扫速模式下，还能获得高分辨率，达到的效果更好。

实施例3

如图10所示，参照实施例1、实施例2，本实施例中的电极形状仍然选择双曲面，同样地，2对双曲面电极围成中心质量分析区域。图中Y1电极为301，Y2电极为303，X1电极为302，X2电极为304。本例设定电极302上开设有离子引出槽，槽口处附有辅助结构305，本例选择铁丝作为出射槽口辅助结构，如图11所示。图12为本实施例中一种适用于高扫速模式的线性离子阱的三维图。离子最终从铁丝与槽口间隙出射至离子倍增器被检测分析。

本例与实施例2的不同之处在于，离子引出槽口的辅助结构发生变化，槽口辅助结构选择更简单的铁丝。添加铁丝的作用仍然是在不影响离子引出效率的前提下，最大可能地弥补离子引出槽引入的畸变场，同样可以修正内部场型，降低设离子阱引出槽对内部电场的影响。

本发明结构简单，无复杂部件，易于加工实现。本发明在高扫速模式下，仍可实现高质量分辨率检测。最高可以实现100％的单向出射效率，大大提高离子检测效率。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种适用于高扫速模式的线性离子阱，其特征在于，包括：一对电极X部件、一对电极Y部件以及两个端盖电极部件；

一对电极X部件、一对电极Y部件、两个端盖电极部件围成所述线性离子阱；

所述电极Y部件不设离子引出槽；

所述电极X部件包括：电极X1单元和电极X2单元；

所述电极X1单元上设有狭缝；

所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离为为r0；

所述电极X1单元至线性离子阱几何中心的距离为rx；

所述电极Y部件至线性离子阱几何中心的距离与电极X2单元至线性离子阱几何中心的距离相等；

所述rx、r0满足：rx>r0>0；

(rx-r0)/r0大于或者等于1％且小于或者等于10％；

所述适用于高扫速模式的线性离子阱工作在高扫速模式下；

所述高扫速模式下的扫描速度≥20000Da/s。

2.根据权利要求1所述的适用于高扫速模式的线性离子阱，其特征在于，所述电极X2单元上不开设离子引出槽；在电极X2单元上设置有检测装置；

所述检测装置为镜像电荷检测器。

3.根据权利要求1所述的适用于高扫速模式的线性离子阱，其特征在于，所述电极X2单元上开设有离子引出槽，在离子引出槽槽口处装有辅助结构；

所述电极X2单元一侧安装有电子倍增器。

4.根据权利要求3所述的适用于高扫速模式的线性离子阱，其特征在于，所述辅助结构采用导电材料，辅助结构与电极X2单元导通。

5.一种适用于高扫速模式的线性离子阱分析方法，采用权利要求1所述的适用于高扫速模式的线性离子阱，其特征在于，包括：

步骤1：射频信号施加于所述电极X部件与所述电极Y部件，激发信号以偶极形式施加于电极X部件；

步骤2：在高扫速模式下，通过调整所述电极X1单元与离子阱中心之间的距离rx，激发离子全部朝电极X2单元方向运动而发生出射，而并非由电极X1单元上的狭缝出射。

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