CN115527832A

CN115527832A - 一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法

Info

Publication number: CN115527832A
Application number: CN202211120157.9A
Authority: CN
Inventors: 钱翔; 丁欣悦; 余泉; 王晓浩
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2022-12-27

Abstract

一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法，包括如下步骤：S1、根据被隔离离子的运动频率确定SWIFT波形；S2、在所述SWIFT波形上叠加正弦波形得到SWIFTSIN隔离波形，其中所述正弦波形的频率对应被隔离离子临近离子的运动频率；S3、在质谱仪上施加所述SWIFTSIN隔离波形，其中，通过所述SWIFTSIN隔离波形中的所述SWIFT波形完成粗隔离过程，将距离目标离子较远质荷比的离子激发掉而留下目标离子及邻近质荷比的离子，其中，通过所述SWIFTSIN隔离波形中的所述正弦波形完成对被隔离离子临近离子的激发。该方法能够降低现场检测小型化质谱仪的空间电荷效应，有利提升谱图分辨率及提升仪器的定量分析能力，提升现场检测效率。

Description

一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法

技术领域

本发明涉及，特别是涉及一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法。

背景技术

质谱分析法是根据不同质荷比的离子在电场或磁场中运动状态的不同对物质进行分离检测的一类方法，其具有灵敏度高和响应速度快等特点，现已成为化学检测的“黄金标准”。质谱分析法在食品药品分析、爆炸物检测、毒品检测等方面应用广泛，发挥着越来越重要的作用。离子隔离技术是质谱法的一项关键技术，通过隔离特定质荷比的离子于质量分析器中，激发掉其他离子，能够降低质量分析器中的空间电荷效应，提高谱图的分辨率和信噪比，提升仪器的定量分析能力。同时质谱法的另一项关键技术串联质谱分析技术也往往需要预先完成离子隔离过程，通过隔离特定质荷比的离子而后进行碰撞诱导解离(Collision-induced dissociation，CID)，能够得到被隔离的前体离子的碎片信息，从而提高物质鉴别准确率。

离子隔离技术是辅助质谱分析的一项关键技术，离子隔离是对特定质荷比离子的不激发而对其他离子的激发，因此又可称为离子选择性激发技术。共振激发技术是一类被广泛使用的激发技术，通过施加包含一定频率成分的辅助交流激励信号，能够完成对具有相同运动频率成分的离子的选择性激发。目前所被广泛使用的一类选择性离子激发技术是存储波形逆傅里叶变换(Stored waveform inverse fourier transform，SWIFT)技术。在设计隔离波形前，首先计算出质量分析器中的离子的运动频率，然后从频域出发，设计矩形宽带幅度谱，该幅度谱包含一系列频率分量，这些频率分量对应不被隔离的离子的运动频率，用于完成对这些不被隔离离子的激发。而不包含希望被隔离的离子的运动频率，从而能够将其隔离在离子阱质量分析器中。在完成幅度谱的设计之后，配合二次相位调制技术，进行逆傅里叶变换得到隔离波形。

假设矩形幅度谱的幅度为A₀，对应的SWIFT波形可以表示为：

其中p(w)是二次相位函数，可以表示为：

其中w₀和w₁分别是波形的起始频率和终止频率，t₀到t₁是波形能量分布的主要时间区间。

图1为一个频率范围从0到600kHz，陷波带为220kHz到240kHz，周期为21ms，信号能量主要集中在0到15ms的信号。图1中的(a)、(b)、(c)分别为时域波形、幅度谱及时频图。

在特定的射频电压下，离子在质量分析器中的运动具有周期性，不同质荷比的离子具有不同的运动频率。施加如上图示辅助交流激励信号，在某一射频电压幅度下，运动频率位于220kHz到240kHz的离子不被激发，而运动频率位于其他频率范围的离子能够被激发，进而能够完成在该射频电压下，对运动频率位于220kHz到240kHz的离子的隔离。

SWIFT波形被广泛应用于质谱仪实现离子隔离，理论上可以通过增大射频电压使离子运动的运动频率间隔变大，以达到高分辨隔离的效果(这里的高分辨隔离指的是完成对被隔离离子质荷比附近离子的激发而不影响被隔离离子的强度)。但是对现场检测小型化质谱仪来说，仪器的体积限制了射频电压的幅值，而缩小的质量分析器带来的空间电荷效应也会给隔离带来负面影响。SWIFT波形在应用于现场检测小型化质谱仪时，实现高分辨隔离显得力不从心，通过简单缩小陷波带宽度及增大陷波带边缘频率分量的幅度都会使被隔离离子的强度受到损失。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法，包括如下步骤：

S1、根据被隔离离子的运动频率确定SWIFT波形；

S2、在所述SWIFT波形上叠加正弦波形得到SWIFTSIN隔离波形，其中所述正弦波形的频率对应被隔离离子临近离子的运动频率；

S3、在质谱仪上施加所述SWIFTSIN隔离波形，其中，通过所述SWIFTSIN隔离波形中的所述SWIFT波形完成粗隔离过程，将距离目标离子较远质荷比的离子激发掉而留下目标离子及邻近质荷比的离子，其中，通过所述SWIFTSIN隔离波形中的所述正弦波形完成对被隔离离子临近离子的激发。

进一步地：

所述SWIFT波形的陷波带的宽度大于一个质荷比。

所述SWIFT波形的陷波带的宽度为3-5个质荷比。

步骤S3中，在所述SWIFT波形完成粗隔离之后，再施加所述正弦波形完成细隔离过程。

所述SWIFT波形的相位参数经调节以将波形的能量压缩在周期的前半部分，在后半部分叠加所述正弦波形。

所述正弦波形的长度及幅度根据被激发离子的强度可调，其中幅度远低于所述SWIFT波形的幅度。

当隔离某一个质荷比的离子时，叠加的所述正弦波形包含两个频率分量，所述两个频率分量分别对应被隔离的离子±1质荷比离子的运动频率。

当同时隔离多个不相邻质荷比离子时，叠加的所述正弦波形的频率分量根据被激发的离子的质荷比确定。

所述质谱仪为现场检测小型化质谱仪。

一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时，实现所述的方法。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种适用于现场检测小型化质谱仪的高分辨隔离方法，该方法可以在不改变仪器现有结构及不增加隔离波形长度的条件下实现单个质荷比的离子隔离，简化次级质谱，便于提高样品离子现场鉴别速率。同时，高分辨隔离后碰撞诱导解离便于使碎片离子与前体离子更直接建立对应关系，便于建立前体离子的裂解途径。本发明的离子隔离方法对于降低离子阱质量分析器的空间电荷效应的作用是显著的，该高分辨隔离方法能够降低现场检测小型化质谱仪的空间电荷效应，在实现不相邻多质荷比离子隔离时，对提升谱图分辨率及提升仪器的定量分析能力是有利的，可提升现场检测效率。本发明的高分辨隔离方法特别有利于提升现场检测小型化质谱仪的分析性能。

本发明的高分辨的离子隔离方法使单位质量隔离分辨能够在现场检测小型质谱仪上实现，能够简化次级谱图，提升物质鉴别速率。通过隔离前体离子的单个同位素进行串联质谱分析有助于推测碎片离子的分子式，获得前体离子的裂解途径。

附图说明

图1为频率范围0～600kHz，陷波带频率为220kHz～240kHz的SWIFT信号。

图2为本发明实施例的SWIFTSIN波形生成流程图。

图3为本发明实施例的频率范围为0～600kHz，陷波带频率为220kHz～240kHz，补充正弦频率为229.2kHz的SWIFT信号。

图4为本发明实施例的0.1ms，3V₀作用条件下不同频率的激发效率(a)与5ms，0.2V₀作用条件下不同频率的激发效率(b)。

图5为本发明实施例的全扫谱图(a)(内部为粗隔离后的谱图)，激发掉m/z 357离子后谱图(b)，隔离m/z 358离子后的谱图(c)，粗隔离后CID谱图(d)及隔离m/z 358离子后CID谱图(e)。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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实施例和简化描述，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例提供一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法，包括如下步骤：

根据被隔离离子的运动频率确定SWIFT波形；

在所述SWIFT波形上叠加正弦波形得到SWIFTSIN隔离波形，其中所述正弦波形的频率对应被隔离离子临近离子的运动频率；

在质谱仪上施加所述SWIFTSIN隔离波形，其中，通过所述SWIFTSIN隔离波形中的所述SWIFT波形完成粗隔离过程，将距离目标离子较远质荷比的离子激发掉而留下目标离子及邻近质荷比的离子，其中，通过所述SWIFTSIN隔离波形中的所述正弦波形完成对被隔离离子临近离子的激发。

在优选的实施例中，在所述SWIFT波形完成粗隔离之后，再施加所述正弦波形完成细隔离过程。所述SWIFT波形的相位参数经调节以将波形的能量压缩在周期的前半部分，在后半部分叠加所述正弦波形。

本发明实施例的方法尤其适用于现场检测小型化质谱仪，可以在不改变仪器现有结构及不增加隔离波形长度的条件下实现单个质荷比的离子隔离，简化次级质谱，便于提高样品离子现场鉴别速率。同时，高分辨隔离后碰撞诱导解离便于使碎片离子与前体离子更直接建立对应关系，便于建立前体离子的裂解途径。本发明的离子隔离方法对于降低离子阱质量分析器的空间电荷效应的作用是显著的，该高分辨隔离方法能够降低现场检测小型化质谱仪的空间电荷效应，在实现不相邻多质荷比离子隔离时，对提升谱图分辨率及提升仪器的定量分析能力是有利的，可提升现场检测效率。本发明的高分辨隔离方法特别有利于提升现场检测小型化质谱仪的分析性能。

以下进一步描述本发明具体实施例。

高分辨隔离波形SWIFTSIN波形的基本原理

为实现高分辨的隔离效果，设计了SWIFTSIN隔离波形，该隔离波形是在SWIFT波形的基础上，通过叠加一个或多个频率分量的能量实现的。具体来讲，SWIFT波形用于完成粗隔离过程，粗隔离指的是将距离目标离子较远质荷比的离子激发掉，而留下目标离子及邻近质荷比的离子。而SIN波形指的是所叠加的正弦波形，该正弦波形的频率对应被隔离离子临近离子的运动频率，用于完成对被隔离离子临近离子的激发。

需要注意的是，当质谱仪的离子阱质量分析器中存储较多的离子时，由于空间电荷效应的影响，离子的运动频率会发生偏移，同时，空间电荷效应的存在还会改变离子运动轨迹，导致质量偏移，分辨率下降等。SWIFT波形的陷波带设置较宽，优选大于一个质荷比，用于完成离子的粗隔离过程，此时空间电荷效应的影响是不明显的，但在利用叠加的正弦频率分量试图去进一步激发被隔离离子临近质荷比的离子时，叠加的频率与离子阱内离子的实际运动频率尽可能地接近以便实现对被隔离离子临近离子的完全激发，而不造成对被隔离离子的误激发。因此，优选在SWIFT波形隔离完成粗隔离之后再施加正弦波形完成细隔离过程。

生成高分辨隔离波形SWIFTSIN波形

图2示出了一个实施例的SWIFTSIN波形生成流程，首先确定被隔离离子的运动频率，设计SWIFT波形，再在SWIFT波形后补充正弦激发过程。在流程图中，波形长度影响的是隔离信号的分辨率。为了达到较好的隔离效果，一般长度越长越有优势，但是在实际隔离时信号长度无需过大，满足隔离要求的情况下长度越小越好(节省时序时间)，SWIFT波形与SIN波形的最优长度可以根据仪器具体状态做预实验确定。

首先，计算被隔离离子的运动频率，设计SWIFT波形。为了完成对其他不被隔离离子的完全激发，SWIFT波形不为0的频率分量可被赋予较大的幅度(如2.5V₀)，而为了避免被隔离离子运动频率临近频率分量的能量对该隔离离子造成误激发，设置较宽的陷波带(优选为3-5个质荷比的宽度)。为了在添加正弦波形激发过程后不增加隔离波形的长度且不降低SWIFT波形带宽及分辨率，选择调节SWIFT波形的相位参数，将波形的能量压缩在周期的前半部分(如图1，隔离波形周期为21ms，但能量主要集中在前15ms)。然后在后半部分叠加一段正弦波形，叠加的正弦波长度及幅度根据被激发离子的强度可调，但幅度远低于SWIFT波形的强度(如长度为5ms，幅度为0.25V₀的正弦波可用来完成对强度为500mV的离子m/z357的激发，而不影响其周围离子的强度)，用来实现对目标离子临近质荷比离子的精细激发。当隔离某一个质荷比的离子时，叠加的正弦波形优选包含两个频率分量，这两个频率分量分别对应被隔离的离子±1质荷比离子的运动频率，当同时隔离多个不相邻质荷比离子时，叠加的频率分量根据被激发的离子的质荷比确定。

图3是一段SWIFTSIN波形，该波形的频率范围为0～600kHz，陷波带为220kHz～240kHz，在SWIFT波形的后半段补充了一段5ms的正弦波形，该正弦波的频率为229.2kHz。

SWIFTSIN波形中SIN波形的高分辨激发原理

补充的正弦波形之所以能够对被隔离离子临近质荷比的离子进行激发而不对被隔离离子造成误激发的原因是相比SWIFT波形中的每一个频率分量，补充的正弦波在对离子进行激发时，补充的每一个频率的作用时间被延长而作用强度被减弱。这造成了一个结果，即该频率的激发分辨率是更高的，这里的激发分辨率高可以理解为对M离子的激发效率显著高于对M-1离子和M+1离子的激发效率。

图4分别示出不同作用时间及作用强度下的正弦波对吡格列酮离子(m/z 357，两个同位素离子分别为m/z 358与m/z 359)的激发效果。其中左图的每个频率分量作用时间为0.1ms，强度为3V₀，右图每个频率分量的作用时间为5ms，强度为0.2V₀。在右图中，199kHz的频率作用下，m/z 358离子的激发效率达到90％以上，而离子m/z 357的激发效率不足20％，而在左图中199kHz的频率作用下，3个相邻质荷比离子的激发效率都达到了90％以上，因此可以说右图的作用方式对离子激发的分辨率更高。

SWIFTSIN波形单位质量隔离效果

SWIFTSIN波形高分辨隔离能力能够体现在单位质量隔离，图5示出利用SWIFTSIN波形隔离离子m/z 358的结果。实验样品为罗通定、罗格列酮、盐酸二氧丙嗪及瑞格列奈的混合物，混合后每种物质最终浓度为1ppm，溶剂为纯甲醇溶液。图5中(a)为全扫描质谱图，在各样品质荷比处出现了较为明显的信号峰，其中罗通定和罗格列酮处的信号峰分辨率较差。隔离波形SWIFT的频率范围为0～600kHz，陷波带227kHz～231kHz，波形强度为2.5V₀，周期为21ms。图5中(a)内侧图是粗隔离之后的信号峰，可以看出，隔离之后罗通定及罗格列酮的谱图信号分辨得到明显改善，罗通定及罗格列酮的同位素峰出现。图5中(b)为在(a)的条件下叠加了长度为5ms，强度为0.27V₀，频率为229.2kHz的正弦波波形之后的隔离效果，可以看出，在229.2kHz频率的作用下，m/z 357的离子被激发掉，m/z 356与m/z 358的离子强度不变，说明SWIFTSIN波形实现了对m/z 357离子的精细激发。图5中(c)～(d)显示的是高分辨隔离之后次级谱图的简化。SWIFTSIN波形在原SWIFT波形的基础上叠加了4个长度为5ms的正弦波，频率分别为230kHz，229.2kHz，227.8kHz和227.2kHz，幅度分别为0.23V₀，0.12V₀，0.12V₀和0.23V₀，分别用来激发质荷比为356、357、359、360的离子，图(c)显示的是隔离前及隔离后的谱图，可以看到隔离后离子阱只剩m/z 358的离子。图5中(d)和(e)展示了SWIFT隔离后与SWIFTSIN隔离后作二级质谱的结果，可以看到，相比图5中(d)，图5中(e)中罗通定的碎片离子消失，同时图5中(e)内侧展示的是在SWIFTSIN隔离后罗格列酮的碎片离子同位素消失，因为在SWIFTSIN隔离时将罗格利酮m/z 359的同位素离子激发掉，因此隔离后再做次级质谱，碎片只包含m/z 358离子的碎片而不包含m/z 359离子的碎片。综合以上说明隔离到的确实是m/z 358的离子。

本领域技术人员应理解，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims

1.一种用于质谱仪的高分辨隔离目标离子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据被隔离离子的运动频率确定SWIFT波形；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SWIFT波形的陷波带的宽度大于一个质荷比。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述SWIFT波形的陷波带的宽度为3-5个质荷比。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中，在所述SWIFT波形完成粗隔离之后，再施加所述正弦波形完成细隔离过程。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述SWIFT波形的相位参数经调节以将波形的能量压缩在周期的前半部分，在后半部分叠加所述正弦波形。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述正弦波形的长度及幅度根据被激发离子的强度可调，其中幅度远低于所述SWIFT波形的幅度。

7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，当隔离某一个质荷比的离子时，叠加的所述正弦波形包含两个频率分量，所述两个频率分量分别对应被隔离的离子±1质荷比离子的运动频率。

8.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，当同时隔离多个不相邻质荷比离子时，叠加的所述正弦波形的频率分量根据被激发的离子的质荷比确定。

9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述质谱仪为现场检测小型化质谱仪。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时，实现如权利要求1至9任一项所述的方法。