CN115910745A - 串联质谱的轴向加速碰撞池及其电控方法 - Google Patents

Abstract

本发明串联质谱的轴向加速碰撞池及其电控方法，该撞池由绝缘外腔围成相对封闭的空间，碰撞池的前端设置有入口电极，后端设置有出口电极，碰撞池内沿其轴向方向上设置有非均匀变化轴向直流加速电场，轴向加速场场强线性变小。本发明通过改变传统碰撞池的轴向加速电场构建方法，将场强均一的加速电场变为非均一的形式，沿着碰撞池轴向方向，加速电场场强线性降低，同时在轴向方向上，额外施加一个加速电场，用于补偿离子的动能，减小通过碰撞池的时间。场强线性变化的加速电场，碰撞池的轴向方向上动能逐渐降低，使轴向方向上离子被施加的电场和本身的动能匹配，提高离子传输效率，保持较低的通道串扰率。

Description

串联质谱的轴向加速碰撞池及其电控方法

技术领域

本发明属于质谱分析技术领域，具体涉及一种串联质谱的轴向加速碰撞池及其电控方法。

背景技术

串联质谱中碰撞池是用作母离子碰撞反应的场所，通过分析碰撞反应后生成的子离子的信息，可得到母离子的定性及定量信息。碰撞反应需要通入碰撞气，一般工作气压在mtorr量级，另外需要考虑碰撞池内离子的串扰问题。基于上面两个问题，现有的碰撞池技术一般需要引入射频电场约束离子在碰撞池内的径向运动，即碰撞冷却聚焦，降低离子的径向动能；引入轴向直流加速电场降低离子通过碰撞池的时间，提高离子轴向动能。

碰撞池内，通入碰撞气后气压提高，一般来说直流电场难以约束离子，离子运动的平均自由程较短，易碰撞湮灭。因此，现有的碰撞池技术几乎都是采用射频电场的方式约束离子，比如多极杆碰撞池、电极环碰撞池等。有文献表明，碰撞池内的一定低压环境可提高离子的碰撞冷却效果，碰撞池内的离子径向方向上动能大大降低，同时轴向方向上动能也一定程度上减小。在串联质谱进行多通道工作模式，轴向方向上离子的动能会影响离子通过碰撞池的时间，导致相邻通道存在一定程度的串扰，因此现有的串联质谱都关注了碰撞池的轴向加速技术。

现有的轴向加速技术通过施加一个静电压在碰撞池轴向方向上产生一个梯度电场。比如，AB SCIEX公司的LINAC技术，通过使用特殊结构的电极杆、电极杆倾斜安装或者增加辅助杆等方式构建轴向直流加速电场；加拿大公司IONICS公司通过碰撞池屏蔽罩上的静电压和倾斜多极杆上的静电压叠加在轴线上形成电势梯度；Agilent等构建了弯曲的碰撞池。以上已经商业化的碰撞池设计均采用的是均匀的直流加速电场，关注的是降低离子通过碰撞池的时间，并没有过多关注灵敏度的提高。

碰撞池内存在一个问题，离子在碰撞池内与碰撞气碰撞实现冷却，必须以一定的速度前进，为了降低通过时间，需要提供一个轴向加速电场，但是，当离子通过碰撞得到充分冷却后离子束聚集于碰撞池中心线附近时，仍然强制给予离子束一个相同大小的加速电场，可能会导致离子束发散，具有径向方向的速度分量，即可能导致离开碰撞池的离子数减少。因此，在确保离子通过碰撞池时间的同时进一步提高离子通过碰撞池的数量成为本申请亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明设计的目的在于提供一种串联质谱的轴向加速碰撞池及其电控方法，该碰撞池区别于传统碰撞池的是轴向加速电场的构建，传统的碰撞池采用均匀的轴向加速直流电场引导离子快速通过碰撞池，降低MRM通道的串扰率，而该类碰撞池很少关注离子的传输效率问题，单一的加速电场易导致离子碰撞冷却聚焦后再发散，从而影响仪器灵敏度。本发明的碰撞池通过一定的方法构建了非均匀的轴向加速直流电场，沿着碰撞池的轴向方向上，离子动能逐渐降低，加速电场场强逐渐降低，即整个轴向方向上离子被施加的电场和本身的动能匹配，不会导致离子汇聚后再发散，因此离子传输效率相对提高。另一方面，由于非均匀轴向加速场的电势差与传统的碰撞池一样，故不会影响离子通过碰撞池的时间，可以同时保持较低的通道串扰率。

具体通过以下技术方案加以实现：

串联质谱的轴向加速碰撞池，该碰撞池由绝缘外腔围成一个相对封闭的空间，碰撞池的前端设置有带碰撞池入口的入口电极，碰撞池的后端设置有带碰撞池出口的出口电极，绝缘外腔或入口电极或出口电极上开设有碰撞气入口，碰撞池内沿其轴向方向上设置有轴向直流加速电场，所述轴向直流加速电场非均匀变化，轴向加速场场强线性变小。

进一步地，轴向直流加速电场通过一些列平板电极构建，平板电极包括始位平板电极、末位平板电极和中间电极，相邻平板电极之间通过绝缘材质的垫片隔开，相邻电极间的间距相等，平板电极的数量不限。

进一步地，所述轴向直流加速电场通过分区电极板构建，碰撞池内设置多个区域，统一区域内的平板电极的端点电压值均匀降低，场强均一，相邻区域间场强降低。

进一步地，所述轴向直流加速电场通过多极杆电极构建，多极杆电极包括始位杆电极、末位杆电极及中间极杆电极，正负极性射频电压分别施加到多极杆的相邻极杆，直流电压施加到多级杆的每个极杆，每组极杆施加不同的直流电压。

进一步地，所述碰撞池还包括射频电场、用于给轴向直流加速电场提供直流电压及给射频电场提供射频电压的电源模块，所述射频电压分为正极性RF+和负极性RF-,相邻平板电极施加极性相反的射频电压，射频电压通过电容耦合到所有平板电极。

串联质谱的轴向加速碰撞池的电控方法，具体为：从始位平板电极向末位平板电极的方向的加速场具有非均匀性，相邻电极间通过阻值不同的电阻进行分压，使每个平板电极的接线端具有非均匀降低的电压值，而相邻的两对电极间的电场强度呈现线性降低的趋势。

进一步地，非均匀性的构建可通过等差值或者等比值的电阻构建，或者其他形式的电阻分布方案构建，电极电压与碰撞池轴向位置呈多项式函数关系，场强与轴向位置的关系与电阻构建有关，等差值电阻时呈线性关系，等比值电阻时呈非线性关系。

上述单个平板电极的施加电压不限于通过电阻分压获得，也可通过单独给每个电极施加直流电压，或者其他所有可实施的直流电压施加方案；轴向直流加速电场的电势差一般为1~2V，具体的值与碰撞池的轴向长度、离子的初始动能等因素有关，该专利包括但不限于该范围。

进一步地，加速电场与串联质谱分析的离子性质有关，当分析正离子时，场强降低，分析负离子时，场强则增大。

串联质谱的轴向加速碰撞池的工作方法，包括以下步骤：

1）样品通过外部的进样系统，导入大气压离子源1电离产生离子，离子在电场的引导下通过气帘板，气帘板2和采样锥之间通入热的反吹气，降低中性分子和溶剂进入质谱真空；

2）离子穿过采样锥和截取锥进入第一级传输系统6，施加射频电场提高相对高气压下的离子传输效率；

3）离子穿过第一差分电极7进入第二传输系统8，其工作的气压相对较低，离子的发散较小，传输效率要大于第一级传输系统，因此，离子通过两级的传输系统聚焦后，穿过第二差分电极9正式进入质谱质量分析器；

4）离子首先进入第一个质量分析器，在MRM模式分析中，通过射频质量选择电压筛选一个特定质量的离子进入碰撞池，而排除其他质量的离子，碰撞池内通入一定量的碰撞气，离子在碰撞池内与碰撞气发生碰撞诱导解离，形成一些低质量的子离子；

5）然后子离子和部分未电离的母离子离开碰撞池进入第二个质量分析器，该质量分析器通过固定一定的射频电压和质量选择直流电压，筛选单个的子离子，子离子穿过检测器入口电极17进入检测器18，得到子离子的信号。

本申请构建的碰撞池加速电场，结合碰撞冷却和射频电场，满足离子轴向加速，且提高离子在碰撞池的传输效率。本申请碰撞池不同于传统碰撞池，通过采用轴向加速场非均匀变化，沿着碰撞池轴向方向，轴向加速场场强线性减小，即离子碰撞池，随着碰撞冷却聚焦，离子越靠近碰撞池出口，径向方向上越靠近中心轴线，动能减小，配置的轴向加速场场强也逐步减小，使得离子在整个轴向方向上束径逐渐收敛，直至离子碰撞池也保持不发散，以较理想的汇聚进入Q3。由于轴向加速场不变，不影响离子离开碰撞池的时间，可同时满足轴向加速和离子束高度汇聚。

本发明通过改变传统碰撞池的轴向加速电场构建方法，将场强均一的加速电场变为非均一的形式，沿着碰撞池轴向方向，加速电场场强线性降低。离子与碰撞气发生碰撞反应，径向方向上受到射频电场的约束，动能降低，轴向方向上离子动能也同步会降低。故在轴向方向上，需要额外施加一个加速电场，用于补偿离子的动能，减小通过碰撞池的时间。传统的恒定场强的加速电场会导致轴向方向上已经被冷却汇聚的离子被强制加速而发散，采用场强线性变化的加速电场，沿着碰撞池的轴向方向上，动能逐渐降低，加速电场场强逐渐降低，即整个轴向方向上离子被施加的电场和本身的动能匹配，不会导致离子汇聚后再发散，因此离子传输效率相对提高。另一方面，由于非均匀轴向加速场的电势差与传统的碰撞池一样，故不会影响离子通过碰撞池的时间，可以同时保持较低的通道串扰率。

附图说明

图1为本发明的基于电极板的碰撞池结构示意图和电气连接图；

图2为本发明的碰撞池的非均匀轴向加速场；

图3为本发明的基于分区电极板的碰撞池结构示意图和电气连接图；

图4为本发明的基于分段四极杆的碰撞池结构示意图和电气连接图；

图5为基于本发明碰撞池的串联质谱系统结构示意图；

图中，1-大气压离子源，2-气帘锥，3-反吹气，4-采样锥，5-萃取锥，6-第一级传输系统，7-第一差分电极，8-第二级传输系统，9-第二差分电极，10—Q1前预杆，11- Q1主杆，12- Q1后预杆，13-碰撞池，1301-入口电极，1302-始位平板电极，1303-绝缘外腔，1304碰撞气入口，1305-末位平板电极，1306-出口电极，1307-碰撞池入口，1308-碰撞池中心轴线，1309-碰撞池出口，1310-始位杆电极，1311-末位杆电极，14-碰撞气，15-Q3前预杆，16-Q3主杆，17-检测器入口电极，18-检测器。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述，以便更好地理解本技术方案。

如图1所示，基于电极板的碰撞池的结构示意和电气连接图。碰撞池13整体由一个相对封闭的空间组成，碰撞池入口电极1301和出口电极1306分别提供母离子的进入通道和子离子的离开通道，碰撞池绝缘外腔1303隔绝碰撞池内部与质量分析器所在的真空环境，碰撞反应气通过碰撞气入口1304导入，碰撞气入口1304的位置不限制，可以在碰撞池13的绝缘外腔1303上，也可以安装在入口电极1301和出口电极1306上。碰撞池13内由若干中间带孔的金属平板电极组成，相邻平板电极之间通过绝缘材质的垫片隔开，相邻电极间的间距相等。

母离子由前一个质量分析器筛选后穿过碰撞池入口1307进入碰撞池内，该碰撞池的入口电极1301和出口电极1306施加直流电压，这两个直流电压与碰撞池前后分布的质量分析器有关，入口电极1301引导母离子进入碰撞池参与碰撞反应，决定了母离子进入碰撞池13的初始动能，出口电极1306引导子离子离开碰撞池13进入后端的质量分析器，决定了子离子进入后端质量分析器的初始动能。

碰撞池13内，碰撞气的导入构建了低真空环境，通过在平板电极构成的空间内设置射频电场，约束离子在低真空环境下的运动。母离子在与碰撞气发生碰撞反应的过程中，离子动能逐渐降低，在射频电场的作用下离子运动轨迹逐渐向碰撞池中心轴线1309靠近。这里，对于平板电极构成的碰撞池，射频电压分为正极性RF+和负极性RF-，相邻平板电极施加极性相反的射频电压，射频电压通过电容耦合到所有平板电极，即在碰撞池的径向方向上约束了离子的扩散。母离子碎裂产生子离子，子离子的动能径向方向上缉逐渐减小，同样，轴向方向上也会减小，因此，为了减小离子通过碰撞池的时间，需要有额外的措施补偿离子的轴向动能。这里，采用轴向直流电场加速的方法解决该问题，在始位平板电极1302和末位平板电极1305各施加一个直流电压，分别记为 U ₁ 和 U ₂ ，则整个碰撞池的轴向加速电势差为ΔU=  U ₁ - U ₂ ，中间电极间通过电阻进行分压，即沿着轴向方向上构建了一个直流加速电场。和传统的碰撞池不同，该直流加速电场的场强不均一，即相邻平板电极间的电势差不同。由于离子沿着碰撞池轴向方向上动能逐渐降低，匹配同步降低的轴向加速电场，这里电阻的阻值要求呈现一定的规律，以20片平板电极构建的碰撞池13，分压电阻阻值可以是等差分布，此时轴向加速场的场强沿轴向方向线性降低；或者分压电阻阻值呈等比分布，此时轴向加速场的场强呈下降趋势，但是是非线性的。另外，能形成场强逐步降低的加速电场的其他分压电阻分布形式，也属于本专利的保护范围。单个电极的施加电压不限于通过电阻分压获得，也可通过单独给每个电极施加直流电压，或者其他所有可实施的直流电压施加方案。

图2为碰撞池的非均匀轴向加速场分布图，设定始位平板电极的电压为 U ₁ ，末位平板电极的电压为 U ₂ ，则电势差为ΔU=  U ₁ - U ₂ 。对比一般的碰撞池轴向加速电场，其轴向加速场电压呈非线性变化，设定始位平板电极1302和末位平板电极1305电压值，对于正离子，即在轴向上得到了一个具有一定电势差的加速场，分压电阻值采用等差分布，得到加速场电压变化拟合曲线方程为 V = A x ²+B x +C，对应的场强变化 E = 2A+B，这里A，B，C是曲线方程系数和常数， x为碰撞池的轴向位置。本申请中说明了最常见的一种电阻分压方式对应的加速电场曲线，其他类似，不再赘述。

以上是本申请的基本结构描述。基于此，可以进行变换，如图3所示为基于分区电极板的碰撞池结构示意图和电气连接图，即非均匀特征不仅限于沿着碰撞池轴向整体非均匀，可以是区域非均匀性，例如整个碰撞池分为N个区域，每个区域的长度可以相同，也可以不同，一个区域内平板电极的端点电压值均匀降低，也就是场强均一，相邻区域间场强降低。

对于本发明中描述的碰撞池，射频电场和轴向加速电场的负载包括但不限于金属平板电极，可以是多极杆，如图4所示为基于分段四极杆的碰撞池结构，其中1310为始位杆电极，1311为末位杆电极。此时正负极性射频电压± U _RF *sin( ωt)分别施加到多极杆的相邻极杆，直流电压施加到多极杆的每个极杆，每组极杆施加不同的直流电压 U _i ，电压施加方式同平板电极，即可实现类似的作用。

对于本发明中描述的碰撞池，同样需要考虑一下离子通过碰撞池的时间。母离子在碰撞池内与碰撞气发生碰撞反应后，碎裂成小质量的碎片子离子，小质量数的碎片子离子在飞出碰撞池的过程中会继续与反应气碰撞，能量逐渐减小，速度也逐渐降低，动能降低，如果没有足够的能量很可能无法飞出碰撞池，或者在碰撞池内停留时间过长影响下一个通道的信号，造成假阳性的情况出现（即串扰问题）。

同时本发明还需要考虑具体的离子通过时间。子离子在碰撞池内的通过时间可以按照如下过程计算，假设母离子质量为 m _p ，子离子质量为 m _s ，母离子进入碰撞池后能量为 E _p ，子离子所带电荷为 ze， z是电荷数， e是单位电荷，子离子在碰撞池内飞行距离为 x（最长为碰撞池的长度 L）。由于本发明中碰撞池的轴向加速电场场强会变化，因此采用场强 E来计算各点的电势差。首先可以计算子离子的初始能量为：

则子离子到达碰撞池出口时能量为：

则子离在碰撞池内的通过时间为：

从上式可以看出碰撞池入口出口电势差越大，子离子在碰撞池内的通过时间越短。另外，在碰撞池长度不变且母离子初始动能一定的情况下，通过时间只与加速电场的电势差有关，虽然场强在加速电场中一直变化，但碰撞池的整体电势差与传统碰撞池一致，故离子通过时间不变化。

具体应用实例

图5为适配碰撞池13的串联质谱原理图，该图仅作为一个具体实例说明碰撞池在整个串联质谱中的工作机制，对碰撞池适用于某类串联质谱不做限制。样品通过外部的进样系统，比如液相色谱，导入大气压离子源1电离产生离子，离子在电场的引导下通过气帘板，气帘板2和采样锥之间通入热的反吹气，降低中性分子和溶剂进入质谱真空。然后离子穿过采样锥和截取锥进入第一级传输系统6，该部分一般采用多极杆或者离子漏斗等，施加射频电场提高相对高气压下的离子传输效率。离子穿过第一差分电极7进入第二传输系统8，该部分也一般采用多极杆或者离子漏斗等传输组件，其工作的气压相对较低，离子的发散较小，传输效率要大于第一级传输系统。因此，离子通过两级的传输系统聚焦后，穿过第二差分电极9正式进入质谱质量分析器。图5中，通过三重四极杆串联质谱说明问题，以该类质谱常见的多反应监测（MRM）模式为例，离子首先进入第一个四极杆质量分析器，该质量分析器包括Q1前预杆10，Q1主杆11和Q1后预杆12，其中前后预杆用于离子引导，无质量分析作用，Q1主杆11可用于离子质量分析或者离子引导。在MRM模式分析中，Q1主杆11通过射频质量选择电压筛选一个特定质量的离子进入碰撞池13，而排除其他质量的离子。碰撞池13内通入一定量的碰撞气，离子在碰撞池13内与碰撞气发生碰撞诱导解离，形成一些低质量的子离子。然后子离子和部分未电离的母离子离开碰撞池进入第二个四极杆质量分析器，该质量分析器包括Q3前预杆15和Q3主杆16，Q3主杆通过固定一定的射频电压和质量选择直流电压，筛选单个的子离子，子离子穿过检测器入口电极17进入检测器18，得到子离子的信号。由于MRM工作模式一般是多组离子对按顺序进行分析，相邻离子对进入碰撞池可能会造成信号串扰，故碰撞池技术一般需要考虑离子通过时间，结果需要权衡离子串扰问题和离子有效碰撞，保证低串扰和高的碰撞效率。通过本发明的碰撞池技术，可在保证低串扰率的同时提高离子传输效率。

Claims (8)

1.串联质谱的轴向加速碰撞池，该碰撞池由绝缘外腔围成一个相对封闭的空间，碰撞池的前端设置有带碰撞池入口的入口电极，碰撞池的后端设置有带碰撞池出口的出口电极，绝缘外腔或入口电极或出口电极上开设有碰撞气入口，其特征在于所述碰撞池内沿其轴向方向上设置有轴向直流加速电场，所述轴向直流加速电场非均匀变化，轴向加速场场强线性变小。

2.如权利要求1所述的串联质谱的轴向加速碰撞池，其特征在于所述轴向直流加速电场通过一些列平板电极构建，平板电极包括始位平板电极、末位平板电极和中间电极，相邻平板电极之间通过绝缘材质的垫片隔开，相邻电极间的间距相等，平板电极的数量不限。

3.如权利要求1所述的串联质谱的轴向加速碰撞池，其特征在于所述轴向直流加速电场通过分区电极板构建，碰撞池内设置多个区域，统一区域内的平板电极的端点电压值均匀降低，场强均一，相邻区域间场强降低。

4.如权利要求1所述的串联质谱的轴向加速碰撞池，其特征在于所述轴向直流加速电场通过多极杆电极构建，多极杆电极包括始位杆电极、末位杆电极及中间极杆电极，正负极性射频电压分别施加到多极杆的相邻极杆，直流电压施加到多级杆的每个极杆，每组极杆施加不同的直流电压。

5.如权利要求1所述的串联质谱的轴向加速碰撞池，其特征在于所述碰撞池还包括射频电场、用于给轴向直流加速电场提供直流电压及给射频电场提供射频电压的电源模块，所述射频电压分为正极性RF+和负极性RF-,相邻平板电极施加极性相反的射频电压，射频电压通过电容耦合到所有平板电极。

6.串联质谱的轴向加速碰撞池的电控方法，其特征在于该电控方法具体为：从始位平板电极向末位平板电极的方向的加速场具有非均匀性，相邻电极间通过阻值不同的电阻进行分压，使每个平板电极的接线端具有非均匀降低的电压值，而相邻的两对电极间的电场强度呈现线性降低的趋势。

7.如权利要求6所述的串联质谱的轴向加速碰撞池的电控方法，其特征在于非均匀性的构建可通过等差值或者等比值的电阻构建，或者其他形式的电阻分布方案构建，电极电压与碰撞池轴向位置呈多项式函数关系，场强与轴向位置的关系与电阻构建有关，等差值电阻时呈线性关系，等比值电阻时呈非线性关系。

8.如权利要求6所述的串联质谱的轴向加速碰撞池的电控方法，其特征在于加速电场与串联质谱分析的离子性质有关，当分析正离子时，场强降低，分析负离子时，场强则增大。

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