CN117330623A - 一种囚禁离子的物质检测方法与检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学质谱仪技术领域，公开了一种囚禁离子的物质检测方法与检测装置，所述装置包括离子源；离子传输装置；用于囚禁待测样品离子的离子阱；用于发射多个波长光信号的多波长光源；用于探测经过离子阱囚禁的待测样品离子吸收后多波长光信号的单光子探测模块；用于检测从离子阱出射的分离后待测样品离子的检测器；用于吸收光谱分析和质谱分析的数据分析模块。与现有技术相比，本发明提通过对囚禁离子进行质谱分析，结合多波长单光子级光信号照射并进行剩余光强探测，能够将通过荷质比分析无法分辨的物质成分利用光谱吸收差异进行分辨，实现高分辨率的物质成分分析，采用单光子探测模块进行探测可以对微量的成分实现极高的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光学质谱仪技术领域，特别涉及一种囚禁离子的物质检测方法与检测装置。
背景技术
质谱仪是一种用于定性和定量分析测量各种气体、液体和固体中所有化学成分和生物成份分析的最主要科学仪器，是目前分析仪器中的最尖端产品之一，被广泛地用于食品卫生、环境保护、国土安全、医疗诊断以及传统的物理、化学、地质、冶金、考古、天文等科研领域。质谱分析法作为分析方法的一种，在物质分析及成分鉴定中具有非常高的灵敏度和质量分辨能力。传统的质谱分析方法是把被测试的物质电离成气相离子，使用电场或 磁场将离子按质荷的大小不同进行分离，进而可以进行成分分析。然而，这种方法无法分辨荷质比相同或非常相近的物质，如和/>的荷质比分别为28.006和27.995，传统的质谱分析方法无法进行分辨，因此限制了其应用场景。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种囚禁离子的物质检测方法与检测装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种囚禁离子的物质检测方法，包括如下步骤：
S1：将待测样品通过离子源进行离子化处理得到多个待测离子；
S2：通过离子传输装置将多个所述待测离子传输到离子阱内；
S3：设定离子阱电极的射频电压和频率条件，将多个所述待测离子在离子阱中进行囚禁；
S4：使用包含不同波长的具有已知光强的光源照射囚禁的待测离子；
S5：使用单光子级探测模块探测通过囚禁的待测离子后的不同波长光信号的光强；
S6：通过分析不同波长光信号的光强变化确定待测样品的物质成分；
S7：改变离子阱射频电压，使囚禁的待测离子按照荷质比由低到高的顺序被弹出阱外进行检测，完成质谱分析。
优选地，步骤S4中所述波长与荷质比相同或相近的多种待测物质本征吸收光谱分别对应。
优选地，步骤S4中光源的光强为单光子量级。
优选地，步骤S4中不同波长的光源通过可调谐滤波器过滤单个宽谱激光光源获得，通过调节可调谐滤波器，依次输出一种特定波长的光信号。
优选地，步骤S4中不同波长的光源通过集成多个不同中心波长的激光光源获得，依次触发一个激光光源，输出一种特定波长的光信号。
优选地，步骤S4使用宽谱光源照射囚禁的待测离子后通过波分复用将不同波长光信号进行分离。
优选地，步骤S5中单光子级探测模块为探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的单光子探测器。
优选地，步骤S5中单光子级探测模块探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的高灵敏度平衡探测器。
优选地，步骤S5中单光子级探测模块为探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的单光子探测器阵列。
优选地，步骤S5中单光子级探测模块探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的高灵敏度平衡探测器阵列。
本发明还公开了一种囚禁离子的物质检测装置，包括用于输入待测样品的进样系统；
用于将待测样品进行离子化的离子源；
用于将待测样品离子聚焦、传输、加速的离子传输装置；
用于囚禁由离子传输装置传输进来的待测样品离子的离子阱；
用于发射多个波长光信号的多波长光源；
用于探测经过离子阱囚禁的待测样品离子吸收后多波长光信号的单光子探测模块；
用于检测从离子阱出射的分离后待测样品离子的检测器；
用于吸收光谱分析和质谱分析的数据分析模块。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种囚禁离子的物质检测方法，通过对囚禁离子进行质谱分析，结合多波长单光子级光信号照射并进行剩余光强探测，能够将通过荷质比分析无法分辨的物质成分利用光谱吸收差异进行分辨，实现高分辨率的物质成分分析。由于待测成分极为微量，采用极微弱的光信号照射以及单光子探测模块进行探测可以实现极高的探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明囚禁离子的物质检测方法流程示意图；
图2为本发明囚禁离子的物质检测装置原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种囚禁离子的物质检测方法，包括如下步骤：
S1：将待测样品通过离子源进行离子化处理得到多个待测离子；
S2：通过离子传输装置将多个所述待测离子传输到离子阱内；
S3：设定离子阱电极的射频电压和频率条件，将多个所述待测离子在离子阱中进行囚禁；
S4：使用包含不同波长的具有已知光强的光源照射囚禁的待测离子；
S5：使用单光子级探测模块探测通过囚禁的待测离子后的不同波长光信号的光强；
S6：通过分析不同波长光信号的光强变化确定待测样品的物质成分；
S7：改变离子阱射频电压，使囚禁的待测离子按照荷质比由低到高的顺序完成处于不稳定状态的过程—运动幅度增大继而被弹出阱外进行检测，完成质谱分析。
具体工作原理如下：
待测样品进入进样系统，首先通过离子源对待测样品进行离子化处理，以获得待测样品的多个待测离子。这里不限制离子化处理的方法，只要能将待测样品离子化即可。例如电喷雾电离法、辉光放电离子源、大气压化学电离源、基质辅助激光解吸附电离源、电感耦合等离子体源等进行离子化处理的方法。
随后待测样品离子通过离子传输装置传输至离子阱，由于在进入离子阱之前易与中性分子发生碰撞而偏离其飞行的路径，导致无法被检测到。离子传输装置的作用是最大程度上减少样品离子在传输过程中的损失，在传输离子的过程中，其能够实现对轴向发散的离子束的聚焦，并将离子传输到离子阱中进行囚禁。
从离子源产生的离子进入离子阱内后，设定电极的射频电压和频率，使一定质量范围的离子被离子阱囚禁存储。使用包含不同波长的具有已知光强的光源照射囚禁的待测离子，由于具有相同或相近荷质比的不同离子的吸收光谱具有较大的差异，可以使用其中目标离子的本征吸收波长（即该离子可以吸收该波长的光信号，而其他离子则几乎不吸收）的极微弱光照射囚禁离子，通过单光子探测模块对出射的光信号进行探测，如果探测到的光强很小，即经过囚禁离子的光强变化很大，说明该波长的光信号被大部分吸收，表明待测离子中存在该目标离子。通过改变光信号的波长可以对多种目标离子进行扫描，实现相同或相近荷质比的不同离子之间的分辨。
当改变射频电压的幅值，可使被存储的离子按照质荷比由低到高的顺序，完成处于不稳定状态的过程—运动幅度增大继而被弹出阱外被检测。用离子阱作为质量分析器，可以分析离子源产生的的离子，而且可以把离子阱当成碰撞室，使阱内的离子完成碰撞诱导解离的过程，通过分析其碎片离子，得到子离子谱信息。
通过对囚禁离子进行质谱分析，结合多波长单光子级光信号照射并进行剩余光强探测，能够将通过荷质比分析无法分辨的物质成分利用光谱吸收差异进行分辨。这是由于质谱分析的分辨率取决于其区分相邻质量数离子的能力，一般定义为相邻峰之间的峰谷不大于峰高的10%，分辨率可写为
或者定义单峰的峰高5%处的峰宽作为上式中的/>，此时分辨率为/>。
例如鉴别一氧化碳和氮气时，由于和/>的荷质比分别为28.006和27.995，要求质谱分析的分辨率至少为
而常规的离子阱质谱仪分辨率在500左右，因此无法实现和/>的分辨。由于一氧化碳和氮气的本征吸收光谱不同，例如一氧化碳能够吸收1568nm的光，而不能吸收1064nm的光，氮气反之，则可通过在离子阱中对待测样品离子使用上述两种波长的光信号进行照射，通过单光子探测模块探测剩余光强即可对二者进行区分。
如图2所示，一种囚禁离子的物质检测装置，包括用于输入待测样品的进样系统；
用于将待测样品进行离子化的离子源；
用于将待测样品离子聚焦、传输、加速的离子传输装置；
用于囚禁由离子传输装置传输进来的待测样品离子的离子阱；
用于发射多个波长光信号的多波长光源；
用于探测经过离子阱囚禁的待测样品离子吸收后多波长光信号的单光子探测模块；
用于检测从离子阱出射的分离后待测样品离子的检测器；
用于吸收光谱分析和质谱分析的数据分析模块。
具体工作原理如下：
待测样品进入进样系统，首先通过离子源对待测样品进行离子化处理，以获得待测样品的多个待测离子。随后待测样品离子通过离子传输装置传输至离子阱，由于在进入离子阱之前易与中性分子发生碰撞而偏离其飞行的路径，导致无法被检测到。离子传输装置的作用是最大程度上减少样品离子在传输过程中的损失，在传输离子的过程中，其能够实现对轴向发散的离子束的聚焦，并将离子传输、加速进入到离子阱中进行囚禁。
从离子源产生的离子进入离子阱内后，设定电极的射频电压和频率，使一定质量范围的离子被离子阱囚禁存储。使用包含不同波长的具有已知光强的光源照射囚禁的待测离子，通过单光子探测模块对出射的光信号进行探测，如果探测到的光强很小，即经过囚禁离子的光强变化很大，说明该波长的光信号被大部分吸收，表明待测离子中存在该目标离子。通过改变光信号的波长可以对多种目标离子进行扫描，实现相同或相近荷质比的不同离子之间的分辨。
当改变射频电压的幅值，可使被存储的离子按照质荷比由低到高的顺序，完成处于不稳定状态的过程—运动幅度增大继而被弹出阱外被检测。
通过数据分析模块将吸收光谱分析和质谱分析的结果相结合，完成待测样品的物质成分分析。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种囚禁离子的物质检测方法，通过对囚禁离子进行质谱分析，结合多波长单光子级光信号照射并进行剩余光强探测，能够将通过荷质比分析无法分辨的物质成分利用光谱吸收差异进行分辨，实现高分辨率的物质成分分析。由于待测成分极为微量，采用单光子级的光信号照射以及单光子探测模块进行探测可以实现极高的探测灵敏度。
Claims (11)
1.一种囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将待测样品通过离子源进行离子化处理得到多个待测离子；
S2：通过离子传输装置将多个所述待测离子传输到离子阱内；
S3：设定离子阱电极的射频电压和频率条件，将多个所述待测离子在离子阱中进行囚禁；
S4：使用包含不同波长的具有已知光强的光源照射囚禁的待测离子；
S5：使用单光子级探测模块探测通过囚禁的待测离子后的不同波长光信号的光强；
S6：通过分析不同波长光信号的光强变化确定待测样品的物质成分；
S7：改变离子阱射频电压，使囚禁的待测离子按照荷质比由低到高的顺序被弹出阱外进行检测，完成质谱分析。
2.根据权利要求1所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S4中所述波长与荷质比相同的多种待测物质本征吸收光谱分别对应。
3.根据权利要求1所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S4中光源的光强为单光子量级。
4.根据权利要求1所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S4中不同波长的光源通过可调谐滤波器过滤单个宽谱激光光源获得，通过调节可调谐滤波器，依次输出一种特定波长的光信号。
5.根据权利要求1所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S4中不同波长的光源通过集成多个不同中心波长的激光光源获得，依次触发一个激光光源，输出一种特定波长的光信号。
6.根据权利要求1所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S4使用宽谱光源照射囚禁的待测离子后通过波分复用将不同波长光信号进行分离。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S5中单光子级探测模块为探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的单光子探测器。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S5中单光子级探测模块探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的高灵敏度平衡探测器。
9.根据权利要求6所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S5中单光子级探测模块为探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的单光子探测器阵列。
10.根据权利要求6所述的囚禁离子的物质检测方法，其特征在于，步骤S5中单光子级探测模块探测波段可覆盖步骤S4中所述波长的高灵敏度平衡探测器阵列。
11.一种囚禁离子的物质检测装置，其特征在于，包括用于输入待测样品的进样系统；
用于将待测样品进行离子化的离子源；
用于将待测样品离子聚焦、传输、加速的离子传输装置；
用于囚禁由离子传输装置传输进来的待测样品离子的离子阱；
用于发射多个波长光信号的多波长光源；
用于探测经过离子阱囚禁的待测样品离子吸收后多波长光信号的单光子探测模块；
用于检测从离子阱出射的分离后待测样品离子的检测器；
用于吸收光谱分析和质谱分析的数据分析模块。
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