CN106290545B - 一种检测痕量化合物的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测痕量化合物的方法及装置，包括：步骤一，将样品进行离子化；步骤二，对连续的离子流进行占空比为50％的方波频率信号调制；步骤三，经过所述步骤二处理后的离子流进入到迁移装置进行离子迁移分离；步骤四，利用丘普Z变换重建离子迁移谱。灵敏度高，本发明提供的方法可将离子的利用率提高到50％，较传统方法灵敏度提高3～10倍，与传统傅里叶变换相比，灵敏度可提高1‑2倍。分辨率高。本发明提供的方法与常规方法相比可以将常见的拖尾峰、伸舌头峰等现象消除，从而提高分辨率，进而提高谱图识别及定量的效果。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器技术领域，尤其涉及一种检测痕量化合物的方法及装置。
背景技术
离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是上世纪70年代出现的一种新型快速分离检测技术。由于分离可以在大气压下进行，不需要真空，与传统的质谱仪器相比具有结构简单，灵敏度高，分析速度快，结果可靠的特点。同时，离子迁移谱的分离速度非常快，通常几十毫秒内就可以完成一次分析，几秒至几十秒内就能给出分析的结果，能够在大气环境中对微量化学物质进行检测，仪器特别适于现场使用。目前，离子迁移谱在机场、车站等安检场合，易制毒化学品的检测，化学战试剂的检测等方法得到了广泛应用，在传统的安全领域具有独特的作用。离子迁移谱通常由离子源、离子门、迁移分离区和检测器组成。固体、液相或气体样品在离子源中电离产生离子，离子在电场的驱使下通过周期性开启的离子门进入漂移区，并在与逆流的中性漂移气体分子不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离并先后到达收集极被检测。因此通过测量迁移时间就可确定分析目标物质的存在，而应用峰面积或峰高可确定相应物质的浓度。
上述过程中离子门开门时间和离子进入迁移区后的迁移时间之比称为占空比(Duty Cycle,DC)，DC决定了仪器的信噪比和灵敏度，同时也影响着分析的分辨率。相比传统的周期性单次开门方法，近年来提出的Hadamard变换方法可以将占空比提高到50％，与常规方法相比可提高数十倍。这种方式可看作是一种对离子信号的编解码过程，整个应用过程可分3个阶段。第1阶段是设计伪随机二进制序列。第2阶段是在离子信号的产生阶段进行信号编码，通过伪随机序列代替传统周期性脉冲控制离子门开关产生离子信号。第3阶段是在离子信号的处理阶段进行信号解码，使用对应控制序列的Hadamard逆矩阵作为反卷积核，通过去卷积将编码信号还原成离子迁移谱信号。
与Hadamard变换相类似的还有一种傅立叶变换离子迁移谱(Fourier TransformIon Mobility Spectrometry)，与Hadamard变换不同的是不使用伪随机二进制序列，而使用不同频率的门控信号对离子门进行调制。传统的傅里叶变换离子迁移谱使用两个同步开关的离子门，从而在检测器接收到干涉信号，采集信号后再将频域信号转换为时域信号，工作的占空比为25％。这两种信号调制方法都大幅增大了离子迁移谱分析的占空比，从而使灵敏度有所提高。傅立叶变换由于只对迁移率固定的离子信号敏感，因而分辨率也有所提高。
近年来，将离子迁移谱与质谱仪进行联用成为各仪器厂商竞相发展的前沿领域。尽管质谱仪的分辨率很高，如新型的飞行时间质谱仪的质量分辨率可以达到1万以上。但是，在分析同重化合物时，即使质量分辨率>1000000，仍然可能无法对这些异构体进行分离鉴定。对于同分异构体来说，再先进的质谱仪都无能为力。但是，离子迁移谱刚好可以在结构异构体的鉴定方面对质谱进行很好的补充。另一方面，对于含有多种化合物类型的复杂混合物的分析来说，分离能力尤为重要。要进行深度分析，单独的色谱分离已经无能为力，因为其无法对从一个液相色谱峰中洗脱出来的几种共流出化合物进行表征。另外，高分辨质谱也可能受限于MS扫描速度，并且如果没有有效的前端分离，也不能得到样品中所有化合物的数据。对于色谱共流出物，如果保留时间有差异，质谱可以利用去卷积来重建质谱图。但是，如果色谱峰完全重叠，色谱-质谱联用仪也无法有效识别，从而导致定量出现误差，对化合物的识别出现困难。离子迁移谱分离的速度(毫秒)介于HPLC(秒)和质谱(微秒)的时间范围内，系统能够分离色谱无法分离的痕量化合物。研究表明，使用离子迁移谱质谱联用系统能使脂类的总覆盖率提高5倍左右，在蛋白质组学研究中，使用离子迁移谱质谱联用鉴定出来的多肽和蛋白质的数量比单独使用LC/MS分析增加3倍。如果将色谱、离子迁移谱的分离能力和质谱仪的质量分辨率结合在一起，可以得到非常高的峰容量，对复杂化合物的分离特别有用。
但是，目前受制于离子迁移谱的分离原理，离子迁移谱的分辨率和质谱分析的灵敏度成了一对互相制约的参数。要提高分辨率，就必需尽量缩短离子注入的时间，这样又会减少注入离子的数量，从而牺牲灵敏度。为解决这个问题，Hadamard变换和傅立叶变换同样也用到了离子迁移谱-质谱联用仪上，但问题依然很突出，同时还带来一些新的问题，如Hadamard变换会产生一些本不存在的假峰，定性和定量出现错误。由于两个离子门的工作波形都为方波，傅里叶变换也会产生假峰，对谱图分析带来额外的困难。另外，由于传统的B-N离子门对不同质荷比的离子有很强的歧视效应，从而使得高质荷比的离子灵敏度降低，使用两个离子门时这种现象变得更加严重,傅里叶变换的灵敏度提高非常有限，在最好的情况下也只有不到3倍的信噪比改善。因为快速傅里叶变换的由此产生的离子迁移谱图的时间分辨率与扫频速度有关，而扫频速度受制于检测器类型(如质谱仪)及离子门的工作原理，因而产生的离子迁移谱图的时间分辨率非常低，从而对化合物的定性分析带来困难。
在一些商品化的仪器上，为提高离子注入效率从而提高灵敏度，离子迁移分离被放置到低压下进行，同时采用阱集的方式来捕获离子并将连续离子流转化为离子脉冲。这些仪器的结构变得非常复杂，体积也很大，仪器价格昂贵。与此同时，由于低压下离子与中性气体分子的碰撞频率大幅降低，从而离子迁移谱的分辨率非常有限，如均匀电场下低压的离子迁移谱分辨率通常低于60，而行波离子迁移谱的分辨率通常低于40。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种检测痕量化合物的方法及装置，大气压下检测痕量化合物具有高灵敏度、高分辨率的特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种检测痕量化合物的方法，包括：
步骤一，将样品进行离子化；
步骤二，对连续的离子流进行设定占空比的方波频率信号调制；
步骤三，经过所述步骤二处理后的离子流进入到迁移装置进行离子迁移分离；
步骤四，利用丘普Z变换重建离子迁移谱。
所述步骤二中，对连续的离子流进行占空比为50％的方波频率信号调制，调制的方式采用频率升高的方式或频率降低的方式，频率改变的方法为线性调频，调制范围为0～10K Hz。
所述步骤三中，迁移装置中通入设定压力和流速的中性气体，所述中性气体为氮气、氦气或二氧化碳。
还包括将步骤三处理后的包括了离子迁移速率信息的连续离子流直接经法拉第盘检测器检测，并进行AD转换以导入计算机得到离子随时间的变化曲线或者经过接口导入质谱仪，记录不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线。
对记录的变化曲线进行数学处理，具体处理的办法是：采用与所述步骤二中方波频率信号同相及反相的正弦Chirp信号以及方波Chirp信号与来自法拉第盘或质谱仪的离子强度变化曲线分别相关，对所得信号分别进行丘普Z变换，并对两次变换的结果进行比较，滤除变换产生的假峰及噪音。
所述步骤一中，在对样品进行离子化处理之前：利用毛细管电色谱、气相色谱、液相色谱或毛细管电泳手段对样品进行预分离，或者经过稀释、富集、纯化、除杂预处理后直接用注射泵导入到离子源中。
所述步骤一中离子化的方式包括电喷雾、大气压化学电离、大气压光电离、放射源电离或实时直接分析电离源。
所述步骤二中调制通过以下装置实现：B-N离子门或TYNDALL离子门。
一种采用所述一种检测痕量化合物的方法的装置，包括离子源，所述离子源正对迁移管一端的离子门，所述迁移管的另一端设有检测器；所述离子门设有离子门控制器。
还包括与所述离子源连接的气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪、离子色谱仪或超临界流体色谱仪。
本发明的有益效果：
1.灵敏度高。本发明提供的方法可将离子的利用率提高到50％，较传统方法灵敏度提高3～10倍，与传统傅里叶变换相比，灵敏度可提高1-2倍。
2.分辨率高。本发明提供的方法与常规方法相比可以将常见的拖尾峰、伸舌头峰等现象消除，从而提高分辨率，进而提高谱图识别及定量的效果。
3.简单。本发明提供的方法可以直接或经过很少的改造即可应用到已有的离子迁移谱仪，离子迁移谱-质谱联用仪、气相色谱-离子迁移谱联用仪、液相色谱-离子迁移谱联用仪上，并大幅提高其性能。
4.多维分离。利用本发明提供的方法，可以方便的将离子迁移谱-质谱联用仪与气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪、离子色谱仪、超临界流体色谱仪等进行联用，在不损失色谱的分离度、质谱的灵敏度的情况下提供额外维度的离子迁移分离，从而大幅提高定性分析和定量分析的效率和准确度。
5.谱图的时间分辨率高。通过调节相关参数，可以使丘普Z变换集中于离子迁移时间的位置，从而达到非常高的时间分辨率，并且计算速度快，利用现在的主流计算机可以达到实时变换。
6.消除了Hadamard变换及傅里叶变换产生的假峰，从而使化合物性分析和定量分析更加准确。
附图说明
图1为实施例一离子迁移谱-质谱联用仪示意图；
图2(a)为传统离子迁移谱图，图2(b)为丘普Z变换离子迁移谱图；
图3(a)为传统变换方法于3倍迁移时间处产生假峰，图3(b)为本发明的方法可有效去除变换产生的假峰；
图4为本发明作为气相色谱检测器的选择离子色谱图；
图5(a)为传统傅里叶变换离子迁移谱，图5(b)为本发明的丘普Z变换离子迁移谱。
其中，1.离子源，2.高压电源，3.离子门控制器，4.离子门，5.迁移气入口，6.迁移管，7.检测器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种检测痕量化合物的方法，具体步骤如下：
(1)对样品进行离子化；所述离子化的方式包括电喷雾、大气压化学电离、大气压光电离、放射源电离或实时直接分析电离源，离子化连续不间断进行。根据分析的样品，电离可在正离子模式下或负离子模式下进行。
(2)对连续的离子流进行频率调制，频率调制可以采用升频或降频的方法，根据所需要的信噪比及采样速率，调制周期可在200ms到10s之间选择，离子迁移谱相应的获取频率为0.1～5Hz，可以与HPLC或GC的数据采集速度相适应。调制的最高频率为10K Hz，最低频率为0Hz。
(3)将调制后的离子流在电场作用下引入到迁移装置中进行离子分离，所述迁移装置中通在固定压力、固定流速的逆向运行的中性气体，所述中性气体为氮气、氦气或二氧化碳。
(4)将步骤(3)处理后的包括了离子迁移速率信息的连续离子流经法拉第盘检测器检测，放大后转化为数字信号，或者经过接口导入质谱仪，记录各不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线。
(5)将频率调制信号，包括方波信号及正弦信号与来自(4)的数字信号相关，相关的相位与原方波Chrip信号相同。相关后的信号进行加窗运算，窗函数可为Welch函数、Hann窗函数、高斯函数、Hamm窗函数等。
(6)将加窗后的信号进行丘普Z变换，并对变换后的信号进行比较以滤除变换产生的假峰、噪音等。
(7)可将以上丘普Z变换离子迁移谱作为气相色谱或液相色谱的检测器，从而对复杂体系进行二维分离，并同时得到保留时间、离子的迁移时间及强度等定性和定量信息。
(8)可将以上丘普Z变换离子迁移谱连接不同类型的质谱检测器，并连接气相色谱或液相色谱，从而对复杂体系进行三维分离，并同时得到保留时间、离子的迁移时间、质荷比及强度等定性和定量信息。
在对样品进行离子化处理之前：对复杂的样品，利用毛细管电色谱、气相色谱、液相色谱或毛细管电泳手段对样品进行预分离，或者经过稀释、富集、纯化、除杂预处理后直接用注射泵导入到离子源中。
所述步骤(2)中调制通过以下装置实现：B-N离子门、TYNDALL离子门或其它离子栅格。
如图1所示，采用所述一种检测痕量化合物的方法的装置：顺次包括离子源1、离子门4、迁移管6、检测器7，离子门4与离子门控制器3连接，调制方法使离子流的占空比达到50％，频率调制的方式可采用频率升高或频率降低，或者二者的组合。迁移管6上设有迁移气入口5，并且迁移管6与高压电源6连接。
还包括与离子源1连接的气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳仪、离子色谱仪或超临界流体色谱仪，或通过大气压接口与离子迁移谱相联用的质谱仪。
色谱-离子迁移谱及离子迁移谱-质谱联用仪在分析或检测蛋白质组学、代谢组学、脂类组学、食品安全、天然产物和环境污染物中的应用以及毒品、爆炸物、化学战试剂、突发环境事故等检测中的应用。
实施例一
本实施例中所使用的离子迁移谱仪的结构如图1所示，离子迁移谱工作在大气压下，离子源为63Ni放射电离源，离子迁移谱的温度为150oC，迁移气体为氮气，流速为900mL.min-1,迁称管的总长度为12.8厘米，由一个B-N型离子门隔开为两个区域，前端为离子化区，长度为2.8厘米，后端为迁移区，长度为10.2厘米。迁移区后接一法拉第盘检测器。
本发明可大幅提高离子迁移谱系统的性能，如传统的离子迁移谱仪在50ms的离子迁移谱图中，为达到良好的分离效果，离子门的开启时间为0.25ms，则离子的利用效率为：
0.25/50＝0.5％
本实施例中：50ms的离子迁移谱图中，通过频率调制的方式是利用B-N离子门的占空比为50％，从离子的利用效率及提高的倍数可以看到本发明对离子迁移谱-质谱联用仪所起的作用以及其显著的优越性。本实施例通过载气将2.4-lutidine带入离子源，流速为300mL.min-1.
按照50ms的周期分别提取2，4-lutiddine的传统迁移谱图及本发明的丘普Z变换谱图，由图2(a)-图2(b)可以看出，本发明离子迁移谱图比传统离子迁移谱图信噪比提提高了5.27倍，同时去除了基线漂移的现象。
图3(a)为未经去除假峰的谱图，图3(b)为去除了假峰的谱图。二者比较可以清楚的显示本发明的优越性，即可以除去由变换带来的干扰性假峰。
图4为本发明作为气相色谱检测器的选择离子色谱图。
图5(b)为本发明的丘普Z变换谱图，图5(a)为传统的傅里叶变换谱图，可看出本发明的谱图迁移时间准确，分辨率高，与传统谱图相比性能提高非常明显。
本发明涉及从将气态离子与中性气体分子进行碰撞而根据气态离子的电荷、质量、碰撞截面积进行分离，并提高其分辨率和灵敏度的控制和测量方法。与通常离子迁移谱的测量方法不同的是，本方法对来自于离子源的连续离子束进行频率调制，调制的占空比为50％，然后将离子导入到迁移部件中进行分离。分离后的离子通过检测器检测得到原始谱图，或者经过接口进入到质谱仪进行质量分析，并从质谱仪上得到各离子的强度并测量其离子强度随时间的变化，此谱图与方波Chirp信号及正弦波Chirp信号分别相关后通过丘普Z变换重建离子迁移谱，并滤除变换产生的假峰及噪音，得到各离子的迁移时间。本发明操作简单，离子的利用效率高，定量分析的信噪比与通常的同类仪器相比可提高3～10倍。与此同时，离子迁移谱的分辨率也得到有效提高，从而有助于更好的对化合物进行定性分析。本发明也可以应用到已有的离子迁移谱-质谱联用仪上，从而提高分析的灵敏度与分辨率。本发明特别适合于高效液相色谱、超高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳、毛细管电色谱等其它分离手段联用，从而在通常的分析上增加一个维度但不损失灵敏度，使分离的效率及定性分析的准确度得以大幅度提高。
本发明的目的是在于充分利用来自离子源的离子束，将尽量多的离子导入到离子迁移部件中进行分离。同时，迁移后的离子经过接口进入质谱仪，并根据离子的质荷比进行分析。质谱仪得到的信号中包括了离子强度信号随时间的变化曲线。由于离子利用率达到50％，分析的灵敏度大幅提高。与此同时，经过丘普Z变换后去除了拖尾峰及伸舌头峰等现象，使得离子迁移谱的分辨率也得以提高，在通常的情况下，对于一个质荷比为500左右的离子，离子迁移谱的分辨率最高可以达到100以上，从而比已有的方法大幅提高分离能力和分析灵敏度，对于复杂样品的分析如蛋白质组学、代谢组学、脂类组学、食品安全、天然产物、环境污染物等样品的分析至关重要。本发明特别适合于将色谱、离子迁移谱及质谱连接在一起构成多维分析系统。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种检测痕量化合物的方法，其特征是，包括：
步骤一，将样品进行离子化；
步骤二，对连续的离子流进行设定占空比的方波频率信号调制；
步骤三，经过所述步骤二处理后的离子流进入到迁移装置进行离子迁移分离；
步骤四，利用丘普Z变换重建离子迁移谱。
2.如权利要求1所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是，所述步骤二中，对连续的离子流进行占空比为50％的方波频率信号调制，调制的方式采用频率升高的方式或频率降低的方式，频率改变的方法为线性调频，调制范围为0～10K Hz。
3.如权利要求1所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是，所述步骤三中，迁移装置中通入设定压力和流速的中性气体，所述中性气体为氮气、氦气或二氧化碳。
4.如权利要求1所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是，还包括将步骤三处理后的包括了离子迁移速率信息的连续离子流直接经法拉第盘检测器检测，并进行AD转换以导入计算机或者经过接口导入质谱仪，记录不同质荷比的离子强度随时间的变化曲线。
5.如权利要求4所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是，对记录的变化曲线进行数学处理，具体处理的办法是：采用与所述步骤二中方波频率信号同相及反相的正弦Chirp信号以及方波Chirp信号与来自法拉第盘或离质仪的离子强度变化曲线分别相关，对所得信号分别进行丘普Z变换，并对两次变换的结果进行比较，滤除变换产生的假峰及噪音。
6.如权利要求1所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是，所述步骤一中，在对样品进行离子化处理之前：利用毛细管电色谱、气相色谱、液相色谱或毛细管电泳手段对样品进行预分离，或者经过稀释、富集、纯化、除杂预处理后直接用注射泵导入到离子源中。
7.如权利要求1所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是：所述步骤一中离子化的方式包括电喷雾、大气压化学电离、大气压光电离、放射源电离或实时直接分析电离源。
8.如权利要求1所述一种检测痕量化合物的方法，其特征是：所述步骤二中调制通过以下装置实现：B-N离子门或TYNDALL离子门。
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