CN109686646A - 质谱串级分析方法及其存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种质谱串级分析方法，包括如下步骤：离子引入步骤：打开离子阱的离子门；质谱仪的后端盖置于预设电位；部分离子被捕捉；离子囚禁步骤：关闭离子门，所述部分离子稳定在离子阱中心区域；离子隔离步骤：根据主射频方波所占DDS数量和/或隔离时间，获取母离子质荷比m/z、隔离质量数范围以及母离子隔离效率值这三者中的任一种或任多种。本发明提供了通过改变主射频矩形波占空比快速精准实现母离子隔离的方法。本发明提供的质谱分析方法的硬件要求低，只通过调节数字矩形波主射频的占空比，就可以在离子阱中产生等效的“四极直流”，无需额外高精度高稳定性的硬件直流电路。

Description

质谱串级分析方法及其存储介质

技术领域

本发明属于质量分析技术领域，具体地，涉及一种质谱串级分析方法及其存储介质；尤其涉及一种在离子阱中进行离子隔离的串级质谱分析方法及其存储介质。

背景技术

质谱技术介绍

质谱分析法是一种通过测量样品离子的质荷比，以及各个质荷比之间对应的相对和绝对强度，从而进行定性和定量分析的方法。质谱分析的过程是：首先是待测样品离子化，样品离子化装置称为离子源；接下来是离子传输导引装置，将离子从离子源引出，并聚焦引导进入质量分析器；质量分析器是在电场或磁场的作用下将离子按照质荷比依次逐出，顺序到达检测系统，形成质谱图。通过分析质谱图，可以获得被测样品的成分、相对比例及结构等化学信息。质谱技术因其高灵敏度和高特异性，在环境污染、生命科学、食品安全、航空航天以及国家安全等领域应用广泛。

数字离子阱技术介绍

质谱仪是实现质谱分析方法的装置，质量分析器是质谱仪的“心脏”，是质谱仪中最核心的器件。在多种质量分析器中，离子阱因其体积小、气压要求低、单个质谱实现串级功能等优势成为大家主要的研究对象。最早的离子阱质谱仪是基于三维离子阱技术，工作原理基于马修方程的解。三维离子阱工作时，主射频电压施加在电极上，通过形成捕获四极场将离子囚禁并进行质量分析。传统三维离子阱主射频驱动波形是正弦波，离子的质量分析是通过正弦波幅值电压按照固定步长进行扫描来实现的。由于在正弦波驱动的离子阱中，扫描的离子质荷比与正弦波的幅度成正比，对于质荷比5000以上的离子进行扫描时，正弦波幅度需要上万伏，极易造成离子阱电极的放电，从而导致质量分析器和驱动电源的损坏。为了弥补以上缺陷，丁力博士在专利文献，申请号为200710045190.9公布号为CN101373695A中公开了一种数字离子阱的方法和装置，其原理是主射频为矩形波(又称为数字波)，通过对矩形波的频率扫描来实现质量分析。扫描的离子质量与扫描频率成反比，质量数越大的离子，对应的扫描频率越小，避免了高压放电的风险。因此数字离子阱操控模式是频率扫描可通过成熟的直接数字频率合成技术实现的，主射频矩形波可通过高速场效应管快速开关完成。

串级分析中的离子隔离方法介绍

串级分析是离子阱质量分析器中最重要的重要功能之一，其原理是将全谱扫描中“感兴趣”的特征离子(母离子)通过离子隔离技术保留在离子阱中，其他质荷比的离子被逐出离子阱。接下来是将隔离后的离子通过碰撞诱导解离功能，实现对其碎片离子的质量分析。因此串级质谱中最关键的部分是特征离子的隔离，即母离子隔离功能。传统的离子隔离方法是Marshall等人提出的存储波形反傅里叶变换(stored waveforminverse fouriertransform，swift)技术，其原理是：当进行离子扫描时，每一种质荷比的离子对应一种共振频率，当施加在离子阱中的特定离子共振频率缺失时，与之对应的离子在进行扫描时将被保留在离子阱中，其他质荷比的离子将被依次逐出离子阱。对于swift信号，选择合适的相位函数至关重要，如果选择的相位函数不合适，将导致时域信号集中在相对狭窄的时间段内，进而形成尖峰脉冲。SWIFT较适用于传统的正弦波驱动方式，但是对于新型的矩形波驱动来讲，大的尖峰脉冲的需要大数据量的存储、傅里叶变换和高速数模转换器输出。因此SWIFT方法应用于矩形波时，具有以下缺陷：

1、存储量大，需要高速大容量存储设备，一般的存储设备无法满足其需求，因此对仪器硬件要求高，大大增加了整个仪器的研制成本；

2、速度慢，隔离一般都在毫秒级，而通过存储、傅里叶变换、高速数模数模转换后，耗时可能超过ms级别，隔离功能无法实现；

3、隔离效率低，如果选择相位不合适，母离子隔离的数目在阱中相应减少，隔离效率变小，影响整个串级实现效果。

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质谱串级分析方法及其存储介质。

根据本发明提供的一种质谱串级分析方法，包括如下步骤：

离子引入步骤：打开离子阱的离子门；质谱仪的后端盖置于预设电位；部分离子被捕捉；

离子囚禁步骤：关闭离子门，所述部分离子稳定在离子阱中心区域；

离子隔离步骤：根据主射频方波所占DDS数量和/或隔离时间，获取母离子质荷比m/z、隔离质量数范围以及母离子隔离效率值这三者中的任一种或任多种；这里需要说明的是主射频方波即为正电压V₁；

隔离冷却步骤：将所述部分离子置于预设值处，并根据预设隔离冷却时间对离子进行冷却；

离子清空步骤：在离子阱电极上施加预设占空比，完成离子清空。

优选地，所述离子引入步骤：离子阱的离子门处于打开状态，后端盖置于预设电位，在数字离子阱电极上施加正电压V₁，负电压V₂，占空比d＝0.5的射频方波，离子被四极场稳定捕获；

所述离子囚禁步骤：离子门处于关闭状态，离子与缓冲气进行碰撞，离子稳定在离子阱中心区域的空间内，冷却阶段的时间为10ms；

隔离冷却步骤：将离子置于预设q值处，隔离冷却时间选择5ms；

离子清空步骤：在数字离子阱电极的极片上施加占空比d＝0.1的数字矩形波，完成离子的清空，离子清空时间为5ms。

优选地，所述离子隔离步骤：离子被囚禁在离子阱中；主射频方波所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th；即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th。

优选地，所述离子隔离步骤：当主射频方波所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th；即对于母离子质荷比m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th；

隔离时间分别为1ms，0.2ms以及0.05ms，母离子的隔离为100％；当主射频方波所占为25DDS时，对应的隔离窗口为4Th；即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±1Th；

隔离分别为时间：1ms，0.2ms和0.05ms；当隔离时间为0.05ms时，母离子的隔离效率为100％，离子中心质量处的隔离效率下降至67％。

本发明还提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的质谱分析方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供了通过改变主射频矩形波占空比快速精准实现母离子隔离的方法。本发明提供的质谱分析方法的硬件要求低，只通过调节数字矩形波主射频的占空比，就可以在离子阱中产生等效的“四极直流”，无需额外高精度高稳定性的硬件直流电路。

2、本发明提供的质谱分析方法一般的存储设备均可实现此方法，极大降低了仪器开发成本，增强仪器竞争力。

3、本发明提供的质谱分析方法速度快，改变主射频占空比，只需改变主射频控制信号即可，对于计算机来说，实现速度可达到us级别，非常适用于母离子隔离功能。

4、本发明提供的质谱分析方法隔离效率高，快速改变主射频占空比，可实现母离子的精细隔离，更多母离子可保留在阱中，隔离效率更高，这对于串级质谱的实现具有重要意义。

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为本发明提供的质谱分析方法矩形波驱动离子阱示意图。

图2为本发明提供的质谱分析方法的不同占空比d大小对应不同的离子扫描线示意图。

图3为本发明提供的质谱分析方法的速预隔离占空比为26DDS隔离窗口的界面图。

图4为本发明提供的质谱分析方法的快速预隔离占空比为25DDS隔离窗口的界面图。

图5为本发明提供的质谱分析方法的速预隔离占空比为26DDS，不同隔离时间下的隔离窗口的界面图。

图6为为本发明提供的质谱分析方法的快速预隔离占空比为25DDS，不同隔离时间下的隔离窗口的界面图。

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。

本发明提供的一种质谱串级分析方法，包括如下步骤：离子引入步骤：打开离子阱的离子门；质谱仪的后端盖置于预设电位；部分离子被捕捉；离子囚禁步骤：关闭离子门，所述部分离子稳定在离子阱中心区域；离子隔离步骤：根据主射频方波所占DDS数量和/或隔离时间，获取母离子质荷比m/z、隔离质量数范围以及母离子隔离效率值这三者中的任一种或任多种；隔离冷却步骤：将所述部分离子置于预设值处，并根据预设隔离冷却时间对离子进行冷却；离子清空步骤：在离子阱电极上施加预设占空比，完成离子清空。

所述离子引入步骤：离子阱的离子门处于打开状态，后端盖置于预设电位，在数字离子阱电极上施加正电压V₁，负电压V₂，占空比d＝0.5的射频方波，离子被四极场稳定捕获；所述离子囚禁步骤：离子门处于关闭状态，离子与缓冲气进行碰撞，离子稳定在离子阱中心区域的空间内，冷却阶段的时间为10ms；隔离冷却步骤：将离子置于预设q值处，隔离冷却时间选择5ms；离子清空步骤：在数字离子阱电极的极片上施加占空比d＝0.1的数字矩形波，完成离子的清空，离子清空时间为5ms。

所述离子隔离步骤：离子被囚禁在离子阱中；主射频方波所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th；即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th。数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)。

所述离子隔离步骤：当主射频方波所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th；即对于母离子质荷比m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th；

隔离时间分别为1ms，0.2ms以及0.05ms，母离子的隔离为100％；当主射频方波所占为25DDS时，对应的隔离窗口为4Th；即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±1Th；隔离分别为时间：1ms，0.2ms和0.05ms；当隔离时间为0.05ms时，母离子的隔离效率为100％，离子中心质量处的隔离效率下降至67％。

本发明还提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的质谱分析方法的步骤。

本发明提供的质朴分析方法基于数字离子阱频率扫描模式来实现。频率扫描模式中，主射频矩形波的幅度是在正幅值V₁和负幅值V₂之间切换，当V₁＝V₂时，占空比d＝0.5。此时任意频率下，对应的四极直流分量均为0。即数字方波构建的四极场中没有直流分量，离子的扫描工作线落在q轴上。当V₁≠V₂，占空比d≠0.5时，数字方波构建的四极场中引入直流分量，对应于离子扫描的曲线落在q轴的上方或下方区域，其斜率大小为a_z/q_z。如下式所示，四极直流分量的大小取决于占空比d的大小。因此通过精确控制主射频矩形波d的大小，可实现离子的精细隔离，离子扫描曲线在不同占空比d时，其处于稳定图中的位置如图2所示。

这种通过精确控制主射频矩形波占空比d大小，使不同的离子工作扫描线对稳定图进行切割，确保目标母离子保留在稳定区域内的方法，称为非对称矩形波隔离方法。

本发明基于非对称矩形波隔离方法的原理，采用主控系统数字合成的方法，由直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)数目决定占空比的大小，实现精确母离子的隔离功能。譬如，矩形波一个扫描周期为128DDS,V₁所占26DDS，对应的占空比为62.5％。当V₁所占25DDS，对应的占空比为69.5％。因此高电平所占不同DDS，对应于稳定图中的离子工作扫描线不同，离子在稳定图中的区域也不同。

具体实施方案一如下：

实验选择质荷比m/z＝106的离子为母离子，实现隔离功能，依次通过以下阶段：

1.第一阶段：引入阶段(通常为100ms),此时离子阱的离子门(前端盖)处于“打开”状态(通常1V～5V)，后端盖置于一高电位(通常10～20V之间)，在数字离子阱电极上施加正电压V₁，负电压V₂，占空比d＝0.5的射频方波，离子被四极场稳定捕获。

2.第二阶段：囚禁阶段，此时离子门(前端盖)处于“关闭”状态(通常10V～20V)，离子不断与缓冲气(氦气或氮气)进行碰撞，动能逐渐减小，最终稳定在离子阱中心区域的狭小空间内，冷却阶段的时间为10ms。

3.第三阶段：隔离阶段，经过离子引入和离子囚禁，大质量范围的离子都被稳定囚禁在离子阱中。如图3所示，主射频方波所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th。即对于母离子质荷比m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th。

如图4所示，主射频方波V₁所占为25DDS时，对应的隔离窗口约为4Th。即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±1Th。

4.第四阶段：隔离冷却阶段，经过隔离后的离子动能较大，如果直接进行离子扫描，则分辨率较差，所以需要添加离子隔离冷却阶段，离子隔离冷却阶段将离子置于较小的q值处，隔离冷却时间通常选择5ms。

5.第五阶段：清空阶段，在数字离子阱极片上施加占空比d＝0.1的数字矩形波，离子都将处于稳定图之外，从而完成离子的清空，离子清空时间为5ms。

具体实施方案二如下：

实验选择质荷比m/z＝106的离子为母离子，实现隔离功能，依次通过以下阶段：

1.第一阶段：引入阶段(通常为100ms),此时离子阱的离子门(前端盖)处于“打开”状态(通常1V～5V)，后端盖置于一高电位(通常10～20V之间)，在数字离子阱电极上施加正电压V₁，负电压V₂，占空比d＝0.5的射频方波，离子被四极场稳定捕获。

2.第二阶段：囚禁阶段，此时离子门(前端盖)处于“关闭”状态(通常10V～20V)，离子不断与缓冲气(氦气或氮气)进行碰撞，动能逐渐减小，最终稳定在离子阱中心区域的狭小空间内，冷却阶段的时间为10ms。

3.第三阶段：隔离阶段，经过离子引入和离子囚禁，大质量范围的离子都被稳定囚禁在离子阱中。主射频方波所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th。即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th。此时，对于不同的隔离时间：1ms，0.2ms和0.05ms，隔离的效果如图5所示，母离子的隔离基本是100％。

主射频方波所占为25DDS时，对应的隔离窗口约为4Th。即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±1Th。此时对于不同的隔离时间：1ms，0.2ms和0.05ms，隔离的效果如图6所示。在此条件下，母离子的隔离效率与隔离时间有很大关系，当隔离时间为0.05ms时，母离子的隔离效率基本上是100％，随着隔离时间增大到1ms，中心质量处的隔离效率下降到67％。这样做的目的是为了让本发明提供的质谱分析方法获得更好的技术效果。

4.第四阶段：隔离冷却阶段，经过隔离后的离子动能较大，如果直接进行离子扫描，则分辨率较差，所以需要添加离子隔离冷却阶段，离子隔离冷却阶段将离子置于较小的q值处，隔离冷却时间通常选择5ms。

5.第五阶段：清空阶段，在数字离子阱极片上施加占空比d＝0.1的数字矩形波，离子都将处于稳定图之外，从而完成离子的清空，离子清空时间为5ms。

本发明还提供了一种信息处理系统，本领域技术人员可以将信息处理方法理解为所述信息处理系统的优选例，所述信息处理系统可以通过执行所述信息处理方法中的步骤流程予以实现。

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。

本发明提出只需软件控制，无需增加硬件设计的离子隔离方法。主要是通过调整主射频波形的占空比，即可在离子阱电场中形成精确的等效“四极直流”，实现母离子的隔离功能。

以上所述中，该方法同样可应用于任何结构的四极离子阱质量分析器上，可以是三维离子阱也可以是线形离子阱，只要通过改变主射频矩形波占空比，都可以实现母离子隔离。

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)

1.一种质谱串级分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

离子引入步骤：打开离子阱的离子门；质谱仪的后端盖置于预设电位；部分离子被捕捉；

离子囚禁步骤：关闭离子门，所述部分离子稳定在离子阱中心区域；

离子隔离步骤：根据正电压V₁所占DDS数量和/或隔离时间，获取母离子质荷比m/z、隔离质量数范围以及母离子隔离效率值这三者中的任一种或任多种；

隔离冷却步骤：将所述部分离子置于预设值处，并根据预设隔离冷却时间对离子进行冷却；

离子清空步骤：在离子阱电极上施加预设占空比，完成离子清空。

2.根据权利要求1所述的质谱串级分析方法，其特征在于，所述离子引入步骤：离子阱的离子门处于打开状态，后端盖置于预设电位，在数字离子阱电极上施加正电压V₁，负电压V₂，占空比d＝0.5的射频方波，离子被四极场稳定捕获；

所述离子囚禁步骤：离子门处于关闭状态，离子与缓冲气进行碰撞，离子稳定在离子阱中心区域的空间内，冷却阶段的时间为10ms；

隔离冷却步骤：将离子置于预设q值处，隔离冷却时间选择5ms；

离子清空步骤：在数字离子阱电极的极片上施加占空比d＝0.1的数字矩形波，完成离子的清空，离子清空时间为5ms。

3.根据权利要求2所述的质谱串级分析方法，其特征在于，所述离子隔离步骤：离子被囚禁在离子阱中；正电压V₁所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th；即对于母离子质荷比m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th。

4.根据权利要求2所述的质谱串级分析方法，其特征在于，所述离子隔离步骤：当正电压V₁所占26DDS时，对应的隔离窗口约为30Th；即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±10Th；

隔离时间分别为1ms，0.2ms以及0.05ms，母离子的隔离为100％；当正电压V₁所占为25DDS时，对应的隔离窗口为4Th；即对于母离子m/z＝106Th，隔离质量数范围为106±1Th；

隔离分别为时间：1ms，0.2ms和0.05ms；当隔离时间为0.05ms时，母离子的隔离效率为100％，离子中心质量处的隔离效率下降至67％。

5.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的质谱分析方法的步骤。