[发明专利]一种小型离子阱质谱进行大范围离子持续分析的方法

说明书

一种小型离子阱质谱进行大范围离子持续分析的方法，所述的方法通过在离子阱电极上施加固定的正弦高压射频信号和离子门电极直流信号，保持离子阱处于进样状态；并且利用中性缓冲气体辅助离子冷却；同时循环扫描加载在离子阱上的正弦低压激励信号的频率，当激励信号与束缚的离子发生共振激发时，离子将通过出射电极上的狭缝或小孔离开离子阱，被离子检测器检测，完成质谱分析，从而达到一边进样与冷却一边质量分析的效果。该方法对射频电源要求低，并且无需时序分立的离子进样、离子冷却、扫描分析以及离子清除的环节，可以实现大质量范围离子的持续快速高效质谱分析，在小型离子阱质谱的现场快速检测方面有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及利用质谱仪器进行生化物质的检测领域，特别涉及一种适合于小型化离子阱质谱仪器进行大质量范围离子的持续快速高效质谱分析的检测方法。

背景技术

离子阱是一种利用四极电场进行离子的捕获，囚禁与分析的装置。自从1960年由Paul等通过美国专利US2939952提出以来，离子阱已经在质谱分析、冷原子技术以及量子信息处理等领域得到了广泛的应用。特别是在质谱分析领域，离子阱凭借其相对简单的结构和强大的时间串级质谱能力，已经成为最为重要的质量分析器之一。

近年来，随着现场检测与原位分析需求的不断增加，使便携式的小型化质谱仪得到了快速的发展与应用。质谱仪小型化的第一步就是质量分析器的小型化。传统的离子阱一般分为三维离子阱和二维离子阱，为了得到理想的四极电场，其电极形状需要做成双曲面形状，这并不便于仪器小型化。于是近年来相继有各种简化的离子阱问世，如三维圆柱离子阱(US6762406)、二维矩形离子阱(US20040135080)以及二维平板离子阱(CN101599410)等。另外得益于MEMS技术的快速发展，离子阱已经可以做到更小的尺寸。但是除了离子阱自身的尺寸之外，仪器的功耗与尺寸也受到控制电源的参数与尺寸的影响，所以如何开发一个可以简化仪器电源设计的适合于小型离子阱质谱仪使用的质谱分析方法显得至关重要。

美国专利US4540884、US4736101以及US5420425中提到了多种离子阱的分析方法。这些方法都需要在离子阱电极上施加适当的高压射频信号，这样不同质荷比的离子会按照马修方程所描述的规律束缚在离子阱内，并以不同的“久期频率”运动。各种方法中，最为常用的是在质量分析时保持加载在离子阱电极上的正弦高压射频信号(RF)的频率不变，然后扫描射频的幅值，则不同质荷比离子的马修方程稳定参数q值会依次增加，当q大于0.908时，离子会脱离稳定状态离开离子阱到达检测器而完成分析，这种RF幅值扫描模式也被称为质量选择不稳定模式或边界激发模式。为了提高分析性能，可以在此基础上引入一个固定频率的正弦低压激励信号(AC)，使得在RF幅值扫描过程中，离子还未达到不稳定边界(q<0.908)，就与低压激励信号发生共振，而被扫描出离子阱，这种RF幅值扫描模式被称为共振激发模式。但是上述基于RF幅值扫描的方法需要射频系统具有较高的品质因数，并要能实现较好的扫描线性度。所以现在的射频电源大多是采用线圈谐振的方式来实现的，这也导致电源不容易做小。除了RF幅值扫描模式之外，还可以固定高压射频信号的幅值，通过扫描其频率完成离子阱的分析。这种模式需要耦合一个较大功耗的功率放大器，所以也不易于小型化。后来，丁力等人在国际专利(WO0129875A，PCT/GB00/03964)中提出了一种利用方波驱动四极场而实现质谱分析的方法。在该方法中，利用一组开关接在高电平与低电平电压之间，通过开关的切换产生一个可以扫描频率的方波信号输出到三维离子阱的环电极上，并在两个端盖电极之间施加一个低压激励信号实现共振激发，从而完成质量分析。这种数字离子阱驱动方式的电源结构简单，输出稳定，后来在二维离子阱上也得到了应用。但是利用高压方波信号驱动离子阱,其马修方程稳定参数边界值为q＝0.7125，小于正弦驱动时的0.908，所以其相比于正弦射频信号驱动方式增大了低质量截止限(LMCO)。而且相关研究表明，对于小型化的离子阱需要较高的射频频率才能完成离子的束缚，这种数字离子阱模式需要从高频向低频端扫描方波频率，所以这种模式在低频率端对小型离子阱的分析效果还有待进一步验证。另外，在专利US4736101和US866952中还提到一种其他的离子阱质谱分析模式。其要求在质量分析时固定高压射频信号的幅值与频率，然后扫描低压激励信号的频率，当该频率接近离子“久期频率”而发生共振时，离子将离开离子阱到达检测器完成质谱分析。这种模式已经被普渡大学Dalton T.Snyder等人通过实验验证。因为其可以采用固定的高压射频信号，对电源要求低，并且可以实现大质量范围的质谱分析，所以该方法适用于小型离子阱质谱仪。