一种离子进样方法及多通道阵列离子阱质谱系统.pdf

本发明公开了一种离子进样方法，其步骤包括：在多通道阵列离子阱的离子通道上设置进样阀，采用分时轮流开通方式即开启离子源与真空腔之间的部分所述进样阀，部分所述离子通道开通；离子通过所述进样阀进入真空腔，完成离子进样过程。本发明还公开了多通道阵列离子阱质谱系统，包括离子源、离子传输毛细管、进样阀、真空腔、真空泵系统、阵列离子阱质量分析器和离子检测器，所述离子传输毛细管的前端连接所述离子源，所述离子传输毛细管的后端与真空腔连接，所述离子传输毛细管上设有所述进样阀，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有阵列离子阱质量分析器和离子检测器。该方法和设备可提高进样效率和质谱分辨率。

权利要求书1.  一种离子进样方法，其步骤包括：(1)在多通道阵列离子阱的离子通道上设置进样阀，采用分时轮流开通方式即开启离子源与真空腔之间的部分所述进样阀，部分所述离子通道开通；(2)离子通过所述进样阀进入真空腔，完成离子进样过程。2.  根据权利要求1所述的一种离子进样方法，其特征在于，步骤(1)中所述进样阀的个数与所述离子通道数相同，每条离子通道对应一个进样阀。3.  根据权利要求1所述的一种离子进样方法，其特征在于，步骤(1)中所述进样阀的个数为n，所述n大于或等于2。4.  根据权利要求3所述的一种离子进样方法，其特征在于，在离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔的过程中，同一时间段所述进样阀的开启个数大于或等于1，所述进样阀的关闭个数大于或等于1。5.  根据权利要求3所述的一种离子进样方法，其特征在于，在离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔的过程中，任意所述进样阀的开启次数大于或等于1。6.  根据权利要求3所述的一种离子进样方法，其特征在于，所述n个进样阀的开启时间的总和等于离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔中的时间，所述n个进样阀开启的时间均相同。7.  根据权利要求1所述的一种离子进样方法，其特征在于，所述进样阀为电磁阀、夹管阀和气压阀中的一种或几种。8.  多通道阵列离子阱质谱系统，其特征在于，应用于权利要求1-7任意一项所述的离子进样方法，所述多通道阵列离子阱质谱系统包括：离子源、离子传输毛细管、进样阀、真空腔、真空泵系统、阵列离子阱质量分析器和离子检测器，所述离子传输毛细管的前端连接所述离子源，所述离子传输毛细管的后端与所述真空腔连接，所述离子传输毛细管上设有所述进样阀，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有所述阵列离子阱质量分析器和所述离子检测器。

说明书一种离子进样方法及多通道阵列离子阱质谱系统
技术领域
本发明属于质谱技术领域，具体涉及离子进样技术。
背景技术
质谱分析法是通过对样品离子质荷比的分析而实现的对样品进行定性和定量的分析方法。用来进行质谱分析的质谱仪作为现代分析仪器的核心，是一种用于检测物质化学成分的高灵敏度、高分辨率的仪器，能对低含量物质进行痕量检测。它首先将样品转换为气态离子，然后通过电场将离子按照荷质比的大小进行分离，再测量出离子的强度形成质谱图，根据质谱图可以定性或定量得到物质的化学成分，具有灵敏度高、检测限低和定性定量能力强等优点，已被广泛应用于食品安全、生命科学、医药检测和环境检测等众多领域，并且仍具有独特的优势和发展潜力。
质量分析器作为质谱仪的核心部件，在整个质量分析过程中起到关键性作用。按照质量分析器的种类不同可以分为四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行质谱仪和磁质谱仪等。离子阱质量分析器结构简单，体积小，具有定性分析能力强，灵敏度高，能够进行多级质谱分析的优点，可以应用于小型质谱领域。
较为常用的离子阱为三维离子阱，由两个端盖电极和一个环电极组成，在环形电极上施加基础射频电压和直流电压，在端盖电极上施加交流补充电压，将离子稳定地储存在离子阱中。但是，由于离子被束缚在离子阱的中心，离子之间容易发生相互作用，造成空间电荷效应影响分析结果，其次三维离子阱的电极都为双曲面，机械容差小，对机械加工的精度要求高，加工难度大。离子阱与四级杆优点结合的产物——二维线性离子阱由四根圆杆或是双曲面电极和前后两个透镜组成，在两组电极上施加相位相反的射频电压形成径向捕获场，在透镜上施加直流电势形成轴向捕获场，从而将离子捕获并储存在阱中。离子在阱呈长条状排列，从而避免了空间电荷效应，离子储存效率高。中国某专利中提出一种新型的质量分析器——阵列离子阱，主要结构为前后两块端盖电极上设置多个进样口，每个质量分析通道上分别设置上下 两个电极，每个电极上设置一个离子引出槽，位于离子质量分析器两侧的质量分析通道两端各平行设置地电极，具有多个离子存储空间，能同时进行多通道离子分析。阵列离子阱结构简单，加工方便，广泛应用于小型化质谱仪的研究。
阵列离子阱质谱仪主要由电离源，离子阱，真空腔，真空泵，电路系统和离子检测器组成。阵列离子阱能够进行多通道离子分析，提高分析效率。质谱仪必须要在一定真空度条件下工作，才能减少气相离子与其他分子的碰撞几率，才能更容易通过。真空度不好会造成严重问题：(1)大量的氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)离子传输效率低，极大影响检测的灵敏度；(4)离子碰撞后产生分散，降低质谱分辨率；(5)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，使谱图复杂化。因此为了获得离子的良好分离和分析效果，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过的地方，真空度必须满足一定条件。
常用的离子源有电子轰击电离源(EI)，电喷雾电离源(ESI)，化学电离源(CI)，大气压化学电离源(APCI)，快原子轰击电离源(FAB)，场解析电离源(FD)等。其中只有EI源属于系统内部电离源，其余都为外部电离源。
EI源主要由电离室(离子盒)、灯丝、离子聚焦透镜和一对磁极组成，加热灯丝发射电子束去轰击气体状态的分子或原子，使其电离。这种电离方式的离子化室的气密性较好，与阵列离子阱联用，能降低多个离子源对阵列离子阱系统真空度的影响。但是由于EI源在系统内部电离，容易造成多个离子通道的样品发生干扰，而且此种电离方式主要应用于挥发性样品，对非挥发和难挥发的试样分析较为困难，使用范围较为狭窄，有的化合物在EI方式下分子离子不稳定易碎裂，得不到分子量信息，谱图复杂解释有一定困难。
电喷雾电离源(ESI)是一种“软电离”质谱技术，能快速、正确地测定从小分子到生物大分子的分子量。其优点为：(1)液相中的被检测分子变成气相离子时不会因发生裂解而造成碎片峰；(2)通过碰撞诱导裂解(CID)可以产生碎片，从而提供分子的结构信息。由于ESI产生的多电荷离子、对某些极性合物电离的高效率以及软电离等特性，使得质谱在分析极性化合物易热分解和高分子量化合物方面成为最有效的工具之一。传统电喷雾电离源质 谱仪结构，带有样品的流动相通过一个带有数千伏高压的针尖喷口喷出，生成带电液滴，利用大气压差进入第一级真空，经干燥气除去溶剂后，带电离子通过毛细管或者小孔直接进入离子阱质量分析器中进行分析。
ESI虽然被广泛使用，但由于ESI是在系统外部电离产生的离子，经过系统的大气压离子接口才能进入系统内部进行分析，所以大气压离子接口处于完全开通状态，导致外部空气进入真空腔，对真空度造成一定的影响。大气压离子接口越大，数目越多，对系统内部的真空度影响越大。因此，当与阵列离子阱联用时，由于阵列离子阱通道数目较多，每路离子通道都需要配备一个大气接口使外部电离的离子进入系统内部，严重导致仪器内部真空度降低，必须采用更大功率的泵进行抽气才能满足实验真空度的需求，使之不适用于小型化质谱仪。所以阵列离子阱质谱系统采用ESI等外部电离方式时，至多只能同时开通两个离子通道进行工作，大大降低了系统的工作效率。
发明内容
本发明目的是：提供一种离子进样方法和多通道阵列离子阱质谱系统，克服传统阵列离子阱系统工作效率低的不足，使离散型离子阱质量分析器达到最佳分析性能。
本发明的技术方案是：
一种离子进样方法，其步骤包括：
(1)在多通道阵列离子阱的离子通道上设置进样阀，采用分时轮流开通方式即开启离子源与真空腔之间的部分所述进样阀，部分所述离子通道开通；
(2)离子通过所述进样阀进入真空腔，完成离子进样过程。
进一步的，步骤(1)中所述进样阀的个数与所述离子通道数相同，每条离子通道对应一个进样阀。
进一步的，步骤(1)中所述进样阀的个数为n，所述n大于或等于2。
进一步的，在离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔的过程中，同一时间段所述进样阀的开启个数大于或等于1，所述进样阀的关闭个数大于或等于1。
进一步的，在离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔的过程中，任意 所述进样阀的开启次数大于或等于1。
进一步的，所述n个进样阀的开启时间的总和等于离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔中的时间，所述n个进样阀开启的时间均相同。
进一步的，所述进样阀为电磁阀、夹管阀和气压阀中的一种或几种。
本发明的另一技术方案是：
一种多通道阵列离子阱质谱系统，应用于上述任意一项所述的离子进样方法，所述多通道阵列离子阱质谱系统包括：离子源、离子传输毛细管、进样阀、真空腔、真空泵系统、阵列离子阱质量分析器和离子检测器，所述离子传输毛细管的前端连接所述离子源，所述离子传输毛细管的后端与真空腔连接，所述离子传输毛细管上设有所述进样阀，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有所述阵列离子阱质量分析器和所述离子检测器。
本发明的优点是：
1.本发明使得阵列离子阱的离子通道合理开关，提高离子的注入速度与效率，能与多种离子源联用。
2.本发明的真空气压更稳定，不需使用更大功率的真空泵。
3.本发明结构简单，只需毛细管、进样阀和合理的离子进样时序安排就能实现目标，大幅度提高性能的同时节省了仪器成本。
4.本发明可有效提高进样效率和质谱分辨率。
附图说明
图1为多通道阵列离子阱质谱系统在实施例1中的结构示意图；
图2为本发明所述的一种离子进样方法在实施例1中的离子进样时序示意图；
图3为多通道阵列离子阱质谱系统在实施例2中的结构示意图；
图4为本发明所述的一种离子进样方法在实施例2中的离子进样时序示意图；
图5为多通道阵列离子阱质谱系统在实施例3中的结构示意图；和，
图6为本发明所述的一种离子进样方法在实施例3中的离子进样时序示意图。
其中：1为离子源、2为离子传输毛细管、3为进样阀、41为三级真空腔、411为第一级、412为第二级、413为第三级、42为一级真空腔、51为三级真空泵系统、52为一级真空泵系统、6为阵列离子阱质量分析器、7为离子检测器、8为离子进样接口、9为多级引导杆、10为圆筒离子导引。
具体实施方式
本发明提供一种离子进样方法，其步骤包括：
(1)在多通道阵列离子阱的离子通道上设置进样阀，采用分时轮流开通方式即开启离子源与真空腔之间的部分所述进样阀，部分所述离子通道开通；
(2)离子通过所述进样阀进入真空腔，完成离子进样过程。
为了便于理解，现结合多通道阵列离子阱质谱系统进行介绍，所述多通道阵列离子阱质谱系统包括：离子源1、离子传输毛细管2、进样阀3、真空腔(未图示)、真空泵系统(未图示)、阵列离子阱质量分析器6和离子检测器7，所述离子传输毛细管2的前端连接所述离子源1，所述离子传输毛细管2的后端与所述真空腔连接，所述离子传输毛细管2上设有所述进样阀3，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有所述阵列离子阱质量分析器6和所述离子检测器7。
其中，
1：离子传输毛细管2可以为金属管或玻璃管等，进样阀3可以为电磁阀，夹管阀，气压阀等，阵列离子阱质量分析器6有二个或二个以上通道，每个离子通道对应一个离子传输毛细管2，每个离子传输毛细管2上添加一个进样阀3,相当于进样阀3将离子传输毛细管分成两段。离子通道的个数与进样系统的套数一致，每个通道的进样阀3独立控制相应通道开通或关断，采用多通道分时轮流开通的离子进样方式。每个进样阀3控制一路离子通道进样。离子源1产生离子，经过离子传输毛细管2，进样阀3开通状态时，可传输至导引系统，导引形式可以为多级杆，圆筒等，也可以不加导引系统，毛细管直接连入真空腔，与阵列离子阱的端盖电极连接，离子进入阵列离子阱质量分析器6。
2：进样时采用分时轮流开通的方式，质量分析的各个阶段中，只有离 子注入阶段，阀门处于开通状态，其他时序阶段，阀门处于关闭状态。
3：同时，不同的通道在离子化阶段的不同的时间段开启，如：对于四通道阵列离子阱，同个时间段最多两路通道在离子化阶段同时开启以保证真空腔中的气压稳定。
4：不同通道之间的进样阀3互不影响，各自独立工作。设置质谱系统的分析时序时需考虑进样阀3的最少响应时间，合理安排离子化进样时间。
5：离子化阶段的某一时间段，至少一个进样阀3开启；在任意时间段，不会出现所有通道同时处于开通状态的情况。
6：多路进样阀3依次开通和关断，保证离子注入量，保证同一时间段离子通道开通的数目少于离子通道的总数目，以稳定真空腔中的气压。
7：该进样系统适用于一级真空，同时也适用于多级真空的情况。
8：阵列离子阱的多个离子通道(至少两个以上)能同时进行工作。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次，本发明利用附图等进行详细描述，所述附图只是实例实验结果，其在此不应限制本发明保护的范围。
最后，离子化阶段时间、离子化时间等均是指离子通过所述进样阀全部进入所述真空腔的这一过程所需的时间。
实施例一
请参阅图1，图1为多通道阵列离子阱质谱系统在实施例1中的结构示意图。如图1所示，所述多通道阵列离子阱质谱系统，共有四个离子通道，每个通道包括：离子源1，产生待分析的离子信号；离子传输毛细管2，用于传输离子；进样阀3，控制离子传输毛细管的开通与关断；真空腔、真空泵系统、阵列离子阱质量分析器6和离子检测器7，所述离子传输毛细管2的前端连接所述离子源1，所述离子传输毛细管2的后端插入所述真空腔的 前端，所述离子传输毛细管上设有所述进样阀3，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有所述阵列离子阱质量分析器6和所述离子检测器7。所述真空泵系统为三级真空泵系统51，为质谱仪提供三级真空；所述真空腔为三级真空腔41，由一个机械泵和两个分子泵抽取真空，所述三级真空腔41分为第一级411、第二级412和第三级413，所述离子传输毛细管2的后端插入所述第一级411，所述阵列离子阱质量分析器6设置在所述第三级413内，所述多通道阵列离子阱质谱系统还包括离子进样接口8，用于分隔第一级与第二级真空区域，所述离子进样接口8设置在所述第一级411和第二级412之间，所述离子传输毛细管2的后端连接所述离子进样接口8，所述多通道阵列离子阱质谱系统还包括多级引导杆9，引导离子进入阵列离子阱质量分析器6；所述多级引导杆9设置在所述第二区412，所述多级引导杆9的前端连接所述离子进样接口8，所述多级引导杆9的后端与所述阵列离子阱质量分析器6的端盖电极连接。离子源1产生的离子在进样阀3开通时，通过离子传输毛细管2，经真空腔上设置的离子进样接口8进入导引系统即多级引导杆9，再进入阵列离子阱质量分析器6中进行质量分析，最后被弹射到离子检测器7中被检测。
本实施例中，进行质谱分析过程如下：请结合图1并参阅图2，图2为本发明所述的一种离子进样方法在实施例1中的离子进样时序示意图。如图1和2所示，在离子化阶段，由离子源1产生的离子经过离子传输毛细管进入到第一级411，其中四个进样阀3按时序图依次开通和关断，即第一个进样阀开通四分之一离子化阶段时间之后关闭，同时第二个进样阀开通四分之一离子化阶段时间，依次往下，第四个进样阀关闭的同时，离子化阶段结束。在这过程中只施加小幅射频信号来实现离子最大化注入。在整个离子化阶段中，进样阀3采用分时轮流开通形式，每个进样阀3只开通一次，所有通道开通时间相当于阵列离子阱只有一个离子通道在离子阱化阶段中处于完全开通状态，与传统的阵列离子阱所有通道全部开通相比，大大提高了离子阱中的真空度。其他分析阶段，离子通道都处于关闭状态。冷却阶段，由于离子通道关闭，真空腔中的气压降低，真空度进一步提高，射频电压保持一定值，离子与阱中的缓冲气体碰撞冷却，消除多余动能，使离子能稳定地被离子阱捕获，准备进行下一阶段的分析；质量扫描阶段，射频电压逐渐增大， 离子按照质荷比从大到小的顺序依次被激发；施加共振激发电压，使离子产生共振，弹出离子阱；端盖电极电压拉高，阻止外部离子进入离子阱和内部离子逸出离子阱；离子检测器7通高压开始工作，检测离子并生成图谱；离子清空阶段，射频电压降低，清空离子，准备下一阶段的分析，分析过程重复以上步骤。
实施例2
请参阅图3，图3为多通道阵列离子阱质谱系统在实施例2中的结构示意图。如图3所示，所述多通道阵列离子阱质谱系统，包括：离子源1、离子传输毛细管2、进样阀3、真空腔、真空泵系统、阵列离子阱质量分析器6和离子检测器7，所述离子传输毛细管2的前端连接所述离子源1，所述离子传输毛细管2的后端插入所述真空腔的前端，所述离子传输毛细管上设有所述进样阀3，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有所述阵列离子阱质量分析器6和所述离子检测器7。所述真空泵系统为一级真空泵系统52。所述真空腔为一级真空腔42，所述离子传输毛细管2的后端插入所述一级真空腔42，所述阵列离子阱质量分析器6设置在所述一级真空腔42内。离子源1产生的离子在进样阀3开通时，通过离子传输毛细管2直接进入真空腔中的阵列离子阱质量分析器6中进行质量分析，最后被弹射到离子检测器7中被检测。
与实施例1的不同之处在于：(1)此阵列质谱系统只有一级真空腔42；(2)没有导引系统，离子传输毛细管2直接进入真空腔，与阵列离子阱的端盖电极连接。
本实施例中，进行质谱分析过程如下：请继续参阅图3并结合图4，图4为本发明所述的一种离子进样方法在实施例2中的离子进样时序示意图。如图3和图4所示，离子化阶段开始，第一个进样阀和第三个进样阀开通，分别对第一条离子通道和第三条离子通道进行离子注入，第二个进样阀和第四个进样阀处于关断状态，持续四分之一离子化阶段时间；所述第一个进样阀和第三个进样阀关断的同时，所述第二个进样阀和第四个进样阀开通，分别对第二条离子通道和第四条离子通道进行离子注入，持续四分之一离子化阶段时间；重复一次以上过程；第二个进样阀和第四个进样阀关断，离子化阶段结束。每个进样阀3开通两次，每次开通时间为离子化时间的四分之一， 所有通道的开通时间相当于阵列离子阱中两个离子通道在离子化过程中处于完全开通状态，优于传统阵列离子阱系统中四个离子通道同时完全处于开通状态的情况。其他分析阶段所有进样阀处于关断状态。其他阶段的操作方式与实施例1相同，不再赘述。
实施例3
请参阅图5，图5为多通道阵列离子阱质谱系统在实施例3中的结构示意图。如图5所示，所述多通道阵列离子阱质谱系统，包括：离子源1、离子传输毛细管2、进样阀3、真空腔、真空泵系统、阵列离子阱质量分析器6和离子检测器7，所述离子传输毛细管2的前端连接所述离子源1，所述离子传输毛细管2的后端插入所述真空腔的前端，所述离子传输毛细管上设有所述进样阀3，所述真空泵系统与所述真空腔连接，所述真空腔内依次设有所述阵列离子阱质量分析器6和所述离子检测器7。所述真空泵系统为一级真空泵系统52。所述真空腔为一级真空腔43，所述离子传输毛细管2的后端插入所述一级真空腔43，所述阵列离子阱质量分析器6设置在所述一级真空腔43内。所述多通道阵列离子阱质谱系统还包括圆筒离子导引10，所述圆筒离子导引10设置在所述一级真空腔43内，所述圆筒离子导引10的前端连接所述离子传输毛细管2，所述圆筒离子导引10的后端连接所述阵列离子阱质量分析器6。离子源1产生的离子在进样阀3开通时，通过离子传输毛细管2进入圆筒导引系统即所述圆筒离子导引10，再进入阵列离子阱质量分析器6中进行质量分析，最后被弹射到离子检测器7中被检测。
与实施例2一样，均采用一级真空腔42，与实施例2的不同之处在于：采用圆筒导引系统，离子传输毛细管2进入真空腔与圆筒离子导引10连接，传输离子。
本实施例中，进行质谱分析过程如下：请继续参阅图5，并结合图6，图6为本发明所述的一种离子进样方法在实施例3中的离子进样时序示意图。如图5和图6所示，离子化阶段开始，第一个进样阀开通，第一条离子通道开始注入离子，其他进样阀处于关断状态，时间持续八分之一离子化阶段时间；第一个进样阀关闭，第二个进样阀开通，第二条离子通道开始注入离子，时间持续八分之一离子化阶段时间；第二个进样阀关闭，第三个进样阀开通，第三条离子通道开始注入离子，时间持续八分之一离子化阶段时间； 第三个进样阀关闭，第四个进样阀开通，第四条离子通道开始注入离子，时间八分之一离子化阶段时间；重复一次以上过程；离子化阶段结束。整个离子化过程中，每个进样阀3开通两次，所有通道开通的时间相当于阵列离子阱中一个离子通道在离子化阶段中完全处于开通状态，保持真空腔中的气压稳定。其他分析阶段的所有进样阀3处于关闭状态，真空腔中的气压进一步降低，准备进行下一步分析。其他阶段的操作方式与实施例1相同，不再赘述。
综上所述，本发明公开了一种离子进样方法和多通道阵列离子阱质谱系统，在进样系统中加入阀门，控制离子通道只在离子化进样时开通，其他分析阶段关断，在进样时采用分时轮流开通的方式，逐次开通和关断离子通道，克服阵列系统真空度难以保持的缺陷，稳定真空腔中的气压，提高进样效率，从而提高多通道离子阱质谱系统的分析性能。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。