专利名称：基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置及其实现方法与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于串级质谱领域的分子离子反应技术，特别涉及一种基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置及其实现方法与应用。
背景技术：
在质谱分析领域里，为了分析混合样品中较低含量的成分，需要将高浓度成分的背景离子去除，这时需要离子过滤技术。同时，随着待分析样品分子量的增大，同分异构体十分常见，分子的结构信息越来越显出其重要性，如蛋白质、多肽的氨基酸序列、药物的结构、药物在人体代谢产物中的加合位置、毒害污染物在DNA片段的加合位置、DNA碱基序列等，而分子离子反应可以提供离子的结构信息，是串级质谱最重要的部件之一。
串级质谱法一般利用在气相中的分子离子反应导致待分析离子(母离子)分裂而得到子离子，并通过测量子离子的质量谱分布从而得到待分析离子的结构信息。目前已有的气相中分子离子反应器技术按反应能量大小可以分为高能碰撞(～keV)和低能碰撞(～40eV)，这些碰撞一般发生在离子回旋共振装置中，也可以发生在离子阱或是在四极杆中。能量提供方式可以是直线加速、四极杆中的轴向场加速以及四极杆中的二极或四极激发等。
这些已有的方法各有其优缺点，有不同的应用范围。直线加速方法把母离子加速到一定能量再与背景气体分子碰撞，但由于在加速过程中没有质量选择性，需要在碰撞前加一个气压不同的四极杆，选出感兴趣的母离子使之进入反应器，否则不同质荷比的所有离子一起进入反应器，同时发生解离反应，解谱困难。由于射频电场或是磁场可以有效地束缚子离子，明显地提高灵敏度，一般分子离子反应都发生在离子阱和四极杆中。目前商品串级质谱仪一般采用一个四极杆质谱仪作为一级质谱，选择一种质荷比的离子通过并直线加速至一定能量进入一个四极杆碰撞室，碰撞解离得到的子离子再由一个四极杆收集送至二级质谱分析器。这样，四极杆碰撞室的气压比前后两个四极杆都高，需要差动抽真空系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置；该装置可以选择性地激发某种质荷比的离子，使之获得碰撞所需的动能，离子解离率可控性好，灵敏度高。
本发明的另一目的在于提供上述基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置的实现方法。
本发明的再一目的在于提供上述基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置及其实现方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现一种基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置，与质谱分析器连接，包括射频四极杆，其特征在于所述射频四极杆设置在一个气压较高的气体反应腔体内，射频四极杆的每根杆由三段组成，使射频四极杆形成三级，第一级为质量过滤器，第二级为分子离子反应器，第三级为离子聚焦传输器，三级射频四极杆之间设置有间隙。在射频四极杆每两杆之间设置有形成轴向电场的轴向场电极；所述轴向场电极的数量为四片，呈轴对称分布排列。
所述射频四极杆三级之间的间隙小于2mm。
所述射频四极杆的每根杆直径D与射频四根杆形成的内切圆直径d1之间的比值约为1.147。轴向场电极沿轴向安装成一小角度，即四个电极形成的内切圆直径d2在离子入口端比离子的出口端小，d2与d1的比值约为1.3～1.5。
所述气体反应腔体设置有导气口；所述导气口可与毛细管相连接，反应气体可由毛细管引入。
一种利用上述基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法，其特征在于在一定气压下的射频四极杆上施加激发电压，使射频四极杆中的待分析离子获得动能，并与背景气体分子发生分子离子反应，产生待分析离子的子离子，并利用质谱分析器测量子离子，从而实现对待分析离子的串级质谱分析。
所述背景气体可以随待分析离子引入气体反应腔体，也可以由毛细管引入气体反应腔体。
在所述射频四极杆相邻的两杆之间施加射频电压，三级四极杆所加的射频电压完全相同；而相对的两杆之间施加激发电压，也就是其中相对的一组加正弦波电压，另一组加余弦波，两组电压频率相同，幅值相同，相位差90°。
所述激发电压有两组，分别为正弦和余弦波作用在相对的两杆上。使用正弦和余弦同时激发，在相同的机械和电参数下，可以产生两倍于二极激发和四极激发的能量。
四极杆的直流偏置电压有两个直流电压，一个是轴向场电压，一个是四极杆偏置电压。四极杆偏置电压、射频电压及激发电压通过变压器耦合后加在四极杆上。
所述背景气体一般为化学稳定性好的干燥纯气体，如氦气、氮气、氩气等其他稳定或惰性气体；背景气体气压为一般为0.1Pa～10Pa。
所述质谱分析器为垂直引入式高分辨飞行时间质谱分析器，也可以是其他种类的质谱分析器。
所述待分析离子为结构复杂的有机化合物离子(如药物)、生命大分子(如蛋白质、多肽、基因片断)等离子。
上述基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置及其实现方法可用于有选择性激发离子，使之获得碰撞所需的动能，即只有一定质荷比的离子可以得到子离子，其他离子则完整地通过；而且可以解离较大质量的母离子；还可以过滤杂质离子或高浓度组分离子，即所述的第一级质量过滤器不仅可以只让一种质荷比的离子通过，而且可以是阻止某一种或某几种质荷比的离子通过。
本发明的作用原理是设mi/q、Vrf、ω、r0、Vexc及ωexc分别为母离子质荷比、射频四极杆的射频电压、射频频率、射频四极杆内切圆半径、激发电压及激发频率。当激发电场频率为ωexc=2qVrfmir02ω]]>时，母离子得到最大动能。由于离子在四极杆中获得的动能与激发电压的频率一一对应，选择不同的激发频率，就可以选择不同质荷比的母离子使之获得动能并最后解离，因而本装置具有质量选择性；如果被选择离子在较短时间内获得足够大动能，则打到器壁上，不能通过，这时起滤质器的作用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(1)较之于二极激发或四极激发可以使母离子获得更大的动能。
(2)离子解离率可控性好，灵敏度高。
(3)整个装置在同一个腔体里，不需要额外的差动真空系统。
(4)具有质量选择性，可以选择一定按需质荷比的离子进行分子离子反应。
(5)可以过滤杂质离子或高浓度组分离子，也可以仅让某种离子通过。
图1是本发明装置的结构示意图。
图2图1所示装置的横截面图。
图3是直流、射频及激发电压耦合示意图。
图4是待分析多肽样品的氨基酸序列示意图。
图5是由本发明得到的典型多肽质谱图。
图6是质谱图5(a)中主成分离子被过滤而得到的谱图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1图1示出了本发明的结构，由图1可见，本基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置通过出口7与质谱分析器8相连，一起放在一个差级真空系统9中；本装置包括射频四极杆，所述射频四极杆设置在反应腔体2内，反应腔中的真空度可以由离子入口1调节，反应气体可以通过毛细管从导气口3引入。射频四极杆的每根杆由三段组成，使射频四极杆形成三级，第一级4为质量过滤器，第二级5为分子离子反应器，第三级6为离子聚焦传输器，三级射频四极杆之间设置有间隙；图2示为本发明的截面图，在射频四极杆11的每两杆之间设置有形成轴向电场的轴向场极片10；所述轴向场极片数量为四片，呈轴对称分布排列；射频四极杆每杆的直径D与四根杆形成的内切圆直径d1之间的比值约为1.147；轴向场电极形成的内切圆直径d2与d1的比值约为1.5。
在所述射频四极杆相邻的两杆之间施加射频电压，而相对的两杆之间施加激发电压。所述激发电压有两组，分别为正弦和余弦波作用在相对的两杆上，两组电压频率相同，幅值相同，但相位差90°。图3(a)表示了四极杆射频电压、直流偏置电压的耦合方式，三种电压分别由三个线圈变压器耦合在一起；直流电压加在四极射频变压器次级线圈的中心点，而激发电压与射频电压通过另两组线圈变压器相耦合，得到四个输出端4(a)，4(b)，4(c)4(d)，这四个输出端分别加在四根杆上，四根杆的相对位置如图3(b)所示。
利用上述装置实现的方法是在一定气压下的射频四极杆上施加激发电压，使射频四极杆中的待分析离子获得动能，并与背景气体分子发生分子离子反应，产生待分析离子的子离子，并利用质谱分析器测量子离子，从而实现对待分析离子的串级质谱分析；具体是从离子源飞来的离子首先进入滤质四极杆(质量过滤器)，通过施加一定的频率，可以将主要杂质离子去除；当待分析离子进入到第二个四极杆(分子离子反应器)时，施加该离子的激发频率，使之发生分子离子反应，形成碎片离子；碎片离子进入第三个四极杆(离子聚焦传输器)后又形成一个相空间较小的离子束，由本装置中引出，最后由质谱分析器分析得到质谱图。
将本装置及方法应用于对多肽样品进行分析处理，测量多肽分子结构，图4表示了待分析多肽的氨基酸序列图，它由5种氨基酸按顺序排列两次并结合成环状构成；图中O、V、P、F、L分别代表鸟氨酸(Ornithine)、缬氨酸(Valine)、脯氨酸(Proline)、苯基丙氨酸(Phenylalanine)和亮氨酸(Leucine)。利用电喷雾将其电离后，在一级质谱图中(如图5(a)所示)测得该多肽带双电荷的离子质荷比为571([M+2H]2+)；根据射频四极杆上所加的射频电压Vrf(170Vp-p)，射频频率ω(2*1.18MHz)，射频四极杆的内切圆半径r0(7mm)、即可以计算出该离子所对应的激发频率ωexc为59.9kHz；将幅值Vexc调节在大约0.8Vp-p并加在第二个四极杆上，当该离子经过该四极杆时，在激发电压的作用下获得动能，并与背景气体分子碰撞，最后解离得到子离子，本实施例中的四极杆气压大约为0.16Pa；如图5(b)所示，由于母离子各种可能的断裂碎片离子都被聚焦四极杆收集，并由二级质谱测得，通过分析各个子离子质谱峰并与氨基酸质量表比较，可以得到各碎片离子峰所代表的氨基酸序列。例如由于检测到质荷比为197的子离子，可以发现它是由PV两个氨基酸组成；由于检测到质荷比为311的子离子，可以发现它是由PVO三个氨基酸组成；又由于检测到质荷比为424的子离子，可以发现它是由PVOL四个氨基酸组成；这样就可以肯定，该多肽中含有PVOL四种氨基酸，而且存在PVOL的序列。同理可以检测出它含有其他种组合，最后推断出该多肽完整的氨基酸序列。
实施例2本实施例的装置同实施例1，所处理的多肽样品亦与实施例相同，利用本装置及实现方法主要进行杂质离子的分析，由于对该多肽离子不感兴趣，想分析其杂质，而多肽是样品的主要成分，对杂质的分析有影响，希望在进入质谱分析器前将其去除；具体操作是使图1中三个四极杆4、5、6所加的射频电压相同，但四极杆5，6不加激发电压，这时四极杆5，6仅起离子传输聚焦的作用；而第一级四极杆4作为滤质器，选择质荷比为571的离子激发频率，且幅值较高，如5V，使被激发的离子由于获得太大的动能而打到四极杆的器壁上而消失。母离子被过滤后的质谱图如图6所示，与图5(a)相比，所有的其他杂质离子被检测到，而质荷比为571的离子没有通过四极杆。选择不同的激发频率可以过滤一种或多种质荷比的离子。
权利要求
1.一种基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置，与质谱分析器相连，包括射频四极杆，其特征在于所述射频四极杆设置在同一个气体反应腔体内，射频四极杆的每根杆由三段组成，使射频四极杆形成三级，第一级为质量过滤器，第二级为分子离子反应器，第三级为离子聚焦传输器，三级射频四极杆之间设置有间隙。
2.根据权利要求1所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置，其特征在于所述射频四极杆三级之间的间隙小于2mm。
3.根据权利要求1所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置，其特征在于在射频四极杆每两杆之间设置有形成轴向电场的轴向场电极；所述轴向场电极的数量为四片，呈轴对称分布排列；轴向场电极形成的内切圆直径d2与射频四根杆形成的内切圆直径d1的比值约为1.3～1.5，靠近离子入口一端直径d2较小，靠近离子出口一端直径d2较大。
4.一种利用权利要求1～3任一项所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法，其特征在于在一定气压下的射频四极杆上施加激发电压，使射频四极杆中的待分析离子获得动能，并与背景气体分子发生分子离子反应，产生待分析离子的子离子，并利用质谱分析器测量子离子，从而实现对待分析离子的串级质谱分析。
5.根据权利要求4所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法，其特征在于三级四极杆处于同一反应腔体里，气压相同。
6.根据权利要求4所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法，其特征在于在所述射频四极杆相邻的两杆之间施加射频电压，而相对的两杆之间施加激发电压。
7.根据权利要求6所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法，其特征在于所述激发电压有两组，分别为正弦和余弦波作用在相对的两杆上。
8.根据权利要求4所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法，其特征在于所述待分析离子为结构复杂的有机化合物离子、生命大分子等离子。
9.根据权利要求4～8任一项所述的基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置实现的方法的应用，其特征在于用于有选择性激发离子，使之获得碰撞所需的动能，或过滤杂质离子或高浓度组分离子。
全文摘要
本发明提供一种基于射频四极杆的气相分子离子反应器装置，包括射频四极杆，所述射频四极杆设置在气体反应腔体内，呈轴对称分布排列，射频四极杆的每根杆由三段组成，使射频四极杆形成三级质量过滤器、分子离子反应器、离子聚焦传输器，三级射频四极杆之间设置有间隙；在射频四极杆每两杆之间设置有形成轴向电场的直流电压片；一种上述装置的实现方法，在射频四极杆上施加激发电场，使射频四极杆中的待分析离子获得动能，并与背景气体分子发生分子离子反应，产生待分析离子的子离子，并利用质谱分析器测量子离子，实现对待分析离子的串级质谱分析。本发明可以选择性地激发离子，使之获得碰撞所需的动能，离子解离率可控性好，灵敏度高。
文档编号H01J49/02GK1779457SQ200510100350
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月19日 优先权日2005年10月19日
发明者周振, 傅忠, 盛国英 申请人:广州禾信自动化系统有限公司