一种提高待测物质质谱检测灵敏度的方法和系统与流程

本发明涉及质谱分析领域，具体地说，涉及一种提高待测物质质谱检测灵敏度的方法和系统。

背景技术：

质谱分析技术是根据离子的质量与电荷的比值区分离子的分析技术。质谱仪是将样品分子转换为离子，并按照离子的质荷比分离离子，并进行定性定量分析的仪器。四极杆和四极离子阱都是应用四极电场的质谱仪，在质量分析过程中，二者通常利用扫描电压使离子选择性通过或选择性弹射，从而被电子倍增器检测到并形成质谱图。

但是，当对复杂样品进行检测时，复杂样品中的低浓度物质容易被高浓度物质信号覆盖，从而干扰检测结果，降低了检测的灵敏度。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种提高待测物质质谱检测灵敏度的方法，有利于检测出低浓度物质，提高了检测灵敏度。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种提高待测物质质谱检测灵敏度的方法，包括如下步骤：

1)进样阶段

先将离子化的待测物质通过四极杆进样，待测物质离子经所述四极杆的出口进入离子阱的入口；

所述四极杆的射频电压设置为第一预设值；所述第一预设值使得与该第一预设值对应的特定质荷比的待测物质离子通过所述四极杆到达所述离子阱；所述特定质荷比的待测物质离子满足马修方程的稳定条件；

所述离子阱的射频电压设置为第二预设值，所述离子阱的前极板电压设置为第三预设值并持续第一预设时间，所述离子阱的后极板电压设置为第四预设 值；所述第三预设值不同于所述第四预设值；

2)离子冷却阶段

当所述第一预设时间结束时，将所述前极板电压由所述第三预设值变化至所述第四预设值并持续第二预设时间，停止进样；

3)待测物质弹出离子阱

当所述第二预设时间结束时，将离子阱的射频电压降为0，所述特定质荷比的待测物质离子从所述离子阱中弹出。

在一种可选的实施方式中，在将离子阱的射频电压降为0后，所述方法还包括：

将所述离子阱的离子清除。

在一种可选的实施方式中，所述将所述离子阱的离子清除，具体包括：

将所述前极板电压和所述后极板电压降为零。

在一种可选的实施方式中，当所述待测物质离子携带正电荷时，所述第三预设值低于所述第四预设值，当所述待测物质离子携带负电荷时，所述第三预设值高于所述第四预设值。

在一种可选的实施方式中，所述第一预设时间为10ms至500ms。

在一种可选的实施方式中，所述第二预设时间为10ms至500ms。

在一种可选的实施方式中，所述第二预设值的电压为100V-5000V。

在一种可选的实施方式中，所述第三预设值的电压为-200V-200V。

在一种可选的实施方式中，所述第四预设值的电压为-200V-200V。

本发明实施例还提供一种提高质谱待测物质检测灵敏度的系统，用于实现前述任意一种方法，所述系统包括：

离子源、四极杆、离子阱和电子倍增器；所述离子源向所述四极杆的入口发射离子，所述四极杆的出口连接所述离子阱的入口，所述电子倍增器位于所述离子阱的侧端或后端。

本发明实施例提供的提高待测物质质谱检测灵敏度的方法和系统，在进样阶段，将离子化的待测物质向四极杆进样，待测物质离子经所述四极杆的出口进入离子阱的入口，将四极杆的射频电压设置为第一预设值，将离子阱的射频 电压设置为第二预设值，将离子阱的前极板电压设置为第三预设值并持续第一预设时间，将离子阱的后极板电压设置为第四预设值；其中第三预设值不同于第四预设值；当所述第一预设时间结束时，将前极板电压由第三预设值变化至第四预设值，并持续第二预设时间，当第二预设时间结束时，将离子阱的射频电压降为0，以使得特定质荷比的待测物质离子从所述离子阱中弹出被电子倍增器检测。本发明实施例所提供的检测方法和系统，大大提高了待定物质检测灵敏度，尤其适合复杂混合样品中低浓度物质的快速检测和二级质谱分析。

附图说明

图1为本发明所述提高待测物质质谱检测灵敏度的方法的流程图；

图2为四极杆选择特定质荷比离子的原理示意图；

图3为电信号的时序控制图；

图4为实施例1离子瞬间弹射模式的信号强度图；

图5为对比例1射频电压扫描模式的信号强度图；

图6为实施例2离子瞬间弹射模式的信号强度图；

图7为对比例2射频电压扫描模式的信号强度图；

图8为不同离子积累时间对信号强度的影响示意图；

图9-1为射频电压扫描模式下不同浓度样品的信号强度示意图；

图9-2为离子瞬间弹射扫描模式下不同浓度样品的信号强度示意图；

图10为实现本发明所述提高待测物质质谱检测灵敏度的系统的示意图。

具体实施方式

下面参考附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明实施例提供了一种提高待测物质质谱检测灵敏度的方法，如图1所示，该方法包括：

101、在离子向四极杆进样时，将四极杆的射频电压设置为第一预设值。

该第一预设值使得符合特定质荷比的离子具有稳定的轨迹和有限的振幅，从而通过四极杆，达到离子阱；其他不稳定的离子趋于无穷大的振幅，最终碰到电极或者从缝隙跑出。本发明实施例中所指的特定质荷比的待测物质离子满足马修方程的稳定条件。通过控制四极杆的电压，选出特定质荷比的离子，即电压与能够通过四级杆的离子的质荷比具有一一对应关系。当需要通过四级杆的离子的质荷比确定时，相应的加在四级杆上的射频电压也就是确定的。

第一预设值的电压一般控制在100V至5000V之间，通过调节不同的电压可以适合不同质荷比的离子，可以保证特定荷质比的待测物质到达离子阱，而其他不稳定的离子从缝隙中飞出或是碰到电极，无法到达离子阱。

离子源向四极杆发送离子，四极杆的出口连接离子阱的入口，离子阱用于束缚离子，当离子从离子阱中弹出时，电子倍增器对离子进行检测，电子倍增器可以设置在离子阱的侧端或后端。

102、将离子阱的射频电压设置为第二预设值，将离子阱的前极板电压设置为第三预设值，将离子阱的后极板电压设置为第四预设值。

第二预设值的电压可在100V至5000V之间设置，质量较大的离子需要施以较高的第二预设值电压，质量较小的离子需要施以较低的第二预设值电压；第三预设值和第四预设值的电压可在-200V至200V之间设置，优选为-100V至100V。

当待测物质离子所带电荷为正电荷时，第三预设值低于第四预设值。当待测物质离子所带电荷为负电荷时，第三预设值高于第四预设值。

下面对第三、第四预设值的数值进行举例说明。待测物质离子带正电荷，则第四预设值可设定为120V，第三预设值可设定为一较小值，比如约为0的值或者0V。待测物质离子带负电荷，则第四预设值可设定为-120V，第三预设值可设定为约为0的值或0V。

离子阱的射频电压提供离子径向束缚力，前、后极板电压提供离子轴向束缚力，从而使待测物质离子被束缚在离子阱中。

其中第三预设值持续第一预设时间t1，本领域技术人员可以根据实际操作 的情况经验设定t1。比如，t1可以在10ms-500ms之间，优选为100ms-300ms。

103、将前极板电压由第三预设值变化至第四预设值，停止进样。

当t1到达时，将前极板电压由第三预设值变化至第四预设值，并且第四预设值持续第二预设时间t2，本领域技术人员可根据实际操作情况经验设定t2。比如，t2可以在10ms-500ms之间，优选为50ms-200ms。

当待测物质离子携带正电荷时，将第三预设值升高至第四预设值，当待测物质离子携带负电荷时，第三预设值降低至第四预设值。

通过抬升/降低前极板电压，控制进入离子阱的离子数量，防止离子阱中的离子量过多导致定量不准。

在此情况下，待测物质离子不再向离子阱进样，已进入离子阱的离子逐渐冷却到离子阱中心。

104、将离子阱的射频电压降为0。

当t2到达时，将离子阱的射频电压降为0。通过将离子阱的射频电压降为0，使得离子从所述离子阱中弹出被电子倍增器检测。

进一步的，在步骤104后，还包括：

将离子阱的离子清除。具体的，将前极板电压和后极板电压降为零，从而实现离子清除。

本发明实施例中的第一预设值、第二预设值、第三预设值和第四预设值的具体数值可以由技术人员进行设置，从而确保特定质荷比的离子通过四极杆并被束缚在离子阱中。

下面结合马修方程，对四极杆的射频电压、离子的质荷比、离子在四极杆中的稳定运动状态进行简要说明。

离子在四极杆中的运动轨迹满足马修方程：

其中u为离子运动轨迹，Ω是四极杆的射频电场频率，参数ξ＝Ωt/2，参数a_u、q_u分别为：

其中e为离子电荷，m为离子质量，r₀为四极杆半径，V为射频电场幅度，U为直流电场幅度，射频电压RF＝U+V cos(Ωt)。

如图2所示，只有当参数U、V满足特定条件时(即a_u、q_u满足特定的条件)，离子在四极杆中的运动才处于稳定态，进而穿过四极杆到达离子阱中。以U为横坐标，V为纵坐标，将符合稳定条件的区域称为稳定区。使离子在x方向稳定的部分为x稳定区，使离子在y方向稳定的部分为y稳定区，x稳定区与y稳定区的交集为xy稳定区。设定一组U、V的值，U/V满足图2中斜线的斜率，此时只有一种质荷比的离子是稳定的，能到达离子阱。按比例改变U、V的值，达到离子阱的离子的质量可由m1变为m2。

上文提及的马修方程中的参数U、V满足特定条件，该特定条件的具体含义，本领域技术人员可以参考March,Ramond E.所著的《Quadrupole ion trap mass spectrometer》。

下面结合图3对各种电信号的施加顺序进行说明。在图3所对应的场景中，离子源发射的离子携带正电荷。

A、进样阶段：

将四极杆的射频电压(RF1)设置为第一预设值，将离子阱的射频电压(RF2)设置为第二预设值，将离子阱的前极板电压(DC1)设置为第三预设值，并将离子阱的后极板电压(DC2)设置为第四预设值。其中第三预设值低于第四预设值。

经过上述电压设定后，可以使从离子源发射出的离子中具有特定质荷比的离子在四极杆中的运动处于稳定态，进而穿过四极杆到达离子阱并积累起来。其他质荷比的离子运动不稳定，最终碰到四极杆的电极或者从缝隙跑出，这样就可以过滤掉其他质荷比的离子。

B、离子冷却阶段：

将DC1抬升至第四预设值，停止进样。在此情况下，离子在离子-载气分子碰撞的作用下冷却到离子阱中心。

C、信号检测阶段：

瞬间撤销离子阱上的RF2，离子失去电场力束缚，瞬间弹出离子阱，并被电子倍增器检测到。

这种检测方式称为离子瞬间弹射模式。

D、离子清除阶段：

撤销DC1和DC2，不施加束缚离子的作用力，从而将各处可能积累的离子清除。可选的，RF1也可以清除。

实施例1

本实施例中待测样品为利血平，浓度为1ppm，选用电喷雾离子化方式对待测样品进行离子化，待测离子的质荷比为609。通过调节四极杆，将四级杆射频电压调为500V，待测离子经四极杆的出口进入离子阱的入口，离子阱的射频电压设置为400V，离子阱的前极板电压设置为0V，离子阱的后极板电压设置为100V，其中前极板电压在0V持续200ms时间。

200ms时间到达时，将前极板电压由0V变化至100V，使离子阱的前后极板电压相同，停止向离子阱进样，前极板电压在100V上至少持续100ms时间。

100ms时间到达时，瞬间将离子阱的射频电压降为0，待测物质离子从离子阱中弹出，对弹出的离子的检测结果见图4。

对比例1

使用现有技术的射频电压扫描模式对浓度为1ppm的待测样品进行扫描，扫描对应的质荷比为279到814，待测离子的质荷比为609，扫描时间设置为200ms，得到的扫描结果见图5。观察纵轴可以发现，图4中的待测离子的响应强度明显高于图5。

当待测离子浓度较低时，采用传统的射频电压扫描模式检测，响应强度不明显，正如图5中所示的那样，质荷比为609的待测离子的信噪比约为13。

而本发明实施例提供的方法中，首先在四极杆中滤过了不稳定的其他离子，然后使大量质荷比为609的待测离子束缚在离子阱中并聚集到离子阱中心，此时瞬间撤销离子阱上的射频电压使待测离子弹出，测得的待测离子的响应强度非常明显，如图4所示，信噪比约为578。

实施例2

本实施例中待测样品为乙酰胆碱，浓度为1ppm，待测离子的质荷比为146。将四级杆射频电压调为212V，待测离子经四极杆的出口进入离子阱的入口，离子阱的射频电压设置为150V，离子阱的前极板电压设置为0V，离子阱的后极板电压设置为100V，其中前极板电压在0V持续200ms时间。

200ms时间到达时，将前极板电压由0V变化至100V，使离子阱的前后极板电压相同，停止向离子阱进样，前极板电压在100V上50ms时间。

50ms时间到达时，瞬间将离子阱的射频电压降为0，待测物质离子从离子阱中弹出，对弹出的离子的检测结果见图6。

对比例2

使用射频电压扫描模式对浓度为1ppm的乙酰胆碱进行扫描，待测离子的质荷比为146，检测结果见图7。可以看出图6的离子瞬间弹射模式的响应强度高于图7。

由此可见，本发明实施例的检测方式提高了低浓度样品的检测灵敏度。

进一步的，针对离子瞬间弹射模式，图8给出了不同离子积累时间对信号强度的影响，该离子积累时间即第一预设时间，其范围为10ms-500ms，如图所示，离子积累时间越长，信号强度越高。本发明实施例中给出的时间范围是建议范围，不代表所有的离子积累时间。

此外，不同样品浓度对信号强度具有影响。如图9-1和图9-2所示，采用质荷比609的离子，样品浓度范围是0.01ppm到50ppm。图9-1为射频电压扫描模式，图9-2为离子瞬间弹射扫描模式，这两种操作模式下，信号强度随样品浓度增加而增加。但对于浓度低于100ppb的样品，射频电压扫描模式无法检测，而离子瞬间弹射扫描模式在0.01ppm到50ppm的整个范围内都有检测结果。

本发明实施例提供了一种提高待测物质质谱检测灵敏度的方法，在离子向四极杆进样时，将四极杆的射频电压设置为第一预设值，将离子阱的射频电压设置为第二预设值，将离子阱的前极板电压设置为第三预设值并持续第一预设时间，将离子阱的后极板电压设置为第四预设值；其中第三预设值不同于第四预设值；当第一预设时间结束时，将前极板电压由第三预设值变更为第四预设值并持续第二预设时间；当第二预设时间结束时，将离子阱的射频电压降为0， 以使得离子从离子阱中弹出被电子倍增器检测。本发明实施例所提供的检测方法，在四极杆中滤过了轨迹不稳定的离子，使得特定质荷比的待测离子束缚并聚集在离子阱中，然后撤销离子阱上的射频电压使待测离子弹出，此时测得的待测离子的响应强度非常明显，大大提高了待定物质检测灵敏度，尤其适合复杂混合样品中低浓度物质的快速检测和二级质谱分析。另外，依靠选择性积累离子快速弹出以提高低浓度样品检测灵敏度，不需要预处理手段将待检测的低浓度物质分离，分析速度更快，操作更简便。

本发明实施例还提供了一种用于实现前述实施例中的方法的系统，如图10所示，该系统包括离子源1，四极杆2，离子阱3和电子倍增器4。离子源1向四极杆2的入口发射离子，四极杆2的出口连接离子阱3的入口，电子倍增器4位于离子阱3的侧端或后端。本发明实施例所使用的离子阱可以是双曲离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱等。采用四极杆和离子阱的组合进行质谱检测，便于小型化，适用于现场实时快速检测。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。