一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法与流程

本发明涉及飞行时间质谱仪的应用领域，具体涉及一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法。

背景技术

质谱仪，又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的仪器。

飞行时间质谱仪：飞行时间质谱仪timeofflightmassspectrometer(tof)是一种常见的质谱仪。这种质谱仪的检测系统是一个离子漂移管，由离子源产生的离子加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器，离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按质荷数m/z值大小进行分离。

为了实现离子到达时间的检测，离子必须尽量获得相同的加速能量并同时开始飞行。在离子飞行的过程中，仪器会处于等待状态，不提取新的离子，一直等到离子全部飞行完成后，再开始新一轮的提取和飞行。

为了提高仪器性能，通常会让待测离子形成束流，再从中进行垂直提取。正交提取技术是在离子束传输的正交方向施加脉冲电压，将离子推送至加速区，从而减少离子束沿轴向传播所具有的动能分散造成的质谱分辨率降低影响，其技术特点是离子束流中的大部分都没有被提取，因此飞行时间质谱仪的离子利用效率较低。

离子提取：用脉冲电场加速待测离子，使之开始向飞行腔体运动的动作。

飞行时间质谱仪对待检测离子的提取采用的是垂直提取方式，从一束稳定的离子束中提取一段离子，并令该段离子沿着离子束轴线垂直的方向飞出，进入飞行管内。由于提取的离子只占总离子数量的3％～20％，所以大部分的离子都没有被检测，导致飞行时间质谱仪的灵敏度有限。

检测限是分析仪器的核心性能指标，分析仪器的检测限与其信噪比密切相关，仪器的灵敏度越高，信噪比就越大，此时仪器的检测限就越低，提高仪器的信噪比可以通过提高仪器的灵敏度和降低噪声来实现，在飞行时间质谱中，噪声不随着灵敏度的增加而增加，因此可以通过提高灵敏度的方式来优化检测限。

飞行时间质谱的灵敏度从原理上取决于到达检测器的离子的数量，离子数量越多，仪器就越灵敏。因此提高灵敏度主要通过设法增加到达检测器的离子的数量来实现。

在实践中，有使用离子阀技术提高实际参与检测的离子数量的方法。离子阀技术将原本连续进入推斥区的离子流调制为与推斥脉冲同步的离子团，提高推斥占空比，进而提高离子利用率。离子阀技术使大量离子聚焦在较小的空间内，因为离子密度大、电荷之间互斥作用强，所以更难聚焦和得到高质量分辨率的谱峰；离子阀产生的电场会对离子飞行控制产生额外的影响，使得仪器调试难度增加；最后离子阀技术系统结构复杂，离子阀控制部分增加了仪器的制造成本、降低了可靠性。

技术实现要素：

为了加大离子提取的频率，提高飞行时间质谱仪的灵敏度，本发明拟提供一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法。

本发明实施例提供一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法，包括：采用飞行时间质谱仪测试样品里的目标物质，捕捉并判定所述目标物质对应的离子数的目标峰；计算各所述目标峰不受干扰的提取脉冲间隔时间的可能取值，生成间隔时间列表；从所述间隔时间列表中选择间隔时间进行目标峰数据的采集分析，缓存未被干扰的所述目标峰数据；累加所述缓存未被干扰的所述目标峰数据得到数据结果，根据所述数据结果绘制质谱图。

进一步地，所述采用飞行时间质谱仪测试样品里的目标物质，捕捉并判定所述目标物质对应的离子数的目标峰，包括：所述样品到达所述飞行时间质谱仪的离子源产生各种离子；所述飞行时间质谱仪的检测系统捕捉并判定目标物质对应的离子数大于设定阈值的有效峰的位置；根据所述有效峰的位置预测所有所述有效峰在高次折叠情况下的分布；根据所述分布捕捉并判断不被干扰的所述有效峰作为目标峰。

进一步地，所述计算各所述目标峰不受干扰的提取脉冲间隔时间的可能取值，生成间隔时间列表，包括如下步骤：统计所有所述有效目标峰的峰高和峰位置；计算在所有折叠次数下，所述提取脉冲间隔时间的可能取值；根据灵敏度提高的参数要求，选择干扰最少的所述提取脉冲间隔时间取值放入所述间隔时间列表中。

进一步地，所述间隔时间列表数值依大小顺序排列。

进一步地，相邻两个所述间隔时间的最小差值应满足如下条件：所述目标峰和比所述目标峰高一次和低一次的峰，三者当中移动距离最小的一个，至少移动了所述目标峰的峰脚宽度。

进一步地，所述对应的间隔时间的选择，其时间长度应满足相邻两次采集之间的干扰峰的增长不能产生超过容忍限度的干扰。

进一步地，从所述间隔时间列表中选择间隔时间进行目标峰数据的采集分析，缓存未被干扰的所述目标峰数据，包括如下步骤；选择合适的折叠次数及对应的间隔时间采集所述目标峰；对所述目标峰进行干扰判断及处理；缓存未被干扰的所述目标峰数据。

进一步地，所述对所述目标峰进行干扰判断及处理，包括如下步骤：判断在所述目标峰处是否有干扰峰；如果有干扰峰，则使所述目标峰与所述干扰峰分离；如果无干扰峰则不做处理。

进一步地，所述目标峰与所述干扰峰分离，包括如下步骤：微调所述提取脉冲间隔时间，使所述目标峰与所述干扰峰分离；更新间隔时间列表。

进一步地，所述质谱图横坐标为质量数，纵坐标为离子数。

本发明实施例提供的方案，系统结构简单、可靠性高、成本低廉；有效避免了离子富集产生的质量分辨率下降的问题，提高了飞行时间质谱仪的灵敏度。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图；

图5是本发明实施例飞行时间质谱仪组成示意图；

图6是传统方法的离子发射示意图；

图7是本发明实施例方法的离子发射示意图；

图8是本发明实施例方法的累加示意图；

图9是本发明实施例方法的峰定义示意图；

图10是本发明实施例方法的第一次折叠前特征峰示意图；

图11是本发明实施例方法的第一次折叠后特征峰示意图；

图12是本发明实施例方法的第二次折叠前特征峰示意图；

图13是本发明实施例方法的第二次折叠后特征峰示意图；

图14是本发明实施例方法的不能再缩短间隔时间的特征峰示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本发明技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。其只是包含了本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本发明的各种变化获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图5是本发明实施例飞行时间质谱仪系统组成示意图。如图5所示，在仪器总控30的时序控制下，离子源10产生待测物离子，经过传输到达飞行腔体20内的推斥模块21，推斥模块21将离子垂直地发射出去。被发射的离子在飞行腔体20内飞行，再以恒定速度穿过离子阀22并最终到达检测系统23。离子质量越大，到达检测系统所用时间越长，离子质量越小，到达检测系统所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按质荷数m/z值大小进行分离。

本方法的实质是加大离子提取飞行的频率，使得全部离子中更多比例的离子被提取和检测。具体方法是提高提取脉冲的频率，仪器并不等待所有离子都完成飞行就开始新一批离子的飞行，使质量大的原本应该在第一周期到达的离子在第二或更高个提取脉冲以后到达检测器。通过特有的技术将谱图当中来自于之前周期的峰识别出来，并判断出该峰的准确质量。由于提取频率加大，所以被检测的离子数量增多，仪器的灵敏度得到了提高。

关于涉及到的技术词汇，解释如下。

特征峰是指关心的被测物质在被分析的过程中，特定位置上得到离子的个数明显高于其他位置离子的个数，则称为特征峰，例如，苯在被分析的过程中会在质荷比为78，51，52等处产生特征峰。

目标峰是指为了获得预期的分析效果，从特征峰中选出来的，用于参与计算的质谱峰。例如苯通常使用质荷比为78的峰作为目标峰。

干扰峰是指可能叠加在目标峰上并对目标峰产生干扰的任何质谱峰。

飞行过程是飞行过程是指飞行时间质谱分析的微观过程，从离子被加速器发射出去到人为设定的间隔时间结束，是一次飞行过程，在这个过程中，相同质荷比的离子只能在一个确定的时间到达检测器一次。正常情况下多次飞行过程重复循环直到停止分析。

获得谱图是获得一张谱图的过程，是飞行时间质谱分析的宏观过程。由于飞行时间质谱仪的累加工作的特点，要获得一张谱图就需要进行多个飞行过程的连续分析。一般一张谱图包含n个飞行过程，n的取值从数十到数百万都有可能。所有飞行过程的分析结果进行累加，最终得到常见的飞行时间质谱图。

间隔时间是指特定的飞行过程时间长度。在具体的质谱分析中，必须指定一个确定的间隔时间，质谱仪以这个间隔时间为最小循环单位进行循环分析。本发明中间隔时间不是固定不变的，它是可以根据分析的需求实时进行调整的一个参数，调整的依据是冲事先算好的间隔时间列表中取值。

如图8所示，图8是本发明实施例方法的累加示意图。一张谱图的分析过程是由若干个飞行过程组成的。每个飞行过程里，在质量轴的特定位置上得到0或1个离子。所有飞行过中，对应质量轴位置上所有离子数量累加在一起，形成该质量处的质谱峰。所有质谱峰按照质量位置分布就形成了质谱图。

空白段是在质谱图中，相邻两个谱峰中间的没有峰的区域。

图1是本发明第一实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图。方法包括如下步骤。

在步骤s110中，采用飞行时间质谱仪测试样品里的目标物质，捕捉并判定目标物质对应的离子数的目标峰。

用户选择要测试的目标物质，采用飞行时间质谱仪进行尝试性样品试测。程序列出目标物质响应高度大于设定阈值的分子峰和碎片峰列表作为测试结果，并根据测试结果得到所有空白区段的位置。对碎片列表依次进行循环运算，找出能够实现累加效果最好的碎片，最大可折叠次数乘以碎片峰面积最高。分析尝试性样品试测的结果，得到灵敏度提高的具体参数。

如图9所示，图9是本发明实施例方法的峰定义示意图。以苯为例：苯分子峰78，碎片峰51、52，这三种属于特征峰。干扰峰为19、29、32、33、47、48、79等，因为78峰最高，所以选定为目标峰。

图9所示的间隔时间为50us，对应的质量轴长度为133m/z，m/z为质荷数。

如图10所示，图10是本发明实施例方法的第一次折叠前特征峰示意图。逐渐缩短间隔时间，各质量处的峰开始发生折叠。

如图11所示，图11是本发明实施例方法的第一次折叠后特征峰示意图。目标峰第一次发生折叠是在间隔时间37.25us左右，此时目标峰折叠后出现在0.75m/z附近。

不断缩小间隔时间，会发现折叠后的目标峰逐渐右移，到达最右侧后会发生更高次折叠。

如图12、13所示，图12、13分别是本发明实施例方法的第二次折叠前、后特征峰示意图。图中最高峰为目标峰，可见目标峰和两边的峰的距离足够小且不能通过微调间隔时间的方法解决，距离如果再缩短，则其他峰就会干扰到目标峰了。如图14所示，图14是本发明实施例方法的不能再缩短间隔时间的特征峰示意图。

当目标物质只有一种时，到达最大可折叠次数的条件是目标峰和两边的峰的距离小于某数值且不能通过微调间隔时间的方法解决。当目标物质为两种以上时，到达最大可折叠次数的条件是不能再缩短间隔时间。再缩短间隔时间则关心物质中的一种或几种物质的目标峰都会被其他峰重叠干扰。

在步骤s120中，计算各目标峰不受干扰的提取脉冲间隔时间的可能取值，生成间隔时间列表。

根据目标峰计算间隔时间，目的是让目标峰出现在折叠后谱图的最右边，以达到频率尽量高的效果。如图12所示，目标峰在谱图最右侧，此时间隔时间是相同折叠次数下最短的，相应的单位时间内循环次数最多，灵敏度最高。

在没有干扰峰的位置让目标峰落进去，如图10所示，所有高度超过10个计数值的峰之间的空白段都可以作为没有干扰峰的位置。在图11中，目标峰落进了0～2.5m/z之间的空白段。仪器可以控制目标峰位置的原因在于目标峰的质荷数m/z是定值，而目标峰出现在折叠后谱图的位置是目标峰位置的质量数除以间隔时间的余数。

计算完成间隔时间以后，要生成用于判断干扰的间隔时间列表，正常情况下，如果不考虑干扰，则间隔时间只需要一个。但为了消除可能存在的干扰，对原有计算完成的间隔时间进行微调，生成一系列差距很小的间隔时间，这些间隔时间合在一起形成一个列表，就是间隔时间列表。

在步骤s130中，从间隔时间列表中选择间隔时间进行目标峰数据的采集分析，缓存未被干扰的目标峰数据。

从间隔时间列表中选择间隔时间进行目标峰数据的采集，每采集一次谱图，就结合本次和上次的峰形判断是否有干扰峰进入目标峰的范围内，同时根据本次分析结果判断前几次分析结果是否可用。因为本次结果为上次结果的一个微调后的结果，所以如果上次采集谱图时有干扰峰和目标峰合并在一起，则在本次测试中，干扰峰应该落在可以预测的若干个位置上，这就是目标峰和干扰峰的分离方法。如果发现微调后干扰峰和目标峰分离，并且连续发生两次以上时，就判断存在干扰，删除此前被干扰的数据。本流程给出的是一个判断，即序号为n-k(本例中k＝2)的数据是否可用。如表1所示。

整个分析的最后k个循环结果不叠加，直接抛弃。这同样是因为最后的k个循环的结果没有后续的分析结果来判断其是否受到了干扰，所以只能丢弃。k的取值范围为[2，n-1]。

表1

干扰判断的关键技术是将不同层次的峰拉开，因为峰的叠加只能是不同折叠次数的峰才发生叠加，利用间隔时间的调整，使得可能叠加的峰产生拉开的效果。进而判断峰是否重叠。

假设目标峰上叠加有1～m次的峰(其中目标峰自身所在层次k不算)，进行间隔时间微调后，假设目标峰折叠到1次，调整间隔时间后令目标峰位置的增量为t，则间隔时间缩短了t，2～m层的干扰峰会依次出现在2t、3t…mt各位置处。

在间隔时间列表中寻找间隔时间(或者随机选取间隔时间)，进行多次g次采集，如果发现始终是有一个固定次数的层次的峰每次都出现，则可判断有干扰。判断的准确率取决于g的一个概率计算公式。

通过峰目标管理技术实现谱图中关键峰的管理功能。关键峰是指所有有可能通过各次折叠干扰到目标峰的谱峰。如图9所示，选择78作为目标峰以后，19，29，31，32，33，43，45，47，48，51，52等处的峰都是关键峰。在每次累加测得的缓存谱图中，根据所有峰的变化情况推算其原始峰位置，进而计算在目前的间隔时间列表中，是否有可能干扰到目标峰。简单办法是把所有的峰都管理起来，形成峰统计表，在折叠以后的图中逐个寻找峰的位置，并计算其是否可能对目标产生干扰。及时发现不在峰统计表中的新峰，通过间隔时间的调整，确定新峰的原始位置，并加入峰统计表中。

在步骤s140中，累加缓存未被干扰的目标峰数据得到数据结果，根据数据结果绘制质谱图。质谱图横坐标为质量数，纵坐标为离子数。

将n-2的数据结果与之前结果进行累加。如果数据结果不可用，直接跳到微调间隔步骤。也可以使用穷举法列出目标峰所有不受干扰的间隔时间，并将其中最短的一些添加到间隔时间列表中。

累加的时间最小可以取一次间隔时间的长度，通常为50us。可以取得更长，最多能取多长主要看物质出现和消失的时间。如果两次相邻的累加之间增长最快的峰(分子和碎片)也没有产生足够的干扰强度，则认为这个循环长度可行；否则如果产生了超出容忍量的干扰，则认为长度过长，应该缩短，直到相邻循环之间的干扰峰的增长不至于产生超过容忍限度的干扰。

因此时间长度的选取主要是基于干扰来考量的。确定了一个容许的最大干扰，也就确定了循环的长度。进行上述考虑的原因主要是防止循环时间太长而在循环的过程中出现了新的干扰物质，因为新增干扰物质在上一次循环中未出现，而在本次循环中又具有足够的强度时，可能会干扰到目标峰，所以就希望把循环定的足够短，短到只要干扰峰一出现，就会被循环之间的干扰峰检测算法发现，从而被管理起来。

另一方面，循环不能太短，如果只有50us的长度，则即使在某质量处有离子，其高度也只能是1个计数值，这是由飞行时间质谱仪累积的原理决定的，无法进行相关操作。

图2是本发明第二实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图，方法包括如下步骤。

在步骤s211中，样品到达飞行时间质谱仪的离子源产生各种离子。

在步骤s212中，飞行时间质谱仪的检测系统捕捉并判定目标物质对应的离子数大于设定阈值的有效峰的位置。

图6是传统方法的离子发射示意图。图7是本发明实施例方法的离子发射示意图。

如图6所示，传统方法的循环周期要比目标离子的飞行时间长，目标离子的到达时间位于离子发射时刻和循环周期结束时刻中间，由于目标离子有时质量较大，这就导致循环周期必须足够长，以包含目标离子的飞行时间。循环周期越长，单位时间内可以分析检测的循环次数就越少，仪器灵敏度越低。

如图7所示，循环周期比目标离子的飞行时间短，也就是说第一循环周期发射的离子，可能在第n个循环周期的时候到达检测器。由于循环周期缩短，循环次数加大，仪器灵敏度得到了提高。

理论上循环周期越短越好，但实践中谱图上会有较多固有存在的离子峰，循环周期很短或者不合适的时候，目标峰就会和固有离子峰重叠，导致无法分析，因此，本方法的关键是在确保不被干扰的前提下，尽量缩短循环周期。

为了降低无关离子对检测器的消耗，在检测器前部安装离子阀，只在关心离子可能通过的时间段内开启离子阀，其他时间关闭，阻止无关离子到达检测器。

在步骤s213中，根据有效峰的位置预测所有有效峰在高次折叠情况下的分布。

在步骤s214中，根据分布捕捉并判断不被干扰的有效峰作为目标峰。

针对某一种确定的关心物质而言，确定具体的目标峰的选择方法如下。选择过程主要考虑其它峰对所选择目标峰的干扰情况，和测量目标物有哪些碎片峰可以作为目标峰等因素，选择一个最佳目标峰，要求能折叠的次数最多，干扰最小。由图9可见，苯有至少3个特征峰，其中78处的峰强度最高，最不容易受到干扰，因此选择78处的峰作为目标峰。

在步骤s220中，计算各目标峰不受干扰的提取脉冲间隔时间的可能取值，生成间隔时间列表。

在步骤s230中，从间隔时间列表中选择间隔时间进行目标峰数据的采集分析，缓存未被干扰的目标峰数据。

在步骤s240中，累加缓存未被干扰的目标峰数据得到数据结果，根据数据结果绘制质谱图。质谱图横坐标为质量数，纵坐标为离子数。

本实施例的步骤s220、s230、s240与上述实施例的步骤s120、s130、s140相同，不再赘述。

图3是本发明第三实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图。包括如下步骤。

在步骤s310中，采用飞行时间质谱仪测试样品里的目标物质，捕捉并判定目标物质对应的离子数的目标峰的个数。

在步骤s321中，统计所有有效目标峰的峰高和峰位置。

在步骤s322中，计算在所有折叠次数下，提取脉冲间隔时间的可能取值。

在步骤s323中，根据灵敏度提高的参数要求，选择干扰最少的提取脉冲间隔时间取值放入间隔时间列表中。

根据灵敏度提高的参数要求，选择干扰最少的提取脉冲间隔时间取值放入间隔时间列表中。间隔时间列表数值依大小顺序排列。相邻两个间隔时间的最小差值应满足如下条件：目标峰和比目标峰高一次和低一次的峰，三者当中移动距离最小的一个，至少移动了目标峰的峰脚宽度。对应的间隔时间的选择，其时间长度应满足相邻两次采集之间的干扰峰的增长不能产生超过容忍限度的干扰。

在步骤s330中，从间隔时间列表中选择间隔时间进行目标峰数据的采集分析，缓存未被干扰的目标峰数据。

在步骤s340中，累加缓存未被干扰的目标峰数据得到数据结果，根据数据结果绘制质谱图。质谱图横坐标为质量数，纵坐标为离子数。

本实施例的步骤s310、s330、s340与上述实施例的步骤s110、s130、s140相同，不再赘述。

图4是本发明第四实施例提供的一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法流程示意图。

在步骤s410中，采用飞行时间质谱仪测试样品里的目标物质，捕捉并判定目标物质对应的离子数的目标峰的个数。

在步骤s420中，计算各目标峰不受干扰的提取脉冲间隔时间的可能取值，生成间隔时间列表。

在步骤s431中，选择合适的折叠次数及对应的间隔时间采集目标峰。

在步骤s432中，对目标峰进行干扰判断及处理。

判断在目标峰处是否有干扰峰。如果有干扰峰，则使目标峰与干扰峰分离；如果无干扰峰则不做处理。

目标峰与干扰峰分离包括：微调提取脉冲间隔时间，使目标峰与干扰峰分离；更新间隔时间列表。

在每次分析的时候都微调间隔时间的长度，让相邻两次分析结果中高次折叠的峰不在同一个位置上，并通过移动的结果判断峰所在折叠层次。始终控制不让其他峰干扰到目标峰，一旦发现，马上放弃干扰的折叠配置，并删除当时的分析数据。

如果发现有确定的干扰峰存在，则将可以令干扰峰干扰到目标峰的间隔时间配置参数去掉，只留下没有干扰的参数序列。

根据采集工作的外部指令判断是否停止采集，如果不停止，则跳回开始采集的步骤运行；如果停止，则将结果输出。

在步骤s433中，缓存未被干扰的目标峰数据。

在步骤s440中，累加缓存未被干扰的目标峰数据得到数据结果，根据数据结果绘制质谱图。质谱图横坐标为质量数，纵坐标为离子数。

本实施例的步骤s410、s420、s440与上述实施例的步骤s110、s120、s140相同，不再赘述。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。