用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池及其使用方法与流程

本发明涉及质谱分析
技术领域：
，尤其涉及一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池及其使用方法。
背景技术：
：串级质谱分析是获得分子离子组成与其化学结构的常用方法之一。在利用四极质谱进行串级质谱分析时，往往在离子碰撞诱导解离(collision-induceddissociation,cid)池中让快速运动的离子与缓冲气体分子，如氦气、氩气发生碰撞(诱导碰撞)使离子发生碰撞解离(诱导碰撞)，这种池子还可以束缚碰撞产生的碎裂离子产物并将它们从碰撞池中传送到下游的质量分析器中进行碎裂离子产物的质量分析。串联四极质谱中，质量选择的母离子在离子碰撞池发生离子破碎解离。碰撞池是串联质谱仪的一部分，它可以用来进行离子的多级质量分析(msn)。在三重四极质谱仪中，第一级四极质量分析仪从离子源的大量离子中选择母体(前体)离子。母离子从第一个质量分析仪加速进入离子碰撞池，在那里它们通过与缓冲气体粒子碰撞而破碎。碎片从碰撞池中移到下游质量分析仪中，该分析仪对碎片进行质量分析。这种方法被称为多级质量分析，用该方法可以分析母体离子的分子结构，以及进行离子的定性或定量分析等。三重四极杆质谱是最常用于串级质谱分析的质谱仪器，三重四极杆质谱又被简称为qqq。现代qqq包含一个离子源(电喷雾esi)和4个沿中心对称轴排列的四极杆电极系统(图1)。第一个四极杆q0用于从离子源传输离子并让离子进入后面的离子质量分析器中。它是一种可以工作在较高气压下的四极杆(通常是0.1～10mtorr)。它以仅射频模式工作，这意味着除了常见的交流电压外，没有直流电压施加到这个四极杆上。这个四极杆的电场分布产生于该杆x轴及相反方向的y轴的射频电压。这样的电场分布可以确保将离子束缚在四极杆中心对称轴附近。由于与缓冲气体的碰撞，离子失去动能在q0中心轴附近聚集。在这里，由于空间电荷排斥作用或者特意引入的气流的影响，离子朝着q0出口移动，这样离子就进入到下一级，即第一重四极杆质量过滤器q1中。q1在射频电压和分辨直流电压一起工作，可以选择性地只允许传送一个狭窄质量范围内的离子，即质量选择性离子。质量选择范围取决于q1的质量分辨能力(额定质量与质量范围宽度之比)，和取决于直流电压与射频振幅电压之比。四极杆质量过滤器q1对出现在传输质量范围内的母离子进行选择。经q1选择后的母离子穿过设置在q1-q2的电极并进入离子碰撞池q2中。在进入碰撞池之前，离子被设置在q1与q2之间的电位差进行加速，高速运动的离子在q2中与缓冲气体，如氦气或氩气分子进行高能碰撞并发生解离。由于碰撞池q2仅在射频模式下工作，因此q1和q2之间的电位差往往不高，如50v足以使典型电喷雾离子源质量范围高达2000道尔顿的的离子解离。解离产物(碎片离子)可以迅速释放动能，并在电场作用下在q2中心轴附近聚集，它们在这里进行缓慢的布朗运动。当碎片离子运动至碰撞池q2出口附近时，它们将加速进入最后的四极杆q3。离子进入最后一个四极杆质量过滤器q3后，被质量分析，获得所有离子碎片的质量，即种类信息。当设置q1只通过一个母离子、q3只通过一个已知质量的碎片离子时，这种模式称为单反应检测(srm)模式。或者，q3也可以从单个片段切换到不同时间通过几个片段(多反应监测或srm)。在其他串联仪器中，最后一个四极杆q3可配置为具有轴向离子逐出的线形离子阱或者其他类型的质量分析仪，如飞行时间(tof)分析仪，或者具有径向离子逐出的线形离子阱，还有orbitrap分析仪等。这种类型仪器的优点是，既不像四极杆质量过滤器一次只传输一个碎片，也不像其他分析仪一次提供碎片离子的全质谱。如图1所示，上述简单的cid池q2是基于仅射频模式下的标准四极杆，但是在这类cid池中，离子在进入q2后即不受轴向的电场作用，其缺点是剩余的母体离子和碎片离子的运动速度缓慢，难以发生进一步的解离，同时，其破碎产物的清除时间较长。由于现代仪器对离子解离效率，以及快速质量分析的要求，因此现代碰撞池采用了不同的设计和方法，以实现高效串级质谱分析和快速从cid中去除解离产物。技术实现要素：为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池及其使用方法，它可以沿串级质谱中的q2中心对称轴产生电位梯度，使得离子在碰撞诱导解离池中被继续加速，以增加离子碰撞能量，显著提高离子碰撞诱导解离效率，获得更多的离子碎片和分子结构信息，以及缩短碎片产物清洗时间。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池，包括：n根多极杆，其中n为大于或等于4的偶数，所述的多极杆围绕串级质谱的中心对称轴呈对称均匀分布；覆盖电极，所述的覆盖电极围绕所述的中心对称轴对称设置，并包围在所述的多极杆外周围，沿碰撞诱导解离池的入口至出口方向，所述的覆盖电极的横截面的面积逐渐增大；电源装置，所述的电源装置向所述的多极杆提供工作电压，产生可以使离子向所述的中心对称轴聚拢的电场分布，以及向所述的覆盖电极提供电压，以提供使离子从所述的碰撞诱导解离池的离子入口运动至离子出口的梯度电场。在一些实施方式中，所述的覆盖电极的横截面为圆形，所述的覆盖电极呈中空的圆台型。在一些实施方式中，所述的覆盖电极的横截面为正方形或矩形，沿碰撞诱导解离池的入口至出口方向，所述的正方形或矩形覆盖电极的横截面的面积逐渐增大。在一些实施方式中，所述的覆盖电极的横截面为除圆形、正方形或矩形之外的对称几何形状，沿碰撞诱导解离池的入口至出口方向，所述的对称几何形状覆盖电极的横截面的面积逐渐增大。在一些实施方式中，所述的覆盖电极由导电材料制作。在一些实施方式中，所述的电源装置包括射频电源，所述的射频电源向所述的多极杆和所述的覆盖电源供电。在一些实施方式中，所述的电源装置包括射频电源和直流电源，所述的射频电源向所述的多极杆供电，所述的直流电源向所述的覆盖电极供电。一种权利要求1所述的碰撞诱导解离池的使用方法，包括以下步骤：1)将覆盖电极对称设置在多极杆的外周，使覆盖电极截面积较小的一端位于入口端，截面积较大的一端位于出口端；2)将多极杆与射频电源连通，将覆盖电极与直流电源或者射频电源连通，构成碰撞诱导解离池；3)离子由入口端进入碰撞诱导解离池进行碰撞后，离子及其解离的碎片离子沿碰撞诱导解离池的中心对称轴向出口端加速运动。与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)通过设置覆盖电极在串级质谱中的中心对称轴上产生一定的电位，由于沿离子运动方向覆盖电极的横截面的面积不同，因此该电位大小沿中心对称轴方向而不同。在覆盖电极横截面积较大的地方，感应电位较小；在覆盖电极横截面积较小的地方，感应电位较大。因此，诱导电位沿中心对称轴存在梯度，这种梯度产生了一种将母体离子和碎片离子推向碰撞诱导解离池出口的力。从而促使母体离子和碎片离子加速并向碰撞诱导解离池的出口移动，增加了离子碰撞能量，母体离子和碎片离子在运动的过程中还可以继续发生碰撞诱导解离，显著提高离子碰撞诱导解离效率，不仅可以获得更多的离子碎片信息和分子结构信息，还可以大大缩短池子中碎片产物的清洗时间，有利于满足现代仪器对离子解离效率和快速质量分析的要求。(2)本发明的碰撞诱导解离池的电极机械结构更加简单，只需采用市场上的多极杆而无需改进制作，组装及使用便捷，更具有实用性和工业价值。附图说明图1为现有常规的一种三重四极杆装置的结构示意图；图2a为本发明实施例五中采用圆柱四极杆碰撞诱导解离池的入口端横截面示意图；图2b为本发明实施例五中采用圆柱四极杆碰撞诱导解离池的出口端横截面示意图；图3为本发明实施例五中四极杆纵轴上感应到的电势大小与覆盖电极半径之间的影响示意图；图4a为本发明实施例六中采用方形板四极杆碰撞诱导解离池的入口端横截面示意图；图4b为本发明实施例六中采用方形板四极杆碰撞诱导解离池的出口端横截面示意图；图5为本发明实施例六中四极杆纵轴上感应到的电势大小与覆盖电极半径之间的影响示意图；图6a为本发明实施例七中采用方形板六极杆碰撞诱导解离池的入口端横截面示意图；图6b为本发明实施例七中采用方形板六极杆碰撞诱导解离池的出口端横截面示意图；图7为本发明实施例七中六极杆纵轴上感应到的电势大小与覆盖电极半径之间的影响示意图；图8a为本发明实施例八中采用方形板八极杆碰撞诱导解离池的入口端横截面示意图；图8b为本发明实施例八中采用方形板八极杆碰撞诱导解离池的出口端横截面示意图；图9为本发明实施例八中八极杆纵轴上感应到的电势大小与覆盖电极半径之间的影响示意图；图10为本发明一实施方式中带有方形板四极杆和覆盖电极的碰撞诱导解离池的三维模型的截面图；图11为模型中z向电压分布线条图；图12为模型中各组离子群到达块状区域的离子到达时间分布图；图13为本发明一实施方式中方形板四极杆碰撞诱导解离池的不同质量的离子在几种不同覆盖电极电压值下的q3入口平均到达时间的测量图；图14为本发明一实施方式中方形板六极杆碰撞诱导解离池的不同质量的离子在几种不同覆盖电极电压值下的q3入口平均到达时间的测量图；图15为本发明一实施方式中方形板八极杆碰撞诱导解离池的不同质量的离子在几种不同覆盖电极电压值下的q3入口平均到达时间的测量图；图16为本发明一实施方式中方形板六极杆碰撞诱导解离池的不同质量的离子在几种不同覆盖电极射频电压值下的q3入口平均到达时间的测量图；图17为本发明一实施方式中方形板八极杆碰撞诱导解离池的不同质量的离子在几种不同覆盖电极射频电压值下的q3入口平均到达时间的测量图。具体实施方式以下结合附图对本发明一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池及其使用方法作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。实施例一如图所示，本发明的一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池，包括：n根多极杆1，其中n为大于或等于4的偶数，多极杆1围绕串级质谱的中心对称轴呈对称均匀分布；覆盖电极2，覆盖电极2围绕中心对称轴对称设置，并包围在多极杆1外周围，沿碰撞诱导解离池的入口至出口方向，覆盖电极2的横截面的面积逐渐增大，截面积较小的一端为第一端3，截面积较大的一端为第二端4；电源装置，电源装置向多极杆提供工作电压，产生可以使离子向中心对称轴聚拢的电场分布，以及向覆盖电极提供电压，以提供使离子从碰撞诱导解离池的离子入口运动至离子出口的梯度电场。本实施例中，碰撞诱导解离池包括4根、6根或8根多极杆。本实施例中，覆盖电极的横截面为圆形，覆盖电极呈横向放置的中空圆台型。覆盖电极的厚度为不受限制。覆盖电极的两端面与多极杆的两端面分别齐平。多极杆的横截面可以是圆形、矩形或梯形等。优选地，覆盖电极较小端的横截面半径∶较大端的横截面半径(即覆盖电极第一端的半径∶第二端的半径)＝1∶1.05～1∶10。覆盖电极由导电材料制作。电源装置包括射频电源和直流电源，射频电源向多极杆供电，直流电源向覆盖电极供电。实施例二一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池，其余结构与实施例一相同，其不同之处在于：本实施例中，电源装置仅包括射频电源，射频电源向多极杆和覆盖电源供电。非对称轴电位随射频电位频率振荡，并沿多极杆纵轴产生有效电位，有效电位沿多极杆纵轴形成梯度，从而促使碎片离子向cid池的出口加速移动。实施例三一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池，其余结构与实施例一相同，其不同之处在于：本实施例中，覆盖电极不呈圆台型，覆盖电极的横截面为正方形、矩形或其他几何形状，沿碰撞诱导解离池的入口至出口方向，该正方形、矩形或其他几何形状覆盖电极的横截面的面积逐渐增大。实施例四一种用于串级质谱分析的碰撞诱导解离池的使用方法，包括以下步骤：1)将覆盖电极对称设置在多极杆的外周，使覆盖电极截面积较小的一端位于入口端，截面积较大的一端位于出口端；2)将多极杆与射频电源连通，将覆盖电极与直流电源或者射频电源连通，构成碰撞诱导解离池；3)离子由入口端进入碰撞诱导解离池进行碰撞后，离子及其解离的碎片离子沿碰撞诱导解离池的中心对称轴向出口端加速运动。实施例五以下通过模拟以进一步解释本发明，如图2a和2b所示，本实施例中覆盖电极2呈中空的圆台型，多极杆1为四极杆，其横截面呈圆形，用cquad表示该圆柱四极杆构成的cid，其中rc为覆盖电极半径，ro为内切半径。本实施例中，ro＝5mm，在第一端3(小半径)处覆盖电极半径与四极杆的内切半径的比值rc/ro＝3.4，在第二端4(大半径)处覆盖电极半径与四极杆的内切半径的比值rc/ro＝5.0。得到的结果如图3所示，横坐标表示rc/ro，纵坐标表示测得的四极杆纵轴上的相对电压(以覆盖电极电压为基准1)。结果表明具有小半径3.4ro和大半径5.0ro的覆盖电极，沿四极杆的电位差为覆盖电极电压的0.006。因此，用1kv直流电压将沿四极杆产生6v的电位梯度，这足以使离子迁移到四极杆的出口。实施例六如图4a和4b所示，本实施例中覆盖电极2呈中空的圆台型，多极杆1为四极杆，其横截面呈矩形，用pquad表示该方形板四极杆构成的cid。rc为覆盖电极半径，ro为内切半径。本实施例中，ro＝5mm，四极杆杆的宽度为8mm，深度为1mm，在第一端3(小半径)处覆盖电极半径与四极杆的内切半径的比值rc/ro＝1.6，在第二端4(大半径)处覆盖电极半径与四极杆的内切半径的比值rc/ro＝5.0。得到的结果如图5所示，横坐标表示rc/ro，纵坐标表示测得的四极杆纵轴上的相对电压(以覆盖电极电压为基准1)。结果表明当覆盖电极半径为2ro和5.0ro时，沿四极杆的电位差为覆盖电极电压的0.02。因此，用500v直流电压将沿四极杆产生10v的电位梯度。实施例七如图6a和6b所示，本实施例中覆盖电极2呈中空的圆台型，多极杆1为六极杆，其横截面呈矩形，用hexapole表示该六极杆构成的cid。rc为覆盖电极半径，ro为内切半径。本实施例中，ro＝5mm，六极杆杆的宽度为3mm，深度为2mm，在第一端3(小半径)处覆盖电极半径与六极杆的内切半径的比值rc/ro＝1.6，在第二端4(大半径)处覆盖电极半径与六极杆的内切半径的比值rc/ro＝5.0。得到的结果如图7所示，横坐标表示rc/ro，纵坐标表示测得的六极杆纵轴上的相对电压(以覆盖电极电压为基准1)。结果表明当覆盖电极半径为2ro和4ro时，沿六极杆纵轴产生的电位差为覆盖电极电压的0.1。因此，用100v直流电压将沿六极杆产生10v的电位梯度。实施例八如图8a和8b所示，本实施例中覆盖电极2呈中空的圆台型，多极杆1为八极杆，其横截面呈矩形，用octupole表示八极杆。rc为覆盖电极半径，ro为内切半径。本实施例中，ro＝5mm，八极杆杆的宽度为3mm，深度为2mm，在第一端3(小半径)处覆盖电极半径与八极杆的内切半径的比值rc/ro＝1.6，在第二端4(大半径)处覆盖电极半径与八极杆的内切半径的比值rc/ro＝5.0。得到的结果如图9所示，横坐标表示rc/ro，纵坐标表示测得的八极杆纵轴上的相对电压(以覆盖电极电压为基准1)。结果表明当覆盖电极半径为2ro和4ro时，沿八极杆纵轴产生的电位差为覆盖电极电压的0.06。因此，用200v直流电压将沿八极杆产生12v的电位梯度。如图10所示，对本发明的一种cid池进行电场中离子运动的模拟。该模型只模拟了三重四极杆的cid池部分。来自第一重四极杆q1的母离子加速进入碰撞池q2，在这里它们由于与缓冲气体粒子的高能碰撞而解离。碎片的产物被传送到q2的出口，并出现在最后一个四极杆q3中。q1和q3都是双曲线杆组成的四极杆，而q2在本模拟中是由方形板组成的四极杆。所有四极杆的内切半径ro＝5mm，坐标系的原点在q1的边缘，z0＝25mm的离子都在cid池中。使用simion软件进行模拟，四极杆q3由射频电源以1.5mhz的频率供电，q2的射频电压是q3的66.7％。各装置施加的电压大小如表1所示，得到模型中的电压分布如图11所示，其中横坐标表示z向坐标，单位mm，纵坐标表示电压，单位v。表1各装置施加的电压值表q1iq2q2iq3q3覆盖电极100v20v-30v-20v20v20kv在这个模拟中，我们用质量分别为100da、150da、300da、500da、800da、1000da的离子群来追踪不同质量的离子从100da到1000da的运动，每组有1000个粒子。离子被跟踪直到它们到达块状区域(block)或在其他电极上丢失。记录到达块状区域的离子到达时间，并可使用simax软件工具进行分析。到达时间的典型分布如图12所示。对于大部分离子，传输率几乎为100％。由于射频电压过高，在q2时会失去100da的离子。在q3的射频电压较小的情况下，它们可以被传输，但随后会损失更高质量的离子。根据这些分布，可以得出每组离子群在q3入口处的平均到达时间，图13-图17显示了各模型不同质量的离子在几种不同覆盖电极电压值下的平均到达时间的测量图。如图13所示，根据此模拟，对于带有方形板四极杆及覆盖电极的cid池，在覆盖电极的直流电压为2kv的情况下，cid池可以在3毫秒内从碎片产物中得到清洗。如图14、图15所示，对于带有六极杆和八极杆离子导流的cid池，也已建立了类似的模型。结果表明，根据该模拟cid池均可以在大约1毫秒内从碎片产物中得到清洗。另一种利用圆台型覆盖电极促进离子沿多极轴运动的方法是在覆盖电极上施加射频电压。在这种情况下，沿多极轴将产生有效电位，并且有效电位的大小沿轴方向会有所不同：在覆盖电极半径较大的地方，有效电位较小，在半径较小的地方，有效电位较大。为了通过有效电位梯度将离子推向cid池q2的出口，覆盖电极在cid池入口的半径应较小，在出口附近的半径应较大。为了模拟覆盖电极上射频模式下多极杆内的离子运动，建立了射频模式下碰撞池的三维模型。该模型与图10有相同的结构，在这个模拟中，所有多极杆和覆盖电极电位都是由频率为1.5兆赫的射频电压提供的。q3的射频电压为400v，q2通过电容耦合携带射频电压的66.7％。覆盖电极的射频电压是可变的。图16、图17显示了不同质量的离子到达时间随六极杆和八极杆引导的cid池覆盖电极上不同射频电压值的变化关系。这些模拟表明，在不到1毫秒的时间内，cid池可以从碎片产物中清洗干净。上述实施方式均表明了本发明一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池的可行性和有效性。本发明一种用于离子串级质谱分析的碰撞诱导解离池及其使用方法，通过设置覆盖电极在串级质谱中的中心对称轴上产生一定的电位，由于沿离子运动方向覆盖电极的横截面的面积不同，因此该电位大小沿中心对称轴方向而不同。在覆盖电极横截面积较大的地方，感应电位较小；在覆盖电极横截面积较小的地方，感应电位较大。因此，诱导电位沿中心对称轴存在梯度，这种梯度产生了一种将母体离子和碎片离子推向碰撞诱导解离池出口的力。从而促使母体离子和碎片离子加速并向碰撞诱导解离池的出口移动，增加了离子碰撞能量，母体离子和碎片离子在运动的过程中还可以继续发生碰撞诱导解离，显著提高离子碰撞诱导解离效率，不仅可以获得更多的离子碎片信息和分子结构信息，还可以大大缩短池子中碎片产物的清洗时间，有利于满足现代仪器对离子解离效率和快速质量分析的要求。此外，与现有技术相比，本发明的碰撞诱导解离池的电极机械结构更加简单，只需采用市场上的多极杆而无需改进制作，组装及使用便捷，更具有实用性和工业价值。值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关
技术领域：
均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。当前第1页12