[发明专利]一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于质谱技术领域，具体来说涉及一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置。

背景技术

质谱仪是一种化学分析仪器，由于它具有定性能力强、定量准确性高、灵敏度高、检测限低等优点，因此被广泛地应用于食品安全、生命科学、医学制药、环境监测和公共安全等领域。

离子阱质谱仪主要由离子阱质量分析器（简称离子阱）、离子源、离子检测器、真空腔、真空泵和电路系统等组成。其中离子阱是进行质量分析的核心部件，离子阱进行质量分析过程如图1所示，分为离子引入、离子冷却、质量分析和离子清空等几个阶段：在离子引入阶段，离子从离子阱外部进入离子阱（也可在离子阱内部进行电离）并被电场束缚，从而存储在离子阱中；在离子冷却阶段，离子与离子阱中的缓冲气体碰撞损失大部分动能，离子因此聚集在离子阱中央区域；在质量分析阶段，离子在交变电场的作用下，按照质荷比的大小先后被排出离子阱，从而被离子探测器检测，得到质谱峰；在离子清空阶段，所有离子阱中残余的离子被排出离子阱，以备下一次分析。从上述分析过程可知，在离子阱的分析过程中，缓冲气是必不可少的。首先，缓冲气与离子碰撞可大幅降低离子的动能，利于离子在离子阱中的存储，提高离子存储效率；其次，离子动能降低使得电场可将离子聚集在离子阱的几何中心区域，使离子在质量分析过程中不受离子初动能的干扰，可提高质量分辨率。

离子阱进行多级质谱分析时，其分析过程如图2所示，它与常规分析的主要区别是在分析过程中增加了离子质量隔离和碰撞诱导解离两个阶段，离子质量隔离阶段的作用是将目标离子之外的其他所有离子排出离子阱外，碰撞诱导解离阶段的作用是将隔离出的目标离子通过碰撞诱导解离的方法碎裂成碎片离子，通过后续的质量分析阶段可得到碎片离子的质谱峰，以进一步分析被测样品的结构。碰撞诱导解离的关键是通过激发电场使得离子获得一定的动能，离子在激发电场作用下与缓冲气发生碰撞，当碰撞的能量大于离子的化学键能时，离子就会发生裂解，从而产生碎片离子。因此，在离子碰撞诱导解离阶段，离子阱中必须存在一定压力的缓冲气。

目前最常用的方法是在离子阱中持续注入缓冲气（如氦气），这种方法的不足之处有：（1）在离子阱的分析过程中，只有离子引入、离子冷却和离子碰撞诱导解离几个阶段需要用到缓冲气，而在质量分析阶段，离子在共振激发出射的过程中将与缓冲气发生自由碰撞，使离子偏离既定的出射轨迹，因此会降低离子阱的质量分辨率；（2）持续注入缓冲气使真空系统中的分子泵负载加大，特别在小型质谱仪中，由于分子泵的抽速较小，持续注入缓冲气将增加分子泵的功耗，甚至达不到预定真空；（3）持续注入缓冲气将使真空腔中的气压升高，从而缩短离子探测器和灯丝等高真空器件的寿命。

美国专利US20110174965A中提出只在离子冷却阶段（retention time）注入缓冲气，且缓冲气的注入时间小于离子冷却的时间，但该专利未给出具体的实施装置和操作办法。这种方法可实现在离子分析过程中的特定阶段注入缓冲气，并在离子阱中达到一定的气压，实现离子冷却和提高质量分辨率的目的。但是，该方法在实际操作中通常采用脉冲阀与流量控制器实现，因此也存在一定的不足之处：（1）由于离子阱分析过程中各个阶段的持续时间很短（1ms至几十ms不等），而现有的脉冲阀的最快响应时间通常为几十ms，因此，要实现较准确的定时注入缓冲气在实际操作中难度很大；（2）气体从气源（如气瓶等）输出后，需要流量控制器控制气体的流量，流量控制器的造价通常较高，因此增加了仪器的成本。（3）在脉冲阀从关闭状态切换到开通状态的过程中，流量传感器无法准确控制流量，由于脉冲阀的开关时间较长，这种方法要实现准确控制目标气压难度很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种为离子阱质谱仪定量供给缓冲气的装置，使其能在离子阱分析过程中的特定分析阶段为离子阱准确定量的供给缓冲气。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种为离子阱定量质谱仪供给缓冲气的装置，包括管路、气源和定量模块，所述定量模块一端经管路与气源连接，所述定量模块包括至少一个定量环、至少两个脉冲阀，每一定量环的两端分别连接至少一个脉冲阀；至少一个定量环的其中一端通过脉冲阀和管路与离子阱定量质谱仪的真空腔连接，并经管路引入离子阱。

上述技术方案中的定量环和对应的脉冲阀可以有多种连接结构。

一种技术方案是，设有至少2个定量环，各定量环之间采用串联的方式连接，且定量环与定量环之间通过脉冲阀隔离。