[发明专利]离子阱质量分析器中直流电压驱动的串级质谱分析方法

说明书

技术领域

本发明属于质量分析技术领域，具体涉及在离子阱质谱仪中实现串级质谱分析的方法，通过施加非对称波形的射频工作电压实现离子的束缚和碰撞诱导解离。

背景技术

质谱技术是一种可精确测量原子和分子重量的一种科学技术，是目前应用最广泛的分析技术之一，已应用于生命科学、食品安全、环境检测、国防、制药、化工等领域，其作用越来越重要。众所周知，质谱仪一个重要的特征是串级质谱分析功能，可以通过串级质谱分析对化合物的的结构进行表征和分析。串级质谱的分析过程具体为：第一阶段为离子隔离，对于待分析的样品中的离子，选定某一特定质荷比（m/z）的离子将其选择隔离，被选择隔离的离子称为母离子（parent ion）；第二阶段为碰撞诱导解离（Collision Induced Dissociation，简称CID），母离子与中性的气体分子例如氦气、氩气、氮气等发生碰撞，碰撞过程中产生的能量沉积到母离子上，导致母离子自身内能增加，最终母离子发生解离，得到碎片子离子；第三阶段，碎片离子进行质量分析，得到碎片离子的质谱峰，MS/MS 分析完成。如碎片离子中选定某一特定质荷比的离子隔离，将其作为母离子，继续上述过程，如此往复下去，可以实现多级质谱分析。碰撞诱导解离技术是使用最广泛、研究最透彻的解离技术。

在目前使用的众多种类质谱仪中，四极质谱仪是最常用最适合实现碰撞诱导解离的一种质谱仪。四极质谱仪主要包含四极杆质谱仪和四极离子阱质谱仪，其中，四极杆质谱仪核心关键部件为四极杆质量分析器，又叫四极滤质器，仅能让某一特定质量数的离子通过，故在四极杆中进行串级质谱分析时，需要在空间上将多个四极杆质量分析器串联，一般采用三段四极杆质量分析器的组合，即三重四极杆。一组四极杆质量分析器对离子进行选择，中间一组四极杆质量分析器对已选择的离子进行碰撞诱导解离，得到碎片离子，最后一组四极杆质量分析器对已碰撞诱导解离后的碎片离子进行质量分析，最终得到质谱图。三重四极杆质谱仪一般具有较大的体积。而四极离子阱质谱仪（Quadrupole Ion Trap, 简称QIT）可以在一个离子阱质量分析器中实现离子的隔离、解离、质量分析等步骤，是目前唯一一个可以在单质量分析器重实现串级质谱分析的质量分析器，在串级质谱方面具有独特的优势。

离子阱质量分析器的工作原理是主要通过求解Mathieu二次线性微分方程组，获得具有一定质荷比的离子在电场中的运动状态和结果。Mathieu方程根据带电离子在离子阱内受电场的作用符合牛顿第二定律得到，它描述了离子在四极电场中的运动轨迹及运动结果等。以三维离子阱为例，通过解Mathieu 方程得到:

，

式中: a 是与直流电压成正比的阱参数，q 是与射频电压成正比的阱参数，U为离子阱电极上所加直流电压，V为离子阱电极上所加射频电压，?为射频电压的频率，r₀ 为环电极半径，z₀为轴向半径。通过对离子阱电极上施加电场变化，阱内的不同质荷比的离子依次从离子阱内逸出，并被探测到。在离子阱内运动的离子被称为稳定的，即位于稳定区内。被逐出离子阱的离子被称为不稳定的，即离子位于稳定区外。按稳定图分析，离子阱进行质量分析时，不同质荷比的离子，在具有时序变化的电场作用下，依次运动到稳定区外，即从离子阱中弹出并被安装在阱外的离子探测器接受到，完成质量分析。

随着质谱仪技术的飞速发展，离子阱质量分析器一个重要的技术是共振激发，共振激发（resonance excitation）技术目前已经成为离子阱上普遍采用的离子弹出和解离的方法。通常共振激发是通过在离子阱中用于离子弹出的方向上的一对电极上，施加一个辅助的交流电压（AC），也称为偶极激发电压（dipolar excitation voltage）实现的，该电压具有特定的频率和幅度，且一对电极上的电压幅度、频率相同，相位相差180度。束缚在离子阱中的离子，在射频电压的作用下的运动具有一个久期频率（secular frequency，ω），不同质荷比的离子具有不同的久期频率。久期频率与射频电压的频率（?）之间存在如下关系：