[发明专利]高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及气态环境下分子/离子高效反应在线快速精确鉴定产物的系统，特别是有 关于有序调节离子阱内试剂分子含量、缓冲气含量的基于离子阱技术的分子/离子反应质谱 装置系统。

背景技术

常规的化学反应是实验室里化学试剂与化学试剂间的反应，通常成为“湿实验”，具有 用样量大及过程产物难以及时检测鉴定等问题。气态环境下分子离子反应能够有效解决这 些问题，不仅用试剂量少，而且能够快速及时检测到其中间产物，然而，气态环境下分子 离子反应需要一套装置来实现，至少需要分子试剂载入系统、离子源系统和分子离子反应 容器及产物定性定量检测系统。

质谱分析仪器是将化学合成产物或化学实验产物进行定性定量检测系统的权威分析仪 器。分子离子反应容器与质谱检测系统可以是分开彼此独立，也可以是同一个系统。能够 在同一个装置中实现先分子离子反应，再对产物进行质谱检测的是以离子阱为质量分析器 的质谱系统。

质量分析器是质谱仪器中将离子依照质核比分离出可以检测的部件，离子阱是重要的 一种质量分析器，其原理是将众离子存储于阱内后，再分离检测，相对与其他质量分析器， 可以存储离子，因此可以在该质量分析器内做MSⁿ操作，离子阱的方向一般定义为以离子 阱前端盖和后端盖的轴向为Z方向，竖直方向为X方向，水平方向为Y方向。

离子阱的结构多种，传统的3D离子阱和线性离子阱如：某公司的线形离子阱(United StatesPatent5,420,425)，以及某博士发明的矩形离子阱(UnitedStatesPatent6,838,666)。 线性离子阱相对传统的3D离子阱，能够存储更多数量的离子，更适合做为分子离子反应 的容器和检测器。

将线性离子阱作为分子离子反应容器及离子的分离分析离子的首选质量分析器，其工 作原理是：离子源产生离子，经过离子光学系统后进入离子阱，被束缚在离子阱中，往往 离子源产生离子不是参与反应的试剂离子(当然，也存在一些离子源直接产生试剂离子的 情况，这取决于具体的实验目的)，其碎裂后产生的子离子才是参与反应的试剂离子，逐 出非试剂离子，让试剂离子与载入的试剂分子进行反应再检测反应产物离子。

设计和实现专用的新型的分子/离子反应质谱系统是一种解决方案。

在成熟的商用离子阱质谱仪器系统的基础上实现分子/离子反应质谱系统也是一种解 决方案。该方案需要增加分子试剂管路和流量精确控制硬件系统和重新设计(或改造)软 件系统，然而这种方案的完成需要克服以下的技术难题：分子试剂的导入离子阱的时机和 导入量的确定。

然而，不论哪种方案，以离子阱为核心的分子/离子反应质谱系统都受限于离子阱的操 作模式。离子运作模式分两个阶段：离子注入存储阶段和离子分离检测阶段。

在离子注入存储阶段，通常在离子阱内充入缓冲气(往往是高纯He气)，让缓冲气与 进入阱内的离子进行碰撞从而减小离子的初始动能，降低离子进入离子阱后逃出的概率。 当缓冲气少，离子与缓冲气碰撞的概率就少，不足以降低离子的动能，因此需要相对较多 的缓冲气。

在离子分离检测阶段，要求缓冲气量少，避免过多的缓冲气碰撞力影响射频电场力对 离子的控制使得质量分辨率变差，同时检测器在低气压下工作的信噪比会更好。

在这两个不同的阶段，对缓冲气有完全矛盾的要求。因此，往往采用折中的策略，即 充入折中流量的缓冲气，兼顾离子注入和离子检测，但是，不论离子注入还是离子检测均 难达到最佳的性能。

由于离子阱操作模式带来的固有的问题，因此，当前以线性离子阱为容器和质量分析 器的分子离子反应质谱系统存在一个显著问题：分子试剂的导入量不好控制。

如果分子试剂导入不足，导入离子阱内的分子试剂很快就本真空泵给抽走了，参与反 应的分子少，因此其分子离子反应不充分，其产物含量很少难以被精确鉴定。

如果分子试剂导入过多，虽然为分子离子充分反应提供了必要条件(分子试剂导入太 多也不行，如果离子阱内气压高于1E-2torr，在离子阱的离子就会大量湮灭)，但是由于离 子阱内气压过大(通常情况下，离子检测阶段，离子阱内气压1E-4torr，离子阱外检测器所 在气压为1E-5torr)，检测到离子信号分辨率和灵敏度都不好。如果导入试剂分子过多，还 容易污染离子阱、腔体和导入管路系统。