一種為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置和方法，所述裝置包括管路、氣源和定量模塊，定量模塊一端經(jīng)管路與氣源連接，其特征在于：定量模塊包括至少一個(gè)定量環(huán)、至少兩個(gè)脈沖閥，每一定量環(huán)的兩端分別連接至少一個(gè)脈沖閥；至少一個(gè)定量環(huán)的一端通過(guò)脈沖閥和管路與離子阱定量質(zhì)譜儀的真空腔連接，并經(jīng)管路引入離子阱。在離子阱分析過(guò)程開(kāi)始之前，將定量環(huán)中充滿(mǎn)緩沖氣，并使定量環(huán)兩端的脈沖閥處于關(guān)閉狀態(tài)；在離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段的起始時(shí)刻開(kāi)通位于至少一個(gè)定量環(huán)和真空腔之間的脈沖閥，使定量環(huán)中的氣體注入離子阱中。本發(fā)明本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需定量環(huán)和脈沖閥，可實(shí)現(xiàn)精確定量，對(duì)脈沖閥的關(guān)斷時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格限制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)譜【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來(lái)說(shuō)涉及一種為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的
>J-U裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜儀是一種化學(xué)分析儀器，由于它具有定性能力強(qiáng)、定量準(zhǔn)確性高、靈敏度高、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于食品安全、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)制藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)和公共安全等領(lǐng)域。
[0003]離子阱質(zhì)譜儀主要由離子阱質(zhì)量分析器(簡(jiǎn)稱(chēng)離子阱)、離子源、離子檢測(cè)器、真空腔、真空泵和電路系統(tǒng)等組成。其中離子阱是進(jìn)行質(zhì)量分析的核心部件，離子阱進(jìn)行質(zhì)量分析過(guò)程如圖1所示，分為離子引入、離子冷卻、質(zhì)量分析和離子清空等幾個(gè)階段:在離子引入階段，離子從離子阱外部進(jìn)入離子阱(也可在離子阱內(nèi)部進(jìn)行電離)并被電場(chǎng)束縛，從而存儲(chǔ)在離子阱中；在離子冷卻階段，離子與離子阱中的緩沖氣體碰撞損失大部分動(dòng)能，離子因此聚集在離子阱中央?yún)^(qū)域；在質(zhì)量分析階段，離子在交變電場(chǎng)的作用下，按照質(zhì)荷比的大小先后被排出離子阱，從而被離子探測(cè)器檢測(cè)，得到質(zhì)譜峰；在離子清空階段，所有離子阱中殘余的離子被排出離子阱，以備下一次分析。從上述分析過(guò)程可知，在離子阱的分析過(guò)程中，緩沖氣是必不可少的。首先，緩沖氣與離子碰撞可大幅降低離子的動(dòng)能，利于離子在離子阱中的存儲(chǔ)，提高離子存儲(chǔ)效率；其次，離子動(dòng)能降低使得電場(chǎng)可將離子聚集在離子阱的幾何中心區(qū)域，使離子在質(zhì)量分析過(guò)程中不受離子初動(dòng)能的干擾，可提高質(zhì)量分辨率。
[0004]離子阱進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜分析時(shí)，其分析過(guò)程如圖2所示，它與常規(guī)分析的主要區(qū)別是在分析過(guò)程中增加了離子質(zhì)量隔離和碰撞誘導(dǎo)解離兩個(gè)階段，離子質(zhì)量隔離階段的作用是將目標(biāo)離子之外的其他所有離子排出離子阱外，碰撞誘導(dǎo)解離階段的作用是將隔離出的目標(biāo)離子通過(guò)碰撞誘導(dǎo)解離的方法碎裂成碎片離子，通過(guò)后續(xù)的質(zhì)量分析階段可得到碎片離子的質(zhì)譜峰，以進(jìn)一步分析被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)。碰撞誘導(dǎo)解離的關(guān)鍵是通過(guò)激發(fā)電場(chǎng)使得離子獲得一定的動(dòng)能，離子在激發(fā)電場(chǎng)作用下與緩沖氣發(fā)生碰撞，當(dāng)碰撞的能量大于離子的化學(xué)鍵能時(shí)，離子就會(huì)發(fā)生裂解，從而產(chǎn)生碎片離子。因此，在離子碰撞誘導(dǎo)解離階段，離子阱中必須存在一定壓力的緩沖氣。
[0005]目前最常用的方法是在離子阱中持續(xù)注入緩沖氣(如氦氣)，這種方法的不足之處有:(I)在離子阱的分析過(guò)程中，只有離子引入、離子冷卻和離子碰撞誘導(dǎo)解離幾個(gè)階段需要用到緩沖氣，而在質(zhì)量分析階段，離子在共振激發(fā)出射的過(guò)程中將與緩沖氣發(fā)生自由碰撞，使離子偏離既定的出射軌跡，因此會(huì)降低離子阱的質(zhì)量分辨率；(2)持續(xù)注入緩沖氣使真空系統(tǒng)中的分子泵負(fù)載加大，特別在小型質(zhì)譜儀中，由于分子泵的抽速較小，持續(xù)注入緩沖氣將增加分子泵的功耗，甚至達(dá)不到預(yù)定真空；(3)持續(xù)注入緩沖氣將使真空腔中的氣壓升高，從而縮短離子探測(cè)器和燈絲等高真空器件的壽命。
[0006]美國(guó)專(zhuān)利US20110174965A中提出只在離子冷卻階段(retention time)注入緩沖氣，且緩沖氣的注入時(shí)間小于離子冷卻的時(shí)間，但該專(zhuān)利未給出具體的實(shí)施裝置和操作辦法。這種方法可實(shí)現(xiàn)在離子分析過(guò)程中的特定階段注入緩沖氣，并在離子阱中達(dá)到一定的氣壓，實(shí)現(xiàn)離子冷卻和提高質(zhì)量分辨率的目的。但是，該方法在實(shí)際操作中通常采用脈沖閥與流量控制器實(shí)現(xiàn)，因此也存在一定的不足之處:(1)由于離子阱分析過(guò)程中各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間很短(Ims至幾十ms不等)，而現(xiàn)有的脈沖閥的最快響應(yīng)時(shí)間通常為幾十ms，因此，要實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的定時(shí)注入緩沖氣在實(shí)際操作中難度很大；(2)氣體從氣源(如氣瓶等)輸出后，需要流量控制器控制氣體的流量，流量控制器的造價(jià)通常較高，因此增加了儀器的成本。(3)在脈沖閥從關(guān)閉狀態(tài)切換到開(kāi)通狀態(tài)的過(guò)程中，流量傳感器無(wú)法準(zhǔn)確控制流量，由于脈沖閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，這種方法要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制目標(biāo)氣壓難度很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置，使其能在離子阱分析過(guò)程中的特定分析階段為離子阱準(zhǔn)確定量的供給緩沖氣。
[0008]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種為離子阱定量質(zhì)譜儀供給緩沖氣的裝置，包括管路、氣源和定量模塊，所述定量模塊一端經(jīng)管路與氣源連接，所述定量模塊包括至少一個(gè)定量環(huán)、至少兩個(gè)脈沖閥，每一定量環(huán)的兩端分別連接至少一個(gè)脈沖閥；至少一個(gè)定量環(huán)的其中一端通過(guò)脈沖閥和管路與離子阱定量質(zhì)譜儀的真空腔連接，并經(jīng)管路引入離子阱。
[0009]上述技術(shù)方案中的定量環(huán)和對(duì)應(yīng)的脈沖閥可以有多種連接結(jié)構(gòu)。
[0010]一種技術(shù)方案是，設(shè)有至少2個(gè)定量環(huán)，各定量環(huán)之間采用串聯(lián)的方式連接，且定量環(huán)與定量環(huán)之間通過(guò)脈沖閥隔離。
[0011]另一種技術(shù)方案中，設(shè)有至少2個(gè)定量環(huán)，各定量環(huán)之間采用并聯(lián)的方式連接，每一定量環(huán)的其中一端通過(guò)脈沖閥和管路與真空腔連接，每一定量環(huán)的另一端通過(guò)脈沖閥和管路與氣源連接。
[0012]進(jìn)一步的技術(shù)方案，各定量環(huán)通過(guò)多通連接器連通后，再經(jīng)一個(gè)脈沖閥和管路與氣源連接。
[0013]或者，設(shè)有至少3個(gè)定量環(huán)，各定量環(huán)之間采用串聯(lián)和并聯(lián)混合的方式連接。
[0014]一種為離子阱定量供給緩沖氣的方法，采用上述裝置實(shí)現(xiàn)，供給緩沖氣的方法是:
(I)在離子阱分析過(guò)程開(kāi)始之前，將定量環(huán)中充滿(mǎn)緩沖氣，并使定量環(huán)兩端的脈沖閥處于關(guān)閉狀態(tài)；(2)在離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段的起始時(shí)刻開(kāi)通位于至少一個(gè)定量環(huán)和真空腔之間的脈沖閥，使定量環(huán)中的氣體注入離子阱中。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段為離子引入階段或離子化階段。
[0016]或者，所述離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段為離子冷卻階段。
[0017]或者，所述離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段為離子碰撞誘導(dǎo)解離階段。
[0018]進(jìn)一步的技術(shù)方案，在所述設(shè)定的分析階段中先后開(kāi)通兩個(gè)或兩個(gè)以上的脈沖閥，使兩個(gè)或兩個(gè)以上與所述脈沖閥連接的定量環(huán)中的緩沖氣按先后順序進(jìn)入離子阱，開(kāi)通所述脈沖閥的時(shí)間間隔之和小于所述設(shè)定的分析階段的總時(shí)間。
[0019]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn): 1.本發(fā)明中采用的定量環(huán)可對(duì)即將注入離子阱的緩沖氣進(jìn)行精確定量，通過(guò)離子阱內(nèi)部有效體積和目標(biāo)壓力可計(jì)算出定量環(huán)的體積；
2.本裝置使用定量環(huán)和脈沖閥，定量環(huán)內(nèi)的緩沖氣的量是固定的，脈沖閥開(kāi)通后定量環(huán)中的緩沖氣將全部進(jìn)入離子阱，并在定量環(huán)中形成真空區(qū)域，因此對(duì)脈沖閥的關(guān)斷時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格限制；
3.本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需定量環(huán)和脈沖閥就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，與現(xiàn)有裝置中需使用價(jià)格昂貴的流量控制器相比，本裝置節(jié)省了儀器的成本。
[0020]【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
圖1為離子阱進(jìn)行常規(guī)分析過(guò)程中所包含的分析階段；
圖2為離子阱進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜分析過(guò)程中所包含的分析階段；
圖3為實(shí)施例1的裝置示意圖；
圖4為實(shí)施例1中的控制方法和時(shí)序示意圖；
圖5為實(shí)施例2的裝置示意圖；
圖6為實(shí)施例2中的控制方法和時(shí)序示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實(shí)施例1
一種為離子阱定量供給緩沖氣的裝置，其實(shí)施方式如圖3所示。301為為離子阱質(zhì)譜儀的真空腔，302為離子源的電離室，303為離子聚焦透鏡，304為離子阱，305為離子探測(cè)器，306為第一脈沖閥，307為第一定量環(huán)，308為第二脈沖閥，309為第二定量環(huán)，310為第三脈沖閥，311為氣源，氣源內(nèi)盛裝氦氣作為緩沖氣。由圖3中可知，第一脈沖閥306位于真空腔301 (離子阱314)和第一定量環(huán)306之間，第三脈沖閥310位于氣源311和第二定量環(huán)309之間，而第二脈沖閥308位于第一定量環(huán)307和第二定量環(huán)309之間。兩個(gè)定量環(huán)307和309采用串聯(lián)的連接方式。所述定量環(huán)均為內(nèi)徑0.5 _的不銹鋼管制作而成，定量環(huán)可容納的氣體體積為0.1 mL。
[0022]離子阱的分析過(guò)程如下(分析時(shí)序圖如圖1所示):在離子引入階段，待測(cè)樣品在電離室302中被電離成離子，所述離子在聚焦透鏡303的作用下被引入離子阱304，在離子阱內(nèi)部電場(chǎng)的作用下被束縛在離子阱內(nèi)，本階段中緩沖氣和離子的碰撞有助于降低離子的動(dòng)能，提高離子存儲(chǔ)效率；在離子冷卻階段，離子與緩沖氣的碰撞進(jìn)一步降低離子的動(dòng)能，使離子存儲(chǔ)在離子阱的幾何中心區(qū)域，有助于提高離子阱的質(zhì)量分辨率；在質(zhì)量分析階段，離子在交變電場(chǎng)的作用在按照質(zhì)荷比順序被排出離子阱，從而被離子探測(cè)器接收和檢測(cè)，得到質(zhì)譜圖；在離子清空階段，離子阱內(nèi)殘余的離子被全部排出離子阱外，以便下一次分析。
[0023]本實(shí)施例中，緩沖氣的控制方法和時(shí)序如圖4所示。離子阱在進(jìn)行分析之前，第一定量環(huán)307和第二定量環(huán)309中充滿(mǎn)緩沖氣(本例中為氦氣)，三個(gè)脈沖閥306、308和310都處于關(guān)閉狀態(tài)。在離子引入階段的起始時(shí)刻，第一脈沖閥306開(kāi)通，將第一定量環(huán)307中的氦氣注入離子阱，在離子冷卻階段的起始時(shí)刻，第二脈沖閥308開(kāi)通，將第二定量309中的氦氣通過(guò)第一定量環(huán)307注入離子阱。待第二定量環(huán)中的氣體全部排空后，關(guān)閉第一脈沖閥306，待第一脈沖閥306完全關(guān)閉后，開(kāi)通第三脈沖閥310，使氣源311中的氦氣進(jìn)入第一定量環(huán)307和第二定量環(huán)309中，帶氦氣充滿(mǎn)兩個(gè)定量環(huán)，關(guān)閉第二脈沖閥308和第三脈沖閥310，此時(shí)，該裝置已再次就緒，可進(jìn)行下一次分析。在進(jìn)行下一次分析的過(guò)程中，重復(fù)上述分析過(guò)程。
[0024]實(shí)施例2
一種為離子阱定量供給緩沖氣的裝置，其實(shí)施方式如圖5所示。501為真空腔，502為電離室，503為聚焦透鏡,504為離子講,505為離子探測(cè)器,506為第一脈沖閥,507為第一定量環(huán)，508為第二脈沖閥，509為第二定量環(huán)，510為第三脈沖閥，511為第三定量環(huán)，512為第四脈沖閥，513為氣源，內(nèi)部盛裝氦氣作為緩沖氣，514和515為四通連接器。由圖5中可以看出，三個(gè)定量環(huán)507、509和511為并聯(lián)的連接方式，所述三個(gè)定量環(huán)的其中一端分別與三個(gè)脈沖閥506、508和510連接，三個(gè)脈沖閥的另一端通過(guò)一個(gè)四通連接器514與真空腔連接，并將管路引入離子阱區(qū)域。三個(gè)定量環(huán)的另一端首先通過(guò)一個(gè)四通連接器512連接在一起，然后與第四脈沖閥512連接，最后連接至氣源513上。所述定量環(huán)均為內(nèi)徑0.5 mm的不銹鋼管制作而成，定量環(huán)可容納的氣體體積為0.1 mL。
[0025]本例中離子阱進(jìn)行多級(jí)質(zhì)譜分析，其分析過(guò)程如下(分析時(shí)序圖如圖2所示):在離子引入階段，待測(cè)樣品在電離室502中被電離成離子，所述離子在聚焦透鏡503的作用下被引入離子阱304，在離子阱內(nèi)部電場(chǎng)的作用下被束縛在離子阱內(nèi)，本階段中緩沖氣和離子的碰撞有助于降低離子的動(dòng)能，提高離子存儲(chǔ)效率；在離子冷卻階段，離子與緩沖氣的碰撞進(jìn)一步降低離子的動(dòng)能，使離子存儲(chǔ)在離子阱的幾何中心區(qū)域；在離子質(zhì)量隔離階段，通過(guò)特殊電場(chǎng)目標(biāo)離子之外的其他所有離子排出離子阱外；在離子碰撞誘導(dǎo)解離階段，通過(guò)外部激發(fā)信號(hào)使離子獲得一定動(dòng)能，同時(shí)與離子講內(nèi)的緩沖氣碰撞，離子在一定能量的碰撞下將發(fā)生解離，生成碎片離子；在質(zhì)量分析階段，所述碎片離子在交變電場(chǎng)的作用在按照質(zhì)荷比順序被排出離子阱，從而被離子探測(cè)器接收和檢測(cè)，得到碎片離子的質(zhì)譜圖，有利于進(jìn)一步對(duì)離子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析；在離子清空階段，離子阱內(nèi)殘余的離子被全部排出離子阱外，以便下一次分析。
[0026]本實(shí)施例中，緩沖氣的控制方法和時(shí)序如圖6所示。離子阱在進(jìn)行分析之前，三個(gè)定量環(huán)507、509和511中都充滿(mǎn)緩沖氣(本例中為氦氣)，同時(shí)所有脈沖閥(包括506、508、510和512)都處于關(guān)閉狀態(tài)。在離子引入階段的起始時(shí)刻，開(kāi)通第一脈沖閥506，使第一定量環(huán)507中的氦氣進(jìn)入離子阱中，待定量環(huán)507中的氦氣全部排空后，關(guān)閉第一脈沖閥506。在離子冷卻階段的起始時(shí)刻，開(kāi)通第二脈沖閥508，使第二定量環(huán)509中的氦氣進(jìn)入離子阱中，待定量環(huán)509中的氦氣全部排空后，關(guān)閉第二脈沖閥508。在碰撞誘導(dǎo)解離階段的起始時(shí)刻，開(kāi)通第三脈沖閥510，使第三定量環(huán)511中的氦氣進(jìn)入離子阱，待定量環(huán)511中的氦氣全部排空后，關(guān)閉第三脈沖閥510。帶第三脈沖閥510完全關(guān)閉后，開(kāi)通第四脈沖閥512，使氣源513中的氦氣進(jìn)入三個(gè)定量環(huán)中，待定量環(huán)507、509和511中全部充滿(mǎn)氦氣后，關(guān)閉第四脈沖閥。此時(shí)，該裝置已再次就緒，可進(jìn)行下一次分析。
【權(quán)利要求】
1.一種為離子阱定量質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置，包括管路、氣源和定量模塊，所述定量模塊一端經(jīng)管路與氣源連接，其特征在于:所述定量模塊包括至少一個(gè)定量環(huán)、至少兩個(gè)脈沖閥，每一定量環(huán)的兩端分別連接至少一個(gè)脈沖閥；至少一個(gè)定量環(huán)的其中一端通過(guò)脈沖閥和管路與離子阱定量質(zhì)譜儀的真空腔連接，并經(jīng)管路引入離子阱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置，其特征在于:設(shè)有至少2個(gè)定量環(huán)，各定量環(huán)之間采用串聯(lián)的方式連接，且定量環(huán)與定量環(huán)之間通過(guò)脈沖閥隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置，其特征在于:設(shè)有至少2個(gè)定量環(huán)，各定量環(huán)之間采用并聯(lián)的方式連接，每一定量環(huán)的其中一端通過(guò)脈沖閥和管路與真空腔連接，每一定量環(huán)的另一端通過(guò)脈沖閥和管路與氣源連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置，其特征在于:各定量環(huán)通過(guò)多通連接器連通后，再經(jīng)一個(gè)脈沖閥和管路與氣源連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的為離子阱質(zhì)譜儀定量供給緩沖氣的裝置，其特征在于:設(shè)有至少3個(gè)定量環(huán)，各定量環(huán)之間采用串聯(lián)和并聯(lián)混合的方式連接。
6.一種為離子阱定量供給緩沖氣的方法，其特征在于:采用權(quán)利要求1至5中任一裝置實(shí)現(xiàn)，供給緩沖氣的方法是: (I)在離子阱分析過(guò)程開(kāi)始之前，將定量環(huán)中充滿(mǎn)緩沖氣，并使定量環(huán)兩端的脈沖閥處于關(guān)閉狀態(tài)；(2)在離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段的起始時(shí)刻開(kāi)通位于至少一個(gè)定量環(huán)和真空腔之間的脈沖閥，使定量環(huán)中的氣體注入離子阱中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的為離子阱定量供給緩沖氣的方法，其特征在于:所述離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段為離子引入階段或離子化階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的為離子阱定量供給緩沖氣的方法，其特征在于:所述離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段為離子冷卻階段。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的為離子阱定量供給緩沖氣的方法，其特征在于:所述離子阱分析過(guò)程中的設(shè)定的分析階段為離子碰撞誘導(dǎo)解離階段。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的為離子阱定量供給緩沖氣的方法，其特征在于:在所述設(shè)定的分析階段中先后開(kāi)通兩個(gè)或兩個(gè)以上的脈沖閥，使兩個(gè)或兩個(gè)以上與所述脈沖閥連接的定量環(huán)中的緩沖氣按先后順序進(jìn)入離子阱，開(kāi)通所述脈沖閥的時(shí)間間隔之和小于所述設(shè)定的分析階段的總時(shí)間。
【文檔編號(hào)】H01J49/42GK103700566SQ201310663479
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】李曉旭, 姚如嬌, 何洋, 朱勇勇, 李藝 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)