專利名稱：基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置及其實現(xiàn)方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于串級質(zhì)譜領(lǐng)域的分子離子反應(yīng)技術(shù)，特別涉及一種基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置及其實現(xiàn)方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在質(zhì)譜分析領(lǐng)域里，為了分析混合樣品中較低含量的成分，需要將高濃度成分的背景離子去除，這時需要離子過濾技術(shù)。同時，隨著待分析樣品分子量的增大，同分異構(gòu)體十分常見，分子的結(jié)構(gòu)信息越來越顯出其重要性，如蛋白質(zhì)、多肽的氨基酸序列、藥物的結(jié)構(gòu)、藥物在人體代謝產(chǎn)物中的加合位置、毒害污染物在DNA片段的加合位置、DNA堿基序列等，而分子離子反應(yīng)可以提供離子的結(jié)構(gòu)信息，是串級質(zhì)譜最重要的部件之一。
串級質(zhì)譜法一般利用在氣相中的分子離子反應(yīng)導(dǎo)致待分析離子(母離子)分裂而得到子離子，并通過測量子離子的質(zhì)量譜分布從而得到待分析離子的結(jié)構(gòu)信息。目前已有的氣相中分子離子反應(yīng)器技術(shù)按反應(yīng)能量大小可以分為高能碰撞(～keV)和低能碰撞(～40eV)，這些碰撞一般發(fā)生在離子回旋共振裝置中，也可以發(fā)生在離子阱或是在四極桿中。能量提供方式可以是直線加速、四極桿中的軸向場加速以及四極桿中的二極或四極激發(fā)等。
這些已有的方法各有其優(yōu)缺點，有不同的應(yīng)用范圍。直線加速方法把母離子加速到一定能量再與背景氣體分子碰撞，但由于在加速過程中沒有質(zhì)量選擇性，需要在碰撞前加一個氣壓不同的四極桿，選出感興趣的母離子使之進(jìn)入反應(yīng)器，否則不同質(zhì)荷比的所有離子一起進(jìn)入反應(yīng)器，同時發(fā)生解離反應(yīng)，解譜困難。由于射頻電場或是磁場可以有效地束縛子離子，明顯地提高靈敏度，一般分子離子反應(yīng)都發(fā)生在離子阱和四極桿中。目前商品串級質(zhì)譜儀一般采用一個四極桿質(zhì)譜儀作為一級質(zhì)譜，選擇一種質(zhì)荷比的離子通過并直線加速至一定能量進(jìn)入一個四極桿碰撞室，碰撞解離得到的子離子再由一個四極桿收集送至二級質(zhì)譜分析器。這樣，四極桿碰撞室的氣壓比前后兩個四極桿都高，需要差動抽真空系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置；該裝置可以選擇性地激發(fā)某種質(zhì)荷比的離子，使之獲得碰撞所需的動能，離子解離率可控性好，靈敏度高。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置的實現(xiàn)方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置及其實現(xiàn)方法的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置，與質(zhì)譜分析器連接，包括射頻四極桿，其特征在于所述射頻四極桿設(shè)置在一個氣壓較高的氣體反應(yīng)腔體內(nèi)，射頻四極桿的每根桿由三段組成，使射頻四極桿形成三級，第一級為質(zhì)量過濾器，第二級為分子離子反應(yīng)器，第三級為離子聚焦傳輸器，三級射頻四極桿之間設(shè)置有間隙。在射頻四極桿每兩桿之間設(shè)置有形成軸向電場的軸向場電極；所述軸向場電極的數(shù)量為四片，呈軸對稱分布排列。
所述射頻四極桿三級之間的間隙小于2mm。
所述射頻四極桿的每根桿直徑D與射頻四根桿形成的內(nèi)切圓直徑d1之間的比值約為1.147。軸向場電極沿軸向安裝成一小角度，即四個電極形成的內(nèi)切圓直徑d2在離子入口端比離子的出口端小，d2與d1的比值約為1.3～1.5。
所述氣體反應(yīng)腔體設(shè)置有導(dǎo)氣口；所述導(dǎo)氣口可與毛細(xì)管相連接，反應(yīng)氣體可由毛細(xì)管引入。
一種利用上述基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于在一定氣壓下的射頻四極桿上施加激發(fā)電壓，使射頻四極桿中的待分析離子獲得動能，并與背景氣體分子發(fā)生分子離子反應(yīng)，產(chǎn)生待分析離子的子離子，并利用質(zhì)譜分析器測量子離子，從而實現(xiàn)對待分析離子的串級質(zhì)譜分析。
所述背景氣體可以隨待分析離子引入氣體反應(yīng)腔體，也可以由毛細(xì)管引入氣體反應(yīng)腔體。
在所述射頻四極桿相鄰的兩桿之間施加射頻電壓，三級四極桿所加的射頻電壓完全相同；而相對的兩桿之間施加激發(fā)電壓，也就是其中相對的一組加正弦波電壓，另一組加余弦波，兩組電壓頻率相同，幅值相同，相位差90°。
所述激發(fā)電壓有兩組，分別為正弦和余弦波作用在相對的兩桿上。使用正弦和余弦同時激發(fā)，在相同的機械和電參數(shù)下，可以產(chǎn)生兩倍于二極激發(fā)和四極激發(fā)的能量。
四極桿的直流偏置電壓有兩個直流電壓，一個是軸向場電壓，一個是四極桿偏置電壓。四極桿偏置電壓、射頻電壓及激發(fā)電壓通過變壓器耦合后加在四極桿上。
所述背景氣體一般為化學(xué)穩(wěn)定性好的干燥純氣體，如氦氣、氮氣、氬氣等其他穩(wěn)定或惰性氣體；背景氣體氣壓為一般為0.1Pa～10Pa。
所述質(zhì)譜分析器為垂直引入式高分辨飛行時間質(zhì)譜分析器，也可以是其他種類的質(zhì)譜分析器。
所述待分析離子為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機化合物離子(如藥物)、生命大分子(如蛋白質(zhì)、多肽、基因片斷)等離子。
上述基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置及其實現(xiàn)方法可用于有選擇性激發(fā)離子，使之獲得碰撞所需的動能，即只有一定質(zhì)荷比的離子可以得到子離子，其他離子則完整地通過；而且可以解離較大質(zhì)量的母離子；還可以過濾雜質(zhì)離子或高濃度組分離子，即所述的第一級質(zhì)量過濾器不僅可以只讓一種質(zhì)荷比的離子通過，而且可以是阻止某一種或某幾種質(zhì)荷比的離子通過。
本發(fā)明的作用原理是設(shè)mi/q、Vrf、ω、r0、Vexc及ωexc分別為母離子質(zhì)荷比、射頻四極桿的射頻電壓、射頻頻率、射頻四極桿內(nèi)切圓半徑、激發(fā)電壓及激發(fā)頻率。當(dāng)激發(fā)電場頻率為ωexc=2qVrfmir02ω]]>時，母離子得到最大動能。由于離子在四極桿中獲得的動能與激發(fā)電壓的頻率一一對應(yīng)，選擇不同的激發(fā)頻率，就可以選擇不同質(zhì)荷比的母離子使之獲得動能并最后解離，因而本裝置具有質(zhì)量選擇性；如果被選擇離子在較短時間內(nèi)獲得足夠大動能，則打到器壁上，不能通過，這時起濾質(zhì)器的作用。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果(1)較之于二極激發(fā)或四極激發(fā)可以使母離子獲得更大的動能。
(2)離子解離率可控性好，靈敏度高。
(3)整個裝置在同一個腔體里，不需要額外的差動真空系統(tǒng)。
(4)具有質(zhì)量選擇性，可以選擇一定按需質(zhì)荷比的離子進(jìn)行分子離子反應(yīng)。
(5)可以過濾雜質(zhì)離子或高濃度組分離子，也可以僅讓某種離子通過。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2圖1所示裝置的橫截面圖。
圖3是直流、射頻及激發(fā)電壓耦合示意圖。
圖4是待分析多肽樣品的氨基酸序列示意圖。
圖5是由本發(fā)明得到的典型多肽質(zhì)譜圖。
圖6是質(zhì)譜圖5(a)中主成分離子被過濾而得到的譜圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1圖1示出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，由圖1可見，本基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置通過出口7與質(zhì)譜分析器8相連，一起放在一個差級真空系統(tǒng)9中；本裝置包括射頻四極桿，所述射頻四極桿設(shè)置在反應(yīng)腔體2內(nèi)，反應(yīng)腔中的真空度可以由離子入口1調(diào)節(jié)，反應(yīng)氣體可以通過毛細(xì)管從導(dǎo)氣口3引入。射頻四極桿的每根桿由三段組成，使射頻四極桿形成三級，第一級4為質(zhì)量過濾器，第二級5為分子離子反應(yīng)器，第三級6為離子聚焦傳輸器，三級射頻四極桿之間設(shè)置有間隙；圖2示為本發(fā)明的截面圖，在射頻四極桿11的每兩桿之間設(shè)置有形成軸向電場的軸向場極片10；所述軸向場極片數(shù)量為四片，呈軸對稱分布排列；射頻四極桿每桿的直徑D與四根桿形成的內(nèi)切圓直徑d1之間的比值約為1.147；軸向場電極形成的內(nèi)切圓直徑d2與d1的比值約為1.5。
在所述射頻四極桿相鄰的兩桿之間施加射頻電壓，而相對的兩桿之間施加激發(fā)電壓。所述激發(fā)電壓有兩組，分別為正弦和余弦波作用在相對的兩桿上，兩組電壓頻率相同，幅值相同，但相位差90°。圖3(a)表示了四極桿射頻電壓、直流偏置電壓的耦合方式，三種電壓分別由三個線圈變壓器耦合在一起；直流電壓加在四極射頻變壓器次級線圈的中心點，而激發(fā)電壓與射頻電壓通過另兩組線圈變壓器相耦合，得到四個輸出端4(a)，4(b)，4(c)4(d)，這四個輸出端分別加在四根桿上，四根桿的相對位置如圖3(b)所示。
利用上述裝置實現(xiàn)的方法是在一定氣壓下的射頻四極桿上施加激發(fā)電壓，使射頻四極桿中的待分析離子獲得動能，并與背景氣體分子發(fā)生分子離子反應(yīng)，產(chǎn)生待分析離子的子離子，并利用質(zhì)譜分析器測量子離子，從而實現(xiàn)對待分析離子的串級質(zhì)譜分析；具體是從離子源飛來的離子首先進(jìn)入濾質(zhì)四極桿(質(zhì)量過濾器)，通過施加一定的頻率，可以將主要雜質(zhì)離子去除；當(dāng)待分析離子進(jìn)入到第二個四極桿(分子離子反應(yīng)器)時，施加該離子的激發(fā)頻率，使之發(fā)生分子離子反應(yīng)，形成碎片離子；碎片離子進(jìn)入第三個四極桿(離子聚焦傳輸器)后又形成一個相空間較小的離子束，由本裝置中引出，最后由質(zhì)譜分析器分析得到質(zhì)譜圖。
將本裝置及方法應(yīng)用于對多肽樣品進(jìn)行分析處理，測量多肽分子結(jié)構(gòu)，圖4表示了待分析多肽的氨基酸序列圖，它由5種氨基酸按順序排列兩次并結(jié)合成環(huán)狀構(gòu)成；圖中O、V、P、F、L分別代表鳥氨酸(Ornithine)、纈氨酸(Valine)、脯氨酸(Proline)、苯基丙氨酸(Phenylalanine)和亮氨酸(Leucine)。利用電噴霧將其電離后，在一級質(zhì)譜圖中(如圖5(a)所示)測得該多肽帶雙電荷的離子質(zhì)荷比為571([M+2H]2+)；根據(jù)射頻四極桿上所加的射頻電壓Vrf(170Vp-p)，射頻頻率ω(2*1.18MHz)，射頻四極桿的內(nèi)切圓半徑r0(7mm)、即可以計算出該離子所對應(yīng)的激發(fā)頻率ωexc為59.9kHz；將幅值Vexc調(diào)節(jié)在大約0.8Vp-p并加在第二個四極桿上，當(dāng)該離子經(jīng)過該四極桿時，在激發(fā)電壓的作用下獲得動能，并與背景氣體分子碰撞，最后解離得到子離子，本實施例中的四極桿氣壓大約為0.16Pa；如圖5(b)所示，由于母離子各種可能的斷裂碎片離子都被聚焦四極桿收集，并由二級質(zhì)譜測得，通過分析各個子離子質(zhì)譜峰并與氨基酸質(zhì)量表比較，可以得到各碎片離子峰所代表的氨基酸序列。例如由于檢測到質(zhì)荷比為197的子離子，可以發(fā)現(xiàn)它是由PV兩個氨基酸組成；由于檢測到質(zhì)荷比為311的子離子，可以發(fā)現(xiàn)它是由PVO三個氨基酸組成；又由于檢測到質(zhì)荷比為424的子離子，可以發(fā)現(xiàn)它是由PVOL四個氨基酸組成；這樣就可以肯定，該多肽中含有PVOL四種氨基酸，而且存在PVOL的序列。同理可以檢測出它含有其他種組合，最后推斷出該多肽完整的氨基酸序列。
實施例2本實施例的裝置同實施例1，所處理的多肽樣品亦與實施例相同，利用本裝置及實現(xiàn)方法主要進(jìn)行雜質(zhì)離子的分析，由于對該多肽離子不感興趣，想分析其雜質(zhì)，而多肽是樣品的主要成分，對雜質(zhì)的分析有影響，希望在進(jìn)入質(zhì)譜分析器前將其去除；具體操作是使圖1中三個四極桿4、5、6所加的射頻電壓相同，但四極桿5，6不加激發(fā)電壓，這時四極桿5，6僅起離子傳輸聚焦的作用；而第一級四極桿4作為濾質(zhì)器，選擇質(zhì)荷比為571的離子激發(fā)頻率，且幅值較高，如5V，使被激發(fā)的離子由于獲得太大的動能而打到四極桿的器壁上而消失。母離子被過濾后的質(zhì)譜圖如圖6所示，與圖5(a)相比，所有的其他雜質(zhì)離子被檢測到，而質(zhì)荷比為571的離子沒有通過四極桿。選擇不同的激發(fā)頻率可以過濾一種或多種質(zhì)荷比的離子。
權(quán)利要求
1.一種基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置，與質(zhì)譜分析器相連，包括射頻四極桿，其特征在于所述射頻四極桿設(shè)置在同一個氣體反應(yīng)腔體內(nèi)，射頻四極桿的每根桿由三段組成，使射頻四極桿形成三級，第一級為質(zhì)量過濾器，第二級為分子離子反應(yīng)器，第三級為離子聚焦傳輸器，三級射頻四極桿之間設(shè)置有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置，其特征在于所述射頻四極桿三級之間的間隙小于2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置，其特征在于在射頻四極桿每兩桿之間設(shè)置有形成軸向電場的軸向場電極；所述軸向場電極的數(shù)量為四片，呈軸對稱分布排列；軸向場電極形成的內(nèi)切圓直徑d2與射頻四根桿形成的內(nèi)切圓直徑d1的比值約為1.3～1.5，靠近離子入口一端直徑d2較小，靠近離子出口一端直徑d2較大。
4.一種利用權(quán)利要求1～3任一項所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于在一定氣壓下的射頻四極桿上施加激發(fā)電壓，使射頻四極桿中的待分析離子獲得動能，并與背景氣體分子發(fā)生分子離子反應(yīng)，產(chǎn)生待分析離子的子離子，并利用質(zhì)譜分析器測量子離子，從而實現(xiàn)對待分析離子的串級質(zhì)譜分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于三級四極桿處于同一反應(yīng)腔體里，氣壓相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于在所述射頻四極桿相鄰的兩桿之間施加射頻電壓，而相對的兩桿之間施加激發(fā)電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于所述激發(fā)電壓有兩組，分別為正弦和余弦波作用在相對的兩桿上。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于所述待分析離子為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機化合物離子、生命大分子等離子。
9.根據(jù)權(quán)利要求4～8任一項所述的基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置實現(xiàn)的方法的應(yīng)用，其特征在于用于有選擇性激發(fā)離子，使之獲得碰撞所需的動能，或過濾雜質(zhì)離子或高濃度組分離子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于射頻四極桿的氣相分子離子反應(yīng)器裝置，包括射頻四極桿，所述射頻四極桿設(shè)置在氣體反應(yīng)腔體內(nèi)，呈軸對稱分布排列，射頻四極桿的每根桿由三段組成，使射頻四極桿形成三級質(zhì)量過濾器、分子離子反應(yīng)器、離子聚焦傳輸器，三級射頻四極桿之間設(shè)置有間隙；在射頻四極桿每兩桿之間設(shè)置有形成軸向電場的直流電壓片；一種上述裝置的實現(xiàn)方法，在射頻四極桿上施加激發(fā)電場，使射頻四極桿中的待分析離子獲得動能，并與背景氣體分子發(fā)生分子離子反應(yīng)，產(chǎn)生待分析離子的子離子，并利用質(zhì)譜分析器測量子離子，實現(xiàn)對待分析離子的串級質(zhì)譜分析。本發(fā)明可以選擇性地激發(fā)離子，使之獲得碰撞所需的動能，離子解離率可控性好，靈敏度高。
文檔編號H01J49/02GK1779457SQ200510100350
公開日2006年5月31日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月19日
發(fā)明者周振, 傅忠, 盛國英 申請人:廣州禾信自動化系統(tǒng)有限公司