基于三维离子阱的光解离碎片离子强度检测装置及方法与流程

1.本发明涉及精密仪器技术领域，具体涉及基于三维离子阱的光解离碎片离子强度检测装置及方法。


背景技术：

2.质谱包含飞行时间质谱、磁质谱、四极杆质谱，由于其能快速有效地把不同的离子按质荷比m/z值大小进行分离(m表示离子质量，z表示离子电荷数)，被广泛应用于科学研究和检测应用；三维离子阱，由于其能使发散的离子束在其电场范围内稳定的存在一段时间，并且聚焦的离子阱中心附近，通常被用来聚焦和富集离子。光解离技术是离子通过吸收光子能量，发生化学键断裂，形成特定的碎片离子(n+)；通常，会将由第一级质谱选择出的特定质荷比的母体离子(m+)，导入到三维离子阱中进行聚焦并富集，在三维离子阱中对离子进行光解离过程，残留的母体离子(m+)或者产生的碎片离子(n+)通过第二级串联质谱进行收集，这样便能得到特定母体离子的光解离光谱，通过对光解离光谱的分析，便可获得母体离子的化学物理特性。
3.然而，三维离子阱在存储离子的期间，由于碰撞气的加入加剧分子间的相互碰撞，本身存在不可避免的碰撞解离过程，这同样会导致母体离子的减少和碎片离子的产生，对光解离光谱的结果造成干扰，综上所述，本技术现提出基于三维离子阱的光解离碎片离子强度检测装置及方法来解决上述出现的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于三维离子阱的碎片离子强度检测装置，减少分子间的碰撞产生的碎片离子强度对光解离过程中产生的碎片离子强度的干扰。
5.本发明实施例还旨在提出一种基于三维离子阱的碎片离子强度检测方法。
6.根据本发明实施例的一种基于三维离子阱的碎片离子强度检测装置，包括：三维离子阱本体，所述三维离子阱本体位于目标离子的入射方向上，所述三维离子阱本体包括：前端盖电极，所述前端盖电极上开设有入射通孔；环电极，所述环电极在与目标离子入射方向正交的两个方向上分别设置一个进气口和一个通光孔，进气口用于通入碰撞气，通光孔用于解离光的入射；后端盖电极，所述后端盖电极上开设有弹出通孔，弹出通孔的位置与入射通孔的位置对应；其中，所述前端盖电极、所述环电极和所述后端盖电极在目标离子入射方向上依次排布，目标离子由入射通孔向弹出通孔入射；可调谐波长的脉冲解离光源，所述可调谐波长的脉冲解离光源用于发出解离光，解离光从环电极的通光孔打入三维离子阱本体内部，解离光用于解离目标离子；信号采样电路，所述信号采样电路用于对弹出三维离子阱本体的目标离子及其碎片离子强度进行检测。
7.在一些实施例中，所述可调谐波长的脉冲解离光源发出的解离光的入射方向与目标离子的入射方向垂直。
8.根据本发明实施例的基于三维离子阱的碎片离子强度检测装置，在其他条件不变的情况下，在解离光未打入三维离子阱本体时，检测碎片离子的强度，此为三维离子阱本体内部分子间碰撞产生的碎片离子的强度，在解离光打入三维离子阱本体后，再检测碎片离子的强度，此为三维离子阱本体内部分子间碰撞产生的碎片离子以及光解离产生的碎片离子的整体强度，两者的差值即可消除分子间碰撞产生的碎片离子强度，得到完全在光解离条件下的碎片离子强度，消除分子间碰撞的干扰。
9.根据本发明实施例的基于三维离子阱的碎片离子强度检测方法，包括以下步骤：
10.s1，向环形电极施加一个直流高压u3和一个射频高压rf，用于在对目标离子进行约束和稳定存储；
11.s2，向前端盖电极施加第一脉冲高压，触发时刻为t0，其高电平为u1，低电平为u2，脉冲高压的下降沿时序为t1，脉冲宽度为δt1，在δt1的时间内，目标离子进入三维离子阱本体内部，其脉冲重复周期为t1，第一脉冲高压的高电平用于阻止离子进入三维离子阱本体，低电平用于吸引离子进入三维离子阱本体；
12.s3，向后端盖电极施加第二脉冲高压，触发时刻为t0，其高电平为u1，低电平为u4，脉冲高压的下降沿时序为t2，脉冲宽度为δt2，在δt2的时间内，目标离子及其碎片离子弹出三维离子阱本体，其脉冲重复周期为t1，第二脉冲高压的高电平用于阻止离子飞出三维离子阱本体，低电平用于加速离子弹出三维离子阱本体；
13.s4，可调谐波长的脉冲解离光源向通光孔发出解离光，触发时刻为t0，其光脉冲的上升沿为t3，脉冲宽度为δt3，在δt3的时间内解离光对目标离子进行光解离，脉冲重复周期为2t1；
14.s5，信号采样电路对弹出三维离子阱本体的目标离子及其碎片离子强度进行检测，触发时刻为t0，采样周期为t1，用第2n个周期内得到的数据减去第2n-1个周期内得到的数据，得到检测结果，信号采集电路的采样周期为t1，第2n-1个采样周期内，由于没有解离光脉冲，三维离子阱本体中仅发生碰撞解离过程，碎片离子的产生都是由于三维离子阱本体存储本身存在的碰撞解离过程导致的；然而，在第2n个采样周期内，由于脉冲解离光的作用，三维离子阱本体中协同发生了碰撞解离过程和光解离过程；因此我们在数据处理时可以用第2n个周期内采集的碎片离子强度减去第2n-1个周期内采集的碎片离子强度，得到的便是在解离光第n个作用周期内的新增的碎片离子；
15.其中，(t1+δt1)＜t2＜(t1+t
1-δt2)，在δt1的时间内，目标离子进入三维离子阱本体中，t1+δt1时刻到t2时刻之间为离子聚焦和存储时间，δt2时间内，目标离子及其碎片离子弹出三维离子阱本体；
16.t3＝t2+t
1-δt3，δt3时间内，解离光作用在目标离子上进行光解离过程；
17.其中，n为正整数。
18.在一些具体的实施例中，所述步骤s4中解离光的脉冲上升沿时序t3＝t2+t1，同时t3＞t1；
19.所述步骤s5中通过扫描解离光的波长，记录每一组2n与2n-1采集周期间的信号差值与解离光波长间的变化趋势图，即可得到该碎片离子的解离光谱
20.在一些具体的实施例中，还包括：步骤s
0-1
，对整个三维离子阱本体仅施加一个直流电压，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节该直流电压使稳定穿过三维离子阱
本体的离子数达到最大，此时的直流电压值即为第一脉冲高压的低电平电压u2；
21.在一些具体的实施例中，还包括：步骤s
0-2
，对三维离子阱本体的前端盖电极、后端盖电极施加第一脉冲高压的低电平电压u2，对环电极施加一个直流电压，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节该直流电压使稳定穿过三维离子阱本体的离子数达到最大，此时的直流电压值即为直流高压u3。
22.在一些具体的实施例中，还包括：步骤s
0-3
，对三维离子阱本体的环电极施加直流高压u3，为后端盖电极施加第一脉冲高压的低电平电压u2，对前端盖电极施加一个直流电压，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节该直流电压使稳定穿过离子阱的离子数为0，此时的直流电压值再加5v，即为第一脉冲高压的高电平电压u1。
23.在一些具体的实施例中，还包括：步骤s
0-4
，对三维离子阱本体的环电极施加直流高压u3，为后端盖电极施加第一脉冲高压的低电平电压u2，对前端盖电极施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，调节脉冲宽度为t1，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节第一脉冲高压的下降沿的时序，使得通过离子阱的离子数达到最大，此时的时序即为第一脉冲高压的下降沿时序t1；此时，固定t1，逐渐减小脉冲宽度，直到通过离子阱的离子数呈现下降趋势，下降趋势曲线的拐点对应的脉冲宽度即为第一脉冲高压的脉冲宽度δt1。
24.在一些具体的实施例中，还包括：步骤s
0-5
，对离子阱的环电极施加直流高压u3，为后端盖电极施加第二脉冲高压的低电平电压u4，对前端盖电极施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，下降沿时序为t1，脉冲宽度为δt1；调节后端盖电极施加的直流电压值，使得通过离子阱的离子数达到最大，此时后端盖电极施加的的电压即为第二脉冲高压的低电平电压u4。
25.在一些具体的实施例中，还包括：步骤s
0-6
，对离子阱的环电极施加直流高压u3，为前端盖电极施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，脉冲宽度为δt1，脉冲下降沿的时序为t1；为后端盖电极施加第二脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u4，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节脉冲宽度为t1，逐渐延迟脉冲高压的下降沿的时序，直到通过离子阱的离子数呈现急剧下降到缓慢下降的趋势，两条下降趋势曲线的拐点对应的时序即为第二脉冲高压的脉冲下降沿的时序t2；此时，固定t2，逐渐减小脉冲宽度，直到通过离子阱的离子数呈现下降趋势，下降趋势曲线的拐点对应的脉冲宽度即为第二脉冲高压的脉冲宽度δt2。
26.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.附图1为本发明实施例中三维离子阱的结构示意图；
28.附图2为本发明实施例中检测方法各脉冲高压的参数示意图。
29.附图标记中：1.前端盖电极；2.环电极；3.后端盖电极；4.进气口；5.通光孔；6.可调谐波长的脉冲解离光源。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
31.下面参考附图1-图2来描述本发明实施例中基于三维离子阱的碎片离子强度检测装置。
32.如图1，根据本发明实施例的基于三维离子阱的碎片离子强度检测装置，包括：三维离子阱本体，三维离子阱本体位于目标离子的入射方向上，三维离子阱本体包括：前端盖电极1、环电极2、后端盖电极3、可调谐波长的脉冲解离光源6以及信号采样电路，前端盖电极1上开设有入射通孔，环电极2在与目标离子入射方向正交的两个方向上分别设置一个进气口4和一个通光孔5，进气口4用于通入碰撞气，通光孔5用于解离光的入射，后端盖电极3上开设有弹出通孔，弹出通孔的位置与入射通孔的位置对应，其中，前端盖电极1、环电极2和后端盖电极3在目标离子入射方向上依次排布，目标离子由入射通孔向弹出通孔入射，可调谐波长的脉冲解离光源6用于发出解离光，解离光从环电极2的通光孔5打入三维离子阱本体内部，可调谐波长的脉冲解离光源6发出的解离光的入射方向与目标离子的入射方向垂直，解离光用于解离目标离子，信号采样电路用于对弹出三维离子阱本体的目标离子及其碎片离子强度进行检测。
33.如图1-图2所示，根据本发明实施例的基于三维离子阱的碎片离子强度检测方法，包括以下步骤：
34.第一步，对整个三维离子阱本体仅施加一个直流电压，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节该直流电压使稳定穿过三维离子阱本体的离子数达到最大，此时的直流电压值即为第一脉冲高压的低电平电压u2。
35.第二步，对三维离子阱本体的前端盖电极1、后端盖电极3施加第一脉冲高压的低电平电压u2，对环电极2施加一个直流电压，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节该直流电压使稳定穿过三维离子阱本体的离子数达到最大，此时的直流电压值即为直流高压u3。
36.第三步，对三维离子阱本体的环电极2施加直流高压u3，为后端盖电极3施加第一脉冲高压的低电平电压u2，对前端盖电极1施加一个直流电压，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节该直流电压使稳定穿过离子阱的离子数为0，此时的直流电压值再加5v，即为第一脉冲高压和第二脉冲高压的高电平电压u1。
37.第四步，对三维离子阱本体的环电极2施加直流高压u3，为后端盖电极3施加第一脉冲高压的低电平电压u2，对前端盖电极1施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，调节脉冲宽度为t1，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节第一脉冲高压的下降沿的时序，使得通过三维离子阱本体的离子数达到最大，此时的时序即为第一脉冲高压的下降沿时序t1；此时，固定t1，逐渐减小脉冲宽度，直到通过三维离子阱本体的离子数呈现下降趋势，下降趋势曲线的拐点对应的脉冲宽度即为第一脉冲高压的脉冲宽度δt1。
38.第五步，调节后端盖电极3施加的直流电压值，使得通过离子阱的离子数达到最大，此时后端盖电极3施加的的电压即为第二脉冲高压的低电平电压u4；对离子阱的环电极
2施加直流高压u3，为后端盖电极3施加第二脉冲高压的低电平电压u4，对前端盖电极1施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，下降沿时序为t1，脉冲宽度为δt1。
39.第六步，对三维离子阱本体的环电极2施加直流高压u3，为前端盖电极1施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，脉冲宽度为δt1，脉冲下降沿的时序为t1；为后端盖电极3施加第二脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u4，开启采集信号电路，其采集周期为无限长，调节脉冲宽度为t1，逐渐延迟脉冲高压的下降沿的时序，直到通过三维离子阱本体的离子数呈现急剧下降到缓慢下降的趋势，两条下降趋势曲线的拐点对应的时序即为第二脉冲高压的脉冲下降沿的时序t2；此时，固定t2，逐渐减小脉冲宽度，直到通过三维离子阱本体的离子数呈现下降趋势，下降趋势曲线的拐点对应的脉冲宽度即为第二脉冲高压的脉冲宽度δt2。
40.第七步，对三维离子阱本体的环电极2施加直流高压u3，为前端盖电极1施加第一脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u2，脉冲宽度为δt1，脉冲下降沿的时序为t1；为后端盖电极3施加第二脉冲高压，其脉冲重复周期为t1，高电平电压为u1，低电平电压为u4，脉冲宽度为δt2，脉冲下降沿的时序为t2；启动解离光，其脉冲宽度为δt3，调节解离光的波长处于理论解离光的中心波长处，保证解离效率达到最高，调节解离光的脉冲上升沿时序t3，使得t3＝t2+t1且t3＞t1，此时可实现后端盖在实施第2n个弹出脉冲周期之前的δt3时间内，解离光一直在与三维离子阱本体中的离子进行相互作用，并且在后端盖第2n-1个弹出脉冲周期内，不存在解离光脉冲；开启采集信号电路，其采集周期为t1，调节三维离子阱本体后的其他电路，使得单一采集周期内仅出现一次脉冲信号，此时即可保证每个采集周期内仅对一次后端盖弹出的离子脉冲做计数，将有解离光和无解离光的两次脉冲离子分别通过一次采集周期记录；由于离子经后端盖电极3弹出后，离子仍需要一段时间的飞行才能到达离子检测器，将第一次出现相邻两个采集周期内均有一次脉冲信号，并且后一采集周期的碎片离子信号强于前一采集周期的脉冲信号时，将这组双周期中的前一个采集周期作为第1脉冲周期，之前的采样周期不纳入计数结果；通过扫描解离光的波长，记录每一组2n与2n-1采集周期间的信号差值与解离光波长间的变化趋势图，即为该母体离子的解离光谱。
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
42.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
43.除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。