高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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MS n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。
[0005] 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 States Patent 5,420,425)，以及某博士发明的矩形离子讲（United States Patent 6，838，666)。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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010]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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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栗给抽走了，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。
[0015] 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lE-2t 〇rr，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lE-4t 〇rr，离子阱外检测 器所在气压为lE-5t〇rr)，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。
[0016] 这个问题是阻碍当前成千上万离子阱质谱仪器不宜直接用于分子/离子反应的主 要原因。
[0017] 因此，可以自动调节离子阱内气压的质谱装置可能会是一种较理想的解决方案。 但是，实现自动调节离子阱内气压的质谱装置存在着三个方面的技术难题：
[0018] -、离子阱内真空度不容易直接测量，往往是通过测量真空腔体内的真空度来间 接估算出离子阱内的真空度(离子阱内气压比腔体内的稍高）。
[0019] 二、向离子阱内输入缓冲气体，形成真空梯度较容易，但是形成指定的真空梯度则 不易。通常离子阱有1个气体输入孔，4个气体输出孔，孔的几何参数和空间位置会严重影响 离子阱内真空度的形成。
[0020] 三、在较短的时间内（一个扫描周期内），在离子注入阶段要求高气压、在离子分离 检测阶段要求低气体，而且要求气压稳定非常困难，否则影响分析的重现性。
【发明内容】
[0021] 为了解决上述问题，本发明提出一种高效的分子离子反应质谱简易装置及其操作 方法。
[0022] 为实现上述目的，本发明提出了一种高效的分子离子反应质谱简易装置，包括离 子源、离子导入管路、多级梯度真空系统、真空腔体、标准大气压区间、离子导引管路、离子 阱、检测器、缓冲气注入系统、真空计和控制模块，所述标准大气压区间、多级梯度真空系统 和真空腔体之间依次连通，所述离子源设置在标准大气压区间内，所述多级梯度真空系统 通过离子导入管路和标准大气压区间内的离子源连通，多级梯度真空系统的各级梯度真空 区间之间通过通孔连通，离子导引管路包括设置在多级梯度真空系统每级梯度真空区间内 的传输管路，离子源发射的离子由离子导入管路进入到多级梯度真空系统后，通过各级梯 度真空区间内的传输管路传输，在多级梯度真空系统的最后一级梯度真空区间内的传输管 路末端设置离子透镜，多级梯度真空系统与真空腔体之间通过通孔连通，所述离子阱设置 在真空腔体内，在离子阱前端设置有离子传输整形杆（四极杆或八极杆），所述检测器包括 对称设置在离子阱两侧的两个检测器，还包括缓冲气流量控制器、分子试剂流量控制器和 分子试剂注入系统，所述缓冲气注入系统和分子试剂注入系统均通过管道与离子阱的后端 盖连通，在分子试剂注入系统和离子阱的后端盖连通的管道上设置分子试剂流量控制器， 在缓冲气注入系统和离子阱的后端盖连通的管道上设置缓冲气流量控制器，所述真空计通 过管道与离子阱的前端盖连通，所述缓冲气流量控制器、分子试剂流量控制器和真空计均 和控制模块通讯连接。
[0023] 优选地，所述离子阱包括设置在其内部X方向和Y方向的两组电极、设置在其两端 的前端盖、后端盖和导气盖板，两组所述电机分别包括两个相向设置电极;在设置在X方向 的两组电极中间设置有〇.5mm*4mm的狭缝，用于弹射出离子，使检测器检测到离子信号。
[0024] 优选地，所述多级梯度真空系统的各级真空区间内的气压在ITorr~lE-4Torr范 围内依次降低，所述真空腔体内的气压为lE_5Torr~lE-6Torr。
[0025] 优选地，所述前端盖中心开有离子导入孔，在离子导入孔周围成环形均布多个缓 冲气导出孔;所述后端盖中心开有离子导出孔，在所述离子导出孔周围成环形均布多个缓 冲气导入孔，所述导气盖板为环形盖板，所述环形盖板设置在前端盖和后端盖的外侧，前端 盖和相近的环形盖板之间以及后端盖和相近的环形盖板之间形成环形腔，所述环形板的中 间通孔大于等于前端盖的离子导入孔和后端盖的离子导出孔，所述前端盖上的缓冲气导出 孔和后端盖上的缓冲气导入孔均与相应的环形腔导通;连接后端盖与缓冲气注入系统和分 子试剂注入系统的管道与后端盖的环形腔