一种亚大气压下质谱装置及控制方法

技术领域

本发明涉及质谱装置领域，尤其涉及一种亚大气压下质谱装置及控制方法。

背景技术

质谱仪是现代化分析测试仪器，根据离子的质荷比不同，实现分离和检测。质谱仪主要由离子源、质量分析器、检测器和真空系统组成。其原理是被分析物首先在离子源被离子化，然后进入到真空离子传输系统，经过质量分析器分离后被检测器检测，信号经过放大处理后绘制成质谱图。

在质谱仪中，质量分析器作为关键的组成部分，近年来得到了持续的发展。根据性能以及应用范围的不同，常用的质量分析器包括四级杆（Quadrupole）、离子阱（Ion Trap）、飞行时间（Time of Flight）、傅里叶变换离子回旋共振（Fourier Transform IonCyclotron Resonance）和轨道离子阱（Ion Trap）等。

离子阱质量分析器具有真空需求低，加工组装难度低以及具备多级串联质谱分析等特点，因此在环境、药物、食品等领域得到了广泛的应用。在离子阱的质量分析过程中，离子进入质量分析器后首先进行存储，在离子存储到一定数量之后施加扫描电压实现不同离子的分离。因此，如何有效控制离子的存储对于离子阱质量分析器的性能起到关键影响。若存储的离子数量过少，会导致被分析物的质谱信号过低，但是若存储的离子数量过多，会引起空间电荷效应，导致离子阱质谱的分辨率下降。

不连续大气压接口的应用，可有效降低质谱仪器的真空需求，大大减小质谱仪器的体积，该技术广泛应用于小型化质谱仪器。但直接应用大气接口进行检测仍存在很多问题，例如，由于直接与大气压相连，稍微延长开启时间就会导致真空系统的真空度大幅度下降，真空系统无法工作，导致夹管阀开启时间依赖于胶管的物理弹性开启，开启时间基本固定，因此无法自动增益控制，导致最终检测信号范围受限；此外在高浓度下，还存在质量分析器的空间电荷效益问题，导致分析性能下降；大气压条件下质谱仪进样时的干扰背景信号较多。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种亚大气压下质谱装置及控制方法，能够减少背景信号干扰，有效控制质量分析器中的离子存储，提高质谱装置的灵敏度和分辨率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种亚大气压下质谱装置，包括第一级真空腔和第二级真空腔，所述的第一级真空腔内由前至后依次设置有离子源、离子传输管路，所述的第二级真空腔内依次设置有质量分析器和离子检测器，待检测样品经所述的离子源离子化形成离子后，通过所述的离子传输管路进入所述的质量分析器分析，被所述的离子检测器检测，还包括电磁阀、阀控制器和数据处理模块，所述的数据处理模块的输入端与所述的离子检测器连接，所述的数据处理模块的输出端与所述的阀控制器的输入端连接，所述的阀控制器的输出端与所述的电磁阀连接用于控制所述的电磁阀的开闭，所述的电磁阀连接在所述的离子传输管路外用于控制所述的离子传输管路的通断，所述的数据处理模块接收并处理所述的离子检测器产生的检测信号，然后发出控制信号至所述的阀控制器，该控制信号包括下一次所述的电磁阀的开启时长。

在一些实施方式中，所述的离子传输管路由前至后依次包括：前端离子传输管、连接管和后端离子传输管，所述的电磁阀连接在所述的连接管的中部用于控制所述的连接管的通断，所述的前端离子传输管插入所述的连接管的第一端，所述的后端离子传输管插入所述的连接管的第二端，所述的前端离子传输管和所述的后端离子传输管均不与所述的电磁阀连接部重叠，所述的前端离子传输管对准所述的离子源的出口，所述的后端离子传输管对准所述的质量分析器的入口。待检测样品经离子源离子化形成离子后，依次通过前端离子传输管、连接管和后端离子传输管进入质量分析器分析，其中电磁阀用于控制中部连接管的通断，从而控制通道开启或关闭，通道开启存储离子。

在一些实施方式中，所述的前端离子传输管和所述的后端离子传输管的材质均为不锈钢，所述的前端离子传输管和所述的后端离子传输管的内径相同或不同，内径范围在0.1-2mm；所述的连接管的材质为硅胶，所述的连接管的内径为0.5-2.5mm，且所述的连接管的内径分别大于所述的前端离子传输管和所述的后端离子传输管的内径。由此具有更优的效果。

在一些实施方式中，还包括与所述的第一级真空腔连接的真空泵以及与所述的第二级真空腔连接的分子泵，所述的真空泵用于维持所述的第一级真空腔内亚大气压真空状态，所述的分子泵用于维持所述的第二级真空腔内真空状态。采用亚大气压下的电离方式可有效减少干扰背景信号，使本方法获得更好的检测效果。

在一些实施方式中，所述的离子源为亚大气电喷雾离子源或基质辅助激光解吸电离源或紫外电离源或APCI源或DBDI电离源或辉光放电电离源。

在一些实施方式中，所述的质量分析器为3D离子阱或CIT离子阱或线性离子阱或傅里叶变换离子回旋共振质量分析器或轨道离子阱。

本发明解决上述技术问题所采用的又一技术方案为：一种亚大气压下质谱装置的控制方法，包括以下步骤：

S1：通过所述的离子源将目标样品离子化，产生目标样品离子；

S2：控制所述的阀控制器开启所述的电磁阀，离子通过所述的离子传输管路进入所述的质量分析器进行分析；

S3：达到所述的电磁阀的开启时长后，控制所述的电磁阀关闭，已存储的离子在所述的质量分析器中冷却，全扫描后被所述的离子检测器检测并得到检测信号；

S4：通过所述的数据处理模块处理该检测信号，并根据处理后的数据调整下一次电磁阀的开启时长，然后反馈给所述的阀控制器；

S5：重复步骤S2-S4，得到电磁阀开启时长反馈调整后的样品谱图。

所述的重复步骤S2-S4包括单次或多次重复，多次重复后对所得到的样品谱图进行积分得到最终结果。

所述的控制方法一个周期的质谱分析时序包括：自动增益控制预扫描阶段和主扫描阶段，所述的自动增益控制预扫描阶段和所述的主扫描阶段均包括离子注入子阶段和质量分析子阶段，在离子注入子阶段开启所述的电磁阀，样品离子进入所述的质量分析器，施加射频电压在此子阶段冷却离子；在质量分析子阶段扫描射频电压进行质量分析后被所述的检测器检测。

所述的步骤S4中根据处理后的数据调整下一次电磁阀的开启时长具体包括：数据处理模块处理检测信号并根据自动增益控制预扫描阶段得到的总离子流强度调整主扫描阶段的电磁阀的开启时长，具体为设定一个总离子流强度的信号阈值，若自动增益控制预扫描阶段的总离子流信号大于该信号阈值则减少主扫描阶段电磁阀开启时长，若AGC预扫描阶段的总离子流强度小于该信号阈值则增加主扫描阶段电磁阀的开启时长；在主扫描阶段再次通过调整后的离子注入和质量分析实现被分析样品的全扫描质谱分析。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过反馈控制电磁阀的开启时长可以实现离子自动增益控制，从而精确控制质量分析器中的存储离子浓度，该控制方法受到大气压环境的影响小，且在亚大气压下开启电磁阀不会造成真空系统真空度的显著下降，能够减少背景信号干扰，能够有效提高离子阱质谱装置的检测灵敏度和分辨率。

附图说明

图1为本发明一种亚大气压下质谱装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例四中的质谱分析时序图。

其中，第一级真空腔1，第二级真空腔2，离子源3，前端离子传输管4，连接管5，后端离子传输管6，质量分析器7，离子检测器8，电磁阀9，阀控制器10，数据处理模块11，真空泵12，分子泵13。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种亚大气压下质谱装置及控制方法作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例一

如图所示，一种亚大气压下质谱装置，包括第一级真空腔1和第二级真空腔2，第一级真空腔1内由前至后依次设置有离子源3、离子传输管路，第二级真空腔2内依次设置有质量分析器7和离子检测器8，待检测样品经离子源3离子化形成离子后，通过离子传输管路进入质量分析器7分析，被离子检测器8检测。质谱装置还包括电磁阀9、阀控制器10和数据处理模块11，数据处理模块11的输入端与离子检测器8连接，数据处理模块11的输出端与阀控制器10的输入端连接，阀控制器10的输出端与电磁阀9连接用于控制电磁阀9的开闭，电磁阀9连接在离子传输管路外用于控制离子传输管路的通断，数据处理模块11接收并处理离子检测器8产生的检测信号，然后发出控制信号至阀控制器10，该控制信号包括下一次电磁阀9的开启时长。

实施例二

本实施例提出的一种亚大气压下质谱装置，其在实施例一的基础上对离子传输管路的具体结构进行了详细说明。本实施例中，离子传输管路由前至后依次包括：前端离子传输管4、连接管5和后端离子传输管6，电磁阀9连接在连接管5的中部用于控制连接管5的通断，前端离子传输管4插入连接管5的第一端，后端离子传输管6插入连接管5的第二端，前端离子传输管4和后端离子传输管6均不与电磁阀连接部重叠，前端离子传输管4对准离子源3的出口，后端离子传输管6对准质量分析器7的入口。

本实施例中，前端离子传输管4和后端离子传输管6的材质均为不锈钢，前端离子传输管4和后端离子传输管6的内径相同或不同，内径范围在0.1-2mm；连接管5的材质为硅胶，连接管5的内径为0.5-2.5mm，且连接管5的内径分别大于前端离子传输管4和后端离子传输管6的内径。

实施例三

本实施例提出的一种亚大气压下质谱装置，其在实施例一或二的基础上对装置的其余结构进行了进一步补充。本实施例中，还包括与第一级真空腔1连接的真空泵12以及与第二级真空腔2连接的分子泵13，真空泵12用于维持第一级真空腔内亚大气压真空状态，分子泵13用于维持第二级真空腔内真空状态，使第一级真空腔气压在1-50 Torr，第二级真空腔气压在10

离子源3可以采用亚大气电喷雾离子源或基质辅助激光解吸电离源或紫外电离源或APCI源或DBDI电离源或辉光放电电离源。

质量分析器7可以采用3D离子阱或CIT离子阱或线性离子阱或傅里叶变换离子回旋共振质量分析器或轨道离子阱。

实施例四

一种上述实施例中所述的亚大气压下质谱装置的控制方法，包括以下步骤：

S1：通过离子源将目标样品离子化，产生目标样品离子；

S2：控制阀控制器开启电磁阀，离子通过离子传输管路进入质量分析器进行分析；

S3：达到电磁阀的开启时长后，控制电磁阀关闭，已存储的离子在质量分析器中冷却，全扫描后被离子检测器检测并得到检测信号；

S4：通过数据处理模块处理该检测信号，并根据处理后的数据调整下一次电磁阀的开启时长，然后反馈给阀控制器；

S5：重复步骤S2-S4，得到电磁阀开启时长反馈调整后的样品谱图。

重复步骤S2-S4包括单次或多次重复，多次重复后对所得到的样品谱图进行积分得到最终结果。

本实施例中，控制方法一个周期的质谱分析时序包括：自动增益控制（AGC）预扫描阶段和主扫描阶段，自动增益控制预扫描阶段和主扫描阶段均包括离子注入子阶段和质量分析子阶段，在离子注入子阶段开启电磁阀，样品离子进入质量分析器，施加射频（RF）电压在此子阶段冷却离子；在质量分析子阶段扫描RF电压进行质量分析后被检测器检测，如图2所示。

本实施例中，步骤S4中根据处理后的数据调整下一次电磁阀的开启时长具体包括：数据处理模块处理检测信号并根据自动增益控制预扫描阶段得到的总离子流强度调整主扫描阶段的电磁阀的开启时长，具体为设定一个总离子流强度的信号阈值，若自动增益控制预扫描阶段的总离子流信号大于该信号阈值则减少主扫描阶段电磁阀开启时长，若AGC预扫描阶段的总离子流强度小于该信号阈值则增加主扫描阶段电磁阀的开启时长；在主扫描阶段再次通过调整后的离子注入和质量分析实现被分析样品的全扫描质谱分析。

本实施例中，设定目标离子流强度为N,预扫描阶段所检测到的离子流强度为n，预扫描阶段电磁阀开启时间为t，主扫描阶段电磁阀开启时间为T，可得T=N*t/n，其中目标总离子流强度的信号阈值设定在5000-50000范围内，可以根据仪器的性能和状态以及被分析样品进行调整。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。