一種提高離子遷移譜儀解析度及靈敏度的方法與流程

2023-12-02 21:11:16

本發明涉及化合物探測技術領域，尤其涉及一種提高離子遷移譜儀解析度及靈敏度的方法。

背景技術：

離子遷移譜(ionmobilityspectrometry，ims)又稱離子淌度譜，是上世紀70年代出現的一種新型快速分離檢測技術。由於離子化及分離過程均在大氣壓下進行，與傳統質譜儀器相比具有結構簡單，靈敏度高，分析速度快，分析成本低的特點。同時，離子遷移譜的分離速度非常快，通常幾十毫秒內就可以完成一次分析，幾秒至幾十秒內就能給出分析的結果，能夠在大氣環境中對微量化學物質進行檢測，特別適於現場分析。目前，離子遷移譜在機場、車站等安檢場合，易製毒化學品的檢測，化學戰試劑的檢測等方法得到了廣泛應用，在傳統的安全領域具有獨特的作用。離子遷移譜通常由離子源、離子門、遷移分離區和檢測器組成。固體、液相或氣體樣品在離子源中電離產生離子，離子在電場的驅使下通過周期性開啟的離子門進入漂移區，並在與逆流的中性漂移氣體分子不斷碰撞的過程中，由於這些離子在電場中各自遷移速率不同，使得不同的離子得到分離並先後到達收集極被檢測。因此通過測量遷移時間就可確定分析目標物質的存在，而應用峰面積或峰高可確定相應物質的濃度。

上述過程中離子門開門時間和離子進入遷移區後的遷移時間之比稱為佔空比(dutycycle,dc)，dc決定了儀器的信噪比和靈敏度，同時也影響著分析的解析度。通常來說，dc越低，解析度越高，但靈敏度越低。相比傳統的周期性單次開門方法，hadamard變換方法可以將佔空比提高到50％，與常規方法相比可提高靈敏度3-5倍。然而，hadamard變換所帶來的假峰失真現象導致儀器誤報。另一種基於傅立葉變換的多路復用技術同樣可以將佔空比提高到50％，但由於傅立葉變換需要對離子流信號使用窗函數進行加窗處理，從而降低了其有用信號，且對解析度的不利影響也非常明顯，因而離子遷移譜的性能有待進一步提高。

採用巴克碼(barkercodes)對離子門進行調製並利用互相關變換的多路復用方法亦可將離子遷移譜(correlationims)的佔空比提高至50％，信噪比明顯提高。但由於巴克碼的長度有限，在與離子遷移時間匹配時限制較多，且其長達500微秒以上的離子門控制脈衝導致離子遷移譜解析度很低。一種改進的方法是採用預變形模擬chirp信號的互相關變換離子遷移譜同樣可以將佔空比提高到50％，仍然有明顯的波峰旁瓣，因而靈敏度提高有限，且解析度仍然較低。

對上述多路復用技術進行分析可發現，離子遷移譜信號的編解碼過程都是生成一個離子門控制序列，按照序列對離子門進行調製並獲取檢測信號，再利用檢測信號對控制序列進行hadamard變換、傅立葉變換、互相關變換等數學運算而得到原始的離子遷移譜信號。儘管以上過程在數學上非常嚴謹有效，但由於以上方法都是基於處理線性系統而提出，而離子在遷移管中的傳輸並非線性關係，應用於離子遷移譜時都產生較大偏差，具有較大的缺陷。

基於多路復用技術離子遷移譜信號劣化的原因主要有以下：首先，儀器存儲或實時產生的控制序列在經過數模轉換後送到離子門控制器，再經離子門控制器隔離高壓後將信號放大送入離子門，在此過程中信號的傳遞和轉換存在較大程度的延遲。在隔離高壓時通常使用光電轉換的方式，光電轉換本身是一個非線性過程，因而控制序列與離子門的控制輸出之間存在較大的誤差。另外，在對離子門進行調製時，其方波脈衝的上升沿及下降沿都會對檢測器產生不利的影響，通常，脈衝上升沿會在檢測器上產生一個正峰，而脈衝下降沿會產生一個負峰，這些信號會迭加在離子檢測信號上，因而帶來較大的幹擾，特別是對於採用多路復用技術的離子遷移譜，會在正常信號上產生額外的噪音，甚至產生假峰。

其次，離子遷移譜常用的b-n離子門本身存在較大的耗盡效應。由於離子在大氣中的運動速度有限，因而在離子門打開時，離子需要較長的時間通過離子門，當離子門關閉時，剛通過離子門的離子會變離子門垂直電場所吸引而折返，因而在離子門高速開關時，離子的通過率會迅速降低，且離子遷移譜峰的前後沿並不對稱，不符合高斯分布。

再次，離子在遷移區移動時會發生擴散效應。擴散會造成離子遷移說的峰形展寬，儘管峰形展寬本身是符合高斯分布的，但由於展寬的程度與遷移電壓、遷移管長度、溫度、壓力及離子本身的遷移率有關因而是非線性的，會造成多路復用技術的數學變換誤差。

最後，空間電荷效應也是譜圖劣化的原因之一。由於同種離子在遷移管中互相排斥，這種庫侖斥力會造成譜圖較大程度的展寬。研究發現，離子門脈衝寬度與庫侖斥力的大小有關，因而利用預變形模擬chirp信號的互相關變換離子遷移譜並不能消除這種誤差。

以上情況都會造成基於多路復用技術的離子遷移譜信噪比降低，其峰形展寬也會造成解析度的降低。由於離子遷稱譜檢測器的輸出非常微弱，輸出電流通常處於10-9～10-12安培之間，為了提高信號放大過程的信噪比，放大器的帶寬通常限制在一個比較窄的水平，這樣也會造成放大器的響應速率慢，從而進一步降低離子遷移譜的解析度。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種提高離子遷移譜儀解析度及靈敏度的方法，可採用不同的控制序列對離子門進行調製，且可以採用不同的佔空比。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種提高離子遷移譜儀解析度及靈敏度的方法，包括以下步驟：

步驟一，將待分析樣品進行離子化；

步驟二，對來自於離子源的連續離子流進行頻率調製；

步驟三，在關閉遷移電壓的情況下將離子門調製信號連續送入離子門並同時採集法拉第盤檢測器信號，得到檢測器原始輸出的第一平均譜圖i(t)；在打開遷移電壓的情況得到檢測器原始輸出的第二平均譜圖p(t)；

步驟四，對第一平均譜圖i(t)進行處理記錄，得到各不同質荷比的離子強度隨時間的變化曲線；

步驟五，對第二平均譜圖p(t)進行處理然後利用互相關變換重建離子遷移譜。

所述步驟二中，對連續離子流進行頻率調製，採用方波chirp信號或者正弦波，佔空比保持恆定，或呈線性或非線性單向變化。

所述步驟二中，調製周期在50ms到10s之間，離子遷移譜相應的獲取頻率為20～0.1hz；

調製的最高頻率為20khz，最低頻率為0hz；

離子門控制序列d/a及檢測器輸出a/d轉換的時間增量相同，在1微秒至100微秒之間。

所述在步驟三中，在關閉遷移電壓的情況下將離子門調製信號連續送入離子門並同時採集法拉第盤檢測器信號，重複10～100次，求取檢測器原始輸出的第一平均譜圖i(t)。

所述步驟三中，第二平均譜圖p(t)的獲取方法包括，在離子化區域引入高濃度單一成分，或者直接利用背景離子或溶劑離子作為模式離子，使得通過離子門進入分離區的離子為單一物種；

將離子門與檢測器之間的距離設為5mm，將離子門調製信號連續送入離子門並同時採集法拉第盤檢測器輸出的模式離子信號，重複10～100次，求取檢測器原始輸出的第二平均譜圖p(t)。

所述步驟四的具體步驟為，

將第一平均譜圖i(t)放大後經ad轉換為數位訊號s(t)，導入計算機得到離子隨時間的變化曲線或者經過接口導入質譜儀直接進行鑑定分析，記錄各不同質荷比的離子強度隨時間的變化曲線。

所述步驟五包括，

將第二平均譜圖p(t)和數位訊號s(t)分別減去第一平均譜圖i(t)得到差譜信號y(t)和x(t)；

對差譜信號x(t)進行標準化得到x(t)，求取模式離子的遷移時間dtm，並且求取y(t)對x(t)的互相關rxy(t)；

根據樣品中遷移率最小的離子及模式離子遷移時間dtm對rxy(t)進行裁切，得到樣品的重建的離子遷移譜。

對差譜信號x(t)進行標準化的方法為，x(t)＝(x(t)-min(x))/(max(x)-min(x))。

求取y(t)對x(t)的互相關rxy(t)的方法為：

所述步驟一中，將待分析樣品置於正離子模式、負離子模式下或二者自動切換的雙模式下進行電離，使其離子化，其離子化的方式包括電噴霧電離、大氣壓化學電離、大氣壓光電離、放射源電離或實時直接分析電離，離子化連續不間斷進行。

本發明的有益效果：

1.控制靈活。本發明提供的方法可採用不同的控制序列對離子門進行調製，且可以採用不同的佔空比。

2.靈敏度高。本發明提供的方法可將離子的利用率提高到50％～95％，較傳統方法靈敏度提高3～10倍，與傳統的多路復用技術相比，靈敏度可提高1-2倍。與質譜儀聯用時，靈敏度提高更為顯著。

3.解析度高。本發明提供的方法與常規方法相比可以大幅提高解析度，進而提高化合物識別及定量的效果。

4.簡單。本發明提供的方法可以不經改造即可應用到已有的離子遷移譜儀，離子遷移譜-質譜聯用儀、氣相色譜-離子遷移譜聯用儀、液相色譜-離子遷移譜聯用儀上，並大幅提高其性能。

附圖說明

圖1為本實施例離子遷移譜儀示意圖；

圖2為本發明離子遷移譜圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

一種提高離子遷移譜儀解析度及靈敏度的方法，具體步驟如下：

(1)對樣品進行離子化；所述離子化的方式包括電噴霧、大氣壓化學電離、大氣壓光電離、放射源電離或實時直接分析電離源，離子化連續不間斷進行。根據分析的樣品，電離可在正離子模式下或負離子模式下進行。

(2)對連續的離子流進行頻率調製，頻率調製可以採用升頻或降頻的方法，根據所需要的信噪比及採樣速率，調製周期可在50ms到10s之間選擇，離子遷移譜相應的獲取頻率為20～0.1hz，可以與hplc或gc的數據採集速度相適應。調製的最高頻率為10khz，最低頻率為0hz。離子門控制序列d/a及檢測器輸出a/d轉換的時間增量相同，為v之間進行優選。

(3)獲取離子門脈衝幹擾信號，其實現方法是在關閉遷移電壓的情況下將離子門調製信號連續送入離子門並同時採集檢測器信號，重複10～100次，求取檢測器原始輸出的第一平均譜圖i(t)。

(4)獲取離子門工作特性曲線，其實現方法是在在離子化區域引入高濃度單一成分，或者直接利用背景離子或溶劑離子等作為模式離子。將離子門與檢測器之間的距離設為5mm，將離子門調製信號連續送入離子門並同時採集檢測器輸出的模式離子信號，重複10～100次，求取檢測器原始輸出的第二平均譜圖p(t)。

(5)將調製後的離子流在遷移電場作用下引入到遷移裝置中進行離子分離，所述遷移裝置中通在固定壓力、固定流速的逆向運行的中性氣體，所述中性氣體為氮氣、空氣、氦氣或二氧化碳。

(6)將步驟(3)處理後的包括了離子遷移速率信息的連續離子流經法拉弟盤檢測器檢測，放大後經ad轉換為數位訊號s(t)，或者經過接口導入質譜儀，記錄各不同質荷比的離子強度隨時間的變化曲線。

(7)對s(t)進行標準化，即x(t)＝(s(t)-min(s))/(max(s)-min(s))，並求取模式離子的遷移時間dtm。

(8)求取y(t)對x(t)的互相關rxy(t)，即：

並根據樣品中遷移率最小的離子及模式離子遷移時間dtm對rxy(t)進行裁切，得到樣品的離子遷移譜。

(10)可將以上多路復用的離子遷移譜作為氣相色譜或液相色譜的檢測器，從而對複雜體系進行二維分離，並同時得到保留時間、離子的遷移時間及強度等定性和定量信息。

(11)可將以上多路復用的離子遷移譜連接不同類型的質譜檢測器，並連接氣相色譜或液相色譜，從而對複雜體系進行三維分離，並同時得到保留時間、離子的遷移時間、質荷比及強度等定性和定量信息。

在對樣品進行離子化處理之前：對複雜的樣品，利用毛細管電色譜、氣相色譜、液相色譜或毛細管電泳手段對樣品進行預分離，或者經過稀釋、富集、純化、除雜預處理後直接用注射泵導入到離子源中。

所述步驟(2)中調製通過以下裝置實現：b-n離子門、tyndall離子門或其它離子柵格。

如圖1所示，採用所述一種提高離子遷移譜儀解析度及靈敏度的方法的裝置：順次包括離子源1、離子門2、遷移管4、檢測器7，離子門2與離子門控制器3，調製方法使離子流的佔空比達到50％，頻率調製的方式可採用頻率升高或頻率降低，或者二者的組合。遷移管4上設有遷移氣入口5，並且遷移管6與高壓電源6連接。

還包括與離子源1連接的氣相色譜儀、液相色譜儀、毛細管電泳儀、離子色譜儀或超臨界流體色譜儀，或通過大氣壓接口與離子遷移譜相聯用的質譜儀。

色譜-離子遷移譜及離子遷移譜-質譜聯用儀在分析或檢測蛋白質組學、代謝組學、脂類組學、食品安全、天然產物和環境汙染物中的應用以及毒品、爆炸物、化學戰試劑、突發環境事故等檢測中的應用。

本實施例中所使用的離子遷移譜儀的結構如圖1所示，離子遷移譜工作在大氣壓下，離子源為電噴霧離子源，離子遷移譜的溫度為50℃，遷移氣體為空氣，流速為900ml.min-1,遷稱管的總長度為31釐米，由一個b-n型離子門隔開為兩個區域，前端為離子化區，長度為7.8釐米，後端為遷移區，長度為23.2釐米。遷移區後接一飛行時間質譜儀。

本發明可大幅提高離子遷移譜系統的性能，如傳統的離子遷移譜儀在50ms的離子遷移譜圖中，為達到良好的分離效果，離子門的開啟時間為0.25ms，若採用方波chirp進行離子門調製，佔空比為50％，則離子的利用效率為：

0.25/50＝0.5％，

離子利用效率從0.5％提高到50％，到達質譜儀檢測器的離子數量提高了100倍。從離子的利用效率及提高的倍數可以看到本發明對離子遷移譜儀所起的作用以及其顯著的優越性。

按照50ms的周期提取溴化四正癸基銨t10a的離子遷移譜圖，由圖2可以看出，本發明離子遷移譜圖的解析度高，比傳統離子遷移譜圖信噪比也提高了很多。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。