离子阱低质量数截止值串级质谱分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于质量分析技术领域，具体涉及一种在离子阱质量分析器中进行的低质 量数截止值串级质谱分析的方法，通过线性扫描射频工作电压频率实现离子串级质谱分析 过程中产生的低质量数碎片离子的分析方法和技术。
【背景技术】
[0002] 质谱仪作为一种可以进行快速、高灵敏化学成分分析的科学分析仪器，其应用领 域越来越广泛，已是现代科学研究最广泛的分析技术之一，已应用于生命科学、食品安全、 环境检测、国防、制药、化工等领域，其作用越来越重要。众所周知，质谱仪一个重要的特征 是串级质谱分析功能，可以通过串级质谱分析对化合物的的结构进行表征和分析。串级质 谱的分析过程具体为：第一阶段为离子隔离，对于待分析的样品中的离子，选定某一特定质 荷比（m/z)的离子将其选择隔离，被选择隔离的离子称为母离子（parent ion);第二阶段为 碰撞诱导解离（Collision Induced Dissociation，简称CID)，母离子与中性的气体分子例 如氦气、氩气、氮气等发生碰撞，碰撞过程中产生的能量沉积到母离子上，导致母离子自身 内能增加，最终母离子发生解离，得到碎片子离子；第三阶段，碎片离子进行质量分析，得到 碎片离子的质谱峰，MS/MS分析完成。如碎片离子中选定某一特定质荷比的离子隔离，将其 作为母离子，继续上述过程，如此往复下去，可以实现多级质谱分析。碰撞诱导解离技术是 使用最广泛、研究最透彻的解离技术。
[0003] 在目前使用的众多种类质谱仪中，四极质谱仪是最常用最适合实现碰撞诱导解离 的一种质谱仪。四极质谱仪主要包含四极杆质谱仪和四极离子阱质谱仪，其中，四极杆质谱 仪核心关键部件为四极杆质量分析器，又叫四极滤质器，仅能让某一特定质量数的离子通 过，故在四极杆中进行串级质谱分析时，需要在空间上将多个四极杆质量分析器串联，一般 采用三段四极杆质量分析器的组合，即三重四极杆。一组四极杆质量分析器对离子进行选 择，中间一组四极杆质量分析器对已选择的离子进行碰撞诱导解离，得到碎片离子，最后一 组四极杆质量分析器对已碰撞诱导解离后的碎片离子进行质量分析，最终得到质谱图。三 重四极杆质谱仪一般具有较大的体积。而四极离子讲质谱仪（Quadrupole Ion Trap,简 称QIT)可以在一个离子阱质量分析器中实现离子的隔离、解离、质量分析等步骤，是目前唯 一一个可以在单质量分析器重实现串级质谱分析的四极质量分析器，在串级质谱方面具有 独特的优势。
[0004] 离子阱质谱分析中的低质量截止值（Low Mass Cutoff, LMC0)是指用离子阱质谱 进行串级质谱分析时，经碰撞解离（Collision-induced Dissociation, CID)方法产生的 碎片离子中，一些质荷比较小的离子往往测量不到。如在现有的很多商业离子阱质谱仪中， 质荷比低于母体离子质荷比约三分之一的碎片离子将无法被检测到，它常常也被称为三分 之一定则。很显然，由于低质量截止值的限制，将会导致串级质谱分析中约三分之一质量范 围的碎片信息的丢失。在某些时候，低质量数离子信号的丢失将会直接影响分析小分子的 结构，和一些多肽的定量分析结果。
[0005] 下面首先讨论低质量截止值，即LMCO的产生原因，再给出解决方法。
[0006] 根据马修方程，对于任何存储于离子阱中的离子，其稳定与否，取决于以下：
上式中，1为离子阱的工作参数，V为离子阱工作电压，Ω =2 Jif为离子阱工作电压的 角频率，f是工作电压的频率，m为离子质量，e为离子所带电荷，r。为离子阱的场半径。
[0007] 变化（1)有：
对于一般正弦波射频离子阱而言，稳定离子的qz范围为0~0. 908。由（2)可以看出， 对于任何一个离子阱质量分析器来说，当其工作条件一定时，即离子阱的r。，工作电压V， 和电压频率一定，它都有一个与qZ=〇~〇. 908对应的离子质量存储范围，最小离子质荷比
[0008] 通常，一个离子阱的工作电压的频率f是一定的，且在离子阱对某一母体离子作 串级质谱分析时，其工作电压V和qz值也是一定的，因此，可由（2)式计算出此时母体离子 质荷比m p/e所对应的qp为：
由于在CID过程中，离子阱的工作条件是不变的，即ν，Ω，Γ。都不变，所以产生的每一 种碎片离子!!^所对应的q 4为：
所以有：
LMCO定义为离子阱在CID过程中所能测量到的最小离子与母体离子的质量比值。 [0009] 前面已述的，只有当一个离子的q小于0.908时，它才可以稳定地被存储在离子阱 中，即离子阱中可以存在并被测量到的最小离子叫为(此时q d=0. 908):
) 由此可以看出，离子阱中可以存储的最小碎片离子的大小完全取决于进行母体离子 CID时所选择的qp值。
[0010] 理论上讲，为了能够测量尽可能小的碎片离子，克服LMCO对离子测量的不利影 响，CID过程中所选择的％值应越小越好。但另一方面，对于一个射频离子阱来说，它的qp 值是由离子阱的工作电压所决定的，如果工作电压太低，不仅会影响离子阱的离子束缚和 存储能力，还会影响离子阱的串级质谱分析效率。因此，离子阱工作时的q p值必须选择一 个合适的范围，例如，Thermo Finnigen LTQ离子讲质谱的qp值就设定为0.25,它所对应的 LMCO 为 0· 275〇
[0011] 其实，三重四极杆的CID之所以可获得较宽的子离子谱的质量范围，不仅仅因为 三重四极的碰撞室没有所谓1/3LMC0的限制，还因为在三重四极的碰撞室中，可以发生多 级碰撞裂解，即一部分子离子还会继续与碰撞气体碰撞，产生第二代离子；第二代离子如果 仍具有一定动能，还会继续与碰撞气体碰撞，产生第三代离子…。这个多级产物链使得三重 四极杆的MSMS谱图具有较宽的质量范围，从而带来丰富的碎片信息。
[0012] 而在离子阱进行传统的固定电压、频率CID时，只对一种母离子进行激发，不太可 能产生多级CID产物。但如果在进行CID时，向下扫描射频电压，可以对质量数较小的子 离子进一步激发，产生质量更小的第二代，第三代等碎片离子，并以此继续下去。虽然每一 代的质量仅仅比上一代减小比例LMC0,最终获得的产物离子可以比原来的母离子质量减小 LMC0n，η为最终裂解辈数，即有效增加了 MSMS谱图的质量范围。
[0013] 但是，在每一代母离子被激发后迅速减小捕获电压，对该母离子来说，捕获势阱深 度将会迅速变小。没有被裂解的母离子也将逃离势阱而消失。所以，传统的离子阱中，即使 采用扫描CID，也不易得到宽范围的MSMS谱图。
[0014] 数字离子阱采用全新的电压驱动方法实现离子的存储，解离，和质量分析[2°24]。在 数字离子阱的实验过程中，离子阱的工作电压是固定的，离子的质量分析是通过扫描数码 电源的周期来实现的。它的原理如下： 根据（2)式可得：
即，在实验过程中若保持V，和1值一定，可以通过改变工作电压的周期T实现离子的 质量分析。
[0015] 在本工作的实验过程中，我们固定离子阱数码工作电源的电压和频率，实现离子 的存储，母离子质量选择。但在离子CID过程中，不断降低工作电源的周期Τ，不仅对产物 离子进一步进行激发，而且持续降低待测产物离子的q值，使其不致于超出边界值（数字离 子阱中边界值q=〇. 712)。由于采用的是频率扫描，其电压幅值不下降，每一代未裂解的母 离子也不至于逃离势阱，与各代碎片离子共存于离子阱中，最终得到宽质量范围的MSMS谱 图。此外，由于电源频率是由计算机控制的，实验过程中无需改变任何装置。所有步骤通过 计算机软件实现。
[0016] 在非专利文献1、非专利文献2都介绍了一种实现离子阱低质量数截止的方法，非 专利文献1主要通过优化qz值的方法来实现较低质量数碎片离子的检测；非专利文献2主 要采用脉冲q值解离的方法，即在较高工作电压下(对应于较大的q值）进行CID的偶极激 发过程，当激发过程完成后，快速降低离子阱工作电压，也即降低q值，这时可以测量到较 低质荷比的碎片离子，实现对离子阱串级