一种静电场轨道阱质量分辨率评估方法和装置

本发明涉及质谱分析，尤其涉及一种静电场轨道阱质量分辨率评估方法和装置。

背景技术：

1、静电场轨道阱（orbitrap）作为一种高性能的质谱分析器，其核心物理原理是利用精心设计的纺锤形内电极和外电极，在内部空间形成一个理想的对数谐振电势场。带电离子被注入该电场后，在环绕内电极做圆周运动的同时，会在轴向（z轴）方向做完全独立于径向位置的简谐振动。由于该轴向振动频率仅与离子的质荷比（m/z）的平方根成反比，因此通过检测外电极上由离子运动产生的镜像电流信号并进行傅里叶变换，即可获得高精度的质谱图。然而，在实际的工业制造与装配过程中，理想的无限长对数谐振电场是无法实现的。实际仪器不可避免地存在以下结构缺陷：电极在轴向必须截断，破坏了无限长边界条件；为了采集镜像电流信号，外电极必须沿中央对称劈裂，引入了物理间隙；以及为了引入外部离子束，必须在外电极上开设非对称的狭缝或小孔。

2、这些结构缺陷和加工误差会导致实际电场中叠加了非理想的高阶谐振失真项（如三阶非对称项、四阶对称项等）。这些失真项的存在使得离子的轴向振动频率不再是常数，而是与离子的运动振幅、能量和空间位置相关。多离子在运行过程中会逐渐“失相（dephasing）”，导致镜像电流信号衰减加快，最终使质谱仪的极限质量分辨率显著下降。

3、目前，在质谱仪的结构优化迭代设计中，评估上述结构缺陷对分辨率的影响主要依赖全粒子轨迹追踪法（full particle tracing）。该方法通过高阶龙格-库塔算法（如rk4、rk5）强行计算数万个离子在几十万甚至数百万个振动周期内的动态运动轨迹，然后模拟镜像电流采集并执行快速傅里叶变换（fft）来提取分辨率。这种传统方法模拟信号若要达到实际仪器的秒级分辨级别，需要追踪超长时间的轨迹，单个结构方案的仿真往往耗时数天甚至数周，严重延长了研发周期。长时间的大规模数值积分容易累积舍入误差，导致微观的频率漂移被数值噪声掩盖。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种静电场轨道阱质量分辨率评估方法和装置，用以解决现有静电场轨道阱质量分辨率评估方法因依赖长时全粒子轨迹追踪而导致计算耗时极长、数值累积误差大且无法定位具体结构畸变来源的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种静电场轨道阱质量分辨率评估方法，包括：

3、构建静电场轨道阱的三维空间几何模型，确定三维空间几何模型网格节点的离散电势数据集合；根据离散电势数据集合，确定非完美谐振势场的三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数；

4、在仿真环境中释放标定离子，获取所述标定离子的基准轴向振动频率，并确定标定离子运动包络的振幅边界；

5、在所述振幅边界所限定的相空间范围内，获取多个模拟离子的初始状态，结合三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数，根据预设的解析频率偏移模型，计算各模拟离子的修正频率，得到频率序列；并根据所述频率序列的中心频率和半高宽，确定质量分辨率。

6、在一种可能的实现方式中，所述构建静电场轨道阱的三维空间几何模型，确定真空飞行动力学区域内所有网格节点的离散电势数据集合，包括：

7、对静电场轨道阱进行硬件参数限定，其中所述硬件参数包括内电极最大半径、外电极最大半径、外电极轴向截断截面坐标、中央劈裂槽间隙宽度，以及离子入射孔的空间三维包络尺寸；

8、根据所述硬件参数，采用有限元分析模型构建对应的三维空间几何模型；所述三维空间几何模型包括内电极、外电极和内部真空飞行动力学区域；

9、采用非均匀网格划分策略对所述内部真空飞行动力学区域进行离散化网格剖分，其中在靠近中央劈裂槽、离子入射孔以及内电极表面的高电场梯度区域进行网格加密；

10、在所述三维空间几何模型上配置边界条件，求解拉普拉斯方程，得到真空飞行动力学区域内所有网格节点的离散电势数据集合。

11、在一种可能的实现方式中，所述根据离散电势数据集合，确定非完美谐振势场的三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数，包括：

12、将所述离散电势数据集合由直角坐标系转换至柱坐标系下，并基于柱坐标系下的离散电势数据集合，提取特征采样线上的电势分布值；

13、根据高阶回归拟合算法，确定非完美谐振势场的三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数。

14、在一种可能的实现方式中，所述获取所述标定离子的基准轴向振动频率，并确定标定离子运动包络的振幅边界，包括：

15、在仿真环境中设定单一标定离子的初始物理参数，所述初始物理参数包括质荷比、入射动能、注入位置及注入角度；

16、获取标定离子在运行预设短周期后的轴向运动时序数据；

17、基于所述轴向运动时序数据，采用频谱分析获取所述标定离子的中心轴向振动频率；

18、对轴向运动时序数据进行空间三维极值检索，确定所述标定离子的轴向运动包络边界及径向运动包络边界，并确定轴向运动振幅分布上限和径向运动振幅分布上限。

19、在一种可能的实现方式中，所述得到频率序列，包括：

20、在所述振幅边界所限定的相空间范围内，采用多维随机变量生成算子，抽样生成多个独立模拟离子的初始振幅状态；

21、构建解析频率转换矩阵，根据轴向振幅、径向等效位置、三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数，采用预设解析频率偏移模型，计算各模拟离子的修正频率，得到频率序列。

22、在一种可能的实现方式中，所述解析频率偏移模型通过如下公式表示：

23、

24、其中，表示解析修正频率、表示中心轴向运动频率、为轴向尺度标尺、表示轴向振幅、表示径向等效位置、表示三阶非对称特征失真系数，以及表示四阶对称特征失真系数。

25、在一种可能的实现方式中，所述根据所述频率序列的中心频率和半高宽，确定质量分辨率，包括：

26、对多个频率序列进行核密度估计，建立多粒子运动频率的概率密度分布曲线；

27、根据所述概率密度分布曲线，确定频率序列的中心频率和半高宽。

28、第二方面，本发明还提供一种静电场轨道阱质量分辨率评估装置，包括：

29、系数确定模块，用于构建静电场轨道阱的三维空间几何模型，确定三维空间几何模型网格节点的离散电势数据集合；根据离散电势数据集合，确定非完美谐振势场的三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数；

30、边界确定模块，用于在仿真环境中释放标定离子，获取所述标定离子的基准轴向振动频率，并确定标定离子运动包络的振幅边界；

31、质量分辨率确定模块，用于在所述振幅边界所限定的相空间范围内，获取多个模拟离子的初始状态，结合三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数，根据预设的解析频率偏移模型，计算各模拟离子的修正频率，得到频率序列；并根据所述频率序列的中心频率和半高宽，确定质量分辨率。

32、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；

33、所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

34、所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的静电场轨道阱质量分辨率评估方法中的步骤。

35、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的静电场轨道阱质量分辨率评估方法中的步骤。

36、本发明的有益效果是：通过对静电场轨道阱进行精细三维建模与非均匀自适应网格剖分，能够完整捕获因电极轴向截断、劈裂槽及入射孔等结构缺陷引起的局部电场畸变细节，并确定非完美谐振势场的三阶非对称特征失真系数和四阶对称特征失真系数，实现了电场畸变来源的定量化解耦，随后在仿真环境中释放标定离子，获取所述标定离子的基准轴向振动频率，并确定标定离子运动包络的振幅边界，结合基于微扰理论构建的解析频率映射公式进行并行计算，可在毫秒级时间内完成数十万至百万量级离子的频率统计，规避了传统方法对每个离子逐一进行长时轨迹积分的繁重计算负担，将评估周期从数天至数周缩短至1～3分钟，实现了工程效率的跨代级提升；最后基于曲线的中心频率和半高全宽计算分辨率r，方法直接反映了真实离子束在非完美电场中的失相展宽程度，其评估结果与实测质谱分辨率具有高度一致性，为硬件设计方案的可行性判定提供了可靠依据，有效避免了盲目进行实机制造和测试所带来的资源浪费。