一种基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统及方法与流程

本发明涉及质谱仪，尤其涉及一种基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统及方法。

背景技术：

1、质谱仪是一种通过测量离子质荷比实现物质定性与定量分析的分析仪器，广泛应用于化学、生物、医学及环境监测等领域。质谱仪通常由离子源、质量分析器、离子检测器和真空系统组成。其中，真空系统用于为离子提供足够的平均自由程，以减少离子在飞行或运动过程中与背景气体分子发生碰撞而造成的信号损失或质量分辨下降。为了兼顾不同功能模块对真空度的差异化需求，串联质谱仪常采用多级真空腔体结构，通过各级之间的连通孔和独立泵组实现差分抽气，使离子源区域、离子导引区域、质量分析区域依次形成阶梯式下降的气压分布。

2、现有技术中公开了一种用于低真空系统离子产生、传输与质谱联用的装置，该装置采用四级真空差分结构，在不同功能腔室之间建立压差，使各腔室维持在各自所需的工作气压。该装置包括真空泵组和各级腔体之间的连通孔，通过泵组的抽气作用和连通孔的流导限制来实现气压梯度。其中，离子阱或碰撞反应池所在腔体通过从上游腔体泄漏的微量气体或脉冲式气体注入来引入缓冲气体，用于对进入的离子进行碰撞冷却。该方案中，各腔体的气压在仪器初始化或运行过程中被设定为固定值，真空系统按照预设参数维持腔体压力基本恒定。

3、碰撞反应池或离子阱中所需的缓冲气体不仅用于冷却离子动能，还直接影响离子的囚禁效率、空间分布体积以及空间电荷效应的强弱。这些离子囚禁状态参数不仅取决于腔体气压，还与进入离子阱的离子种类、质量范围、离子束密度以及实时进样量有关。固定气压的控制方式无法感知离子在阱内的实际运动状态和分布情况，因此不能在离子种类或进样条件发生变化时主动调节气压以维持最佳的离子囚禁效果。例如，在高浓度样品分析时，离子云密度增大导致空间电荷效应增强，此时仅靠恒定的缓冲气体压力已不足以有效压缩离子云体积，会引起质谱峰质量偏移和分辨率下降，限制仪器动态范围。又例如，对于不同质荷比的离子，其碰撞冷却截面存在差异，固定气压对不同质量离子的冷却效果不均匀，导致质量歧视效应。此外，若仅通过气压传感器反馈进行恒压控制，则实质上是以维持腔体气压稳定为目标，并未解决离子在阱内实际冷却状态随分析条件变化的问题，因而难以在各种样品基质和分析条件下均获得最优的分析灵敏度和分辨能力。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，该系统通过在碰撞反应池/离子阱区域主动维持一个最佳阻尼气压窗口，并根据离子的实际囚禁状态实时自适应调节气压，从而在有限体积的腔体中实现离子碰撞冷却与离子传输效率的最优平衡，显著提高痕量/超痕量质谱分析的灵敏度和动态范围。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，本发明的实施例提供了一种基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，包括依次连通的第一级真空腔、第二级真空腔、第三级真空腔和动态补气单元；所述第二级真空腔内部设置有碰撞反应池，所述碰撞反应池内设有多极杆或线性离子阱；所述动态补气单元与所述第二级真空腔连接，所述动态补气单元向所述第二级真空腔通入缓冲气体，使该腔体内的工作气压维持在5×10-³ torr-5×10-² torr的目标阻尼气压窗口内。

4、第二方面，本发明的实施例还提供了一种所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统的质谱分析方法，包括以下步骤：

5、启动真空泵组对各级真空腔进行抽真空，使第一级真空腔达到1×10-4torr-5×10-4torr的工作气压，第三级真空腔达到1×10-6torr-5×10-5torr的工作气压；

6、通过动态补气单元向第二级真空腔通入缓冲气体，使第二级真空腔的工作气压达到目标阻尼气压窗口，所述目标阻尼气压窗口为5×10-³ torr-5×10-² torr；

7、通过离子囚禁状态监测单元实时获取离子囚禁状态信号；

8、自适应控制单元根据所述离子囚禁状态信号判断当前工作气压是否处于最佳阻尼点；

9、若当前工作气压偏离所述最佳阻尼点，所述自适应控制单元调节所述动态补气单元的补气参数，使所述第二级真空腔的工作气压回归至所述最佳阻尼点；

10、在所述最佳阻尼点下进行离子碰撞冷却、离子囚禁和质谱分析。

11、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

12、离子囚禁腔体系统通过在第二级真空腔设置动态补气单元，将碰撞反应池或线性离子阱所处的工作气压主动维持在5×10-³ torr-5×10-² torr的目标阻尼气压窗口内，从而在离子囚禁区域建立了有利于碰撞冷却的中等气压环境。该气压范围高于传统高真空条件约两个数量级，使得离子与缓冲气体分子的碰撞频率大幅增加，离子能够被快速冷却并有效聚焦在阱的中心区域，解决了传统技术中因缓冲气体供给不足导致的离子囚禁效率低、离子云空间分布发散的问题。同时，该气压窗口的上限也经过合理设定，避免了气压过高引起的过度碰撞和离子散射损失。通过主动补气而非依赖泄漏气体的方式，系统能够独立控制第二级真空腔的气压而不受上游腔体气压波动的干扰。因此，本发明解决了现有质谱仪真空系统中因无法根据离子实际囚禁状态实时调节工作气压，导致离子囚禁效率不理想和动态范围受限的问题，提升了质谱分析的综合性能。

13、本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，包括依次连通的第一级真空腔、第二级真空腔、第三级真空腔和动态补气单元；

2.如权利要求1所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述系统还包括分别与各真空腔连接的真空泵组，以及分别与各真空腔连接的气压感知单元。

3.如权利要求2所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述系统还包括离子囚禁状态监测单元和自适应控制单元，所述自适应控制单元分别与所述离子囚禁状态监测单元和所述动态补气单元连接；所述自适应控制单元接收来自所述离子囚禁状态监测单元的离子囚禁状态信号，并根据所述离子囚禁状态信号调节所述动态补气单元的补气参数，使所述第二级真空腔的工作气压维持于所述目标阻尼气压窗口内的最佳阻尼点。

4.如权利要求3所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述离子囚禁状态监测单元监测以下参数中的至少一种：离子云径向空间分布半高宽、离子振荡阻尼衰减时间常数、离子云密度空间电荷效应指标、离子囚禁势阱深度；所述自适应控制单元根据所述离子囚禁状态信号与预设目标值的偏差，通过pid控制算法或模糊控制算法调节所述动态补气单元的补气流速。

5.如权利要求1所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述第一级真空腔的工作气压为1×10-4torr-5×10-4torr，所述第三级真空腔的工作气压为1×10-6torr-5×10-5torr；所述第二级真空腔的最佳阻尼点为1×10-² torr-2×10-²torr。

6.如权利要求1所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述第一级真空腔内设置有大气压离子源，所述大气压离子源为esi源、apci源或icp源中的一种或多种。

7.如权利要求2所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述动态补气单元包括质量流量控制器和脉冲电磁阀，所述气压感知单元为电容薄膜真空规。

8.如权利要求3所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，各级真空腔之间通过连通孔连接，所述连通孔的孔径为0.5mm-3mm，且至少一个连通孔设有电控孔径调节机构；所述自适应控制单元还通过控制所述电控孔径调节机构协同调节所述连通孔的有效孔径和所述真空泵组的抽速。

9.如权利要求1所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统，其特征在于，所述碰撞反应池内部设置有所述线性离子阱；所述多极杆为四极杆、六极杆或八极杆；所述动态补气单元通入的缓冲气体为氦气、氮气或氩气中的一种或多种的混合。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的基于阻尼气压自适应调控的离子囚禁腔体系统的质谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：