一种离子阱质谱仪的高分辨离子隔离方法及系统

本技术涉及质谱分析领域，尤其涉及一种离子阱质谱仪的高分辨离子隔离方法及系统。

背景技术：

1、质谱分析法是根据不同质荷比（m/z）的离子在电场或磁场中运动状态的不同对物质进行分离检测的一类方法，具有灵敏度高和响应速度快等特点。离子阱质谱仪因具备串联质谱（msn）分析能力，在食品药品分析、环境监测、代谢物鉴定、生物大分子分析等领域应用广泛。

2、离子隔离技术是离子阱串联质谱分析的关键技术之一。通过将特定质荷比的母离子隔离在离子阱中、激发并排除其他离子，可以降低空间电荷效应、提高谱图分辨率和信噪比，并为后续的碰撞诱导解离（cid）提供纯净的前体离子。

3、目前最广泛使用的离子隔离技术是存储波形逆傅里叶变换（stored waveforminverse fourier transform，swift）技术。swift技术从频域出发设计矩形宽带幅度谱，在特定频率范围设置陷波带以保留目标离子，对陷波带外的频率分量赋予较大的幅度以激发非目标离子，再通过逆傅里叶变换得到时域隔离波形，施加于离子阱端盖电极或径向电极上，实现特定质荷比离子的选择保留。

4、然而，当目标离子与干扰离子的质荷比差异极小（如小于1 th）时，swift技术面临显著挑战。离子在离子阱中的久期频率（secular frequency）与质荷比相关，但邻近质荷比离子的运动频率非常接近。在空间电荷效应存在时，离子运动频率会发生偏移且激发频率带宽展宽，使得相邻离子的激发频率带发生重叠。单纯通过缩小swift陷波带宽度或增大陷波带边缘频率分量的幅度，都会导致目标离子被误激发而造成强度损失。

5、为此，研究者提出了多种改进方案。swiftsin方法（参见中国专利申请cn202211120157）通过在swift波形上叠加特定频率的正弦波形来实现精细激发，可达到单位质量数（1 th）级别的隔离分辨率。但该方法依赖于正弦波在频率域的选择性激发，对于质量差小于0.5th的离子仍难以实现有效分离。

6、同量异位素（isobaric）物质的分离是质谱分析中的一个长期挑战。质荷比差异仅为0.11th的离子对（例如某些药物的同位素峰与相邻代谢物峰）在常规质谱条件下几乎无法分辨，严重影响了复杂体系中的准确定性和定量分析。

7、现有技术存在如下问题：

8、swift方法隔离分辨率有限：受限于离子阱中邻近质荷比离子久期频率间隔小、空间电荷效应引起的频率偏移和带宽展宽，传统swift方法通常仅能达到1.0th的隔离分辨率，无法分离质量差小于0.5th的离子。

9、简单提高分辨率的方法会导致目标离子损失：压缩陷波带宽度或增强边缘频率分量会使目标离子的运动频率因空间电荷效应或加工误差产生偏移时，目标离子被落入激发带内而遭受损失。

10、对同量异位素干扰缺乏有效分离手段：现有技术在面对质量差0.1th的同量异位素物质时，缺乏有效的单级隔离分离手段，通常需要借助高分辨质量分析器（如ft-icr、orbitrap）才能在一级质谱上进行区分，成本高昂且依旧无法获得纯净的二级谱图。

技术实现思路

1、本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为解决现有离子隔离方法分辨率不足、无法分离质量间隔0.1th的同量异位素物质的技术问题，本技术提供一种基于幅值扫描ac的离子阱质谱仪高分辨离子隔离方法，通过将辅助交流（ac）信号的幅值从低到高进行连续扫描，利用不同质荷比离子在不同ac幅值条件下具有不同共振激发效率的特性，使干扰离子被逐出而目标离子得以保留，从而实现质量间隔0.1th量级的高分辨隔离。

3、本技术另一方面提出一种离子阱质谱仪的高分辨离子隔离系统。

4、为达上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种离子阱质谱仪的高分辨离子隔离方法，包括：

5、根据目标离子和干扰离子的质荷比，确定辅助交流信号的频率；

6、设定所述辅助交流信号的幅值扫描范围；

7、向离子阱电极施加所述频率固定且幅值在所述幅值扫描范围内连续或步进变化的辅助交流信号，在幅值扫描过程中，干扰离子被逐出离子阱，目标离子被保留在离子阱内。

8、在本技术的一个实施例中，所述根据目标离子和干扰离子的质荷比，确定辅助交流信号的频率包括：

9、根据目标离子和干扰离子的质荷比以及离子阱的工作条件，计算目标离子和干扰离子在离子阱中的久期频率，并将辅助交流信号的固定频率设定为目标离子的久期频率加上一个增量或减去一个减量，使得该固定频率更靠近干扰离子的久期频率。

10、在本技术的一个实施例中，根据目标离子和干扰离子的质荷比，确定辅助交流信号的频率，使得在幅值扫描过程中干扰离子先于目标离子达到共振激发条件；所述离子阱的工作条件包括射频频率、阱结构参数、缓冲气体种类和压力。

11、在本技术的一个实施例中，设定辅助交流信号的幅值扫描范围，使该范围覆盖干扰离子的共振激发阈值且低于目标离子的共振激发阈值；所述设定辅助交流信号的幅值扫描范围包括：设定起始幅值为0v，并通过扫描一张出射谱图来确定终止幅值，该终止幅值使得干扰离子被逐出的效率大于95%且目标离子不被逐出。

12、在本技术的一个实施例中，所述设定辅助交流信号的幅值扫描范围还包括：设定扫描速率，使扫描速率随目标离子与干扰离子质荷比差值的减小而相应降低，以确保各离子在共振幅值条件下获得足够的作用时间，从而实现选择性激发。

13、在本技术的一个实施例中，所述向离子阱电极施加所述频率固定且幅值在所述扫描范围内连续或步进变化的辅助交流信号包括：

14、将辅助交流信号经变压器耦合加载至离子阱的电极上。

15、在本技术的一个实施例中，所述幅值在所述扫描范围内连续或步进变化包括：

16、采用线性连续扫描、指数递增扫描或分段恒定幅值步进扫描中的一种方式，其中分段恒定幅值步进扫描的每段持续时间和幅值增量根据目标离子与不同距离干扰离子的质量间隔分别优化。

17、在本技术的一个实施例中，所述辅助交流信号同时包含2个频率分量，2个频率分量分别对应分布在目标离子两侧的不同干扰离子，且各频率分量的幅值扫描范围和扫描速率根据各自对应的干扰离子的质荷比独立设定。

18、在本技术的一个实施例中，在施加所述辅助交流信号之前，还包括：先采用存储波形逆傅里叶变换波形进行宽陷波带粗隔离，以排除远离目标离子的干扰离子，其中宽陷波带的宽度为1至5th；

19、所述辅助交流信号施加于三维离子阱的端盖电极上以实现轴向激发，或同时施加于线性离子阱多个方向的电极上以增强激发效率。

20、进一步地，为实现上述实施例，本技术提出一种离子阱质谱仪的高分辨离子隔离系统，包括：

21、频率确定模块，用于根据目标离子和干扰离子的质荷比，确定辅助交流信号的频率；

22、扫描范围设定模块，用于设定所述辅助交流信号的幅值扫描范围；

23、离子分离模块，用于向离子阱电极施加所述频率固定且幅值在所述幅值扫描范围内连续或步进变化的辅助交流信号，在幅值扫描过程中，干扰离子被逐出离子阱，目标离子被保留在离子阱内。

24、本技术实施例的方法和系统，能够实现质量间隔仅0.1th的同量异位素物质的高分辨隔离，突破了传统方法在频率域的分辨率极限，显著提升了离子阱质谱仪的隔离精度和复杂样品分析能力。

25、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。