一种三重四极质谱仪参数优化方法及装置与流程

1.本技术涉及质谱仪技术领域，尤其涉及一种三重四极质谱仪参数优化方法及装置。


背景技术：

2.质谱仪是一种将样品进行电离，在真空中利用稳定或变化的电磁场将离子按照质荷比进行分离从而实现定性或定量分析的仪器。质谱仪通常包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和数据采集系统等结构，其中，质量分析器是质谱仪的核心部分。三重四极质谱仪的质量分析器由三段四极杆串联而成，四极杆由四根平行放置的双曲面截面或圆柱截面的金属杆组成。若给每根杆上施加恒定的直流电压和变化的交流电压，四根杆中间将形成快速交变的电场，该电场将离子束缚在一个狭窄的空间内。在这个空间内，只有特定质荷比的离子才能通过四极杆达到检测器，从而实现离子的筛选功能。
3.在实际应用中，电学参数的设置和优化对检测效果起着关键性作用。四极杆电压参数的调节具有相互关联的影响，一个电压参数的改变可能会影响其他电极产生的电场。传统的对三重四极质谱仪电压参数的优化通常采用人为调整的方法，会耗费大量的时间，并且在仪器使用过程中，可能会由于环境的变化导致实际的电压发生漂移变化，需要重新对电压参数进行优化，降低工作效率。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种三重四极质谱仪参数优化方法及装置，以解决传统的人为对参数进行优化，工作效率低的问题。
5.一方面，本技术提供一种三重四极质谱仪参数优化方法，包括：
6.获取待优化参数和所述质谱仪的检测状态；
7.设置目标函数；
8.采用人工鱼群算法，根据所述目标函数和所述检测状态计算所述待优化参数的适应度；
9.根据所述适应度调整所述待优化参数，获取目标参数。
10.可选的，所述检测状态包括质谱图中谱峰的峰高和半峰宽。
11.可选的，所述目标函数为：
12.f＝10-5
h k/w；
13.其中，f代表所述目标函数，h为谱峰的峰高，w为谱峰的半峰宽，k为常数。
14.可选的，采用人工鱼群算法调整所述待优化参数，获取目标参数，包括：
15.步骤a：将所述待优化参数设置为人工鱼个体的状态，初始化公告板、各人工鱼个体的视野和步长，设置最大迭代次数；
16.步骤b：各人工鱼个体根据所述视野和步长获取预选状态；
17.步骤c：比较各人工鱼个体当前状态和所述预选状态，更新人工鱼个体的状态；
18.步骤d：比较各人工鱼个体更新后的状态和公告板记录的状态，若人工鱼个体更新后的状态优于公告板记录的状态，则更新公告板记录的状态；
19.步骤e：更新迭代次数；
20.步骤f：若迭代次数小于最大迭代次数，重复执行步骤b～步骤e，直至迭代次数达到最大迭代次数，将公告板记录的状态设置为目标参数。
21.可选的，所述预选状态，包括：觅食预选状态、聚群预选状态和追尾预选状态；
22.所述觅食预选状态为人工鱼个体执行觅食行为，在视野范围内，随机选择前进一个步长距离对应的状态；
23.所述聚群预选状态为人工鱼个体执行聚群行为，在视野范围内，向人工鱼群中心位置方向前进一个步长距离对应的状态；
24.所述追尾预选状态为人工鱼个体执行追尾行为，在视野范围内，向适应度最大的人工鱼个体方向前进一个步长距离对应的状态。
25.可选的，所述比较各人工鱼个体当前状态和所述预选状态，更新人工鱼个体的状态，包括：
26.计算各人工鱼个体当前状态、所述聚群预选状态以及所述追尾预选状态的适应度；
27.若所述聚群预选状态和/或所述追尾预选状态的适应度大于人工鱼个体当前状态的适应度，选取最大适应度对应的预选状态作为人工鱼个体的新状态；
28.若所述聚群预选状态和所述追尾预选状态的适应度均小于人工鱼个体当前状态的适应度，选取所述觅食预选状态作为人工鱼个体的新状态。
29.可选的，所述适应度为，根据所述待优化参数对应的检测状态计算出来的目标函数值。
30.可选的，还包括：根据质谱仪硬件电路所能达到的电压范围设置各待优化参数的边界值，所述待优化参数的调整不超过所述边界值。
31.可选的，将所述待优化参数设置为人工鱼个体的状态前，将所述待优化参数归一化处理。当迭代次数达到最大迭代次数时，将公告板记录的状态去归一化处理，获取所述目标参数。
32.另一方面，本技术还提供一种三重四极质谱仪参数优化装置，用于实现上述参数优化方法，所述装置包括：
33.预处理模块，被配置为获取待优化参数和所述质谱仪的检测状态，设置目标函数；
34.计算模块，被配置为采用人工鱼群算法，根据所述目标函数和所述检测状态计算所述待优化参数的适应度；
35.优化模块，被配置为根据所述适应度调整所述待优化参数，获取目标参数。
36.本技术提供一种三重四极质谱仪参数优化方法及装置，根据待检测状态设置人工鱼群算法的目标函数，根据质谱仪硬件电路所能达到的电压范围设置各待优化参数的边界值；将所述待优化参数归一化为人工鱼个体状态，根据目标函数计算待优化参数的适应度，即人工鱼个体状态的适应度，根据适应度更新人工鱼个体状态，对待优化参数进行寻优，获取目标参数。本技术通过人工鱼群算法调整三重四极质谱仪的参数，根据检测状态对参数进行调整，使质谱仪在较长时间范围内保持较优的检测状态，节省了质谱仪参数优化时间，
提高工作效率。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本技术实施例提供的三重四极质谱仪结构示意图；
39.图2为本技术实施例提供的四极杆结构示意图；
40.图3为本技术实施例提供的三重四极质谱仪参数优化流程图。
具体实施方式
41.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的系统和方法的示例。
42.质谱仪是一种将样品进行电离，在真空中利用稳定或变化的电磁场将离子按照质荷比进行分离从而实现定性或定量分析的仪器。质谱仪通常包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和数据采集系统等结构，其中，质量分析器是质谱仪的核心部分。三重四极质谱仪的质量分析器由三段四极杆串联而成，参见图1，为本技术实施例提供的三重四极质谱仪的结构示意图。三重四极质谱仪的结构包括离子源、离子聚焦和传输器q0、一级四极杆质量分析器q1、二级四极杆质量分析器/碰撞反应池q2、三级四极杆质量分析器q3和检测器。其中，离子源用于将被分析物电离成离子，离子首先进入q0，q0用于引导离子进入q1。q1可以筛选特定质荷比的离子，被筛选离子进入q2中被打碎成若干子离子，然后进入q3，q3和q1作用相同，用于筛选特定质荷比的离子通过，离子进入检测器，经电信号调理后转换成脉冲信号，经处理生成质谱图。
43.下面对四极杆的工作原理进行简要介绍，参见图2，为本技术实施例提供的四极杆结构示意图。四极杆由四根平行放置的双曲面截面或圆柱截面的金属杆组成。相对的四极杆施加相同的射频电压，相邻杆施加极性相反的射频电压，当四极杆同时被施加交直流射频电压时，可以作为质量分析器，四根杆中间将形成交变的电场，该电场将离子束缚在一个狭窄的空间内。在这个空间内，只有特定质荷比的离子才能通过四极杆达到检测器，从而实现离子的筛选功能。当四极杆只施加交流射频电压时，可以传输所有质荷比的离子，具有离子传输、加速、聚焦、碎裂等作用。
44.当四极杆电极系统实现上述功能时，都必须在电极杆上施加一定的工作电压，电压的设置和优化对检测效果起着关键的作用。四极杆电压参数的调节具有相互关联的影响，一个电压参数的改变可能会影响其他电极产生的电场。传统的对三重四极质谱仪电压参数的优化通常采用人为调整的方法，会耗费大量的时间，并且在仪器使用过程中，可能会由于环境的变化导致实际的电压发生漂移变化，需要重新对电压参数进行优化，降低工作效率。
45.基于上述问题，本技术实施例提出一种三重四极质谱仪参数优化方法及装置，结
合人工鱼群算法实现对质谱仪参数的优化，节省质谱仪参数调整时间，提高工作效率。
46.在一种实施方式中，首先获取待优化参数和质谱仪的检测状态，并根据检测状态设置用于计算人工鱼群算法适应度的目标函数。其中质谱仪的检测状态可以实时获取，或者根据算法的迭代更新频率进行定时获取。
47.在三重四极质谱仪中，q1和q3两段四极杆除监测特定质荷比的离子的工作模式外，还有通过改变加在四极杆的电压，依次让不同质荷比离子通过的工作模式，即扫描监测模式，q2碰撞池也可以不通入碰撞气，只起到引导离子的作用。三段四极杆不同的工作模式排列组合，可以使三重四极质谱仪具有多种不同的工作模式。
48.在一种实施方式中，以三重四极质谱仪扫描特定质量范围的离子为例，检测状态包括质谱图中的谱峰的峰高和半峰宽。目标函数根据检测状态进行设定，公式如下：
49.f＝10-5
h k/w；
50.其中，f代表所述目标函数；h为谱峰的峰高；w为谱峰的半峰宽；k为用户可以自行设置的常数，范围为0.1～100。目标函数值越大，代表质谱仪的检测效果越好。
51.在一种实施方式中，根据质谱仪硬件电路所能达到的电压范围设置各待优化参数的边界值，以限定参数的调节范围，所述待优化参数的调整不超过边界值。采用人工鱼群算法，根据所述目标函数和所述检测状态计算所述待优化参数的适应度，根据所述适应度调整所述待优化参数，获取目标参数。参见图3，本技术实施例提供的三重四极质谱仪参数优化方法流程如下：
52.步骤a：初始化人工鱼群，包括将待优化参数设置为人工鱼个体的状态，初始化公告板、各人工鱼个体的视野和步长，设置最大迭代次数。
53.在一种实施方式中，将待优化参数进行归一化处理，将归一化处理后的待优化参数设置为人工鱼群算法中的人工鱼个体的状态。将待优化参数的初始值，即各人工鱼个体的最初状态记录在公告板中，对公告板进行初始化。人工鱼个体的视野和步长会影响寻优的精度和速度，用户可以根据需要对各人工鱼个体的视野和步长自行设置。用户根据对寻优时间和精度的需求自行设置最大迭代次数。
54.步骤b：各人工鱼个体根据视野和步长获取预选状态。
55.在一种实施方式中，预选状态包括觅食预选状态、聚群预选状态和追尾预选状态。其中，觅食预选状态为人工鱼个体执行觅食行为，在视野范围内，随机选择前进一个步长距离对应的状态；聚群预选状态为人工鱼个体执行聚群行为，在视野范围内，向人工鱼群中心位置方向前进一个步长距离对应的状态；追尾预选状态为人工鱼个体执行追尾行为，在视野范围内，向适应度最大的人工鱼个体方向前进一个步长距离对应的状态。
56.步骤c：比较各人工鱼个体当前状态和预选状态，更新人工鱼个体的状态。
57.在一种实施方式中，计算各人工鱼个体在当前状态、聚群预选状态以及追尾预选状态的适应度，适应度为根据人工鱼个体状态，即待优化参数达到的检测效果计算出来的目标函数值。目标函数值越大，代表质谱仪的检测效果越好，因此，适应度越大，对应的人工鱼个体状态，即待优化参数越优。若聚群预选状态和/或追尾预选状态的适应度大于人工鱼个体当前状态的适应度，选取最大适应度对应的预选状态作为人工鱼个体的新状态，对人工鱼个体的状态进行更新。
58.若最大适应度对应的预选状态超出了待优化参数的边界值，计算边界值对应的适
应度，并与除最大适应度对应的预选状态以外的预选状态对应的适应度和人工鱼个体当前状态对应的适应度进行比较。若人工鱼个体当前状态的适应度最大，则选取所述觅食预选状态作为人工鱼个体的新状态，对人工鱼个体的状态进行更新；否则，选取最大适应度对应状态作为人工鱼个体的新状态对人工鱼个体的状态进行更新。
59.例如：若聚群预选状态的适应度和追尾状态的适应度都大于人工鱼个体当前状态的适应度，且聚群预选状态的适应度最大，但是聚群预选状态对应的待优化参数超出了边界值。则用边界值替换聚群预选状态对应的待优化参数超出边界值的部分，计算采用边界值替换后的待优化参数的适应度，并与追尾预选状态的适应度进行比较，选取二者之中适应度大的一个作为人工鱼个体的新状态。
60.若聚群预选状态的适应度大于人工鱼个体当前状态的适应度，且追尾预选状态的适应度小于人工鱼个体当前状态的适应度，且聚群预选状态对应的待优化参数超出了边界值。则用边界值替换聚群预选状态对应的待优化参数超出边界值的部分，计算采用边界值替换后的待优化参数的适应度，并与人工鱼个体当前状态的适应度进行比较，若大于人工鱼个体当前状态的适应度，则将替换后待优化参数作为人工鱼个体的新状态对人工鱼个体的状态进行更新；若小于人工鱼个体当前状态的适应度，选取所述觅食预选状态作为人工鱼个体的新状态。
61.若所述聚群预选状态和所述追尾预选状态的适应度均小于人工鱼个体当前状态的适应度，选取所述觅食预选状态作为人工鱼个体的新状态，对人工鱼个体的状态进行更新。
62.步骤d：比较各人工鱼个体更新后的状态和公告板记录的状态，若人工鱼个体更新后的状态优于公告板记录的状态，则更新公告板记录的状态。
63.在一种实施方式中，公告板用于记录人工鱼个体的最优状态，人工鱼个体状态每次更新后，对更新后的状态计算适应度，并与公告板上记录的状态的适应度进行比较，若更新后状态的适应度大于公告板记录状态的适应度，则将更新后的状态记录在公告板上；否则公告板保持不变。
64.步骤e：更新迭代次数。
65.在一种实施方式中，每次更新完人工鱼个体的状态，将迭代次数加1，更新并记录迭代次数。
66.步骤f：若迭代次数小于最大迭代次数，重复执行步骤b～步骤e，直至迭代次数达到最大迭代次数，将公告板记录的状态设置为目标参数。
67.在一种实施方式中，比较迭代次数与最大迭代次数的大小，若迭代次数没有达到设置的最大迭代次数，重复执行上述步骤b～步骤e，继续对待优化参数进行寻优。若迭代次数达到最大迭代次数，则寻优结束，此时公告板记录的状态即为最优状态，对公告板记录的状态进行去归一化处理，即可得到目标参数，即三重四极质谱仪优化后的参数。
68.本技术实施例还提供一种三重四极质谱仪参数优化装置，用于实现上述参数优化方法，所述装置包括：
69.预处理模块，被配置为获取待优化参数和所述质谱仪的检测状态，设置目标函数；
70.计算模块，被配置为采用人工鱼群算法，根据所述目标函数和所述检测状态计算所述待优化参数的适应度；
71.优化模块，被配置为根据所述适应度调整所述待优化参数，获取目标参数。
72.本技术提供的三重四极质谱仪参数优化方法及装置，根据待检测状态设置人工鱼群算法的目标函数，根据质谱仪硬件电路所能达到的电压范围设置各待优化参数的边界值；将所述待优化参数归一化为人工鱼个体状态，根据目标函数计算待优化参数的适应度，即人工鱼个体状态的适应度，根据适应度更新人工鱼个体状态，对待优化参数进行寻优，获取目标参数。本技术通过人工鱼群算法调整三重四极质谱仪的参数，根据检测状态对参数进行调整，使质谱仪在较长时间范围内保持较优的检测状态，节省了质谱仪参数优化时间，提高工作效率。
73.本技术提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本技术总的构思下的几个示例，并不构成本技术保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本技术方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本技术的保护范围。