正弦波频率扫描小型离子阱质谱仪关键技术研究

With limited coverage range, mass resolution, miniature mass spectrometers are still large in size and power consumption, and most of them can only analyze gas phase samples. More efforts are still needed to improve its analytical performances, portability and usability, before it is ready to be widely used. One of the factors which limit its performance is the operating mode to drive the ion trap. A new sinusoidal frequency scanning method was proposed by the applicant in 2017 to improve the performance of miniature mass spectrometer, especially in terms of size, power consumption, mass range and resolution. The new scanning method uses a pure sinusoidal waveform with constant high voltage and changing frequency. Base on the Sinusoidal Frequency Scanning Technique, the subject will study on mass spectrum analysis of large molecular samples, and miniaturization of the electronic system of mass spectrometer, to achieve rapid and high performance analysis of complex biochemical samples, especially non-volatile biochemical molecules. These technologies would be adopted to develop high performance, intelligent brick-size miniaturized and portable mass spectrometers to meet the needs of many on-site and personalized applications such as laboratory analysis, environmental monitoring, drug and food quality monitoring.

小型化质谱仪目前还存在着检测质量范围不足、大多只能分析气相样本、质量分辨率低等问题，体积和功耗也有必要进一步减小。限制其性能的主要因素之一在于其采用的质谱扫描模式。正弦波频率扫描模式为申请者在2017年合作提出，利用固定幅度的RF高压正弦波扫频驱动离子阱。相比其他扫描方式，可以显著减小仪器的体积和功耗，而且提高了分析能力，特别是提高了质量分析范围和分辨率。课题研究将通过深入研究正弦波频率扫描模式原理，探索大分子样品高性能检测方法，开发质谱仪电子系统小型化技术，实现对复杂生化样品，特别是非挥发性生化大分子的直接、快速、高性能的分析。通过本课题研究为实现适用于实验室分析、环境检测、反毒品、食品质量监测追踪及其他现场实时检测等需求的“砖块”大小、智能化、高性能便携式小型生化质谱仪奠定技术基础。

本项目通过对正弦波频率扫描模式小型质谱仪关键技术的研究，开发了适用于现场实时检测需求的高性能小型质谱仪样机。仪器体积小、功耗低、质量分析范围宽、灵敏度较高、扫描速度快，可以实现多种应用场景下的样品直接、快速、高效的分析。项目研究了正弦波频率扫描的模式及其信号实时生成方法，开发了可实现串联质谱分析的Grid-SWIFT方法，在仪器样机上实现了伪选择性反应监测（SRM）和多反应监测（MRM）模式用于目标物的定量分析，并提出了功能相近的正弦调频信号方法，可以进一步提升分析效率。项目还研究了FT-ICR信号提取离子碰撞截面积参数的方法，以此为基础，提出了一种基于信号拼接的傅里叶变换离子阱高分辨分析方法，可以大幅提高离子阱中无损质量分析的分辨率。项目对样机整机集成所需的各部分硬件电路进行了模块化设计，设计了配套的工程应用软件，验证了整机的稳定性和可靠性。样机面向多种应用领域进行了优化定制，验证了痕量挥发性化合物现场分析、药物监测类现场表面取样应用、临床血液药物监测等应用场景下的快速定量分析能力。通过本项目的开展，基本完成了项目研究目标，积累了新的技术和分析方法，这些技术和分析方法也可以应用于等其他质谱分析仪器中。