一种基于狭义相对论的质量分析方法与质谱仪器

技术领域

本发明属于质量分析技术领域，具体涉及一种基于狭义相对论的质量分析方法与质谱仪器。

技术背景

质谱分析是一种测量离子荷质比的分析方法，其基本原理是，使待测物在离子源中发生电离，生成带电荷的离子。由离子源产生的离子被引入质量分析器，再利用分布在质量分析器中的电场或磁场与离子的相互作用结果确定不同荷质比的离子质量。已知质谱的质量分析器有多种，如磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子阱和离子回旋共振分析器等。与其他质量分析器相比，飞行时间质量分析器具有结构简单、灵敏度高和质量范围宽等优点。对很多质荷比大于10000的离子进行质谱分析就是用飞行时间质量分析器来实现的。

利用质谱仪器测量得到离子质荷数值比往往与离子的实际质荷数值会有一定的偏差，偏差的大小可以用所谓的质量测量精度来表示。很显然，质量测量精度越高，则表明仪器测量结果与离子的实际质荷比值越接近。因此，质量测量精度是衡量一个质谱仪好坏的重要参数之一。目前一般比较好的飞行时间质量分析器的质量测量精度也只能准确到几十或几个ppm。一般认为，质量测量精度的好坏取决于仪器的机械加工的精度和电子设备，如仪器工作电源、信号检测与处理系统本身的不完美所致。

现有的质谱分析技术，他们都是建立在电磁学和力学理论基础之上的，而建立在相对论理论基础上的质量分析技术还没有出现。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量精度高、设备结构简单的质量分析方法与装置。

本发明提出的质量分析方法，是一种将狭义相对论理论用于质量分析的方法。即利用相对论理论中物质运动与物质质量相关的重要结果，或物体的质量与运动速度的关系，建立质量分析方法。下面我们讨论将相对论用于物体质量分析的原理。

1，物体的静止质量、运动质量与运动速度。

根据相对论理论，一个以速度v运动的物体，其质量m_v将不同于它处于静止中的质量m₀。其运动质量m_v与静止质量m₀满足以下关系：

                        （1）

上式中，c代表光速，根据式（1），得到：

                      （2）

通常情况下的质量分析，指的是分析静止情况下物体的质量m₀,根据（2）式，要想得到m₀，需要测量物体的运动速度v和在这个运动速度状态下的质量m_v ；

根据目前的测量技术，测量一个物体的运动速度是容易办到的，但直接测量一个运动中物体的质量则困难得多。但我们可以用间接的方法获得运动中物体的质量，其方法是：

将一个质量为m₀的离子在电势差为V电场中加速，如果离子的初始速度近似为零，则此离子被加速后的动能为：

                           （3）

式中e为离子所带的电荷。

变化（3）式，得到：

                         （4）

显然，虽然人们很难测出运动中离子的质量，但如果知道离子的加速电压V，并测出此离子被加速后的运动速度v，则可以根据（4）式算出它的运动质量m_v。

将（2）和（4）合并，得到：

                   （5）

根据公式（5），就可以由离子的加速电压值V，并通过测量它的运动速度v来得到该离子的静止质量，这样我们就可以利用狭义相对论建立一种新的质量分析方法。

2，基于狭义相对论的质量分析方法的建立。

如图1所示，首先建立一个加速电场11，离子经过加速电场11的作用，飞入无场飞行区12，然后被离子接收器13接收。假定一质量为m₀，所带电荷为e的带电粒子处于电场强度为E的电场中，假定该粒子在电场中运动的距离为d，则该粒子在运动出此电场后所获得的能量K=eEd=,则速度 v=，如果我们可以测出带电离子飞出电场时的速度，则可以准确推算出离子的质量和电荷的比值。

准确测定一个高速运动的粒子的速度往往是很困难的，所以我们可以用另一个比较简单的方法即通过测量粒子运动一定距离所需要的时间来推断它们的质量。

假定一种样品在离子源中被离子化产生离子后被电场加速到一定的速度v，然后进入无场区作匀速直线运动。最后飞向离子信号探测器（即离子接收器）被接收。假定上述粒子在无场飞行区飞行了一段距离 L（在质谱仪器中，L表示无场漂移管的长度）, 则它所用的时间t为：

  t=             (6)

或              (7)

则根据公式（1），可得：

     =     （8）

因此,利用公式（8），只要测出某种离子飞行一定距离所用的时间t则可以准确得到此离子的质量。

本发明中，待测物离子进入到离子源区用加速电场将待测物离子加速到3×10⁵m/s及其以上，再进入无场飞行区作自由飞行，后进入离子探测器被测量到。

3，基于上述方法，可以建立利用狭义相对论的质谱仪器，其原基本结构如图2所示，它包括：一个离子源区，一个加速区（即加速电场），一个无场漂移管（无场飞行区），一个离子检测器。该加速电场可由三个或三个以上脉冲高压组成，这些脉冲高压由对应电极提供。在目前质谱仪器中，本发明首次提出该加速电场的结构。而且目前还未见有加速电场将离子加速至3×10⁵m/s及其以上的方法。

将被分析物的离子源产生的离子束引入到离子源区中，在离子源区的加速电极之间加一个脉冲高压，将离子推出离子源区，进入加速电场；离子在加速电场经加速后进入无场漂移管，以恒定速度飞向离子接收器；被分析物的荷质比m₀/e和时间t满足以下关系：=，该公式中e表示被分析物所带电荷，E表示加速电场强度，d表示被分析物在加速电场中运动的距离，L表示无场漂移管的长度，c表示光速。

用狭义相对论建立的质谱分析仪器有几个优点，第一，所测的数据为离子真实的质荷比，质量准确，无需校正；第二，对于测量大分子物质，特别是在大通量、分析速度要求快的生物大分子分析中，优点明显，无需考虑速度对质量变化的影响；第三，灵敏度好、分辨率高，质量检测上限只受离子检测器限制，分析速度快,无需扫描,能够在几十微秒时间内实现全谱分析。

附图说明

图1为利用狭义相对论建立的质谱工作原理示意图。

图2为一种利用利用狭义相对论建立的质谱仪器示意图。

图中标号：11为加速电场，12为无场飞行区，13为离子接收器。21为离子源，22为离子束，23为离子源区，24、25、26为加速器区，27、28、29、30、31、37为电极，32、33、34、35为脉冲高压，36为无场飞行区，38为离子检测器。

具体实施方式

图2为利用狭义相对论基础建立的质谱仪的一种，离子源21产生的离子束22被引入到离子质量检测器的离子源区23中，此时在离子加速电极27和28之间加一个脉冲高压HV₁ 32，离子被推出离子源区23，进入加速器区24中，此时在离子加速电极28和29上再加一个脉冲高压HV₂ 33，离子被推出加速器区24，进入加速器区25中，此时在离子加速电极29和30上再加一个脉冲高压HV₃ 34，离子被推出加速器区25，进入加速器区26，此时在离子加速电极30和31上再加一个脉冲高压HV₄ 35，离子被推出加速器区26，越过电极31，进入无场飞行区36做自由飞行，离子再越过电极37，到达离子检测器38。根据离子在无场飞行区运动的时间t即可以确定离子的质荷比。

假定一分子量为1000.0000的分子样品，由离子源产生正一价的离子。此离子被加速到3×10⁵m/s后进入一距离为5米的无场飞行区作自由飞行，后进入离子探测器被测量到。

用一般的质谱仪器如常用的飞行时间质谱，没有采用本发明给出的狭义相对论的理论公式（1）进行质量校准，测得的分子量其实是离子的运动质量m_v而不是该离子的静止质量m₀, ，运动质量m_v和静止质量m₀之间会产生0.0005的偏差，测出的离子质荷比是不准确的，若想得到实际的静止分子量，则必须用标准样品进行校准。采用建立在狭义相对论基础上的质谱仪器，则可以直接测得该离子的分子量为1000.0000，与静止质量一致，质荷比准确无需校准，无场飞行区L=5m,则离子运动的时间为1.6*10^-5s,分析速度极快。

由上可见，用狭义相对论建立的质谱分析仪器，所测的数据为离子真实的质荷比，质量准确，无需校正；而且灵敏度好、分辨率高，质量检测上限只受离子检测器限制，分析速度快,无需扫描,能够在几十微秒时间内实现全谱分析。