CN101281165A - 一种质谱分析样品的离子化方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于分析技术领域，具体为一种质谱分析样品的离子化方法及其装置。本发明方法包括：首先用气体介质阻挡放电的方法产生等离子体，然后用这些等离子体与电喷雾电离过程中产生的中性样品分子在不高于一个大气压的条件下发生碰撞，使中性样品分子发生电离变成离子，供后续质谱分析使用。本发明装置包括一个电喷雾电离离子源装置、一个介质阻挡放电管，一对离子偏转电极装置，一个样品分子离子化的真空腔，在这个真空腔中，中性样品分子和由介质阻挡放电离产生的离子发生电荷转移反应，产生样品离子。该装置结构简单，操作方便，使电喷雾电离离子源装置产生的中性样品分子能用质谱方法检测。

Description

一种质谱分析样品的离子化方法及其装置
技术领域
本发明属于分析技术领域，具体涉及一种新型的质谱分析样品离子化方法及其装置。
技术背景
质谱仪作为一种现代分析仪器，被广泛应用于科学研究，技术开发和日常的生产和生活过程中。如物理学家和化学家们常用质谱仪来分析物质的种类，结构和含量，生物学家们常用质谱仪来研究生命物质的结构和功能。质谱仪也可以被用于分析食物的成分和材料的组成，检测大气环境和水源中的污染情况等。总之，质谱仪已成为现代社会不可缺少的科学仪器之一。
离子源作为质谱仪器的一个重要组成部分，它的研究和发展近年来受到广泛的重视，发展十分迅速。目前已经被应用的离子源有很多，如电子轰击离子源(EI)，电喷雾电离离子源(ESI)，大气压化学电离源(APCI)，基质辅助激光解吸脱附电离离子源(MALDI)等。这些离子源根据质谱仪器的要求和被测样品的种类而应用于不同的情况下。
近些年，人们还研究和发展了一些新的离子化方法，制作了一些新的离子源。如能够实现即时分析的离子源方法如电喷雾电离解吸附方法(DESI)①、即时在线直接分析(DART)②等。(①Zoltan Takats，Justin M.Wiseman and R.Graham Cooks，Ambient massspectrometry using desorption electrospray ionization(DESI)：instrumentation，mechanisms andapplications in forensics，chemistry，and biology.J.Mass Spectrom.2005；40：1261-1275，②Cody，R.B.；Laramée，J.A.；Durst，H.D.Versatile New Ion Source for the Analysis of Materialsin Open Air Under Ambient Conditions.Anal.Chem.2005，77，2297-2302.)
常用的电喷雾电离离子源目前被广泛用于生物质谱和有机质谱中，它能够直接使溶液中的样品分子气化和电离，产生样品正离子或者负离子。由电喷雾电离产生的离子在后续离子光学系统作用下，被引入到离子质量分析器中，如四极杆质量分析器，离子阱质量分析器，或飞行时间质量分析器等被分析检测，得到样品的质谱检测结果。
电喷雾电离除了可以产生样品离子外，还产生中性的样品分子。这些电喷雾电离过程所产生的中性物质因不带电荷而无法用质谱方法检测。因此，目前关于电喷雾电离所产生的中性物质的检测和研究还很少报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简便、结构简单的对质谱分析样品进行离子化的方法和装置。
本发明提出的对质谱分析样品进行离子化的方法，具体步骤如下：首先用气体介质阻挡放电的方法产生等离子体，然后用这些等离子体与电喷雾电离过程中或其他方法产生的中性样品分子在不高于一个大气压的条件下发生碰撞，使得中性样品分子发生电离变成离子，以供后续的质谱分析用。
本发明中电喷雾电离过程中所产生的离子经由一个电场作用而发生偏转并被去除掉，而电喷雾电离过程中所产生的中性的样品分子则不受电场的影响而进入下一个不高于一个大气压的空间。在此低气压空间内，中性的样品分子与介质阻挡气体放电产生的等离子体作用，产生被分析的样品离子。
本发明中使用的气体介质阻挡放电方法是在一个大气压下，或低于一个大气压下，将两个电极之间的部分用介质(如玻璃，石英，聚四氟乙烯，环氧树脂等)阻挡，使得两个金属电极因放电而产生的金属离子不会混入气体放电而产生的离子中，不影响信号分析。
因此，本发明是提供一种借助介质阻挡放电过程产生的离子，研究探测由电喷雾电离过程等所产生的中性物质成分的方法。
本发明所使用的介质阻挡放电管装置构造如图1所示，它使用两根直径不同的石英管105和106作为介质，直径小的石英管105位于直径大的石英管206内，两根石英管同心，由两个绝缘环102和103，如聚四氟乙烯环使相对位置固定。在较大的石英管106的外部偏气体出口端的方向缠绕有一圈金属导带(如不锈钢薄片)107作为外圈的电极，在较小的石英管105的内部均匀填满金属粉(如镍粉，铝粉等)104，并用一根导线101引出作为内圈的电极，在两个绝缘环102和103上分别打一个小孔使得放电气体顺利流过。放电管的出气口端处在较低的真空环境中。
上述装置还包含一个工作电源109(如方波交流电源)，其相对的正负极分别接在内石英管的引出电极101和外石英管的引出电极107上，其交流电压的幅度与频率大小根据不同的气体而不同。
本发明进一步包括一个电喷雾电离离子源装置，并且在电喷雾电离离子源的毛细管口后面放置一对离子偏转电极。工作过程中，在这一对电极上加载不同的工作电压，如在其中的一个电极上加载一个直流电压，电压幅度根据电喷雾物质不同而不同，一般幅度在几十伏到上千伏之间(例如80伏-900伏之间)，另外一个电极接地，使在两个电极之间产生电场，所产生的电场将使电喷雾电离过程中产生的带电粒子偏转而去除掉，而中性粒子可以通过，进入低于一个大气压的真空环境(即真空腔)中，并与介质阻挡放电过程中产生的离子碰撞，并由于电荷转移反应产生被分析的样品离子。
本发明所产生的样品离子经由质量分析器测定，即得到被分析样品的质谱图。用于样品离子测定的质量分析器可以是常用质量分析器中的任何一种，如，四极杆质量分析器，四极离子阱质量分析器，飞行时间质量分析器，富利叶变换离子回旋共振质量分析器等。
使用本发明给出的离子化源进行样品分子离子化时，其装置至少包括以下几个组成部分：
一个电喷雾电离离子源装置(为通常的装置)；
介质阻挡放电管装置(如图1所示)；
一对离子偏转电极装置；
一个样品分子离子化的真空腔装置，在这个真空腔中，中性样品分子和由介质阻挡放电电离所产生的离子发生电荷转移反应而产生可被后续质谱仪分析的样品离子。
其结构如图2所示。电喷雾离子源装置201结构与通常的一致；一对离子偏转电极202设置于喷雾电离离子源装置201的毛细管口后面，真空腔装置的前面；该真空腔装置的前部为一个中性粒子进入真空腔前的电极板203，该电极板203的中间开有一中心通孔204，供电喷雾电离离子源装置产生的离子进入真空腔装置；介质阻挡放电管205的端口位于真空腔装置的上侧，在真空腔装置的下侧有一与介质阻挡放电管205端口对应的电极板208，该电极板208可产生正电压，也可产生负电压；真空腔装置的后侧有隔板电极206，使真空腔装置与后面的离子光学系统(质量分析仪器)隔离，隔板电极206中间有通孔207，为真空腔装置与后面的离子光学系统之间的通道。
本发明装置结构简单，操作方便。
附图说明
图1：介质阻挡放电管装置结构图示。
图2：本发明离子源装置结构图示。
图3：在本发明离子源后加一个四极导引杆的仪器示意图。
图4：用本发明给出的四极杆质谱仪器示意图。
图5：用本发明给出的飞行时间质谱仪器示意图。
图中标号：101为较小的石英管的电极引出导线，102和103为聚四氟乙烯环，104为填充在较小的石英管内的金属粉，105为较小的石英管，106为较大的石英管，107为作为外圈电极金属导带，108为介质阻挡放电放电管的等离子体气体出口，109为工作电源。201为电喷雾电离离子源，202为离子偏转电极，203为中性粒子进入真空前的电极板，204为中性粒子进入真空前的电极板的中心通孔，205为介质阻挡放电放电管，206为第一真空腔与其后的离子光学系统之间的隔板电极，207为第一真空腔与其后的离子光学系统之间的隔板电极上的小孔，208为与介质阻挡放电对应的电极，负载正电压或负电压，209为机械泵。301为四极导引杆，302为涡轮分子泵。401为第二真空腔与第三真空腔之间的隔板电极，402为隔板电极401上的中心小孔，403为四极杆质量分析器，404为涡轮分子泵，405为四极杆质量分析器403与检测器407之间的隔板电极，406为隔板电极405上的中心小孔，407为检测器。501为飞行时间质量分析器，502为平面型离子探测器。
具体实施方式
作为本发明的实施方案之一，图2给出了使用本发明离子源的仪器示意图，其中电喷雾电离离子源201根据工作电压的极性的不同产生正离子或者负离子以及中性粒子，经过离子偏转电极202的偏转后，正离子(或者负离子)受到电场作用而发生偏转被去除掉，只有中性粒子可以穿过电极板203的中央通孔204，到达第一真空腔1与其后的离子光学系统的隔板电极206之前的空间，此空间由机械泵209抽真空即可，压力范围低于一个大气压高于0.1托。
与此同时，介质阻挡放电放电管205的两端电极加一个20KHz的脉冲电压并在其中通入放电气体，脉冲电压的幅度因放电气体的不同而不同，气体放电而产生等离子体，经过与之相对的电极208(正电压)的电场作用而使得产生的负离子被吸引，与电喷雾所产生的中性粒子碰撞，产生被分析离子。
电极208上也可以负载负电压，使得介质阻挡放电放电管205产生等离子体中的正离子被吸引，与电喷雾电离离子源301所产生的中性粒子碰撞，生成离子，被检测。
如图3所示，在第一真空腔1与四极离子导引杆之间的隔板电极206后加一个四极离子导引杆301，经过电荷转移而产生的离子的运动方向是发散的，其中的一部分离子穿过第一真空腔与四极离子导引杆之间的隔板电极中的小孔207(孔径为0.1mm到0.6mm均可)，经过四极离子导引杆301被聚焦，同时，第一真空腔与四极离子导引杆之间的隔板电极206还能够保证第一真空腔和第二真空腔之间的差级真空，第二真空腔通常由涡轮分子泵302抽真空即可。
应用实例1：图4为一个采用四极杆作为质量分析器的仪器示意图，具体的工作过程如下，在电喷雾电离离子源201上的正高压产生正离子和中性物质，正离子受到离子偏转电极202的电场作用偏转被去除，只有中性粒子可以穿过电极板203的进样小孔204，到达第一真空腔与第二真空腔间的隔板电极206，介质阻挡放电的放电管205之间的空间，此空间一般由机械泵209抽真空即可，压力范围为低于一个大气压高于0.1托。
与此同时介质阻挡放电的放电管205内，通入放电气体氩气或者混合气体，并在放电管两端电极负载一个频率为20KHz，幅度为2000V至2500V，氩气放电产生等离子体，受到与放电管相对的电极208上负载电压所产生的电场作用，离子获得动能，在中性粒子进入粗真空前的电极板的进样小孔204，第一真空腔与第二真空腔间的隔板电极206，介质阻挡放电的放电管205之间的空间的真空空间与电喷雾电离离子源所产生的中性物质碰撞，产生离子，其中的一部分进入第一真空腔与第二真空腔间的隔板电极的中心小孔207，经过四极离子导引杆301聚焦后，通过四极离子导引杆和四极杆质量分析器之间的隔板电极401的中心小孔402，进入四极杆质量分析器403被分析，符合一定质荷比的离子穿过四极杆质量分析器与检测器之间的隔板电极405中心小孔406，被检测器407检测。第二真空腔和第三真空腔分别由涡轮分子泵302和404抽真空得到。
应用实例2：如图6所示，也可以采用飞行时间管作为质量分析器，具体的工作过程如下，在电喷雾电离离子源201上的正高压产生正离子和中性物质，正离子受到离子偏转电极202的电场作用偏转被去除，中性粒子可以穿过电极板203的中心小孔204，到达第一真空腔与第二真空腔间的隔板电极206，介质阻挡放电的放电管205之间的空间，此空间一般由机械泵209抽真空即可，压力范围为低于一个大气压高于0.1托。
与此同时介质阻挡放电的放电管205内，通入放电气体氩气或者混合气体，并在放电管电极负载一个频率为20KHz，幅度为2000V至2500V，氩气或者混合气体放电产生等离子体，受到与放电管相对的电场作用，离子获得动能，在中性粒子进入粗真空前的电极板的中心小孔204，第一真空腔与第二真空腔间的隔板电极206，介质阻挡放电的放电管205之间的空间的真空空间与电喷雾所产生的中性物质碰撞，产生离子，其中的一部分进入第一真空腔与第二真空腔间的隔板电极206的中心小孔207，经过四极离子导引杆301聚焦后，通过四极离子导引杆和飞行时间管质量分析器之间的隔板电极401中心小孔402，进入飞行时间质量分析器501，被平面型离子探测器502检测。第二真空腔和第三真空腔分别由涡轮分子泵302和404抽真空得到。

Claims (3)

1、一种质谱分析样品的离子化方法，其特征在于具体步骤如下：首先用气体介质阻挡放电的方法产生等离子体，然后用这些等离子体与电喷雾电离过程中或其他方法产生的中性样品分子在不高于一个大气压的条件下发生碰撞，使得中性样品分子发生电离变成离子，以供后续的质谱分析用。
2、一种质谱分析样品的离子化装置，其特征在于该装置至少包括以下几个组成部分：
一个电喷雾电离离子源装置；
一个介质阻挡放电管装置；
一对离子偏转电极装置；
一个样品分子离子化的真空腔装置，在这个真空腔中，中性样品分子和由介质阻挡放电电离所产生的离子发生电荷转移反应而产生可被后续质谱仪分析的样品离子；
其中，电喷雾离子源装置(201)结构与通常的一致；一对离子偏转电极(202)设置于喷雾电离离子源装置(201)的毛细管口后面，真空腔装置的前面；该真空腔装置的前部为一个中性样品分子进入真空腔前的电极板(203)，该电极板(203)的中间开有一中心通孔(204)，供电喷雾电离离子源装置产生的离子进入真空腔装置；介质阻挡放电管(205)的端口位于真空腔装置的上侧，在真空腔装置的下侧有一与介质阻挡放电管(205)端口对应的电极板(208)，该电极板(208)产生正电压或负电压；真空腔装置的后侧有隔板电极(206)，使真空腔装置与后面的离子光学系统隔离，隔板电极(206)中间有通孔(207)，为真空腔装置与后面的离子光学系统之间的通道。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的介质阻挡放电管(205)使用两根直径不同的石英管(105、106)作为介质，直径小的石英管(105)位于直径大的石英管(206)内，两根石英管同心，由两个绝缘环(102、103)相对位置固定；在直径大的石英管(106)的外部偏气体出口端的方向缠绕有一圈金属导带(107)作为外圈的电极，在直径小的石英管(105)的内部均匀填满金属粉(104)，并用一根导线(101)引出作为内圈的电极，在两个绝缘环(102、103)上分别打一个小孔使得放电气体顺利流过。
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