CN101520432A - 用于质谱仪的解吸电离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在大气压下用激光进行固体表面被测物的解吸而后利用真空紫外光对被解吸物电离的解吸电离装置。该装置包括用于产生激光束的激光器，用于会聚所述激光束于被测样品表面使样品中的被测物解吸或气化的激光光学系统，以及设置于邻近上述解吸或气化发生处而发出紫外线而导致被解吸或气化的至少一部分被测物分子电离的紫外线灯。通过结合雾化装置使本装置对于非极性或弱极性的小分子有更高的电离效率。通过真空紫外/电喷雾可使该解吸电离装置适用于对不同极性和分子量的复杂混合物的快速同步分析。同时，解吸电离装置的多通道式腔体结构设计很好地保持了测试时离子源中各个组分的局部浓度，提高了离子化效率。

Description

用于质谱仪的解吸电离装置

技术领域

本发明涉及常温常压下的质谱技术，尤其涉及在常压下使被测物解吸、电离以被导入进行质量分析的用于质谱仪的解吸电离装置。

背景技术

随着质谱技术在科研、生产和环境监测领域越来越广泛的应用，如何将常温常压下的被测定物直接电离并导入在真空条件下工作的质谱仪进行分析已变成人们目前最感兴趣的课题之一。

电喷雾电离法(ESI)和大气压基质辅助激光解吸电离(AP-MALDI)的出现分别解决了液相和固相的常压离子化的问题，然而大气压基质辅助激光解吸电离由于要在固态样品中混和基质，这对固体表面的直接快速分析造成了很大的困难，因而其它的针对固体表面的常压离子化方法应运而生。《Science》杂志，第306卷，471-473页(2004年)中介绍了一种以电喷雾电离法中的电喷离子束在大气压下将固体表面的被测物解吸/电离，并将离子导入质谱仪进行质量分析的方法(解吸电喷离子化DESI)。简捷、快速的特点使此种电离方法极大地填补了质谱领域对于样品现场直接分析的空白。

随后其它一些基于常压下的样品直接分析技术也取得了一定成功，例如，《Analytical Chemistry》杂志，第77卷，2297-2302页(2005年)中介绍的实时直接分析法(DART)利用亚稳态的氦原子取代了电喷离子束从而对吸附在固体表面的弱极性小分子进行分析。再如美国专利US20070187589和《Analytical Chemistry》杂志，第79卷，7867-7872页分别介绍的与DESI类似的解吸大气压化学电离(DAPCI)和解吸大气压光电离(DAPPI)技术，前者是利用电晕放电，而后者是利用真空紫外光来辅助电离，尤其对DESI较难电离的非极性和低极性小分子的分析取得了一定的成功。

然而，以上几种直接分析法均采用分子或离子束进行对被测物的解吸，而在常压下由于粒子束和空气分子的碰撞会使得对被测物表面的解吸面积很难控制，因而获得较高的空间分辨率将变得十分困难。对于质谱化学图像表征(Chemical Imaging)而言，较低的空间分辨率使得这些技术难以在其上应用。为解决这个问题，《Rapid Communication in Mass Spectrometry》杂志，第19卷，3701-3704页(2005年)中介绍了一种以紫外激光为解吸工具、以电喷离子束为电离工具的常压直接分析法(电喷辅助激光解吸电离(ELDI))。该方法由于以激光为解吸源，样品表面的解吸面积得到了很好的控制，这使得常压下的质谱图像表征变得可能。与之类似的技术如《Rapid Communication in MassSpectrometry》杂志，第16卷，681-685页(2002年)中所述的使用红外激光为解吸源、以大气压化学电离源为离子源的激光解吸化学电离技术(LDCI)，以其对低极性分子的有效电离而与上述的ELDI法有着互补的作用。然而对于电离非极性的小分子而言，大气光电离(APPI)由于可直接用光子激发气相样品而存在着更大的优势。

发明内容

本发明目的之一是提供一种用于质谱仪的解吸电离装置，其将激光解吸和大气光电离法结合在一起以使得基于激光解吸的常压直接分析技术更为完善。

本发明的另一目的是提供一种用于质谱仪的解吸电离装置，其将两种常压直接分析技术(ELDI和本发明中的激光解吸大气光电离)整合在一个离子源中，以期达到对不同性质的的样品进行同时分析的目的，从而提高分析复杂混合物的效率，并省去更换离子源的繁琐步骤。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于质谱仪的解吸电离装置，包括激光器、激光光学系统以及紫外线灯。激光器产生激光束；激光光学系统会聚激光束于被测样品表面，使样品中的被测物解吸或气化。紫外线灯设置于邻近上述解吸或气化发生处，用于发出紫外线而导致被解吸或气化的至少一部分被测物分子电离。一连接质谱仪分析器的吸入口将电离了的被测物引向质谱分析器。

在上述解吸电离装置中，还包括一雾化装置，其在上述被解吸或气化的被测物分子途经的区域产生辅助电离的气体或雾滴，进而增强被测物中至少一部分分子的电离效果。

上述的雾化装置包括雾化毛细管和喷针。在第一模式下，喷针向被测物分子途经的区域喷射液态添加剂，雾化毛细管引入雾化气体至喷针喷出液化添加剂的端口，其中液态添加剂会在雾化气体的辅助下于被测物分子途经的区域雾化或气化。在第二模式下，雾化毛细管直接引入气态添加剂至被测物分子途经的区域，以便作为辅助光电离的气体反应物。

在上述的解吸电离装置中，雾化装置进一步是一个电喷雾装置，其产生的带电雾滴在前行途中与所述被解吸或气化的被测物分子融合，进而增强被测物中至少一部分分子的电离效果。

上述的电喷雾装置包括雾化毛细管、喷针和高压电源。雾化毛细管引入雾化气体至所述被测物分子途经的区域。喷针会向所述被测物分子途经的区域喷射电喷溶剂，高压电源会在喷针喷射电喷溶剂前先施加高压电于溶剂使其带电。其中电喷溶剂会在雾化气体辅助下于被测物分子途经的区域产生带电雾滴。

上述解吸电离装置还包括一个腔体，此腔体呈多路通道状，包括主通道、第一支路以及第二支路，其中主通道一侧安装激光光学系统，另一侧具有对准被测样品的开孔，使经由激光光学系统会聚的激光束照在被测样品上；紫外线灯光线至少部分照入主通道内；第一支路连接质谱仪分析器的吸入口，第二支路上安装雾化装置。

在上述的解吸电离装置中，还包含一个机动样品架，被测样品置于样品架上，通过移动样品架，可以使激光束照射斑点在样品表面扫描。

本发明的解吸电离装置中，紫外线灯可以使用波长小于200nm的真空紫外线灯。激光器可以使用半导体红外激光器。

本发明的解吸电离装置中，激光光学系统包括与激光器波长相匹配的光导纤维和聚焦透镜，光导纤维从激光器导出激光，聚焦透镜聚焦光导纤维导出的激光于被测样品。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点：

1.结合激光解吸和大气压光离子化法而设计的解吸电离装置，使得基于激光解吸的常压直接分析技术更为完善；

2.通过雾化装置辅助紫外线灯进行电离，可以提高被测物的电离效果，适合电离弱极性或非极性的小分子；而电喷雾装置的结合使用将会大大提高离子源对于分析复杂组分的兼容性。

3.通道式腔体设计，使得通入离子源内的反应气的局部浓度能够得到更有效的保持，提高了离子化效率。

4.机动样品架的设计，可以进行样品表面扫描而获得样品表面的图像表征。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本发明一个较佳实施例的解吸电离装置示意图。

图2是本发明一个实施例的解吸电离装置结构图。

具体实施方式

本发明适用于电离附着于各种固体表面的被测物样品。在本发明的较佳实施例中，测试中的离子化过程既可以通过激光解吸光电离完成，也可以通过对解吸后的被测物分子同时进行光电离和电喷雾电离，后者可以达到最大程度地电离混合物中的各个组分的目的。

请参照图1所示，图1是本发明一个较佳实施例的解吸电离装置示意图。用于解吸被测样品的激光例如采用的是半导体红外激光器5，其波长范围最好在800-1200nm之间。激光器通常以连续波状态工作，但必要时也可使用快速电源开关使其在脉冲状态下工作。激光束2离开激光器5后进入由光导纤维4和聚焦透镜3组成的激光光学系统，其中由光导纤维4从激光器5导入离子源，经过聚焦透镜3的会聚，聚焦在被测样品15表面。

在一个实施例中，紫外激光，如337nm氮气激光和355nm的Nd/YAG激光也可作为被测样品的解吸源，只是激光强度要控制得较低，否则很容易造成母离子电离并破碎。

用于电离的紫外线灯采用的是波长小于200nm的真空紫外线灯6，其发射的紫外线7的光子能量在10到12eV之间。在这一能量范围的光子会被大气中的氧气强烈地吸收，因而其在大气中的飞行距离很短。因此真空紫外线灯的灯头要尽量深入离子源腔内且邻近上述解吸或气化发生处(以不妨碍解吸用激光束照射到样品为限)，以便被激光解吸的被测物分子能够及时电离。

被电离后的至少一部分被测物分子会从连接质谱仪分析器的吸入口1导入质谱仪中进行分析。

在参照图1的一个较佳实施例中，本发明还包括一个用于引入添加剂来辅助光电离解吸物的雾化装置，其包括雾化毛细管8和溶剂通道9以及喷针12；如图1所示，在第一模式下，喷针12会将从溶剂通道9引入的液态添加剂10喷向被测物分子途经的区域，而此模式下，雾化毛细管8会将雾化气体11a引入至喷针喷射液态添加剂的端口，并使喷出的液滴在雾化气体的辅助下雾/汽化。而在第二模式下，雾化毛细管8会将气态添加剂11引入至被测物分子途经的区域，以作为辅助紫外光电离的气体反应物。气态添加剂或是雾/汽化的液态添加剂会在离子源腔体17中首先被真空紫外线电离，然后再与激光解吸物发生电荷转移反应，进而增强被测物中至少一部分分子的电离效果。其中雾化气体11a可以是氮气等常用气体。

在进一步的较佳实施例中，本发明的雾化装置是电喷雾装置，此时喷针12会作为电喷喷针，溶剂通道9会被高压电源13施加一高压电而使其中电喷溶剂10a带电。带电溶剂10a与雾化气体11a会在被测物分子途经的区域产生带电雾滴，进而增强被测物中至少一部分分子的电离效果。电喷雾所使用的溶剂可以是常用的电喷用溶剂10a，如甲醇和水的混合物等。辅助电喷的雾化气体11a也可以是氮气等常用气体。电喷雾时的电压最好控制在3～5kV，以保证电喷雾电离的正常工作。

此外，本发明的装置还包括一个多通道腔体，图2是本发明的一种多通道腔体式解吸电离装置。离子源腔体17可由铝或塑料制成，局部内壁可以镀金属以保证适当的电位分布。为了便于加工和清洗，腔体由前后两部分组成，每一部分包含腔体各通道的一半。两部分由定位销定位，由定位螺栓锁紧。

腔体17呈多路通道状，包括一个主通道20，主通道一侧安装激光光学系统的光导纤维4以及聚焦透镜3，主通道另一侧具有对准被测样品15的开孔，使经过会聚的激光束2照在被测样品上。紫外线灯6至少有部分光线照入主通道内，以便使紫外线邻近被测物解吸区域；连接质谱仪分析器(图未示)的吸入口1安装在连通主通道的第一支路上。

另外，在设有雾化装置的实施例中，还设有第二支路来安装雾化装置，其中雾化毛细管8引入的雾化气体通向第二支路，而溶剂通道9引入溶剂至位于第二支路中的喷针12中。

当上述的雾化装置是电喷雾装置时，还通过高压电引入接口16来引入高压电源13(参照图1)的高压电信号至电喷针12。

值得注意的是，相比常用的大气光电离法(APPI)和最近出现的解吸大气光电离法(DAPPI)，本发明的通道式腔体设计，由于结构紧凑，使得通入离子源内的反应气的局部浓度能够得到更有效的保持。

下面对本发明的解吸电离装置的工作过程进行描述。

进行样品分析时，样品15既可放置于机动样品架14(参照图1)上，也可直接用医用钳托置于离子源下端的进样口。无论采用哪种方式，被测物表面要尽量靠近开孔底侧，以使被激光解吸的离子能较容易进入离子源腔体17内。

对于没有雾化装置或电喷雾装置的实施例，当被激光解吸的被测物分子进入离子源腔体17后，它们中的一部分随后会在真空紫外线灯6附近被紫外线灯发射的光子直接电离，而其中至少一部分被测物会从连接质谱仪的吸入口1进入质谱仪。

对于具有雾化装置的实施例而言，其过程如下：当被激光解吸的被测物分子进入离子源腔体17后，它们中的一部分随后会在真空紫外线灯6附近被紫外线灯发射的光子直接电离。但由于真空紫外能够达到的区域非常有限，很多时候需要借助添加剂来间接电离被测物(参见《Analytical Chemistry》杂志，72卷，3653-3659页(2000年))。因此，雾化装置的作用之一就是引入添加剂。当添加剂在常温下为气态时(如甲烷)，可以由雾化毛细管8直接导入腔道；而当添加剂在常温下为液态时(如甲苯)，可以由溶剂通道9经喷针12导入腔道，并于针口处在雾化气体(由雾化毛细管8导入)的辅助下雾化/汽化。最终在腔道中添加剂会被真空紫外灯6发出的一种真空紫外线7电离或激发，并通过电荷转移反应或彭宁反应使被解吸或气化的被测物分子电离。由于离子源在此工作模式下可以直接或通过电荷转移反应而不需通过质子迁移来电离被测物分子，因而上述模式非常适合电离弱极性或非极性的小分子。

然而，在进行现场实时分析时所遇到的样品，常常会是复杂的混合物，各组分的分子量和分子极性会相差很远。对于解吸出来的极性分子，如蛋白质和多肽等，电喷雾产生的雾滴将与解吸出来的极性分子发生融合、质子迁移过程，而大大提高其电离效率。所以，如果同时使用离子源的真空紫外光和电喷雾装置，将会大大提高离子源对于分析复杂组分的兼容性。

因此，对于具有电喷雾装置的实施例而言，其基本工作过程就是使用激光先对被测物进行解吸，然后通过真空紫外光和电喷雾同时进行被测物的电离。这时，电喷雾装置具有提供电喷雾和反应气的双重功能。

另外，如前所述，与目前比较流行的大气压电离法DESI相比，使用激光进行样品的解吸有着高空间分辨率的特点。这一特点使得在大气压下对样品表面的图像表征成为可能。因此，本发明的一个实施例还在离子源的底部安装了可以在X、Y、Z三个方向移动的机动样品架14，且样品台在X和Y方向上的移动还可用电脑通过电机进行控制。当样品上的每一个点经过激光解吸的位置时，激光束照射斑点会在样品表面扫描，质谱仪会测量并记录下该点所有的质量信息，最后当所有各点的质量信息被整合在一起时，可以得到一幅被测物表面的质量分布图。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于质谱仪的解吸电离装置，包括：

激光器，用于产生激光束；

激光光学系统，用于会聚所述激光束于被测样品表面，使样品中的被测物解吸或气化；

紫外线灯，设置于邻近上述解吸或气化发生处，用于发出紫外线而导致被解吸或气化的至少一部分被测物分子电离；以及

连接质谱仪分析器的吸入口，用于将电离了的被测物引向质谱分析器。

2.根据权利要求1的所述解吸电离装置，其特征在于，还包括一雾化装置，其在上述被解吸或气化的被测物分子途经的区域产生用于辅助电离的气体或雾滴，进而增强被测物中至少一部分分子的电离效果。

3.根据权利要求2的所述解吸电离装置，其特征在于，所述雾化装置包括：

喷针，用于在一第一模式下向所述被测物分子途经的区域喷射液态添加剂；

雾化毛细管，用于在一第二模式下，引入气态添加剂至所述被测物分子途经的区域，或在一第一模式下，引入雾化气体至所述喷针喷出所述液态添加剂的端口；

其中所述液态添加剂会于所述被测物分子途经的区域在所述雾化气体辅助下雾化或气化。

4.根据权利要求2所述的解吸电离装置，其特征在于，所述雾化装置是电喷雾装置，其产生的带电雾滴在前行途中与所述被解吸或气化的被测物分子融合，进而增强被测物中至少一部分分子的电离效果。

5.根据权利要求4的所述的解吸电离装置，其特征在于，所述电喷雾装置包括：

雾化毛细管，用于引入雾化气体至所述被测物分子途经的区域；

喷针，用于向所述被测物分子途经的区域喷射电喷溶剂；

高压电源，用于在所述喷针喷射所述电喷溶剂时施加高压电于所述电喷溶剂；

其中所述电喷溶剂会在所述雾化气体辅助下于所述被测物分子途经的区域产生所述带电雾滴。

6.根据权利要求1的所述解吸电离装置，其特征在于还包括一个腔体，所述腔体呈多路通道状，包括主通道以及一支路，其中从所述主通道一侧安装所述激光光学系统，主通道另一侧具有对准被测样品的开孔，使经由激光光学系统会聚的激光束照在被测样品上；所述紫外线灯光线至少部分照入所述主通道内；所述支路连接所述质谱仪分析器的吸入口。

7.根据权利要求2的所述解吸电离装置，其特征在于还包括一个腔体，所述腔体呈多路通道状，包括主通道、第一支路以及第二支路，其中从所述主通道一侧安装所述激光光学系统，主通道另一侧具有对准被测样品的开孔，使经由激光光学系统会聚的激光束照在被测样品上；所述紫外线灯至少部分位于所述主通道内；所述第一支路连接所述质谱仪分析器的吸入口，所述第二支路上安装所述雾化装置。

8.根据权利要求1～5任一项所述的解吸电离装置，其特征在于，还包含一机动样品架，所述被测样品置于所述样品架上，通过移动样品架，使所述激光束照射斑点在样品表面扫描。

9.根据权利要求1～5任一项所述的解吸电离装置，其特征在于，所述紫外线灯是波长小于200nm的真空紫外线灯，和/或所述激光器是半导体红外激光器。

10.根据权利要求1～5任一项所述的解吸电离装置，其特征在于，所述激光光学系统包括与所述激光器波长相匹配的光导纤维和聚焦透镜，所述光导纤维从所述激光器导出激光，所述聚焦透镜聚焦所述光导纤维导出的激光于被测样品。

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