CN102214541B - 用于质谱的低压电子电离和化学电离 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于质谱的低压电子电离和化学电离，提供了一种通过化学电离电离样品的方法。具体地，通过将样品和反应剂气体流入处于低于0.1Torr的压力下的离子源，通过化学电离电离样品。在将所述离子源保持在低于0.1Torr的压力下的同时，通过电子电离在所述离子源中电离所述反应剂气体，以产生反应剂离子。使得所述样品与所述反应剂离子在低于0.1Torr的压力下反应，以产生所述样品的产物离子。将所述产物离子发送到离子阱中，用于质量分析。

Description

用于质谱的低压电子电离和化学电离

技术领域

本发明一般地涉及分子的电离(ionization)，其可用于例如诸如质谱(MS)的分析化学领域。更具体地，本发明涉及在低压条件下的电子电离和化学电离。

背景技术

样品的质谱分析要求样品以气体或分子蒸汽的形式被提供并然后电离。电离可以在质谱仪中的质量分析部分中，即在进行质量分类的同一低压区域中进行。或者，电离可以在处于质谱仪的低压区域的外部的离子源(或电离装置)中进行。所得的样品离子随后被从外部离子源传送到质谱仪的低压质量分析器中，用于进一步处理。样品可以例如是气相色谱(GC)柱的输出物，或可以来源于其它来源，其中，样品初始不是气态的而是必须通过适当的加热手段汽化。离子源可以被构造来通过一种或多个技术实现电离。一类离子源是气相离子源，其包括电子轰击或电子电离(EI)源以及化学电离(CI)源。在EI中，高能电子束通过从合适的细丝发射而形成，并被电压(典型地70V)加速到离子源中，以轰击样品分子。在CI中，反应剂气体诸如甲烷被允许进入到通常处于高压(例如1-5Torr)的离子源中并由高能电子束电离。然后，样品通过所得的反应剂离子与样品之间的碰撞而被电离。然后，可以从离子源以反应剂气体流取出所得的样品离子，然后由一个或多个离子透镜聚焦到质量分析器中。质谱仪可以被构造成可互换地进行EI和CI，即根据用户的需要在EI和CI模式之间切换。

高压CI离子源已经被与三维(3D)四极离子阱质谱仪联用，并且也可适用于二维(2D或“线性”)离子阱质谱仪(线性离子阱或LIT)。对于3D离子阱或LIT，例如当样品是GC柱的输出时，样品常常在升高的温度下被引入外部离子源中。当在升高的温度下提供样品时，需要加热离子源以防止样品在离子源中冷凝。但是，因为在此情况下的离子源处于离子阱的外部，并且离子阱本身不被用于电离，所以在此情况下不必也加热离子阱，这是外部离子源的优点。但是，如上面提到的，常规的外部CI离子源在高压下操作，这是不利的。高压CI需要使用压缩气缸来供应反应剂气体，以及在离子源和非常低压力的离子阱之间使用真空泵级。高压CI可能增加离子源的污染，特别是在用于发射电子的细丝周围的区域，在此高温导致反应剂气体和污染物的高温分解。高压还限制了能够被使用的反应剂气体的选择，由此也限制了可用于CI的化学性质和反应路径的选择。高压还限制了CI产率。因为离子不会被截留在高压离子源中，所以样品可以与反应剂离子相互作用和反应的时间受限于离子源体积和总气体流率。高压离子源中的气体流率高，因此样品分子在反应剂离子停留在其中的电离区域中的停留时间短。

作为外部离子源的替代方案，3D离子阱本身可以用于实现CI。在此情况下，在由3D离子阱的电极所限定的内部区域中直接形成反应剂离子，并且样品随后被引入同一内部区域中。在此情况下，样品在该内部区域中电离，并且所得的样品离子随后被从同一内部区域扫描，以产生质谱。内部电离是有利的，因为其在离子阱的低操作压力下进行。但是，内部电离的不利之处在于，与外部电离不同，其需要加热离子阱的整个电极组件，以防止来自GC的样品在电极上冷凝。在升高的温度下操作质量分析器的不利之处在于，其需要加热设备并且可能由于电极的大表面积上的样品吸附而产生不正确的谱图数据。而且，电极组件必须由特殊的技术来制造，所述特殊的技术被设计成使得电极组件能够可靠地经受住反复的高温操作。

鉴于上述，需要提供用于实施低压EI和CI的设备和方法，其中，样品在处于用于质量分析的离子阱的外部的离子处理装置中电离。

发明内容

为了全部或部分解决前述问题和/或本领域技术人员可以观察到的其他问题，本公开提供了方法、工艺、系统、设备、仪器和/或装置，如在下面阐明的实施方式中作为实例描述的。

根据一个实施方式，提供了用于通过化学电离电离样品的方法。将样品和反应剂气体流入处于低于0.1Torr的压力下的离子源。在将所述离子源保持在低于0.1Torr的压力下的同时，通过电子电离在所述离子源中电离所述反应剂气体以产生反应剂离子。使得所述样品与所述反应剂离子在低于0.1Torr的压力下反应，以产生所述样品的产物离子。将所述产物离子发送到离子阱中，用于质量分析。

根据另一实施方式，提供了一种用于操作离子源的方法。通过电子电离在所述离子源中电离第一样品以产生第一样品离子，同时将所述离子源保持在低于0.1Torr的压力下。将所述第一样品离子发送到离子阱，用于质量分析。在将所述离子源继续保持在低于0.1Torr的压力下的同时，将反应剂气体和第二样品流入到所述离子源中。通过电子电离在所述离子源中电离所述反应剂气体，以产生反应剂离子。使得所述第二样品与所述反应剂离子在低于0.1Torr的压力下反应，以产生所述第二样品的产物离子。将所述产物离子发送到离子阱中，用于质量分析。

根据另一实施方式，质谱仪设备包括离子源、真空泵、第一离子光学器件、离子引导件、第二离子光学器件和离子阱。离子源包括电离室和被配置用于将电子束导向所述电离室中的电子源。所述电离室具有一个或多个用于接收样品和反应剂气体的入口。真空泵其被配置用于将所述电离室中的压力保持低于0.1Torr。离子引导件包括多个围绕与所述电离室连通的离子引导件内部空间的引导电极，并且被配置用于施加离子截留电场。第一离子光学器件布置在所述离子源和所述离子引导件之间，并且被配置用于施加电势垒。离子阱包括多个围绕与所述离子引导件内部空间连通的离子阱内部空间的阱电极，并且被配置用于对离子进行质量分析。第二离子光学器件布置在所述离子引导件和所述离子阱之间，并且被配置用于施加电势垒。

当审查下面的附图和详细描述之后，对于本领域技术人员，本发明的其他装置、设备、系统、方法、特征和优点将会或将会变得清楚。所有这样的附加系统、方法、特征和优点都意在被包括在本说明书内，包括在本发明的范围内，并被所附权利要求保护。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更好地理解本发明。附图中的部件不必是按比例的，相反重点在于示明本发明的原理。在附图中，相似的标号指代所有不同的视图中的相应部件。

图1是可以实现本发明的教导的某些方面的质谱(MS)系统的实例的简化框图。

图2是可以用于根据本公开的MS系统的线性离子阱(LIT)的横断面的剖视图。

图3是图2中所示的LIT的纵断面的剖视图。

图4是图2中所示的LIT的一部分的剖切透视图。

图5是图1中所示的MS系统的框图，以及根据本公开的低压EI方法的离子填充阶段(图线A)和离子截留阶段(图线B)期间施加到MS系统的部件的电压随沿着样品/离子流方向的位置变化的图线A和图线B。

图6是图1中所示的MS系统的框图，以及根据本公开的低压CI方法的反应剂离子填充阶段(图线A)、反应剂离子截留/样品反应阶段(图线B)和样品产物离子填充阶段(图线C)期间施加到MS系统的部件的电压随沿着样品流方向的位置变化的图线A、图线B和图线C。

图7是根据本公开的离子源的实例的剖视图。

图8是根据本公开的电子源和电离室的剖视图，并且包括电子束的偏转的软件生成模拟。

具体实施方式

在本公开的上下文中，术语“低压”当与质谱系统相关时，一般是指低于0.1托(Torr)的压强，而术语“高压”一般是指0.1托或更高、但是更典型地1托或更高的压强。下面将描述电子电离(EI)和化学电离(CI)在低压下，即低于0.1托下进行的实施方式，并且在一些实施方式中，在0.005到刚好低于0.1托的范围中进行。

图1是可以实现本发明的教导的某些方面的质谱(MS)系统100(或设备、装置、仪器等)的实例的简化框图。基于样品的材料和离子的大体流动方向为从图1中的左侧到右侧。为了说明的目的，该方向将被称为样品/离子流动方向，并且沿着MS系统100的某些部件围绕其布置的纵轴104而被概念化。沿该方向，MS系统100一般包括外部离子源108、离子源透镜112、离子引导件入口透镜116、离子引导件120、离子阱入口透镜124、离子阱128和离子阱出口电极132。MS系统100可以被认为是包括EI装置(离子源108)、CI装置(离子引导件120，或离子源108与离子引导件120的组合)以及质量分析装置(离子阱128)，其中，各种离子光学器件根据需要相对于这些装置来布置，包括设置在离子源108和离子引导件120之间的第一离子光学器件和设置在离子引导件120和离子阱128之间的第二离子光学器件。此外，真空系统被设置用于将MS系统100保持在本文所预期的低压下。

离子源108被配置用于电离用于样品分子的CI的反应剂分子。或者，离子源108被配置用于根据用户的选择对样品分子进行EI或CI，即可以在EI操作模式和CI操作模式之间切换。根据样品材料的性质或来源以及其冷凝的倾向性，离子源108可以包括合适的加热装置(没有示出)。例如，当样品被从GC柱洗脱时，将优选使用加热装置。在CI的情形中，反应剂气体和样品通过任何合适的手段被允许以低压进入离子源108。例如，包括真空泵136的真空泵级可以被设置在离子源108处。为了简化起见，没有示出需用来保持MS系统100的各个区域中的低压的壳体。离子源108中的低压依赖于真空泵136的泵速以及离子源108的气体传导率。气体传导率由离子源108的结构的敞开度。对于低压操作，离子源108的入口和出口可以相对于常规的高压离子源被设计得尺寸较大，以便于维持减压。这样的构造导致高的气体传导率，并且与低压一起导致低的总气体流率，这提高了停留时间和电离产率。

离子源108包括任何合适的用于生成电子束并将该电子束定向到反应剂气体和样品分子停留在其中的内部空间中的装置，其一个实例将在下文中结合图7和8进行描述。在离子源108中由EI形成反应剂离子，然后由离子源透镜112和离子引导件入口透镜116聚焦到离子引导件120中。根据本实施方式，如在下面结合图6所更详细描述的，在离子引导件120中发生CI。离子引导件120可以具有任何已知的构造。在一个实例中，离子引导件120包括一组轴向伸长的离子引导电极(例如棒)，所述离子引导电极限定在此发生CI的内部区域。RF频率的交流电压或交流和直流电压的组合被施加到相反的成对离子引导电极上，以形成横向离子截留场(相对于纵向轴104横向或正交)，由此，选定质量(或更确切地，质荷比或m/z比)的离子可以被约束到紧密围绕纵向轴104的伸长区域，并且被选择性地防止沿着横向路径逃逸出离子引导件120。离子引导件120的多电极结构比离子源108的结构更开放。因此，在离子引导件120中，气体传导性比离子源108更高，压力比离子源108更低。由于离子引导件120的轴向伸长结构，能够被截留的反应剂离子的数量的数量级高于常规用于阱内电离的3D阱。因此，当利用根据本发明教导的离子引导件120时，反应剂离子浓度和由CI得到的样品离子产率较高。

通过离子引导件120的离子由离子阱入口透镜124聚焦到离子阱128中。在一个可选方案中，离子阱128可以被布置在单独受泵吸的真空室中，所述真空室由离子阱入口透镜124与离子源108的室分离。在此可选方案中，离子可以通过第二离子引导件(没有示出)从离子阱入口透镜124运输到离子阱128中。在任一情况下，在整个MS系统100从离子源108到离子阱128维持低压条件。

离子阱128可以被3D阱或线性离子阱(LIT)。图2-4示出了LIT228的非限制性实例。具体地，图2是LIT 228的横断面的剖视图，图3是LIT 228的纵断面的剖视图，图4是LIT 228的示出了其电极中的一些的剖切透视图。

图2示出了LIT 228的电极结构和其相关电路中的一些。电极结构包括四个轴向伸长、双曲线状电极142、144、146、148的布置。该布置使得电极142和144构成相反的对并且另外的电极146和148也相似地构成相反的对。电极对142和144可以由任何合适的手段电互连，并且电极对146和148可以由任何合适的手段电互连。电极142、144、146、148围绕LIT 228的中心纵轴布置。在本实例中，中心轴被任意地取为从图2的取向来看由点表示的z轴。电极结构的横截面位于与中心z轴正交的径向或x-y平面。中心z轴在图3中所示的另一实施方式的横截面侧视图中更清楚。为了形成线性几何结构，电极142、144、146、148在结构上沿z轴伸长，并且在x-y平面中与z轴径向间隔开。相反电极对142和144和相反电极对146和148的内表面彼此面对，并且合作限定LIT 228的轴向伸长内部空间或区域150。内部区域150的结构或几何中心通常与中心轴重合。如图3中所示，电极142、144、146、148中的一个或多个可以包括离子出口孔隙362，以允许收集和检测沿相对于中心轴的径向或横向从内部区域150射出的选定m/z比的离子。出口孔隙362可以轴向伸长为狭缝。

如图2所示，每一个电极142、144、146、148的横截面可以为双曲线。术语“双曲线”意在还包括基本双曲线剖面(即不是严格的双曲线形)。作为双曲线片或板的替代方案，电极142、144、146、148可以被构造为如许多四极质量过滤器中那样的圆柱棒，或者被构造为平板。在后面的方案中，电极142、144、146、148仍然可以被用于以适用于多种实施方式的方式建立有效的四极电场。电极142、144、146、148可以关于z轴对称布置，使得每个电极142、144、146、148的最近点(即，双曲线的弯曲部分的顶点)到z轴的径向间距被赋予恒定值r₀，因此r₀可以被认为是电极结构的特征尺寸。在一些实施方式中，为了产生比基本四极场模式更高阶的多极电场分量，可能期望的是，电极142、144、146、148中的一个或多个偏离理想的双曲线形状或结构，或者电极对之间的间距被从其理想的间隔“拉长”，或者电学装置被实现。这些类型的LIT的结构和操作在被转让给本申请的受让人的美国专利7,034,293中有描述。

图2还示出了任何合适设计的电压源152，其与电极142、144、146、148耦合，使得合适幅值和频率的主电势差V1被施加在互连的电极对142、144之间和另一互连的电极对146、148之间。例如，电压源152可以将电压+V1施加到电极对142、144，并将电压-V1施加到另一电极对146、148。在一些实施方式中，电压源152可以通过变压器154与电极142、144、146、148耦合，如图2所示。将电压源152应用于电极结构导致根据通用的简化表达式Φ＝U+Vcos(Ωt)的四极电场的形成，所述四极电场有效地将选定m/z范围的稳定离子截留在内部区域150中。就是说，电压源152提供至少一个基本交流(AC)电势V，而且还提供具有0或非0值的偏移直流(DC)电势U。离子是否可以被四极截留场以稳定方式截留依赖于离子的m/z值和所施加的电场的截留参数(幅值V和频率Ω)。因此，将被截留的m/z值的范围可以通过选择电压源152操作的参数来选择。

作为常识，用于实现适用于本文所公开的方法的传输功能、信号调节等所需的电学部件诸如负载、阻抗等等具体组合容易被本领域技术人员理解，因此图2中所示的简化图被认为足以描述本主题。图2中指示电压源152的电路符号意在表示AC电压源或AC电压源与DC电压源的串联组合。因此，除非本文另有指明，作为一般概念的术语诸如“交流电压”、“交流电势”、“AC电压”和“AC电势”包括了施加交流电压信号或施加交流和直流电压信号两者。电压源152可以以任何已知方式来提供，一个实例是带有或不带有相连的DC源的AC振荡器或波形发生器。在一些实施方式中，波形发生器是宽带多频波形发生器。截留场的AC分量的频率Ω处于射频(RF)范围。

由电压源152生成的四极截留或存留场产生作用于存在于内部区域150中的离子上的恢复力。该恢复力指向截留场的中心。结果，特定m/z范围内的离子沿相对于中心z轴为横向的方向被截留，使得这些离子的运动被约束在x-y(或径向)平面内。如前面提到的，截留场的参数决定稳定的并因此能够被截留在场中的离子的m/z范围。这样被截留的离子可以被认为是被约束到位于电极结构的内部区域150内的截留区域。截留场的中心为零位或几乎零位的区域，在此，场强为零或接近零。假设施加纯四极场而没有任何修改，则截留场的中心基本对应于电极结构的几何中心(即在z轴上)。可以以上面引用的美国专利No.7034293中所公开的方式改变截留场相对于z轴的位置。

由于LIT 228的几何形状和四极截留场的二维特性，需要附加装置来约束离子在轴向z方向上的运动，以防止离子从电极结构的轴向端部向外的不期望逃逸，并且使得离子保持远离四极截留场的可能出现场畸变的端部。轴向截留装置可以是用于沿z轴产生势阱或势垒的任何合适装置，所述势阱或势垒能够朝向电极结构的中心沿着z轴的任一方向向回反射离子运动。作为图3中示意性地示出的一个实例，LIT 228可以包括轴向上紧邻电极结构的前端和后端布置的合适导体，诸如离子阱入口透镜364和离子阱出口电极366。通过一方面将合适幅值的DC电压施加到入口透镜364和出口电极366并且另一方面将不同幅值的DC电压施加到电极结构，力将会被施加到沿电极结构的z轴定向的离子上。因此，离子将由于电压源152(图2)所建立的交流电压梯度而被沿x轴和y轴方向约束，并且通过在电极结构和入口透镜364和出口电极366之间施加的DC电势而被沿z轴约束。轴向DC电压也可以用于控制向内部区域150中引入离子。

除了用于生成四极截留场的电压源152，另一电能输入诸如附加电压电势可以被提供来将期望m/z比范围中的离子谐振激励到能够使得这些离子以受控、定向的方式克服截留场的恢复力的状态。在图2所示的实例中，附加电压源156被提供来在相反的电极对两端，例如电极142和144两端，施加补充交流激励电势V2。电压源156可以通过变压器158耦合到电极142、144。电压源152和156合作来向电极142施加电压(+V1+V2)，并向电极144施加电压(+V1-V2)。为了发射离子，截留电势V1(以及如果提供的话，四极场的相关DC偏移分量)的幅值可以被增大，以扫描离子的振荡特征频率。一旦给定m/z比值的离子的特征频率匹配补充谐振电势V2的频率，离子被从阱中发射出来，用于被任何合适的离子检测器检测。参见上面引用的美国专利No.7034293。

参考图3和4，在一些实施方式中，前面所述的四个伸长的双曲线电极142、144、146、148可以在轴向上分段，即沿z轴分段，以形成一组中心电极142A、144A、146A、148A；相应的一组前端电极142B、144B、146B、148B；以及相应的一组后端电极142C、144C、146C、148C。前端电极148B和后端电极148C没有被示于附图中，但是应该理解，前端电极148B和后端电极148C本身存在，并且其形状像所示的其它电极，并且基本上是在图4的剖切图中示出的前端电极146B和后端电极146C的镜像。通常，前端电极142B、144B、146B、148B和后端电极142C、144C、146C、148C在轴线上短于中心电极142A、144A、146A、148A。在每一电极组中，如前所述的，相反的电极电学上互连，以形成电极对。在一些实施方式中，形成四极截留场的基本电压V1(图2)被施加在前端电极142B、144B、146B、148B和后端电极142C、144C、146C、148C以及中心电极142A、144A、146A、148A的电极对之间。入口透镜364在轴向上紧邻后端电极142C、144C、146C、148C的后端布置。

在图3所示的分段实施方式中，DC偏压电压可以以适用于提供沿z轴的电势势垒(对于正离子为正并且对于负离子为负)，以约束离子沿z轴的运动。DC轴向截留电势可以由一个或多个DC源创建。例如，电压DC-1可以被施加到入口透镜364，并且电压DC-2可以被施加到出口电极366。附加电压DC-3可以被施加到前端电极组142B、144B、146B、148B的所有四个电极和后端电极组142C、144C、146C、148C的所有四个电极。或者，电压DC-1可以被施加到前端电极142B、144B、146B、148B，电压DC-2被施加到后端电极142C、144C、146C、148C，电压DC-3被施加到中心电极142A、144A、146A、148A。入口透镜364具有入口开孔372，使得入口透镜364可以被用作闸门，用于通过适当地调节电压DC-1的幅值，允许离子在期望的时间沿z轴进入内部区域150。例如，施加在入口透镜364上的初始大门控电势DC-1′可以被降低到值DC-1，以允许具有足以越过入口透镜364上的电势势垒的动能的离子进入电极结构。电压DC-2通常大于电压DC-1，防止离子从电极结构的后部逃逸出。在预定时间之后，入口透镜364上的电势可再次被提高到值DC-1′，以阻止额外的离子进入阱中。出口电极366可以类似地具有用于各种目的的出口开孔374，诸如用于沿轴向从LIT 228去除离子或气体。

在一些实施方式中，用于施加补充激励电势V2的电压源156(图2)是宽带多频波形发生器。宽带多频波形信号可以例如被施加包括出口开孔362的相反的电极对142、144(或在分段的情况下，相反的中心电极对142A、144A)两端，其中，频率组成被选择来在期望的时间通过谐振发射从阱取出离子。

图5是图1中所示的MS系统100的框图，以及低压EI方法的离子填充阶段(图线A)和离子截留阶段(图线B)期间施加到MS系统100的部件的电压随沿着样品/离子流方向的位置变化的图线A和图线B。图5示出了在离子源108中由EI形成的样品离子如何被离子源光学器件112和离子引导件入口透镜116聚焦到离子引导件120中。图线A具体示出了用于将样品离子注入离子阱128中以用于质量分析的电极电压。在图线A(填充阶段)中，点512对应于施加在离子源透镜112处的电压，点516对应于施加在离子引导件入口透镜116处的电压，点524对应于施加在离子阱入口透镜124处的电压，并且点532对应于施加在离子阱出口电极132处的电压。在图线B(截留阶段)中，点522对应于施加在离子源透镜112处的电压，点526对应于施加在离子引导件入口透镜116处的电压，点534对应于施加在离子阱入口透镜124处的电压，并且点542对应于施加在离子阱出口电极132处的电压。应该理解，图线A出现在图线B上方，图线A和图线B都利用相同的电压和位置轴示出，这仅仅是为了便于比较地示出在操作的各个相应阶段期间在沿着MS系统100的不同位置上电压大小的差异。就是说，图线A和图线B的出现不应被解释为表示在填充阶段期间(图线A)在各点处施加的电压都高于在截留阶段期间(图线B)在相应各点处施加的电压。

参考图5的图线A，从离子源108到离子阱128样品离子的势能不断减小，这导致样品离子的动能增大，并且沿着电极的轴线进入阱电极的内部区域。由上述的截留电场提供的离子阱128中的横向力防止样品离子沿径向方向逃逸。来自离子阱出口电极132的大排斥DC电压(点532)导致样品离子沿离子从其进入离子阱128的电极结构的方向被向回反射。样品离子和离子阱128中提供的轻缓冲气体诸如氦之间的碰撞导致样品离子的动能下降。因为在离子阱128的入口处的势垒，所以动能的下降防止了沿样品离子从其进入离子阱128的方向行进的样品离子沿轴向逃逸。

参考图线B，在预定时间之后，离子阱入口透镜124的电压电势被提高(点534)，以形成防止来自离子引导件108的额外样品离子进入离子阱128的势垒。驻留在离子阱128中的样品离子现在在轴向上被由离子阱入口透镜124(点534)和离子阱出口电极132(点542)形成的DC势垒约束，并且在横向上被来自阱电极的交流电压梯度约束。阱几何形状的其他变化是已知的，诸如上面结合图3和4中所述的，在此情形中，短段的阱电极被添加到中心电极的每一端，相同的RF电压可以被施加到所有的阱电极，公用DC电势可以被施加到每一端处的短电极组，并且与施加到短电极组的公用DC电势不同的公用DC电势可以被施加到中心电极组。这允许主(或中心)电极组中的DC处于较之端电极更低的电势，由此强迫样品离子沿轴线仅仅驻留在中心电极的区域中。

一旦被截留，样品离子可以通过已知的手段，诸如例如上述的手段以及在上面引用的美国专利No.7034293中所述的手段，通过阱电极中的一个中的开孔372被扫描出离子阱128，以形成EI质谱。

图6是图1中所示的MS系统100的框图，以及低压CI方法的反应剂离子填充阶段(图线A)、反应剂离子截留/样品反应阶段(图线B)和样品产物离子填充阶段(图线C)期间施加到MS系统100的部件的电压随沿着样品流方向的位置变化的图线A、图线B和图线C。在图线A(离子引导件填充阶段)中，点612对应于施加在离子源光学器件112处的电压，点616对应于施加在离子引导件入口透镜116处的电压，点624对应于施加在离子阱入口透镜124处的电压，并且点632对应于施加在离子阱出口电极132处的电压。在图线B(截留/反应阶段)中，点642对应于施加在离子源透镜112处的电压，点646对应于施加在离子引导件入口透镜116处的电压，点654对应于施加在离子阱入口透镜124处的电压，并且点662对应于施加在离子阱出口电极132处的电压。在图线C(离子阱填充阶段)中，点672对应于施加在离子源透镜112处的电压，点676对应于施加在离子引导件入口透镜116处的电压，点684对应于施加在离子阱入口透镜124处的电压，并且点692对应于施加在离子阱出口电极132处的电压。就像在图5中一样，应该理解，图线A出现在图线B上方，图线B出现在图线C上方，并且图线A、图线B和图线C都利用相同的电压和位置轴示出，这仅仅是为了便于比较地示出在操作的各个相应阶段期间在沿着MS系统100的不同位置上电压大小的差异。就是说，图线A出现在图线B的上方和图线B出现在图线C的上方不应被解释为表示在填充阶段期间(图线A)在各点处施加的电压都高于在截留/反应阶段期间(图线B)在相应各点处施加的电压，或在截留/反应阶段期间(图线B)在各点处施加的电压都高于在样品填充阶段期间(图线C)在相应各点处施加的电压

对于CI，反应剂气体诸如甲烷被允许以低压(小于0.1Torr)与样品一起进入离子源108。反应剂气体和样品的EI在离子源108中发生。通过施加图线A中所示的电压，离子被从离子源108取出并聚焦到离子引导件120中。在本实施例中，来自离子源108的载气诸如氦从离子源108流出，并且初始进入离子引导区域，在此其用作缓冲气体，以实现离子引导件120中的离子动能的碰撞冷却，从而允许反应剂离子和样品离子被沿轴向截留在离子引导件120中。在预定时间之后，如图线B所示，离子引导件入口透镜的电势提高(点646)，并且如在下面更详细地描述的，通过将电离电子束偏转出离子源108，限制了在离子源108中离子的进一步形成。离子引导件120现在包含通过在离子源108中进行的EI形成的样品离子和反应剂离子的混合物。

在高压CI中，反应剂离子相对于样品离子大量过量地形成，因为反应剂气体的压力远远高于样品的压力。相反，在本文所述的低压CI中，在EI阶段期间中形成的样品离子和反应剂离子的相对丰度非常接近。理想地，由CI反应剂离子和中性样品的反应以形成(通常)样品分子的质子化的分子离子所得到的谱图将仅仅具有由CI反应形成的样品离子和剩余的CI反应剂离子。但是，不可避免地，还存在由样品的EI形成的某些离子。这些EI样品离子导致CI和EI的混合物谱。可理解的是，由EI形成的样品离子将与由离子引导件120中的CI形成的离子谱混合。因此，理想的是，在通过CI电离样品之前，从反应剂离子(通常以较低的质量出现)并且从离子引导件120选择性去除由EI形成的不期望的样品离子(通常以较高的质量出现)，并且随后在离子引导件120中分离反应剂离子。在本文中，将会理解的是，术语“样品”是指将在离子引导件120中通过CI被电离的中性样品分子，以与在离子源108中通过EI生成的样品离子区别。在一个优选实施方式中，离子引导件120具有与图2中所示的离子阱228的相似的四极电极结构，或者其他的合适多极电极结构，诸如六极、八极或更多极。补充多频波形可以被施加到离子引导件120的一对相反电极上，以共振地发射所有具有与波形中的频率分量匹配的特征频率的离子。通过以特定方式构建波形的频率组成，超过指定值的质荷比(m/z)的离子将从所施加的补充频率吸收能量，并且增大其振荡的振幅，直到其轰击离子引导电极并且从离子引导件120消失。此技术可以用于从离子引导件120发射所有样品离子。在指定m/z值以下的剩余离子全部是反应剂离子，这些反应剂离子在低压条件下，可以被截留在离子引导件120中长达足以使得CI反应发生的预定时间段。

在本实施例中，样品通过离子源108的前开孔离开离子源108，并且流入离子引导件120中，在离子引导件120中，样品与反应剂离子(现在与之前已经产生的样品离子分离)反应，以形成样品的产品离子(由CI形成的样品离子，或“样品CI离子”)。在预定反应时间之后，可以通过任何合适的技术从离子引导件120去除反应剂离子。例如，离子引导件120上的RF电压的幅值可以被增大到使得反应剂离子在离子引导件120中不稳定并由此使得其被从离子引导件120沿离子引导电极的方向发射的水平，在离子引导件120中仅仅留下由CI形成的样品离子。接着，如图6的图线C中所示，离子阱入口透镜124(点684)的电势被减少，以允许由CI形成的样品离子从离子引导件120移动到离子阱128中，用于诸如质量分析的进一步处理。

作为利用多频宽带波形从离子引导件120去除不想要的EI样品离子的代替方案，可以降低施加到离子引导件120的RF截留电压的幅值。当6或8或更多的多极被使用时，这尤其是有用的。更高级的多极离子引导可以同时截留更大的质量范围。所有的离子引导具有可以被截留的最小质量。该“低质量截断”质量以下的离子低于对于给定电极几何形状(棒直径和间距)、截留频率和RF截留幅值而言的稳定性极限。在质量截断值以下的离子将是不稳定的，并且将不会被截留。质量截断值以上的离子将被截留，但是随着质量变得非常大，截留电势将变得非常浅，截留力将变得非常弱。如果离子引导件120被大量低质量离子(即反应剂离子)填充，所得的空间电荷将导致高质量离子被从离子引导件120去除，这是因为截留力太弱。对于高质量去除，设置显著低于最低质量反应剂离子(在不影响最高质量的反应剂离子的截留的情况下可能的最低电压)的质量截断值将是优选的。此技术没有使用波形那么高效，但是具有更简单的优点，并且不需要额外的电子电路。此技术可以通过如下工序实现。离子引导件120上的RF电压被调节到低值，以允许截留反应剂离子，但不允许截留EI样品离子。RF截留电压随后被调节到更高的值，以允许截留通过CI形成的更高质量的产物离子。然后，产物离子可以被从离子引导件120释放到离子阱128中，用于以上述的方式进行质量分析。

图7是根据本公开的离子源708的实例的剖视图。离子源708包括数个沿样品/离子流方向702和沿纵向轴704连续布置的部件。这些部件包括电离室706、离子源透镜712、离子引导件入口透镜716、离子引导件720和离子阱入口透镜724(或离子引导件出口透镜)。电离室706由任何合适的结构或壳体限定，所述结构或壳体具有围绕纵向轴704布置的样品/离子出口开孔710、相对于纵向轴704横向定向的样品入口开孔714以及同样相对于纵向轴704横向定向的电子入口开孔718。样品入口开孔714也可以用于将反应剂气体流入电离室706中，或者，可以设置单独的反应剂气体入口(没有示出)。因此，样品入口开孔714与合适的样品源(没有示出)如GC连通，或者与样品源和合适的反应剂气体源(没有示出)两者连通。离子排斥电极722被布置在电离室中，并且与电连接726连通，所述电连接726在电离室706的壁处由电绝缘体730支撑。离子排斥电极722一般可以沿共用的纵向轴704与样品/离子出口开孔710一起布置。电子源734被构造为将电离电子束738沿相对于纵向轴704横向的轴指向电离室706中。在本实例中，电子源734包括丝746，所述丝746由任何合适的热离子材料构成，并且夹在电子排斥电极750和电子聚焦电极754之间。此外，电子源734包括电子偏转装置。在本实例中，电子偏转装置包括安装在四极结构中的一组电子偏转电极758。离子源透镜712和离子引导件入口透镜716可以由一个或多个电绝缘体762来安装。离子引导件720可以由类似的手段来安装，并且在本实例中，包括离子引导电极742、744的四极结构，其中两个被示于图7中。

在操作中，丝746由丝电源(没有示出)加热，以生成电子。在电子排斥电极750和电子聚焦电极754之间施加合适的电势将电子朝向偏转电极758定向，其中，电子聚焦电极754将电子聚焦为电子束738。向偏转电极758施加合适的电压偏转电子束738通过电子入口开孔718并进入电离室706。电子束738的偏转被进一步示于图8中，图8是电子源734和电离室706的剖视图，并且包括电子束的偏转的SIMION软件生成模拟。当期望在离子源708中不形成离子时，施加到偏转电极758上的电势可以被反转，以将电子束沿相反方向偏转180度。在电离室706中生成的离子可以经由离子源透镜712和离子引导件入口透镜716被发射到离子引导件720中，并且样品可以以在本公开中前文所述的方式在离子引导件720中经由与反应剂离子的反应而被电离。与离子源透镜712和离子引导件入口透镜716排齐的电绝缘体762也形成电离室706和离子引导件720之间的气密密封，由此保证样品分子被从电离室706导向离子引导件720中，以与反应剂离子反应。在一些实施方式中，离子源708还可以包括围绕离子引导件720的至少入口端并且抵靠离子引导件入口透镜716的护罩766。护罩766减少沿相对于纵向轴704横向的方向的气体传导，从而更好地在离子引导件720中约束气体，并且提高样品和反应剂离子之间的反应效率。

本公开因此提供了用于在外部离子源中选择性实施低压EI和CI和在单独的质量分析器中的随后质量分析的设备和方法。质量分析器可以是基于3D或基于线性离子阱的仪器。在此教导的外部EI/CI装置和离子引导件的线性布置特别好地适于与线性离子阱质谱仪结合使用。还可以看到，可以利用同一设备通过EI或者通过CI形成离子，而无需破坏真空或改变机械部件，由此允许根据用户的需要快速和容易地在EI和CI操作模式之间切换。例如，第一样品可以由EI电离(诸如通过上面结合图5所述的方法)，然后进行质量分析，并且接着，第二样品可以由CI电离(诸如通过上面结合图6所述的方法)，然后进行质量分析，或反之亦可。

而且，电离在低压下进行，并且产物离子随后被注入到质量分析器中。这样，在操作期间质量分析器可以被保持在低温下。这允许离子阱的截留电极组件由更简单的手段来制造，诸如通过将阱电极以规定的对齐精度粘接到电绝缘体上，在其他情况下，这样的手段将与高温操作不相容。此外，避免了与加热电极以防止样品冷凝和劣化的色谱结果的常规要求相关的复杂度。根据本公开执行的电离消除了加热离子阱的电极的需要。作为实例，样品气体被引入到的离子源的温度可以在100℃到300℃的范围内，而用于质量分析的离子阱的温度可以明显更低，诸如低于150℃，或在60℃到150℃的范围内。在实际中，离子阱的温度仅仅需要热到足以初始烘干吸附的水(100℃-150℃)，然后温度可以被降低到室温以上的温度，以通过使得阱电极恒温在高于室温的温度下，来稳定化阱电极的尺寸。

除了常规的反应剂诸如甲烷之外，低压电离允许更宽范围的化学品被用作反应剂，诸如甲醇、乙腈等，由此使得更宽范围的电离策略或分裂途径变得可用。低压电离还允许反应剂离子可以以受控方式被截留期望的时间长度，由此允许提高反应时间和离子产率。

将会理解的是，本文公开的设备和方法可以应用于级联MS应用(MS/MS分析)和多MS(MSⁿ)应用。例如，期望m/z范围的离子可以被截留，并利用用于与“父”离子碰撞的合适背景气体(例如氦)，通过已知的手段，使得所述离子经历碰撞诱导解离(CID)。然后可以对所得的片段或“子”离子进行质量分析，并且该过程可以被重复，以连续生成离子。除了发射不期望的m/z值的离子和发射用于检测的离子，本文中公开的共振激励方法可以用于通过增大离子振荡的幅值来促进CID。

还应理解的是，在本文所公开的实施方式中施加的交流电压不限于正弦波形。可以使用其他周期性波形诸如三角(锯齿)波、方波等。

一般来说，术语诸如“连通”和“与......连通”(例如，第一部件“与”第二部件“连通”)在本文中用于表示两个或更多个部件或元件之间的结构、功能、机械、电学、信号、光学、磁、电磁、离子或流体关系。因此，说一个部件与第二部件连通并不是要排除额外的部件可以存在于第一和第二部件之间和/或与第一和第二部件以操作方式关联或配合的可能性。

应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前面的描述仅仅用于说明的目的，并且不是为了限制-本发明由权利要求限定。

Claims (18)

1.一种通过化学电离来电离样品的方法，所述方法包括：

将样品和反应剂气体流入处于低于0.1Torr的压力下的离子源；

在将所述离子源保持在低于0.1Torr的压力下的同时，通过电子电离而电离所述离子源中的反应剂气体以产生反应剂离子；

将所述反应剂离子发送到离子引导件中；

将所述样品从所述离子源流入到所述离子引导件中；

使得所述样品与所述反应剂离子在低于0.1Torr的压力下在所述离子引导件中反应，以产生所述样品的产物离子；以及

将所述产物离子从所述离子引导件发送到离子阱中，用于质量分析。

2.如权利要求1所述的方法，包括：在发送所述产物离子时，将所述离子阱保持在低于150℃的温度下。

3.如权利要求1所述的方法，包括：在使得所述样品与所述反应剂离子反应时，将所述反应剂离子截留期望的时间长度。

4.如权利要求1所述的方法，包括：通过在所述离子引导件中施加随时间变化的四极电场，在使得所述样品与所述反应剂离子反应时，将所述反应剂离子在所述离子引导件中截留期望的时间长度。

5.如权利要求1所述的方法，包括：将在所述离子源中通过电子电离而产生的样品离子与所述反应剂离子一起发送到所述离子引导件中，并且在将所述样品与所述反应剂离子反应之前，从所述离子引导件去除所述样品离子。

6.如权利要求5所述的方法，其中，去除所述样品离子包括：通过在所述离子引导件的成对相反电极之间施加补充的随时间变化的电场，从所述离子引导件共振发射所述样品离子。

7.如权利要求5所述的方法，其中，去除所述样品离子包括：将施加到所述离子引导件的电极的、随时间变化的截留电场调节到足以截留所述反应剂离子但不足以截留所述样品离子的低值。

8.如权利要求1所述的方法，包括：在产生所述产物离子之后，从所述离子引导件去除所述反应剂离子。

9.一种用于操作离子源的方法，所述方法包括：

通过电子电离，在所述离子源中电离第一样品以产生第一样品离子，同时将所述离子源保持在低于0.1Torr的压力下；

将所述第一样品离子发送到离子阱，用于质量分析；

在将所述离子源继续保持在低于0.1Torr的压力下的同时，将反应剂气体和第二样品流入到所述离子源中；

通过电子电离，在所述离子源中电离所述反应剂气体，以产生反应剂离子；

将所述反应剂离子发送到离子引导件中；

将所述第二样品从所述离子源流入到所述离子引导件中；

使得所述第二样品与所述反应剂离子在低于0.1Torr的压力下在所述离子引导件中反应，以产生所述第二样品的产物离子；以及

将所述产物离子从所述离子引导件发送到离子阱中，用于质量分析。

10.如权利要求9所述的方法，包括：在使得所述第二样品与所述反应剂离子反应时，将所述反应剂离子截留期望的时间长度。

11.如权利要求9所述的方法，包括：将在所述离子源中通过电子电离而产生的样品离子与所述反应剂离子一起发送到所述离子引导件中，并且在将所述第二样品与所述反应剂离子反应之前，从所述离子引导件去除所述样品离子。

12.一种质谱仪设备，包括：

离子源，包括电离室和电子源，所述电子源被配置为将电子束导向所述电离室中，所述电离室具有一个或多个用于接收样品和反应剂气体的入口；

真空泵，被配置为将所述电离室中的压力保持在低于0.1Torr；

离子引导件，包括多个引导电极，并被配置为施加射频RF离子截留电场，所述引导电极围绕与所述电离室连通的离子引导件内部空间；

第一离子光学器件，被布置在所述离子源和所述离子引导件之间，并且被配置来施加电势垒；

离子阱，包括多个阱电极，并被配置用于对离子进行质量分析，所述阱电极围绕与所述离子引导件内部空间连通的离子阱内部空间；以及

第二离子光学器件，被布置在所述离子引导件和所述离子阱之间，并且被配置来施加电势垒。

13.如权利要求12所述的质谱仪设备，其中，所述电子源包括电子偏转器，所述电子偏转器被配置为将所述电子束选择性地偏转离开所述电离室。

14.如权利要求12所述的质谱仪设备，其中，所述离子引导件被配置为从所述离子引导件内部空间去除反应剂离子。

15.如权利要求12所述的质谱仪设备，其中，所述多个引导电极包括至少四个被配置来施加二维离子截留场的轴向伸长电极。

16.如权利要求12所述的质谱仪设备，包括以气密方式布置在所述离子源和所述离子引导件之间的电绝缘体，其中，所述第一离子光学器件被安装到所述电绝缘体上。

17.如权利要求12所述的质谱仪设备，包括护罩，所述护罩从所述第一离子光学器件轴向延伸并且包围所述引导电极中的至少一部分。

18.如权利要求12所述的质谱仪设备，其中，所述离子阱是二维或三维离子阱。