CN102339720B

CN102339720B - 一种大气压下进样离子源装置

Info

Publication number: CN102339720B
Application number: CN201110287893.9A
Authority: CN
Inventors: 聂宗秀; 王佳宁; 熊彩侨; 周晓煜
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102339720A

Abstract

本发明公开了一种大气压下进样离子源装置。所述离子源装置包括进样管、脉冲电磁阀门和样品传输管；所述进样管和样品传输管分别与所述脉冲电磁阀门的入口和出口密封连接。本发明还提供了包括上述离子源装置的离子阱质谱仪。本发明由于采用脉冲电磁阀门，因此能根据不同样本类型和状况方便调节不同门控时间，用于拓展到对细胞、细菌等多种生物颗粒的测定，并有利于各种颗粒的快速鉴定等方法的建立。本发明可以广泛应用于对各种微米和亚微米级颗粒质量的测定中，可以是液体悬浮的颗粒，气溶胶，也可以是干燥粉体。

Description

一种大气压下进样离子源装置

技术领域

本发明涉及一种颗粒离子源装置，特别涉及一种大气常压进样、测量微纳尺度颗粒的离子源装置。

背景技术

目前，微米及纳米颗粒由于具有特殊的电学、光学、热动力学、化学及生物学特性，越来越受到物理、化学及生物等相关领域的关注。常见的颗粒物质，例如灰尘、大气溶胶、病毒、细胞等在大自然中都发挥着重要的作用，因此对这些颗粒物质的大小、质量及化学成分的表征具有重要的意义。

质谱是一种对物质进行质量测定及定性的分析方法，这种方法具有灵敏、快速及准确等优点，在近代生命科学研究中扮演着关键的角色。现代质谱仪器能测量的物质尺寸在10nm以下，约等于1百万原子单位。而微米级颗粒远远超出现代质谱仪的测量范围，不能用传统的质谱仪对其进行质量测定。同时由于微米级颗粒物质广泛存在于环境中，并且其分布差异大，需要进行现场及实时的分析。因此，需要设计出具有新的电离及离子检测手段，并且小型、便携的质谱仪实现对颗粒物质的分析。

近年来，微米级颗粒质量的测定技术在不断的发展。2001年菲尔斯特诺(Fuerstenau)等人利用电喷雾-飞行时间-电荷感应管质谱系统首次成功地测定了一些已知质量的病毒(水稻黄斑病毒和烟草花叶病毒)，这种方法快速便捷，上千颗病毒粒子质量的测定可以在半小时内完成。但是，由于感应电流的检测及离子穿过感应管时所需时间的限制，其所测得的质量误差比较大，约15％左右；而且飞行时间质谱的体积比较大，不利于实现小型化。2002年和2003年蔡等分别采用电喷雾-四极离子阱-光散射检测器以及基质辅助激光解吸-双四极离子阱-荧光检测器对0.91μm和1.10μm聚苯乙烯球的质量进行了测定，测得的质荷比超过了10⁹，误差小于1％。但是实验过程中需要利用电子枪改变囚禁离子的电荷量，相应的操作和计算繁琐费时，也限制了该方法的应用。随后，彭等在2005年又发展了颗粒物质的激光诱导声波解析电离法，此方法只需要将颗粒物质的溶液滴在硅片上，让溶剂挥干，然后用激光去照射硅片的背面，激光诱导的声波使样品解析，虽然这种解析/离子化方法的效率比较低，但对于利用光学方法分析质量时只需要单颗粒子而言已经足够了。相比于基质辅助激光解吸，激光诱导声波解吸可以实现病毒、细胞等没有坚硬外壳的生物颗粒的电离。聂等利用激光诱导声波解吸-圆柱离子阱-光散射的方法实现了对人类腺病毒、彩虹病毒和牛痘病毒的分析。在2007年，彭等又发展了激光诱导声波解析-电荷检测质谱法用于细胞及微颗粒质量的快速测定，通过频率扫描可以获得颗粒物质的质荷比，通过电荷检测器可以直接获得其所带的电荷量，这样颗粒物质的质量就能很方便地计算获得。在此基础上，聂等利用激光诱导声波解吸-四极离子阱-电荷检测的方法测定了一系列动物以及正常人和贫血病人的红细胞的质量。随后又发展了一种结构简单、体积小，并能够实现快速测定颗粒质量的激光诱导声波解吸-圆柱形离子阱-电荷检测质谱仪。

上述研究均着重于颗粒物质新的电离及快速检测方法的建立和改进，实现了颗粒质量的快速测定。激光诱导声波解吸作为一种将颗粒引入离子阱的方法尽管已经很成熟但每次进样都要花较多的时间恢复真空，每个检测都要对光路进行调制，显著限制了检测通量。此外激光器的能量消耗也限制了整个仪器的小型化和机动性。为了进一步适应颗粒物质的现场及原位分析的需要，发展更便捷，通用和高效的样品引入技术能够实现颗粒质量高通量测定与实时监测的小型化颗粒质谱仪是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高通量，通用，连续检测的大气常压进样离子源装置，可用于结合离子阱-电荷检测的快速小型化颗粒质谱仪，且无需激光，显著降低能耗。

本发明提供的一种大气压下进样离子源装置，其特征在于：所述离子源装置包括进样管、脉冲电磁阀门和样品传输管；所述进样管和样品传输管分别与所述脉冲电磁阀门的入口和出口密封连接。

上述的离子源装置中，所述进样管和样品传输管均可通过橡胶管与所述脉冲电磁阀门密封连接，如硅橡胶管。

上述的离子源装置中，所述样品传输管的材质可为不锈钢、高分子聚合物或玻璃；所述高分子聚合物可为塑料或橡胶等。

上述的离子源装置中，所述样品传输管的长度可为3cm～30cm；所述样品传输管的内径可为0.2mm～0.8mm。

上述的离子源装置中，所述脉冲电磁阀门的开启频率为0.2Hz～2Hz，所述脉冲电磁阀门的开启时间为2ms～20ms，利用所述电磁阀门开启后大气压与真空腔体的压力差提供样品传输动力，样品可通过射频电压在低真空下辉光放电电离也可通过样品在所述样品传输管中的传输路径摩擦电离；样品可以是液体悬浮的状态，也可以是干燥粉体。

上述的离子源装置中，所述进样管的进样口还可设置其它接口，以及可外加辅助气流和电场力，包括结合电喷雾电离。

本发明还提供了一种质谱仪，其包括上述的大气压进样离子源装置、离子阱、电荷检测器和电磁屏蔽罩；所述离子阱包括上端电极、环电极和下端电极；所述上端电极和所述下端电极分别设于所述环电极的两端；所述上端电极上设有通孔a，所述下端电极上设有通孔b；所述样品传输管的出口与所述通孔a相连通；所述电荷检测器设于所述电磁屏蔽罩的腔内的底部上，所述电磁屏蔽罩的顶部上与所述通孔b的位置相应处设有通孔c。

上述的质谱仪中，所述通孔c上可固设有允许颗粒离子穿过的栅网；所述栅网和所述下端电极之间的距离可为5mm～15mm。

上述的质谱仪中，所述上端电极和下端电极与所述环电极之间均可设有绝缘材料，如陶瓷等。

上述的质谱仪中，所述离子阱的阱半径可为1mm～10mm；所述上端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离可为1mm～5mm；所述下端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离可为1mm～5mm。

本发明提供的离子源装置不仅适用于上述离子阱-电荷检测器颗粒质谱仪上，还可适用于其它形式的颗粒质谱检测仪器，如四极杆质谱仪或飞行时间质谱仪等。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明由于采用包括大气常压进样离子源，小型四极离子阱、电荷检测器和电磁屏蔽罩的质谱仪，结构简单，无需激光，能耗少，降低了使用与维护成本。2、本发明由于采用在电磁屏蔽罩空腔的底部设置有电荷检测器，经离子阱抛出的被测样品颗粒离子由电荷检测器进行检测，能同时获得颗粒离子的质荷比和电荷数，因此，实现了对颗粒质量的快速测定。3、本发明由于采用的大气常压进样方式具有很小的体积，因此使得在通过样品传输管进样后后恢复真空度所需时间比激光声波解析更换样品的恢复时间要显著地少，并且可以连续周期性进样分析样品，所需的真空条件只需要机械泵就可以提供，为颗粒质谱的进一步简化和扩展提供了有利的条件。4、本发明由于采用脉冲电磁阀门，因此能根据不同样本类型和状况方便调节不同门控时间，用于拓展到对细胞、细菌等多种生物颗粒的测定，并有利于各种颗粒的快速鉴定等方法的建立。5、本发明可以广泛应用于对各种微米和亚微米级颗粒质量的测定中，可以是液体悬浮的颗粒，气溶胶，也可以是干燥粉体。

附图说明

图1是本发明实施例1的大气压进样离子源装置的结构示意图。

图2是本发明实施例2的质谱仪的结构示意图。

图3是本发明实施例3中对3μm聚苯乙烯球标准品进行测量获得的质量分布柱状图。

图4是本发明实施例3中对结肠癌细胞样本进行测量得到的质量分布柱状图。

图中各标记如下：1脉冲电磁阀门、2进样管、3硅橡胶管、4样品传输管、5离子阱、6电荷检测器、7电磁屏蔽罩、8通孔c、9通孔a、10通孔b。

具体实施方式

下述结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例1、大气压进样离子源装置

本实施例提供的大气压进样离子源装置包括进样管2、脉冲电磁阀门1和样品传输管4；样品传输管4的材质为不锈钢，其长度为10cm，内径为0.5mm；进样管2的出口和样品传输管4的入口均通过硅橡胶管3与脉冲电磁阀门1密封连接，脉冲电磁阀门1的开启频率为1Hz，开启时间窗口为10ms。

上述实施例中，脉冲电磁阀门1一般为关闭状态，通过脉冲发生器控制打开，其开启频率可在0.2Hz～2Hz的范围内进行调节，开启时间窗口可在2ms～20ms的范围内进行调节；样品传输管4的长度可在3cm～30cm的范围内进行调节，其内径可在0.2mm～0.8mm的范围内进行调节。

实施例2、大气常压进样质谱仪

本实施例提供的大气常压进样质谱仪包括实施例1的离子源装置、双曲面型四极离子阱5、电荷检测器6和电磁屏蔽罩7；双曲面型四极离子阱5包括上端电极、环电极和下端电极(图中未标出)，上端电极和下端电极分别设于环电极的两端；离子阱5的阱半径为5mm，上端电极与离子阱5的阱中心之间的距离为5mm，下端电极与离子阱5的阱中心之间的距离为5mm；上端电极上设有通孔a9，下端电极上设有通孔b10；样品传输管4的出口与通孔a9相连通；电荷检测器6设于电磁屏蔽罩7的腔内的底部上，电磁屏蔽罩7的顶部上与通孔b10的位置相应处设有通孔c8，通孔c8上固设有允许颗粒离子穿过的栅网(图中未示出)，该栅网与端电极之间的距离为10mm。

上述的质谱仪中，栅网与下端电极之间的距离可在5mm～15mm的范围内进行调节；上端电极和下端电极与环电极之间均可设有绝缘材料，如陶瓷等；离子阱5的阱半径可在1mm～10mm的范围内进行调节；上端电极与离子阱的阱中心之间的距离可在1mm～5mm的范围内进行调节；下端电极与离子阱5的阱中心之间的距离可在1mm～5mm的范围内进行调节。

使用上述质谱仪时，被测样品加在进样管2后，通过打开脉冲电磁阀门1，使得真空区和大气短暂连通，产生的气流速度可超过音速，将被测样品带入样品传输管4，通过通孔a9引入到离子阱5中，通过频率扫描或电压扫描等方式将颗粒离子从通孔b10抛出阱外，并通过电磁屏蔽罩7顶部的通孔c8撞击到电荷检测器6上，进而实现对颗粒离子的检测。

本实施例的质谱仪采用双曲面型四极离子阱，其能耗少，体积小，对应射频电压也小，也降低了对真空度的要求，适合用于构建现场便携式分析仪器，并且可以得到很好的分辨率和灵敏度。

实施例3、实施例2的质谱仪的应用

(1)对标准颗粒3μm聚苯乙烯球(购于美国国家标准与技术协会(NIST))的质量进行测定

首先，将聚苯乙烯球标准品悬浮液用去离子水进行清洗，将溶液中叠氮化钠离心去除。将样品用甲醇/水(1∶1)悬浮，然后将所制得的悬浮液滴加入大气进样管2中；打开脉冲电磁阀门1利用负压将样品通过样品传输管4引入真空区；进而依次开启真空泵、脉冲发生器、函数发生器、射频放大器、电荷检测器电源及数据处理系统，并利用氦气对真空体系的压力进行调节，同时设置好相关仪器的参数；设定的具体条件为：离子阱5中的气压为3Pa，环电极射频电压Vac(0～p值)为500-1000V，端电极接地，频率扫描范围为900Hz～100Hz，线性扫描时间为5s，脉冲发生器控制的脉冲电磁阀门1开启时间为2-10ms，频率0.2-2Hz。

实验时用脉冲电磁阀门1打开形成的负压差(或者结合外加结合辅助气和电场力)将颗粒引入真空区，样品进入离子阱5后被捕获，进而通过频率扫描方式将离子不稳定抛出离子阱5外，并利用电荷检测器6对离子进行检测，进而获得一带电量对应扫描时间的谱峰，其中的每一个峰都代表一个聚苯乙烯球。获得的原始数据根据已有技术可以直接转化为所测物质的质量分布。

对将近200-1000颗聚苯乙烯球的m值进行统计后得到的质量分布柱图(如图3所示)，其平均质量为7.03×10¹²Da，质量分布的标准偏差为18.8％。

(2)对培养的细胞进行质量的测定

对于生物颗粒样本结肠癌细胞进行质量的测定，上述基本仪器测试操作条件不变，所不同仅在于样品前处理：即将分离或培养收集的细胞悬液按照标准流式细胞分析术的方法进行固定化和分散即可；上样方法和测定聚苯乙烯颗粒的方法一致。得到结肠癌细胞样本的质量分布柱状图，如图4所示，其平均质量为2.31x10¹³Da，质量分布标准偏差为49.9％。

上述各实施例仅用于说明本发明，电压的施加方式、各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种大气压下进样离子源装置，其特征在于：所述离子源装置包括进样管、脉冲电磁阀门和样品传输管；所述进样管和样品传输管分别与所述脉冲电磁阀门的入口和出口密封连接；所述样品传输管的长度为3cm～30cm；所述样品传输管的内径为0.2mm～0.8mm。

2.根据权利要求1所述的离子源装置，其特征在于：所述进样管和样品传输管均通过橡胶管与所述脉冲电磁阀门密封连接。

3.根据权利要求1或2所述的离子源装置，其特征在于：所述样品传输管的材质为不锈钢、高分子聚合物或玻璃。

4.根据权利要求1或2所述的离子源装置，其特征在于：所述脉冲电磁阀门的开启频率为0.2Hz～2Hz，所述脉冲电磁阀门的开启时间为2ms～20ms。

5.一种质谱仪，其特征在于：所述质谱仪包括权利要求1-4中任一所述离子源装置、离子阱、电荷检测器和电磁屏蔽罩；所述离子阱包括上端电极、环电极和下端电极；所述上端电极和所述下端电极分别设于所述环电极的两端；所述上端电极上设有通孔a，所述下端电极上设有通孔b；所述样品传输管的出口与所述通孔a相连通；所述电荷检测器设于所述电磁屏蔽罩的腔内的底部上，所述电磁屏蔽罩的顶部上与所述通孔b的位置相应处设有通孔c。

6.根据权利要求5所述的质谱仪，其特征在于：所述通孔c上设有栅网；所述栅网和所述下端电极之间的距离为5mm～15mm。

7.根据权利要求5或6所述的质谱仪，其特征在于：所述上端电极和下端电极与所述环电极之间均设有绝缘材料。

8.根据权利要求5或6所述的质谱仪，其特征在于：所述离子阱的阱半径为1mm～10mm；所述上端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离为1mm～5mm；所述下端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离为1mm～5mm。