CN102414779A - 离子迁移管与质谱仪系统 - Google Patents

Abstract

用于分析样本的方法的特征在于包括步骤：在电离室内在基本大气压下从样本产生离子；将离子夹带在背景气中；使用具有入口端和出口端的离子迁移管将背景气和夹带的离子迁移至质谱仪系统的真空室中，其中离子迁移管邻近出口端的部分的内径大于离子迁移管的毗连部分的内径；以及使用质谱仪系统的质量分析器分析离子。质谱仪系统的特征在于：离子源，可操作为在基本大气压下从样本产生离子；质量分析器，位于抽真空壳体的内部，可操作为分离和检测离子。

Description

离子迁移管与质谱仪系统

技术领域

本发明通常涉及质谱仪系统，更确切地涉及用于在质谱仪的不同压力区域之间传输离子的离子迁移管。

背景技术

在质谱分析技术中，离子迁移管是公知的，用于将离子从通常工作在大气压下或大气压附近的电离室传输到压力减小的区域。一般来说，离子迁移管通常由窄的细长管道组成，该管道具有通向电离室的入口端和通向压力减小区域的出口端。在电离室中形成的离子(例如经由电喷雾电离(ESI)或大气压化学电离(APCI)处理)与部分脱溶的液滴和背景气一起进入离子迁移管的入口端，在压力梯度的影响下穿过离子迁移管的长度，离开出口端进入较低压力的室，即质谱仪的第一真空级。离子接着穿过一个或多个分隔物中的孔、可能在截取锥中的孔，通过压力依次降低的区域，之后被传送至用于获取质谱的质量分析器中。

图1是一般的传统质谱仪系统的简化示意图，其中该传统质谱仪系统包括经由离子迁移管耦合至分析区域的大气压电离(API)源。参照图1，安置在电离室14中的API源12被连接以通过毛细管7从相关装置接收液体样本，该相关装置例如是液相色谱仪或注射泵。API源12任选地是电喷雾电离(ESI)源、加热的电喷雾电离(H-ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压基体辅助激光解析离子(MALDI)源、光致电离源、或者使用以基本在质量分析器28的工作压力(例如从约1托至约2000托)之上的压力工作的任何其它电离技术的源。此外，术语API源旨在包括组合多个上述源类型的“多模式”源。API源12形成代表样本的带电粒子9(离子、或者可被脱溶以释放离子的荷电液滴)，带电粒子接着从API源12通过至少一个中间真空室18传输到高真空室26中的质量分析器28。特别是，液滴或离子被夹带(entrain)在背景气中，并且从API源12通过离子迁移管16被传输到中间真空室18，其中，离子迁移管16穿过第一分隔元件或壁11，中间真空室18保持在比电离室14的压力低但比高真空室26的压力高的压力下。离子迁移管16可以物理地耦合至加热元件或块23，加热元件或块23将热量提供给离子迁移管中气体和夹带的粒子，以帮助荷电液滴脱溶，从而释放自由离子。

由于电离室14与中间真空室18之间的压差(图1)，导致气体和夹带的离子流过离子迁移管16进入中间真空室18。板或第二分隔元件或壁15将中间真空室18与高真空室26或可能第二中间压力区域(未示出)隔开，第二中间压力区域保持在比室18的压力低但比高真空室26的压力高的压力下。离子光学组件或离子透镜20提供电场，该电场通过第二分隔元件或壁15中的孔22引导和聚焦离开离子迁移管16的离子流，孔22可以是截取锥21的孔。可以提供第二离子光学组件或透镜24，以将离子迁移或引导至质量分析器28。离子光学组件或透镜20可以包括迁移元件，例如多极离子导向器，以引导离子通过孔22并进入质量分析器28中。质量分析器28包括一个或多个检测器30，检测器30的输出可以显示为质谱。真空口13用于将中间真空室抽成真空，真空口19用于将高真空室26抽成真空。

图2是公知的离子迁移管的一部分，特别是出口部分50的示意图。图2的上下部分别示出了出口部分50的剖视图和立体图。离子迁移管包括具有中空内部或内腔(bore)54的管52(在此实施例中的圆柱形管)，通过中空内部或内腔54的流向以虚线箭头示出。在离子迁移管的出口端51处，以基本平的端面56作为管52的末端，端面56与管的长度和流向基本垂直。此外，在所示的圆柱形管是截头圆锥形表面的情况下，斜面或斜切面58被设置成与端面成一角度，以与端面56和管52的外圆柱形表面都相交。面58可用于使离子迁移管的出口端与中间真空室18的内部中的匹配结构元件(未示出)对齐并位于该匹配结构元件上，或者可用于在插入质谱仪仪器时穿透真空密封元件或阀，例如Abramson等人的第6,667,474号美国专利所公开的密封球，该专利的全部内容通过引用并入本文。

通常，跨越离子迁移管(例如图1的离子管16)的长度具有750到760托的压差，这将导致出口端的扩张。此扩张表现为流入质谱仪的第一真空级的包含离子化被分析物的气体的速度的快速增加。根据一些结构，扩张的羽流甚至可以变成可在较低压室内出现的超声波和冲击波。应当理解，此扩张可能导致使离子迁移穿过真空界面的次最佳条件，以及例如可能导致基于某些离子的电荷态而抑制这些离子。

传送至质量分析器的离子数量(例如通过峰值强度或总离子数测量的)部分地取决于通过离子迁移管的流量(flow rate)。通常希望提供较高的通过离子迁移管的流量，以将更多的离子传输到质量分析器和获得高的仪器灵敏度。虽然可以通过扩大管的内腔(内径)来增大通过离子迁移管的流量，但是这种离子迁移管直径的扩大将导致气体负荷的增加，该气体负荷在泵排量没有增大的情况下使真空室中的压力也增加。因为必须将质量分析器和检测器区域保持在高真空条件下，所以必须通过增加所使用的真空泵的数量和/或增加真空泵的泵排量来抵消压力的增加。当然，增加真空泵的数量和/或排量也增加了质谱仪的成本、以及功率要求、装运重量与成本和工作台空间要求。因此，为了实用，离子迁移管的内径应较小，大约500微米。

通过小直径的离子迁移管的背景气和夹带的离子化被分析物的强制流可能使背景气和被分析物的速度显著地增加。在某些结构中，离子迁移管是短的(通过简单的孔)并且可能成形为渐缩渐阔(de Laval)喷嘴，当流离开离子迁移管的出口端时流可能成为超声波。然而一般地说，管内部的粘滞曳力将使流保持在管内并且可能以亚音速离开管。在这种条件下，可以使用管内流体流的雷诺数Re，这个无量纲的量定义为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρvL}}{\mathrm{\η}}$

其中ρ是密度(kg/m³)，v是速度(m/s)，L是特征长度和η是流体粘度(Pa-s)。

因为离子迁移管的小截面积和所期望的管内高流量，管中流态可，管内流的雷诺数可与过渡流态(既不是全层流式也不是全紊流式)相对应，以及离开管的扩张羽流的雷诺数可与过渡流或紊流相对应。令人遗憾地，离开离子迁移管的此非层流和可能紊流经常使许多离子没有流入装置的下游孔和室内。此外，沿中间真空室内所产生的偏离轨道的离子可能遇到来自装置中各种离子光学元件的弯曲边缘电场。可以预料具有低质荷比(m/z)的离子对该电场的轨道弯曲效应更加敏感，从而导致(m/z)选择性的离子损耗。

对于更实际的问题，为了制造具有明确限定的长度的这些离子迁移管，必须实施修边步骤。此步骤产生了毛细样品之间的不能再现的细微差异。发明人已经试验地观察到，这些表面变化导致基于(m/z)变化的检测到的离子丰度，以及甚至可能增加的诸如肽的易碎离子的裂解。此外发明人已经试验地确定，使用根据本发明的离子迁移管使一些离子的所检测的丰度提高，此外当使用传统的离子迁移管时，这些离子的相对比例或绝对丰度不足。即使特别制造的完全成直角的管端也不能使这些离子的检测到的丰度可与本发明的检测丰度相比，本发明使用具有至少一个直径变化的圆柱形管内部。

因此，假设离子迁移管的出口端处的紊流或其它扰乱流或扰动流的几何形状或传播可以高度取决于与离子迁移管的出口端处的微小形状变化、或锐角的存在、表面粗糙度或其它不平整度有关的粘滞曳力的细微变化。假设因此产生的离开传统离子迁移管的可变和不受控制的流可能使离子远离标准仪器轨道而分散，因此导致来自仪器系统的实际物理损失，或者当易碎离子遇到高RF电压区域时可能的裂解。提供专用工具制造避免此变化的精确复制品将导致制造成本预期的增加。

不管确切的原因，降低的传输效率、选择性的离子损耗和可能的离子裂解的上述结果似乎以前没有被认识到，因为在实际中通过调节管或离子光学元件的位置、室压力的变化或其它工作参数，似乎已经可以至少部分地抵消与离子迁移管的出口端变化有关的传输效率变化。但是，并非所有的装置结构都允许这种调节。因此需要能够提供高离子传输效率的离子迁移管几何结构，并且可以容易地且低成本地再制造离子迁移管几何结构。本发明提供了解决此重要问题的方案。

发明内容

根据本教导的用于分析样本的方法的特征在于包括步骤：在电离室内在基本大气压下从样本产生离子；将离子夹带在背景气中；使用具有入口端和出口端的离子迁移管将背景气和夹带的离子迁移至质谱仪系统的真空室中，其中离子迁移管邻近出口端的部分的内径大于离子迁移管的毗连部分的内径；以及使用质谱仪系统的质量分析器分析离子。

此外根据本发明的质谱仪系统的特征在于：离子源，可操作地在基本大气压下从样本产生离子；质量分析器，位于抽成真空的壳体的内部，可操作地根据质荷比分离和检测离子；中间压力室，具有保持在小于大气压且大于抽成真空的壳体的内部的压力的压力下的内部，中间压力室具有第一和第二孔；离子迁移管，耦合至第一孔，可操作地将具有夹带有离子的背景气迁移到中间压力室，离子迁移管具有入口端和出口端，其中离子迁移管邻近出口端的部分的内径大于离子迁移管的毗连部分的内径；离子光学器件，设置在离子迁移管的出口端与第二孔之间，可操作地将离开离子迁移管的出口端的离子引导至第二孔；以及至少一个附加的离子光学元件，可操作地将离子从第二孔迁移至质量分析器。

离子迁移管出口端的直径的增大使气体还在毛细管中时就进行膨胀，这样降低了出口处的速度，从而降低了出口紊流并且也许冲击波的影响。直径增大处的点相对于离子迁移管的出口端，位于离子迁移管中的足够远处，这样形成具有相关径向速度分布的层流。可以看到的一些益处是，增加了多倍带电离子的传输以及减少了易碎离子裂解的发生。额外的益处在于，可以以非常明确限定的方式(例如通过利用在毛细管的ID至OD的范围内的钻孔直径进行钻孔)和不增加加工成本情况下加工离子迁移管。

附图简要说明

根据仅通过实施例并且参照未按比例绘制的附图给出的以下描述，本发明的上述方面和各个其它方面将变得显而易见，在附图中：

图1是包括离子迁移管的广义传统的质谱仪系统的第一实施例的示意图；

图2是以截面图和立体图方式示出的已知的离子迁移管的一部分的示意图；

图3是根据本教导的各个实施方式的离子迁移管的截面图；

图4是根据本教导的各个实施方式的第二离子迁移管的截面图；

图5是根据本教导的各个实施方式的第三离子迁移管的截面图；

图6是根据本教导的各个实施方式的第四离子迁移管的截面图；

图7是根据本教导的各个实施方式的第五离子迁移管的截面图；

图8是根据本教导的各个实施方式的质谱仪系统的示意图；

图9是根据本教导的各个实施方式的另一个质谱仪系统的示意图；

图10是描绘了六肽ALELFR(Ala-Leu-Glu-Leu-Phe-Arg)的双倍带电分子离子通过堆叠环形离子导向(SRIG)的传输相对于施加到SRIG的RF电压的图表，其中使用传统的离子迁移管和根据本发明的离子迁移管以将离子从大气压离子源迁移至SRIG；

图11a是在具有台阶的管中流动的流体的流线的示意图；

图11b是在具有台阶的管中流动的流体的流速等值线的示意图；以及

图12是在根据本教导的质谱仪装置中分析离子的方法的流程图。

具体实施方式

给出以下描述以使任何本领域的技术人员都能作出和使用本发明，而且下面描述是在具体应用及其要求的情况下提供的。对本领域普通技术人员而言对所描述的实施方式的各种修改都是显而易见的，而且本文的一般原则可用于其他实施方式。因此，本发明不是旨在限于所示的实施方式和实施例，而是根据所示和所述的特征和原则获得尽可能大的范围。

参考附图3至图12并结合下面讨论，更具体地描述了本发明的特征。

图3是根据本教导的各个实施方式的离子迁移管，离子迁移管100的一部分的截面图。类似于图2中类似元件定义图3中的参考标记51、52、54、56和58。与图2所示的传统离子迁移管相比，图3所示的离子迁移管的中空内部包括位于离子迁移管的出口端处的扩张的中空内部部分或内腔54a，扩张的中空内部部分或内腔54a的直径D比主中空内部部分或内腔54的直径d大。主中空内部部分或内腔54和扩张的中空内部部分或内腔54a的截面都是圆形的，其中D＞d。换句话说，管52的限定这些中空内部部分的两个内表面都是圆柱形的。此外，这些圆柱形表面都与轴55平行。扩张的中空内部部分或内腔54a通过具有台阶高度Δd(参见图3的插图90中的放大部分)的台阶面60与主中空内部部分或内腔54(沿管52的大部分长度)毗连，台阶面60与轴55基本垂直或正交。需要注意，沿轴55的箭头表示流向。

图4是根据本教导的各个替代实施例的另一个离子迁移管，离子迁移管120的一部分的截面图。离子迁移管包括第一管构件52a，第一管构件52a与第二管构件52b通过两个管构件之间的气密密封件毗连。第一管构件52a具有中空内部部分或内腔54，中空内部部分或内腔54具有内径为d的圆形截面。第二管构件52b具有中空内部部分或内腔54a，中空内部部分或内腔54a具有内径为D的圆形截面，其中D＞d。气体与夹带的离子的流一起处于如沿轴55的箭头所示的从第一管构件52a到第二管构件52b的方向中。因此，管构件52b包括离子迁移管120的气体和离子出口，与两个管构件相对应的内径的差形成台阶63，以在流动方向产生更大的直径。

图5是根据本教导的各个替代实施方式的另一个离子迁移管，离子迁移管150的一部分的截面图。除了扩张的中空内部部分或内腔54a通过截头圆锥形表面61与主中空内部部分或内腔54毗连之外，离子迁移管150与图3所示的离子迁移管100相同。

图6是根据本教导的各个其它替代实施方式的另一个离子迁移管，离子迁移管180的一部分的截面图。图6所示的离子迁移管180包括靠近出口端的连续的直径增大。离子迁移管180的直径扩大部分被限制在由截头圆锥形表面62部分地围绕的内部体积区域中，截头圆锥形表面62与端面56相交。由截头圆锥形表面62部分地围绕的管内区域可以称作锥形孔(countersink)。

图7是根据本教导的各个其它替代实施方式的第五离子迁移管的截面图。图5所示的离子迁移管190使用多个后台阶(backstep)，以形成一个以上的扩大的中空内部区域或内腔，不同的中空内部区域或内腔具有沿流动方向增大的内径。在图7所示的实施例中，离子迁移管包括两个后台阶——第一后台阶60a和第二后台阶60b，第一后台阶60a将主中空内部部分或内腔54与第一扩张的中空内部部分或内腔54a分开，第二后台阶60b将第一扩张的中空内部部分内腔54a与第二扩张的中空内部部分或内腔54b分开。可以使用两个以上的这种后台阶。虽然后台阶的表面示为与离子迁移管的长度垂直，但是它们也可以包括斜面或斜切面。

图3所示的离子迁移管100的扩张的中空内部部分或内腔54a可以称作扩孔(counterbore)，使亚音速气体和夹带的离子和带电粒子在离子迁移管的出口端处速度下降。离子迁移管120(图4)的第二中空内部部分或内腔54a产生类似的效果。此速度的减小降低了任何紊流或其它流扰动或扰乱的大小和影响，该紊流或其它流扰动或扰乱在背景气和夹带的带电离子离开离子迁移管的出口端时发生。表面60在流体流动领域中称为“后台阶”。

在离子迁移管150(图5)中，如图所示，后台阶61稍微有角度。此有角度的结构在完全成直角的台阶(图3)上改进，因为有角度的台阶在管内产生更少的紊流或其它流扰动或扰乱。在图11a和图11b中较好地示出了此管内紊流结果，如通过计算性的流体动力学计算所表明的，图11a和图11b分别是具有单个后台阶面160的管中的流线和等流速线的图示，后台阶面160位于离管的出口端距离L₁处。在图11a和11b中，区域154是管的主中空内部部分或内腔，区域154a是管的扩张的中空内部部分或内腔。通过计算表明，扩张的中空内部部分或内腔154a包括在后台阶160附近的紊流区域155，紊流区域155通过挤离面(detachment surface)170与层流区分开。

图11a和11b所描述的仿真结果表明，穿过台阶之后的管内部的速度整体降低和速度分布图变平。此外，需要注意，在圆柱对称的情况(离子迁移管的更好模型)下，存在罩住流动更快的中间核心区域的厚度增加的外流动区域。挤离面结束于离后台阶160距离L₂的管内部壁处。因此，假设后台阶在管内向后挪足够远的距离，管内的流体流动可以在离出口端的(L₁-L₂)距离处再次达到层流态。

基于各种试验和材料参数，区域155可以表示紊流或其它扰乱流或扰动流的区域。区域155的长度L₂根据台阶高度Δd的增加而增加。因此，从离子迁移管的后台阶至出口端的距离的长度L₁应该大于L₂，并且优选地大于L₂的数倍。优选地，距离L₁应该大于或等于台阶高度的数倍m，如关系式L₁/Δd≥m所给出的，例如m＝6。对于实用的最小的10μm(微米)台阶高度，该关系式的结果是L₁≥60μm。

如图5所示，设置有角度的后台阶，可以减小紊流或扰乱流区域155的尺寸和减小重建层流所需要的长度。以相对于管轴的59±5度的角度加工有角度的后台阶61是有利的，因为这是普通的钻头切削角。作为通过钻孔来产生扩张的中空内部部分或内腔54a的更加经济的可选方式，还可以想到使用其它可用的加工技术来产生直径变化，其中的非限制性实施例可以是将离子迁移管的出口端的内腔点蚀(spot erode)成任意形状。为此，可以使用电化学加工或电子放电加工。

图8是根据本教导的各个其它替代实施方式的质谱仪系统的示意图。在图8所示的质谱仪系统200中，使用根据本教导的离子迁移管216，以将流动的背景气中夹带的离子从电离室14迁移到中间真空室18中。图8所示的其它参考标记和特征与图1所示及之前参照图1所讨论的那些类似。离子迁移管216可以包括图3-7所示的离子迁移管的任何一个，甚至可以包括图3-7所示特征的组合或者这些附图所示特征中间的特征。可替代地，离子迁移管可以包括用于建立静电场或变化电场的电极，以用于引导或者驱使离子通过离子迁移管。例如，离子迁移管可以由导电材料组成，通过与离子迁移管的电连接(未示出)将静电势或变化电势施加到导电材料。作为另一个实施例，离子迁移管可以包括不导电材料，例如具有涂有导电涂层的一个或多个部分的玻璃。多个这种涂层(例如在离子迁移管的任一端)可以用于沿离子迁移管长度建立电势梯度。对于质量分析器28，对本领域的技术人员显而易见的，此部件可以包括但不限于四极质谱分析器、飞行时间(TOF)质量分析器、傅里叶变换质量分析器、离子阱、磁式扇形质量分析器或混合式质量分析器。

图9是包括根据本教导构造的离子迁移管216的另一个质谱仪系统250的示意图。可由电离室14内的API源12形成被分析物离子。被分析物离子和背景气与部分脱溶的液滴一起流入根据本教导的离子迁移管216的入口端，并且在通过第一分隔元件或壁11的压力梯度的影响下穿过管的长度。离子迁移管216可以包括图3-7所示的离子迁移管的任何一个，甚至可以包括图3-7所示特征的组合或者这些附图所示特征中间的特征。优选地离子迁移管216与加热元件或块23保持良好的热接触。被分析物离子从离子迁移管216的出口端出来，该出口端通向位于室18内的离子传输装置40的入口。如真空口13附近的箭头所示，室18通过机械泵或等同物抽成真空。在通常的工作条件下，室18内的压力将在1-50托的范围内。

被分析物离子作为自由喷射扩散离开离子迁移管216的出口端，并且穿过在离子迁移装置40内部中限定的离子通道41。如全部内容通过引用并入本文的美国专利公开2009/0045062A1中更加详细论述的，通过将振荡型电压施加到离子传输装置40的有孔电极(aperture electrode)44，获得离子通道41内离子的径向限制和聚焦。如美国专利公开2009/0045062A1中进一步论述的，可以通过产生纵向DC场和/或通过制作夹带有离子的背景气的流来促进沿离子通道41向装置出口的离子的传输。离子作为窄聚焦束离开离子传输装置40，并且被引导穿过引出透镜29的孔22进入室25中。离子随后通过离子导向20和24，被传送到位于室26内的质量分析器28(如所描述的，其可以采用具有检测器30的传统二维四极离子阱形式)中。质量分析器28可选择地包括：飞行时间(TOF)质量分析器、傅里叶变换质量分析器、离子阱、磁式扇形质量分析器或混合式质量分析器。如真空口17和真空口19附近的箭头所示，可以将室25和26通过连接到涡轮泵端口的方式抽至较低气压。当离子传输装置40描绘成占据单个室时，可选的实施可以使用桥接两个或多个压力依次减小的室或区域的离子传输装置。

读者可以参考美国专利公开2009/0045062A1获得离子传输装置40的更多细节。简单地说，离子传输装置40由纵向间隔关系排列的多个大致平面的电极44形成(如此处使用的，术语“纵向”表示由离子沿离子通道41的总体移动所限定的轴)。具有此一般构造的装置在质谱分析技术中有时是指“堆叠环形”离子导向。每个电极44都与离子可以经过的孔相适应。这些孔共同地限定离子通道41，离子通道41可以是直的或者弯曲的，这取决于孔的横向对准。为了改进制造和降低成本，所有的电极44都可以具有相同尺寸的孔。振荡型(例如射频)电压源将振荡型电压施加至电极44，从而产生在离子通道41内径向限制离子的场。为了形成在离子传输装置40的出口附近将离子聚焦为窄束的锥形场(taperedfield)，在离子行进方向上增加内电极间距或振荡型电压振幅。

离子传输装置40的电极44可以划分为与多个第二电极交错的多个第一电极，第一电极接收与施加到第二电极的振荡型电压的相位相反的振荡型电压。此外，可以通过提供将一组DC电压施加到电极44的DC电压源(未示出)在离子通道41内建立纵向DC场，以协助驱使离子通过离子传输装置40。

通过离子传输装置40的传输效率取决于所施加的RF电压的振幅，并且如图10所示在相对于RF振幅的图表中通常呈现最大传输效率的点或区域。图10中的图表通过图9所绘的质谱仪系统所检测的六肽ALELFR(Ala-Leu-Glu-Leu-Phe-Arg)的双倍带电的分子离子的离子丰度相对于RF电压振幅绘制。曲线70表示当在质谱仪系统内使用传统的离子迁移管时所检测的离子丰度；曲线75表示当使用根据本教导的离子迁移管时所检测的离子丰度。

图12是在根据本教导的质谱仪装置中分析离子的方法的流程图。在方法300中的第一步，步骤302中，包括使用大气压电离(API)源提供夹带在气体中的离子。可以使用任何公知的API源，例如电喷雾电离(ESI)源、加热的电喷雾电离(H-ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压基体辅助激光解析离子源、光致电离源、或使用基本在质谱仪装置的质量分析器的工作压力之上的压力处工作的任何其它电离技术的源。在下一步中，步骤304，使用在其出口端处具有扩大内腔或锥形孔的离子迁移管将夹带在气体中的离子传输到真空室中。在下一步中，方法300的步骤306，使用离子透镜或其它离子光学器件或其它离子光学组件引导至少一部分离子通过孔，进入容纳质量分析器的另一个抽成真空的、较低压力的压力室中。在步骤304中使用的离子迁移管的扩大内腔或锥形孔使得通过孔的离子的传输效率或质荷成分(composition)的保存(或二者)大于或好于通过没有扩大内腔或锥形孔的孔的离子的传输效率或质荷成分的保存。最后，在步骤308中，使用质量分析器分析至少一部分离子。

发明人已经认识到，相对于传统的离子迁移管，根据本教导的离子迁移管可以改进离子至质量分析器的总体传输效率，以及还改进传输到质量分析器的离子的质荷成分和分布的代表性。换句话说，本文公开的离子迁移管相对于传统的离子迁移管，可以在质荷比范围内传输更高比例的离子，以及更好地保存在该传输期间最初形成的离子的质荷成分。根据本教导的离子迁移管的气体通过量(从而泵送需求)不可能增加，因为在增大的直径处很小部分的离子迁移管长度不会影响由较小直径的较长长度形成的限制。

关于允许的直径比的考虑在于，台阶不能过大地改变直径，因为那样，结果将与早先以大体积刚离开毛细管的结果相同。此外，如果直径更大(具有相同的L₁/D比)，重建层流所需的长度将更长。

本申请中包含的讨论旨在作为基本描述。虽然已经根据所示出和所描述的各种实施方式描述了本发明，但是本领域普通技术人员将容易认识到，可以对实施方式进行多种改变，而且这些改变将落入本发明的精神和范围内。读者应该知道，具体讨论可能没有明确说明所有可能的实施方式；许多替代的实施方式是隐含的。因此，在不脱离本发明的精神、范围和本质的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多修改。描述和术语都不旨在限制本发明的范围。

Claims (30)

1.用于分析样本的方法，其特征在于包括步骤：

在电离室内在基本大气压下从所述样本产生离子；

将离子夹带在背景气中；

使用具有入口端和出口端的离子迁移管将所述背景气和夹带的离子迁移至质谱仪系统的真空室中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分的内径大于所述离子迁移管的毗连部分的内径；以及

使用所述质谱仪系统的质量分析器分析所述离子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括扩孔。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩孔的深度大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的背景气流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在所述具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述扰动流区域包括紊流区域。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩孔的深度至少是60微米。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括在所述背景气和夹带的离子被迁移的方向上内径连续增大的区域。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述直径连续增大的区域包括锥形孔。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括所述离子迁移管的圆柱形内表面，所述离子迁移管的毗连部分包括所述离子迁移管的截头圆锥形内表面。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在与所述离子迁移管的轴平行的横截面中，所述截头圆锥形表面与所述横截面的相交线被设置成相对于所述离子迁移管的轴成54-64度的角度。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，与所述离子迁移管的轴平行的所述圆柱形内表面的尺寸大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的气体流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括第一管构件，所述离子迁移管的毗连部分包括通过气密密封件密封至所述第一管构件的第二管构件。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管包括至少一个电极。

13.质谱仪系统，其特征在于：

离子源，能够操作为在基本大气压下从样本产生离子；

质量分析器，位于抽真空壳体的内部，能够操作为根据质荷比分离和检测离子；

中间压力室，所述中间压力室的内部的压力保持为小于大气压且大于所述抽真空壳体的内部的压力，所述中间压力室具有第一孔和第二孔；

离子迁移管，耦合至所述第一孔，能够操作为将夹带有离子的背景气迁移到所述中间压力室，所述离子迁移管具有入口端和出口端，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分的内径大于所述离子迁移管的毗连部分的内径；

离子光学器件，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间，能够操作为将离开所述离子迁移管的出口端的离子引导至所述第二孔；以及

至少一个附加的离子光学元件，能够操作为将离子从所述第二孔迁移至所述质量分析器。

14.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括扩孔。

15.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述扩孔的深度大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的背景气流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在所述具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。

16.根据权利要求15所述的质谱仪系统，其中，所述扰动流区域包括紊流区域。

17.根据权利要求14所述的质谱仪系统，其中，所述扩孔的深度至少是60微米。

18.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括在朝向所述离子迁移管的出口端的方向上内径连续增大的区域。

19.根据权利要求18所述的质谱仪系统，其中，所述内径连续增大的区域包括锥形孔。

20.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括所述离子迁移管的圆柱形内表面，所述离子迁移管的毗连部分包括所述离子迁移管的截头圆锥形内表面。

21.根据权利要求20所述的质谱仪系统，其中，在与所述离子迁移管的轴平行的横截面中，所述截头圆锥形表面与所述横截面的相交线被设置成相对于所述离子迁移管的轴成54-64度的角度。

22.根据权利要求20所述的质谱仪系统，其中，与所述离子迁移管的轴平行的所述圆柱形内表面的尺寸大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的气体流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。

23.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括第一管构件，所述离子迁移管的毗连部分包括通过气密密封件密封至所述第一管构件的第二管构件。

24.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管包括至少一个电极。

25.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间的所述离子光学器件包括堆叠环形离子导向。

26.质谱仪系统，其特征在于：

离子源，能够操作为在基本大气压下从样本产生离子；

质量分析器，位于抽真空壳体的内部，能够操作为根据质荷比分离和检测所述离子；

中间压力室，所述中间压力室的内部的压力保持为小于大气压且大于所述抽真空壳体的内部的压力，所述中间压力室具有第一孔和第二孔；

离子迁移管，耦合至所述第一孔，包括：

入口端；

出口端；和

多个中空内部区域，能够操作为将夹带有离子的背景气通过所述离子迁移管迁移到所述中间压力室中，每个中空内部部分包括各自的内径，多个内径在夹带有离子的背景气的迁移方向上增加；

离子光学器件，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间，能够操作为将离开所述离子迁移管的出口端的离子引导至所述第二孔；以及

至少一个附加的离子光学元件，能够操作为将离子从所述第二孔迁移至所述质量分析器。

27.根据权利要求26所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管还包括至少一个电极。

28.根据权利要求26所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管还包括至少一个插在所述多个中空内部区域的第一中空内部区域和第二中空内部区域之间的截头圆锥形表面。

29.根据权利要求26所述的质谱仪系统，其中，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间的所述离子光学器件包括堆叠环形离子导向。

30.根据权利要求26所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管还包括：

第一管构件；和

第二管构件，通过气密密封件密封至所述第一管构件，

其中，所述第一管构件包括所述多个中空内部区域的第一中空内部区域，所述第二管构件包括所述多个中空内部区域的第二中空内部区域。

Images