CN103077879A - 一种电喷雾扩散离子的聚焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电喷雾扩散离子的聚焦装置及方法，能够使离子源产生的离子通过质谱仪取样界面之前在大气压下有效地离子化和离子引导。 此设备是由一系列层叠的电极板所组成。其中，直流电压施加在这一系列内径不断减小的电极板上。同时，这些极板被许多垫片形成的空间隔离开来。因此，在每一对相邻的电极板之间形成了腔室以及环形的空隙。这些空隙与上面提到的腔室和离子聚焦装置的内部空间所连通。在腔室中通入高压气体，以产生高速气流通过环形空隙从而进入到离子聚焦装置内部。高速气流能够快速地对液滴去溶，并抑制离子的羽状扩散。所以，大量已经去溶的离子可以传输到进样界面，得以整体提高质谱仪的离子传输效率。

Description

一种电喷雾扩散离子的聚焦装置及方法

技术领域

本发明属于质谱仪的相关领域，涉及到电喷雾电离的方法，产生正或负离子并将其聚焦、引导至离子探测器中的设备。电喷雾电离设备是用来进行前期提高离子输运效率的装置，大量离子能够被其传输到离子探测器中。

背景技术

在分析化学领域，电喷雾电离质谱ESI-MS仪已经成为最有力和最广泛的应用工具。它能够以更低的探测限制来检测到更大的质量范围，同时拥有更强大的分辨能力和质量探测的准确性。电喷雾电离ESI是一种软电离技术。溶液中的分子可以通过这种技术被有效地离子化，并传送到气相的大气压中，同时没有任何不利的杂质。ESI对于各式各样的分子和大分子有很好的适用性，比如多缩氨酸、多肽类或者是蛋白质等。这使得连接着液相色谱这类其他分离仪器的ESI，成为四极质谱仪、渡越时间质谱仪或傅里叶变换回旋共振质谱仪这些设备的理想离子源。

众所周知，诸如由ESI技术在大气压下产生的这些离子，必须经过一个真空界面传输到质谱仪的高真空区域。其中这个界面两端是由一个微孔或是一根限制电导率的毛细管所连接。另外，大家一致认为，仅有一小部分ESI产生的离子可以经过微孔或是毛细管穿过取样界面。大部分重要的有机离子都在这个界面损失掉了。

许多文章根据喷雾溶液，喷针距真空入口距离，真空入口温度这些方面进行了许多真空界面输运效率的实验特性研究。他们也注意到了由于羽状膨胀在真空界面处形成的大量离子损失。这个损失率随喷针和真空界面入口距离的增加而增大。尽管如此，还是有必要保证样品的流量来达到蒸发液滴的目的。以此来提高整个的离子化效果。另一个离子流失原因是入口处被加热的毛细管，溶剂在毛细管中仍然不断地从带电液滴中蒸发出来。毛细管的温度决定了溶剂蒸发的速度和更大溶剂团簇的去团簇率。在这个过程当中，自由气相中离子的密度不断增加，导致明显的库伦爆炸和离子扩散。结果造成很大一部分进入到毛细管的离子在内壁上损失掉。研究表明，离子的输运效率随着溶液流量和喷针距真空界面距离的减小而增大。尽管如此，记录当中最高的输运效率只有20-25%。

Wilm和Mann最近介绍了一种纳升电喷雾技术。这种技术部分解决了喷雾中羽状发散和低离子化效率的问题。并不像以前传统的有着相对高流动系统的ESI，纳升ESI在纳升流动系统中操作。这种过程当中产生的液滴要比传统ESI产生的液滴小2-3个因素。这种液滴蒸发的相当快，所以可以使离子源位置距离质谱仪真空界面更近，以此来增加总的离子流传输效率。

E1-Faramawy等，曾表明通过使用纳升流量和精确的在真空入口前摆放纳升喷针位置，可以得到高达75%的输运效率 。如他们的研究显示，低效率主要是因为溶剂离子的不完全离子化和离子流在质谱仪真空界面的损失。另外，整个的输运效率很大程度上依赖于喷针能否根据取样口的位置，来摆放在正确位置上。

其它各式各样尝试用来提高输运效率的装置都是整合在离子源和质谱仪进样口之间。

Zhou等人，通过在ESI源附近设置有锥形孔的界面平板，达到了离子峰值强度五倍的提高。当确定的电压加载到平板上，羽状喷雾的聚焦效果得到明显提高。这使得更多的的带电液滴进入到取样口中。正如该作者所声明的，这使得ESI离子源与进样口的距离可以进一步增大。但是这个方法受到相当大的微喷雾流量方法限制。另外，除了测试到的峰值强度，没有提供其它数据关于输运离子流和实际离子流进入到真空界面。

先前Shaffer等人所讲的技术，被成功用来代替了在质谱仪第一泵级的传统离子收集和聚集过滤装置。该技术是基于直流电和射频震荡电场理论研制出了离子锥透镜。典型的离子锥由很多内径逐渐变小的同心圆柱形电极对齐来构成的，即锥心或是沙漏的形状。在电极上施加以DC直流静电场和RF射频震荡电场。同时，RF电压在相邻的两个电极之间不断进行相位的反转变化。这样一来，在靠近仪器的内壁或是内部空间边界的位置上，就产生了赝势井围栏。而这部分空间在纵轴方向几乎是没有电场强度的。这些围栏屏障有效地防止了离子从仪器中流失或是碰撞到电极表面而损失掉。所以，这些离子在流向仪器出口的时候被很好的聚集起来。虽然离子输运效率在低压条件下非常高，但是由于用来聚焦离子的电压过高就会导致放电的危险，他们仍然无法有效地在大气压下进行此实验操作。另外，由于射频震荡电场的应用，在周围环境中产生了不希望得到的电磁噪声。

之前Lee等人提到的工艺中谈到，商业化的空气放大器能在离子源和质谱仪进样口之间的大气压下很好地减小已去溶离子的羽状化扩散。其装置的原理是利用了文丘里和科恩达效应。通过在环状的空隙里吹入少量的高速气体来诱导周围大量的气流穿过仪器。正如发明者所言，由于电喷雾产生的离子羽冠形状被拉伸延长，所以减少了空间电荷作用和离子扩散。据报道，当加上一个确定的电压之后，同时伴随着文丘里和科恩达效应，空气放大器能产生18倍离子信号强度的增长。但是，仍没有任何尝试去测量实际的离子电流强度，去检验一下到底输运效率有多少提高。另外，商业化的空气放大器并没有遵循质谱分析仪微型化的原则。因此能否大规模的使用，还有待考察。

同时，人们又渴望有更多的方法和仪器能够显著提高大气压环境下的离子化效率，以及在大气压下喷针到质谱仪这段区域中的输运效率。而在这个过程当中，又不希望液滴和杂质离子被传输到质谱仪当中，产生噪声。总之，非常希望能制造一种既廉价，又简单多用，并且不需要经常维修又便于清理的仪器设备。

发明总结

此项发明致力于解决以下一些问题：

（1）解决因为库伦排斥引起的离子膨胀、有效离子在分析仪器前半部分的大量损失、杂质离子及液滴所引起的噪声信号。

（2）提供一种方法来改善电喷雾电的过程、液滴的去溶，以及随之进入分析仪器的高输运效率。

一种电喷雾扩散离子的聚焦装置，该聚焦设备包括至少两个同心的二维电极板，每一个电极板中间都有的孔穴，孔穴连接在共同的一个轴线上；每两个电极板之间有用来向离子聚焦装置内部通气的环形缝隙；设有至少一个通道，该通道与环形缝隙相通、进气设备相连接。

电极板和孔穴可以采用相同的尺寸和形状，也可以采用不同的尺寸和形状；当采用不同尺寸和形状时，自外而内，内径逐渐减小；最外面的孔穴是最大的孔穴，作为入口孔，最里面的孔穴最小的孔穴，作为出口孔，这些孔穴形成一个锥形空间，限制离子轨迹的方式调制其从入口处流向出口处。

电极板和电极板上的孔穴可以是圆形、矩形的、正方形、三角形或是多边形，各种形态都可以，经常采用的是正方形极板和圆形孔穴。

极板用各种金属材料所构成，以此来保证每个极板表面有充分的电导率。一些例子中，玻璃，陶瓷，聚合物或是感光树脂都被用来制作该器件。这些材料都是天然绝缘的。所以可以通过各种方法比如在其表面上覆盖导电外层来达到制作电极板的目的。还可以通过溅射外层，热蒸发或是电镀来完成外表面的导电性加工。微机电MEMS的各种优势技术手段可以用在制作小型化电极板的过程当中。

电极板中间的空穴都是同心对齐连接在一起，并平均分布在相同的轴线上。极板之间的空间和极板的厚度都是精确设计的。连续排列的极板之间并不会相互导电。在详细的描述过程中，其优势就显而易见。通过这种方式来设计相邻极板之间的空间来形成两板之间的腔室。以电极板外形为轮廓，在绝缘空间中装配了气体密封垫片。值得注意，每个极板之间的垫片间隔部分是根据结构来独立制作的，并不与电极板一同设计制作。之后再与电极板组装在一起，构成一个整体。同样很重要的一个部分就是，缝隙的厚薄要随着装置的长度变化而变化。

这个装置最好在标准大气压下工作，即1atm，但是并不局限于此。在大气压上下范围内工作运行都是没有问题的。

压缩气体经由空间间隔与缝隙形成的腔室吹入设备当中。腔室中一致的气流被环形缝隙吹入的高速气体引导着流入到聚焦设备的内部空间。利用环形缝隙当中吹出的高速气流和加载在聚焦装置上的DC电势梯度，使离子羽状冠形以空气动力学方式聚焦到轴线上面。

需要注意，目前这项发明的方法不同于先前Shaffer等人提到的模型。因为这项发明通过气流聚焦离子轨迹的方式，用到了气动力学的相关知识。同时仅用DC电流场来驱使电流在聚焦装置中移动。而Shaffer等人的设计当中，利用了高强度的射频RF电场和DC电场来达到相同的目的。同样需要关注的是，这项发明设计中所提到的方法是不同于早先Lee等人所提出的工艺手段。原先气动力学聚焦装置中主要的技术是利用高速聚拢的气流来减少离子羽状冠形的扩散。其装置主要根据文丘里和科恩达效应来产生高速气流流过入口处的孔穴，比如在流线方向上。另一方面目前我们的装置中提到的方法并没有利用文丘里和科恩达效应去影响离子。仅仅是借助气动力学的方式向垂直的方向吹入气流来聚焦离子运动的方向。

在之前的实物设备当中，电喷雾电离过程是由电喷雾电离源来实现的。只要具备其工艺功能，ES源可以是任何类型，并不仅仅局限于特定的电离源种类。这里我们说离子源是此项发明不可或缺的一个构造成分。但是，离子源并不包含于该项发明的内容当中。

借助以下详细的描述以及图片展示，其他一些部件和特性将会一目了然，易于理解。

附图说明

图1是在电喷雾电离源和质谱分析仪真空界面之间的装置示意图。

图2.1是在非等轴视角上此项发明的第一个模型示意简图。

图2.2是在等轴视角上关于FIG. 2A更详细描述的一个切面示意图。

图3阐述此项发明操作原理

图4.1描述了无气流情况下的3D CFD蒙特卡洛模型仿真模拟聚焦装置中的离子聚焦效果

图4.2描述了有气流情况下的3D CFD蒙特卡洛模型仿真模拟聚焦装置中的离子聚焦效果

图5.1是聚焦电极板孔径边缘为矩形情况下的示意图。

图5.2是聚焦电极板孔径边缘为圆形情况下的示意图。

图5.3是聚焦电极板孔径边缘为斜边形情况下的示意图。

具体实施方式

为了让有能力在技术方面制作和使用此发明的人们更好的理解，以下提供了相关示意图片的详细描述。需要了解的是，以下描述仅仅是一些此发明的基本原理，并不能被视为缩小了相关的声明的范围。

图1是一个图片，表示了离子聚焦装置200与之相连的电喷雾电离源100和离子探测装置300。电喷雾电离源100是由与T形连接器121相连的毛细喷针122组成。T形连接器121通过毛细管113连接到一个注射器112。该注射器112利用注射泵以固定的溶液流量流入到电喷雾喷针122中。电喷雾需要的高电压是通过一个电源110加载到T形连接器121上的。为了介绍电喷雾喷针122所形成的离子羽状冠。喷针可以放得离空穴201近一些，甚至可以部分的插入到聚焦装置200的空穴201当中。

需要注意，电喷雾电离源100并不是此项发明的其中一部分，但却非常重要。因为需要通过它来产生和输运带电液滴和离子到离子聚焦装置200当中。另一点要注意的是，这里离子源的特殊结构绝不会限制此项发明与其他类型的电喷雾离子源连用。所以具有相关工艺技术的方面不需要担心。

此图片可以看出离子聚焦装置200的入口孔穴201为电离源100产生离子和带电液滴的羽状冠提供了一个合适的空间。离子聚焦装置的主体是由一系列聚焦电极板202a-202n构成的。其间由绝缘空间203a-203n所分割开来，以此在每一对电极板之间形成紧密的空腔204a-204n。电源214提供施加在聚焦装置上驱动离子从入口孔穴201向出口孔穴205运动的梯度电势。其中通过电阻链215来产生荷载电压。离子和带电液滴的羽状冠是通过两个极板之间的环形缝隙中吹出的同轴气体来聚焦的。通过气体分流装置218和压力控制阀217，来自气流源216的气体被均匀的吹入离子聚焦装置中。从离子聚焦装置环形缝隙中吹出的气体主要是用来防止漂移离子触碰到电极板表面，进而损失掉。离子聚焦装置的内部结构更像是一个圆锥或是“漏斗”。其内部的电极板内径依次减小一直到出口处的孔穴。当然，这只是众多可能实体当中的一个。所以不能认为这是限制了该项发明应用前景的一个制约因素。比如其余一些实体装置中，它的电极板内径可能是逐渐增加的，另一方面，其装置中电极板内径可以在一端是相同数值，随后在另一端逐渐减小。所以，此项发明电极板的具体结构形状是根据实际用途来设计建造的。

离子聚焦装置200处的大气压环境与离子探测装置300中的质谱仪真空区域，通过一根毛细管323隔离开。毛细管323与出口孔穴205相连。所以，离子聚焦装置聚焦后的离子，被导入到毛细管可接受离子的区域当中。随之被传输到质谱仪的第一真空区域325。该区域由真空泵328来实现真空。质谱仪可以装配一个或是更多的真空区域，但最终都是要到达一个由真空泵329实现真空的高真空区域326和调制合适的离子探测器327.

需要注意，质谱分析仪并不是这项发明中的一个部分，所以以上描述仅仅是仿效而已。总的来说，拥有任何类型真空界面的任何一种质谱仪，都可以跟此项发明—离子聚焦装置联用。联用的过程中的设计环节只要充分考虑二者系数、参数相匹配就可以了。

图2.1是离子聚焦装置200第一视角的模型示意图。该模型由8个导电的电极板构成。其中第一个不导电平板240，安排在所有的电极板之前，提供了一个合适的离子聚焦装置入口孔穴201和进气口230a-230d。所有的电极板通过绝缘垫片隔离开后排列成一组。同时也在两个相邻的电极板之间形成了隔绝的密封腔。为了能够在离子聚焦装置200上加载梯度电压，每一个极板上都安装了薄片220a-220n。利用这一设计来连接离子聚焦装置200和电阻链115。薄片220a-220n在空间上有一定的错位排列，以避免相互之间接触而导致短路。出口孔穴205在第二个不导电的平板241上，作为这一系列电极板装置的末尾终结。聚焦装置200用不导电的螺丝250a-250d和螺母251a-251d来组装起来。

图2.2是聚焦装置200的切面视角示意图。通过该视角来展示更多的模型细节。在这个特别的结构当中，进气通道230c紧连着能将气体均匀分配至一系列电极板装置中的进气设备118。随后，气体可以进入到腔室204a-204n和离子聚焦装置的内部空间。目前的离子聚焦实物模型设计了四个进气口230a-230d，每个进气口连接一个进气管。这样一来，就可以保证气体对称的进入聚焦装置的环形腔室中。

图3以202a和202b为例，描述了离子聚焦设备的操作原理。这里，202b电极板的孔穴小于202a电极板的孔穴口径。电极板202a上加载电压V₁，电极板202b上加电压V₂。通常情况下，有关系式V₂ = V₁+ΔV。对正电荷离子，ΔV可以为负值，即 V₂< V₁。反之，带负电荷的离子通过时，ΔV 可以为正值，即 V₂> V₁。因为相邻电极板之间施加了电压，聚焦设备内部产生电场，驱动离子沿着轴线方向，从入孔漂移到出孔。根据电极板的厚度，所有的电极板之间的位置都被精确安排。从两个极板之间的腔室204出来的气体，是由吹气设备118所产生的。受到作用后的离子轨迹如图A点点线、B点线、C断线分别所示。曲线A展示了当进气设备118的进气量比较小的情况下，离子可能的运动轨迹。由于低气流造成的低聚焦效果，漂移离子在电场吸引力的作用下逐渐向电极板移动。最后由于接触到电极板表面而被损耗掉。离子轨迹B描述了当进气装置118以中等速度吹入气体时，离子的聚焦效果。在电场力的驱动和气流吹入时的气动力的作用下，离子顺势漂移到出口孔穴。这里吹入的气流要足够合适，以保证离子不碰到电极板表面，而向着轴线方向聚集。高速气流产生的聚焦效果由C轨迹所描述。当由高速进气流产生的空气动力作用在离子上时，可以看到离子漂移轨迹明显的转向下方。相关原理已经在图说详细解释和说明，离子聚焦装置的聚焦原理可以归纳如下：

1.离子导入聚焦装置的入孔之后，是在设备内部空间纵向方向的电场（静电场）的诱导作用下移动的。

2.在每个电极板之间环形缝隙中产生的气体流形成了高速分子流，而离子与这些分子又将发生碰撞。

3.离子在设备内部漂移过程中，经历了与大量缓冲气体的碰撞。微观动量通过弹性碰撞从缓冲气体传导至现有离子当中，像是一个微观气动力学静力网一样作用在离子上。

4.这样一来，在离子聚焦装置中，离子在气动力的作用下，被向前推动，同时向离子聚焦装置的中轴方向聚拢。所以离子可以输运到出孔处，而不会因碰撞到电极板表面流失掉。

图4.1 和4.2是3D CFD的结果。图4.1是没有气流吹入情况下的蒙特卡洛模拟，而图4.2是有气流吹入下的模拟结果。两个模拟都是在总数250个离子的条件下进行的。图4.1很明显的看到没有聚焦效果产生，大量离子在进入出口孔时已经碰撞到电极板表面而流失掉了。相反，在气流存在的条件下，气流被聚焦，且输运到出孔处，而没有损失，如图4.2所示。这充分说明了离子聚焦装置很高的聚焦效果。

图5.1-5.3是一些示意图，给出了离子聚焦装置不同电极板形状的例子。其中有矩形边，如图5.1；圆弧形边，如图5.2；倾斜状边界，如图5.3。不同边界形状的电极板或许会比单纯是矩形电极板有一些额外的优势。因为更顺滑的内部轮廓，没有了台阶形的阻碍，能够跟适合离子流动。

需要了解的是，以上装配的描述，仅仅是此发明项目原理应用的示意和说明。具有加工技术的人员方面，在没有脱离其设计思想和此发明外观的前提下，或许可以进行更多的修改和调换。另外附上一些声明，意在能够涵盖这些对本发明项目的修改和调换。

Claims (10)

1.一种电喷雾扩散离子的聚焦装置，其特征在于，该聚焦设备包括至少两个同心的二维电极板，每一个电极板中间都有孔穴，孔穴连接在共同的一个轴线上；每两个电极板之间有用来向离子聚焦装置内部通气的环形缝隙；设有至少一个通道，该通道与环形缝隙相通并与进气设备相连接；

电极板和孔穴采用相同的尺寸和形状；当采用不同尺寸时，自外而内，内径逐渐减小；最外面的孔穴是最大的孔穴，作为入口孔，最里面的孔穴最小的孔穴，作为出口孔，这些孔穴形成一个锥形空间。 

2.根据权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于，部件的形状是矩形、圆形或斜边楔形。

3.根据权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于，部件是由导体材料、半导体材料或非导电性材料制成的；用非导电性材料时，需在该部件表面加工覆盖一层或多层的导电涂层。

4.根据权利要求1、2或3所述的聚焦装置，其特征在于，部件之间彼此用垫片隔离，垫片是被加工为与所述的部件紧密贴合在一起。

5.根据权利要求4所述的聚焦装置，其特征在于，所述的垫片由金属、陶瓷、聚合物、感光树脂或电阻材料制成。

6.根据权利要求5所述的聚焦装置，其特征在于，垫片是被加工为与提到的零部件紧密贴合在一起的。

7.根据权利要求5所述的聚焦装置，其特征在于，离子聚焦装置的出口与离子探测器或与质谱分析仪的进样口相连。

8.使用权利要求1、2、3、5、6或7所述的聚焦装置的方法，其特征在于， 离子聚焦装置部件上加载电压，将离子从聚焦装置的入口输运并聚集到出口处。

9.使用权利要求1、2、3、5、6、7或8所述的聚焦装置的方法，在离子聚焦 装置中加载方向可变的梯度电压。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，改变前面说的离子聚焦装置中提及的部件的电导率，以此来线性的改变所述的离子聚焦装置的电压。 

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