CN103797559B - 一种用于分析样品化学物质的设备 - Google Patents

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Abstract

在基本大气压下运行的直接样品分析（DSA）离子源系统配置成便于来自各种各样的气体、液体和/或固体样品中的样品物质的电离，或解吸和电离，用于通过质谱测量或其它气相离子检测器进行化学分析。所述DSA系统包括电离样品的一个或多个设备，并且包括密封的外壳，其提供保护免受高电压和有害气体，并且其中本地背景气体环境可以得到监测和良好控制。所述DSA系统配置成在任何一个时间容纳单个或多个样品，并且提供各个样品定位、样品调节、样品加热、位置感测以及温度测量的外部控制。

Description

一种用于分析样品化学物质的设备
技术领域
本公开涉及直接样品分析系统，其包括在大气压下操作并连接至质谱仪或其它气相检测器的离子源。该离子源可以从具有广泛多样属性的多个样品中产生离子，这些样品被直接引入到直接样品分析系统离子源中。
背景技术
近年来，在环境大气条件下从固体表面解吸和电离样品物质而没有显著的样品制备且随后通过质谱测量进行化学分析的盛行且多样化的技术方面已经出现了快速增长。这样技术的示例包括，但不限于：“解吸电喷雾电离”(DESI)；“热解吸大气压化学电离”(TD/APCI)；“实时直接分析”(DART)；“解吸大气压化学电离”(DAPCI)以及“激光解吸/电喷雾电离”(LD/ESI)。Van Berkel GJ等人在J.Mass Spectrom.2008,43,1161-1180中的“Established and emerging atmospheric pressure surface sampling/ionization techniques for mass spectrometry”和Venter A.等人在Trends in Analytical Chemistry,2008,27,284-290中的“Ambient desorption ionization mass spectrometry”列举并阐明了这些技术的近年综述。
大多数这样的技术已经证明采用向环境开放的离子源配置。开放式配置是有吸引力的，因为它们可以允许很容易地优化分析条件，比如样品定位和试剂源定位；在分析过程中很容易地处理样品，比如加热或冷却，以及直接交换样品。然而，开放式离子源配置可能就安全问题来说表现出严重的缺陷，其排除了它们用在未调节的设施中，并且出于同样的原因在其他地方并不可取。例如，开放式源配置可能不为操作员提供足够的保护防止意外接触到通常在这些源中所采用的高电压和/或高温。开放式源可能也无法包含往往是剧毒的蒸发样品和试剂材料。
除了存在这样的安全问题外，在大气压力下操作的离子源往往依赖于化学反应，其涉及天然存在于本地环境中的气态物质，比如水蒸汽、氧和/或氮。因此，当这种反应物的局部浓度漂移失控时，这类源的性能可能会显著不同， 导致性能下降和/或重现性差。对于直接样品分析系统来说，显著需求的是提供样品背景与电离条件的实时监控、反馈、调节和控制。
迄今为止，公知的是已经只进行了少数的尝试来配置具有外壳的这种大气压离子源，外壳提供了安全的操作以及更好地控制和操纵周围环境的能力。但是，采用外壳装备环境大气离子源的这种尝试同时已损害开放式离子源的一些更有利的特征，比如：容易优化样品的位置以及各种解吸和/或电离组分的位置以便在操作过程中获得最大电离效率和离子输运到真空中的能力；容易接近样品表面，例如，监测该表面温度或使该表面外观可见；以及配置允许多个样品被同时加载到源中的机构的能力；且因此，提供自动操作的可能性。因此，一直需要配置有外壳的大气压离子源，该外壳提供操作员保护和周围环境控制，同时还提供由开放式环境离子源以其他方式可用的这些有利的特征。
此外，现有的环境大气离子源已被配置成仅容纳单一类型的固体、液体或气体样品。因此，需要一种环境大气离子源，其能够在相对紧凑的空间中容纳一个或多个样品类型的一个或多个样品，而不需要大量的重新配置或操作员干预。此外，一直需要封闭的环境大气离子源，其提供位置的自动识别和自动优化，以及样品和辅助部件比如解吸和/或电离探针的定位。
发明内容
本公开涉及直接样品分析(DSA)系统的实施例，该系统包括样品离子化装置，其在大气压下操作并且允许直接引入单个样品或多个样品。这些样品可以在均匀性和物态方面变化，包括但不限于气体、液体、固体、乳液以及混合相。所述DSA离子源系统连接至质谱仪或其他气相检测器，比如离子迁移率分析器，其分析产生在来自样品物质的离子源中的离子的质量-电荷或迁移率。所述DSA离子源系统配置成在或接近大气压下产生来自直接引入到该DSA离子源系统外壳中的样品的样品相关的离子。在一些实施例中，所述离子源至少包括下列元件的一个子集：
1.加载和保持单个或多个样品的装置，例如，具有可动格栅样品架的样品架组件，
2.移动和定位每个样品以优化每个单个或多个样品的分析的装置，例如，具有一个或多个线性和旋转自由度的多轴(例如，四轴)转换器组件， 或者各种连杆或齿轮组件，
3.自动引入一个或多个气体、液体或固体或可变属性样品同时尽可能地减少引入污染到离子源中的装置，
4.感测所引入的每个样品的类型、大小、物理特性及位置的装置，例如，位置传感器，
5.自动识别样品架类型的装置，例如，激光距离传感器，
6.监测和消除不必要的背景或污染物质的装置，例如，逆流气体流、质谱仪，
7.在分析前干燥或调节样品表面的装置，例如，热源，
8.加热样品以干燥和/或形成样品相关的气相分子的装置，例如，光源，
9.用于感测样品表面温度的装置，例如，高温计和热电偶，
10.产生反应剂离子、电子、受激态中性分子(亚稳物质)或带电液滴以便于样品相关分子的电离的装置，例如，辉光电荷，
11.倾斜的试剂离子发生器，其使得能够引入和分析定位在多种样品架类型和形状上的多个样品，而没有机械或热干扰，
12.倾斜的试剂离子发生器，其包括具有可更换排出通道的旋转出口端，以最大限度地提高样品电离与离子采样的效率，
13.试剂离子发生器，其包括多个气体入口、具有所引入的液体的气动雾化的液体入口，
14.手动或自动定位试剂离子或电喷雾带电液滴产生装置以提供最佳性能的装置，例如，与转换器组件一起使用的位置传感器，
15.将在大气压下产生的样品相关的离子引导到真空操作的质谱仪中用于质荷分析的装置，例如，施加至电极和离子光学器件的电压，
16.包围离子源与加载的样品架的外壳，其将电离区域和加载的样品与外壳外面的周围环境隔离，
17.自动地控制样品架，样品相关的离子的感测、运动、清洗、电离、以及质谱或离子迁移率分析同时密封DSA系统外壳的装置，例如，包括自动调谐算法的控制软件，
18.基于电喷雾、大气压化学电离(APCI)、光电离以及激光电离方法中的一个或多个来产生样品相关的离子的其它实施例，以及
19.水分传感器，用于测量清洗气体中的水分含量。
在一些实施例中，所述直接样品分析离子源同时包括引入一个或多个气体样品或一个或多个固体或液体样品的装置。例如，这些装置包括一个或多个气体入口和液体入口。气体样品可以直接在电晕放电区域或通过与气相试剂离子的电荷交换而被电离。引入到离子源中的固体或液体样品被蒸发，并且通过与电晕放电所产生的试剂离子电荷交换；通过与电喷雾所产生的离子或带电液滴碰撞的电荷交换或电离；或采用光电离，而得以电离。另外，样品溶液可以被直接被引入到试剂离子发生器中，其中溶液在其通过电晕放电区域时被雾化、蒸发和电离。
保持单个或多个固体、液体或多相样品的装置包括不同形状和构造的样品架，以适应所分析样品的形状、类型、组分及大小的变化。样品架定位在自动平移台上，其使样品架移入并通过离子源外壳。在一些实施例中，所述样品架转换器包括具有两个旋转轴和两个直线运动轴线的四轴运动控制器。圆轴密封件被提供用于三轴运动，提供了在离子源内部与离子源外部周围环境之间的有效但低摩擦的密封。一个直线运动轴完全包含在离子源外壳内，消除了需要来自外部环境的线性密封。离子源外壳内的样品转换器组件包括这样的材料，其是化学惰性的并且不会产生可能有助于在所获得的质谱中不必要的化学噪声或干扰离子的化学污染。
在一些实施例中，所述样品转换器配置成使得通过关闭时被密封且打开时最大限度地减少引入环境污染的门能够加载和卸载固相或液相样品。清洁清洗气体顺序流过离子源密封的外壳在加载和卸载样品架时最大限度地减少引入环境污染。气体清洗还有助于在密封外壳中产生离子时减少连续样品间的交叉污染。当加载和卸载固体和液体样品时，清洗气体被控制，以尽可能地减少暴露于在密封的离子源外壳内挥发的样品的用户。通过使用质谱仪或采用额外的传感器比如在清洗气体的出口排气口处的水分传感器，可以直接监测背景污染物质过程的清洗。在这种监测方式中，由于数据相关的信息反馈给控制系统，所以用于分析的最佳和可再现的条件可以在加载样品、干燥样品或样品分析之间后实现，以避免样品与样品的交叉污染。
本发明包括这样的系统，其具有一个或多个位置传感器，以确定样品转换器的零位置、所加载样品的数量、每个样品的形状和大小、以及离子要从中产生的每个样品表面的位置。零位置传感器配置成建立样品平移的每个轴的原位置或零位置。在一些实施例中，激光距离传感器，例如干涉仪，配置 成识别架的类型和绘制样品架的表面轮廓，从而一旦样品被加载，即可确定关于哪个样品位置被填充、每个所加载样品的大小以及每个样品表面的位置。由距离传感器所提供的信息由软件和电子控制系统处理，以使得能够最佳布置每个样品，以便获得最大离子产生和质谱仪采样效率，避免在离子源外壳中与任何表面的样品之间的碰撞(特别是对于大的或不规则形状的样品)，定位或移动试剂离子发生器至其最佳位置和确定用于多个样品分析的样品架的最有效的运动序列。
当使用位置感测和质谱或离子迁移率信号响应以反馈和优化时，样品位置的精确平移控制提供了许多优点。使用表面和质谱的确切位置或离子迁移率信号响应允许获得更均匀且精确的分析结果；特别是对于具有广泛变化的尺寸、表面形状、形貌和性质比如熔点的样品来说。可以获得最佳的电离和离子收集几何形状，这独立于样品与样品的尺寸和表面变化。此外，非均质样品表面可以在位置上被操纵，以分析具体的表面特征。可以通过采用聚焦光或激光束加热表面而进行表面分析，具有良好的空间分辨率。表面形貌的视频感测还可以被实施，以化学地讯问表面特征(例如，药片上的斑点)。
对于很多液体或固体样品来说，需要热量以蒸发样品用于气相电离。气体样品也可能需要热量，以防止样品冷凝。实施例包括用于以几种不同方式产生热量的方法，包括：输送加热的气体通过试剂离子发生器；加热逆流干燥气体；使用红外线、白色或激光光源加热；以及通过样品架的直接样品加热。所输送的总焓通过气体加热器温度和气体流、光或激光强度、直接加热器功率或多个热源的组合而得以控制。焓是系统总能量的度量。在一些实施例中，所述离子源包括测量样品温度以提供反馈温度控制的装置。这样的反馈提高样品离子化的均匀性和重现性。测量样品温度的装置的示例包括温度传感器，比如热电偶和高温计。热电偶提供用于与热电偶传感器接触的气体和样品的直接温度反馈。配置在离子源中的高温计传感器测量蒸发的样品分子从中释放的固体或液体样品表面的温度。精确的温度测量和反馈控制使得能够通过应用一系列热过程，包括温度梯度、干燥(非结合水)、脱水(束缚水)、分析物蒸发，在分析过程中分步调节样品，随后得以电离，并且最终可以提供关于样品结构信息的热解或热分解阶段。
本公开描述了多种方法来产生试剂物质，用于通过亚稳离子、电子传递、电荷交换或离子-分子反应来电离样品分子。这些方法的示例包括辉光放电。 由于在样品分析过程中的密封离子源外壳，背景气体组分可被控制，以提供最佳的电离条件。特别是，离子源外壳中的水蒸汽量可被控制，以有效地产生质子化的水，同时最大限度地减少质子化的水分子簇。本公开特征表现为设备具有多个气体入口和液体入口，在试剂离子发生器中雾化。液相或气相物质的单个或多个组合可被引入并且在加热的试剂离子发生器中电离。试剂离子发生器加热器蒸发雾化的液体，并且一些或全部蒸汽和气体通过位于试剂离子发生器出口端附近的电晕放电区。电晕放电定位在试剂离子发生器被，最大限度地减少施加至质谱仪中直接样品离子的电场的失真。样品溶液可通过大气压化学电离(APCI)电荷交换反应直接被引入到试剂离子发生器中用于雾化、蒸发和电离。在一些实施例中，蒸发的液体样品直接通过电晕放电区域，用于获得最大的电离效率。
在一示例应用中，水可以完全从电离区域中除去，并且可以分析具有比水更低质子亲合力的样品。化学离子化试剂比如甲烷或氨可以被引入，以提供相对于传统的APCI源的更高程度的选择性。各种各样的试剂化学可以与该DSA离子源系统来实施。
在一些实施例中，所述试剂离子发生器，以及在某些应用中，所述APCI样品离子发生器，具有倾斜的几何形状。在一些实施例中，所述雾化器和蒸发器的轴线配置成与发生器出口通道的轴线成一定的角度。该设备可以包括配置成旋转至少180°的倾斜的出口通道，这使得能够最佳定位试剂离子发生器主体和出口通道，从而最大限度地增加分析性能，同时最大限度地减少与多个采样架的干扰。出口通道是可移除的，以允许对于各种样品类型来说安装优化的出口通道几何形状。倾斜的几何形状允许优化位置和相对于样品类型及相对于质谱仪入口孔的试剂离子发生器出口的角度，同时防止试剂离子发生器的主体与样品和样品架干扰。倾斜的几何形状还使试剂离子发生器加热器远离样品架，以在电离之前避免样品的预热，从而最大限度地减少样品之间的交叉污染。在一些实施例中，所述试剂离子发生器被完全定位在直接分析源内，这避免需要在外壳壁中的任何密封件，除了需要用于气体和液体流动管路的那些密封件外。试剂离子发生器包括最大限度地减少在所得质谱中背景化学噪音的贡献的材料。
取决于样品类型和几何形状，试剂离子发生器出口平面和轴需要位置调整，以最大限度地增加电离效率和进入到质谱仪中的离子输运。在一些实施 例中，试剂离子发生器安装至四轴平移组件，以允许在DSA源外壳内的大范围的位置调整。试剂离子发生器的位置可以手动或自动地设定，位置传感器反馈给DSA源控制软件和电子设备。在一些实施例中，基于引入到离子源外壳中的样品架类型和样品类型的距离传感器分析，试剂离子发生器的位置可由软件和电子设备自动设定。不同直径和几何尺寸出口部分可以在试剂离子发生器上进行交换，以对于不同样品类型、大小和种类来说最大限度地提高电离效率。试剂离子发生器配置有可更换的电晕放电针组件。倾斜出口端的去除有利于去除和安装电晕或辉光放电针组件。
在离子源室中由不同方法所产生的样品离子的一部分被引向入口孔进入真空，并随后进入质谱仪中，其中它们得以质荷分析。可替代地，在DSA源中所产生的离子被引到迁移率分析器中。在DSA源的一些实施例中，电场被施加至一个或多个电极，以相对逆流气体流引导离子通过孔进入真空。逆流气体流用于最大限度地减少或防止不希望的中性物质(颗粒和分子)进入真空，从而最大限度地减少或消除中性物质与在自由射流扩散中样品离子的浓缩，并且消除在电极表面上的中性物质污染。电场和电极的几何形状被优化，以最大限度地提高DSA离子源质谱仪灵敏度。DSA源外壳最大限度地减少和/或防止高电压或电场任意暴露给用户。使用位置传感器来映射样品架类型和样品位置以抑制离子源内的样品架和试剂离子发生器平移，通过样品或在样品分析过程中移动离子源硬件，最大限度地减少和/或防止与电极表面的不必要接触。
本公开的特征表现为设备包括密封的外壳，其减少和/或防止环境污染进入离子源容积。这种环境物质可能难以预测地影响样品物质的电离或造成不必要的干扰或质谱中的化学背景噪音。外壳允许更严格地控制在离子源容积中所产生的试剂离子物质，对于给定的样品物质来说，能够实现最大且可重现的电离效率和更高的电离特异性。
清洗气体流配置成清扫气相样品分子离子源，以减少样品分析之间所需的时间且最大限度地减少样品间的交叉污染。清洗气体通过排气口排出，其中其通过安全的实验室排气系统排出。具有安全气体清洗的密封外壳最大限度地减少和/或防止暴露于挥发的样品物质的用户。在一些实施例中，试剂离子发生器气体流、逆流气体流以及清洗气体流排出通过的离子源排出口定位在样品加载区域中的样品加载板之上。进入DSA源室中的气体流在样品加 载过程中流过样品加载板，减少和/或防止周围气体污染物进入离子源，同时样品加载门是打开的。当样品加载门关闭时，气体流过样品加载板上方且流出排出口用于在将样品移动到DSA源容积中之前清洗环境气体的样品加载容积。在样品加载区域中的此清洗过程还可以用于干燥新加载的样品，前提是如果这对于给定的样品类型来说是所期望的话。置于排出口或管路中的水分或湿度传感器提供反馈，以在将新加载的样品移动到DSA源容积中之前控制关于所实现的干燥程度的系统和软件。测量所加载的每个样品的干燥程度提供了一种方法，以提高保持(或没有保持)在样品中的水分的浓度，其可以提供在多个样品分析中的改进的浓度。在不同日子所制备的样品可以在DSA系统中进行调节，以对于相同的样品类型来说提高分析结果的均匀性。例如，在不同日子所制备和运行的相同类型的药丸可以在分析前被一致地被干燥，以提高所分析的样品丸表面的均匀性。
密封外壳可以移除，以便于清洁离子源。在一些实施例中，所述外壳包括在关闭时被密封的通道门。通道门与外壳具有安全传感器，其在DSA源外壳密封被破坏时关闭电压和加热器。
在DSA源的一些实施例中，样品架平移和试剂离子发生器平移可以在全自动模式下或采用选择性手动位置调整而被操作。位置传感器输入至软件使得软件和电子控制系统能够在样品架和试剂离子发生器平移上设定约束，以防止在自动或手动平移操作中的硬件冲突或电气短路。离子源控制系统连接至样品列表，以提供在所产生的质谱仪数据与多个样品架上样品位置之间的相关性。
一些实施例包括用于样品的软件控制的x-y-z平移和样品点位置的记录，其使得能够在质谱采集期间进行空间扫描。例如，样品分析点可以跟踪在样品混合物的薄层色谱轨迹上的样品分离线路。
本公开还包括DSA系统控制软件，其提供每个样品的具体电离方法信息至质谱仪数据评估软件来优化所获得的数据的数据评估和报告生成。数据相关反馈可以应用至该DSA系统控制软件，以调整样品电离条件来提高性能。
本公开的特征表现为电离样品的一个或多个方法。电离方法包括但不限于试剂离子和带电液滴的产生，通过使用电喷雾、大气压化学电离、光电离、单独或组合使用的电晕放电和辉光放电。样品电离方法包括但不限于带电液 滴的吸附和离子的产生，通过蒸发带电液滴、气相电荷交换或能量交换反应、化学电离、单独或与电离类型的组合操作的光电离和激光电离。
所述DSA系统可用于分析多态物质，包括但不限于固体、液体、气体、乳液、粉末、非均相和多相样品及其混合物。
附图说明
图1是直接样品分析(DSA)离子源与系统的实施例的示意图，包括位置可平移的试剂离子发生器和方形样品架、多个孔筛样品目标以及进入质谱仪的毛细管孔。
图2是进入配置有网状样品架的DSA源试剂离子发生器与逆流干燥气体加热器的气体和液体引入装置的实施例的示意图。
图3是试剂离子发生器和进入真空的毛细管孔的实施例的横截面视图，具有包括气体和液体供给和互连的电喷雾电荷液滴源。
图4是DSA系统中近距离的薄层色谱样品目标，包括配置在倾斜向下位置的试剂离子发生器出口、聚焦的光源加热和高温计温度反馈。
图5是DSA离子源中近距离的薄层色谱样品目标，包括配置在水平位置的试剂离子发生器出口、聚焦的光源加热和高温计温度反馈。
图6是DSA离子源系统的实施例的示意图，包括具有配置在倾斜向下位置的试剂离子发生器出口的多轴试剂离子发生器位置转换器、高温计温度传感器反馈、视频监视器以及弹簧夹子样品架。
图7是DSA系统的实施例的侧视图，包括多个样品网状目标、具有反馈高温计的光加热源以及具有在水平位置配置有出口的多个轴转换器的试剂离子产生。
图8是DSA系统的实施例的局部剖视图，包括四轴样品架平移台、多轴试剂离子发生器转换器、样品位置传感器、具有反馈高温计和样品管架的光加热器源。
图9是DSA离子源系统的实施例的正视图，包括加载有定位成用于分析固体丸样品的多个样品架的四轴多个样品架转换器。
图10是四轴样品架转换器的实施例的横截面视图，包括具有密封件的层状旋转与平移轴。
图11是用于药丸的多个样品架的正视图，定位成采用清洗气体流动在 DSA离子源外壳中用于样品分析。
图12是样品架的顶视图，定位成采用清洗气体流动在DSA离子源外壳中用于样品分析。
图13是多个样品架的正视图，定位成用于在采用清洗气体流动进行在所加载的固体药丸样品上分析之后从DSA离子源外壳的实施例中去除。
图14是多个样品架的顶视图，定位成用于采用清洗气体流动从DSA离子源系统外壳的实施例中去除。
图15是采用清洗气体流动关闭从DSA离子源系统外壳的实施例中去除的多个样品架的正视图。
图16是加载到DSA离子源系统的实施例中的多个样品架的正视图。
图17是DSA离子源系统的实施例的正视图，其中在进行样品分析之前，离子源封闭容积与样品加载区域容积在新样品架被加载之后得以清洗。
图18是使用至少一个距离传感器在目标样品识别和样品轮廓映射的步骤过程中的DSA离子源系统的实施例的正视图。
图19是使用至少一个距离传感器和样品架平移在样品目标识别和样品轮廓映射的步骤过程中的DSA离子源的实施例的顶视图。
图20是DSA离子源的实施例的正视图，其配置有定位成进行分析的样品架和移动至下部位置的试剂离子发生器，其出口端自动旋转180°，以提供至加载在垂直放置的管中的样品的最佳的离子试剂输送。
图21是DSA离子源的实施例的正视图，其包括来自成形固体样品支撑的电喷雾电离，供给液体用于在分析过程中进行电喷雾。
图22是使用DSA离子源系统的实施例所分析的姜黄粉的质谱。
图23示出了采用DSA离子源系统的实施例所分析的三种不同烹饪油的三个质谱。
图24示出了使用DSA离子源系统的实施例从健怡可乐(Diet Coke)的样品中所获得的正负离子的极性质谱。
图25示出了使用DSA离子源系统的实施例从三种不同类型的辣椒粉样品中所获得的三个质谱。
各个附图中的相同参考标记表示相同的元件。
具体实施方式
配置成用于样品直接分析的开放离子源经受背景空气组分的变化，并且使最终用户暴露至要被分析的样品和在分析中被配置的任何试剂物质。气态试剂物质和挥发的样品材料可以通过运行分析的最终用户而被吸入。这种暴露可能在分析药物、新合成的化合物、药用样品、病变组织、有毒物质甚至如在没有可用的历史的法医样品中的未知样品时是特别危险的。当操作开放离子源时，在背景气体组分中的改变会影响电离效率，有助于背景污染，添加干扰成分峰至质谱，不可预测地改变试剂离子组分和温度，导致不可预测的分析结果。本公开的特征表现为设备和方法允许分析直接引入到封闭的离子源体积中的多个样品，具有精确监测和控制的背景气体组分、温度和流动。在DSA离子源系统中的试剂离子产生是严格控制的且可重现的，提高了样品分析的鲁棒性和重现性。不同于其中用户潜在地暴露于施加至电极的任何电压的开放离子源，DSA离子源系统包括由施加至配置在封闭的离子源体积内的电极的电压形成的电场的应用。这些所应用的电场引导离子通过孔进入真空，从而提高了质谱仪的分析灵敏度。
市售的开放离子源通常采用中性气体流动以拉动样品所产生的离子进入真空。此相同的气体流动也夹带非离子污染分子并且清扫这些不需要的物质进入真空，其中它们可以在样品离子上冷凝或者污染真空中的质谱仪电极。本公开的特征表现为设备和方法包括逆流气体流动，用于扫除不必要的中性污染物质，防止进入真空，同时使用聚焦电场引导样品离子通过孔进入真空。DSA离子源系统包括电介质毛细管，其允许在电气上及空间上分离入口和出口端。此电气电极隔离允许不同的电压被同时施加至毛细管入口和出口电极，从而在大气压离子源和真空区域提供最佳的电压，如在美国专利第4542293号中所述。在大气压下静电聚焦离子使得能够有效采样相对逆流干燥气体而进入真空的离子，提高灵敏度，同时减少不必要的中性污染气体或蒸汽分子，防止进入真空。
参照图1和2，DSA离子源系统1包括试剂离子发生器组件2、带有可移动网格样品架20、21和22的样品架组件3、试剂离子发生器转换器组件5、光加热器7、高温计8、带有光纤和聚焦透镜输入11的摄像机10、质谱仪毛细管入口电极12、鼻形件电极组件13以及外壳组件14。样品架组件3包括三个可移动样品架20、21和22，每个具有21个单独的样品放置位置，如图所示。样品架组件3支撑在一至四个可移动样品架之间。样品架20、21 和22包括网格24，通常是不锈钢或多孔聚合物，其上加载有液体样品。网格24夹在金属板25和26之间，用于支撑和安装。样品架组件3通过图8、9、10和11中所示的四轴转换器组件180而被定位。转换器组件180包括两个线性和两个旋转的平移运动自由度，其影响样品架组件3的Y垂直15、旋转16、Z水平17和X水平18轴运动。
如图1所示且更详细地在图2中，试剂离子发生器2包括液体入口40、雾化器气体入口41，辅助气体入口42、气动雾化器43、加热器44、热电偶45、通过电绝缘体52和倾斜排出通道49所安装的电晕放电针48。通过液体入口40所输送的液体的单个成分或混合物在气动雾化器43中随着流过雾化器入口41的液体而得以雾化。雾化液和载气54在通过加热器44时被蒸发和加热。排出加热器44的气体与蒸汽混合物的温度利用热电偶45被测量，其被反馈给控制软件和电子器件，以调节加热器温度。被加热的气体流过由可拆卸的端部件51所包围的倾斜排出通道49，并经过电晕或辉光放电47。电晕或辉光放电47是通过施加通常是正极性或负极性千伏的电位于电晕或辉光放电针48上而出口端部件51保持接地或零伏电位而形成的。施加至电晕或辉光放电针48的正极性电压产生正极性试剂离子。负极性试剂离子通过施加负极性电压至电晕或辉光放电针48而产生。被加热的试剂离子形成于电晕放电47中。加热试剂离子和载气通过试剂离子发生器出口50，并且移向包含在样品架22的网格24上的样品27。可替换地，辉光放电47产生离子或高能亚稳原子或分子，其与试剂气体和样品相互作用以形成试剂和样品离子。
雾化气体入口41连接至雾化气体压力调节器或流量控制器81，其控制通过雾化器43的雾化气体流量。雾化气体压力调节器81连接至DSA离子源系统电子器件和软件控制系统82，并通过其得到控制。雾化气体组分通常为但不限于氮气或干燥净化的空气。液体入口40分别连接至加载有注射器60和61的注射器泵58和59。注射器泵58和59可以单独运行以采用受控的流量输送各个液体物质，或者可以同时运行以产生混合的液体组合物流动或形成进入试剂离子发生器2的液体组合物的梯度。可替代地，注射器泵58和59可以被替换为在本领域中公知的任何流体输送系统，比如液体色谱泵或加压的液体保持小瓶。对于许多样品类型来说，期望的正极性试剂离子是水合氢离子或质子化水(H3O+)，因为水合氢离子具有非常低的质子亲和力， 并且在气相中会很容易地与具有更高质子亲和力的任何分子交换。质子化的水分子簇是不太可取的，因为水分子簇的质子亲和力随着簇中水分子的数量而生长。因此，质子化的水分子簇可以从气相中的质子化样品离子中除去质子，减少样品离子的敏感性。由于DSA源电离区域的封闭环境，所以背景试剂气体中的水的百分比可以得到严格控制，以最大限度地提高水合氢离子的产生，同时最大限度地减少质子化的水分子簇。
在流过出口通道49的气体中的百分比由流过液体入口40的在气动雾化器43中得到雾化的水的流量和分别流过气体入口41和42的雾化器气体和辅助气体的总流量确定。例如，由于流过入口41的雾化器气体为每分钟一升，且注射器泵58输送至雾化器43的水流量为每分钟一微升，所以在导致体积约膨胀l000倍的水汽化之后，水蒸汽将会具有流过出口通道49和电晕或辉光放电47的约0.1％的浓度(体积)。在此试剂离子气流中的水的百分比可以通过改变由注射器58所输送的流量或经过气体入口41和42的气体流量而得到精确调整。电晕或辉光放电47电离流过其的氮气体分子，其反过来通过对于本领域技术人员来说所公知的一系列气相反应形成水合氢离子。在出口50排出试剂离子发生器出口通道49的加热试剂离子气体流过网格24，蒸发沉积在采样点27的样品。蒸发的样品分子电荷与水合氢离子交换，并且形成质子化的样品离子，前提是如果样品分子具有比通过的水合氢离子更高的质子亲和力。样品离子将形成在采样点27下游的区域84中。所形成的样品离子随后紧跟由施加至鼻形件电极13和毛细管入口电极12以及接地或零伏样品架22的电压所形成的聚焦电场线。通过电场驱动，样品离子相对着干燥氮气逆流气体流60移动。逆流气体流60带走任何中性的水分子或水分子簇，并且干燥随电场移动的质子化的水分子簇，从而减少和/或防止中性水分子簇从新形成的样品离子中移除电荷，并且消除样品或水的中性分子进入真空。离子和中性氮气通过形成在毛细管80中的毛细管孔30的出口端85的快速冷却自由射流扩散而进入真空，在样品离子上很少或没有中性分子浓缩发生。根据本公开配置的DSA离子源系统提供试剂离子产生与输送的精确控制，使得能够进行强大、一致且可再现的分析操作。如所希望的那样，样品本身是要被分析的一个变量，因为在操作过程中包围样品的可再现控制和状态。
带有在正离子情况下的低质子亲和力的样品可以通过使用不同于水的 试剂离子组分而被电离。例如，样品分子可能不接受来自水合氢离子的质子，前提是如果其不具有质子化位点的话，但是可以形成与质子化氨离子的附着，以形成具有附着的氨离子的样品离子。这样的气相反应在大气压化学电离(APCI)和真空化学电离(CI)领域是公知的。氨可以通过使用注射器泵58或59以液体形式被输送到试剂离子发生器2中，如上面对于水的描述，或者氨可以由于分别在小瓶87或88中的头部空间气体90或91而被排出。来自小瓶87和88的头部空间气体的流动控制是由压力调节器92和阀95提供的。来自小瓶87和88中的任一个或这二者的头部空间气体流动可以通过分别打开或关闭阀96和97来选择。头部空间气体90或91流过连接99和入口42，进入加热器44。可替代地，不同的辅助气流物质98可通过入口42被引入到试剂离子发生器2中。通过气流控制器93和阀94所控制的辅助气流98可从加压的气罐中供给。例如，可能希望的是引入氦气作为试剂气体，因为形成在电晕或辉光放电47的离子化且亚稳态氦具有高电离电势，其在这些氦亚稳或离子物质与气相原子或分子碰撞时提高了电荷转移效率。氦是一种相对昂贵的气体，并且可以不需要电离许多样品物质。氦可以与氮气或其它气体混合，以形成试剂离子混合物。阀94、95、96和97、压力调节器92以及气流控制器93连接至DSA源电子器件和软件控制器82，以提供进入试剂离子发生器2中的部分或全部气体与液体流量的软件和自动化控制。可替代地，可以手动控制辅助气体组分和流量。
如图1和2所示，注射器或流体输送泵58和59以及流体三通83定位在DSA离子源系统1密封的外壳组件14的外部。类似地，具有随行阀94至97的试剂溶液小瓶87和88、压力调节器92和流量控制器93定位在密封的外壳组件14的外部，电子控制模块82也是如此。只有对质谱中背景化学噪音不产生显著影响或者不影响气相样品分子的电离效率的惰性材料配置在DSA离子源系统1的密封的外壳组件14内。配置在密封的外壳组件14内的材料通常是但不限于金属、陶瓷或玻璃。流体或气体流动通道连接至经过封闭组件14的密封的进料通过部。连接至加热器44、热电偶45以及电极或定位在外壳组件14内的电喷雾针的线通常与陶瓷绝缘体电绝缘。在密封的DSA离子源外壳组件14内的电绝缘体可以包括其它的非陶瓷材料，前提是这种材料不脱气至这样的脱气干扰样品电离的程度，或者至这样的脱气造成干扰峰或在所获得的质谱中化学噪音的程度。
试剂离子发生器2可替代地被操作为大气压化学电离探针，其中样品被直接电离。由于样品架组件3移动远离试剂离子发生器出口50与鼻形件入口70之间的区域84，在电晕放电47所产生的离子可被直接输送至毛细管孔30，通过所施加的电场驱动，如上所述。有效地，试剂离子发生器2可以被操作为无场APCI入口探针，如在美国专利第7982185号中所述。例如，来自气相色谱仪的气体样品可以通过入口40被直接输送到加热器44中，以避免样品成分缩合。气相色谱载气通常是氦，其在气体样品通过电晕或辉光放电47时提供洗脱气体样品的有效电离。可替换地，气体样品可以被引入到试剂离子发生器入口41或42中，允许并行地引入额外的试剂离子物质，以最大限度地提高电离效率。液体样品还可以从液相色谱仪、喷射阀或对本领域技术人员来说公知的其它流体流动系统被引入通过入口40。例如，校准溶液，从注射器58通过40所注射的流量，在气动雾化器43中雾化，在雾化的液滴通过加热器44时蒸发以及在校准蒸汽通过电晕或辉光放电47时电离。通过毛细管孔30引入到质谱仪78中的校准离子可用于调整和校准质谱仪78。以类似的方式，这样的校准离子还可以在样品27或任何其他样品电离期间被添加，以提供内部标准校准离子用于在更高分辨能力的质谱仪中的精确质量测量。质谱仪78可以是但不限于，四极杆、三重四极杆、时间-飞行(TOF)、混合四极杆时间-飞行、轨道阱、混合四极杆轨道阱、2D或3D离子阱、时间-飞行-时间-飞行或傅立叶变换型质谱仪。
参照图1和2，逆流气体61最初通过逆流气体加热器62，在鼻形件出口70排出。逆流气体流量通过连接至软件和电子控制器82的流量调节器72而得到控制。电压被施加至毛细管入口电极12和鼻形件电极13，以引导样品离子进入毛细管孔30，其相对逆流干燥气体60移动。扩大到真空中的载气清扫进入真空台74的夹带离子。电压被施加至毛细管出口电极76和锥孔体电极75，以将排出毛细管孔31的离子引导到质谱仪78中，用于质荷分析。逆流气体流60，通常是但不限于氮气或干燥空气，扫除不必要的中性污染分子，防止中性污染物质进入真空。逆流气体流60消除或最大限度地减少在自由射流扩展到真空中的样品离子上的污染分子的凝结，并且最大限度地减少处于真空中的电极的不必要的中性分子污染。毛细管入口电极12和出口电极76在空间上和电气上分离。对于毛细管入口电极12和出口电极13来说，不同的电压值可以同时且独立地被优化，如在美国专利第4542293号中 所述。例如，施加至鼻形件13、毛细管入口电极12以及毛细管出口电极76的电压值可以分别被设定为-300VDC、-800VDC和+120VDC，用于DSA离子源操作过程中正离子极性产生。由施加至鼻形件电极13和毛细管入口12的电压形成的离子聚焦电场引导形成在接地样品目标27附近的样品离子进入到毛细管孔30中。流经毛细管孔30的气体相对分别在毛细管入口和出口电极12和76之间的减速电场推动离子通过毛细管孔30。离子约以施加至毛细管出口电极76的电势加上由种子分子束所给予的速度排出毛细管孔31。相对于施加至锥孔体75的电压，毛细管出口电极76的电压可以增大，以选择性地促使离子碎裂，而不改变样品电离区域84中的电场。离子碎片可能有助于建立化合物识别或确定化合物结构。
参照图3，DSA离子源系统1可以配置有试剂离子或带电液滴的额外源，以提高样品电离效率。DSA离子源系统1包括安装在外壳14内的电喷雾针103。分别从一个或多个流体输送系统或具有注射器60和61注射器泵58和59所输送的液体通过流体管路107将试剂液体或样品溶液供给到电喷雾针103中。试剂液体或样品溶液从电喷雾针103的尖端108电喷雾，以形成羽状带电液滴104。电喷雾羽104是通过电喷雾针103与鼻形件电极13或接地出口通道49壁110之间所施加的电压差而形成的。在一些实施例中，高电压电源连接至电喷雾针103以及设定为将维持稳定电喷雾羽的值的电压。可替代地，足够的电压可以被施加至鼻形件电极13，以提供稳定的电喷雾，电喷雾针103保持在接地电位。将电压施加至电喷雾针103和鼻形件13通常可用于优化样品电离效率和采样到质谱仪78中的离子。
由于从撞击在样品管101上的试剂离子发生器出口50排出的加热的试剂气体和离子55，样品分子从样品102中蒸发。样品102沉积在安装于样品架110上的玻璃管101和/或加载在其中。蒸发的样品分子可以被吸收到电喷雾带电液滴中。然后，样品离子在带电液滴蒸发时形成，相对加热的逆流干燥气体60移向鼻形件电极孔70，在带电液滴蒸发进行时形成离子，如本领域公知。可替代地，可能具有由蒸发电喷雾液滴形成的多个电荷的试剂离子可以与气相样品分子发生电荷交换，以形成样品离子，其随后被引入到毛细管孔30中并且至质谱仪78，用于如上所述的质荷分析。来自样品102的气相样品分子可以单独或同时暴露至排出试剂离子发生器2的试剂离子55或电喷雾产生的试剂离子或带电液滴。试剂离子或带电液滴源的选择是通过控 制施加至电晕或辉光放电针48和电喷雾针103的电压和通过控制流体流动或雾化和试剂气体源111、58、59、87、88和98而实现的。
样品气体可以被直接引入到电离区域84中，其中电离通过与由电晕或辉光放电47或电喷雾103源形成的试剂离子或亚稳物质的电荷交换而发生。然后，最终的样品离子被导入到质谱仪78中，用于如上所述的质荷分析。参照图3，样品气体供给114，通过气体流管115输送样品，样品气体在电离区域84近侧的端部117排出。样品气体供给114可以是但不限于气相色谱仪、环境气体采样器或呼吸分析仪，定位在密封的外壳组件14的外部。
样品加热是控制以实现可再现的、一致的和可靠的样品电离效率的重要变量。不同的样品具有不同的热容量，并且可能需要不同的温度以实现样品分子蒸发。在一些实施例中，加热样品表面所需的焓可控地由多个源输送。施加至样品表面的热量的一个源输送为来自试剂离子发生器2的加热的试剂离子气体，如上所述。从排出试剂离子发生器2的出口50的试剂离子和气体流55输送至样品表面的焓的量是排出气体与离子混合物55的温度和流量的函数。气体和试剂离子温度通过采用来自电晕或辉光放电47的一些额外热量来设定加热器44的温度而得以控制。穿过试剂离子发生器2出口50的总的气体流量如上所述。可替代地或另外地，热量还可以通过使用光源而输送至样品表面。
参照图1、2、4和5，光源7包括但不限于红外光源、白光源或激光器，如图4所示，其包括电触点120。加热光源7的一些实施例包括配置在反射罩121中的红外或白光石英灯泡。内部反射罩121的上端122包括近似抛物面反射器和出口端123，在内部成型为内部反射聚光器，如在太阳能收集器领域中公知。加热光源出口124可以包括聚光透镜、开放孔、或内部反射的光管，这取决于样品和分析要求。加热光源7被安装并定位在DSA离子源系统1中，以使得从加热光源7射出的光125瞄准被分析的样品。照射在样品表面上的光强度通过控制施加至灯泡电极120的电压或激光源(如果光源7是激光器)以及聚焦光点的大小而得以调整。光和加热的试剂气体可单独或同时使用，以可控地加热样品表面。取决于样品类型及组分，施加至包括成分混合物的样品表面的受控的加热或热梯度可能导致在离开样品表面的不同样品成分的时间或温度方面的分离。在更高蒸发温度的样品物质之前，具有较低蒸发温度的化合物物质从样品表面蒸发。通过温度梯度使样品表面 温度升温可以在时间上实现样品组分的分离。样品物质的此温度分离可以减少电离过程中的干扰，增加分析的峰容量并且由于毛细管至锥孔体区域的离子碎裂而允许一定程度的选择性。通过以在热脱附光谱领域中技术人员所熟知的方式监测作为温度的函数的物质的脱附，还获得关于样品表面组分的额外的分析信息。
加热光源7可以配置有出射透镜，其使发射光聚焦至在样品表面上的比可以通过使用加热的气体流而实现的更小光斑。热量的此聚焦源允许在分析固相样品或其他类型样品时在表面上的改进的空间分辨率。参照图4和5，薄层色谱(TLC)板130和131安装在样品架组件132上，并且由弹簧夹133保持在适当位置。样品物质的混合物沿着薄层色谱板的长度分离，导致在空间上分离的固相样品成分的线路。当安装在样品架组件132上时，薄层色谱板130和131具有近似垂直于鼻形件13轴线延伸的样品分离线路。一行或多行样品分离可在单一TLC板上进行。为了避免在同一平板上TLC通道之间的串扰，热量的集中应用是需要的，同时需要最小的过热。当样品架组件132使TLC板130线在垂直于鼻形件电极13的轴线的方向上移动时，聚焦的加热灯124指向TLC分离样品的一个通道。针对TLC板130上加热的样品点137的高温计8测量由加热灯125直接加热的表面温度。高温计8温度测量反馈至控制软件来调节加热光源8的光强度，以保持在样品位置137的样品表面温度在所需的设定温度。当加热光源7包括红外光源时，在采取高温计测量时，灯可以被短暂地关闭，以避免因红外光而在表面温度读数上的误差。样品的表面温度可以直接采用高温计8或者可替代地采用热电偶测量。由于反馈至加热器控制，当分析同一样品类型的多个样品时、当分析样品表面比如TLC板或者植物或动物组织时或者测量不同的样品类型时，样品表面温度的直接测量使得能够得到更加一致、可靠且稳健的离子源性能。
加热灯或激光8的强度可以迅速得到调整，因为其不承受于加热器元件的热容量，与试剂离子发生器加热器44的情况相同。由于在试剂离子发生器2中的总气体流路的热容量以及通过电晕放电或辉光放电47所产生的热量，排出出口通道49的试剂气体55的气体温度的调整需要较长的时间。图4示出了试剂离子发生器2，其配置且布置有倾斜的出口端134，引导流经出口50的气体和离子流直接朝向样品点137。照射在样品表面位置137上的加热的气体和离子50补充输送至样品表面137的更集中的热量。参照图5，试 剂离子发生器2和倾斜的出口端134旋转约180°，并且沿着倾斜的轴135向下移动。流经出口50的气体和试剂离子50大致定向成平行于样品表面位置137。在图5所示的实施例中，灯加热器7输送提供给样品表面位置137的焓的主要源，从而允许更严格地控制样品表面温度和在样品位置137加热的区域的大小。在图4和5所示的实施例中，高温计8定位成读取被加热的样品位置137的温度。
DSA离子源系统1可以配置有带有或不带有光纤探头11的摄像机10。正确定位的摄像机10可以用来查看被分析的样品表面位置，并且在分析过程中随时将表面的视觉状态反馈给软件或用户。四轴样品架组件3转换器控制确定相对于质谱仪78毛细管取样孔30的给定样品表面的精确位置。公知的样品位置与所获得的质谱数据相关，并且还可能与在样品分析过程中的视频图像相关。摄像机10包括适当的光线光学镜头，以提供样品表面的放大。由于采用适当的光学器件，摄像机10可以配置在外壳14的外部，以最大限度地减少摄像机10暴露于样品环境，并且减少和/或消除相机外壳或电子器件的任何脱气。这种脱气将会添加在DSA离子源系统1的外壳14内的不希望的背景化学物质。
图1至7中所示的倾斜的试剂离子发生器2包括可旋转的倾斜的端部134，具有在图1、2、3、6、和7中所示的可移动端部件51以及在图4和5中所示的可旋转减小的直径端部件140。参照图2和5，试剂离子发生器加热器轴141与出口端134轴线142倾斜。倾斜的试剂离子发生器的几何形状允许分析圆形、方形或其他形状的样品架组件，其中样品可以沿着整个外缘被加载，而不与试剂离子发生器2干扰。例如，在图1中，样品架20、21和22沿着方形样品目标组件3的外缘安装。当每个样品27移动到用于分析的位置中时，通过安装至样品架组件3的任何其它样品，与试剂离子发生器2没有任何接触。倾斜的试剂离子发生器2的几何形状将绝缘加热器本体144定位成足够地远离所加载的样品，以避免在进行每个样品分析之前或之后的不必要的样品加热。由于试剂离子发生器2的倾斜几何形状和样品架3的四轴平移，通过使用样品架组件3的紧凑的几何形状，具有不同形状和尺寸的大量样品可被定位且分析。例如，六英寸的方形样品架组件的周长是二十四英寸长。等效线性几何样品架将在一个方向上为24英寸长，但是离子源48英寸宽将需要传递在线路过去电离区域84中的一些或所有样品。具有安装 布置在三维空间而不是二维空间中的样品的样品架组件3的更紧凑的几何形状允许更小且更紧凑的DSA离子源1和相应更小的外壳14的配置。
更小的DSA离子源1和外壳14体积包括清洗每个样品分析之间且当加载和卸载样品架组件3、110、132和162时的气相污染物的更少体积。在开始新的样品分析集之前或在所分析的每个样品之间，需要使用更少的气体来有效地清洗更小的源体积，且需要更少的时间来除去污染气体物质。污染物质的更快清洗允许用于多个样品组的更快的分析次数，提高整体的离子源分析效率。
参照图6和7，具有可旋转出口端组件134的倾斜的试剂离子发生器2的几何形状使得能够快速且自动地定位出口50，用于与不同的样品类型最佳操作。对于具有高效的离子取样到毛细管孔30中的每种样品类型来说，试剂离子发生器出口50定位成提供最大的电离效率。加热器本体144不干扰安装至分别在图1、3、4和6中所示的样品架组件3、110、132和162的样品。试剂离子发生器加热体和出口50的线性与倾斜位置随着试剂离子发生器四轴转换器组件150而被调整。试剂离子发生器四轴转换器150的一些实施例示于图6和7中，包括水平直线轴151、旋转轴152、倾斜的直线轴153和第二旋转轴154。每个轴均可手动调整，或者自动调整，采用软件控制的电机驱动每个轴。平移轴的不同配置可被取代为在152中所示的情况，同时保持相似的、减少的或增加的灵活性和功能。可以添加传感器来测量在手动或自动转换器组件中的每个轴的位置，该组件提供软件，相对于样品位置且相对于鼻形件13的固定位置，精确定位试剂离子发生器2。如将在后面的章节中所述，位置传感器将样品架组件3、110、132和162位置和试剂离子发生器2的位置反馈给软件允许在分析过程中自动且优化地定位试剂离子发生器和样品，同时避免与DSA离子源系统1表面和电极接触。
图6示出了处于升高位置的试剂离子发生器2，倾斜的直线轴153缩回且倾斜的出口组件134旋转至这样的位置，其中出口50以向下的角度指向样品160，其由安装至可动样品架组件162的样品夹161保持。作为示例，图6中的样品160可以是一块桔皮，其中运行分析以确定(如果有的话)哪个杀虫剂或杀真菌剂存在于桔皮上。图7示出了在降低位置的试剂离子发生器2，倾斜的轴线153延伸且可转动的倾斜端组件134从图6所示的位置旋转约180度。可移动的出口件168的轴线大致定位在水平位置，以最佳地电 离在样品架20上的网格样品27。在图6和7所示的实施例中，相对于水平面，试剂离子发生器加热器体144的角度在升高或降低的位置没有改变。连接件155连接在安装至倾斜线性转换器150的固定部分164的柔性连接156，并且连接在安装至旋转倾斜端组件134的旋转环141的柔性连接157。当倾斜的线性轴转换器153从缩回位置移动至延伸位置时，连接件155促使旋转倾斜端组件134旋转。当倾斜的线性轴转换器153从延伸位置移动至缩回位置时，倾斜端组件134的旋转反向。可替代地，通过适当地安装至转换器组件150和出口端组件134的齿条和小齿轮或蜗轮组件，具有连接158和157的连接件155可以被取代。可以采用几种不同设计的连杆或齿轮组件来自动地旋转出口端组件134，以实现用于每种样品类型的最佳定位。出口端组件134还可以手动旋转，用于出口50的最佳定位。
试剂离子发生器出口50的位置可以在采集过程中手动或自动地调整，以通过使用数据反馈来最大化离子信号。基于所获取的质谱数据与位置传感器反馈，四轴转换器150可以通过软件来调整。通过使用适当的算法，可以自动完成样品和试剂的离子发生器位置的这样的数据相关机械调谐。由于可以采用这种自动调谐算法，所以不同的样品类型、形状和大小可以被加载，并且样品和试剂离子发生器的位置可以自动调整，以便在很少或没有用户的干预下获取最佳的性能。
试剂离子发生器旋转倾斜端组件134包括在图4和5中所示的可移动端件140和图6和7中所示的168。相比于端件168的出口内径，可移动端件140的出口内径得以减小。更小内径端件140以对于某些样品类型来说可能希望的更小直径输送加热的气体和试剂离子。对于其他样品类型来说，其中更大的加热气体和试剂离子流直径是更加优选的，更大的直径端件168将被选择。更短或更长且不同直径的端件可以在试剂离子发生器2可旋转倾斜端组件134上互换。
一个或多个加热光源7可以安装至包括旋转环141的可旋转倾斜端组件134，以使得当端组件134旋转时加热灯125自动保持定向在加热的试剂气体和试剂离子流55的方向上。类似地，高温计8可被安装至定位成指向由加热光源7和加热的气体和试剂离子55照射的样品位置的可旋转倾斜端组件134。可替代地，一个或多个加热光源7和一个或多个高温计8可以定位成独立于试剂离子发生器2的位置，并且采用适当的平移可调式安装支架组 件来平移地引用，而不是样品位置和固定位置鼻形件13。
在一些实施例中，图1、3、4和6中分别示出的样品架组件3、100、132和162安装在图8所示的四轴转换器组件180上，用于样品的自动定位和移动。图8、9和10示出了在四轴转换器组件180上的这种样品架组件的一些实施例。四轴转换器组件180提供全方位运动，用于分析不同样品类型，一个或多个样品安装至三个维度的样品架组件3、110、132、162、181以及样品架组件的其他配置和实施例。四轴转换器组件180包括样品架组件181旋转轴182、水平线性平移轴183、旋转轴184和垂直线性平移轴185。使轴组件188旋转的多个轴从底板189下方延伸，通过密封的开口191底板189并进入类似于图1中所示的外壳14的外壳187。配置在外壳187内的四轴转换器180部件包括金属或其它惰性材料，以防止背景污染气体分子与样品分析干扰。
在图8、9和10所示的实施例中，水平线性平移轴183包括齿轮齿条192和旋转的小齿轮193，以影响样品架组件181或190的水平线性平移。旋转的小齿轮193安装在轴组件188中的中间轴301的顶端。中间轴的旋转是由电机和链轮组件315驱动的，其通过链条或齿形带344连接至中间轴下部链轮313。水平线性转换器组件312通过线性轴承导轨318滑动，从而实现低摩擦的精密直线运动。链轮195和197可旋转地安装至水平平移架组件312。样品架组件181或190在其整个全水平线性运动范围上的旋转受到通过链轮194连接至链条或齿形带193的旋转的内轴300的影响。链条193绕着弹簧加载的惰轮轮齿195，被驱动的样品架链轮197和驱动链轮194。内轴下部链轮198由电机和链轮组件311通过链或挂带310而被驱动。旋转轴184旋转受到外轴302的旋转的影响，其由通过驱动链或齿形带321而连接至外轴下部链轮322的电机和链轮组件320驱动。通过轴承324，外轴302安装在轴承座327中，其反过来又安装至线性垂直轴线185平移板328。垂直平移板328运动受到转动丝杠330的影响，其由通过链条或齿形带334而连接至丝杠下部链轮331的电机和链轮组件332驱动。垂直平移板328在导轨335上滑动，以实现低摩擦精密运动。内轴300和中间轴301的旋转分别在轴承326和325上，允许低摩擦旋转的精密运动。
四轴样品架转换器组件180包括提供致密气的两个旋转密封件和一个滑块旋转密封件，在所有四个轴运动时通过罩187基座189密封，同时在外壳 187内产生不可检测的化学污染。圆轴密封340提供旋转和滑动的密封给外轴302。轴密封341提供相对中间轴301的旋转密封，轴密封342提供相对内轴300的旋转密封。密封材料包括特氟纶或其他材料，其提供有效的气密密封同时不会有助于罩187内背景气相污染的产生。四轴平移组件188提供宽范围的旋转和直线运动，其只包括旋转和圆形滑动气密密封。采用无泄漏或潜在粘性线性密封件。蒸发的样品分子被有效地截留在密封的罩187中，并且清扫出排气口344进入安全的实验室排气系统，防止任何暴露给用户。反之，在分析过程中防止环境污染进入外壳187，从而提供如上所述的操作和分析好处。
四轴转换器组件180提供完整范围的运动，其对于样品形状和表面分析、样品位置检查、优化分析、样品架组件的加载和卸载来说是所需的，并且用于实现完整的样品架板分析，以在分析之前确定样品架类型、样品类型、数量、位置以及高度。图11至20示出了样品分析的自动化进程、卸载所分析的样品组、加载新的样品组、传感器分析新的样品组以及分析新的样品组。
参照图11，圆形样品架组件装有一组丸样品，其通过带有在鼻形件13前面通过的丸的旋转样品架组件而被依次分析。试剂离子发生器2在与图6所示的相似的向下倾斜的位置装有出口50。样品的受控加热受到被加热的试剂气体和离子55以及被加热的光源7的影响，采用如上所述的高温计8样品温度反馈。位置传感器334、345、347和348分别感测试剂离子发生器2四轴转换器组件的每个轴的位置，并且将试剂离子发生器2的精确位置反馈给软件。清洗气353，通常为氮气，流过底板185并进入气体歧管351。从气体歧管351流动的清洗气352移动通过罩187内的离子源体积354，将蒸发的样品分子清扫出通过排出口344过去水分或湿度传感器199，并且进入安全的实验室排气系统。将蒸发的样品分子清扫出排出口344的清洗气体352最大限度地减少样品之间的样品污染串扰。
结合连续流动的吹洗气体352，最大限度地减少样品之间的污染串扰可通过将样品架3、110、132、162、190或371移动至试剂离子发生器排出气流55或任何光热源不照射在样品位置或样品架表面上的位置来实现。例如，运行样品后降低图11中样品架组件190的位置防止预加热要被分析的下一样品，同时来自先前运行样品的污染有时间通过清洗气流352而被冲走。此外，在分析下一样品之前，暂时增加光加热器7的强度并且增加被加热的试 剂气体55的流动将驱动浓缩的样品物质离开鼻形件13表面和毛细管电极12表面。当试剂离子发生器2随定向在向下位置的出口50而定位时，试剂离子发生器2的位置能够迅速地移动，以提供样品分析之间的水平出口50位置。由于定向在水平位置的试剂离子发生器出口50，加热的试剂气体流55和/或光加热器7被引导朝向鼻形件13和毛细管入口电极12的面。任何可能积累在鼻形件13或毛细管入口电极12上的污染将通过此直接加热而被重新蒸发，并且在运行下一样品之前，先前的样品污染分子被逆流干燥气体流70和清洗气流352清除，并且通过排气口344排出。灯加热器7的强度和加热的试剂气流55的流量可以增加，以加速污染分子蒸发速率，有效地降低了电极的清洗时间。在此清洗和净化步骤过程中可以获得质谱，以监测背景或污染样品剩余的水平。此清洗步骤可以继续进行，直到通过使用数据相关反馈算法，在所采集的光谱中的背景化学噪音已降低到可接受的水平，或者可替代地，可以连续进行达所编程的时间持续，没有数据相关的反馈。当已经实现背景或污染信号中的可接受的降低时，光加热器7强度减弱且被加热的试剂气体和离子流55降低至用于分析的最佳水平。样品架组件190然后转移至用于分析的最佳位置，旋转以呈现下一样品丸用于分析。样品分析和样品分析之间的污染降低步骤可以通过软件编程实现自动操作或者通过手动控制进行。样品架可以配置成提供出现样品或样品架表面中的间隙的区域。样品架转换器180可以移动至分析之间样品架中的间隙，以进行清洗或清洁步骤。这样，样品架位置需要样品分析之间的最小运动。
图12示出了样品分析过程中DSA系统离子源1外壳187的顶视图，其包括样品架组件190，丸样品360以圆形图案安装。护罩358覆盖四轴平移组件180和多轴组件188。从歧管351流动的清洗气体352被引导到清扫外壳187内的全部体积354。
当已经分析了安装在样品架组件190上的一些或所有丸360时，样品架组件190移动至在样品加载和卸载区域363的开口364中的卸载位置。清洗气流365继续由样品架组件190清扫通过样品架192与开口364之间的间隙391并扫出排气口344。当移动样品架组件190至其加载和卸载位置时，四轴转换器组件180穿过或通过位置传感器367、350和368，以分别重置水平线性轴转换器组件312和样品架组件190旋转轴182的参考位置。四轴转换器垂直线性轴185和旋转轴184零位置也通过位于罩187外部的底板185下 方的位置传感器而得以重新生效。参照图13，当样品架组件190位于开口364中时，其位置是精确公知的且通过软件得以验证。图14示出了刚好在卸载之前定位在开口364中的样品架组件190的顶视图。
参照图15，样品架组件190从DSA离子源1外壳187中移除。顶盖370沿铰链373开启，便于自动或手动去除样品架组件190。连接至四轴转换器180的剩余样品参考板371包括位置基准安装销372。从歧管351流动的清洗气352可以被关闭，以避免使用户暴露至仍存在于外壳187内的任何残余的蒸发样品物质。可替代地，如果在打开顶盖370之前，源清洗时间足以清洁任何残留气相样品分子的源，则清洗气流365可以继续保持导通，以最大限度地减少或防止环境污染在样品的加载或卸载期间进入DSA源体积354。参照图16，新的样品架组件380加载在加载区域363中的样品基准板371上。样品架组件380包括样品管382，具有所加载的粉末样品383和平板标识符孔图案381。样品基准板371的参考对准销372和顶表面384建立由软件公知的样品架组件380的精确位置。软件尚未验证多少样品已经被加载以及每个样品的具体位置和高度是什么。清洗气流352保持打开或关闭，这取决于用户或方法的偏好。
参照图17，顶盖370是关闭的，并且在关闭时密封。形成清洗气流365的来自气体歧管351的清洗气流352被打开，前提是如果其先前被关闭，或者保持打开，前提是如果先前的状态在样品架380的加载过程中是打开的。清洗气流365进入加载区域363，并且排出通过经过水分或湿度传感器199的排出口344，以降低具有样品383的样品架组件。配置在排出管路344中或者可替代地定位在样品加载区域363中的湿度传感器199测量排出的清洗气365的水分含量。新加载的样品架380和样品383由清洗气365干燥，水分接触的反馈通过湿度传感器199被提供给软件。当引入的水分含量已经降低至所期望的水平时，样品架组件380可以移动到DSA源体积354中。可替代地，可能优选的是，运行的液体或湿的样品(在此情况下，采用清洗气365预干燥样品)将在样品加载之后被最大限度地减少。清洗区域363以及进一步的干燥样品，如果需要的话，具有来自湿度传感器199的湿度传感器反馈，提供了一种控制方法，以在分析之前始终地预调节样品。分析之前的受控样品制备和调节使得能够提高样品评估的一致性和可再现性。
在样品加载区域之后的此清洗区域363，试剂离子发生器2保持开启， 质谱得以采集以检查在DSA源体积354中的背景化学污染的水平。如上所述的样品加载冲洗循环可以继续，直到环境背景信号被充分地减少为由数据有关的反馈确定，通过在后样品加载冲洗循环过程中所获得的质谱评价。校准溶液可以被引入到如上所述的试剂离子发生器2中，以在样品383被运行之前调整和校准质量分析仪78。随着继续清洗，当在所获得的质谱中观察到的背景化学噪音水平已降低至可接受的水平和/或如果需要的话，在排出净化气体365中的水分含量足够低，具有所加载的样品383的样品架组件371被降低到DSA离子源区域387中。
参照图18和19，样品架组件371根据测距传感器350移动。测距传感器的一实施例使用激光束和光传感器来测量根据传感器所移动的物体的高度。样品架组件371的位置根据测距传感器350而被平移和旋转，并且样品板标识符孔图案381被映射来识别样品架组件390类型。可替代地，样品架380的顶面393可以包括条形码394，以识别样品板架类型380。当样品架380被平移地移动到条形码读出器392下方时，在图12和19中所示的光学条形码读取器392用来读取条形码394。
通过使用距离传感器150和样品架转换器180，每个样品管382的数量、位置和高度被映射且匹配至装入到软件中的样品列表。通过使用由测距传感器350和条形码读取器392产生的传送至软件和电子控制器82的样品架板识别和样品位置映射信息，软件调节试剂离子发生器2和可旋转倾斜出口组件134的位置。机动的倾斜直线轴转换器153位置被移动至在如图7所述的试剂离子发生器四轴转换器组件中的其延伸位置。由于位置测量传感器344反馈发送至软件的信息，所以软件自动验证新的试剂离子发生器探头位置。基于来自多个传感器的输入，DSA离子源1组件自动调整，以提供新加载的样品管382的优化分析。清洗气流352保持打开，以在开始样品分析之前减少背景污染并且建立在罩187内的公知的回地面气体组分。图19示出了DSA系统1的顶视图，包括位置测量传感器350，其用来识别样品架组件390类型并且映射新加载的样品架组件390的样品位置。可替代地，另外，DSA系统1包括条形码读取器392，以识别样品架组件390类型。
距离传感器150可用来映射样品表面的轮廓，使得软件算法能够设定用于分析的样品的最佳位置。四轴转换器180根据距离传感器150的激光束移动样品，以产生表面高程的地图和样品的边缘。例如，如果桔皮装入到DSA 离子源系统1中，如图6所示，由夹子161保持，则通过使用距离传感器150，表面和边缘得以映射。然后，样品相对于进入真空的孔30而被最佳地定位，以最大限度地提高灵敏度且避免与鼻形件13或试剂离子发生器可拆卸端件51的样品接触。另外，试剂离子发生器2的位置可以相对于样品而被设定，以提供最佳的样品电离条件。每个样品可以通过使用距离传感器150或额外的传感器进行分析，其位置可以得到优化，用于通过样品基础在样品上进行自动分析。
参照图20，在已经识别新加载的样品架组件390且部分或全部加载的样品383位置被映射后，样品架组件移动到最佳位置，以通过四轴转换器180进行所加载的样品383的样品分析。此外，试剂离子发生器2已通过软件控制自动得以最佳定位来进行样品分析。清洗气352在分析样品382的过程中保持打开，以最大限度地减少采用在如上所述的样品分析之间中的清洗循环的样品污染残留。例如，样品架组件390可以降低或移动至在分析样品后样品之间中的位置，以减少用于先前样品架组件190的如上所述的先前样品污染残留。
DSA离子源系统1可以配置有产生样品离子的装置，而不需要试剂离子发生器2。参照图21，修改的DSA离子源400包括流体输送针103、连接至四轴转换器组件180的样品架组件、纸或聚合物样品喷雾器402(样品置于每个喷雾器上)、样品喷雾器架403、分别配置有注射器60和61的注射器泵58和59以及具有如前面上文所述的毛细管入口电极12的鼻形件13。施加至鼻形件电极13和毛细管入口电极12的电压维持来自每个喷雾器402的样品电喷雾。液滴404可在电喷雾过程中从针103输送至置有样品的喷雾器402，以使得布置的样品朝向喷雾器402的喷雾尖端405移动。在电喷雾过程中通过针103输送至喷雾器402的流体流量与溶液组分通过使用分别具有注射器60和61的注射器泵58和59而被控制。
图22示出了通过使用类似于图3、16和20中所示的样品管382的玻璃管样品架，当姜黄粉在DSA离子源1中被加热时，在正离子极性模式下所获得的质谱。图23示出了来自在DSA离子源1中运行的三种样品食用油的在正离子极性模式下所获得的三个质谱。在食用油通过吸到小玻璃尖端而被加载后，液态食用油从玻璃管的提取下尖端被蒸发。图24示出了加载到类似于图2所示的网格组件22的网格目标上的在DSA离子源1中运行的健怡 可乐液体样品的正负离子极性模式下所获得的质谱。图25示出了在DSA离子源1无样品后处理运行的固体辣椒植物样品三个质谱。辣椒素峰高的幅值随着所分析的辣椒的辣而增加。辣椒素是使辣椒尝起来辣的主要成分。
已经对本发明的许多实施例进行了描述。然而要理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其它实施例在以下权利要求的范围之内。

Claims (31)

1.一种用于分析样品化学物质的设备，包括：
在所述设备的操作期间以大气压力操作的外壳；
位于所述外壳中的试剂离子或亚稳物质发生器，所述试剂离子或亚稳物质发生器包括在所述设备的操作期间产生电晕或辉光放电的元件，从而产生试剂离子或亚稳物质；
至少一个密封件，配置成防止在所述外壳中的样品分析过程中与环境空气发生气体交换，
安装在位于所述外壳中的平移台上的样品保持器组件，所述样品保持器组件包括至少一个样品保持器，所述至少一个样品保持器包括多个单独的样品布置位置；
化学分析器，用于在所述设备的操作期间检测和分析离子化样品化学物质；
布置成引导所述离子化样品化学物质进入所述化学分析器的毛细管，其中
所述试剂离子或亚稳物质发生器包括气体入口，可旋转的倾斜端部和可拆除端部件，所述可旋转的倾斜端部配置成布置为靠近所述至少一个样品保持器；
在所述设备的操作期间，所述试剂离子或亚稳物质使得定位在对应的样品布置位置的样品化学物质离子化，从而产生所述离子化样品化学物质。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述试剂离子或亚稳物质发生器的气体流动路径配置成流过产生电晕或辉光放电区的元件。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括产生带电液滴的电喷雾或气动喷雾器辅助的电喷雾。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述样品化学物质包括固体、液体或气体相样品。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括样品气体供给，用于将样品气体流引导通过所述试剂离子或亚稳物质发生器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述化学分析器包括选自由质量电荷分析器和离子迁移率分析器构成的组的元件。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述毛细管进一步包括具有在所述设备的操作期间施加于其的电压的孔。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述试剂离子或亚稳物质发生器包括气动喷雾器和加热器。
9.根据权利要求8所述的设备，还包括入口，所述入口配置成容纳液体样品，所述液体样品配置成被引入所述气动喷雾器和加热器。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，在所述设备的操作期间，所述液体样品被转换为蒸汽，并且流动通过在所述试剂离子或亚稳物质发生器中产生电晕或辉光放电区的元件。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述平移台包括一个或多个多重运动轴线和旋转运动轴线，用于移动所述样品保持器。
12.根据权利要求1所述的设备，还包括可密封样品引入门或端口，穿过其中所述样品保持器被引入所述外壳。
13.根据权利要求5所述的设备，其中，在所述设备的操作期间，所述样品气体流通过在分析期间产生所述电晕或辉光放电的元件。
14.根据权利要求5所述的设备，还包括具有气体流控制的清洗气体歧管和具有温度和流动控制的加热逆流干燥气体。
15.根据权利要求5所述的设备，还包括具有压力控制的喷雾气体源和具有流动控制的辅助气体流。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括排气口，所述排气口配置成将气体从所述外壳排出。
17.根据权利要求16所述的设备，还包括至少一个气体流控制，至少一个气体加热器和至少一个温度控制。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述产生所述电晕或辉光放电的元件是电晕放电针。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，多个所述单独样品布置位置布置成二维阵列。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述样品保持器组件包括多个样品保持器。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述多个样品保持器其中的两个布置为相交平面。
22.根据权利要求1所述的设备，还包括用于所述至少一个样品保持器的位置传感器，其中，在所述设备的操作期间，所述位置传感器提供反馈，从而允许所述试剂离子或亚稳物质发生器相对于所述至少一个样品保持器进行自动的和优化的定位。
23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述样品化学物质包括保持在样品保持器中的接地样品。
24.根据权利要求1所述的设备，还包括加热源，所述加热源配置成将受控的加热或热量梯度施加至所述至少一个样品保持器的样品表面，从而使得离开所述样品表面的不同样品成分的时间或温度分离开。
25.根据权利要求24所述的设备，还包括温度传感器，用于监控所述样品表面的温度。
26.根据权利要求24所述的设备，还包括视频照相机，用于形成所述样品表面的外观的视频。
27.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个样品保持器包括配置成保持液体样品的网格目标。
28.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个样品保持器包括具有两个平行表面的基准板，所述两个平行表面其中的一个定位成直接面对所述试剂离子或亚稳物质发生器，所述两个平行表面其中的另一个定位成直接面对所述毛细管的入口孔。
29.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电晕放电包括辉光放电。
30.根据权利要求1所述的设备，其中，所述试剂离子或亚稳物质发生器的蒸汽流动路径配置成流过产生电晕或辉光放电区的元件。
31.根据权利要求1所述的设备，其中，所述样品化学物质包括乳液或粉末样品。
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