CN104008950A - 离子产生装置以及离子产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子产生装置以及离子产生方法，特别是在较低气压下产生离子并将该离子进行偏轴传输的装置和方法。在该装置和方法中，将电喷雾离子源或其它离子源放置于低于大气压的环境中，并将该低压下产生的离子通过离子导引装置进行偏轴传输以送入后级分析器进行分析，而大部分中性成分噪音在该过程中被去除。

Description

离子产生装置以及离子产生方法

技术领域

本发明涉及离子产生装置以及离子产生方法。

背景技术

自从1984年John Fenn发明电喷雾技术（ESI）以来，由于电喷雾电离的低电离能量、易形成多电荷离子、易与液相色谱联用等特性，已经成为质谱分析领域最常用的离子源。提高电喷雾离子源区域的灵敏度，成为该领域内重要的课题。

目前对电喷雾质谱灵敏度的限制因素，主要来源于以下几个方面：其一是离子产生数较少。离子产生过程牵涉到喷雾液滴的形成、蒸发和库仑爆炸的过程，该过程中可以通过调整电化学参数、表面张力、液滴半径等来到较多的液滴累积电荷。然而，该过程中最重要的限制因素是能否充分将液滴去溶剂化而将气态的离子“释放”出来。其二是巨大的离子传输损失。目前几乎所有商业仪器中的电喷雾都工作在大气压或者近大气压下，而质谱分析器的工作都需要较高的真空度，所以需要一系列的真空接口和离子导引装置使得电喷雾产生的离子可以进入分析器。由于大气压真空接口（通常是毛细管或者取样锥孔）必须保持很小的尺寸来维持后级真空（一般直径小于1mm），带来的结果是，超过90%的离子损失在了真空界面上。其三是严重的噪音干扰。电喷雾过程中的噪音比较复杂，除了由于实际样品中盐分、糖类等杂质争夺电荷带来的基质效应之外，还有由未充分去除的溶剂分子、背景气体杂质等带来的中性分子噪音，这一部分噪音会大大降低质谱分析的灵敏度。

为了解决离子产生数少、去溶剂化不充分的问题，通常的方法是通入高流量、高温度的雾化气来帮助液滴的去溶剂化过程。比如美国专利US6759650、US8039795等，但是高流量的雾化气会带来较高的费用，而高温气体还会引起一些易挥发溶剂的蒸发甚至沸腾。

为了解决真空界面上的离子损失，可以采用更小尺寸的针尖以减少喷雾区的面积，实际上就是降低喷雾时的液体流速，这样可以提高进入接口的离子比例，这就是所谓的纳升喷雾的方法。还可以采用更大口径的毛细管，但同时也对后级的真空泵提出了更高的要求。美国专利US6803565中提出了采用多根纳升喷针和多根毛细管接口的方法，实际上是前两种方法的结合。还有一种更有效的方法，就是直接在低气压下进行电喷雾。美国专利US5838002、US6068749和US7671344中，都揭示了低气压下进行电喷雾的装置和方法，特别是US7671344中采用了离子接收口很大的离子导引装置“离子漏斗”，可以使得绝大多数离子被传输、聚焦入下级真空。但是这种方法不能解决噪音问题，“离子漏斗”虽然提高了离子的传输效率，但是也提高了噪音的传输效率，而且由于低压下缺少气体分子碰撞，去溶剂化过程更加不充分，因此溶剂分子噪音的影响会更加严重，甚至可能完全淹没待测分析物的质谱信号。目前处理噪音的主要方法还是复杂的样品前处理过程和色谱分离过程，不仅费时费力，而且在过程中还可能引入新的杂质噪音。

为了降低电喷雾离子源的噪音，美国专利US6730904和US2011/0049357提出了离子偏轴传输的导引装置，这些装置将离子通过电场产生偏转，而中性分子沿直线路径被真空泵抽出，以此实现离子偏轴传输，从而降低中性分子带来的噪音。但这些装置除了结构上的复杂性之外，目前都只能应用于大气压离子源接口，而不能用于低压电喷雾接口，原因是这些传输装置典型的工作气压都在3torr甚至0.1torr以下，而目前可形成稳定、灵敏的电喷雾的气压都在10torr以上，因此离子在真空接口上的严重损失仍然存在。比如，对于US2011/0049357阐述的由两个不同直径（典型值为15mm和5mm）的层叠电极耦合在一起的装置，如果要工作在10torr以上，为了保持后级系统的真空度（通常在10^-3tor量级），较小尺寸的层叠电极直径必须降低到2mm以下，否则会带来巨大的真空泵负载。而在此尺寸下，离子很难克服大直径的层叠电极和小直径的层叠电极间的射频势垒，很难再实现有效的偏轴传输。

总之，目前还没有一种较好的方法，可以同时解决这几种限制电喷雾灵敏度的因素，从而得到较好的灵敏度响应。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子产生装置以及离子产生方法。该方法可以降低电喷雾离子在真空接口上的损失，同时又可以减少中性噪音的影响，以提高电喷雾离子源的灵敏度。

基于此目的，本发明提出了一种离子产生装置，其特征在于，包括：腔体，该腔体内为低于大气压的低压环境；低压电喷雾离子源，其位于所述腔体内的一端，用于在所述低压环境下，沿一喷雾方向产生包含有离子的电喷雾；沿自身轴向延伸的离子导引装置，该离子导引装置位于所述腔体内，且在其径向上分为电隔离的至少两部分，在该电隔离的至少两部分之间施加偏置电压，该偏置电压使离子的传输方向偏离所述喷雾方向；离子引出口，其位于所述腔体的腔壁上，该离子引出口沿离子引出方向引出所述离子，所述离子引出方向偏离所述喷雾方向。本发明同时提出了一种在低于大气压的环境下的离子产生方法，该方法包括：在低于大气压的低压环境下，由低压电喷雾电离源产生离子的步骤；以及在该低压环境下，所产生的离子经过施加有偏置电压的离子导引装置而发生偏转的步骤，该偏置电压被施加在所述离子导引装置的在径向电隔离的至少两部分上。

相比现有的背景技术，本发明有如下优点：

1、相比常压下喷雾、低压下离子偏轴传输技术，本发明可以大幅减少离子在大气压与真空接口上的损失，提高离子的传输效率，绝大多数经电喷雾产生的离子可以进入质谱分析装置；

2、相比已经报道过的低压喷雾技术，本发明可以减少中性噪音（包括喷雾液滴和环境噪音）的干扰，提高仪器的灵敏度。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1为本发明第一实施方式的离子产生装置的典型结构图。

图2为本发明第一实施方式的变化例的示意图。

图3为本发明第二实施方式的离子产生装置的典型结构图。

图4为本发明第二实施方式的变化例示意图。

图5为图1-图4所示的各实施例的变化例的示意图。

图6为本发明第三实施方式的离子产生装置的典型结构图。

具体实施方式

本发明的第一实施方式的离子产生装置的典型结构如图1所示。在该装置中，设置有真空腔体1，该腔体的典型气压值为1-200torr，优选气压值为10-30torr。真空腔体中设置低压电喷雾离子源2和离子导引装置3，低压电喷雾离子源2的轴线（即喷雾轴线）与离子导引装置3的几何轴线保持基本平行或重合。典型的离子导引装置3由一系列圆环阵列组成，相邻圆环施加相位相反的射频电压以对离子形成径向束缚，且在轴线方向上施加一直流电压以驱动离子沿轴线向前运动；每个圆环由两个分段电极围成，在两个分段电极间施加一直流偏置电压，该偏置电压可驱动离子偏离轴线而运动到圆环一侧；典型情况下，可使得每个圆环的两个分段电极的长度比例沿轴线逐渐变化，使得离子在轴向上偏轴传输的同时被径向聚焦而更好的进入下级真空。一个典型的工作过程是，由低压电喷雾离子源2产生带电液滴，带电液滴在飞行过程中逐渐脱溶剂产生带电离子，离子进入装置3后沿图中4的方向被偏轴传输，经过离子引出口18，进入离子导引装置3的后级装置6和7以待质量分析器8进行质谱分析；未经充分脱溶剂的液滴，或者其他来源的中性化学噪音，通过一个设置在装置3轴线方向上的真空抽口9沿图中虚线5的方向被腔体1外的真空泵抽走而离开该环境。以上所述装置可使得大部分离子进入质谱分析装置而没有大气压-真空界面损失，过程中大部分的中性噪音可以被有效去除，因此该装置可提供理论上最高程度的灵敏度。

以上实施方式中，所述离子导引装置3可以不限定为圆环电极阵列形式，多级杆导引系、Q阵列导引系、丝状电极导引装置、行波电极导引装置等也可以作为该发明中的离子导引装置3，但是一定要施加径向的偏置电压来达到降噪的目的。所述低压电喷雾离子源2优选为纳升喷雾离子源，例如使用纳升喷针，也可以使用微升喷针或者更大流量喷针；喷针可为一根或多根，甚至可以是喷针阵列芯片。所述低压电喷雾离子源2与离子导引装置3的几何轴线可以平行或重合，也可以有一定角度，只是这时传输效率可能会降低，可增加推斥或引导电极来补偿这个问题。

以上实施方式中，所述低气压电喷雾过程中的脱溶剂效率会较大气压稍低，因此可以进一步引入帮助脱溶剂的手段来提高离子产生数量。比如，可以从大气压引入一路加热的辅助气体，该气体与喷雾液滴相互作用，加速脱溶剂过程，该气体的喷射方向可以与喷雾方向同轴，也可以成一定角度，引入气体的另一好处是可以局部提高喷针针尖处气压，减少针尖放电几率；还引入一束加热激光照射到喷雾液滴上；或者引入超声波来振荡喷雾液滴，或者在喷雾路径上设置一个加热金属管，或者将整个真空腔体加热，等等。

以上实施方式中，在所述装置的后级可以进一步连接更低气压的导引装置，如多级杆等，以便将离子最终引入质量分析器以进行分析。也可以连接其他分析装置，比如离子迁移谱装置，光谱分析装置等。所述装置的前级可以连接液相色谱，或者注射泵等。

图2给出了第一实施方式的一个变化例，该变化例表明喷雾产生离子被偏轴导引的路径可以有多种形式。图2中，低压电喷雾离子源2轴线与离子导引装置3的轴线方向（即轴线电位降低方向）正好相反，带电液滴从2产生后具有很高的初速度，逆向飞入装置3，飞行过程中液滴脱溶剂产生带电离子，带电离子被装置3的轴向电场逐渐减速，最后方向反转，沿图中所示4的轨迹经过离子引出口18进入下级装置6，而脱溶剂不充分的液滴和其它中性化学噪音沿图中虚线5所示的轨迹通过真空抽口9抽走。该变化例中离子的传输方向改变了180度，而中性噪音仍只能沿直线前进，所以该种方式可以更彻底的去除噪音。另外，离子从离子导引装置3中的引出方向也可以垂直于3的轴线或者与离子导引装置3的轴线成某一角度，该情况相当于将装置3竖立起来，这样不仅可以进一步降噪，而且可以减小整个仪器的尺寸。

图3给出了本装置和方法的第二实施例。该实施例中进一步引入大气压电喷雾离子源10，经大气压电喷雾离子源10产生的带电液滴和离子通过大气压-真空接口11（此处为一段毛细管）与低压电喷雾离子源2产生的带电液滴和离子一起经离子导引装置3后被偏轴传输入下一级装置6。大气压-真空接口11会带来更严重的中性噪音，但由于离子导引装置3和真空抽口9的存在，从大气环境冲入腔体1的中性噪音可以被有效去除。此实施例可用于做内标法校正质谱仪中的质量数，一般用于飞行时间质谱仪等高分辨仪器。此时，可将低压电喷雾离子源2作为内标离子的离子源，即离子源2的管路中为内标物液流而非分析物液流，而大气压电喷雾离子源10正常进分析物液流。相比传统的大气压双喷雾源校正质量数，采用这个方法有以下两点好处，其一是消除了喷雾之间的电场干扰的问题，因此二者都可以稳定喷雾，而这个问题一直是困扰大气压双喷雾源的严重问题；其二是由于低压电喷雾离子源2可采用很低的流速喷雾（比如纳升喷雾），但由于没有离子损失，因此信号与大气压普通流速喷雾相当，这样可大为降低昂贵内标物的使用量。

在此实施例中，可以不做质量数校正，只作为双压电离源对分析物使用，而且可以分时使用。此外，大气压电喷雾离子源10也可以是其它大气压离子源，比如大气压化学电离源，大气压光电离源，大气压直接分析电离源等。大气压电喷雾离子源10甚至可以不做电离，只产生分析物的气态分子，比如，可以用激光解吸分析物产生气态分子，然后该气态分子进入真空腔体1后被低压电喷雾离子源2电离。大气压-真空11可以是毛细管，也可以是取样锥孔等多种形式，甚至可以是大气压透镜，该接口也可以作为低压电喷雾离子源2的脱溶剂装置来使用。

图4是第二实施方式的第一变化例。该变化例表明所述低压电喷雾离子源2不仅可以与大气压离子源联用，而且可以与低压离子源12联用。该低压离子源12可以是任意离子源，比如电喷雾源、基质辅助激光解吸电离源、化学电离源、真空光电离源、电子轰击电离源等。为了使得低压电喷雾离子源2与低压离子源12较好地配置，可以添加推斥电极13或者其它导引电极。低压离子源12可不与低压电喷雾离子源2处于同一真空腔中，典型地，可将低压离子源12位于装置6所处真空腔中，这一般适用于当低压电喷雾离子源2与低压离子源12为不同种类离子源的情况，比如低压电喷雾离子源2为电喷雾离子源，低压离子源12为电子轰击电离源，二者所适合的工作气压不同。在串级质谱的情况下，可以将低压离子源12放置于第一级质量分析器的后级，从反方向进入串级质谱的碰撞腔，与从低压电喷雾离子源2产生的、且由正方向进入碰撞腔的离子碰撞解离，以进行化学反应检测或产生子离子进行串级分析。

图5是以上各例的变化例。在该变化例中，大气压离子源10产生的离子从离子导引装置3的轴线方向的反向经大气压-真空接口11进入3，离子被减速后反向偏转，与从低压电喷雾离子源2产生的离子一起经离子导引装置3后进入下一级装置6。该变化例兼有上述各实施方式的离子产生装置的优点，能够用于质量内标校正，且能够充分降低从大气环境中进入的中性噪音。

图6是本发明的离子产生装置和离子产生方法的第三实施方式。在该实施方式中，在低压电喷雾离子源2和离子导引装置3之间加入一个真空界面15，该界面可以是取样锥孔，可以是毛细管，也可以是高气压离子透镜等。这个真空界面的引出口一般小于2mm，以得到较好的聚焦效果。低压电喷雾离子源2工作在较低真空度，例如100-300torr下，这样可以使得电喷雾的脱溶剂过程更充分，因此可以采用更高的喷雾流速以提高分析通量。离子导引装置3位于另一真空腔14，,该真空腔14的气压可在10-30torr区间内。此外，还可以将离子导引装置3后级增加又一离子导引装置16，该离子导引装置16也做成与离子导引装置3类似的偏轴导引结构。该离子导引装置16的工作气压在1-3torr区间内。像这样，可以将离子流连续地偏转两次，且将由真空腔14和离子导引装置16之间的气压差引起的中性噪音滤除，进一步提高最终输出信号的信噪比。

Claims (24)

1.一种离子产生装置，其特征在于，包括：

腔体，该腔体内为低于大气压的低压环境；

低压电喷雾离子源，其位于所述腔体内的一端，用于在所述低压环境下，沿一喷雾方向产生包含有离子的电喷雾；

沿自身轴向延伸的离子导引装置，该离子导引装置位于所述腔体内，且在其径向上分为电隔离的至少两部分，在该电隔离的至少两部分之间施加偏置电压，该偏置电压使离子的传输方向偏离所述喷雾方向；

离子引出口，其位于所述腔体的腔壁上，该离子引出口沿离子引出方向引出所述离子，所述离子引出方向偏离所述喷雾方向。

2.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，进一步包含真空抽口，其位于所述腔壁上且与所述离子引出口分离，用于将该低压环境中的至少部分中性噪音成分抽走。

3.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述喷雾方向与所述离子引出方向为大致相反方向。

4.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述离子引出口的直径小于2mm。

5.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述偏置电压是直流电压，或者交流电压，或者两者的结合。

6.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述离子导引装置在其轴向上导引离子且在靠近所述离子引出口处对离子进行聚焦。

7.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述离子导引装置由沿同一中心轴线分布的层叠式的环形组件电极组成，其中每个环形组件由多个分立的分段电极组成。

8.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述离子导引装置由沿同一中心轴线分布的多级杆阵列组成。

9.根据权利要求5所述的离子产生装置，，其特征在于，在所述离子导引装置上，将直流偏置电压提供至所述同一环形组件的不同分段电极之间。

10.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，进一步包含用于连通该低压环境和近大气压区域的一路或多路毛细管。

11.根据权利要求10所述的离子产生装置，其特征在于，进一步包含一个或多个位于所述近大气压区域的大气压电喷雾离子源。

12.根据权利要求11所述的离子产生装置，其特征在于，所述低压电喷雾离子源与所述大气压电喷雾离子源同时工作。

13.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述低压电喷雾离子源为纳升喷雾离子源。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低压电喷雾离子源具有多根喷针。

15.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，进一步包含直径小于2mm的真空接口，该真空接口使得所述低压电喷雾离子源和所述离子导引装置工作在真空度不同的低压环境下。

16.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，进一步包含处于该低压环境中的真空紫外光电离源。

17.根据权利要求1所述的装离子产生置，其特征在于，进一步包含处于该低压环境中的化学电离源。

18.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，进一步包含处于该低压环境中的激光解吸电离源。

19.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，该离子产生装置产生的离子进入下一级真空装置以待进行质谱分析。

20.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，该离子产生装置与离子迁移谱仪联用。

21.一种在低于大气压的环境下的离子产生方法，包括：

在低于大气压的低压环境下，由低压电喷雾电离源产生离子的步骤；以及

在该低压环境下，所产生的离子经过施加有偏置电压的离子导引装置而发生偏转的步骤，该偏置电压被施加在所述离子导引装置的在径向电隔离的至少两部分上。

22.根据权利要求21所述的离子产生方法，其特征在于，所述低压环境中的至少部分中性噪音成分从一真空抽口被抽走，而离开该环境。

23.根据权利要求21所述的离子产生方法，其特征在于，所述偏转路径为非直线的路径。

24.根据权利要求21所述的离子产生方法，其特征在于，所述低压电喷雾离子源产生的离子先经过直径小于2mm的真空接口，在传输过程中发生偏转，电喷雾过程和偏转传输过程发生在不同气压的低压环境中。