CN104254901B - 碰撞离子发生器和分离器 - Google Patents

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Abstract

根据某些实施方式，提供了用于液相和气溶胶样本的表面撞击离子化的系统和方法。该方法包括使液体或气溶胶样本加速，使样本与固体碰撞表面碰撞从而使样本分解成分子离子粒种(例如，气态分子离子)和分子中性粒种(例如，气态样本)，并将分解的样本运送至离子分析器。该方法的某些实施方式还包括丢弃分子中性粒种。这些实施方式基本上仅将分子离子粒种运送至离子分析器。

Description

碰撞离子发生器和分离器
技术领域
本发明涉及用于量化、分析和/或识别化学粒种(species)的装置、系统和方法。更具体地，本发明涉及用于通过表面撞击现象将气溶胶(aerosol)和液相样本的某些分子组成转换为气态分子离子的装置、系统和方法，其中表面撞击现象将气溶胶颗粒或液体喷射分解成包括气相分子离子的更小颗粒。
背景技术
质谱分析法通常被用于调查具有任意性质的样本的分子组成。在传统质谱分析程序中，样本的分子成分被转变至它们的气相并且个体分子被充电以产生气相离子，气相离子随后能够经受质量分析，诸如基于这些离子的不同质荷比对离子进行分离和选择性检测。
由于某些分子成分是非挥发的，故这些混合物的蒸发在充电之前不会实现。传统地，化学衍生被用于通过消除极性官能团来增强这些粒种的挥发性。然而，化学衍生无法用于典型地包括低聚糖、缩氨酸、蛋白质和核酸的较大分子的情况。为了离子化和通过质谱方法调查这些粒种的生物相关性，已经开发出其他离子化策略，包括解吸和喷洒离子化。
在解吸离子化(不包括场解吸)中，通过被称为分析束的一束高能颗粒轰击缩相样本，以在单个步骤中将样本的缩相分子成分转换为气态离子。该技术的低灵敏度连同其与色谱分离的不兼容性影响了其对生物基质中的生物分子的定量测定的一般适用性。影响解吸离子化法的低灵敏度通常与如下事实相关，即大多数材料以具有低带电或不带电的大分子簇(cluster)的形式解吸。最近，已经描述了一些方法手段来使用被称为次级离子化或后离子化的处理将这些簇转换为气态离子。这些方法采用第二离子源产生带电颗粒的高速流动，其有效地使解吸离子化处理中形成的气溶胶离子化。
喷洒离子化方法被开发以作为解吸离子化技术的替代并用于解决由解吸离子化所解决的相同问题—任意样本的非挥发成分的离子化。在喷洒离子化中，液相样本使用静电力和/或气动力喷洒。在完成溶剂的蒸发时，由喷洒所产生的充电液滴逐步地转换为个体气相离子。喷洒离子化方法，尤其是电喷离子化，在与上面提到的解吸离子化方法相比时表现出了优秀的灵敏度以及与色谱分析技术良好的结合能力(对于色谱分析技术来说，某些时候解吸离子化是不成功的)。
虽然理论上喷洒离子化方法能够提供近乎100％的离子化效率，但这种高值因为实际实施问题而通常无法到达。纳电喷洒或纳喷洒方法给出了极高的离子化效率，但受限于极低的流速；这种方法仅能够为小的纳升每分钟范围内的流速提供高离子化效率。由于实际液体色谱分离涉及较高的液体流速(例如，包括大的微升每分钟至小的毫升每分钟)，纳喷洒不是液体色谱-质谱系统的常用选择方法。虽然气动辅助的电喷洒源在理论上能够喷洒上述范围内的液体流；然而，它们的离子化效率却陡然跌至1-5％的范围。与解析离子化方法类似，喷洒离子化源也产生相当多的带电和中性簇，这些簇降低了离子化效率并且能够易于污染质谱大气接口。
质谱仪的大气接口被设计为将由喷洒或大气压解析离子化形成的离子引导至质谱仪的真空区域。大气接口的基本功能是使进入质谱仪的离子浓度最大化，同时降低进入质谱仪的中性分子(例如，空气、溶剂蒸汽、喷雾剂可见气体等)的量或浓度。在商用仪器中当前使用的手段是将大气气体引入质谱仪的真空腔中并且使用撇去器电极(skimmerelectrode)对自由超音速真空喷射的核心进行采样。这种手段基于如下假设，即所关注离子具有较低径向速度分量并且将因此被集中在气体喷射的中央核心中。撇去器电极通常紧接着射频交流电势驱动多极离子引导器，该引导器将离子粒种传输至质量分析器，同时中性体在统计上被分散并且被真空系统泵出。撇去器电极和射频交流电势驱动多极离子引导器的这种组合能够允许高达30％的离子传输效率，然而，其不解决或处理被较大分子簇污染的问题。
对质谱仪的进一步开发包括在撇去器电极的缘的周围增加圆形电极，其中撇去器电极用于使更多带电粒种转向至撇去器电极的开口。环形电极或有时也称为“镜筒透镜(tube lens)”还允许撇去器电极相对于第一电导极限的从共轴位置侧向转移。该偏移能够通过向镜筒透镜施加静电势来部分补偿。以这种方式对撇去器电极进行定位阻止任意尺寸的中性体(包括簇)进入该质谱仪的高度真空区域。
其他大气接口配置包括直接将携带离子的大气引入环形电极离子引导器。双极性射频交流被施加至环形电极的堆叠，从而为带电粒种产生纵向伪势谷，而中性体能够通过从个体电极之间穿过而离开透镜堆。静电势斜坡(或行进波)能够用于活跃地使离子朝着质谱分析仪加速。这种装置通常称为“离子漏斗”能够在三至四数量级宽度的范围内的离子电流中给出接近100％的离子传输效率。离子漏斗已经以各种方式改进以使中性体和分子簇向离子光学器件和质量分析仪的涌入最小化。最简单的这种解决方案包括在漏斗的中轴中安装喷射干扰器以阻挡穿过离子漏斗的中性体和分子簇的轨道。可替换的解决方案包括：不对称漏斗几何构造，其中该漏斗的离开孔口相对于大气入口位于离轴位置；以及成对漏斗，其中携带离子的大气气体被引入一个漏斗，使用静电场将向侧面提取的离子引入对侧漏斗，该对侧漏斗随后连接至仪器的离子光学器件。
然而，需要改进的系统和方法来将液体样本转换至气态离子。
发明内容
在某些实施方式中，生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的方法包括：使样本朝着固体表面加速，使样本与固体表面碰撞，以及收集所产生的气态分子离子并将它们引导至分析器单元。样本包括气溶胶样本和液体样本中的一种，样本还包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和带电颗粒。所述碰撞旨在使一个或多个分子颗粒簇分解，从而形成一个或多个气态分子离子、中性分子和较小尺寸分子颗粒簇。
在某些实施方式中，生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统包括管状导管、碰撞元件和撇去器电极。管状导管被配置为通过其加速样本。系统内加速的样本包括气溶胶样本和液体样本中的一种，并包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和带电颗粒。碰撞元件与管状导管的开口间隔开并与管状导管的轴线大致对准。碰撞元件具有表面，样本与该表面碰撞，从而使一个或多个分子颗粒簇分解，以形成一个或多个气态分子离子、中性分子和较小尺寸分子颗粒簇。撇去器电极被配置为收集气态分子离子。撇去器电极具有与管状导管大致对准的开口，使得碰撞元件被插设在管状导管的开口与撇去器电极之间。
在某些实施方式中，生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统包括管状导管、碰撞元件和离子漏斗引导组件。管状导管被配置为通过其加速样本。通过管状导管加速的样本包括气溶胶样本和液体样本中的一种，并包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和带电颗粒。碰撞元件与管状导管的开口间隔开并与管状导管的轴线大致对准。碰撞元件具有大致球形表面，样本与所述表面碰撞。该碰撞使一个或多个分子颗粒簇分解，以形成一个或多个气态分子离子、中性分子和较小尺寸分子颗粒簇。离子漏斗引导组件与管状导管的开口大致对准并由双极性射频交流驱动。碰撞元件设置在离子漏斗中。离子漏斗引导组件被配置为将气态分子离子与中性分子和较小尺寸分子颗粒簇分离并将气态分子离子引导至分析器。
在某些实施方式中，生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统包括管状导管、撇去器电极和分析器单元。管状导管被配置为通过其加速样本。通过管状导管加速的样本包括气溶胶样本和液体样本中的一种，并包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和带电颗粒。撇去器电极与管状导管的开口间隔开并大致对准。撇去器电极具有管状部分，管状部分具有与样本颗粒碰撞以生成气态分子离子的表面。分析器单元从撇去器电极接纳气态分子离子，分析器单元被配置为对气态分子离子进行分析以提供与样本的化学组成有关的信息。
附图说明
图1是用于表面撞击离子化的系统的一个实施方式的示意图。
图1B是用于将液相样本转换为气态离子并对该气态离子进行分析的系统的一个实施方式的框图。
图2是用于将液相样本转换为气态离子并对该气态离子进行分析的方法的一个实施方式的流程图。
图3是用于将液相样本转换为气态离子的另一个实施方式的示意图。
图4是用于将液相样本转换为气态离子的另一个实施方式的示意图。
图5A是用于将液相样本转换为气态离子的又一个实施方式的示意图。
图5B是图5A的用于将液相样本转换为气态离子的实施方式的详细示意图。
图6是用于将液相样本转换为气态离子的另一个实施方式的示意图。
图7是用于将液相样本转换为气态离子的另一个实施方式的示意图。
图8A和8B是通过对图5A和5B中所示的用于将液相样本转换为气态离子的系统的实施方式进行改变而产生的光谱的曲线图。
图9A和9B分别是由图5A和5B中所示的用于将液相样本转换为气态离子的系统的实施方式所产生的、用于改变撇去器电极和球形碰撞表面电压的、总离子浓度和信噪比曲线图。
具体实施方式
图1示出用于表面撞击离子化100的系统的一个实施方式。系统100包括样本入口110、样本120(例如，样本束)、碰撞表面130、形成于撞击事件中的至少一个离子粒种140和其他分子中性粒种150。
在操作中，包括一个或多个分子簇、固体颗粒、中性颗粒和带电颗粒(例如，具有气溶胶或液体的形式)的样本120通过样本入口110从质谱装置的高压区引导至低压区。样本120的颗粒通过高压区与低压区之间的压差加速。在加速之后，异质或同质的被加速样本120撞击至碰撞表面130(例如，固体表面)上，碰撞表面使样本120的分子簇或连续液体射流(见图3)分解为气态分子粒种，包括个体分子中性粒种150以及分子离子粒种140(例如，气态分子离子)。撞击驱动的分解是纯粹机械的、由样本120中的颗粒的动能驱动的，并产生正离子和负离子。在样本120与碰撞表面130之间的撞击事件中形成的正离子和负离子被收集并转移至离子分析器单元(见图1B)的离子光学器件内。在某些实施方式中，文中公开的系统和方法可产生大于1％、大于10％、大于50％、大于100％、以及大于200％以及具有其间值的改善的信噪比。
在一个实施方式中，(如图1B所示)，系统100可以是较大离子分析系统185的一部分，较大离子分析系统185包括向系统100提供、导向或引导样本的样本源190(如关于图1所讨论的那样工作)、以及离子分析器195设置在该系统100的下游并从系统100接纳气态分子离子并对它们进行分析以提供与样本的化学组成有关的信息。
在某些实施方式中，样本入口110是位于管状导管的端部处的管状开口。管状导管可具有圆形截面。在其他实施方式中，管状导管可具有其他合适的截面。
在某些实施方式中，高压区(样本入口110从该高压区引入样本120)处于大气压下。在其他实施方式中，高压区(样本入口110从该高压区引入样本120)处于高于大气压的气压下。在另一个实施方式中，高压区(样本入口110从该高压区引入样本120)处于低于大气压的气压下(例如，比离子分析装置的内部压强要高)。
在某些实施方式中，由高压区与低压区之间的压差所提供的加速通过增加功率源来扩增，功率源能够在样本入口110与碰撞表面130(例如，碰撞元件)之间建立电势梯度。建立这种电势梯度能够导致或增加包含在样本120中的带电颗粒的加速。
在某些实施方式中，样本120的基于机械力的分解和分子离子粒种140的生成(例如，气态分子离子)能够通过升高碰撞表面130的温度来扩增，或进一步促进。在某些实施方式中，碰撞表面130的温度可以通过对碰撞表面130的接触式加热、电阻式加热、或辐射式加热来升高。在某些实施方式中，碰撞表面130可保持低于室温。在其他实施方式中，碰撞表面130可保持室温或高于室温(例如，高达1000℃或更高)。在某些实施方式中，样本入口110可保持低于室温。在其他实施方式中，样本入口110可保持室温或高于室温(例如，高达1000℃或更高)。在某些实施方式中，在碰撞表面130与用于表面撞击离子化的系统100的其他元件(例如，样本入口110，或其他表面)的之间施加温差。在这些施加温差的实施方式中的某些中，碰撞表面130的温度高于用于表面撞击离子化的系统100的其他元件(例如，样本入口110，或其他表面)的温度。在施加温差的其他实施方式中，碰撞表面130的温度低于用于表面撞击离子化的系统100的其他元件的温度。
在某些实施方式中，在撞击时产生的正负离子的比例通过在碰撞表面130与质谱仪的离子光学器件(诸如图1B中的离子分析器195)之间施加温差来改变。相对于离子光学器件的第一元件在碰撞表面130上施加正电势能够增强正离子的形成并抑制负离子的形成。照此推论，相对于离子光学器件的第一元件在碰撞表面130上施加负电势能够增强负离子的形成并抑制正离子的形成。因此，在这些实施方式中，当所关注离子是带负电的粒种时，在碰撞表面130和离子光学器件之间施加负电势是有用的。相反，当所关注离子是带正电的粒种时，在碰撞表面130和离子光学器件之间施加正电势是有用的。此外，在碰撞表面130和离子光学器件之间施加静电势能够有利地使样本120的已经存在的离子组成的中和最小化。
在某些实施方式中，碰撞表面130被放置在如下面所公开的离子漏斗或环形电极型离子引导器中，离子漏斗或环形电极型离子引导器能够有利地将初始引入的离子和在撞击事件中形成的离子的收集和传输效率增加至基本100％。在一个实施方式中，碰撞表面130基本平坦(例如，如图1中所示)。在其他实施方式中，碰撞表面130可具有其他形状(例如，弧形、球形、泪滴形、凹形、碟形、锥形等)。在某些实施方式中，形成于撞击事件中的至少一个离子粒种140(例如，气态分子离子)在与碰撞表面130碰撞之后可被引导至撇去器电极，诸如文中所公开的撇去器电极。
图1B示出了用于将液体样本转换为气态离子并对该气态离子185进行分析的系统的框图。系统185包括样本源190、图1的表面撞击离子化系统100、以及离子分析器195。
在某些实施方式中，样本源190向系统100提供、导向或引导样本(如关于图1所讨论的那样操作)。
在某些实施方式中，离子分析器195设置在系统100的下游，从系统100接纳气态分子离子并对它们进行分析以提供与样本的化学成分有关的信息。在某些实施方式中，离子分析器195是质谱仪。在其他实施方式中，离子分析器195是离子迁移率谱仪。在其他实施方式中，离子分析器195是质谱仪和离子迁移率谱仪的组合。
图2示出用于准备用于质谱分析200的样本的方法的一个实施方式的流程图。
首先，在步骤210中，图1的样本120从图1的样本入口110的质谱仪的高压区引导至的低压区(例如，真空)。
在某些实施方式中，该样本是气溶胶样本。在其他实施方式中，该样本是液体样本。
接下来，在步骤220中，图1的样本120被加速。
在某些实施方式中，该加速仅通过图1的样本120从图1的样本入口110的高压区向质谱仪的低压区的通过来实现。在某些实施方式中，该加速通过在图1的样本入口110与图1的碰撞表面130之间施加电势梯度以引起图1的样本120中所包含的带电颗粒的加速来扩增或引起。在其他实施方式中，样本通过能够将样本加速至速度足以在与图1的碰撞表面130的撞击时引起样本分解的任何机制加速。
接下来，在步骤230中，样本与图1的碰撞表面130碰撞。
接下来，在步骤240中，图1的样本120与图1的碰撞表面130的碰撞使图1的样本120分解成气态分子粒种，包括图1的个体分子中性粒种150(例如，气态分子中性体)、以及图1的分子离子粒种140(例如，气态分子离子)。
在某些实施方式中，该分解仅仅由机械力和动能释放导致。在其他实施方式中，由机械力导致的分解通过升高图1的碰撞表面130的温度来扩增，或进一步促进。在某些实施方式中，碰撞表面130可保持低于室温。在其他实施方式中，碰撞表面130可保持室温或高于室温(例如，高达1000℃或更高)。在某些实施方式中，样本入口110可保持低于室温。在其他实施方式中，样本入口110可保持室温或高于室温(例如，高达1000℃或更高)。在某些实施方式中，在碰撞表面130与用于表面撞击离子化的系统100的其他元件(例如，样本入口110，或其他表面)的之间施加温差。在这些施加温差的实施方式中的某些中，碰撞表面130的温度高于用于表面撞击离子化的系统100的其他元件(例如，样本入口110，或其他表面)的温度。在施加温差的其他实施方式中，碰撞表面130的温度低于用于表面撞击离子化的系统100的其他元件的温度。在某些实施方式中，在撞击时产生的正负离子的比例通过在碰撞表面130与质谱仪的离子光学器件之间施加温差来改变。相对于离子光学器件的第一元件在碰撞表面130上施加正电势能够增强正离子的形成并抑制负离子的形成，而相对于离子光学器件的第一元件在碰撞表面130上施加负电势能够增强负离子的形成并抑制正离子的形成。如上所述，在碰撞表面130和离子光学器件之间施加静电势能够具有使样本120的已经存在的离子组成的中和最小化的附加有利技术效果。
接下来，在步骤250中，在碰撞事件中产生的离子被收集以运送至离子分析器单元，而在碰撞事件中产生的中性体和其他无用颗粒被丢弃。
接下来，在步骤260中，被收集的离子被运送至离子分析器单元以被质谱仪读取/分析。
图3示出了用于表面撞击离子化300的系统的另一个实施方式。系统300包括液体样本喷嘴或入口310、液体样本束(液体喷射)320、碰撞表面130’、至少一个分子离子粒种140’、以及至少一个分子或其他中性体150’。
在该图中以及其他图中所示的样本入口110’、样本束120’、碰撞表面130’、分子离子粒种140’、以及分子中性粒种150’可以与其他地方所讨论的组件和元件相似(例如，相同)并具有相同的参考标号。
在操作中，系统300以与图1的系统100几乎相同的方式操作。液体喷射320通过液体样本喷嘴310从高压区引导至质谱仪装置的低压区。液体喷射320的颗粒通过高压区与低压区之间的压差加速。在加速之后，被加速的液体喷射320撞击至碰撞表面130’上，碰撞表面130’使连续液体射流320分解为个体分子中性粒种150’以及分子离子粒种140’。撞击驱动的分解是纯粹机械的、由液体喷射320中的颗粒的动能驱动的，并产生正离子和负离子。在液体喷射320与碰撞表面130’之间的撞击事件中形成的正离子和负离子被收集并转移至离子分析器单元的离子光学器件内。
在某些实施方式中，液体喷射320的基于机械力的分解能够通过升高碰撞表面130’的温度来扩增，或进一步促进。在某些实施方式中，碰撞表面130’的温度可以通过对碰撞表面130的接触式加热、电阻式加热、或辐射式加热来升高。在某些实施方式中，碰撞表面130’可保持低于室温。在其他实施方式中，碰撞表面130’可保持室温或高于室温(例如，高达1000℃或更高)。在某些实施方式中，样本入口310可保持低于室温。在其他实施方式中，样本入口310可保持室温或高于室温(例如，高达1000℃或更高)。在某些实施方式中，在碰撞表面130’与用于表面撞击离子化的系统300的其他元件(例如，样本入口310，或其他表面)的之间施加温差。在这些施加温差的实施方式中的某些中，碰撞表面130’的温度高于用于表面撞击离子化的系统300的其他元件(例如，样本入口310，或其他表面)的温度。在施加温差的其他实施方式中，碰撞表面130’的温度低于用于表面撞击离子化的系统300的其他元件的温度。
在某些实施方式中，在撞击时产生的正负离子的比例通过如上所述在碰撞表面130’与质谱仪的离子光学器件之间施加温差来改变。在碰撞表面130’和离子光学器件之间施加静电势能够具有使液体喷射320的已经存在的离子组成的中和最小化的附加有利技术效果。
在某些实施方式中，碰撞表面130’被放置在离子漏斗或环形电极型离子引导器中，离子漏斗或环形电极型离子引导器能够有利地将初始引入的离子和在撞击事件中形成的离子的收集和传输效率增加至基本100％。
图4示出了用于表面撞击离子化400的系统的另一个实施方式。系统400包括样本入口110’、撇去器电极420、撇去器电极入口/间隙430、撇去器电极管状延伸部440、样本颗粒435、具有非零径向速度分量的颗粒450、分子离子粒种140’、分子中性粒种150’、以及具有喷射边界462和马赫盘(Mach disk)464的样本颗粒速度曲线460(例如，桶震(barrelshock)和自由射流膨胀(free jet expansion))。
在操作中，系统400以与图1的系统100的操作相似的方式操作。样本颗粒435离开样本入口110’。离开样本入口110’并进入质谱仪的真空区域的样本颗粒435在自由射流膨胀中被加速至音速之上。撇去器电极420撇去作为被丢弃颗粒437的部分样本颗粒435，从而仅允许一部分样本颗粒435穿过撇去器电极入口/间隙430。样本颗粒435继续进入撇去器电极420的剩余部分。剩余的样本颗粒435穿过撇去器电极管状延伸部440，其中的一些成为具有非零径向速度分量的颗粒450。具有非零径向速度分量的颗粒450撞击在撇去器电极管状延伸部440的内部圆筒壁442上。在与内部圆筒壁442相撞时，某些分子成分被转换为分子离子粒种140’(例如，气态分子离子)，分子离子粒种140’继续穿过撇去器电极管状延伸部440并进入质谱仪。样本颗粒速度曲线示出颗粒在它们离开较高压强区域样本入口110’并进入撇去器电极420和在自由射流膨胀中加速的离子分析器的较低压强区域时的速度曲线。在某些实施方式中，撇去器电极入口/间隙430刚好延伸至图4中所示的马赫盘464中。
注意，在图1的系统100中应用的实施方式变型也可应用于系统400。
图5示出用于表面撞击离子化的系统500的另一个实施方式。图5A示出该系统500的示意性放大视图。图5B示出系统500的详细示意图。系统500包括样本入口110’、携带气溶胶颗粒的大气气体520、球形碰撞表面530、撇去器电极540、以及气态分子粒种，包括分子离子粒种140’(例如，气态分子离子)和分子中性粒种150’。
在操作中，样本入口110’(质谱仪的大气接口的入口)用于将携带气溶胶颗粒的大气气体520引入质谱仪的真空区域中。如上所述，样本颗粒通过系统500的大气压区域与真空区域之间的压差来加速。在进一步的操作中，携带气溶胶颗粒的大气气体520的束撞击球形碰撞表面530。最后，分子离子粒种140’经过球形碰撞表面530周围以沿着撇去器电极540的内腔542的纵向轴线进入撇去器电极540。分子中性粒种150’通常被撇去器电极540撇去并因此不进入质谱仪。
在某些实施方式中，球形碰撞表面530是完整球形。在其他实施方式中，球形碰撞表面530是部分球形。在其他实施方式中，球形碰撞表面530是泪滴形，其中泪滴的圆形底部面对样本入口110’，而泪滴的尖顶面对撇去器电极540。在某些实施方式中，球形碰撞表面530沿着与样本入口110’和撇去器电极540的内腔542的轴线相同的轴线永久地固定。在某些实施方式中，球形碰撞表面530可以根据用户的需要偏离该轴线。相应地，球形碰撞表面530可大致与样本入口110’和撇去器电极540的内腔542的轴线对准(例如，沿着与样本入口110’和撇去器电极540的内腔542的轴线相同的轴线延伸或偏离该轴线延伸)。在一个实施方式中，球形碰撞表面530向偏离位置的平移如图5B中所示可通过使用带螺纹的球形碰撞表面臂来实现。在某些实施方式中，样本入口110’的内径位于约0.1-4mm、约0.2-3mm、约0.3-2mm、约0.4-1mm、和约0.5-0.8mm的范围内，包括约0.7mm。在某些实施方式中，样本入口110’与球形碰撞表面530之间的距离位于约1-10mm、约2-9mm、约3-8mm、约4-7mm的范围内，包括约5mm。在某些实施方式中，球形碰撞表面530或撇去器电极540刚好侵入自由射流膨胀的马赫盘以有利地改善性能。在某些实施方式中，球形碰撞表面530和撇去器电极540的直径位于约0.5-5mm、约0.75-4mm和约1-3mm的范围内，包括约2mm。在其他实施方式中，球形碰撞表面530和撇去器电极540之间的距离位于约1-20mm、约2-18mm、约3-16mm、约4-14mm、约5-12mm、约6-10mm和约7-8mm的范围内，包括约3mm。
在某些实施方式中，球形碰撞表面530由金属制成。在其他实施方式中，球形碰撞表面530由任何其他导电材料制成。在某些实施方式中，球形碰撞表面530能够以与前面针对其他实施方式描述的方式类似的方式加热。在某些实施方式中，球形碰撞表面530的表面是不带电/中性的。在某些实施方式中，可通过电连接器或向表面施加电势的任何其他机制将电势施加至球形碰撞表面530的表面。在将电势施加至球形碰撞表面530的实施方式中，电势促进分子离子粒种140’从球形碰撞表面530的周围通过并进入撇去器电极540并沿着撇去器电极540的中央轴线被运送至质谱仪。在某些实施方式中，球形碰撞表面530与撇去器电极540之间的电势差为约10V、约20V、约30V、约40V、约50V、约75V、约100V、约1000V以及它们之间的值。此外，可施加适于增加离子浓度的任何其他合适的电势差。
图6示出用于表面冲击离子化的系统600的另一个实施方式。系统600包括样本入口110’、携带气溶胶颗粒的大气气体520’、球形碰撞表面530’、分子离子粒种140’、分子中性粒种150’、以及双极性射频交流驱动离子引导器组件610。
在操作中，携带气溶胶颗粒的大气气体520’从质谱仪装置的高压区到低压区通过样本入口110’进入系统600。携带气溶胶颗粒的大气气体520’通过高压区与低压区之间的压差来加速。在加速之后，被加速的携带气溶胶颗粒的大气气体520’撞击球形碰撞表面530’并分解。该分解在双极性射频交流驱动离子引导器组件610内产生气态分子粒种，包括分子离子粒种140’(例如，气态分子离子)和分子中性粒种150’。由碰撞诱发的分解所生成的分子离子粒种140’通过由射频交流电势所生成的伪电势场保持在双极性射频交流驱动离子引导器组件610内。分子中性粒种150’不受双极性射频交流驱动离子引导器组件610的伪电势影响并因此能够自由地离开双极性射频交流驱动离子引导器组件610并且通过合适的真空系统泵出系统600。
图7示出用于表面冲击离子化的系统700的另一个实施方式。系统700与图5的系统500类似。系统700包括样本入口110’、样本120’(例如，样本束)、锥形碰撞表面730、撇去器电极710、以及气态分子粒种，包括分子离子粒种140’(例如，气态分子离子)和分子中性粒种150’。
系统700的操作与系统500的操作类似，不同之处在于，使用锥形碰撞表面730取代了球形碰撞表面530。使用锥形碰撞表面730取代球形碰撞表面530可有利地允许形成在撞击分解事件中的离子的更加有效的动量分离，这体现在与锥形碰撞表面730与撇去器电极710之间的不同距离有关的更高程度的质量选择性中。在这种情况下，分子离子粒种140’的较重颗粒将具有更多动量并将因此与分子中性粒种150’一起成为“被撇去”的样本。这里，仅少量分子离子粒种140’将被运送至质谱仪的离子分析器单元。
图8是文中所述的系统所获得的光谱。图8A示出了在球形碰撞表面530不存在并因此不被使用时由系统500获得的光谱。图8B示出了在球形碰撞表面530存在并因此被使用时由系统500获得的光谱。图8A中观察到的信噪比为8.726，而图8B中观察到的信噪比为12.574—改善144.1％。噪声的降低与由形成在球周围的通量所产生的动量分离关联。具体地，与单一分子离子粒种140’相比，固体颗粒具有极高的质量，因此这种固体颗粒不能够遵循形成在球的表面上的具有短曲率半径的轨道，而单一分子离子粒种140’能够遵循这种路径。在其它实施方式中，碰撞表面周围的流动可以是混乱的，使得固体颗粒不能够沿着碰撞表面的周围进入撇去器电极，从而被撇去和丢弃。因此，固体颗粒与较轻的单一分子离子粒种140’相比在不同位置处离开球的表面。通过合适的调整/调节，分子离子粒种140’将到达撇去器电极540的开口，而较大簇遵循不同的轨迹并且不进入撇去器电极540的开口并因此不到达质谱仪的离子分析器单元。
离子的形成可通过向球形碰撞表面530施加静电势来促进，该静电势通常具有与所关注离子的极性相同的极性。通过这种方式，可以控制离开表面的离子的轨迹和穿过撇渣器的开口的离子的量。
图9示出作为球形碰撞表面530的电势和撇去器电极540的电势的函数的不同的总离子电流。图9A示出总离子浓度和信噪比与撇去器电极540电压的关系。图9B示出总离子浓度和信噪比与球形碰撞表面530电压的关系。撇去器电极540的电势对总离子电流具有显著影响。相反，仅改变球形表面电势不显著改变总离子电流。从图9A和9B的曲线中可见，对于撇去器电极540电压来说，最佳设定为-30V，对于球形碰撞表面530电压来说，最佳设定为+20V—二者之间有50V的电压差。
示意性实施例
实施例1：外科气溶胶的离子化
图5中所示的系统被用于该实施例。外科电烙术使用包含单极性切割电极的手持件来完成。切割刀片被嵌入开口的3.175mm直径不锈钢管中，该不锈钢管连接至长2m且直径为3.175mm的柔性聚四氟乙烯(PTFE)管。PTFE管用于通过文氏(Venturi)气体喷射泵将包含气态离子的气溶胶从外科位置运送至质谱仪。文氏泵在20升/分钟的流速下工作。该泵的排出装置被放置为与质谱仪的大气入口正交。
使用如刚才描述的电烙系统对猪的肝脏组织进行采样。外科烟被引导至改进的LCQ Advantage Plus(Thermo Finnigan公司，圣何塞，CA)质谱仪的大气接口并且所产生光谱被分析。
在样本到达大气接口时，样本不包含离子，即使包含也很少。因此，难以或者无法通过传统大气接口对其进行分析。在该接口的第一部分的真空空间中，离子通过文中所述的碰撞方法来产生。该离子形成在球形离子生成部件的表面上实现。
离子损失可通过对用于球形碰撞表面的材料、形状、尺寸和位置变量的优化来最小化—通过这种方式，使用文中公开的技术和系统甚至能够实现更好的信噪比水平。
文中公开的表面撞击离子化系统100、300、400、500、600和700具有超过当前可用的系统的多种优点，这些优点在许多方面彰显其非常有利的用途。首先，对于液相样本和气溶胶的分子成分的离子化，所公开系统是简单且高度鲁棒性的。此外，该系统提供离子化方法的显著增强的效率，产生大量带电和中性分子簇。最后，文中公开的系统唯一地适于丢弃不需要的中性分子簇，所产生的有益效果是减少的仪器污染和伴随地降低的维持需求，极低水平的检测器噪声、以及改善的信噪比。
当然，前面的描述包含本发明的特定特征、方面和优点，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和改进。因此，例如，本领域技术人员应认识到，本发明可以以实现或优化如文中教导的一个优点或一组优点的方式体现或实施而非必需实现如文中所教导或建议的其他目的或优点。此外，虽然已经详细示出和描述本发明的多种变型，但对本公开所属领域技术人员来说显而易见的是，其他改进和使用方法也落入本发明的范围内。可以预期，在不同实施方式之间和之中的具体特征和方面的各种组合或子组合可以实施并依然落入本发明的范围内。因此，应理解，所公开实施方式的各种特征和方面可彼此组合或替换以形成所述装置、系统和方法的不同模式(例如，通过从特定实施方式中排除特征或步骤，或从系统或方法的一个实施方式向系统或方法的另一个实施方式增加特征或步骤)。

Claims (37)

1.一种生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的方法，包括：
使气溶胶样本朝着固体表面加速，所述样本包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和中性颗粒；
使所述气溶胶样本与所述固体表面碰撞以使所述一个或多个分子颗粒簇分解并生成一个或多个气态分子离子、中性分子和较小尺寸分子颗粒簇；以及
收集所述气态分子离子并将所述气态分子离子引导至分析器单元。
2.如权利要求1所述的方法，还包括对所述气态分子离子进行分析以提供与所述样本的化学组成有关的信息。
3.如权利要求1所述的方法，其中收集包括通过撇去器电极收集所述气态分子离子，所述撇去器电极与引入所述样本的开口对准。
4.如权利要求1所述的方法，其中，使所述样本加速包括沿着引入所述样本的管状开口通过气压梯度驱动所述样本。
5.如权利要求4所述的方法，其中，使所述样本加速还包括在所述管状开口与所述固体表面之间建立电势梯度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，使所述样本加速包括在自由射流膨胀中将所述样本加速至音速之上。
7.如权利要求1所述的方法，其中，收集所述气态分子离子包括将所述气态分子离子与所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇分离。
8.如权利要求7所述的方法，其中，分离包括沿着碰撞元件的至少一部分生成湍流，所述湍流允许所述气态分子离子与所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇分离。
9.如权利要求1所述的方法，还包括通过接触式加热、电阻式加热和辐射式加热对所述固体表面进行加热。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述固体表面为球形表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述固体表面设置在离子漏斗型质谱仪的大气接口中，所述离子漏斗被配置为收集所述气态分子离子。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述固体表面设置在引入所述样本的开口与撇去器电极之间。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述固体表面是锥形表面。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述固体表面是撇去器电极的管状表面。
15.一种生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统，包括：
管状导管，被配置为通过其加速样本，所述样本包括气溶胶样本和液体样本中的一种，所述样本包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和带电颗粒；
碰撞元件，与所述管状导管的开口间隔开并与所述管状导管的轴线对准，所述碰撞元件具有表面，所述样本与所述表面碰撞，从而使所述一个或多个分子颗粒簇分解，以形成一个或多个气态分子离子、中性分子和较小尺寸分子颗粒簇；以及
撇去器电极，被配置为实质上仅收集所述气态分子离子并排除所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇，其中，排除实质上基于所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇的质量和电荷中的一个或多个，所述撇去器电极具有与所述管状导管对准的开口，使得所述碰撞元件被插设在所述管状导管的开口与所述撇去器电极之间。
16.如权利要求15所述的系统，还包括分析器，所述分析器被配置为对由所述撇去器电极收集的所述气态分子离子进行分析以提供与所述样本的化学组成有关的信息。
17.如权利要求15所述的系统，其中，所述管状导管被配置为将实质上连续液体射流引导至所述碰撞元件的表面上。
18.如权利要求15所述的系统，还包括真空源，所述真空源被配置为在所述管状导管与所述碰撞元件之间生成真空以沿着所述管状导管产生气压梯度，所述气压梯度使所述样本加速至所述碰撞元件的表面上。
19.如权利要求18所述的系统，还包括功率源，所述功率源被配置为在所述管状导管的开口与所述碰撞元件的表面之间建立电势梯度，所述电势梯度进一步使所述样本加速至所述碰撞元件的表面上。
20.如权利要求18所述的系统，其中，在自由射流膨胀中将所述样本加速至音速之上。
21.如权利要求15所述的系统，其中，所述碰撞元件和所述撇去器电极中的一个或多个被配置为将所述气态分子离子与所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇分离。
22.如权利要求21所述的系统，其中，沿着所述碰撞元件的至少一部分的湍流促进所述气态分子离子与所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇的分离。
23.如权利要求15所述的系统，还包括加热源，所述加热源选自接触式加热源、电阻式加热源和辐射式加热源，所述加热源被配置为对所述碰撞元件的表面进行加热。
24.如权利要求15所述的系统，其中，所述碰撞元件的表面为球形表面。
25.如权利要求15所述的系统，其中，所述碰撞元件的表面是锥形表面。
26.如权利要求15所述的系统，其中，所述管状导管被配置为使所述样本经历自由射流膨胀。
27.一种生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统，包括：
管状导管，被配置为通过其加速气溶胶样本，所述样本具有一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和中性颗粒；
碰撞元件，与所述管状导管的开口间隔开并与所述管状导管的轴线对准，所述碰撞元件具有球形表面，所述样本与所述表面碰撞，从而使所述一个或多个分子颗粒簇分解，以形成一个或多个气态分子离子、中性分子和较小尺寸分子颗粒簇；以及
离子漏斗引导组件，与所述管状导管的开口对准并由双极性射频交流驱动，所述碰撞元件设置在所述离子漏斗中，其中所述离子漏斗引导组件被配置为将所述气态分子离子与所述中性分子和较小尺寸分子颗粒簇分离并将所述气态分子离子引导至分析器。
28.如权利要求27所述的系统，还包括分析器，所述分析器被配置为对由离子漏斗型质谱仪的大气接口收集的所述气态分子离子进行分析以提供与所述样本的化学组成有关的信息。
29.一种生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统，包括：
管状导管，被配置为通过其加速样本，所述样本包括气溶胶样本和液体样本中的一种，并包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和带电颗粒；
撇去器电极，与所述管状导管的开口间隔开并对准，所述撇去器电极具有管状部分，所述管状部分具有与样本颗粒碰撞以生成气态分子离子的表面；以及
分析器单元，从所述撇去器电极接纳所述气态分子离子，所述分析器单元被配置为对所述气态分子离子进行分析以提供与所述样本的化学组成有关的信息。
30.如权利要求29所述的系统，还包括真空源，所述真空源被配置为在所述管状导管与所述撇去器电极之间生成真空以沿着管状导管产生气压梯度，所述气压梯度使所述样本加速至所述表面上。
31.如权利要求29所述的系统，其中在自由射流膨胀中将所述样本加速至音速之上。
32.一种生成用于由质谱仪或离子迁移率谱仪分析的气态分子离子的系统，包括：
管状导管，被配置为通过其加速样本，所述样本包括气溶胶样本，所述气溶胶样本包括一个或多个分子颗粒簇、固体颗粒和中性颗粒；
碰撞元件，与所述管状导管的开口间隔开并与所述管状导管的轴线对准，所述碰撞元件具有表面，所述样本与所述表面碰撞，从而使所述一个或多个分子颗粒簇分解，以形成气态分子离子；以及
撇去器电极，被配置为收集所述气态分子离子，所述撇去器电极具有与所述管状导管对准的开口，使得所述碰撞元件被插设在所述管状导管的开口与所述撇去器电极之间。
33.如权利要求32所述的系统，还包括分析器，所述分析器被配置为对由所述撇去器电极收集的所述气态分子离子进行分析以提供与所述样本的化学组成有关的信息。
34.如权利要求32所述的系统，还包括真空源，所述真空源被配置为在所述管状导管与所述碰撞元件之间生成真空以沿着所述管状导管产生气压梯度，所述气压梯度使所述样本加速至所述碰撞元件的表面上。
35.如权利要求34所述的系统，还包括功率源，所述功率源被配置为在所述管状导管的开口与所述碰撞元件的表面之间建立电势梯度，所述电势梯度进一步使所述样本加速至所述碰撞元件的表面上。
36.如权利要求32所述的系统，其中，所述碰撞元件和所述撇去器电极中的一个或多个被配置为将所述气态分子离子与所述中性颗粒和较小尺寸分子颗粒簇分离。
37.如权利要求32所述的系统，还包括加热源，所述加热源选自接触式加热源、电阻式加热源和辐射式加热源，所述加热源被配置为对所述碰撞元件的表面进行加热。
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