CN105684123B

CN105684123B - 间歇性质谱仪入口装置

Info

Publication number: CN105684123B
Application number: CN201480043606.1A
Authority: CN
Inventors: V·贝尔库特
Original assignee: Smiths Detection Edgewood Inc
Current assignee: Smiths Detection Edgewood Inc
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2018-11-30
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: US10734213B2; CA2920013A1; US20160172177A1; EP3028293A4; WO2015017612A1; CN105684123A; EP3028293A1

Abstract

描述了一种间歇性样品入口装置以及用于使用该间歇性样品入口装置的方法，包括具有进入孔的孔板以及具有分离器孔的旋转分离器，其中，旋转分离器设置在孔板和真空腔室壁之间。旋转分离器旋转以便分离器孔间歇地与进入孔对齐并且允许离子样品通过到质量分析器。

Description

间歇性质谱仪入口装置

背景技术

质谱仪(MS)在真空中运转并且关于质荷比分离离子。在一些使用质谱仪的实施方式中，一种样品(可以为固体，液体或者气体)被电离。离子在质量分析器中根据质荷比分离并且通过能够检测带电粒子的装置检测。然后来自检测器的信号根据质荷比(mass-to-charge ratio)被处理成离子相对丰度的光谱。原子或者分子通过将待识别的质量与已知的质量关联或者通过特有的裂解规律而识别。

发明内容

描述了一种间歇性样品入口装置以及用于使用该间歇性样品入口装置的方法，包括具有进入孔的导管(例如孔板)以及具有分离器孔的旋转分离器，其中，旋转分离器设置在导管和真空腔室壁之间。旋转分离器旋转以便分离器孔间歇地与进入孔对齐并且允许离子样品通过而到达质量分析器系统和检测器。此外，间歇性入口检测装置包括离子漏斗、第二或者静止分离器、离子引导器、质量分析器、检测器、至少一个真空泵(例如低真空泵、高真空泵等等)。在一种实施方式中，使用本发明的技术利用间歇性入口装置的过程包括从离子源中产生离子样品；在具有进入孔的导管和/或孔板处接收离子样品；旋转设置在导管和/或孔板与真空腔室壁之间的分离器盘体，其中，当旋转分离器旋转时，旋转分离器中的分离器孔间歇地与进入孔对齐；离子样品通过进入孔和分离器孔转移。

提供该摘要以便以简要的形式介绍所选的发明设想，本发明的发明设想将在详细的说明书中进一步描述。该摘要既不是想要确定所要求的主题的关键特征或者必要特征，也不是想要用于帮助确定所要求的主题的范围。

附图说明

详细的说明书是参考附图描述的。在说明书以及附图的不同实施例中使用的相同的参考标记可以表示相似或者相同的项目。

图1是根据本发明的实施方式的包括具有分离器孔的旋转分离器的间歇性样品入口装置的剖视图。

图2是根据本发明的实施方式的具有分离器孔的旋转分离器的等轴测视图。

图3是根据本发明的实施方式的包括具有分离器孔的旋转分离器和离子漏斗的间歇性入口检测装置的剖视图。

图4是根据本发明的实施方式的包括具有分离器孔的旋转分离器和静止分离器的间歇性入口检测装置的剖视图。

图5是根据本发明的实施方式的包括具有分离器孔的旋转分离器和毛细管的间歇性入口检测装置的剖视图。

图6是根据本发明的实施方式的包括样品电离源、样品入口装置、质量分析器系统和检测器的间歇性入口检测装置的框图。

图7是使用图1至图6中所显示的间歇性样品入口装置和间歇性入口检测装置的示例性过程的流程图。

具体实施方式

质谱仪(MS)在真空中运转并且关于质荷比分离离子。在一些使用质谱仪的实施方式中，一种样品(可以为固体，液体或者气体)被电离并分析。离子在质量分析器中根据质荷比分离并且通过能够检测带电粒子的检测器检测。然后来自检测器的信号根据质荷比被处理成离子相对丰度的光谱。原子或者分子通过将待识别的物质与已知的物质关联或者通过特有的裂解规律而识别。

便携式质谱仪系统因为较小的泵送系统(使用最常用的来自气相色谱毛细管或者流经渗透性的薄膜的废水)而具有将样品引入真空歧管的方法的限制。由此能够被有效检测的分析物的范围被所用的样品引入和电离方法限制(在大多数情况下使用电子电离(EI))。为了分析更多形式的复合物并且降低样品准备的负担，大气压电离技术需要应用于电离样品。多种大气压电离方法包括电喷射电离(ESI)(Yamashita,M.；Fenn,J.B.,J.Phys.Chem.1984,88,4451-4459)，大气压化学电离(APCI)(Carroll,D.I.；Dzidic,I.；Stillwell,R.N.；Haegele,K.D.；Horning,E.C.Anal.Chem.1975,47,2369-2373)，解吸电喷射电离(DESI)(Takats,Z.；Wiseman,J.M.；Gologan,B.；Cooks,R.G.Science2004,306,471-473)，实时直接分析(DART)(Cody,R.B.；Laramee,J.A.；Durst,H.D.Anal.Chem.2005,77,2297-2302)，大气压介质阻挡放电电离(DBDI)以及电喷射辅助激光解吸/电离(ELDI)(Shiea,J.；Huang,M.Z.；Hsu,H.J.；Lee,C.Y.；Yuan,C.H.；Beech,I.；Sunner,J.RapidCommun.Mass Spectrom.2005,19,3701-3704)等等。

典型的大气压电离接口具有连续的开放通道，该开放通道包括一系列差动泵级(differential pumping stages)，该差分泵级具有用于允许离子转移进入第一级的毛细管或者细小直径的细孔以及用于进入第二级的分离器(skimmer)。通常使用粗糙的泵来泵送第一区域到大约1托尔(torr)并且使用多重拖拽和/或涡轮分子泵或者具有分裂流的单独泵来泵送随后的区域。离子光学系统，包括静电透镜和射频(RF)装置，也用于在抽走中性离子的同时转移离子。为了最大化转移进入最终区域的用于质量分析的离子的数量，使用大型的泵送系统以便能够使用更大的孔从区域到区域地传递离子。

一种避免便携式质谱仪中泵送速度限制的方式是由R.格雷厄姆库克斯(R.Grahamcooks)以及其他人在US 8304718中提出。不连续的大气压接口(DAPI)由两个通过塑料管连接在一起的毛细管组成。夹管阀周期性地挤压所述塑料管由此在质量分析步骤中关闭进入质谱仪的吸入流。由于被夹的塑料管经过一段时间将失去机械完整性，发现大气压接口(DAPI)具有非常有限的使用寿命。大气压接口的另一个问题是需要将塑料管保持在室温附近以保持其机械特性。这样当处理“脏”环境样品的引入时，将产生关于污染的问题。

由于便携式质谱仪系统的小型的泵送系统(便携的要求)，便携式质谱仪系统在能够被引入质谱仪分析器的真空中的样本数量上被限制。便携式质谱系统中使用最常用的来自气相色谱毛细管或者流经渗透性的薄膜的废水。这些通过挥发性限制样品引入的方法以及可在便携式质谱系统中用于电离而使用的电离的方法-在这些情况中主要使用电子碰撞电离。为了分析更宽等级的复合物，需要利用大气压电离技术(例如APCI，sESI等等)。大气压电离技术与直接表面电离技术一样需要将离子从大气压区域转移进入质量分析器的真空腔室。有效的离子转移仅能够用至少约为0.10L/min的通过进入孔或者小型毛细管的吸入流实现。这样的吸入流无法与小型的泵送系统兼容，例如便携式质谱系统中的泵送系统。

因此，间歇性样品入口装置以及使用该间歇性样品入口装置的方法描述为包括具有进入孔的导管(例如孔板)以及具有分离器孔的旋转分离器，其中，旋转分离器设置在导管和真空腔室壁之间。旋转分离器旋转以便分离器孔间歇地与进入孔对齐并且在保持质量分析器的真空的同时允许离子样品通过到质量分析器。此外，间歇性入口检测装置可包括离子漏斗、第二或者静止分离器、离子引导器、质量分析器、检测器、至少一个低真空泵、和/或高真空泵。在一种实施方式中。使用本发明的技术利用间歇性入口装置的过程包括从离子源中产生离子样品；在具有进入孔的导管处接收离子样品；旋转设置在导管和真空腔室壁之间的旋转分离器，其中，当旋转分离器旋转时，旋转分离器中的分离器孔间歇地与进入孔对齐；离子样品的通过进入孔和分离器孔转移。提供一种用于质谱仪泵送系统的离子从高压区域转移到具有较小的气体负荷的低压环境的方法，该方法不具有关于夹管阀设计的限制。

图1显示了根据本发明的范例实施方式的间歇性样品入口装置100。如图所示，间歇性样品入口装置100包括管道102和旋转分离器106。在实施方式中，导管102可包括孔板(例如，板或者壁)，孔板包括进入孔104。在其他实施方式中，导管102可包括可加热或者不可加热的毛细管。具体地，导管102可具有连续的直径(平面板或者圆筒)。管道102中的进入孔104可包括设计为让离子样品通过到旋转分离器106的孔，其中，旋转分离器包括分离器孔108。在实施方式中，进入孔104的尺寸包括允许离子样品和/或运载气体通过的同时允许真空腔室(质谱仪的一部分)保持适当的真空的直径。在一种实施方式中，进入孔104设置在孔板的中心并且与样品电离源502的样品入口对齐。只要进入孔104能够拦截一部分离子样品并且离子样品能够有效地通过管道102，进入孔104可设置在导管102上的其他位置。

如图1和图2所示，间歇性样品入口装置100包括具有分离器孔108的旋转分离器106。在实施方式中，旋转分离器106包括设置在导管102与真空腔室壁110之间的分离器，其中，旋转分离器106从导管102偏离(例如，旋转分离器106的轴线具有从导管102和/或进入孔104的轴线的垂直距离)。如图2所示，旋转分离器106包括分离器孔108并且设计为旋转以便分离器孔108和进入孔104间歇地对齐。在一种实施方式中，分离器孔108从旋转分离器106的中心偏离并且设置为当旋转分离器106旋转时间歇地与进入孔104对齐。当分离器孔108和进入孔104对齐时，离子样品被允许从样品电离源502通过分离器孔108和进入孔104进入质量分析器系统118和随后的检测器504。当分离器孔108和进入孔104不对齐时，离子样品和运载气体被阻塞。这种间歇地孔对齐功能让样品通过到分析器系统118的同时阻止过多的气流并且保持真空。进一步地，分离器孔108和进入孔104的间歇性地对齐用于允许足够数量的离子样品穿过分离器孔108和进入孔104的同时允许随后的质量分析器系统118保持足够的真空以用于离子样品分析。在一些实施方式中，设计在旋转分离器106和导管102之间的预定缺口114用于允许旋转分离器106旋转。在这些实施方式中，预定缺口114设计为尽可能细小以在允许旋转分离器106旋转的同时防止气体通过预定缺口114进入质量分析器系统118。

图3到图6显示了间歇性入口检测装置300的一种实施方式。在一些实施方式中以及如图3所示，间歇性入口检测装置300包括间歇性样品入口装置100，离子漏斗112、离子引导器116、低真空泵120、质量分析器系统118和高真空泵122。在实施方式中，包括离子样品和运载气体的气流穿过间歇性样品入口装置100并进入离子漏斗112(R.D.Smith andS.A.Shaffer,U.S.Pat.No.6,107,628)。在本实施方式中，离子漏斗112包括平行、同轴设置的环形有孔隔板组件，该环形有孔隔板组件具有由狭小间隔分开的锥形内直径。在这些实施方式中，隔板的孔的直径朝向离子漏斗112的中心出口孔进入随后的腔室(例如离子引导腔室，质量分析器系统等等)的方向逐渐变细。离子漏斗112的作用在于将离子束(或者离子样品)在离子漏斗112的出口集中成小电导极限(small conductance limit)。在一些实施方式中，离子漏斗112在相对较高的压力(例如高至30托尔)下运行并因此使得离子约束以及使得离子有效转移进入下一真空级(例如离子引导器116、质量分析器系统118等等)，下一真空级中具有相对较低的压力。于是离子样品可从离子漏斗112流入离子引导器116和/或质量分析器系统118。

如图3到图5所示，间歇性入口检测装置300包括低真空泵120。因为真空能够减少并且/或者消除分子间的碰撞，真空(至少部分地通过低真空泵120(例如隔膜泵)产生)是必要的，不然在基于元素的质荷比而分离元素时间歇性样品入口装置100和/或质量分析器系统118的有效性会降低(因为分子的碰撞可能显著地改变参与其中的离子的轨道并导致较少的离子到达检测器604)。此外，低真空泵120可用于减少通过预定缺口114的气体的量。在实施方式中，低真空泵120连接到间歇性入口检测装置300的至少一个真空腔室，例如旋转分离器106和/或离子漏斗112所在的的腔室。在一些实施方式中，低真空泵120可包括，例如涡旋式真空泵。在一具体实施方式中，低真空泵120提供大约达到30托尔的真空(例如为包括离子漏斗112的真空腔提供)，尽管低真空泵120也可提供其他的真空压力。

在图3和图4所示的实施方式中，离子引导器邻近于离子漏斗112并且位于离子漏斗112的下游。在实施方式中，离子引导器116用于在抽走中性分子的同时引导离子从离子漏斗112进入质量分析器118。在一些实施方式中，离子引导器116包括多极离子引导器，多极离子引导器可包括多个沿离子路径坐落的杆电极，在此射频(RF)电场通过所述电极产生并且沿离子引导轴线限制离子。在一些实施方式中，离子引导器116在约为100毫托的压力下运转，尽管可以使用其他压力。此外，跟随离子引导器116可设置电导限制孔，电导限制孔的直径可小于离子引导器116的出口孔的直径。

在图4中所示的实施方式中，间歇性入口检测装置300包括静止分离器124。在该实施方式中，静止分离器124可包括具有中心孔的分离器，例如分离器圆锥体，中心孔设计为拦截喷射或者射流扩张(例如离子样品)的中心并起到取样上述扩张的中心部分的作用。在该具体实施方式中，静止分离器124包括设置为位于间歇性样品入口装置100的下游的分离器圆锥体，该分离器圆锥体设置为允许离子样品的一部分穿过中心孔进入离子引导器116。在其他实施方式中，静止分离器124可包括位于离子源和离子检测器之间的用于低破坏地分离离子流或者气体流的范围的任何结构。此外，静止分离器124可包括任何数量的可有效并且有利地拦截射流扩展的形状和/或设计。在图4所示的实施方式中，静止分离器124包括不可移动的锥形分离器。

在图5中所示的实施方式中，间歇性样品入口装置100和间歇性入口检测装置300包括毛细管502。在实施方式中，管道102包括设置在进入孔104的上游的毛细管502。在这些实施方式中，毛细管502的出口用于作为旋转分离器106的入口。当大气压电离(API)源，例如电喷射(ES)或者大气压电离(APCI)源，安装在质谱仪系统上(例如间歇性入口检测装置300)，从大气压电离腔室进入质谱仪的真空系统的气流必须设置为与所使用的真空泵的泵送能力适配。利用毛细管是一种用于限制气流从大气压喷射腔室进入质谱仪的真空系统的方法。在一些实施方式中，毛细管502可被加热以向通过它们的溶剂化离子提供热能，于是将这些离子去溶剂化。在一些实施方式中，离子流可通过旋转分离器106直接进入质量分析器118(例如离子阱)。

如图3至图6所示，间歇性入口检测装置300包括质量分析器系统118。在实施方式中，质量分析器系统118包括质谱仪的部件(例如间歇性入口检测装置300)，质谱仪基于质荷比分离电离的质量并且将该电离的质量输出到检测器604。一些实施例中，质量分析器系统118包括四极质量分析器，飞行时间(TOF)质量分析器，磁式扇形质量分析器，静电扇形质量分析器，四极离子捕获质量分析器等等。在另一实施方式中，在间歇性入口检测装置300中使用的质量分析器系统118可包括离子阱装置，离子阱装置可包括多个用于小量地捕获离子的电极。

如图3至图5所示，间歇性入口检测装置300包括高真空泵122。因为真空能够减少和/或消除离子-分子的碰撞，真空(至少部分地通过高真空泵122(例如隔膜泵)产生)是必要的，不然离子-分子碰撞将在基于元素的质荷比而分离元素时降低质量分析器系统118的有效性(因为分子的碰撞可能显著地改变参与其中的分子或者离子的轨道并导致较少的满足需要的质量/电荷要求的离子到达检测器604)。在实施方式中，高真空泵122连接到间歇性入口检测装置300的需要高真空的真空腔室(例如低压)。在一种实施方式中，高真空泵122连接到包括离子引导器116的真空腔室(例如需要大约100毫托)。在其他实施方式中，高真空泵122连接到包括质量分析器系统118的真空腔室(例如需要大约10^-3托尔)。在一些实施方式中，高真空泵122可包括，例如涡轮分子真空泵。

图6显示了间歇入口检测装置300的一个实施例，间歇入口检测装置300包括样品电离源602、样品入口装置100、质量分析器系统118和检测器604的。在实施方式中，样品电离源602可包括产生带电粒子(例如离子)的装置。一些实施例中，离子源可包括电喷射离子源、感应耦合等离子体、火花离子源、电晕放电离子源、放射性离子源(例如镍63或者镅241)等等。此外，样品电离源602可在大约为大气压力的压力下从样品产生离子。样品入口装置100包括间歇性样品入口装置，例如在先段落中描述的间歇性样品入口装置100。同样地，质量分析器系统118可包括类似于那些上述系统的系统。检测器604可包括设置为当离子通过或者撞击检测器604的表面时记录所感应的电荷和所产生的电流中的任意一者的装置。检测器604的一些实施例包括电子倍增器和法拉第杯以及离子到光子检测器。

图7显示了利用本发明的技术以使用间歇性入口检测装置(例如显示于图1至图6中的间歇性入口检测装置300)的示例流程700。

相应地，产生离子样品(方框702)。在实施方式中，产生离子样品可包括，例如，使用离子源(电喷射电离，感应耦合等离子体、火花电离、电晕源、放射性源(如镍63)等等)或者电磁装置来产生离子。在一种实施方式中，产生离子样品包括使用样品电离源602，例如电晕放电离子源。电晕放电离子源利用环绕导体的电晕放电来产生离子样品。在其他实施方式中，使用电喷射电离来产生离子样品。电喷射电离可包括通过电喷射针将高电压应用到样品上，电喷射针以喷雾的形式发射样品。然后溶剂蒸发出现的同时喷雾穿过电喷射针和圆锥体之间的空间，从而导致离子的形成。

离子样品在导管处接收(方框704)。在实施方式中，离子样品通过样品电离源602产生并且在导管102或者孔板102处被接收。在一种实施方式中，离子样品使用电喷射源产生并且在加热的导管102处被接收，然后离子样品穿过该加热的导管102。

旋转分离器旋转以便分离器孔和进入孔间歇地对齐(方框706)。在实施方式中，具有分离器孔108的旋转分离器106以预定的速度旋转。在一种实施方式中，圆形的旋转分离器106以一个速度(几赫兹)旋转以便旋转分离器106中的分离器孔108间歇地与进入孔104对齐，导管102中的离子样品穿过该进入孔104。以预定的速度旋转旋转分离器106在允许低真空泵120和高真空泵122保持足够的真空的同时允许离子样品有效地从样品电离源602传递到质量分析器系统118。

离子样品从旋转分离器和分离器孔转移(方框708)。在实施方式中，当旋转分离器106以预定的速度旋转时离子样品通过分离器孔108。在一下实施方式中，间歇性入口检测装置300利用漂移气体，漂移气体可包括泵送通过间歇性入口检测装置300的气体以便将离子从样品电离源602移动到检测器604。在一种实施方式中，离子样品转移进入离子阱装置中，其中，离子阱装置的运行与分离器孔108对齐进入管道(或者进入孔104)的时刻同步。

尽管本发明已使用语言具体地描述结构特征以及/或者方法的实施，可以理解的是在附加的权利要求中限定的本发明并不必然地限制于所描述的具体结构或者实施。尽管已经讨论了各种结构，在没有背离本发明公开的内容的情况下，所述机构、系统、子系统、部件等等可以多种方式构成。相反，具体结构和实施以实施所要求的本发明的实施例的形式公开。

Claims

1.用于在大气环境下产生离子的质谱样品入口装置，包括：

样品入口，该样品入口设置为接收来自样品电离源的离子样品，其中，所述电离源在大气压力下从样品产生离子；

所述样品入口包括旋转分离器，以及

导管，所述导管用于将来自所述电离源的离子样品提供至所述旋转分离器，其中，所述旋转分离器设置在所述导管和减压的区域之间，其中，

所述旋转分离器包括分离器孔，该分离器孔设置为当所述旋转分离器旋转时间歇地与所述导管对齐。

2.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，所述导管包括孔板，所述孔板包括进入孔。

3.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，所述导管包括毛细管。

4.根据权利要求3所述的质谱样品入口装置，其中，所述分离器孔大于所述毛细管的出口直径。

5.根据权利要求3所述的质谱样品入口装置，其中，所述毛细管是被加热的。

6.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，离子转移进入离子阱装置。

7.根据权利要求6所述的质谱样品入口装置，其中，所述离子阱装置为离子漏斗。

8.根据权利要求6所述的质谱样品入口装置，其中，所述离子阱装置的运行与旋转分离器孔对齐进入管道的时刻同步。

9.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，流过所述分离器孔之后的离子样品流进一步通过静止分离器限制。

10.根据权利要求9所述的质谱样品入口装置，其中，在所述静止分离器之后，离子转移进入所述离子阱装置。

11.根据权利要求10所述的质谱样品入口装置，其中，所述离子阱装置的运行与旋转分离器孔对齐进入管道的时刻同步。

12.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，所述旋转分离器偏离于所述导管。

13.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，所述旋转分离器具有多个分离器孔。

14.根据权利要求2所述的质谱样品入口装置，其中，所述分离器孔大于所述进入孔。

15.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，所述分离器孔是圆形的。

16.根据权利要求1所述的质谱样品入口装置，其中，所述分离器孔偏离于所述旋转分离器。

17.一种质谱系统，包括：

样品电离源；

样品入口，该样品入口设置为接收来自所述样品电离源的离子样品，其中，所述电离源在大气压力下从样品产生离子；

所述样品入口包括旋转分离器，以及，

所述旋转分离器包括分离器孔，该分离器孔设置为当所述旋转分离器旋转时间歇地与所述导管对齐；

质量分析器系统，该质量分析器系统包括真空腔室；以及

检测器。

18.根据权利要求17所述的质谱系统，其中，所述分离器孔偏离于所述旋转分离器。