CN107636797A - 高压质谱测定的电喷射离子化接口和相关方法 - Google Patents

Abstract

电喷射离子化(ESI)质谱仪分析系统包括：具有至少一个发射器的ESI装置，所述发射器配置为电喷射离子；以及与所述ESI装置的至少一个发射器流体连通的质谱仪。所述质谱仪包括保持在真空腔室中的质量分析器。所述真空腔室配置为在操作期间具有约50毫托或以上的较大(背景/气体)压力。在操作期间，所述ESI装置配置为：(a)将离子电喷射到所述真空腔室外部的且与附接至所述真空腔室的入口装置相邻的处于大气压下的空间区域，其中所述入口装置吸入在具有所述质量分析器的真空腔室外部的电喷射离子，并且将所述离子释放到具有所述质量分析器的真空腔室中；或者(b)将离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中。

Description

高压质谱测定的电喷射离子化接口和相关方法

政府资助申明

本发明在美国陆军研究办公室授予的政府资助号W911NF-12-1-0539下进行。美国政府对于本发明享有某些权利。

技术领域

本发明涉及质谱测定，特别适用于高压质谱仪。

背景技术

质谱测定(MS)由于其灵敏度、通用性和提供分子的化学和结构信息的能力是一种功能强大的分析技术；正因为如此，它经常成为各种各样的应用的首选检测方法。电喷射离子化(ESI)显着扩大了质谱分析的范围，将其扩展到包括生物分子和其他液体分析物。ESI为诸如液相色谱(LC)或毛细管电泳(CE)等液相色谱分离与MS检测的耦合提供了一种简便的方法。因此，LC-MS已成为诸如蛋白质组学、环境监测、药物开发和临床诊断等领域中广泛使用的分析工具。然而，传统的LC-MS系统通常仅限于专门实验室，因为它们庞大、昂贵、复杂并且需要大量的电力。传统质谱仪由于其尺寸、重量和功耗(SWaP)较大而不适用于这些情况。参见例如Whitten等人的Rapid Commun.Mass Spectrom.2004，18，1749-52。LC-MS系统的微型化受到对泵、阀门和管道的坚固系统的需求的限制，而质谱仪则受到低压操作的限制，低压操作传统上需要体积庞大、易碎和昂贵的涡轮分子泵。

与耦合ESI源和MS系统相关联的难点之一是必须将离子传送到真空中进行质量分析。参见例如Page J.S.等人的″Ionization and Transmission Efficiency in anElectrospray ionization-mass Spectrometry Interface.″J.Am.Soc.Mass.Spec.，2007，18(9)，1582-1590。从ESI源通过毛细管入口系统传输的离子流会减少高达三个数量级。这些损耗主要发生在从较高压到较低压力(即在毛细管入口的任一侧)的转移区域中，并且在传统的ESI-MS中通常使用这些区域中的两个或更多个区域。参见例如S.A.Shaffer、K.Tang、G.A.Anderson、D.C.Prior、H.R.Udseth、R.D.Smith的Rapid Communications inMass Spectrometry，1997，11，1813-1817。这对耦合ESI与HPMS提出了重大挑战。

发明内容

本发明的实施例提供了与高压质谱(HPMS)耦合的电喷射离化装置。质谱仪可以具有与直流电源电连通的大气导电入口，以将来自ESI装置的离子导入质谱仪。HPMS可以具有单室结构或双室结构。诸如微型圆柱形离子陷阱(mini-CIT)之类的质量分析器可以驻留在单真空腔室或双真空腔室设计的真空腔室中。

一种电喷射离子化(ESI)质谱仪分析系统，包括：ESI装置，具有至少一个发射器，所述发射器配置为电喷射离子；以及

与所述ESI装置的至少一个发射器流体连通的质谱仪。ESI装置可以包括保持在真空腔室中的质量分析器，其中所述真空腔室配置为在操作期间具有约50毫托或更高(例如，高达约1托，约10托或约100托)的高压；以及在具有质量分析器的真空腔室中与所述质量分析器连通的探测器。在操作期间，所述ESI装置配置为：(a)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、与附接至所述真空腔室的入口装置相邻的、处于大气压下的空间区域，其中所述入口装置吸入在具有所述质量分析器的真空腔室外部的电喷射离子，并且将所述离子释放到具有所述质量分析器的真空腔室中。或者(b)将离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中。

本发明的实施例涉及电喷射离子化(ESI)质谱仪分析系统。所述系统包括：具有至少一个发射器的ESI装置，所述发射器配置为电喷射离子；以及质谱仪，其与所述ESI装置的所述至少一个发射器流体连通。所述质谱仪包括保持在真空腔室中的质量分析器。所述真空腔室配置为在操作期间具有约50毫托或以上的较大(背景/气体)压力。所述质谱仪还包括与所述质量分析器连通的探测器。在操作期间，所述ESI装置配置为：(a)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、与附接到真空腔室的入口装置相邻的、处于大气压下的空间区域中；或者(b)将离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中。对于(a)，所述入口装置吸入在具有质量分析器的真空腔室外部的电喷射离子，并将所述离子释放到具有所述质量分析器的真空腔室中。

所述探测器可以保持在具有质量分析器的真空腔室中。

所述探测器可以与真空腔室中的质量分析器间隔开约1毫米至约10毫米的距离。

所述ESI装置可以配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的空间区域中。所述ESI装置定位于具有质量分析器的真空腔室的外部。所述入口装置可以与所述ESI装置间隔开。所述入口装置的末端部分可以驻留于具有质量分析器的真空腔室内部，与所述质量分析器的离子入口间隔开1-50毫米之间的距离。

所述入口装置可以是管状的，具有至少一个入口孔，所述至少一个入口孔与延伸穿过其的至少一个纵向延伸通道流体连通。所述系统可以包括具有质量分析器的真空腔室外部的入口装置的直流电压输入。

所述ESI装置可以配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的、与所述入口装置相邻的、处于大气压下的空间区域中。所述入口装置可以配置为将内部末端定位在真空腔室中的电极的孔内。

所述ESI装置可以配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的空间区域中。所述入口装置可以包括至少一个入口孔并且可以具有与ESI装置间隔开的外部末端。所述入口装置可以是平面导电的并且具有在约0.100毫米到约5毫米之间的厚度。

所述系统可以包括将ESI装置保持在与所述入口装置配合对齐的朝向和位置的隔间。所述隔间可以包括缓冲气体，从而在操作期间，缓冲气体可以经由所述入口装置输送到具有质量分析器的真空腔室中。

所述ESI装置可以配置为将离子直接电喷射到具有质量分析器的真空腔室。所述ESI装置可以附接到真空腔室的壁上，使得至少一个发射器在真空腔室内部的，并且所述ESI装置的一个或多个储存器在所述真空腔室的外部。

所述至少一个发射器可与所述质量分析器的入口孔间隔开1-50毫米之间的距离。

所述ESI装置可以包括具有至少一个发射器的流体微芯片。所述至少一个发射器可以定位在具有质量分析器的真空腔室中，并且与所述质量分析器的入口孔间隔开约1-50毫米之间的距离。

在操作过程中，所述真空腔室的壁可以保持在电学接地电势。

仅所述流体微芯片的一部分可以驻留于具有质量分析器的真空腔室中。

所述ESI装置可以配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的、与所述入口装置相邻的、处于大气压下的空间区域中，并且至少一个发射器可以与所述入口装置的在真空腔室外部的末端间隔开约1-10毫米之间的距离。

所述ESI装置可以配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的空间区域中。所述系统可以包括在所述真空腔室外部的位置连接到所述入口装置的直流(DC)电源。

所述系统可以包括：电源，配置为在操作期间将电动输入施加到所述ESI装置；以及与具有所述质量分析器的真空腔室连通的真空泵。

所述质量分析器可以包括具有喷入端帽电极、环形电极和喷出端帽电极的离子陷阱。在操作过程中，可以将具有质量分析器的真空腔室保持在100毫托和10托之间的气压下。

所述入口装置可以具有带有至少一个入口孔的外部圆锥形尖端。

所述至少一个发射器可与所述质量分析器的入口孔间隔开1-10毫米之间的距离。

所述系统可以包括在具有所述质量分析器的真空腔室中的管或离子漏斗电极组件。

所述质量分析器可以包括离子陷阱质量分析器，其可以是：(a)尺寸r0或z0中的至少一个小于约1毫米的圆柱形离子陷阱(CIT)；(b)具有带孔的中心电极的拉伸长度离子陷阱(SLIT)，所述中心电极沿着纵向方向延伸，并且所述中心电极在与所述纵向方向垂直的横向平面中围绕所述孔以限定用于捕获带电粒子的横向腔体。所述中心电极中的所述孔可在横向平面中延长，所述孔的主维度尺寸与次维度尺寸之比大于1.5。

可选地，所述次维度尺寸可以小于10毫米(并且可以为约1毫米或更小)，和/或横向腔室的垂直尺寸z₀可以小于约1毫米。

所述质量分析器可以是尺寸r₀在约500μm和约100μm之间的圆柱形离子陷阱(CIT)。

所述系统可以包括位于具有质量分析器的真空腔室中的聚焦电极。

其它实施例涉及分析样品的方法。所述方法包括：通过以下步骤将样品离子引入到装有质量分析器的真空腔室中：(a)将来自电喷射离子化(ESI)装置的离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中，所述质量分析器中的气压在50毫托和100托之间；或者(b)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、处于大气压下的空间区域中，所述空间区域和与所述ESI装置间隔开的入口装置相邻，然后将所述离子通过所述入口装置输运到保持所述质量分析器的真空腔室中，其中所述质量分析器中的气压在50毫托和100托之间。所述方法还包括捕获质量分析器中的离子；从所述质量分析器中选择性地喷出所述离子；使用至少一个探测器来检测与所喷射的离子相对应的电信号；以及基于检测到的电信号生成数据以确定与所述样品有关的信息。

从具有用于对所述离子进行电喷射的至少一个电喷射发射器的微流体装置的尖端进行所述电喷射。

所述入口装置附接到所述真空腔室的壁，并且可以具有内部末端，所述内部末端位于所述真空腔室内并且距离所述质量分析器的入口孔约1毫米到约50毫米。

所述质量分析器可以包括微型圆柱形离子陷阱(CIT)，并且所述质量分析器和探测器可以一起被保持在真空腔室中(不需要单独的真空腔室)。

所述方法可以包括利用电喷射将空气作为缓冲气体输运到真空腔室中。

所述方法可以包括至少在电喷射期间，将所述真空腔室的壁保持在电学接地电势。

所述微流体装置可以是微流体芯片，所述微流体芯片执行步骤(a)并且部分地延伸到所述真空腔室中以将所述微流体芯片的至少一个发射器定位在相距所述质量分析器的入口孔1-50毫米处。

所述电喷射可以使用所述入口装置进行，所述入口装置具有延伸一定距离进入真空腔室、进入聚焦电极或聚焦电极组件的孔口的一个末端。在捕获步骤之前，可以通过聚焦电极或聚焦电极组件将离子从所述入口装置的末端朝向质量分析器导出。

应注意的是，相对于一个实施例描述的本发明的各方面可以并入不同的实施例中，尽管没有关于此进行具体描述。也就是说，能够用任意方式和/或组合来组合所有实施例和/或任意实施例的特征。申请人保留更改任何最初提交的权利要求和/或提出任何新的权利要求的权利，包括能够修改任何原始提交的权利要求的权利依赖于和/或包含任何其他权利要求或权利要求的权利，尽管最初并未按照那种方式要求权利。在下面阐述的说明书中详细解释了本发明的这些和其他目的和/或方面。本领域普通技术人员通过阅读下面的附图和优选实施例的详细描述将会理解本发明的其他特征、优点和细节，这样的描述仅仅是对本发明的说明。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的具有带电喷射离子化(ESI)接口的质谱仪的示例性分析系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的具有ESI接口的示例性分析系统的另一个实施例的示意图。

图3A-3C是根据本发明实施例的具有用于差分泵浦的双真空腔室和ESI接口的示例性分析系统的其他实施例的示意图。

图4A-4D是根据本发明实施例的具有带ESI接口的用于质量分析器和探测器的单个真空腔室的示例性分析系统的其他实施例的示意图。

图5A和5B是根据本发明实施例的示例性电喷射装置的放大示意图。

图6A示出了根据本发明实施例的示例入口装置的端部视图。

图6B是图6A中所示的装置的侧视图。

图6C是根据本发明的实施例的图6A中所示的入口装置的替代结构的端部视图。

图7A是根据本发明实施例的示例性入口装置的末端部分的另一实施例的端部视图。

图7B是图7A中所示装置的相反端的端部视图。

图7C是图7B中所示装置的侧视图。

图7D是根据本发明的实施例的例如具有如图7A或图7E所示的圆锥形末端的入口管的侧视图。

图7E是根据本发明的实施例的图7A中所示的入口装置的替代结构的端部视图。

图8A是根据本发明实施例的另一个示例性入口装置的侧面透视图。

图8B是图8A中所示的装置的端部视图。

图8C是根据本发明的实施例的类似于图8A中所示装置的多孔入口装置的侧面透视图。

图8D是根据本发明的实施例的具有真空腔室和例如图8A或8C所示的入口装置的HPMS装置的示意图。

图9A是根据本发明的实施例的具有带电喷射离子化(ESI)接口的质谱仪的另一个示例性分析系统的示意图。

图9B示出根据本发明的实施例的ESI接口的端部视图。

图10A是根据本发明实施例的包括ESI装置和质谱系统的分析系统的框图。

图10B是根据本发明实施例的包括ESI装置和质谱系统的分析系统的另一框图。

图11A-11C是根据本发明一些实施例的分析系统的示例性时序图。

图12A是根据本发明的实施例的可用于操作质谱系统的操作的流程图。

图12B是根据本发明实施例的可用于操作质谱系统的操作的另一个流程图。

图13是根据本发明实施例的数据处理系统的示意图。

图14是根据本发明的实施例的具有大气接口的四个氨基酸(100μM)的HPMS(1.2托)灌注-ESI光谱的归一化强度对质荷比(m/z)的曲线。

图15是本发明的实施例的使用mini-CIT(r0＝250μm)且以环境空气作为缓冲气体的5μM胸腺五肽(V)的HPMS(1.3托)灌注-ESI光谱对(m/z)(Th)的曲线。

图16是根据本发明实施例的针对5μM肽混合物的归一化BPI(任意单位)对时间(分钟)的电泳图，其比较了来自Synapt G2检测的信号与来自ESI-HPMS的信号。

图17是根据本发明实施例的针对缓激肽的CE-ESI质谱(归一化强度，任意单位)对m/z的曲线，其比较了来自Synapt G2检测的信号与来自ESI-HPMS的信号。

图18是根据本发明的实施例的归一化BPI(任意单位)对时间的关系曲线，其比较了Synapt G2检测和ESI-HPMS的MS采样率。

图19A是根据本发明实施例的针对100μM组氨酸的归一化强度(任意单位)对m/z的曲线，其比较了来自ESI-HPMS的信号与来自质量组LC-ESI-qTOF(CID)的信号。

图19B是根据本发明实施例的针对以环境空气作为缓冲气体的ESI-HPMS(1.3托)的氨基酸混合物(S，W和M)的输注-ESI的信号(V)对m/Z的曲线。

图19C是根据本发明实施例的针对以环境空气作为缓冲气体的ESI-HPMS(1.3托)的肽的输注-ESI的信号(V)对m/Z的曲线。

图20是说明圆柱形离子陷阱(CIT)和高压离子陷阱理论的基本操作原理的图。

图21是根据本发明的实施例的在1.0托下以环境空气作为缓冲气体，不同RF驱动频率和不同临界r0值下的归一化强度(任意单位)对m/z的曲线图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应解释为限于本文所阐述的实施例。贯穿附图，类似标记表示类似的元件。在附图中为了清楚起见可以放大某些层、组件或特征，并且除非另有说明，虚线示出了可选的特征或操作。另外，操作(或步骤)的顺序不限于附图和/或权利要求中给出的顺序，除非另有说明。在附图中为了清楚起见，可以放大线条、层、特征、部件和/或区域的厚度，并且除非另有说明虚线示出了可选的特征或操作。缩写“Fig.”和“FIG”在附图和说明书中与“图”可以互换使用。

本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例的目的，而不是意在限制本发明。如本文中使用的，单数形式“一”，“一个”和“所述”意在还包括复数形式，除非上下文明确地给出相反的指示。还应理解，术语″包括″、″具有″和/或″包含″在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、区域、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任意和所有组合。如本文所使用的，诸如“在X和Y之间”和“在约X和Y之间”的短语应被解释为包括X和Y。如本文所使用的，诸如“在约X与Y之间”的短语表示“在约X与约Y之间”。如在此使用的，诸如“从约X到Y”的短语表示“从约X到约Y”。

应该理解的是，当诸如层、区域或衬底的特征被称为在另一特征或元件“上”时，其可直接在另一特征或元件上，或者也可以存在中间特征和/或元件。相反，当元件称作在另一个元件的″直接上面″时，不存在中间元件。将理解的是，当提及零件或元件“连接”、“附接”或“耦接”到另一特征或元件，它可以直接连接、附接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当提及特征或元件“直接连接”、“直接附接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在中间元件。尽管相对于一个实施例描述或示出，所述或所示的特征可以应用于其他实施例。

除非另外定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同意义。将理解，诸如在通用词典中定义的输入应被解释为与它们在本申请的上下文和相关技术中的意义相一致，而不被解释为理想或过于正式的意义，除非本文如此明确地定义。为了简洁和/或清楚，可不对周知的功能或结构进行详细描述。

在此可能使用空间相对术语如“下面”、“之下”、“下”、“上面”、“上”等，以便于描述一个部件或特征相对于另一部件或特征在附图中示出的关系。将理解的是，空间上的相对术语除了包括附图中示出的方向之外，还意在包含设备在使用中或操作中的不同方向。例如，如果附图中的所述器件被翻转，则被描述为在其他元件或者特征“下方”或者“之下”的元件将定向在其它元件或者特征的“上方”。因此，示例性术语“下面”可以涵盖之上和之下的朝向。所述设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，且可以相应地解释本文中使用的空间相对描述符。类似地，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在此仅用于解释的目的，除非另外特别指出。

将理解，虽然本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个要素、组件、区域、层或部与另一个区域、层或部加以区分。因此，以下讨论的第一单元、组件、区域、层或者部分可被称为第二单元、组件、区域、层或者部分，而不脱离本方面的教导。

术语“约”是指所述数字可以从该值变化+/-10％。

术语“分析物”是指经历分析的样品中的分子或化学物质。分析物可以包括与任何工业产品、工艺或环境或环境危害相关的化学物质、诸如例如有毒工业化学品或有毒工业材料的毒素、有机化合物等。此外，分析物可以包括生物系统中发现的或诸如生物制药制造的生物分子。

术语“缓冲气体”是指具有中性原子的任何气体或气体混合物，例如空气、氮气、氦气、氢气、氩气和甲烷。

术语“质量共振扫描时间”是指与离子陷阱的质量选择性离子喷射相关联的积分信号获取时间。

术语“质量”通常解释为质荷比，其含义可以从上下文中确定。当在涉及质谱或质谱测量时使用该术语时，其表示离子的质荷比测量。

相对于离子陷阱质量分析器而言的术语“微尺度”是指具有在毫米到亚毫米范围内的临界尺寸的小尺寸离子陷阱，典型地在离子陷阱的一个或多个电极中具有约0.001毫米至约5毫米之间及其任意子范围内的临界尺寸的关联孔。离子陷阱电极中心孔可以具有不同的几何形状，例如圆柱形或狭缝形的空隙，并且空隙阵列也是可以的。

术语“微型圆柱形离子陷阱”、“微型CIT”和“迷你CIT”是指具有在毫米至亚毫米范围内的临界尺寸的圆柱形离子陷阱“CIT”，典型地在离子陷阱的一个或多个电极中具有约0.001毫米至约5毫米之间及其任意子范围内的临界尺寸的关联孔。离子陷阱电极中心孔可以具有不同的几何形状，例如圆柱形或狭缝形的空隙，并且空隙阵列也是可以的。

术语“微流体芯片”可与“微芯片”互换使用，并且是指具有亚毫米尺寸流体通道的流体样品处理装置，其具有用于处理样品的至少一个集成发射器。

历史上一直在高真空条件下进行质谱分析。这种情况的原因是：如果离子在从离子源通过质量分析器到达探测器的的轨迹期间不与背景气体分子碰撞，则性能提高。离子-分子碰撞事件将离子散射偏离其预期的轨迹，通常降低质量分辨率和信号强度。在传统系统中实现足够分辨率的真空可以通过克努曾(Knudsen)数来正规化。质谱通常在限定为Kn＞1的分子流状态下进行，并且在常规实践中，对于质谱仪的质量分析器Kn在约100和10,000之间。

下面的表1包括在从10^-6-760托的压力范围下氦气和氮气的计算平均自由程(mfp)。氦和氮的碰撞截面由各自的范德华体积确定，并且在mfp计算中使用的平均碰撞半径分别为0.14nm和0.18nm。参见例如Knapman等人的Intl.J.Mass Spectrom.，2010，298，17-23，其内容如果全文引用合并在此作为参考。根据方程1计算mfp值，其中k是玻尔兹曼常数，T是开氏温度，d是碰撞直径，并且P是气压。表1中假定温度为300K。

10^-6托或更低的压力是线性四极杆或飞行时间质量分析器的典型操作压力，临界长度尺度约在100毫米量级。这样的值导致Kn数为数百。具有10毫米环形电极半径的离子陷阱质谱仪的典型操作压力约为10^-4托、导致Kn数约为100。本申请实施例的主要感兴趣的操作体系是大于50毫托的压力和小于1毫米的临界长度尺度z₀，或者对于某些陷阱结构的小于1毫米的r₀值。在表1中列出的所有情况下，Kn小于10，而且除了一个例子之外的所有示例都小于单位1。

表1：在高压下操作的微尺寸阱中的克努曾数

本发明实施例在非常规条件下进行质谱分析，其中Kn的值接近于单位1且小于(例如小于10且小于1)。在这样的压力和基本长度尺度下，平均自由程类似于或小于临界实验长度尺度。本发明的实施例可以特别适用于通常被称为离子陷阱质量分析器的保罗(Paul)陷阱质量分析器，其具有小于1毫米的基本长度尺度，例如环形电极的半径r₀为1毫米或以下。本发明的实施例涉及可以在50毫托及以上(例如，至1托、10托、100托或1000托)的压力下操作的和/或具有小于约10或者甚至约小于1的Kn值的高压质谱仪。

术语“高分辨率”是指可以可靠地分辨到小于1Th，例如具有小于1Th(FWHM)的线宽的质谱。“Th”是质荷比的汤姆森单位。

高分辨率操作可以允许使用单一同位素质量来鉴定分析的物质。术语“高探测器灵敏度”是指低端能够美秒检测到1-100个电荷的信号的探测器。

术语“高压”是指保持质量分析器的真空腔室中的操作(气体)背景压力等于或高于约50毫托，例如在约50毫托至约100托之间(因此，质量分析器中是高压)。在一些实施例中，具有质量分析器的真空腔室压力在约50毫托与约10托之间，或在约50毫托与约1托之间，约2托或在约5托或以下。在一些实施例中，高压可以是约50毫托、约60毫托、约70毫托、约80毫托、约90毫托、约100毫托、约150毫托、约200毫托、约250毫托、约300毫托、约350毫托、约400毫托、约450毫托、约500毫托、约600毫托、约700毫托、约800毫托、约900毫托、约1000毫托、约1500毫托或约2000毫托。

图1是具有与质谱仪10协作对准的电喷射离子化(ESI)装置20(仅作为示例示出为流体微芯片装置)的示例性分析系统100的框图。众所周知，质谱仪10具有三个基本部件：离子源、质量分析器和探测器。根据质量分析器的类型，这些组件可以采取不同的形式。如图l所示，离子发生器包括ESI装置20。ESI装置20可以具有不同的形式/结构，包括微流体芯片、玻璃或石英毛细管、牵拉的玻璃或石英毛细管、金属毛细管及其组合。

质量分析器30驻留在真空腔室12中，真空腔室12在操作期间保持在高压。质谱仪10可以是高压质谱仪，所述高压质谱仪在不需要涡轮泵的情况下操作，相对于传统的高压系统允许更紧凑的设计。探测器40(其可以包括电子倍增器和/或其他类型的探测器)位于质量分析器30的下游。在一些实施例中，质谱仪10具有壳体10h，所述壳体可以具有与第一真空腔室12相邻并且通过隔板102分隔的第二真空腔室14，所述第二真空腔室可以保持在与第一腔室12的压力不同的压力下，例如进行差分真空泵浦。

在一些实施例中，第一真空腔室12和第二真空腔室14可以保持在50毫托与100托之间，其中第二真空腔室14(在使用的情况下)保持在比第一腔室12更低的压力下。例如，真空腔室12中的压力可以是约100托、约10托、约1托、约100毫托或约50毫托，而第二室14可以保持在较低的压力下，例如约10毫托或以下。在使用差分泵浦的情况下，第二腔室14可以保持在比第一腔室12小约1(一个)或更多个数量级的压力下。在一些实施例中，取决于腔室12、14之间的泄漏率和泵浦能力，压差可以是100或更大的系数。例如在某些实施例中，高压腔室12可以处于约1托，而低压力(高真空)腔室可以处于约10毫托。然而也可以使用其它压力差，例如高压腔室12可以在100托下操作，而低压腔室14在约10毫托下操作。

虽然每个腔室12、14被示为通过阀门71连接到真空泵70，但是在其它实施例中，可以使用单个真空泵来为两个腔室12、14提供不同压力。

如图1所示，质量分析器30可以安装在分隔真空腔室12和14的隔板102上。隔板102包含流体连接两个室12、14的至少一个孔或开放空间102a，这允许缓冲气体和离子从真空腔室12输运到室14。气流通过孔102a所形成的压降建立了两个腔室12、14中的不同压力。质量分析器30可以密封地附接到隔板102并且可以在两个腔室12、14之间形成封闭的流动路径。在一些实施例中，在某些类型的离子陷阱质谱仪的情况下，通过质量分析器30的气体输运可用于增强离子信号。参见例如共同未决的美国临时申请序列号No.62/010,050，其内容如同全文引用那样通过引用合并在此。

在一些实施例中，如图1、图2和图3A所示，例如ESI装置20可以将离子流20s从ESI装置20的至少一个发射器20e电喷射到入口装置15中，然后通过入口装置15直接进入高压下的质量分析器室12。入口装置15可以与发射器20e隔开很近的距离或邻接接触，同时发射器20e将样品释放(例如电喷射)到真空腔室12外部的处于环境压力(例如大气压)下的空间区域，然后进入入口管15。电喷射20s可以进入环境(即大气)压力，然后进入处于环境压力下的入口孔15a，然后进入具有质量分析器30的真空腔室12。质量分析器腔室12可以经由阀71与真空泵70流体连通。在质量分析器真空腔室12处于高压的同时，入口装置15的外部末端15e处于大气压下，面向ESI发射器20e。入口装置15的内部末端15i被保持在质量分析器腔室12的内部。入口装置15可以经由连接器18(例如真空配件，例如来自OH州Solon市的Swagelok公司的Ultra-Torr^TM配件)密封地附接到质量分析器真空腔室12的壁12w。

作为离子源的发射器20e可以定位成提供相对紧凑的占用面积。如图1所示，测量的从发射器尖端20e到质量分析器30的入口的外内距离Di-m典型地在约1cm和约15em之间，并且更典型地在约5厘米至约12厘米之间，例如约5厘米、约5.5厘米，约6厘米、约6.5厘米、约7厘米、约7.5厘米、约8厘米、约8.5厘米、约9厘米、约9.5厘米、约10厘米厘米、约10.5厘米、约11厘米、约11.5厘米和约12厘米。

在一些实施例中，从装置15的限定内部入口15i的末端开始的内部距离可以与质量分析器30的入口间隔很近的距离，以限定内部离子源到质量分析器的离子进入距离，其介于约1毫米与约50毫米之间、约1毫米与40毫米之间、介于约1毫米与30毫米之间、介于1毫米与20毫米之间或介于约1毫米与10毫米之间。该距离可以增大和/或最大化离子传输，而不需要复杂的离子光学器件。

在某些实施例中，入口装置15可以是导电的并且与至少一个电源125电连通。入口装置15可以是不锈钢或其他合适的材料。如图所示，可以将来自电源125的电压输入126施加到入口装置15的外部段，所述外部段在该外部末端15e的尖端与腔室的壁12w或保持腔室12的MS壳体10h的壁之间。在一些实施例中，电压输入126可以在约10V至约500V之间，更典型地在约100V至约250V之间。施加到入口装置15的电压可以根据以下中的一个或多个因素而变化：输入装置的长度、入口装置相对于质量分析器(例如离子陷阱)的位置、所关心的分析物、电喷射体积、电喷射压力等。例如，取决于例如所关心的分析物(例如阳离子对阴离子)，电压可以具有正极性或负极性。

ESI装置20可以由xyz台或其他支撑件112(图1)保持，该xyz台或其他支撑件可以允许设备20放置为与入口15e的外部末端相邻，典型地在约1-50毫米内，更典型地在约5-10毫米内，其中相应的至少一个装置发射器20e处于正确的朝向和位置。作为替代或补充，支撑件112可以配置为旋转的，用于进行旋转定位，以改变发射器相对于入口15e的角度朝向。

在一些实施例中，优选地至少当使用低ESI流率时，例如通常＜1μL/min时，至少一个发射器20e可以与入口15e轴向定位。在其他实施例中，至少一个发射器20e可以在入口15e的上方、下方和/或侧面。

在图1所示的实施例中，入口装置的内部末端15i可以与电极28保持连通。入口装置的内部末端15i和电极28可以与门控电极38和/或质量分析器30的入口间隔约1毫米至约20毫米，更典型地约1毫米至约10毫米，例如约2毫米、约3毫米、约4毫米、约5毫米、约6毫米、约7毫米、约8毫米、约9毫米和约10毫米。在一些实施例中，电极28是离子的加速电极。

在一些实施例中，如图2所示，质谱仪10可以具有保持ESI装置20的保持隔间60。在某些实施例中，保持隔间60可以对周围大气开放，使得空气用作缓冲气体。在一些实施例中，隔间60可以封闭并填充缓冲气体，例如氦气、氢气或干燥氮气，例如来自加压缓冲气体供应容器160。保持隔间60可以包括支撑件62，所述支撑件可以将ESI装置20相对于入口装置15保持在所需的(通常可调节的)朝向和位置。支撑件62可以配置为x-y-z台112或者可以与该台112协作。保持隔间60可以配置为在操作期间包封发射器20e和/或整个ESI装置20。

在一些实施例中，也如图2所示，电屏障64可以围绕ESI装置20定位，以将ESI发射器20e与施加到ESI装置20上的一个或多个储存器20r的电压相屏蔽。ESI装置20的具有ESI发射器20e的段(例如，长度在约1-10毫米之间)可以延伸穿过屏障64中的狭缝64s。屏障64可以包括单面覆铜电路板(例如，可从加拿大安大略省柏灵顿市的M.G.Chemicals购得)或本领域技术人员已知的任何其他合适的屏障装置。在一些实施例中，屏障64可以保持在针对CE用途的限定电压和用于灌注用途的参考接地电势(GND)。

图3A-图3C和图4A-图4C示出了分析系统100的其他示例。

如图3A和图4A所示，例如入口装置15可以延伸到聚焦电极48中，该聚焦电极48示出为管电极48t，并且用来代替图1和图2中所示的加速电极28和门控电极38。聚焦电极48可以充当“透镜”以将离子聚焦到质量分析器30中。聚焦电极48可以用DC电压操作以聚焦离子。聚焦电极48可以具有在约3毫米和6毫米之间的内径，并且可以具有在3毫米-10毫米之间、典型地约5毫米的长度。聚焦电极48可以与质量分析器30的前端(例如，离子陷阱的前端帽电极)间隔很近的距离，典型地约0.1毫米至约2毫米，例如在一些实施例中约0.1毫米、约0.2毫米、约0.3毫米、约0.4毫米、约0.5毫米、约0.6毫米、约0.7毫米、约0.8毫米、约0.9毫米、约1毫米、约1.1毫米、约1.2毫米、约1.3毫米、约1.4毫米、约1.5毫米、约1.6毫米、约1.7毫米、约1.8毫米、约1.9毫米和约2毫米。

在一些实施例中，入口装置的内部末端15i可定位为位于聚焦电极48内部一较短距离，该距离在约0.1毫米至约1毫米之间，典型地约0.2毫米、约0.3毫米、约0.4毫米或约0.5毫米。

入口装置15的内部末端15i可以相距质量分析器30的前部约1-50毫米，例如相距离子陷阱的前端帽。在一些实施例中，入口装置的内部末端15i可位于质量分析器30的前部约1-10毫米或约1-5毫米。

尽管在图1和图2中用加速和门控电极结构示出，并且在图3A和图4A中用作为管电极48t的聚焦电极48，但是也可以使用其他聚焦/透镜电极装置。入口管的释放端15i可以延伸进入聚焦透镜和/或电极一定距离。例如，聚焦电极48可以包括单透镜和/或离子漏斗48f。图3C和图4C示出了质谱仪10可以具有聚焦电极48，该聚焦电极48在保持质量分析器30的真空腔室12中的质量分析器30的上游包括离子漏斗电极48f。

诸如电极28(图1)之类的加速电极典型地电连接到毛细管入口管15和/或毛细管ESI装置20t，并且产生的电场使离子朝向质量分析器30(例如离子陷阱)加速。上面讨论的“聚焦电极”将离子(其可能已经被“加速电极”加速)聚焦到质量分析器30，例如离子陷阱中。因此，质谱仪10可以包括各种不同的离子光学器件(聚焦或“透镜”电极结构)。

离子漏斗48f(图3C，图4C)与简单的毛细管入口相比，可以将离子传输增加至少一个数量级。参见例如A.Shaffer、K.Tang、G.A.Anderson、D.C.Prior、H.R.Udseth、R.D.Smith的Rapid Communications in Mass Spectrometry，1997，11，1813-1817。离子漏斗通常具有内直径减小的环形电极的堆叠，使用RF和DC电势的组合来聚焦离子。参见例如Kim，T.、Tolmachev，A.V.、Harkewicz，R.、Prior，D.C.、Anderson，G.、Udseth，H.R.、Smith，R.D.、Analytical Chemistry，2000，72，2247-2255、Julian，R.R.、Mabbett，S.R.、Jarrold，M.F的Journal of the American Society for Mass Spectrometry，2005，16(10)，1708-1712。但是，一些离子漏斗可以是平面的。参见例如美国专利申请公开号2013/0120894，其内容如同全文引用一样通过引用的方式合并在此作为参考。离子漏斗传统地在0.1托到20托的压力范围内操作。对每个其他电极(“偶电极”)施加RF电势，并将相同大小的180°反相的RF电势施加到其他电极(“奇电极”)。对偶电极和奇电极均施加线性DC梯度，其中最高幅值电压施加到入口电极，最低幅值电压施加到出口电极。可以在漏斗出口和质量分析器之间放置单独的“仅直流电”电极。参见例如美国专利6,107,628和美国专利7,351,964号，其内容如同全文引用一样通过引用的方式合并在此作为参考。

门控电极是可选的。在一些实施例中，管电极48t可以具有向管电极施加的独立DC电压。离子漏斗48f可以具有所施加的RF和DC电势的组合。当质谱仪10包括管电极48t时，所述管本身也可以用作门控。当质谱仪10包括离子漏斗48f时，离子可以以若干方式进行门控(即，关断DC电势、切换一个DC电势等)。

图4A-图4D还示出在一些实施例中，质谱仪10可以具有将质量分析器30和探测器40保持在共同的高压下的单个腔室12。因此，质量分析和检测是在单一的公共高压背景下进行的，例如在等于或大于50毫托，更典型地等于或大于100毫托(例如在具体的实施例中在约100毫托和1托之间)，可选地以环境空气作为缓冲气体。在一些实施例中，保持隔间60(图2)可以用于允许使用如上所述的替代缓冲气体进行电喷射20s和/或质谱分析。

图3A和图4A示出了在一些实施例中，与ESI装置20连通的入口装置15可以直接电喷射到保持质量分析器30的高压腔室12中。

图3B、图3C、图4B、图4C和图4D示出了直接密封到质谱仪10(例如，保持质量分析器30的真空腔室12的壁12w)的ESI装置20的示例，其中发射器20e的相应释放端在保持质量分析器30的高压真空腔室12的内部，以将离子(例如电喷射)直接释放到高压中，而不需要例如图3A、图4A所示的入口装置15。

例如，图1、图2、图3A、图4A、图4D、图5A和图5B示出了ESI装置20可以是流体微芯片20c。然而如上所述，可以使用其他ESI装置20。图3B、图3C、图4B和图4C示出了作为ESI发射器20e的毛细管尖端20t。发射器20e在具有质量分析器30的高压真空腔室12内而不是在大气压下。在一些实施例中，至少一个发射器20e可以位于约1毫米至约50毫米之间，更典型地地在约1毫米至20毫米之间。该距离可以是相距质量分析器30的离子入口孔/电极约1毫米、约2毫米、约3毫米、约4毫米、约5毫米、约6毫米、约7毫米、约8毫米、约9毫米、约10毫米、约11毫米、约12毫米、约13毫米、约14毫米、约15毫米、约16毫米、约17毫米、约18毫米、约19毫米、约20毫米、约25毫米、约30毫米、约35毫米、约40毫米、约45毫米或约50毫米。

在一些实施例中，ESI装置20延伸到具有质量分析器30的真空腔室12中，例如在图3B、图3C、图4B、图4C中示出为毛细管20t，可替代地是如图4D所示的ESI微芯片20c。因此，微流体芯片20c可以直接放置在真空腔室12中而不需要中间入口装置15。微芯片20c的主体可以密封到保持质量分析器30的真空腔室12的壁12w上，使得至少一个发射器20e处于真空中，并且储存器20r在真空腔室12的外部。

真空腔室12w的壁可以包括用于经由真空密封件18接收一段微芯片20的孔。在一些实施例中，真空密封件18可以包括可围绕微芯片20c的外表面延伸的O形环、垫圈或其他密封件。密封件18的形状可以与微芯片20c的形状或微芯片的段的形状一致。在一些特定实施例中，密封件18可以是矩形的。芯片20相对于真空腔室12的朝向可以是水平地、竖直地或甚至垂直和水平之间的某个角度。密封件18的矩形形状可能是适当的，其中矩形微芯片20c的整个前端保持在真空腔室12中。密封件18可以位于微芯片20上和/或腔室12w和/或壳体10h的壁12w上，或者位于真空配件中，该真空配件的尺寸和构造可配合地密封地容纳微型芯片20c的端部。

如图4D所示，真空腔室壁12w可以限定用于微芯片20c的外部部分的电屏障，并且可以处于接地电势127。可以通过芯片储存器20r和/或在芯片储存器20r处进行ESI到一个或多个加压气体源120p和/或一个或多个电源120的电连接和/或加压气体连接，所述连接用于使得样品通过处理通道和/或电喷射输送到真空腔室12中。

对于金属ESI毛细管20t，可以将喷射电压施加到毛细管主体。在玻璃、石英和/或绝缘毛细管的情况下，可以将金或其他合适的导电的(典型的是金属的)涂层涂覆到喷射尖端上，其中导电涂层离开密封件18进入真空腔室12外部的环境中。在一些实施例中，分析系统100可以包括驻留在可以施加ESI电压的真空腔室12外部的液体接头。

在一些实施例中，示出为例如图1、图2、图3A、图4A和图4D中的微流体芯片20c的ESI装置20可以代替地是具有发射器20e的毛细管20t，所述发射器20e驻留在真空腔室12的外部并且与入口装置15协同操作。

常规的质谱测定系统典型地在约10^-6托的质量分析器压力下操作，这比本发明实施例的操作压力小几个数量级。考虑到接近大气压(例如，约600托)的到真空腔室的电喷射，这些真空腔室与质量分析器分开，并利用入口毛细管进入商业质谱仪，这导致离子损耗。参见例如Felton等人的Automated High-Throughput Infusion ESI-MS with DirectCoupling to a Microtiter Plate，Anal Chem.2001，73，1449-1454页；以及Zhang等人的High-Throughput Microfabricated CE/ESI-MS：Automated Sampling from a MicrowellPlate，Anal Cham.2001，73，2675-2681，将其内容如同全文引用一样地合并在此作为参考。相反，并且有利的是，新的将离子直接喷射到保持质量分析器30的高压真空腔室12中可以避免这种离子损耗，例如相对于差压接口，到具有质量分析器的真空腔室的(单个)大气至高压接口显著地减小或者避免了离子损耗。

如图3B、图3C、图4B、图4C和4D图所示，流体处理装置20的释放离子态样品的发射器20e可以与质量分析器30间隔很近的距离。从发射器20e到质量分析器30的入口(例如离子陷阱为质量分析器30的情况下的离子陷阱的第一端帽电极31)的轴向距离，在图3B、图3C、图4B、图4C和图4D示出为Di-m，可以在约1毫米与约50毫米之间，约1毫米与约40毫米之间，约1毫米与约30毫米之间，1毫米与20毫米之间或1毫米与10毫米之间。在一些实施例中，该间隔可以最大化离子传输而不需要复杂的离子光学装置。在一些实施例中，至少一个发射器20e可以位于离质量分析器的入口孔(例如第一端帽电极31)约1毫米至约20毫米之间或约1至约10毫米之间的距离。在特定实施例中，Di-m距离可以是相距质量分析器30的离子入口孔/电极约1毫米、约2毫米、约3毫米、约4毫米、约5毫米、约6毫米、约7毫米、约8毫米、约9毫米、约10毫米，约11毫米、约12毫米、约13毫米、约14毫米、约15毫米、约16毫米、约17毫米、约18毫米、约19毫米和约20毫米。

在图1、图2、图3A、图3C、图4A-图4D所示的实施例中，质量分析器30包括至少一个具有紧密间隔开的电极(导体)阵列的离子陷阱30。电极包括位于两个端帽电极31、32之间的中心(环)电极33。电极可以具有轴向对齐的孔，在相邻孔的中心之间的距离为“b”。孔可以以规则的图案排列或者可以是随机的。环形电极33可以具有一个或多个孔33a，孔33a通常比第一或第二端帽电极孔大。术语“环形电极”是指在端帽电极31或端电极32之间的离子陷阱阵列中的中心电极，并且不需要例如在外周或在相应离子陷阱的边界通道方面具有环形形状因子。众所周知，相应的离子陷阱30可以具有对齐端帽和环孔的不同直径的短管状通道。端帽电极31、32中的一个或两个可以包括网状电极和/或导电屏或者可以具有网状电极和/或导电屏的形式。

如图5A和图5B所示，例如ESI装置20可以是微流体芯片20c，其包括用于样品(S)、样品废物(SW)、缓冲物(B)和/(电渗透)泵浦(P)的存储器20r和流体微通道和/或纳米通道21。参见例如共同未决的PCT/US2012/027662和PCT/US2011/052127，其描述了微加工流体装置的示例。也参见Mellors，J.S、Gorbounov，V.、Ramsey，R.S、Ramsey，J.M.的“Fullyintegrated glass microfluidic device for performing high-efficiency capillaryelectrophoresis and electrospray ionization mass spectrometry”，Anal Chem2008，80(18)，6881-6887。对于一些设计可能有用的附加信息，也参见Xue Q、Foret F、Dunayevskiy YM、Zavracky PM、McGruer NE&Karger BL(1997)，“Multichannel MicrochipElectrospray Mass Spectrometry”。Anal Chem 69，426-430，Ramsey RS&Ramsey JM(1997)，“Generating Electrospray from Microchip Devices Using ElectroosmoticPumping”。Anal Chem 69，1174-1178，Chambers AG，Mellors JS，Henley WH&Ramsey JM(2011)，“Monolithic Integration of Two-Dimensional Liquid Chromatography-Capillary Electrophoresis and Electrospray Ionization on a MicrofluidicDevice”，Analytical Chemistry 83，842-849。Mellors等人的Anal Chem.2008，80(18)，6881-6887；Batz等人的Anal.Chem.，2014，86(7)3493-5000；以及美国专利No.9,006,648。这些文件的内容通过引用并入本文，如同在本文中全文引用一样。

图6A和图6B示出了入口装置15的一个示例。如图所示，入口装置15可以具有在内部末端15i和外部末端15e之间延伸的细长管状体15b。装置15可以具有至少一个(显示为单个)入口孔15a，入口孔15a合并到纵向延伸的流体(“流体”指的是液体和/或气体“)通道15c。装置15的尺寸和构造可以具有至少一个毛细通道，例如构造为毛细管。至少一个通道15c的宽度和/或高度尺寸(示出为具有直径的圆形)可以介于约0.05毫米至约0.50毫米之间(更典型地介于约0.100毫米至约0.250毫米之间)，并且在一些实施例中可以是约0.125毫米。其他横截面通道形状可以用来代替圆圈。

图6C示出了至少一个入口孔15a可以是多个入口孔15a，每个入口孔15a合并到相应的入口通道15c中。替代地，两个或更多个入口15a可合并到共享的细长通道15c。尽管显示为五个孔15a，但是可以使用更多或更少的孔15a，例如，2个、3个、4个、6个、7个、8个、9个或10个。

在一些实施例中，入口装置15的外径可在1-5毫米之间，例如约1毫米、约1.2毫米、约1.5毫米、约1.6毫米、约1.7毫米、约1.8毫米、约1.9毫米和约2毫米。

入口装置15的长度可在1cm与20cm之间，典型地在5cm与15cm之间，例如约5厘米、约6厘米、约7厘米、约8厘米、约9厘米、约10厘米、约11cm，约12厘米、约13厘米、约14cm和约15cm。

图7A-7D示出了外部末端15e可具有圆锥形或圆锥体撇渣器装置15c，其具有以圆锥形尖端为中心的至少一个入口孔15a。在一些实施例中，圆锥形形状可以是截头圆锥形的，其具有保持孔15a的平坦的最前端，该孔15a缩回到入口装置15的主体以形成圆锥形尖端。外部末端部15e可以是与入口装置的主体15b一体的，或者可以是附接到入口装置15的主要主体15b的单独的部件。所述至少一个孔15a的宽度和/或高度尺寸(示出为具有直径的圆形)可以介于约0.025毫米至约0.50毫米之间，更典型地介于约0.030毫米至约0.125毫米之间，并且在一些实施例中可以是约0.100毫米、约0.110毫米或约0.125毫米。其他横截面通道形状可以用来代替圆圈。

圆锥形头部15e可以是具有至少一个孔和至少一个轴向延伸的流体通道的固体。在其它实施例中，如图7B所示，圆锥形头部15e可以是具有中空内部15h的薄的可延展材料或模制材料的成形主体，中空内部15h比孔15a大得多，并且可以附接到管状纵向延伸主体15b。

图7E示出了入口装置15可以具有多个入口孔15a。尽管示出为三个孔15a，但是可以使用更多或更少的孔15a，例如2个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个。多个入口孔15a可以分别合并到多个入口通道15c中的相应的一个中。或者，两个或更多个入口孔15a可合并到共享的细长通道15c。

图8A-8D示出了入口装置15的另一个实施例。在该实施例中，通道15c的轴向范围与孔15a的直径相似。入口装置15可以具有平面主体15p(例如，较薄的板)。平面主体15p的厚度可以在约0.100毫米至约5毫米之间，更典型地在约0.100毫米至约0.50毫米之间。在一些实施例中，厚度可以在约0.125毫米和约0.30毫米之间，诸如约0.125毫米、约0.150毫米、0.200毫米、约0.250毫米和约0.30毫米。例如，孔15a可以具有在约0.01毫米与0.150毫米之间的直径。在一些实施例中，通过板15p的主体的通道15c的轴向范围或长度相对于入口孔12a(使用一个孔的情况下)或入口孔12a之一(使用多于一个的孔的情况下)的直径(或非圆形形状的最大横截面尺寸)大约相同或不大于约50％。

图8D示出了入口装置15可密封地连接到质谱仪10。在其他实施例中，入口装置可以与质谱仪10的壳体10h的壁和/或保持质量分析器30的真空腔室12的壁12h是一体的(monolithic)。在一些实施例中，板和0形环密封件18p可用于将入口装置15附接到质谱仪10。入口装置15可嵌套在真空配件中，该真空配件拧入具有用于离子的小孔15a的壁12h中。入口装置15也可以实施为真空配件，该真空配件直接拧入具有用于离子的小孔15a的壁12w中。测量的从外部发射器20e到真空腔室12中的质量分析器30的离子入口的Di-m距离可以在1-10厘米之间，例如约1厘米、约2厘米、约3厘米、约4厘米、约5厘米、约6厘米、约7厘米、约8厘米、约9厘米和约10厘米。在一些实施例中，距离Di-m在10毫米和约150毫米之间。

图9A和图9B示出分析系统100可以具有多管结构，每个管15t提供至少一个入口孔15a，在操作期间在环境(例如大气)压下吸入电喷射20s。管15t可以保持为一个组件，所述组件中的每个通过至少一个真空密封连接器和/或配件18延伸到质谱仪外壳10h的质量分析器腔室12中。尽管在图9B中显示为五个紧密间隔开的管15t，但是可以使用例如少于或多于五个，例如2个、3个、4个或6个。管15t可以具有相同或不同的长度，并且位于共同或交错的内部或外部位置。

在入口装置15包括多个入口孔15a的情况下，例如图6C、图7D、图8C、图9A、图9B中所示，每一个可具有相同尺寸或不同尺寸的入口孔15a和/或通道宽度/高度(例如，使用圆形孔情况下的直径)。因此，相应的孔15a的宽度和/或高度尺寸(显示为具有直径的圆形)可以在约0.05毫米至约0.50毫米之间，更典型地在约0.100毫米至约0.250毫米之间，并且在一些实施例中可以是约0.100毫米、约0.110毫米或约0.125毫米。再次，可以使用其他横截面通道形状来代替圆形。一些孔15a可以比其他孔大。孔15a可以规则地或不规则地间隔开。

在一些实施例中，所计算的通过入口装置15的电喷射入口气体流率可以在约1sccm与115sccm之间，但在一些实施例中可以更大或更小。

在一些特定实施例中，来自ESI装置20的液体流率通常在50和300nL/min之间。在一些实施例中，可以使用例如典型＜1μL/min的ESI流率。诸如内径大于100μm的玻璃、石英或金属毛细管之类的较大ESI发射器的液体流率可以大于1μL/min。

本发明的实施例涉及在确定离子质荷比的装置中使用的离子陷阱质量分析器的紧凑或小型化配置，并且可以附加地提供质量与电荷值范围内的多个离子的相对丰度信息。在此描述的具体示例尤其与离子陷阱质量分析器相关，例如Paul捕获阱、圆柱离子陷阱(CIT)、拉伸长度离子陷阱(SLIT)和直线离子陷阱。

在图1-4所示的实施例中，质量分析器30包括例如在相应的阵列中的至少一个离子陷阱，诸如在约1-800之间，通常在约5-256之间，更典型地在约5-50，其中例如包括5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28，29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49和50个。在一些实施例中，离子陷阱30可以具有带有单个阱或多个这种阱的拉伸长度离子陷阱(SLIT)结构。对于后者，在使用的情况下，陷阱的数量可以在2-50个之间。参见例如Ramsey等人的题为“MiniatureCharged Particle Trap With Elongated Trapping Region For Mass Spectrometry”的美国专利8,878,127，其内容通过引用并入本文，如同在本文中完全列举一样。然而，可以使用其他离子陷阱孔形状和孔阵列配置。

泵70可以是任何合适的泵，通常是小型的轻质泵。泵的示例包括例如来自加州圣塔克拉的安捷伦的TPS Bench(SH110和Turbo-V 81M泵)紧凑型泵浦系统和/或TPS紧凑型(IDP-3和TurboV 81M泵)泵浦系统。等于或高于50毫托的操作压力可以容易地通过诸如旋转叶片泵、往复活塞泵或涡旋泵的机械排量泵来实现。

图4A-图4D、图9A和图10B示出探测器40可以包括与诸如差分放大器(马里兰州波士顿的908 Devices)之类的放大器连通的法拉第杯探测器40C。离子信号可以在法拉第杯探测器40C上收集，并由放大器92放大(图10B)。放大器92的一个示例是来自Amptek公司的A250CF 电荷敏感前置放大器。可以使用其他探测器配置和其他放大器。

在一些实施例中，在分析之前，离子可以在相应扫描的限定时间内累积，诸如在约1-30毫秒之间，通常在约1-10毫秒之间。每次分析，可以对连续扫描进行平均，典型地在20-1000次扫描之间。

在一些实施例中，仅具有质量分析器30的质量分析器隔间/腔室12(处于双真空腔室配置中)或者具有质量分析器30和探测器40两者处于单个真空腔室配置中的质量分析器隔间/腔室12体积可以相对较小，例如在约0.25平方英寸至约16平方英寸之间，典型地在约1.3平方英寸至约10平方英寸之间，诸如约1平方英寸、约2平方英寸、约3平方英寸、约4平方英寸、约5平方英寸、约6平方英寸、约7平方英寸、约8平方英寸、约9平方英寸、约10平方英寸。

如图4A所示，例如，室12可以位于具有长度尺寸L和高度(或宽度)尺寸H的紧凑外壳20h中。例如，长度尺寸L可以在约1-5英寸之间，典型地在约1-3英寸之间，诸如约1英寸、约1.5英寸、约1.75英寸和约1.85英寸。高度/宽度尺寸H可以在约0.5英寸至约5英寸之间，典型地为约1英寸。深度或“z”尺寸可以在1-5英寸之间，通常约1-3英寸。

在一些实施例中，离子陷阱30的前端与探测器40间隔很近的距离“Dd”，这对于在高压下操作的小质谱系统是特别有利的，这是由于喷射离子在这样的压力所经历的减小的平均自由程。在一些实施例中，间距Dd(图1、图2、图3A-图3C、图4A-图4C)在约0.01英寸(0.254毫米)至约0.5英寸(13毫米)之间，更典型地在约1毫米至约10毫米之间。

再次参考图1、图2、图3A-图3C和图4A-图4C，其中质量分析器30包括离子陷阱，环形电极孔径将通常大于第一或第二端帽电极孔径和/或可以是网格样式的端帽。当一个或多个端帽电极31、32被实施为网状端帽时，电极可以包括被细网格金属网覆盖的孔，通常在每英寸100-1000根线之间。

众所周知，相应的离子陷阱具有与端帽和环孔对齐的不同直径的管状通道。端帽电极31、32通常以对称的间隔与环形电极33隔开距离d。具体间距取决于环形电极厚度，但是可以选择端帽电极31、32的距离间隔以优化质谱性能。端帽孔或洞允许电离能或离子的注入，而另一个端帽孔允许为了检测目的而喷出离子。

电极孔径31、32、33各自具有半径r0或平均有效半径(例如，后者在使用非圆形孔形状的情况下使用形状和宽度/高度尺寸来计算平均孔径)，并且陷阱30具有相应的直径或平均交叉距离2r0和有效长度2z0。离子陷阱30可以被配置为具有大于0.83的限定比率z0/r0。请注意，可以将z0定义为腔的半高。在一些实施例中，离子陷阱孔阵列具有测量为端帽31、32的内表面之间的距离的有效长度2z0。阵列可以被配置为具有接近于1的限定比率z0/r0，但是通常大于1，约10％至约30％。r0和z0的尺寸可以在约0.5μm至约1cm之间，但是对于本发明的某些实施例所考虑的微型质谱应用，这些尺寸优选为1毫米或更小，直至约0.5μm。质量分析器30可以是具有由绝缘体分隔的三个堆叠(金属)电极31、32、33的离子陷阱。对于示例性CIT配置的进一步讨论，参见U.S.6,933,498和U.S.6,469,298，其内容通过引用结合到本文中，如同在本文中完全列举一样。单电极离子发生器的一个例子在Kornienko的Anal.Chem.2000，72，559-562和KornienkoRapid Commun.Mass Spectrom.1999，13，50-53中进行了描述，如同全文引用一样将其全部内容合并在此作为参考。

典型地选择距离“d”，使得z0略大于r0，通常大10-30％。

在一些实施例中，质谱仪系统100可以配置有一个或多个质量分析器30。在离子陷阱是质量分析器30的情况下，离子陷阱可以包括多于一个的陷阱。在一些实施例中，可以由单个探测器40检测来自每个腔的质量喷出以产生复合(组合增强的)质谱信号。在一些实施例中，用于检测的信号可以基于来自不同陷阱的子集的输出。在一些实施例中，可以通过单独的探测器来检测来自每个或一个或多个腔组的质量。这种结构在每个空腔或空腔组(子集)具有不同的捕获性质的情况下可能是有用的。例如，这种类型的布置可以扩展可由光谱仪系统分析的离子质量的范围。

在一些实施例中，可以配置为具有多个双腔室装置或多个单腔室装置的紧凑(小尺寸)质谱仪10，以便使用共同的或不同的探测器或多个探测器40同时对多个样品进行采样。

在一些实施例中，质量分析器30(例如但不限于离子陷阱质量分析器)和探测器40可以全部布置为堆叠的平面导体和绝缘体部件的可释放地连接的组或整体连接的单元，例如通常交替地具有用于所需功能的限定特征的导电和绝缘膜、基板、片材、板和/或层或其组合。参见例如共同未决且共同转让的美国专利申请序列号13/804,911，其内容通过引用结合于此，如同在本文中完全列举一样。

探测器40可以包括适当的换能器。换能器典型地包括电子倍增器(图1、图3A-图3C和图9A)，但可以是平面探测器，并且在特定实施例中，如图4A-图4C和图10B所示，探测器40包括法拉第杯探测器40C。但是，也可以使用其他的离子探测器。

在一些实施例中，探测器40可以包括用于电荷检测的平面探测器，这对于小质谱系统可能是特别有吸引力的，因为它们固有地具有小的尺寸和重量以及能够在从低真空到大气压的压力下操作。可以用静电计或电荷敏感互阻抗放大器来测量由与探测器40相关联的导电膜或其他导体收集的电荷。术语“电子收集器”是指能够检测由薄膜片和/或导体收集的电荷的电子电路和/或装置。

例如，探测器40可以配置为检测从具有平面电极的平面CIT阵列平行地射出的离子，该平面电极具有在端帽电极的孔上方的固体连续导电表面。探测器放大器92(图9)(例如电荷敏感互阻抗放大器)的增益可以用减小的法拉第杯电容来改善。

质谱仪系统10可以是重量轻的，通常在约1-25磅(包括一个或多个真空泵)，且可选地电池供电。保持质谱仪系统和ESI入口装置15的壳体10h可以配置为手持式或台式壳体。在一些实施例中，便携式外壳可以具有与微软或任天堂游戏机或游戏控制器类似的外形尺寸或类似于与电子笔记本、PDA、IPAD或智能手机相关联的外形因素，并可以选择有一个手枪式的抓地力。但是，也可以使用其它构造的壳体以及其它布置的控制电路。壳体10h通常保持显示屏幕10d并且可以具有诸如图形用户界面(“GUI”)(图10A)之类的用户界面10i。

系统100还可以包括收发器、GPS模块和天线，并且可以被配置为与智能手机或其他个人计算设备(膝上型计算机、电子笔记本、PDA、IPAD等)通信以传输数据或者用于操作的控制，例如使用安全的APP或其他无线可编程通信协议。

在一些实施例中，质谱仪100配置为使得作为离子源的ESI装置20在大气压下将离子传输到入口装置15，并且质量分析器30和探测器40在接近等压的条件下操作且压力大于100毫托。

如图10A和图10B所示，分析系统100可以包括具有函数发生器82的光谱仪10，所述函数发生器82用以在用于共振喷出的质量扫描期间向质量分析器(例如，离子陷阱)30提供低压轴向RF输入82i。低压轴向RF可以在约100mVpp至约12,000mVpp之间，通常在100至10,000mVpp之间。在质量扫描期间，可以将轴向RF施加到端帽31或32，通常是端帽31，或者在两个端帽31和32之间，以促进共振喷出。RF电源88向环形电极33提供输入信号。RF源88可以包括RF信号发生器88g、RF放大器88p和RF功率放大器88a。控制器100c可以具有带有可选RF监视器的控制电路。这些部件中的一些或全部可以保持在包围腔室12中的质量分析器30的壳体10h中的电路板上。在一些实施例中，可以提供幅度为斜坡的波形作为RF信号发生器的输入，以调制RF幅度。低电压RF可以通过RF前置放大器放大，然后通过功率放大器放大，以产生期望的RF信号。RF信号可以在约1MHz到10GHz之间或1MHz到1000MHz之间，这取决于环电极特征的大小。如本领域技术人员所熟知的那样，RF频率与环形电极半径r₀相互依赖。r₀为500μm时，典型射频频率为5-20MHz。电压可以在50V_0p到约1500V_0p之间，典型地高达约500V_0p(如本领域技术人员熟知的，“Op”下标是指0到半峰值)。

还如图所示，系统100包括：用于ESI装置20的电压DC电源120；以及单独用于入口装置15(图10B)或用于入口装置15和电极室12二者(图10A)的直流(DC)电源125。DC电源120可以可选地由公共控制器100c控制，或由单独的控制器控制，或者甚至手动地控制。ESI电源120可以是高压电源。术语“高压”是指kV范围的电压，通常在约1-10kV之间，更典型地在约2-5kV之间。例如，ESI装置20可以被配置为采用几kV的电位，典型地在约1kV至约5kV之间。

离子探测器40可以配置为登记在与特定离子质量相对应的不同时间间隔发射的离子的数量，以执行质谱化学分析。离子陷阱利用由RF驱动信号产生的动态电场来动态地捕捉来自测量样品的离子。通过改变捕获射频(RF)电场的特性(例如，振幅、频率等)，离子被选择性地与离子的质荷比(质量(m)/电荷(z))相对应地喷出。特定的m/z比率处的相对离子丰度可被数字化以便分析，并且可以在板载和/或远程处理器上显示为光谱。

以最简单的形式，可以将恒定RF频率的驱动RF信号88d相对于两个端帽电极31、32施加到中心电极33。中心电极信号的幅度可以线性上升，以选择性地使保持在离子陷阱内的不同m/z离子变得不稳定。这种幅度喷出结构可能不会得到最佳性能或分辨率。然而，可以通过在端帽31、32上差动地施加第二信号来改善这种幅度喷出方法。在使用时，该轴向RF信号引起偶极子轴向激发，这在阱中的离子的现世振荡频率与端帽激发频率匹配时可以导致来自离子陷阱的离子的共振喷射。

离子陷阱30或质量过滤器可以具有看起来几乎是纯电容的等效电路。驱动离子陷阱30的电压的幅度可以很高(例如，100V-1500V)，并且可以采用变压器耦合来产生高电压。变压器次级的电感和离子陷阱的电容可以形成并联储能电路。以谐振频率驱动该电路可能是理想的，以避免不必要的损耗和/或电路尺寸的增加。

缓冲气体的提供可以以缓冲气体的加压罐为源(例如图2中的160)。然而，可以使用包括空气、氦气、氢气或其他气体的任何合适的缓冲气体或缓冲气体混合物。在使用空气的情况下，它可以从大气中抽出空气，而不需要加压罐或其他源。

图11A和图11C示出了可被用于执行/控制具有质谱仪100的分析器系统10的各个部件的示例性时序图。在离子注入期间，例如透镜38或48(如果使用的话)之类的聚焦电极开启，以将离子聚焦到质量分析器30。于是驱动RF幅度可以在一段确定的时间(例如约5ms)保持恒定，以使捕获的离子能够向陷阱中心碰撞冷却。驱动RF幅度可以线性地上升，以执行质量不稳定性扫描，并且以m/z递增的顺序朝探测器40喷出离子。在质量不稳定性扫描期间采集数据以产生质谱，并且对流运输可以增强用于检测的信号。最后，可以将驱动RF幅度88d降低到低电压，以清除来自陷阱30的任何剩余离子，并为下次扫描做好准备。正如本领域的技术人员所熟知的那样，许多离子操作策略可被应用于诸如CIT之类的离子陷阱设备。不同的喷出、分离或碰撞离解离子的策略可被应用于离子捕获结构。

可选地，如图11B和/或图11C所示，轴向RF信号可以与RF幅度信号线性上升的开始同步地施加，以便基本上同时选通，以在质量扫描期间执行共振喷出，以改善分辨率和质量范围。

本文的某些附图的流程图和框图示出了根据本发明的质谱仪或其组件和/或程序的可能实现的架构、功能和操作。关于这一点，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些备选实施例中，在框中标记的功能可以不按附图中标记的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可能是基本同时执行的，或者所述框在某些时候会以相反的顺序执行，这取决于所涉及到的功能。

如图10A和图10B所示，质谱仪10可以包括发射器或收发器100t，这允许其使用例如LAN(局域网)、WAN(广域网)、内联网和/或互联网与本地和/或远程处理器和/或服务器进行无线通信。如果检测到环境、工业或其他危险，则质谱仪10可以被配置为产生可听和/或可视警报。当检测到缓冲气体为较低，或者基于消耗性输入的假定使用率/体积，控制器100c也可以或替代地生成本地或远程警报。警报也可以通过互联网、广域网、局域网或内联网自动发送到一个或多个本地或远程站点，以通知潜在的危险。警报可以发送到蜂窝电话、固定电话、电子笔记本、电子笔记本或平板电脑、便携式计算机或其他普及的计算设备。

质谱仪10可以包括能够通过所获得的质谱来识别物质的分析模块和/或电路，或与之连通。分析模块或电路可以在光谱仪装置10上，或者至少部分地远离光谱仪装置10。如果是后一情形，则分析模块或电路可以全部或部分驻留在服务器上。服务器可以使用云计算提供，其包括通过计算机网络按需提供计算资源。资源可以体现为各种基础设施服务(例如计算机，存储等)以及应用程序、数据库、文件服务、电子邮件等。在传统的计算模式中，数据和软件通常完全包含在用户的计算机上；在云计算中，用户的计算机可能包含很少的软件或数据(可能是操作系统和/或网络浏览器)，并且可能仅仅作为发生在外部计算机网络上的进程的显示终端。云计算服务(或多个云资源的聚合)通常可以称为“云”。云存储可以包括联网计算机数据存储的模型，其中数据存储在多个虚拟服务器上，而不是托管在一个或多个专用服务器上。数据传输可以加密，可以通过互联网使用适合所收集的数据的任何适当的防火墙。

图12A是根据一些实施例的可以执行用以分析样品的示例性动作的流程图。来自电喷射离子化装置的离子在环境(即大气)压力下电喷射到空间区域(框200)。在环境(即，大气)压力下将电喷射离子吸入到入口装置中(框210)。离子被传送到约50毫托或更高压力的真空腔室中(框220)，并流入真空腔室中的质量分析器(框230)。使用质量分析器下游(通常与其对准)的至少一个探测器来检测来自离子的信号(方框240)。

在电喷射过程中，可以将电压施加到EST装置，同时向入口装置施加较低的电压(方框202)。

电喷射在入口装置前面进入空气一段距离(方框204)。

从具有用于对所述离子进行电喷射的至少一个电喷射发射器的微流体装置的尖端进行所述电喷射(方框206)。

入口装置可以具有与ESI装置相邻但隔开的多个入口孔(框212)。

入口装置可密封地连接到真空腔室的壁上，并具有距质量分析器的离子入口在约1毫米和约50毫米之间的距离的内部末端部分(方框214)。

当真空腔室在50毫托和100托之间时，离子被直接传送到真空腔室中(方框222)。

质量分析器可以包括微型CIT离子陷阱(框232)。

质量分析器和探测器可以都保持在相同的真空腔室中，所述真空腔室的压力可以在100毫托和10托之间(方框242)。

图12B是根据一些实施例的可以执行以分析样品的示例性动作的另一个流程图。来自流体毛细管电泳装置的离子被直接释放(例如电喷射)到容纳质量分析器的高压真空腔室中(框250)。然后离子流入真空腔室中的质量分析器(框260)。使用质量分析器下游(通常与其对准)的至少一个探测器来检测来自离子的信号(方框270)。

在一些实施例中，高压可以在约50毫托和100托之间(方框255)，并且在典型的实施例中在约100毫托和约10托之间。

可以通过电喷射进行释放，使得该装置的在真空腔室中释放离子的末端处于在质量分析器的离子入口前方约1毫米至约50毫米之间的位置(并且在一些实施例中可以在约1-10毫米之间或约1-20毫米之间)(框257)。

质量分析器可以是微型CIT、CIT阵列、SLIT或SLIT阵列，并且第一端帽电极可以放置在释放离子的装置的离子出口前方约1-50毫米内(框265)。

质量分析器和探测器可以容纳在单个真空腔室中处于相同的高压下，该高压通常在约50毫托和100托之间(方框275)。

图13是示出根据本发明的实施例的系统、方法和计算机程序产品的数据处理系统305的示例性实施例的框图。处理器310通过系统总线348与存储器314通信。处理器310可以是任何市售的或定制的微处理器。处理器310可以是处理器100p。存储器314表示包含用于实现数据处理系统305的功能的软件和数据的存储设备的总体层次结构。存储器314可以包括但不限于以下类型的设备：缓存器、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、SRAM和DRAM。

如图13所示，存储器314可以包括在数据处理系统305中使用的若干类别的软件和数据：操作系统352；应用程序354；辅助输入/输出(I/O)子系统358；ESI-质谱仪控制模块350；以及数据356。模块350可以在质谱仪上，或者s是远程的，或部分在质谱仪上且部分在远程(例如，在一个或多个服务器、本地的或板载的或远程处理器中)。模块350可以与用于ESI至MS入口装置15的DC电压电源125和/或用于ESI装置20的电源120通信。

如本领域技术人员将理解的那样，操作系统352可以是适用于数据处理系统的任何操作系统，诸如来自纽约阿蒙克的国际商业机器公司的OS/2、AIX或OS/390、来自华盛顿雷德蒙州的微软公司的WindowsCE、WindowsNT、Windows95、Windows98、Windows2000或WindowsXP、来自Palm公司的PalmOS、来自批苹果计算机公司的MacOS、UNIX，FreeBSD或Linux、专有操作系统或专用操作系统，例如用于嵌入式数据处理系统。

I/O设备驱动器358通常包括由应用程序354通过操作系统352访问的软件例程，以与诸如I/O数据端口、数据存储器356和某些存储器314组件和/或图像采集系统320之类的设备通信。应用程序354是实现数据处理系统305的各种特征的程序的说明，并且可以包括支持根据本发明实施例的操作的至少一个应用程序。最后，数据356表示应用程序354、操作系统352、I/O设备驱动程序358和可驻留在存储器314中的其他软件程序所使用的静态和动态数据。

虽然本发明例如参照图13中的应用程序的模块350进行说明，但是本领域技术人员将会理解在仍然受益于本发明教导的同时也可以使用其他配置。例如，模块350也可以被合并到操作系统352、I/O设备驱动器358或数据处理系统305的其他这种逻辑部分中。因此，本发明不应解释为局限于图13的配置，其旨在涵盖能够执行本文描述的操作的任何配置。

将参照下面提供的非限制性示例进一步描述本发明的实施例。

示例

使用微型基于CIT的质谱仪，研究了完全小型化的CE-ESI-MS原型系统的可行性，重点研究了包括氨基酸、肽和蛋白质在内的小生物分子。用于生物分子分析的小型CE-ESI-MS系统的一个应用是监测氨基酸，其用于生产生物药物的生物反应器的过程控制。监测氨基酸浓度可用于优化生长条件并监测细胞培养物或生物反应器中的细胞活性。该技术的另一个应用是分析小分子肽，其可用于生物药物的质量保证/质量控制、蛋白质的鉴定和表征、或者更深入地了解细胞功能。因此，选择氨基酸和肽作为目标分析物。

实验

试剂和材料。

从Fisher Scientific(Fairlawn，NJ)获得的HPLC级乙腈和甲酸(99.9％)。使用Nanopure Diamond净水器(Barnstead International，Dubuque，TA)获得纯化的去离子水。从Gelest(Morrisville，PA)获得3-氨基丙基)二异丙基乙氧基硅烷(APDIPES)。从FisherScientific获得用于分析的氨基酸。从American Peptide Company(Sunnyvale，CA)获得的肽缓激肽、蛋氨酸-脑啡肽、胸腺五肽和血管紧张素II。所有实验的背景电解质是50％乙腈、49.9％水和0.1％甲酸(v/v/v，pH＝3.1)。

微芯片设计、制造和运营。

图5A和图5B显示了用于CE-ESI(5A)和输注-ESI(5B)的微芯片设计的示意图。CE-EST装置包含四个储存器、注入交叉、46cm蛇形分离通道、电渗透(EO)泵和ESI孔。储器标签指示样品(S)、背景电解质(BG)、样品废物(SW)和电渗透泵(EO)。输注装置由两个储器(样品(S)，样品加EO泵(S，EO))、5.5cm输注通道和EO泵组成。两个装置的通道尺寸为10微米深和70微米宽。

微芯片ESI装置使用之前详细描述的光刻和湿法刻蚀技术由B-270(Telic Corp.，Valencia，CA)制成。参见J.S：Mellors、V.Gorbounov、R.S：Ramsey和J.M.Ramsey在Anal.Chem.，2008，80，6881-6887以及N.G.Batz、J.S：Mellors、J.P：Alarie和J.M.Ramsey的Anal.Chem.，2014，86，3493-3500.使用LabKote CVD系统(Yield Engineering Systems，Livermore，CA)通过化学气相沉积(CVD)将装置涂覆有APDIPES。ID.然后用20kDa聚乙二醇(PEG)试剂(NanoCS，Boston，MA)将泵浦通道功能化。PEG试剂终止于N-羟基琥珀酰亚胺酯，其与APDIPES表面的伯胺反应，在PEG链和表面涂层之间形成共价键。

CE-ESI和输注设计均通过经由铂丝电极向储器施加电压来操作。通过由五个独立的电压模块组成的定制的HV电源控制施加的电压。三个模块的最大输出为-25kV，另外两个最大输出为+10kV(UltraVolt Inc.，Ronkonkoma，NY)。电源通过SCB-68分线盒和PCI-67138通道模拟卡(National Instruments，Austin，TX)连接到计算机。一个自定义的LabVIEW程序被用来操作电源。对于CE-ESI，施加于S、B、SW和EO储器的电压分别为-14、-14、-12和+6kY。为了进行门控注入，将电压切换到-14、-13、-13和+6kV，达0.5秒。这产生了400V/cm的电场强度，近似流率为165nL/min。对于输注-ESI，S储器的典型电压为+5kY，EO储器的典型电压为+0.5kV。

ESI-MS

微型质谱仪(ESI质谱分析器)实验用定制的大气接口和差分抽真空系统进行。在图1中示出了典型实验设置的示意图。

微型芯片-ESI装置(图5A/5B CE或灌注)安装在定制的x-y-z平台上，并位于距入口毛细管15约5-10毫米处(图1)。单面覆铜电路板(加拿大安大略省伯灵顿市的M.G.Chemicals)被用来为ESI孔口屏蔽施加到储器(未示出)的电压。微流体装置的角通过板上的狭缝延伸约5毫米。对于CE实验，电路板保持在+1kV，对于输注实验，电路板保持在GND。

图5A中所示的用于毛细管电泳的微芯片装置和图5B所示的用于输注的微芯片装置是玻璃微芯片。通道被蚀刻至10μm的深度。储器用圆圈表示，并且指示样品(S)、背景电解液(BG)、样品废液(SW)和电渗透泵(P)。对于一些实验，微芯片具有注入交叉、46cm蛇形分离通道和电渗透泵浦通道。输液装置(5B)具有5.5厘米的通道和一个电渗透泵通道，并且两个储器都装有同样的样品。

在电喷射过程中产生的离子(以喷雾三角形表示)使用定制接口从大气压(760托)进入质谱仪的第一腔室(约1托、环境空气)。首先，离子行进通过施加电压的不锈钢毛细管(2)(0.01英寸内径，来自德克萨斯州休斯顿的Valco Instruments公司)，所述电压典型地在+100和+250V之间。通过Swagelok UltraTorr接头(Swagelok，Inc.，Solon，OH)将毛细管保持在适当的位置。然后通过铜电极(28)加速离子，并用单个“门控”电极(38)将离子聚焦到陷阱(30)中。毛细管的末端和加速电极固定在距离门控电极约3毫米处。离子通常累积5毫秒，再进行分析。然后将它们从阱中扫出并用电子倍增器(Detech 2300，DetectorTechnology，Inc.，Sturbridge，MA)检测。一个典型的质谱平均30到1000次质量扫描。

差分泵浦使质量分析器和探测器保持在各自的压力下。用于检测的电子倍增器在较低压力(＜20毫托)下操作。差压由两组泵提供。对质量分析器室(约1托)使用干式涡旋泵(加州圣塔克拉的安捷伦技术有限公司的SH-110)，对探测器室(约10毫托)使用由安干式涡旋泵(SH-110)支持的安捷伦TPS Bench涡轮分子泵(型号TV81M)。

用Towne Technologies公司(Somerville，NJ)湿法蚀刻的微型CIT电极执行质量分析。CIT的尺寸为r0＝250μm，z0＝325μm，以及孔径为200μm的端帽。每个环形电极包含单个陷阱。通过使用定位销手动对准来装配陷阱。将电极安装到定制板上，电极间具有125μm聚酰业胺间隔物。通过Rohde和Schwarz SMB 100A信号发生器来施加驱动器RF波形，并使用迷你电路TVA-R5-13前置放大器和AR305功率放大器对齐进行放大。该信号利用储能电路进行谐振，并且施加的频率范围从7到12兆赫。定制的LabVIEW软件被设计用于监控、控制和收集数据。国家仪器PXIe-1073数据采集机箱被用于连接电子设备和LabVIEW软件。

为了与CE分离检测进行比较，使用突触(Synapt)G2四极杆-离子迁移飞行时间质谱仪(Waters Corporation，Milford，MA)。Sypnapt G2以90ms归纳一次的速率进行操作，每次扫描的间隔时间延迟为24ms(约10Hz)。质量范围设定为300至1600m/z。MassLynx软件被用于收集数据，并由用于控制施加到微芯片的电压的定制LabVIEW程序触发。

大气接口开发

为质谱仪开发的接口与传统的ESI-MS接口相比有几个优点。质谱仪将大气接口的复杂性降至最低。传统的ESI-MS接口由大气入口、多个差压区域、以及复杂的离子光学器件构成，这是由于质量分析器的低压操作所要求的。由于质谱仪在接近1托的压力下操作，因此使用的接口通过毛细管入口直接将离子从大气直接引入质量分析器室。使用简单的配件来保持毛细管，所以入口可容易地拆卸以便清理。最后，由于离子源到质量分析器的距离较短，所以需要最小化的光学元件来最大化离子传输。

选择了20种常见氨基酸作为用于开发微芯片到MS接口的模型分析物。灌注-ESI微芯片被用于该接口的开发，因此存在恒定的离子源。在图14中示出了使用大气接口和差异化腔室设置收集的四种氨基酸(精氨酸，组氨酸，谷氨酸和脯氨酸)的代表性输注-ESI-MS谱图。以10.2MHz的驱动频率，以环境空气作为缓冲气体，在1.2托的压力下执行质量分析。每个谱是1000个单独的质谱扫描的平均。每个氨基酸的(M+H)+峰被清楚地检测到，这为识别这些物种提供了足够的信息。在组氨酸和谷氨酸的情况下，也观察到一些分裂。ESI是一种软离子化技术，但是在高压下的操作会导致离子缓冲气体碰撞的增加，这可能会传递诱发分裂所需的能量。这些分裂模式可能有助于鉴定化学物种，包括等压线的分化。二十种常见氨基酸的检测表明了能够检测大小、极性和碱度在较大范围内变化的不同的各种分析物。

也证实了利用高质量分析物的质量分析。图15示出了小肽，胸腺五肽(RKDVY，M+H)+m/z＝681)，的输注-ESI-MS谱。质量分析在下述条件下进行：7.1MHz的RF驱动频率，以环境空气作为缓冲气体，以及在1.3托的压力下。对胸腺五肽的捕获和分析表明，mini-CIT的质量范围可以扩展到至少681m/z。最大的峰是双质子化的物种，(M+2H)2+。在酸性实验条件下，由于胸腺五肽中存在两个碱性残基(R和K)，所以这是预期的。另外，胸腺五肽的信噪比(S/N)显著大于针对氨基酸观察到的S/N。与肽相比，针对氨基酸观察到的较小的S/N可能是由于在进入陷阱之前的散射导致对小分子的较低效率的捕获。尽管分析物的信噪比存在差异，但这种简单的入口接口是将离子从大气压引入真空的有效方法。

肽的CE-ESI-MS

在展示了大气接口的可行性之后，将微型CIT系统作为用于CE分离的探测器进行评估，并与商业系统Waters Synapt G2进行比较。图16示出了用mini-CIT系统和Synapt G2检测到的标准肽混合物(甲硫氨酸脑啡肽、血管紧张素II、缓激肽和胸腺五肽)的基本峰强度(BPI)电泳图。将荧光素作为死时间标记加入到混合物中。由于场强略有不同，迁移时间不同。

分离场强度为400V/cm，流率约为165nL/min。在0.5秒的门控注入期间注入约7fmol的肽混合物。mini-CIT(r0＝250μm)在1.2托下以7.1MHz的RF驱动频率操作。对四种肽和荧光素进行分离和检测。针对这些分离计算出的分离效率为：对于mini-CIT，约445，000个理论板；对于Synapt G2，为490，000个理论板。两种质谱仪都能够检测出这些快速且高效的分离，其中由于质谱采样率的差异导致计算效率存在差异。Synapt G2约以10Hz的速率收集谱，而mini-CIT约以3Hz的速率收集谱。CIT受限于积聚、分析和清除来自陷阱的离子所需的时间。随着灵敏度的提高，积累时间可能会缩短，采样率也会增加。证明了用mini-CIT不容易检测到荧光素，但是可以容易地用另一种死时间标记来代替。在CE分离后对这些肽进行的检测表明：在高压下操作的基于微型CIT的质谱仪可以产生与商用仪器相当的结果。Synapt G2示出略好的S/N，但是这个简单的比较证明了使用mini-CIT作为用于生物分子分离的探测器的质谱仪的可行性。

对于像这些肽这样的混合物，mini-CIT系统为诸如Synapt G2这样的大型商用仪器提供了一种简单而廉价的替代方案。微型MS系统可以提供用于无标记检测和化学物质鉴定的有用质谱信息。图17针对两种MS系统显示了CE分离期间获得的缓激肽的样品质谱图。在两个谱中可以观察到一些类似的特征，最显着的是在531m/z处的(M+2H)2+峰。最明显的区别是观察到的峰宽(利用质谱仪观察到的峰宽是12.0m/z；利用Synapt G2观察到的峰宽是0.026m/z)由于高压操作和以空气作为缓冲气体，预期mini-CIT系统会有更宽的峰值。通过将操作驱动频率增加到14.4MHz并且在较低的缓冲气压下操作，峰宽显著改善(＜5.0m/z)。尽管峰宽增加了，对于许多化学物质的识别，质谱结合CE迁移时间提供了足够的信息，特别是对于目标是检测已知的目标分析物的应用而言。图18是说明Synapt G2和mini-CIT/ES系统的MS采样率的图(时间对归一化的BPI，任意单位)。

图19A-19C分别是氨基酸、氨基酸混合物和肽的输注-ESI质谱测量的图。图19A还示出了来自氨基酸(组氨酸)的质量库的数据以供比较。

图20是利用操作参数示出了高压离子陷阱理论的图。重要的是，离子陷阱质谱仪的分辨能力与射频驱动频率除以操作压力P的商成正比。因此，当P增加时，通过相应地增加，分辨率可以恢复。图20还示出了离子喷射所需的的幅度与陷阱尺寸r0和z0成反比。图21是以归一化强度(A.U.)示出在使用不同RF频率和r0尺寸时的质谱分辨率的实验结果的图表。分辨率根据图20所示的离子陷阱理论而改变。

总之，微芯片电喷射离子化源可以成功地耦合到高压质谱仪，并且可以使用金属(例如不锈钢)毛细管的环境压力(例如大气压)入口和DC离子控制将离子导入质谱仪。氨基酸和肽的输注的执行和检测是利用基于微型圆柱形离子陷阱(微型CIT)的质谱仪进行的，其操作在≥1托的压力下，以空气作为缓冲气体。胸腺五肽的检测表明mini-CIT探测器的质量范围可以扩展到至少681m/z。使用如上所述的系统也已经观察到小蛋白质，例如分别具有约12kDa和17kDa的质量的细胞色素C和肌红蛋白。

还进行了微芯片毛细管电泳(CE)分离以及mini-CIT检测，并将结果与使用商用仪器(Waters Synapt G2)的检测进行比较。两种质谱仪均可观察到可比的分离效率。两个系统中的质谱的比较揭示了类似的特征，但在mini-CIT中的峰宽度(示出为12m/z，但已被改善到＜5m/z)比在Synapt G2中的峰宽度(0.026m)宽(如预期的一样，这是由于高压操作造成的)。

前述是对示例实施例的说明，且不应被解释为对其的限制。尽管描述了一些示例性实施例，然而本领域技术人员应该容易理解，在不实质上脱离本公开的新颖教义和优点的前提下，可以在示例性实施例中进行多种修改。因此，所有这种修改旨在被包括在如在权利要求中限定的本发明的范围内。本发明由所附权利要求限定，其中包括权利要求的等同物。

Claims (32)

1.一种电喷射离子化(ESI)质谱仪分析系统，包括：

ESI装置，具有至少一个发射器，所述发射器配置为电喷射离子；以及

与所述ESI装置的所述至少一个发射器流体连通的质谱仪，包括：

保持在真空腔室中的质量分析器，其中所述真空腔室配置为在操作期间具有约50毫托或以上的高压；以及

探测器，与具有所述质量分析器的真空腔室中的所述质量分析器连通，

其中在操作期间，所述ESI装置配置为：

(a)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、大气压下的空间区域中，所述空间区域与附接至所述真空腔室的入口装置相邻，其中所述入口装置吸入在具有所述质量分析器的真空腔室外部的电喷射离子，并且将所述离子释放到具有所述质量分析器的真空腔室中；或者

(b)将离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述探测器与所述真空腔室中的质量分析器间隔开且距离在约1毫米至约10毫米之间，并且其中具有所述探测器和所述质量分析器的所述真空腔室中的高压在50毫托和100毫托之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述ESI装置配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的空间区域中，其中所述ESI装置定位于具有所述质量分析器的真空腔室的外部，其中所述入口装置与所述ESI装置间隔开，并且其中所述入口装置的末端部分定位于具有所述质量分析器的真空腔室的内部，且与所述质量分析器的离子入口间隔开且距离在1-50毫米之间。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述入口装置是具有至少一个入口孔的管状，所述至少一个入口孔与延伸穿过其的至少一个纵向延伸通道流体连通，并且其中所述系统包括到在具有所述质量分析器的真空腔室外部的入口装置的直流电压输入。

5.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中所述ESI装置配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的空间区域中，其中所述入口装置包括至少一个入口孔并且具有与所述ESI装置间隔开的外部末端，并且其中所述入口装置是平面的且导电的，并且厚度在约0.100毫米和约5毫米之间。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括：隔间，所述隔间将所述ESI装置保持在与所述入口装置对准的方向，其中所述隔间包括缓冲气体入口，使得在操作期间，将缓冲气体引入到所述隔间，然后经由所述入口装置传输到具有所述质量分析器的真空腔室中。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述ESI装置配置为将离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中，并且其中所述ESI装置被附接到所述真空腔室的壁，使得所述至少一个发射器在所述真空腔室的内部，而所述ESI装置的一个或多个容器在所述真空腔室的外部。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个发射器与所述质量分析器的入口孔间隔开且距离在1-50毫米之间。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中所述ESI装置包括具有所述至少一个发射器的流体微芯片，并且其中所述至少一个发射器定位于具有所述质量分析器的真空腔室中并且与所述质量分析器的入口孔间隔开且距离在约1-50毫米之间。

10.根据权利要求7所述的系统，其中在操作期间，所述真空腔室的壁被保持在接地电势。

11.根据权利要求9所述的系统，其中仅所述流体微芯片的一部分被定位在具有所述质量分析器的真空腔室中。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述ESI装置配置为将离子电喷射到位于所述真空腔室外部的空间区域中，其中所述入口装置配置为以下中的至少一个：(i)内部末端定位在所述真空腔室中的电极的孔内；或者(ii)所述至少一个发射器定位为与所述入口装置的在所述真空腔室外部的末端间隔开且距离在约1-10毫米之间。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述ESI装置配置为将离子电喷射到所述真空腔室外部的空间区域中，所述系统还包括在所述真空腔室外部的位置处连接到所述入口装置的直流(DC)电源。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的系统，还包括：电源，配置为在操作期间将电动输入施加到所述ESI装置；以及与具有所述质量分析器的真空腔室连通的真空泵。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述质量分析器包括离子陷阱，所述离子陷阱包括注入器端帽电极、环形电极和喷出器端帽电极，并且其中在操作期间具有所述质量分析器的真空腔室的高压在100毫托和100托之间。

16.根据权利要求2所述的系统，其中所述入口装置具有带有至少一个入口孔的外部圆锥形尖端。

17.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个发射器与所述质量分析器的入口孔间隔开且距离在1-10毫米之间。

18.根据权利要求1所述的系统，还包括：在具有所述质量分析器的真空腔室中的管或离子漏斗电极组件。

19.根据权利要求1所述的系统，其中所述质量分析器是离子陷阱质量分析器，所述离子陷阱质量分析器是：

(a)圆柱形离子陷阱(CIT)，其维度尺寸r0或z0中的至少一个小于约1毫米；或者

(b)拉伸长度离子陷阱(SLIT)，其具有带孔的沿着纵向方向延伸的中心电极，并且所述中心电极在与所述纵向方向垂直的横向平面中围绕所述孔以限定用于捕获带电粒子的横向腔体，所述中心电极中的所述孔在横向平面中延长，所述孔的主维度尺寸与次维度尺寸之比大于1.5。

20.根据权利要求1所述的系统，其中所述质量分析器是维度尺寸r0在约500μm至约100μm之间的圆柱形离子陷阱(CIT)，并且其中所述真空腔室中的高压在100毫托至100托之间。

21.根据权利要求1所述的系统，还包括：在具有所述质量分析器的真空腔室中的聚焦电极。

22.一种电喷射离子化(ESI)质谱仪分析系统，包括：

ESI装置，具有至少一个发射器，所述发射器配置为电喷射离子；以及

与所述ESI装置的所述至少一个发射器流体连通的质谱仪，包括：

保持在真空腔室中的质量分析器，其中所述真空腔室配置为在操作期间具有约50毫托或以上的高压；以及

与所述质量分析器连通的探测器，

其中在操作期间，所述ESI装置配置为：

(a)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、大气压下的空间区域中，所述空间区域与附接至所述真空腔室的入口装置相邻，其中所述入口装置吸入在具有所述质量分析器的真空腔室外部的电喷射离子，并且将所述离子释放到具有所述质量分析器的真空腔室中；或者

(b)将离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中。

23.根据权利要求22所述的系统，其与权利要求2-21中任一项相结合。

24.一种分析样品的方法，包括：

通过以下步骤将样品离子引入装有质量分析器的真空腔室中：

(a)将离子从电喷射离子化(ESI)装置直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中，其中所述质量分析器中的气压在50毫托和100托之间；或者

(b)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、大气压下的空间区域中，所述空间区域和入口装置相邻，所述入口装置与所述ESI装置相间隔，然后将所述离子通过所述入口装置输运到保持所述质量分析器的真空腔室中，其中所述质量分析器中的气压在50毫托和100托之间；

将所述离子捕获在所述质量分析器中；

选择性地从所述质量分析器中喷出所述离子；

使用也在所述真空腔室中的至少一个探测器来检测与所喷出的离子相对应的电信号；以及

基于检测到的电信号生成数据以确定与所述样品有关的信息。

25.根据权利要求24所述的方法，其中从具有用于电喷射离子的至少一个电喷射发射器的微流体装置的尖端进行所述电喷射。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述入口装置附接到所述真空腔室的壁并且具有内部末端，所述内部末端位于所述真空腔室内并且距离所述质量分析器的入口孔约1毫米到约50毫米之间。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述质量分析器是微型圆柱形离子陷阱(CIT)，并且其中所述质量分析器和探测器都保持在所述真空腔室中。

28.根据权利要求24所述的方法，其中至少在电喷射期间，所述真空腔室的壁保持在接地电势。

29.根据权利要求25所述的方法，其中所述微流体装置是微流体芯片，所述微流体芯片部分地延伸到所述真空腔室中以将所述微流体芯片的至少一个发射器定位在相距所述质量分析器的入口孔1-50毫米之间的距离处。

30.根据权利要求24所述的方法，其中使用入口装置进行所述电喷射，所述入口装置的一个末端延伸进入所述真空腔室一定距离进入聚焦电极或聚焦电极组件的孔，并且其中在所述捕获步骤之前，通过所述聚焦电极或所述聚焦电极组件将所述离子从所述入口装置的所述末端向所述质量分析器导出。

31.一种分析样品的方法，包括：

通过以下步骤将样品离子引入装有质量分析器的真空腔室中：

(a)将来自电喷射离子化(ESI)装置的离子直接电喷射到具有所述质量分析器的真空腔室中，其中所述质量分析器中的气压在50毫托和100托之间；或者

(b)将离子电喷射到所述真空腔室外部的、大气压下的空间区域中，所述空间区域和入口装置相邻，所述入口装置与所述ESI装置相间隔，然后将所述离子通过所述入口装置输运到保持所述质量分析器的真空腔室中，其中所述质量分析器中的气压在50毫托和100托之间；

将所述离子捕获在所述质量分析器中；

选择性地从所述质量分析器中喷出所述离子；

使用至少一个探测器来检测与所喷射的离子相对应的电信号；以及

基于检测到的电信号生成数据以确定与所述样品有关的信息。

32.根据权利要求31所述的方法，其与权利要求25-30中任一项相结合。