CN107706082B - 用于质谱仪的限流离子引入接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质谱仪的离子引入口结构，特别涉及一种具有短管结构的限制气流性质谱仪离子引入口结构。该结构位于从位于上游较高气压环境的离子源及位于下游较低气压的离子传输电极系统区之间，至少包括一个具有较小直径的气流约束管和位于其下游的具有较大直径的离子去溶剂管。与传统的等内径毛细管形离子传输接口相比，其在等气流限制条件下具有更佳的离子传输效率，同时减少其低质量歧视。此外，对于长期运行较脏的实际样品或弱前处理样品时，气流约束管可以被廉价及快速的替换，增加了使用该离子引入口结构质谱仪的鲁棒性及运行效率。

Description

用于质谱仪的限流离子引入接口装置

技术领域

本发明属于离子接口装置领域，涉及低气体负载的质谱仪离子引入口及相关操作方法。其典型目的是为提高小口径离子引入口的离子引入效率并提高运行复杂易污染样品时的质谱系统可靠性。

背景技术

质谱仪的大气压接口对于质谱在实际分析中的快速检测与应用便利具有很大意义，然而对于小型质谱系统，装置较大抽速的粗真空及高真空泵会明显增加质谱系统的体积与成本，限制其应用。目前，普通商业的标准尺寸质谱仪通常使用8～12L/s的前级泵和两级以上40L/s及以上抽速的分子泵形成差分系统，为了在末级质量分析器真空腔能够达到10-3帕级的背景气体压力并做到有效气体传输，通常会在质量分析器前形成两级或以上的前级真空差分级离子导引装置，其前两级气压一般设定值在100-1000帕及0.1-10帕附近。

其中，具有较高压力的100-1000帕的前级真空级是直接连接大气压接口的，由于此级真空距离大气压还有2-3个数量级的气压差异，通常在这一级所能采用的接口尺寸为小于1毫米的小孔或毛细管结构。作为典型值，8-12L/s的前级泵往往对应于0.5mm左右的采样孔或0.75mm左右的长度为100mm左右的毛细管内径。为了能采用较小的廉价真空系统装置，以液质系统为代表的大气压接口质谱系统需要通过限制入口流导来配合真空系统的缩减。为解决此问题，以往的质谱系统多采用了A：多级差分限流装置，例如在美国专利申请US20150214021所采用Z形离子传导结构，其中采用了两个采样锥结构(通称Skimmer)，通过两级离轴采样锥的流导串联形成有效的气流限制，与之类似的，在US4977320中采用毛细管和采样锥串联的结构利用加热毛细管先行将引入气流约束，同时可以利用加热毛细管的去溶剂化扩增有效的离子响应，然后再通过同轴采样锥来选出与背景气体相比质量数更大的样品离子，而将背景气体通过其在毛细管口后的马赫面扩散予以相对排除，同时采样锥的开口结构可以避免高压气体进入低压环境的侧向扩散所导致的撞壁损失。此外，也可以采用B方案：即直接采用具有较小限流孔的流路接口来获得超低的引入口流导，这种方案有时也包括将细小的毛细管和/或采样锥直接构建在同一离子因入口器件上，例如在US5304798中Millipore公司设计了一种较粗的前置毛细管结合后置的小孔径结构限流，试图利用管口的缩进形成对样品气流的收束效益来富集离子。也有如US5298744日立公司所采用的方案，将较长的毛细管结构钻取或焊接在采样锥上，试图将毛细管的限制气流优势和采样锥的抑制扩散损失效益结合。此外还有Waters公司运用于TQ至Qda质谱检测器的设计方案，以采样锥小孔(US5756994)或平板小孔(US8987663或WO2015040387)来形成气流约束，在配合低抽速小泵的设计中，约束小孔的典型尺寸小于0.2mm，这使得采用小孔很容易在分析“脏”或高盐样品时发生堵塞。为此，在上述专利方案中，还设计了小孔膜片可替换的设计方案。Waters公司还设计了在小孔前安装一段加热管的设计，通过具有一定长度的前置管使得污染物在小孔前得到部分遮蔽，减少小孔径膜片的堵塞概率，以US20030062474中的设计为代表。

除此之外也有采用C方案即动态变化接口尺寸的方式来限制流导，在离子质量分析器工作时才引入带电物种气流的分析方法，这种方案最早为清华大学Ouyang Z等人提出并用于小型便携质谱设计，其结构包括一个可夹闭的橡胶管，仅在后级质量分析器引入离子时打开，在日立公司的专利US92811169中对此方案加以发展，用角形插板阀取代橡胶管，并在其后设计加热和辅助电离装置来对离子进行去溶剂化操作。在US9305759中则是另一方案，该装置不是包括时变尺寸的气体引入口，而是包括一个两分叉的离子引入口，两个通路具有不同的管径长度与尺寸，当装置连入液相色谱时采用细长毛细管来引入电离化的样品，当连入气相色谱时，通过将毛细管分为两截并引入其间的放电电压在毛细管后电离气态样品，再通过一较短的管路引入真空腔第一差分。

然而以上方法都存在一定限制。当采用A：多级差分限流装置时，由于实际初级泵装置抽速并未扩大，在多级差分结构中间级压力需设置在大气压及第一差分离子导引腔之间，其气压需高于第一差分腔室的3～30倍。本质上，在高于3000帕斯卡的气压下，目前难以找到有效的离子聚焦限流装置，多级采样孔锥或毛细管与采样孔锥配合本质只是截取中轴气流，而气流在经历真空级后自然发生的径向扩散会导致每一差分限流级时的比例损失，尤其是对于低质量的已去溶剂化的离子物种，其扩散系数较大，采用B：小孔限流时幢壁损失比较严重，出现所谓低质量歧视现象甚至是被完全截止通过，例如，当采用内径为0.25mm或以下，长度为100mm或以上的加热毛细管来传输离子时，质量数250以下的样品几乎不能被后级质量分析器检测到。采用管-锥复合结构时，若毛细管前置，后级采样锥处则由于气体直接超音速膨胀成冷却气流，无法进行加热去溶剂化，若毛细管后置，则已形成的低质量离子容易存在管内撞壁损失，所以通常采用后置孔或锥的形式进行小孔的限流，但此时难以在后级去溶剂化，需要在前端毛细管加热来去除离子。在这种采用单级微小限流孔/管时，小孔径造成的采样损失成为灵敏度限制的主要因素，若采用薄壁孔限流，1/4传统液质系统真空接口的入口径已必须小于0.15mm，若分析较脏的前处理不充分样品或高盐基质样品时，真空接口很容易堵塞而无法使用，单一小孔无去溶剂化效果，若采用气帘方式，所消耗的干燥气流量较大，而采用毛细管节流时，细长毛细管的加热内壁也容易使样品出现径向扩散造成的撞壁损失。对于使用小孔结构时造成的堵塞问题，使其成为耗材件可以部分解决，但是小孔膜片中用于离子通过的孔需要单独精密加工，若运行大批样品，耗材成本也会较为可观。

而采用C方案即动态尺寸接口时，这样的气流接口实际工作在非稳态，其系统难以达到传输流的稳定，影响质谱系统定量特性，并增加系统复杂度，此外阀门和管体的疲劳损坏会限制系统的鲁棒性。另外，脉冲引入方式对工作在脉冲时序下的质量分析器如飞行时间，离子阱，静电离子阱等传输率可以发挥优势，然而，对于最广泛应用于质谱定量分析的四极杆以及磁扇质谱等，由于这两类质谱仪都是连续工作的，脉冲引入样品等于以脉冲的占空比损耗仪器的灵敏度及分析重复性。而采用分叉管路进行选通离子分析时。两束管路所引入的气流会在T型连通器上互相干扰，引入包括流型扰动和互离子化的问题。

因此，为了解决在质谱接口中，小口径的质谱引入接口上述缺点，有必要设计一种新型的稳定离子引入接口，提供低成本并鲁棒的解决方案。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是发展一种具备低气体引入流导并减少采样损失的质谱引入接口，以上在先技术中，小口径的质谱引入接口可以有效减少质谱系统的真空系统成本，然而小口径的引入会导致严重的采样损失，以及在此基础上进一步的接口内壁撞壁损失。尤其是对于采用加热毛细管的离子接口质谱系统。由于不同物质的质量与扩散系数差异，其传输率优值条件会依据样品质量发生差异，并出现所谓低质量歧视的效益。为克服此问题，有必要对加热毛细管传输结构参数进行优化设计，减少径向扩散造成的撞壁损失并解决高扩散系数的低质量离子的传输损失。即使是采用后级采样锥的多级方案，对已经损失的离子其实也是不能找回的。

针对以上在先技术中所存在的问题，发明人认为其主要问题来自于加热去溶剂化过程的高温要求与随之带来的高温径向扩散所造成的矛盾。发明人比较了不同内径的毛细管接口传输离子的情况。当采用加热毛细管全长同一内径的情况下，当毛细管内径小于等于0.3mm时，对于较低质量数如127Th的三聚氰胺分子离子，其传输绝对强度将降至0.5mm内径的1/30以下，而同等情况对于质量数为609Th的利血平离子，其传输绝对强度仅下降到0.5mm内径的1/6左右，对于更小内径或是更长的加热毛细管接口，例如0.25mmx200mm的毛细管，对于250Th以下的离子几乎完全无法通过。

然而，发明人在实验优化中发现，当为达成相等气体流导约束条件同时下降限流毛细管孔径和长度时，对低质量离子的传输效率会有所恢复。然而这一条件并不是单向发展的，但毛细管长度小于4mm时或被薄壁孔结构所代替时，离子的传输能力反而下降，实验结果展示其是由于过短的毛细管不能有效去溶剂化所导致。为解决此问题，发明人经过研究发现在加热限流毛细管后采用扩大内径的加热毛细管，可以对这些尚未去溶剂化的带电物种进行去溶剂化，提高其传输效率。

具体方案为，采用直接相连的具有较小直径的气流约束管和位于其下游的具有较大直径的离子去溶剂管作为小型质谱系统的离子引入口，其特征在于下游的离子去溶剂管内径至少为上游气流约束管的3倍，且在相同两端气压条件下，上游气流约束管的气体流导至少为下游离子去溶剂管的1/10以下。为达到对通过气流约束管样品气束的有效限流，气流约束管部分长度与最大内径比例大于等于10：1，下游离子去溶剂管附加有加热装置，其可用加热温度为50至1000摄氏度。

进一步的，上游气流约束管也可附加加热系统，用于改善其内部的离子去溶剂化并进一步限制其气体流导。通过下游离子去溶剂管的内径扩张，从气流约束管离开的带电样品气流可避免其中已去溶剂化的分子离子由于径向扩散所带来的撞壁损失。当去溶剂管的内径为上游气流约束管内径的3倍及以上时，对于100Th以上的带电离子物种，以空气为载流气时，10mm内离子物种不会扩散到管壁上。而加热管壁的去溶剂化效果仍可通过具有更小平均分子量的空气通过分子-分子碰撞传递给中轴的样品流。从而起到改善离子物种通过效率的目的。

作为对气流约束管尺寸的优选，其内径为0.10-0.25mm；

作为对气流约束管长度的优选，其长度为4-30mm；

作为对离子去溶剂管的尺寸的优选，其内径为0.5-4mm；

作为对离子去溶剂管的长度的优选，其长度为40-90mm；

特别的，对于下游直接连接工作气压为100-700Pa的离子导引的所述离子接口，作为对气流约束管的优选，其内径为0.15-0.25mm，其内径与长度的比例为1:20-1:150.作为对离子去溶剂管的优选，其内径为0.75-1.1mm，其内径与长度比例为1:50-1:70，作为对离子去溶剂管温度的优选，其温度为150-400摄氏度。

当气流约束管进一步通过管体加热限制流导时，其优选加热温度为250-550摄氏度。

在一个优选实施例中，通过上述范围内的优选参数值，0.15mmx10mm限流管配合0.9mmx75mm离子去溶剂化管可以达到标准0.5mmx84mm离子引入管约1/10的离子传输率，而等流导的0.25x84mm对127Th离子的传输率仅为标准管的1/60。

在一个优选实施例中，所述气流约束管和离子去溶剂管为相同外径的不锈钢毛细管制成，此结构可以在同一个毛细管上被加工出以简化器件结构。

在一个优选实施例中，所述气流约束管和离子去溶剂管通过螺纹紧固的锥形轴套封接形成真空密封的可拆卸连接。其中气流约束管可抛弃作为耗材，当污染时随时低成本更换。

在一个优选实施例中，所述气流约束管和离子去溶剂管通过薄壁的延伸密封壁连接，用以降低连接两器件并密封的弹性密封圈温度。

在一个优选实施例中，所述离子去溶剂管的侧壁有小孔，用以引入气流鞘以进一步压缩中轴离子样品气流。

在一个优选实施例中，通过所述小孔引入可挥发标准品的蒸汽，与中轴离子样品气流一并引入作为质谱调谐的外标或内标。

在一个优选实施例中，用气体对所述气流约束管加热时，其工作气流约束管前端工作温度范围从高于20摄氏度至550摄氏度。

如上所述，本发明的用于质谱仪的限流离子引入接口装置，有益技术效果包括：与传统的等内径毛细管形离子传输接口相比，其在等气流限制条件下具有更佳的离子传输效率，同时减少其低质量歧视。此外，对于长期运行较脏的实际样品或弱前处理样品时，气流约束管可以被廉价及快速的替换，增加了使用该离子引入口结构质谱仪的鲁棒性及运行效率。

附图说明

图1为本发明离子接口装置的基本实施方案的结构示意图。

图2为本发明离子接口装置安装于质谱仪及真空泵装置的结构图。

图3展示了具有不同尺寸的气流约束管对前级腔107的真空度影响。

图4a-4c为显示不同尺寸毛细管接口的传输离子-温度效率图。其中，图4a是0.5mm内径84mm长度毛细管的结果，图4b是0.25mm内径84mm长度毛细管的结果，图4c是0.15mm内径10mm气流约束毛细管复合0.9mm内径75mm长度去溶剂化毛细管的结果。

图5显示为离子在不同尺寸的传统毛细管及本发明的复合毛细管中的传输扩散示意图，为图示清晰，长度与宽度不成比例。

图6a-6e展示了对离子去溶剂管102的尺寸优选情况，以及三种不同样品(三聚氰胺127Th，久效磺胺311Th，利血平609Th)的离子强度-温度响应曲线。

图7a-7b展示了将去溶剂管102的长度与内径同时缩小时三种不同样品(三聚氰胺127Th，久效磺胺311Th，利血平609Th)的离子强度-温度响应曲线。

图8a展示了可替换气流约束管的锥形卡套真空密接结构的部件结构图。

图8b展示了可替换气流约束管的薄型法兰盘真空密接结构的部件结构图。

图9展示了不同结构气流约束管101下的最适合加热温度与其结构尺寸的关系，以及不同不同结构气流约束管下三种不同样品(三聚氰胺127Th，久效磺胺311Th，利血平609Th)的离子强度响应。

图10a展示了通过侧壁微孔向去溶剂管102管壁引入鞘层保护气的方案。

图10b展示了通过侧壁包裹的半透膜管向去溶剂管102管壁引入校准样品的方案。

图11展示了采用0.15mmx10mm的毛细限流管串联75mm长0.9mm的脱溶剂管在配合加热温度高达550度的加热增强电喷雾源的离子增强效果，而不出现除溶剂离子峰外的样品离子峰的信号歧视。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图11。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明的一种典型实施方案，该装置由具有较小内径的气流约束管101与具有较大内径的离子去溶剂化管102直接串联形成，在离子去溶剂化管102上绑定有Pt100型号的铂电阻103，用于测量其温度，去溶剂化管两端采用1～48V的交流电压电源104进行焦耳加热。铂电阻与加热电压通过一温控仪105控制并设定一个确定的加热温度。

为对小型质谱装置形成有效的气体约束，在本发明中我们将此离子接口装置连接于一个质谱系统上，如图2所示，该质谱系统装置的前级腔107由一旋片真空泵106抽取。当真空泵106等效为对空气抽速2升/秒时，图3展示了具有不同尺寸的气流约束管对前级腔107的真空度影响。

从图3中可见，当气流约束管101的内径在0.1至0.25mm范围内，选择管101的合适长度可以使所述前级腔体107的压力落在100-1000帕的工作压力范围。特别的，对于采用四极杆或其变形系统108作为腔体107中的离子导引装置时，其合适的工作压力范围为160-370帕左右，图中用圈形指出了在这一气压范围内对气流约束管的优选尺寸，其一般合适内径为0.15-0.25mm，而合适的长度则对应为6至30mm，当采用最小的0.10mm内径时，采用4mm的长度也是允许的。从可允许的内径与长度的比例来看，其比例范围为1:24-1:150.当用所层叠电极导引来取代四极杆来约束离子时，可以使用更大的工作压力范围，从而进一步扩展约束管的口径限制。例如使用所谓偶极离子通道技术时，可将前级腔体107的工作气压范围扩展到680帕，此时约束管101的理论内径上限为0.3mm，即对应于内径长度比为1:20的下限。

为展示该种结构对不同质荷比离子的传输效率优势，图4a-4c展示了不同尺寸毛细管接口的传输离子-温度效率图。通常主流的液相质谱联用仪采用约8L/s的机械泵作为粗真空级，当前级气压为240Pa时，0.5mmx84mm的毛细管接口具有较好的离子传输率，尤其是其工作在250-300度的最优去溶剂化温度情况下。为将前级机械泵抽速降低至1.4L/s，当采用内径下降至0.25mm的毛细管接口时，其后级真空腔工作气压仍为240Pa，此时对于609Th的利血平离子，其最优传输温度下降至150度，而对更低质量的311Th和127Th离子，其传输温度优值则下降至100度，出现了传输温度的歧视，尤其对于质量较低的127Th离子，其与609Th的信号比例从原有原始尺寸设备的1/10下降到1/51，出现了严重的质量歧视，当工作在300度时，127Th的离子信号甚至完全截止消失。

在试验研究中，我们采用0.15mmx10mm的毛细管替换0.25mmx84mm毛细管作为质谱接口，其后级真空腔的工作气压仍为240Pa，说明两者具有相同的气体流导，图4c展示了这种组合毛细管接口的离子传输特性。可以看到，与标准毛细管接口类似，对于三种不同质量的混合样品离子(三聚氰胺，久效磺胺，利血平)，随着去溶剂化温度的升高，三种离子与在标准接口中相同，呈现出随温度升高而同步上升的离子信号趋势。对于质量较低的三聚氰胺127Th离子，其与利血平离子609Th的信号比例在优值时回升至1/16，相比较绝对信号强度，609Th与127Th的离子信号也有50％～5倍不等的提高。以上结果说明了在等流导即等引入流量，等真空负载的情况下，采用阶梯内径的结构有助于减少离子的传输损失。

为揭示这种离子信号改善的原因，我们在图5中展示了不同质量离子在不同结构的接口毛细管中的传输-扩散情况示意图，可以看到，在通常的大口径毛细管接口中，由于管内径较大，离子一般在毛细管末端平均扩散半径才达到管内径。而缩减了毛细管内径后，离子在管中间就会扩散到管内壁附近造成撞壁损失，当采用阶梯状内径结构后，对于已加热去溶剂的物种，在径向留出了扩散的空间，因此其在去溶剂化管内的传输撞壁损失被明显克服，产生了图4显示的离子传输提升，尤其是对低质量，高扩散系数的小离子的明显传输改善。作为去溶剂管102尺寸的上限，管径应与其尾端超音速膨胀所形成的马赫面尺寸相当，即在4毫米左右。在这种情况下，尾端离子在超音速膨胀时可完全避免撞壁损失。但是，含有离子的高速气体与去溶剂管内壁除了碰撞外也会带来脱溶剂化等对信号有利的影响，因此有必要对具体尺寸加以优化。

图6a-6e展示了对离子去溶剂管102的尺寸优选情况，可以看到，当其内径在0.5至1.3mm范围内，对于不同种类的离子均可以达成一定的离子通过率，而不出现如前述等内径细毛细管出现低质量数如127Th的离子完全被截止的现象。然而，图中也展示了过大或过小的去溶剂化管所带来的限制，例如采用0.5mm的去溶剂管时，在温度为120度以上就出现了质量歧视及离子随加热出现撞壁扩散损失的现象。对于1.3mm的管路，离子信号在其工作温度低于100度时出现平台区，说明此时管壁对传输离子及带电液滴的加热不足，离子在离开全器件前还未有效扩散到加热管内壁附近，需要使用300度或以上的温度才能实现有效的去溶剂化。这对设计离子接口与真空腔的可拆卸结构是不利的，因为目前在300度及以上温度时，尚无可靠的弹性材料(例如橡胶)可以做到密封及不明显放出分解气体。因此，内径为0.75至1.1mm的去溶剂管102均为优选尺寸范围。

需要指出的是，当离子去溶剂管102的管径缩小时，可以通过限制其长度同样做到避免离子的撞壁损失，图7a-7b展示了这一效果，当管102的内径从0.90mm下降到0.75mm时，将其长度从75mm缩减到60mm可以做到类似的传输离子效率及各种离子的相对比例。由此可见，保持离子去溶剂管102的长度内径比例在一定值是有意义的，在实验中我们发现，当管的内径与长度比例为约1:50-1:70时(大致对应管长40-90毫米)，去溶剂管上因加热温度和撞壁损失所造成的离子信号下降较不明显。同时，由于需要合适的加热温度才能提升去溶剂管的传输效率，合适的加热温度范围在图6b中显示为离子信号的平缓段，其温度为150-300摄氏度。

此外还需要从图6a-6e中指出的是，更宽的离子去溶剂管内径对应于更高的加热温度，这是由于直接高效的壁面碰撞加热被较低效的辐射加热过程取代。对于去溶剂管102尺寸达到4mm的情况，最高高达1000摄氏度的加热温度其实也是可用的，但此时需要一些手段将管加热部分同真空密封部分进行空间上的分离。此时由于加热效应比较明显，会出现一温度-信号的平直段，这是由于加热造成的空间气体分子数密度下降(反比于气体的绝对温度)与加热去溶剂化的平衡效应所致。需要指出的是，这种气体分子数密度的下降也可以用于给约束管101提供更强的气流约束效果。

图8a展示了实现这一结构的改进离子接口装置。在此结构中，我们采用所谓Swagelok金属密封轴套110的结构来取代基本方案的焊接形来实现一个可替换气流约束管101的方案，轴套结构110由锥形护鞘1101和外螺纹锥孔1102构成，通过紧固螺母1103组成牢固的真空密封结构。在此方案中，装置还额外附加了一个加热块111，通过和约束气流管101外径的密接配合来实现对约束气流管的额外加热。作为一个变体，也可通过加热块111和约束管101间的气帘气流112来实现两者的热传导和热量传输控制。气帘气流112的另一个作用是对离子源如图中电喷雾离子化源113所形成的带电液滴在其进入管101的引入口前去溶剂化，同时对于较脏的大尺寸液滴，气帘可将其吹走以避免对约束气流管的直接污染。为使得O形圈密封结构115能适应于去溶剂管102温度大于300度的情况，将薄壁圆管台阶热沉114焊接在去溶剂管102外侧，提供真空密封，为进一步降低高温O型圈失效风险，气帘气流112可用于预冷却热沉114的真空封接面。

除此之外，还可以用另一种方法减少气密结构在高温下的失效风险，如图8b所示，可以在可替换气流约束管101的外侧焊接一个薄壁平片1012，因为薄壁平片1012具有很小的截面厚度(典型最窄处尺寸0.2-0.5mm)，即使采用不锈钢等金属构件制作，其热导率也可以控制在一个合理的接受范围内，从而使得与该平片密接的O型圈与之紧密结合形成真空密封。类似的，脱溶剂管102的外侧也可形成此类薄壁结构1022，使得O型圈能被有效固定而不至加热融化，此结构可推广至一切需要使用弹性密封圈的情况，为使薄壁结构能有效限制热量传输，其所谓薄壁厚度应控制在气流约束管101外径尺寸的二分之一或以下。

图9展示了不同结构气流约束管101下的最适合加热温度，当加热温度上升至500度时，0.25毫米内径的管101结构也可采用，相对与在室温及稍高温度所采用的0.15毫米结构，离子信号可提高约2-3倍，同时，密封金属轴套的结构也使管101-管102的同轴配合特性得到改善，例如与用厚壁橡胶管封接的情况相比，离子信号可提升1.5倍左右。当气流约束管进一步通过管体加热限制流导时，其优选加热温度为250-550摄氏度。

表1.不同质量数聚乙二醇/丙二醇聚合物离子在不同前段气流限制结构(孔/气流约束管)下的强度对比

还需要指出的是，与前述方案中采用薄壁膜孔或锥孔形成气体限流结构不同，本方案中所采用的短毛细管限流装置可以额外获得离子信号的去溶剂化增益。例如，在表1中所示的薄壁孔限流和0.15mm内径-10mm长气流约束管做对比限流实验的情况。对于从256Th至1004Th的聚乙二醇/丙二醇聚合物离子，将气流约束管替换为等流导的内径如0.12mm小孔时，所有离子信号都出现了3-4倍的信号下降。对于小孔结构所展示的离子响应与内径的大致平方关系，以及通过改变小孔加工方式的多次平行实验结果说明这一差异不是由于加工小孔的结构误差所致。而确实是由于毛细管限流结构所带来的传输优势。

此外，本装置也可以做一些变形，从而引入新的功能效果。例如图10a所示，在去溶剂化管102的管壁上可以开多个小孔1021，从而在主轴气流外引入鞘层气流，用于避免离子直接轰击去溶剂化管内壁的损失，此方法的原理主要是通过鞘层气流的内渗压缩位于其内的中轴含离子气流来实现。在图10b中展示的另一变形则使用具有半透膜微孔结构的PDMS(聚二甲基硅氧烷)管1022来取代小孔从外部引入气体形成气鞘，根据不同设计需要，此半透膜的厚度可以在0.002毫米至1毫米之间选择，通常为了方便密封，可以采用加热内缩的管状膜，或者用平面膜附加合适的夹持件来实现完整结构。同时半透膜可以引入校正样品1023，而不干扰离子引入接口内部流场，起到无需替换校正液和离子源连接即可实时校准后级质谱系统的效果，可使用的校正液成分包括但不限于熔融金属或其合金，硅脂，氟代聚醚，聚多元醇，不饱和高级脂肪烃及其卤代产物，离子液体及其他可用的合适沸程的化合物，所述小孔或半透膜结构引入上述可挥发标准品的蒸汽，与中轴气流一并引入作为质谱调谐的外标，也可将待分析样品离子与标准品蒸汽一并引入，从而作为时刻校正质谱质量精度和强度的内标来使用。

此外还需要指出的是，实验证明该离子接口装置不但能抑制其内部加热带来的离子径向扩散撞壁损失，对于使用外部加热的电喷雾离子化源或大气压化学电离源时，也可取得增加离子信号而不引入小流量大气压接口所带来的低质量离子歧视损失。图11展示了采用0.15mmx10mm的毛细限流管串联75mm长0.9mm的脱溶剂管在配合常温电喷雾和加热温度高达550度的加热增强电喷雾源的效果。图11所展示的对聚乙二醇/丙二醇混合样品甲醇-水溶液的离子化实验结果表明，除了溶剂离子(质量数为65u)外的宽广质量范围的离子，其信号增益均大于2，部分高质量的离子其增益超过半个数量级。其中，加热增强电喷雾源是通过额外的电热或其他方案加热喷雾或辅助气体，形成对所述毛细限流管入口的温度提升。需要指出的是除目前实验装置所能得到的最高加热温度550度外，在其他高于室温(20摄氏度)的毛细限流管入口加热温度情况下各种离子信号也可获得数量不等的信号提升，这说明该装置可适应于各种加热离子源质谱接口。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于阻挡本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。例如在本装置前加装无气流限制功能的保护管或保护锥，或者在其后添加用于限制气流流型的气体动力学调整透镜等。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种用于质谱仪的限流离子引入接口装置，其特征在于，包括以下结构：

开口位于上游较高气压环境的离子源区的气流约束管；其中，所述气流约束管为单毛细管结构；

出口位于下游较低气压的离子传输电极系统区域的离子去溶剂管；

所述气流约束管的长度与其最大内径比例大于等于10：1；

所述离子去溶剂管的最小内径为所述气流约束管的最大内径的3倍及以上；

所述离子去溶剂管的长度大于所述气流约束管的长度；

温度控制设备，用于对所述离子去溶剂管的温度进行控制，获得用于去除残余溶剂-离子间结合的确定温度。

2.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，下游离子去溶剂管的可用加热温度为50至1000摄氏度。

3.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述气流约束管的内径为0.10-0.25mm，长度为4-30mm。

4.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述离子去溶剂管的内径为0.5-4mm，长度为40-90mm。

5.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，下游直接连接工作气压为100-700Pa的离子导引；所述气流约束管，其内径为0.15-0.25mm，其内径与长度的比例为1:20-1:150；所述离子去溶剂管，其内径为0.75-1.1mm，其内径与长度比例为1:50-1:70，其温度为150-400摄氏度。

6.根据权利要求5所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述气流约束管进一步通过管体加热限制流导时，其加热温度为250-550摄氏度。

7.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述气流约束管和离子去溶剂管为相同外径的不锈钢毛细管制成，在同一个材料块上被加工出。

8.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述气流约束管和离子去溶剂管通过螺纹紧固的锥形轴套封接形成真空密封的可拆卸连接，其中，所述气流约束管可抛弃作为耗材，以供受污染时低成本更换。

9.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述气流约束管和离子去溶剂管外壁焊接出薄壁结构，用于支撑真空密封的弹性密封圈。

10.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述离子去溶剂管的侧壁有小孔或半透膜结构，用以引入气流鞘以进一步压缩中轴离子样品气流。

11.根据权利要求10所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，所述小孔或半透膜结构引入可挥发标准品的蒸汽，与中轴离子样品气流一并引入作为质谱调谐的外标或内标。

12.根据权利要求1所述的限流离子引入接口装置，其特征在于，采用气体对所述气流约束管加热时，其工作气流约束管前端工作温度范围从高于20摄氏度至550摄氏度。