CN108091544B - 一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源装置，包括试剂离子源、微分迁移谱、离子漏斗反应区、离子出口电极、试剂离子源腔体和电离反应区腔体；微分迁移谱的两端设置有用于离子进出的通道；试剂离子源、微分迁移谱、离子漏斗反应区和离子出口电极沿微分迁移谱的通道方向依次相互连通、间隔设置；试剂离子源设置于密闭的试剂离子源腔体内部，离子漏斗反应区设置于电离反应区腔体的内部。本装置利用微分迁移谱对不同离子迁移率的试剂离子进行选择的能力，获取高强度的纯净试剂离子，消除化学电离过程的干扰；同时，将离子漏斗作为化学电离反应区，可大幅提高化学电离的效率、离子传输效率和仪器检测灵敏度。

Description

一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源
技术领域
本发明涉及质谱分析仪器，特别涉及质谱仪的离子源，具体的说是一种基于微分离子迁移谱离子筛选的质谱化学电离源。
背景技术
质谱仪器是一类将物质的原子或分子电离成离子，利用稳定或变化的电、磁场来测量离子的质量-电荷比(质荷比)，并通过得到的离子信号强度进行物质的定性和定量分析的化学分析仪器。质谱分析的普适性好，分析速度快，分辨率和灵敏度高，定性能力强，已成为分析测试领域应用最为广泛的一种分析方法。电离源是质谱仪器中用于将待测物质的原子或分子进行离子化的装置，其不仅决定着所能得到的质谱图特征，而且在很大程度上影响到整个仪器的灵敏度、分辨率、分析速度和准确性。目前，传统的有机物质谱中通常采用电子电离(electron impact，EI)源，其利用电子加速去轰击待测物分子并将其电离，产生各自的特征离子。EI源中将电子加速到70eV，能够对所有已知物质的原子或分子进行有效电离，而且对于常见化合物有标准的谱图库进行比对分析。但是，EI源电离有机物样品时会产生大量的碎片离子，在分析复杂混合物样品时，得到的谱图中会产生的大量的谱峰重叠，识谱困难，必须经过复杂的样品前处理和色谱分离，难以实现快速、在线分析。
化学电离(chemical ionization，CI)源是利用试剂离子与待测样品原子/分子之间的离子-分子反应实现待测物质的电离。CI是一种软电离技术，离子-分子反应的过程相对温和，产生的碎片离子少，质谱图相对简单，而且具有很高的灵敏度，因此特别适合于复杂混合物的快速定性和定量分析。CI电离源所利用的离子-分子反应类型较多，主要包括：质子转移(proton transfer reaction，PTR)、亲电加成(electrophilic addition，EA)、阴离子提取(anion abstraction，AA)和电荷转移(charge exchange，CE)等，不同的离子-分子反应需要不同种类的试剂离子，因而CI的灵敏度和质谱图特征与所使用的试剂离子的种类、强度及纯净度密切相关。针对不同性质的待测物质，选择不同种类的试剂离子，能够有效改善待测样品的电离效率，提高分析的准确性。文献Journal ofMass Spectrometry2015,50(2):427-431公开了一种通过切换不同试剂气体通入离子源内经放电得到不同的试剂离子的方法，试剂离子可以在H3O+、NO+、O2 +、Xe+和Kr+之间进行选择和切换。然而，由于试剂气体的纯度以及放电过程的影响，大多数气体的放电产物中会产生多组分的混合离子；另外，在试剂气体切换过程中，电离源在短时间内难以做到试剂气体的快速、完全替换，前一张试剂气体会产生较长时间的残留，从而影响到试剂离子的纯净度及切换速度。文献Mass Spectrometry Reviews 2005,24(5):661-700公开了一种基于四极杆滤质器对试剂离子进行筛选的选择离子流动管质谱技术，其采用四极杆滤质器对潮湿空气放电产生的混合离子进行质量选择，可分别快速获取纯净的H3O+、NO+和O2 +试剂离子。但是四极滤质器本身是一个质谱系统，不仅在高真空下工作，而且需要配备复杂的控制系统，增加了仪器的复杂性；另外，离子从放电源到四极滤质器、再到化学电离区域的过程需要经过数个真空接口，大大限制了离子的传输效率，影响了试剂离子的强度，进而降低了化学电离的效率和仪器的检测灵敏度。
微分迁移谱(differential mobility spectrometry，DMS)是利用气相离子在高、低电场下离子迁移率的差异进行离子分离的一种分析技术。中国专利CN 105181781A公布了一种具有微分离子迁移率谱仪和质谱仪的离子分析装置及使用方法。在该系统中，于微分离子迁移率谱仪上施加周期性变化、电场强度不同、方向相反的射频电场，以在迁移区内产生不对称的电压波形。离子在迁移区内在气流和射频电场的共同作用下，按照迁移率差异的不同得到分离，满足一定迁移率差异的离子通过迁移区进入后面的质谱仪进行分析。
离子漏斗(ion funnel)是一种在较高气压下实现离子高效传输的离子光学系统，其在外观结构上呈现出一种漏斗的形状。离子漏斗基于离子在射频电场中的震荡运动及其与中性气体分子之间的频繁碰撞，一方面，使离子的平动能减小，达到“冷却”的效果；另一方面，让离子在空间上向中心轴线聚焦，从而达到离子的整形和高效传输的目的。中国专利CN102683152B公开了一种质子转移质谱离子源，采用了离子漏斗式漂移管设计，将漂移管内经质子转移反应电离后的离子聚焦后引出，提高了离子传输效率和引出效率。但是，其试剂离子通过射频放电产生，未经任何分离直接进入漂移管中反应，难以保证试剂离子的纯净度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源装置，利用微分迁移谱对试剂离子源产生的不同迁移率的离子进行筛选，获得纯净的高强度试剂离子，以消除化学电离的干扰，提高电离效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源，包括试剂离子源、微分迁移谱、离子漏斗反应区、离子出口电极、试剂离子源腔体和电离反应区腔体；
微分迁移谱的两端设置有用于离子进出的通道；试剂离子源、微分迁移谱、离子漏斗反应区和离子出口电极沿微分迁移谱的通道方向依次相互连通、间隔设置；
试剂离子源设置于密闭的试剂离子源腔体内部；一试剂气体进样管穿过试剂离子源腔体的外壁伸入腔体内，将试剂气体引入腔体内，试剂气体电离后于腔体内形成试剂离子源，试剂气体进样管的气体入口端与试剂气体源相连；
试剂离子源腔体下部设有与微分迁移谱离子进口通道相连的通孔；包括一上端密闭、下端开口的电离反应区腔体，腔体密闭端设有与微分迁移谱离子出口通道相连的通孔，离子漏斗反应区位于腔体内，腔体开口端与一中部带通孔的离子出口电极密闭连接；
一样品气体进样管穿过电离反应区腔体的外壁伸入在电离反应区腔体的内部，样品气体进样管的气体出口设置于靠近微分迁移谱的一侧，其气体出口端面向离子漏斗反应区，样品气体进样管的气体入口端与样品气体源相连；
离子漏斗反应区由2块或3块以上相互间隔、同轴、平行设置的金属环形电极组成，其中心部位圆形通孔的内径大小为0.1～200mm，且沿微分迁移谱至离子出口电极轴向方向上，金属环形电极上圆形通孔的内径逐渐缩小，形成漏斗状；离子漏斗反应区的长度为1～20cm；金属环形电极与离子出口电极相互间隔、同轴、平行设置。
所述的微分迁移谱为2个相互间隔、同轴套设的金属圆筒式结构，圆筒电极间径向间隙大小为0.01～5mm；
或者所述的微分迁移谱为2块或3块以上从左至右相互间隔、等间距、平行设置的板式结构，平行板间隙大小为0.01～5mm。
于所述的微分迁移谱上施加非对称波形射频电压，试剂离子源产生的离子进入微分迁移谱内的离子通道中进行筛选，得到纯净的试剂离子漏斗反应区内部，与通过样品气体进样管进入到离子漏斗反应区内部的样品气体之间发生化学电离反应；
所施加非对称波形射频电压的正、负相位的电压幅值和时间均不同，其波形为矩形波、三角波或正弦波，电压幅值为100V～20kV，射频频率为10kHz～10MHz。
于离子漏斗反应区的各金属环形电极上分别施加不同的直流电压和射频电压，相邻环形电极上射频电压相位相差180°，使离子在离子漏斗反应区的径向上向轴线汇聚，轴向上向下传输至离子出口电极，提高离子传输效率，并通过试剂离子在射频电场中的震荡运动，提高化学电离的效率；所施加直流电压大小为1V～500V，射频电压幅值为10V～5kV，射频电压频率为1kHz～100MHz。
于所述的试剂离子源腔体侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵，通过抽气泵维持离子源腔体内的气压在10-3～1bar；
于所述的电离反应区腔体侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵，通过抽气泵维持电离反应区腔体内的气压在10-5～10-1bar；
试剂离子源腔体内的气压高于电离反应区腔体内的气压。
所述的试剂离子源为光电离源、放射性电离源、电子轰击电离源、放电电离源或电喷雾电离源。
所述的离子出口电极为中心部位设置有小孔的板式结构，离子出口电极通过中心部位小孔与质谱仪的质量分析器相连；
所述的质量分析器为四极杆质量分析器、离子阱质量分析器、磁式质量分析器、飞行时间质量分析器中的一种或任意2种的组合。
本发明提供的质谱化学电离源装置，基于微分迁移谱对不同离子迁移率的试剂离子进行选择的能力，将试剂离子源中产生的多种混合离子进行筛选，以获取高强度的纯净试剂离子，消除化学电离过程的干扰。同时，将所选择试剂离子引入离子漏斗反应区中，一方面，利用离子漏斗对离子束的聚焦作用提高离子从离子源到质谱质量分析器中的传输效率；另一方面，试剂离子在离子漏斗射频电场中来回震荡运动增加了试剂离子的运动轨迹，使试剂离子与样品分子之间发生碰撞反应的几率增大，从而提高化学电离的效率和仪器的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源的结构示意图。
图2为本发明的其中一种基于圆筒式微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源的结构示意图。
图3为本发明的其中一种基于平板式微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的结构示意图。本发明的质谱化学电离源装置，由试剂离子源3、微分迁移谱4、离子漏斗反应区5、离子出口电极6、试剂离子源腔体9和电离反应区腔体10构成。
微分迁移谱4的两端设置有用于离子进出的通道；试剂离子源3、微分迁移谱4、离子漏斗反应区5和离子出口电极6沿微分迁移谱4的通道方向依次相互连通、间隔设置；
试剂离子源3设置于密闭的试剂离子源腔体9内部；一试剂气体进样管1穿过试剂离子源腔体9的外壁伸入腔体内，将试剂气体引入腔体内，试剂气体电离后于腔体内形成试剂离子源3，试剂气体进样管1的气体入口端与试剂气体源12相连；
试剂离子源腔体9下部设有与微分迁移谱4离子进口通道相连的通孔；包括一上端密闭、下端开口的电离反应区腔体10，腔体密闭端设有与微分迁移谱4离子出口通道相连的通孔，离子漏斗反应区5位于腔体内，腔体开口端与一中部带通孔的离子出口电极6密闭连接；
一样品气体进样管2穿过电离反应区腔体10的外壁伸入在电离反应区腔体10的内部，样品气体进样管2的气体出口设置于靠近微分迁移谱4的一侧，其气体出口端面向离子漏斗反应区5，样品气体进样管2的气体入口端与样品气体源13相连；
离子漏斗反应区5由2块或3块以上相互间隔、同轴、平行设置的金属环形电极组成，其中心部位圆形通孔的内径大小为0.1～200mm，且沿微分迁移谱4至离子出口电极6轴向方向上，金属环形电极上圆形通孔的内径逐渐缩小，形成漏斗状；离子漏斗反应区5的长度为1～20cm；金属环形电极与离子出口电极6相互间隔、同轴、平行设置。
微分迁移谱4为2个相互间隔、同轴套设的金属圆筒式结构，圆筒电极间径向间隙大小为0.01～5mm；或者微分迁移谱4为2块或3块以上从左至右相互间隔、等间距、平行设置的板式结构，平行板间隙大小为0.01～5mm。
试剂离子源腔体9侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵7，通过抽气泵7维持离子源腔体9内的气压在10-3～1bar；
电离反应区腔体10侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵8，通过抽气泵8维持电离反应区腔体10内的气压在10-5～10-1bar；
试剂离子源腔体9内的气压高于电离反应区腔体10内的气压。
离子出口电极6为中心部位设置有小孔的板式结构，离子出口电极6通过中心部位小孔与质谱仪的质量分析器11相连；
应用时，试剂气体源12中的试剂气体通过试剂气体进样管1进入到试剂离子源3，通过光电离、放射性电离、电子轰击电离、放电电离或电喷雾电离等方式被电离，获得初始的混合离子。于微分迁移谱4上施加非对称波形射频电压，对于圆筒式微分迁移谱，非对称波形射频电压加载在中心圆筒电极，外层圆筒电极加载直流电压；对于平板式微分迁移谱，非对称波形射频电压和直流电压分别交替加载在相邻的平板电极上。在微分迁移谱迁移区内，试剂离子源3产生的混合离子在气流、非对称射频电场和直流电场的作用下按照离子迁移率的差异得到分离，满足一定条件的离子经过迁移区的离子通道进入后端的离子漏斗反应区4，进而获得高强度的纯净试剂离子。随后，试剂离子再与通过样品气体进样管2进入到离子漏斗反应区5内部的样品气体之间发生化学电离反应。采用的非对称波形射频电压的正、负相位的电压幅值和时间均不同，其波形为矩形波、三角波或正弦波，电压幅值为100V～20kV，射频频率为10kHz～10MHz。于离子漏斗反应区5的各金属环形电极上分别施加不同的直流电压和射频电压，其相邻环形电极上射频电压相位相差180°，使离子在离子漏斗反应区5的径向上向轴线汇聚，轴向上向下传输至离子出口电极6，提高离子传输效率，并通过试剂离子在射频电场中的震荡运动，通过增加了试剂离子的运动轨迹，使试剂离子与样品分子之间发生碰撞反应的几率增加，提高化学电离的效率。采用的射频电压幅值为10V～5kV，频率为1kHz～100MHz；直流耦合电压大小为1V～500V。
实施例1
见图2所示。本发明的一种基于圆柱式微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源装置，包括：试剂离子源3、微分迁移谱4、离子漏斗反应区5、离子出口电极6、试剂离子源腔体9和电离反应区腔体。试剂离子源3采用光电离源，由紫外灯发出的紫外光束照射通过试剂气体进样管1进入的试剂气体，并将其电离，离子在气流和电场的作用下进入微分迁移谱4。微分迁移谱4为2个相互间隔、同轴设置的金属圆筒式结构，圆筒电极间径向间隙大小为0.5mm，非对称波形射频电压加载在中心圆筒电极，外层圆筒电极加载直流电压。非对称波形射频电压的波形为矩形波，正相位幅值为1kV，负相位幅值为0.3kV，射频频率为1.5MHz，直流电压-100V～100V连续可调。离子漏斗反应区5由20片1mm厚不锈钢圆环电极组成，沿微分迁移谱4至离子出口电极6轴向方向上，金属环形电极上圆形通孔的内径由20mm线性减小至1mm，离子漏斗反应区5长度为50mm。于离子漏斗反应区5的各金属环形电极上分别施加不同的直流电压和射频电压，相邻环形电极上射频电压相位相差180°；所施加直流电压大小为150V，射频电压幅值为200V，射频电压频率为1MHz。试剂离子源腔体9侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵7，通过抽气泵7维持离子源腔体9内的气压在1bar；电离反应区腔体10侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵8，通过抽气泵8维持电离反应区腔体10内的气压在10-2bar。离子出口电极6后端的质量分析器11为飞行时间质量分析器。
实施例2
见图3所示。本发明的一种基于平板式微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源装置，包括：试剂离子源3、微分迁移谱4、离子漏斗反应区5、离子出口电极6、试剂离子源腔体9和电离反应区腔体。试剂离子源3采用放电电离源，试剂气体通过试剂气体进样管1进入实际离子源3，在放电电场的作用下被电离，产生的离子在气流和电场的作用下进入微分迁移谱4。微分迁移谱4由5片相互间隔、等间距、同轴、平行设置的金属电极板组成，相邻电极板间距为0.5mm，非对称波形射频电压和直流电压分别交替加载在相邻的平板电极上。非对称波形射频电压的波形为三角波，正相位幅值为0.8kV，负相位幅值为0.2kV，射频频率为1MHz，直流电压-100V～100V连续可调。离子漏斗反应区5由20片1mm厚不锈钢圆环电极组成，沿微分迁移谱4至离子出口电极6轴向方向上，金属环形电极上圆形通孔的内径由40mm线性减小至1mm，离子漏斗反应区5长度为40mm。于离子漏斗反应区5的各金属环形电极上分别施加不同的直流电压和射频电压，相邻环形电极上射频电压相位相差180°；所施加直流电压大小为90V，射频电压幅值为100V，射频电压频率为2MHz。试剂离子源腔体9侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵7，通过抽气泵7维持离子源腔体9内的气压在0.5bar；电离反应区腔体10侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵8，通过抽气泵8维持电离反应区腔体10内的气压在10-3bar。离子出口电极6后端的质量分析器11为离子阱质量分析器。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，凡依本发明专利申请范围所述的构思、构造及原理所做的变化或修饰，均包括在本发明专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种基于微分迁移谱离子筛选的质谱化学电离源，包括试剂离子源(3)、微分迁移谱(4)、离子漏斗反应区(5)、离子出口电极(6)、试剂离子源腔体(9)和电离反应区腔体(10)，其特征在于：
微分迁移谱(4)的两端设置有用于离子进出的通道；试剂离子源(3)、微分迁移谱(4)、离子漏斗反应区(5)和离子出口电极(6)沿微分迁移谱(4)的通道方向依次相互连通、间隔设置；
试剂离子源(3)设置于密闭的试剂离子源腔体(9)内部；一试剂气体进样管(1)穿过试剂离子源腔体(9)的外壁伸入腔体内，将试剂气体引入腔体内，试剂气体电离后于腔体内形成试剂离子源(3)，试剂气体进样管(1)的气体入口端与试剂气体源(12)相连；
试剂离子源腔体(9)下部设有与微分迁移谱(4)离子进口通道相连的通孔；包括一上端密闭、下端开口的电离反应区腔体(10)，腔体密闭端设有与微分迁移谱(4)离子出口通道相连的通孔，离子漏斗反应区(5)位于腔体内，腔体开口端与一中部带通孔的离子出口电极(6)密闭连接；
一样品气体进样管(2)穿过电离反应区腔体(10)的外壁伸入在电离反应区腔体(10)的内部，样品气体进样管(2)的气体出口设置于靠近微分迁移谱(4)的一侧，其气体出口端面向离子漏斗反应区(5)，样品气体进样管(2)的气体入口端与样品气体源(13)相连；
离子漏斗反应区(5)由2块或3块以上相互间隔、同轴、平行设置的金属环形电极组成，其中心部位圆形通孔的内径大小为0.1～200mm，且沿微分迁移谱(4)至离子出口电极(6)轴向方向上，金属环形电极上圆形通孔的内径逐渐缩小，形成漏斗状；离子漏斗反应区(5)的长度为1～20cm；金属环形电极与离子出口电极(6)相互间隔、同轴、平行设置。
2.根据权利要求1所述的质谱化学电离源，其特征在于：
所述的微分迁移谱(4)为2个相互间隔、同轴套设的金属圆筒式结构，圆筒电极间径向间隙大小为0.01～5mm；
或者所述的微分迁移谱(4)为2块或3块以上从左至右相互间隔、等间距、平行设置的板式结构，平行板间隙大小为0.01～5mm。
3.根据权利要求1所述的质谱化学电离源，其特征在于：
于所述的微分迁移谱(4)上施加非对称波形射频电压，试剂离子源(3)产生的离子进入微分迁移谱(4)内的离子通道中进行筛选，得到纯净的试剂离子漏斗反应区(5)内部，与通过样品气体进样管(2)进入到离子漏斗反应区(5)内部的样品气体之间发生化学电离反应；
所施加非对称波形射频电压的正、负相位的电压幅值和时间均不同，其波形为矩形波、三角波或正弦波，电压幅值为100V～20kV，射频频率为10kHz～10MHz。
4.根据权利要求1所述的质谱化学电离源，其特征在于：
于离子漏斗反应区(5)的各金属环形电极上分别施加不同的直流电压和射频电压，相邻环形电极上射频电压相位相差180°，使离子在离子漏斗反应区(5)的径向上向轴线汇聚，轴向上向下传输至离子出口电极(6)，提高离子传输效率，并通过试剂离子在射频电场中的震荡运动，提高化学电离的效率；所施加直流电压大小为1V～500V，射频电压幅值为10V～5kV，射频电压频率为1kHz～100MHz。
5.根据权利要求1所述的质谱化学电离源，其特征在于：
于所述的试剂离子源腔体(9)侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵(7)，通过抽气泵(7)维持离子源腔体(9)内的气压在10-3～1bar；
于所述的电离反应区腔体(10)侧壁上设置有气体出口，气体出口通过管路连接有抽气泵(8)，通过抽气泵(8)维持电离反应区腔体(10)内的气压在10-5～10-1bar；
试剂离子源腔体(9)内的气压高于电离反应区腔体(10)内的气压。
6.根据权利要求1所述的质谱化学电离源，其特征在于：
所述的试剂离子源(3)为光电离源、放射性电离源、电子轰击电离源、放电电离源或电喷雾电离源。
7.根据权利要求1所述的质谱化学电离源，其特征在于：
所述的离子出口电极(6)为中心部位设置有小孔的板式结构，离子出口电极(6)通过中心部位小孔与质谱仪的质量分析器(11)相连；
所述的质量分析器(11)为四极杆质量分析器、离子阱质量分析器、磁式质量分析器、飞行时间质量分析器中的一种或任意2种的组合。
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