CN109256320A - 一种三相样品进样和电离的装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种样品进样和电离装置，特别涉及一种质谱电离装置和方法。为了拓展质谱仪器的应用范围，本发明集成了电喷雾进样，光解析光电离源和放电电离源，从而实现了气体，固体和液体进样和电离。本发明特别适用于质谱仪和离子迁移谱仪，极大地拓宽了待检测样品范围和灵敏度。

Description

一种三相样品进样和电离的装置

技术领域

本发明涉及质谱的进样和电离装置，特别涉及一种实现多种进样和电离方法的复合电离源。

背景技术

所有质谱仪器均包括进样系统，电离源和质量分析器三部分。其中进样系统和电离源决定了质谱仪检测样品的种类，形态，分子量大小和谱图特征等。目前常用的离子源包括电喷雾电离源（ESI），大气压化学电离源（APCI），光电离源（PI），化学电离源（CI），二次离子源（SIMS），基质辅助激光电离源（MALDI），激光解吸光电离（LDPI）等。进样方式包括气体直接进样，大分子ESI源进样，将分子传输至真空后的激光解吸进样等。这些进样方式可以分别处理气相，液相和固相样品。不同的进样方式与电离源相结合，可以满足大部分实际样品的质谱分析需求。但由于进样方式的差别很大，工作气压和电离方式均不相同，难以将多种进样方式和电离源结合在一起。

对于大分子（如蛋白，多肽，DNA分子等）的质谱分析通常使用电喷雾为进样和电离方式。电喷雾与液相色谱结合，可以产生多电荷离子，在高分辨率质谱上可以方便地对大分子分析，因此在生物大分子分析中得到了广泛的使用。但对于极性比较弱的分子，电喷雾源的电离效率很低。激光解吸光电离是一种类似与基质辅助激光电离的进样方式，不同与基质辅助激光电离需要样品前处理，它可以将未经处理的样品输送至真空腔并使用激光解吸产生气相分子，产生的气相分子被一束紫外激光电离，电离后的离子被传输至质量分析器。

US4988879披露了一种利用两束激光分别解吸和电离样品的装置。电离后的离子被静电场推斥至飞行时间质量分析器。由于解吸后的分子形成的分子团持续时间非常短，离子电离和传输效率都很低，因此灵敏度不高。此外，两束激光之间需要有一定的时间间隔，这种设置对不同质量的分子有质量歧视效应。

由于工作气压的不同，电喷雾电离和激光解吸光电离难以同时使用。电喷雾电离工作气压为大气压，激光解吸光电离一般需要工作在5 Torr 以下。这一问题导致电喷雾电离和激光解吸光电离之间很难简单切换。专利US651529，US2008/0067345和US2010/0096542都提出了电喷雾电离和基质辅助激光解吸电离装配与同一台质谱仪并进行切换的方法，但都需要比较复杂的装置，甚至需要停掉真空在重新抽气等操作，费时费力。

放电电离是一种简单有效的电离方式，根据气压的不同，其产生碎片离子的方式和强度均不同。放电电离均需要较高的电压施加在放电针上，导致放电针的电场影响离子传输电场，使离子通过率降低。

发明内容

为了满足质谱仪对多种样品进样方式的需求，本发明将多种进样方式和电离源结合，提高质谱仪对不同样品的适应能力。专利CN 103295873 披露了一种低压下产生分析用离子的方法和装置，将电喷雾和基质辅助激光解吸电离在较低的气压下实现，但实现方法中将电喷雾和基质辅助激光解吸电离设计在同一真空室内，使电喷雾电离或基质辅助激光解吸电离不在最佳工况下工作，导致灵敏度不及单项离子源。

本发明采用光解吸光电离，不仅提高了光解吸光电离时离子传输效率，而且很好地兼容了传统的电喷雾电离源，是一种较为理想的结合方法。

为解决气压不兼容问题，本发明在切换到光解吸光电离时，将进样口堵住并关闭粗真空接口，使光解吸光电离电源工作在最佳气压下。

电喷雾电离对于极性分子有很好的电离效率，但对非极性化合物，电离效率非常低。为解决这一问题，本发明使用放电针，利用放电产生的电子和离子提高对非极性化合物的电离效率。

综合以上问题，本发明人发明了一种三相样品进样和电离装置，装置包括多种进样方式，包括气体直接进样，液体电喷雾进样和固体真空传输进样，其中固体进样使用红外光解吸方式形成气相分子。电离源由电喷雾离子源，光解吸光电离离子源和放电离子源构成。本发明的目的是实现一种可以在气体，液体和固体的进样方式下，实现电喷雾电离，光解吸光电离，气体光电离和放电电离之间方便快速切换，甚至几种电离方式可以同时结合使用又能保证各种离子源均有最佳灵敏度的方法和装置。

根据本发明，气体进样由腔体（50）上的进样毛细管实现。进样毛细管内部或外部设有加热装置，保证气体样品无法吸附在管壁上。液体进样由电喷雾电离实现。固体进样由中间气压传输腔，样品台，和XYZ移动平台连接的样品进样杆实现。

根据本发明，电喷雾电离由电喷雾针和毛细管组成的电喷雾装置和离子传输装置实现。光解吸光电离由中间过渡腔，样品平台，连接杆，XYZ移动平台，红外激光，紫外光和由金属线组成的离子引导或离子阱实现。离子一旦产生即被金属线形成的电场捕获，最大化地利用电离后的离子。放电电离由三个不同位置的电离放电针，绝缘筒和尾部电极实现。其中，电喷雾电离中的离子透镜（21）由永久磁铁构成，永久磁铁形成的磁场会使电子螺旋运动，从而提高由电子产生离子的效率。

由于放电机理和离子中性分子作用，放电电离在不同气压下有不同的效果。在气压较高时，会产生类似APCI的谱图，在气压较低时，会产生类似电子电离的谱图；在中等气压下，谱图是两种机理的混合。放电电离作为一种辅助电离手段，可以提高非极性化合物的电离效率，产生碎片以判断离子的构成。在本发明中，放电针分别设置于高气压阶段，中气压阶段和低气压阶段，分别实现不同电离机理。

附图说明

为让本发明的目的，特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图1. 是本发明一个较佳实施实例的装置示意图。

图2. 是本发明另一个较佳实施实例的装置示意图。

图3. 是本发明另一个较佳实施实例的装置示意图。

图4. 是本发明另一个较佳实施实例的装置示意图。

图5. 是本发明另一个较佳实施实例的装置示意图。

图6. 是本发明另一个较佳实施实例的装置示意图。

具体实施方式

具体实施实例

本发明的一个主要设计想法是将电喷雾和光解吸光电离结合，克服两种电离源的气压不同造成困难，同时克服电喷雾电离对于弱极性化合物电离效率低的问题。传统的多极杆极杆（如四级杆，六极杆或八极杆）均使用实心电极，使光无法或很少通过。金属线电极的应用使光通过率获得极大的增加，因而使光解吸光电离结合多极杆传输成为了可能。将光解吸光电离源结合在电喷雾电离源的离子传输部分可以完美地解决两种电离源气压不相容的问题，且提高了光解吸光电离的离子传输效率。

为实现以上目的，本人发明了一种三相样品进样和电离装置，包括电喷雾进样电离装置，气固体进样光解吸光电离源装置和放电离子源装置。

所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：由离子引导电极，解析光源，电离光源，可移动平台，进样管，背景气进气管和样品台组成。

所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：离子引导电极由离子漏斗或导电线构成。

所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：使用红外光或可见光解吸可移动样品台上吸附的样品。

所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：使用另一束紫外光穿过离子引导电极。

所述的气固体进样光电离源装置，其特征在于：腔体上设有背景气进气管及进样毛细管，并由流量阀和开关阀控制。

所述的电喷雾进样和电离装置，其特征在于：包含的离子透镜由永久磁铁构成。

所述的放电离子源装置，其特征在于：由高压放电针，中压放电针和低压放电针，绝缘管及低压电极构成。

所述的放电针，其特征在于：高压放电针，中压放电针和低压放电针及其绝缘管分别安装在加热毛细管与离子透镜之间，锥孔电极上和离子引导电极的外侧或内侧。

所述的复合离子源装置，其特征在于：设有进气口帽用于密封加热毛细管。

本发明中，光解吸光电离源可以工作在较高的气压下，不仅不会降低灵敏度，而且可以通过离子冷却作用迅速降低离子的动能，使离子的能量分散减小。同时样品分子在电离腔中平均留驻时间增加，有利于光电离效率的提高。因此，在本发明中，光解吸光电离腔内的气压可以高至100 Torr，优选50 Torr一下，进一步优选在30 Torr以下。

本发明中，解吸光源可以使用可见光或红外光，可以使用的光源不限与红外激光，可见光激光，卤素灯，微波等。使用激光可以获得局域样品分布信息。使用其他热源产生的红外光可以得到样品上不同分子随温度变化时解吸附速率的信息。

本发明中，光解吸光电离源的第二束光需要有较高的光子能量，可以实现多光子电离或单光子电离。可以满足此目的的光源有且不限于266 nm激光器，157 nm激光器，VUV灯，同步辐射光源。

由于光解吸光电离腔的气压较高，可以使用离子漏斗代替所述金属线电极。由于金属漏斗是由金属环组成的，光线可以在金属环之间通过，不影响光电离效率。

本实施方式中，使用电喷雾电离时，使用方法同传统电喷雾电离源一致。当待测样品的极性较弱时，可以在电晕放电针施加直流高压。不同气压下的电晕放电针可以同时或分别打开，以获得不同的谱图对比。当使用光解吸光电离时，用橡胶帽堵住电喷雾电离源的样品进气口且关闭腔体（20）上的阀门（18），防止泵油或外部气体进入腔体。

在使用样品台进样时，传输的样品往往是固体样品，但也可以传输液体样品，需要保证液体样品的饱和蒸汽压远小于腔体气压。另外，对于分子量较小的样品（一般在2000Da以下），激光可以使样品得到很好解吸。对于分子量较大的样品，光解吸可能会导致样品分子的解离，解吸效率也会降低。因此可以使用小分子与大分子混合，提高解吸效率。与基质辅助激光解吸电离不一样的是，小分子的作用是提高大分子的解吸效率，应避免大分子电离。满足这一要求的小分子一般应有较好红外吸收效率，且通用性好，不需要像基质辅助激光解吸电离中满足共晶要求。因此，基质的选择更容易，通用性更好。

在激光解吸光电离过程中，样品台可以由XYZ移动平台控制，使得激光在样品表面进行扫描，获得每个扫描点的质谱信号。通过观察不同质量的离子的分布，可以得到不同质量样品的位置分布，即质量成像。

离子传输进入质量分析器（61）后被分析。所有的质量分析器均可以作为本发明的质量分析器。为了能更好地发挥本发明中进样离子较宽的质量范围，较佳的质量分析器为飞行时间质量分析器，轨道阱质量分析器，傅立叶变换回旋共振质量分析器和离子阱质量分析器。

实施实例一

如图1所示为根据本发明的第一实施方式的实施例。三相样品进样和电离装置包括电喷雾进样和电离，气固体进样光解吸光电离源和放电离子源。腔体10内包括电喷雾电离装置，进气口帽13和加热毛细管12。腔体10内的气压控制在大气压及以下。腔体20包括放电电离针31，放电针34及其绝缘套32，有栅网的低压电极33，离子透镜21，锥孔电极22。腔体40内包括离子引导电极41，端电极42及样品进样管43。腔体50包括样品平台54，样品传输杆57，可见或红外激光52，紫外光53，金属线电极51，放电针35及其绝缘套32，有栅网的低压电极33，样品进样管55，及背景气体进气管56。腔体60内设置质量分析器61。

当由电喷雾进样电离切换为光解吸紫外光电离装置时，进气口帽13堵住加热毛细管12，阀门18关闭，背景气进气管56打开。

实施实例二

如图2所示为根据本发明的第二实施方式的实施例。与实施一不同的是将离子引导电极42由金属线电极或实心圆柱电极替换为离子漏斗电极。专利US6107628中描述了离子漏斗的组成。离子漏斗电极的设计不仅限于图中所示样式，还可以包括弯曲的电极排列结构等其他结构。弯曲电极排列结构可以有效分离分子与离子，提高离子传输效率。

实施实例三

如图3所示为根据本发明的第三实施方式的实施例。与实施一不同的是，实施实例三中去掉了电喷雾电离源，将放电针35及其绝缘套32，有栅网的低压电极33横置与金属线离子引导的入口处。有栅网的低压电极的使用减少了放电电离中的高压电场对外部电场的影响。

实施实例四

如图4所示为根据本发明的第四实施方式的实施例。与实施一不同的是，实施实例四中去掉了中间腔体40，提高了腔体50中的气压。

实施实例五

如图5所示为根据本发明的第五实施方式的实施例。与实施二不同的是，实施实例五中将金属线电极替换为离子漏斗电极。由于离子漏斗电极是由金属环组成，紫外光可以通过金属环间的间隙到达电离区，因而对电离效率的影响较小。

实施实例六

如图6所示为根据本发明的第六实施方式的实施例。与实施五不同的是，实施实例六中将实施实例五中的中间腔体40及其中的离子漏斗电极42去掉，并提高了腔体50中的气压。

通过以上实施实例可以看出，其他基于本发明专利的内容，但对专业人士只需做细小改变，易于实现的变体，比如在本发明所述腔体基础上增加电子电离源或者采用亚稳态原子跃迁的能量进行电离，在解吸方式上采用其他方式，如热解吸，红外光解吸或者超声波震荡解吸等方式，也在本专利的覆盖范围之内。

Claims (10)

1.一种三相样品进样和电离装置，包括电喷雾进样电离装置，气固体进样光解吸光电离源装置和放电离子源装置。

2.根据权利要求1所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：由离子引导电极，解析光源，电离光源，可移动平台，进样管，背景气进气管和样品台组成。

3.根据权利要求1所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：离子引导电极由离子漏斗或导电线构成。

4.根据权利要求1所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：使用红外光或可见光解吸可移动样品台上吸附的样品。

5.根据权利要求1所述的气固体进样光解吸光电离源装置，其特征在于：使用另一束紫外光穿过离子引导电极。

6.根据权利要求1所述的气固体进样光电离源装置，其特征在于：腔体上设有背景气进气管及进样毛细管，并由流量阀和开关阀控制。

7.根据权利要求1所述的电喷雾进样和电离装置，其特征在于：包含的离子透镜由永久磁铁构成。

8.根据权利要求1所述的放电离子源装置，其特征在于：由高气压放电针，中气压放电针和低气压放电针，绝缘管及低压电极构成。

9.根据权利要求8所述的放电针，其特征在于：高气压放电针，中气压放电针和低气压放电针及其绝缘管分别安装在加热毛细管与离子透镜之间，锥孔电极上和离子引导电极的外侧或内侧。

10.根据权利要求1所述的复合离子源装置，其特征在于：设有进气口帽用于密封加热毛细管。