CN109841485B - 一种利用空气动力学辅助的方法提高离子传输效率的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用空气动力辅助离子高效传输的装置。该装置利用高速空气流经电极两侧后，在电极的后部形成一个相对的低压区。在该低压区中，通过纳升电喷雾电离源电离或其他方式电离形成的离子可以被该低压区所束缚，从而减小离子在传输过程中的损失，同时离子在挡板电极(Baffle)的排斥力作用下，会向着DAPI进样口接近。由于质谱进样口和电喷雾针头呈90°夹角，溶剂中的中性分子会被边缘的高速空气所带走，这大大减少了检测器的背景噪音。利用流体仿真软件fluent模拟了装置内部的流体场分布，然后将流体分布场导入离子光学软件simion中，仿真结果计算表明该方法离子的传输效率接近100％。
Description
技术领域
本发明公开了一种利用空气动力学辅助的方法提高离子传输效率的新装置。该方法中结合了流体场和电场的作用，通过高速空气流经电极两侧后，在电极的后部形成一个相对的低压区。在该低压区，通过纳升电喷雾电离源形成的离子可以被该低压区所束缚，从而减小离子在传输过程中的损失，同时离子在挡板电极的电场力作用下，会向着DAPI进样口接近。由于质谱进样口和电喷雾针头呈90°夹角，溶剂会被高速空气所带走，这大大减少了检测器的背景噪音，同时提高了离子的传输效率。为了证明该方法的可行性，我们利用自己编写的离子光学软件simion中的程序和流体仿真软件fluent对该低压区离子的运动轨迹进行了仿真模拟，并且对影响离子运动轨迹的主要因素，金属毛细管进样口与挡板距离进行了优化。仿真结果表明，通过流体场合电场对离子的共同作用，离子会在一个圆锥口附近聚焦。
背景技术
大气压下的离子传输和聚焦一直是质谱技术中一个十分重要的内容。传统使用的离子漏斗可以在1～10Torr的压力范围内有效进行离子聚焦和传输。但是单纯依靠电场作用的传统的离子漏斗存在例如质量歧视，无法去除中性气体的分子等缺陷，所以在常压环境下，如何能够利用除了电场以外的其他方法，或者采用特殊的结构设计来实现离子的聚焦和传输对质谱技术发展具有重要意义。
其中，利用空气动力学辅助来进行常压下高效离子传输一直是质谱进样方式改进的重要方向。Mylchreest[美国发明专利：US005157260A]利用干燥的N2沿着在所设计的多孔离子传输管运动，从而在管的外层形成一个气体隔膜，溶剂受热挥发会被气体带走，而离子则通过管进入后端的质谱进样口。
文丘里装置是一种间接利用空气动力学辅助离子传输的装置。Covey等人设计的文丘里装置[美国发明专利：US5412208]，通过N2流高速流动时形成的负压，电喷雾电离源形成的离子中的溶剂分子带走，同时不影响离子的传输效率。
Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，所采用的边界条件为速度进样，压力出口条件。进样速度为0.4m/s，出口压力为760Torr。采用的湍流模型是高精度的SSTk-ω模型。Fluent软件具有良好的接口特性，既可以将外界的软件建模的模型导入，也可以将仿真的结果导入到其他离子光学软件进行进一步的分析。
发明内容
发明了一种空气动力辅助离子高效传输装置。该方法中结合了流体场和电场的作用，通过高速空气流经电极两侧后，在电极的后部形成一个相对的低压区。在该低压区，通过纳升电喷雾电离源形成的离子可以被该低压区所束缚，从而减小离子在传输过程中的损失，同时溶剂会被周围的气流所带走，减小了质谱进样过程溶剂的背景噪音。
本发明采用的技术方案如下：
以便携式离子阱质谱仪作为检测仪器；
该方法中结合了流体场和电场的作用，通过高速空气流经电极两侧后，在电极的后部形成一个相对的低压区。从流体仿真软件fluent中的压力场分布图可以看到，电极后部的相对的低压区具有圆锥体的外形。圆锥体的中心具有最低的压力。我们将样品通过电喷雾毛细管导入或者通过不锈钢毛细管导入该区域，离子具有垂直的速度和受到电极排斥的水平的移动速度，逐渐靠近质谱进样口。而中性的溶剂分子会一直向下移动，最终被边缘的气体带走。
为了证明该方法的可行性，我们利用离子光学软件simion和流体仿真软件fluent对该低压区离子的运动轨迹进行了仿真模拟，并且对影响离子运动轨迹的主要因素，金属毛细管进样口与挡板距离进行了优化。仿真结果证明该装置可以有效的提高离子传输的效率。
本发明的优点如下：
通过高速空气流经电极两侧后，在电极的后部形成一个相对的低压区。在该低压区，通过纳升电喷雾电离源电离或其他方式电离形成的离子可以被该低压区所束缚，从而减小离子在传输过程中的损失，同时离子在挡板电极(Baffle)的排斥力作用下，会向着DAPI进样口接近。由于质谱进样口和电喷雾针头呈90°夹角，溶剂中的中性分子会被边缘的高速空气所带走，这大大减少了检测器的背景噪音，同时提高了离子的传输效率。
附图说明
图1为空气动力辅助离子高效传输装置图。其中1为升电喷雾电离源、2为圆锥台形气流汇聚腔体、3为圆柱形挡板电极、4为质谱DAPI进样不锈钢金属毛细管、5为抽气泵抽气接口。
图2采用电喷雾电离源的漏斗型空气聚焦装置图。
图3空气动力学辅助装置内部的流体场分布的fluent软件模拟结果。
图3的(a)为空气动力学辅助装置内部的压力场和图3的(b)为速度场分布的fluent软件模拟结果。
图4采用VUV灯电离的漏斗型空气聚焦装置图。
图5simion中仿真离子同时受到电场和流体场时的运动轨迹。
图6不锈钢金属毛细管进样口与挡板距离的优化。
具体实施方式
以便携式离子阱质谱仪做为检测仪器；
首先，将空气以0.4m/s(约1000mL/min)通过一个我们自己设计的空心圆锥腔体内。该腔体内部的侧视图如图1所示。该腔体中心内安置有一块通有静电压的挡板电极，气体在碰撞到这个挡板后，理论上会在挡板的后部一定区域内形成一个相对的低压区。该低压区的外形是由高速气流边界和挡板电极共同形成的一个圆锥体。
将常压电离源，纳升电喷雾电离源垂直深入这个圆锥体的内部，那么，电离形成的离子就会被气流边界所束缚，阻止离子进一步向边界扩散。同时，离子受到圆锥体底部挡板电极的作用，向着圆锥的顶点移动。而我们的离子阱质谱的DAPI进样口正是安装在圆锥体的顶点附近。图3是在fluent中对装置内的流体场中速度场(a)和压力场(a)(相对于大气压)的模拟结果。
实施例1
电喷雾出来的溶剂由于不受到电场的作用，将会被边界气流带走。这样就减小了进入质谱中中性分子的量，降低了检测器的背景噪音。而其中的离子将会受到电极的排斥力，向着右侧的石英毛细管运动，该石英毛细管连接离子阱质谱的DAPI。我们将电喷雾毛细管从圆锥形气流汇聚腔体的侧面插入，并且使毛细管的尖端水平距离挡板2mm，垂直距离挡板中心3mm。图5中是simion仿真离子同时受到电场和流体场时的运动轨迹。
实施例2
不锈钢金属毛细管距离挡板的距离对离子的传输效率具有较大的影响。图6显示了金属毛细管距离挡板3～4mm时具有最高的离子传输效率，这与仿真的结果近似。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种空气动力辅助离子高效传输装置，其特征在于：
包括纳升电喷雾电离源(1)、圆锥台形气流汇聚腔体(2)、圆柱形挡板电极(3)、质谱DAPI进样不锈钢金属毛细管(4)、抽气泵抽气接口(5)；
圆锥台形气流汇聚腔体(2)为左右两端底面开口的密闭腔室，其腔室内的中空区域为圆锥台型；圆锥台型左侧下底面开口端为气体入口、右侧上底面开口端为气体出口，圆锥台形气流汇聚腔体(2)内部设有一圆柱形挡板电极(3)；圆锥台形气流汇聚腔体(2)与圆柱形挡板电极(3)同轴；气体出口与抽气泵抽气接口(5)入口相连，于圆柱形挡板电极靠近气体出口侧设有质谱DAPI进样不锈钢金属毛细管(4)，不锈钢金属毛细管一开口端面向圆柱形挡板电极，另一开口端从气体出口伸出；纳升电喷雾电离源(1)的离子出口端伸入至圆柱形挡板电极靠近气体出口侧，面向不锈钢金属毛细管开口端和圆柱形挡板电极(3)之间的区域。
2.根据权利要求1所述的空气动力辅助离子高效传输装置，其特征在于：
圆柱形挡板电极(3)和圆锥台形气流汇聚腔体(2)都是以质谱DAPI进样不锈钢金属毛细管(4)为旋转轴的圆柱对称的；圆锥台形气流汇聚腔体(2)下底面一端的气流入口直径为8mm，右侧上底面一端的抽气泵抽气接口(5)的直径为2mm；圆锥台形气流汇聚腔体(2)的高度为10mm；
圆柱形挡板电极(3)的厚度为1mm，直径为4mm，与圆锥台形气流汇聚腔体(2)同轴，圆柱形挡板电极(3)底面中心距离圆锥台形气流汇聚腔体(2)左侧下底面中心2mm；
抽气泵接口采用普通的气泵，从而使圆锥低端的入口流速至少达到0.4m/s；
所使用的纳升电喷雾电离源(1)不需要安装特殊的鞘流气，并且纳升电喷雾电离源(1)插入圆锥形腔体的深度为手动控制；
质谱DAPI进样不锈钢金属毛细管(4)与圆柱形挡板电极(3)的距离也可以进行控制，这里控制距离在4mm；另一端连接质谱DAPI装置。
3.根据权利要求1所述的空气动力辅助离子高效传输装置，其特征在于：
该装置结合了流体场的作用和电场同时的作用，对离子进行微观操控；首先，将空气通过圆锥台形气流汇聚腔体(2)，该腔体中心内安置有一块通有静电压的圆柱形挡板电极(3)，气体在碰撞到这个挡板后，理论上会在挡板的后部一定区域内形成一个相对的低压区；该低压区的外形是由高速气流边界和挡板共同形成的一个圆锥体；
将纳升电喷雾电离源(1)垂直深入这个圆锥体的内部，那么，电离形成的离子就会被气流边界所束缚，阻止离子进一步向边界扩散；同时，圆柱形挡板电极(3)的排斥作用，向着圆锥的顶点移动。
4.根据权利要求1所述的空气动力辅助离子高效传输装置，其特征在于：
电喷雾出来的溶剂由于不受到电场的作用，将会被边界气流带走；这样就减小了进入质谱中中性分子的量，降低了检测器的背景噪音；而其中的离子将会受到圆柱形挡板电极(3)的排斥力，向着右侧的质谱DAPI进样不锈钢金属毛细管(4)运动，该不锈钢金属毛细管(4)连接离子阱质谱的DAPI；
所用的离子阱质谱仪(ITMS)装配有：非连续大气压接口(DAPI)、矩形离子阱(RIT)质量分析器和正离子探测器。
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