CN112420479B - 一种微型质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型质谱仪，特定是包括：电离源，其用于在基本处于大气压的区域内把样品分子转变为气相离子；捕获装置，其用于捕获并存储离子；不连续的大气压接口装置，其用于把离子从所述基本处于大气压的区域传送到压强降低的至少一个其他区域，其中所述大气压接口装置包括用于控制离子进入或停止进入所述捕获装置的阀门，通过多次打开所述阀门，以不连续的方式将离子传送至所述捕获装置内，捕获并富集离子；还包括质量分析器，检测器，电路，真空腔体，真空泵，气压计和计算机。本发明提供一种能够提高灵敏度和离子检测限，提高离子强度稳定性的微型质谱仪。

Description

一种微型质谱仪

技术领域

本发明涉及微型质谱仪领域，更具体的涉及一种不连续的大气压接口的微型质谱仪离子导入装置。

背景技术

微型质谱仪在一些现场实时分析需求的场景中有广泛应用，典型应用场景包括工业废水监测、化学战剂探测、食品中的农药和兽药残留检测以及临床诊断等。

质谱仪的大气压接口（API）用于将离子从常压（大气压）区域传输到真空腔体的低气压区域。API的应用使得微型质谱仪相比实验室质谱仪在现场应用场景中具有独特优势，因为API允许质谱仪使用多种处于大气压工作的离子源，从而简化样品的前处理和离子化过程。典型的大气压离子源包括：电喷雾离子源（ESI）（Yamashita M, Fenn JB.Electrospray ion source. Another variation on the free-jet theme. The Journalof Physical Chemistry. 1984;88(20):4451-9.），大气压离子源（APCI）（Carroll DI,Dzidic I, Stillwell RN, Haegele KD, Horning EC. Atmospheric pressureionization mass spectrometry. Corona discharge ion source for use in a liquidchromatograph-mass spectrometer-computer analytical system. AnalyticalChemistry. 1975;47(14):2369-73.），基质辅助激光解析离子源（MALDI）（Laiko VV,Baldwin MA, Burlingame AL. Atmospheric Pressure Matrix-Assisted LaserDesorption/Ionization Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 2000;72(4):652-7.），解析电喷雾离子源（DESI）（Takáts Z, Wiseman JM, Gologan B, Cooks RG.Mass spectrometry sampling under ambient conditions with desorptionelectrospray ionization. Science (New York, NY). 2004;306(5695):471-3.），实时直接分析离子源（DART）（Cody RB, Laramée JA, Durst HD. Versatile New Ion Sourcefor the Analysis of Materials in Open Air under Ambient Conditions.Analytical Chemistry. 2005;77(8):2297-302.），大气压介质阻挡放电离子源（DBDI）（NaN, Zhao M, Zhang S, Yang C, Zhang X. Development of a Dielectric BarrierDischarge Ion Source for Ambient Mass Spectrometry. Journal of the AmericanSociety for Mass Spectrometry. 2007;18(10):1859-62.）等等。

目前典型的API结构的实验室台式质谱仪是连续进样的，通过常开的通道将大气压下产生的离子导入真空腔体中，该通道包括连续的差动泵级。连续的差动泵级通过小内径的毛细管将离子传送至真空腔体第一级，再经由采样锥导入真空腔体第二级以及真空腔体后续更多级。通常使用隔膜泵、涡旋泵等初级泵将第一级区域的气压抽至约1托（torr），使用单个或多个涡轮分子泵将第二级及后续级抽至10^-5托以下，用于离子操控和质量分析。API结构的质谱仪在离子导入过程中，会在第一级和第二级分别损失2个数量级和1个数量级的离子，这导致连续进样的API结构质谱仪的总离子传输效率低于0.1%。通常可以通过增大级间的采样锥孔提高离子传输效率，但需要用抽速更大的泵维持所需的真空。通过用离子漏斗替换取样锥，在较高的气压下聚焦并引导离子进入第二级，可以将经过第二级的离子传输效率成功提高10倍。

当API结构应用于小型质谱仪时，由于体积、重量和功耗的需求，必须使用抽速更小的泵，但这样会导致离子传输效率的进一步降低。利用连续进样的API结构和两级差分结构的真空系统实现的小型质谱仪，第一级真空腔体中使用离子漏斗传输离子，第二级真空腔体中用线性离子阱做质量分析，其中分子泵采用80L/s抽速的，以维持所需气压（Zhai Y,Feng Y, Wei Y, Wang Y, Xu W. Development of a miniature mass spectrometerwith continuous atmospheric pressure interface. Analyst. 2015;140(10):3406-14.）。不连续进样的API结构，即DAPI（discontinuous atmosphere pressure interface，不连续的大气压接口）的出现使得小型质谱仪可使用抽速更小的泵（11L/s的分子泵），同时保持与连续进样API相当的离子传输效率。由于只有在质量分析时，真空腔体内才需要高真空，而在离子导入和离子冷却捕获的过程中并不需要高真空，因此连续进样的API结构的质谱仪并没有充分利用泵的效率。DAPI结构的核心思想是充分利用泵的效率，通过周期性的开启进样通道，使得离子在高速气流下进入真空腔体，随后关闭通道后等待真空腔体抽至质量分析所需要的气压进行离子扫描（Liang G, R Graham C, Zheng O. Breaking thepumping speed barrier in mass spectrometry: discontinuous atmosphericpressure interface. Analytical Chemistry. 2008;80(11):4026-32.）。DAPI结构通过阀门（典型为夹管阀）控制管（典型为硅胶管）的开和闭来控制离子的导入与否（CN101820979A名称为不连续的大气压接口的专利）。相比连续进样的API结构，使用DAPI结构可以进一步缩小质谱仪的体积和重量。

虽然DAPI结构可以在保证一定离子传输效率的条件下缩小质谱仪的体积和重量，但相比于连续进样的API结构的质谱仪，总的进入质量分析器的离子仍然较少，从而导致DAPI结构的质谱仪的灵敏度和检测限均不如连续进样API结构的小型质谱仪。连续进样的API结构可以通过延长离子导入时间增加总的进入质量分析器的离子，从而提高仪器的灵敏度和检测限。但是，DAPI结构的小型质谱仪的离子导入时间无法任意延长。因为一旦夹管阀开启导入离子，真空腔体内的气压会迅速上升，为维持离子阱等离子捕获装置在离子冷却阶段所需的最低气压，以及维持涡轮分子泵正常工作所需的最低气压，夹管阀的开启时间不能无限延长，从而导致在阀门开启阶段进入质量分析器总的离子数量是有限的，从而进一步限制了DAPI结构的小型质谱仪的灵敏度和检测限。此外，在夹管阀开启后，离子会随高速气流进入真空腔体，高速气流会对质量分析的质量稳定性和离子峰强度的稳定性造成负面影响（Huo X, Zhu X, Tang F, Zhang J, Zhang X, Yu Q, et al. DiscontinuousSubatmospheric Pressure Interface Reduces the Gas Flow Effects on MiniatureCAPI Mass Spectrometer. Analytical Chemistry. 2020;92(5):3707-15.）。

因此，亟需一种能够提高小型质谱仪中DAPI结构的离子导入效率的装置。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够提高灵敏度和检测限，提高离子强度稳定性的微型质谱仪。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微型质谱仪，包括：

电离源，其用于在基本处于大气压的区域内把样品分子转变为气相离子；

捕获装置，其用于捕获并存储离子；

不连续的大气压接口装置，其用于把离子从所述基本处于大气压的区域传送到压强降低的至少一个其他区域，其中所述大气压接口装置包括用于控制离子进入或停止进入所述捕获装置的阀门，通过多次打开所述阀门，以不连续的方式将离子传送至所述捕获装置内，捕获并富集离子；

质量分析器，与所述捕获装置级联，用于操控其内的离子按质量大小顺序离开；

检测器，用于将离子转换为电信号；

电路，为包括所述捕获装置和所述质量分析器在内的装置工作提供所需的电信号；

真空腔体，用于放置需要在低于大气压的压强环境下工作的包括所述捕获装置、所述质量分析器、所述检测器在内的一个或多个装置；

真空泵，用于将所述真空腔体内的气压抽至低于大气压；

气压计，用于监测所述真空腔内的气压；

计算机，用于处理所述电信号数据。

在一些实施方式中，由所述电路控制质谱分析时序，一个周期的所述质谱分析时序按以下步骤：第一阶段，所述阀门关闭，所述捕获装置、所述质量分析器和所述检测器均不工作；第二阶段所述阀门多次打开与关闭，引导离子多次不连续进入所述捕获装置，此时所述捕获装置工作，捕获并富集离子，所述质量分析器与所述检测器不工作；第三阶段，所述阀门保持关闭，将所述捕获装置中捕获并富集的离子传输至所述质量分析器，所述质量分析器和所述检测器工作，获得反映质谱数据的电信号；第四阶段，电信号经所述电路处理后传输至所述计算机，由软件进行数据处理，获得质谱图。由此，本发明相比传统不连续大气压接口的质谱仪，并不增加任何电路硬件与机械结构，只需要改变电路控制时序，但却因捕获装置的离子富集功能获得微型质谱仪灵敏度和检测限的提升。

其中所述阀门的每次开启时长满足以下条件：保证所述气压计监测到的最大气压均在所述捕获装置和所述真空泵正常工作的气压范围内。通过气压计监测气压，控制每次阀门开启的时长，阀门开启时间不可过长，以保证最大气压在捕获装置和真空泵（尤其是分子泵）可以正常工作的气压范围内；阀门开启时间亦不可过短，以保证每次阀门开启均有足够的离子进入到捕获装置。

在一些实施方式中，所述电离源采用以下任意一种：电喷雾电离、纳喷雾电离、大气压基质辅助激光解析电离、大气压化学电离、解析电喷雾电离、实时直接分析电离、大气压介质阻挡放电电离、大气压低温等离子体解吸电离、电喷雾辅助激光解吸电离。

在一些实施方式中，所述不连续的大气压接口装置还包括：管、第一毛细管和第二毛细管，所述管安装于所述阀门中且所述阀门夹持于管的中部，所述第一毛细管插入所述管的第一端，所述第二毛细管插入所述管的第二端，且所述第一毛细管和所述第二毛细管均不与所述管和阀门夹持的部分重叠，所述第一毛细管连通大气压，所述第二毛细管连接所述捕获装置的入口。

在一些实施方式中，所述阀门选自夹管阀、针阀、挡板阀；所述管由惰性橡胶材料构成，所述惰性橡胶材料包括硅橡胶、导电橡胶、防静电橡胶，其中导电橡胶与防静电橡胶的掺杂材料为碳或其他导电金属；所述第一毛细管和所述第二毛细管均由惰性金属材料构成，所述第一毛细管和所述第二毛细管的外径均略大于所述管的内径，以保证气密性。

在一些实施方式中，所述捕获装置为质谱仪的一种离子存储装置或具有离子捕获能力的质量分析器。

在一些实施方式中，所述离子存储装置选自离子漏斗或静电透镜：所述质量分析器选自四级离子阱、矩形离子阱、圆柱形离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱中任意一种。

在一些实施方式中，所述捕获装置与所述质量分析器放置于同一个所述真空腔体内或分别放置于两个级联的所述真空腔体内。捕获装置与质量分析器为级联方式时，离子先由捕获装置富集，后经过引导装置进入质量分析器做进一步分析。

在一些实施方式中，两个级联的所述真空腔体之间还设置有用于引导离子从所述捕获装置进入所述质量分析器的离子引导装置，所述离子引导装置选自采样锥或离子导引杆。

在一些实施方式中，所述检测器选自电子倍增管、法拉第杯、光电倍增管、微通道板；所述气压计选自皮拉尼真空计、热电偶真空计、热阴极真空计、冷阴极真空计。

相比传统不连续大气压接口的质谱仪，本发明的优点在于：（1）通过多次开启和关闭阀门，并在此期间保持捕获装置工作，以达到富集离子的目的，从而提高质谱仪的灵敏度和检测限；（2）由于多次开启阀门的离子富集作用，可降低阀开启时高速气流对离子强度稳定性的影响，从而提高微型质谱仪的信号稳定性；（3）相比传统连续大气压接口的质谱仪对真空泵的较高要求，本发明的优点是通过使用不连续的大气压接口，多次不连续进样，可以降低系统对真空泵抽速的要求，从而减小质谱仪的体积、重量和功耗，对于应用微型的便携式质谱仪进行现场实时分析有重要作用；（4）本发明并不增加或改变不连续大气压接口质谱仪的任何电路硬件与机械结构，只需要改变控制时序即可实现装置，但却因捕获装置的离子富集功能获得微型质谱仪灵敏度和检测限的提升。

附图说明

图1是本发明一实施例采用不连续的大气压接口的离子漏斗与线性离子阱（LIT）级联的微型质谱仪的结构示意图；

图2是本发明另一实施例采用不连续的大气压接口的四极离子阱（QIT）与线性离子阱（LIT）级联的微型质谱仪的结构示意图；

图3是本发明又一实施例采用不连续的大气压接口的线性离子阱（LIT）与线性离子阱（LIT）级联的微型质谱仪的结构示意图；

图4a是本发明DAPI结构质谱仪开启1次时，记录的0.1ppm（千万分之一）浓度的恩诺杀星溶液电喷雾电离后获得的质谱图，离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图4b是本发明DAPI结构质谱仪开启5次时，记录的0.1ppm（千万分之一）浓度的恩诺杀星溶液电喷雾电离后获得的质谱图，离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图4c是本发明DAPI开启10次时，记录的0.1ppm（千万分之一）浓度的恩诺杀星溶液电喷雾电离后获得的质谱图，离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图4d是本发明DAPI开启15次时，记录的0.1ppm（千万分之一）浓度的恩诺杀星溶液电喷雾电离后获得的质谱图，离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图5a是本发明DAPI开启1次时，记录的0.05ppm（亿万分之五）浓度的恩诺杀星和0.05ppm（亿万分之五）浓度的利血平混合溶液在电喷雾电离后获得的质谱图，其中离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图5b是本发明DAPI开启5次时，记录的0.05ppm（亿万分之五）浓度的恩诺杀星和0.05ppm（亿万分之五）浓度的利血平混合溶液在电喷雾电离后获得的质谱图，其中离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图5c是本发明DAPI开启10次时，记录的0.05ppm（亿万分之五）浓度的恩诺杀星和0.05ppm（亿万分之五）浓度的利血平混合溶液在电喷雾电离后获得的质谱图，其中离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms；

图5d是本发明DAPI开启15次时，记录的0.05ppm（亿万分之五）浓度的恩诺杀星和0.05ppm（亿万分之五）浓度的利血平混合溶液在电喷雾电离后获得的质谱图，其中离子导入时间为5ms，DAPI开启间隔为350ms。

其中，夹管阀1，硅橡胶管2，第一毛细管3，第二毛细管4，第一级真空腔5，第二级真空腔6，采样锥7，初级泵8，次级泵9。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

一种微型质谱仪，包括：

电离源，其用于在基本处于大气压的区域内把样品分子转变为气相离子；

捕获装置，其用于捕获并存储离子；

不连续的大气压接口装置，其用于把离子从基本处于大气压的区域传送到压强降低的至少一个其他区域，其中大气压接口装置包括用于控制离子进入或停止进入捕获装置的阀门，通过多次打开阀门，以不连续的方式将离子传送至捕获装置内，捕获并富集离子；

质量分析器，与捕获装置级联，用于操控其内的离子按质量大小顺序离开；

检测器，用于将离子转换为电信号；

电路，为包括捕获装置和质量分析器在内的装置工作提供所需的电信号；

真空腔体，用于放置需要在低于大气压的压强环境下工作的包括捕获装置、质量分析器、检测器在内的一个或多个装置；

真空泵，用于将真空腔体内的气压抽至低于大气压；

气压计，用于监测真空腔内的气压；

计算机，用于处理电信号数据。

由电路控制质谱分析时序，一个周期的质谱分析时序按以下步骤：第一阶段，阀门关闭，捕获装置、质量分析器和检测器均不工作；第二阶段阀门多次打开与关闭，引导离子多次不连续进入捕获装置，此时捕获装置工作，捕获并富集离子，质量分析器与检测器不工作；第三阶段，阀门保持关闭，将捕获装置中捕获并富集的离子传输至质量分析器，质量分析器和检测器工作，获得反映质谱数据的电信号；第四阶段，电信号经电路处理后传输至计算机，由软件进行数据处理，获得质谱图。由此，本发明相比传统不连续大气压接口的质谱仪，并不增加任何电路硬件与机械结构，只需要改变电路控制时序，但却因捕获装置的离子富集功能获得微型质谱仪灵敏度和检测限的提升。

阀门的每次开启时长满足以下条件：保证气压计监测到的最大气压均在捕获装置和真空泵正常工作的气压范围内。通过气压计监测气压，控制每次阀门开启的时长，阀门开启时间不可过长，以保证最大气压在捕获装置和真空泵（尤其是分子泵）可以正常工作的气压范围内；阀门开启时间亦不可过短，以保证每次阀门开启均有足够的离子进入到捕获装置。

根据不同检测需要，电离源采用以下任意一种：电喷雾电离、纳喷雾电离、大气压基质辅助激光解析电离、大气压化学电离、解析电喷雾电离、实时直接分析电离、大气压介质阻挡放电电离、大气压低温等离子体解吸电离、电喷雾辅助激光解吸电离。

不连续的大气压接口装置还包括：管、第一毛细管和第二毛细管，管安装于阀门中且所述阀门夹持于管的中部，第一毛细管插入管的第一端，第二毛细管插入管的第二端，且第一毛细管和第二毛细管均不与管和阀门夹持的部分重叠，第一毛细管连通大气压，第二毛细管连接捕获装置的入口。

阀门选自夹管阀、针阀、挡板阀；管由惰性橡胶材料构成，惰性橡胶材料包括硅橡胶、导电橡胶、防静电橡胶，其中导电橡胶与防静电橡胶的掺杂材料为碳或其他导电金属；第一毛细管和第二毛细管均由惰性金属材料构成，第一毛细管和第二毛细管的外径均略大于管的内径，以保证气密性。

捕获装置为质谱仪的一种离子存储装置或具有离子捕获能力的质量分析器。

根据不同检测需要，离子存储装置选自离子漏斗或静电透镜：质量分析器选自四级离子阱、矩形离子阱、圆柱形离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱中任意一种。

捕获装置与质量分析器放置于同一个真空腔体内或分别放置于两个级联的真空腔体内。捕获装置与质量分析器为级联方式时，离子先由捕获装置富集，后经过引导装置进入质量分析器做进一步分析。

两个级联的真空腔体之间还设置有用于引导离子从捕获装置进入质量分析器的离子引导装置，离子引导装置选自采样锥或离子导引杆。

不连续的大气压接口装置与捕获装置、质量分析器同轴设置，或者不连续的大气压接口装置与捕获装置、质量分析器偏轴设置。

检测器选自电子倍增管、法拉第杯、光电倍增管、微通道板；气压计选自皮拉尼真空计、热电偶真空计、热阴极真空计、冷阴极真空计。

对于使用不连续大气压接口（DAPI）的微型质谱仪，虽然DAPI结构可以在保证一定离子传输效率的条件下缩小微型质谱仪的体积和重量，但相比于连续进样的API结构的质谱仪，总的进入质量分析器的离子仍然较少，从而导致DAPI结构的质谱仪的灵敏度和检测限均不如连续进样API结构的微型质谱仪。连续进样的API结构可以通过延长离子导入时间增加总的进入质量分析器的离子，从而提高仪器的灵敏度和检测限。但是，DAPI结构的微型质谱仪的离子导入时间无法任意延长。因为一旦夹管阀开启导入离子，真空腔体内的气压会迅速上升，为维持离子阱等离子捕获装置在离子冷却阶段所需的最低气压，以及维持涡轮分子泵正常工作所需的最低气压，夹管阀的开启时间不能无限延长，从而导致在阀门开启阶段进入质量分析器总的离子数量是有限的，从而进一步限制了DAPI结构的微型质谱仪的灵敏度和检测限。此外，在夹管阀开启后，离子会随高速气流进入真空腔体，高速气流会对质量分析的质量稳定性和离子峰强度的稳定性造成负面影响。

本发明提出的采用DAPI结构，捕获装置和质量分析器级联的微型质谱仪，可采用多次开启和关闭DAPI结构中的阀，同时期间保持捕获装置工作，可以有效富集离子，并将富集完毕的离子传输至质量分析器工作。本发明的微型质谱仪相比传统DAPI结构的质谱仪，灵敏度、检测限、质量稳定性和离子峰强度稳定性均有提升；本发明的微型质谱仪相比传统连续进样结构的质谱仪，由于采用DAPI结构，可采用抽速更小的真空泵，因此质谱仪的体积、重量和功耗可以显著降低。

实施例1

本发明的微型质谱仪一个典型实施例为，采用DAPI的两级差动泵结构的质谱仪，如图1所示，使用阀门1来打开和关闭将大气压与真空区域连通的硅橡胶管2的通路。使用常闭夹管阀（P045A103L0A00F1, ASCO Valve Inc., Florham Park, NJ）来控制离子的导入与关断。与大气压相连的第一毛细管3（采用不锈钢毛细管）的内径为0.5mm（毫米），外径为1.6mm（1/16’’，1/16英寸），长度为5cm（厘米）。与真空腔相连的第二毛细管4（采用不锈钢毛细管）的内径为1mm（毫米），外径为1.6mm（1/16’’，1/16英寸），长度为5cm（厘米）。两不锈钢毛细管均接地。硅橡胶管2的材料为掺碳导电硅橡胶管，内径为1.3mm（毫米），外径为3.2mm（1/8’’，1/8英寸），长度为3cm（厘米）。第一级真空腔5内为离子漏斗，可实现多次开启和关闭夹管阀期间捕获并富集离子。第二级真空腔6内为线性离子阱（LIT），负责将捕获并富集的离子作质量分析。线性离子阱两端的端电极上分别施加直流电压，控制离子的导入和存储。第一级和第二级真空腔之间为采样锥7，孔径为0.2mm（毫米）。第一级真空腔5和第二级真空腔6的体积分别为约300cm³（立方厘米）和约200cm³（立方厘米）。初级泵8为隔膜泵抽速为4 L/min（升/分钟）（MVP 003-2, Pfeiffer Vacuum, Germany），次级泵9为涡轮分子泵抽速为10 L/s（升/秒）（HiPace 10, Pfeiffer Vacuum, Germany），第二级真空腔6最低能抽到2×10^-5Torr以下。电子倍增管Em（Model 382，Detector Technology, Inc.）负责采集离子电流信号，真空规（MKS 925C, MKS Instruments, Inc. Wilmington, MA）负责监测气压值。

使用微型质谱仪的一个完整的质谱分析时序通常为（但不限于）：离子多次导入和冷却富集、射频扫描。第一阶段，在大气压离子源持续电离产生离子的过程中，由电路控制在夹管阀1上施加24VDC（直流电），打开DAPI通道，夹管阀上施加电压持续时间典型的值为几毫秒至几十毫秒，确保最大气压为初级泵8和次级泵9可以正常工作的气压，尤其是次级的涡轮分子泵；然后电路控制夹管阀1上掉电，关闭DAPI通道；等待一段时间至气压重新下降至合适的气压值，实验获得最优值在1mTorr左右，重新施加24VDC开启夹管阀，如此循环往复，多次开启夹管阀。自第一次开启夹管阀时刻开始，在离子漏斗上施加射频电压，同时在离子漏斗的第一片和最后一片电极上施加合适的直流电压，用以冷却和捕获导入的离子，并在夹管阀1多次开启和关闭期间保持射频电压的加载，使得离子漏斗可以持续捕获并富集离子，夹管阀1多次开启和关闭期间，第二级真空腔6内的线性离子阱和电子倍增管均不施加电压；第二阶段，待最后一次关闭夹管阀1，并等待气压重新下降至合适气压，本实验选取低于2×10^-5Torr以获得更好的质量分辨率，离子漏斗每一片电极上施加轴向直流电压，将离子由采样锥导入第二级真空腔中的线性离子阱中，此线性离子阱上施加射频电压，用以捕获离子，靠近采样锥的线性离子阱端电极Ⅰ接地，远离采样锥的线性离子阱端电极Ⅱ加载300VDC直流电压，以抵消轴向离子动能，帮助线性离子阱冷却和捕获离子，此离子导入和冷却过程持续时间为几毫秒，在此期间电子倍增管仍然不施加电压，夹管阀保持关闭；第三阶段，线性离子阱上施加射频扫描电压和交流共振激发电压，实现质量扫描，两个端电极上加载同样的300VDC直流电压，在此期间电子倍增管上施加1300VDC直流电压，用来将离子信号放大为电流信号，夹管阀保持关闭；第四阶段，扫描完毕后，靠近采样锥的加载300VDC直流电压，远离采样锥的端电极接地，排出剩余离子，关闭电子倍增管上、线性离子阱和离子漏斗上所有加载电压，一个完整的质谱分析周期结束。

可将上述实施例中的质谱仪的第一级真空腔5内的离子漏斗更换成四极离子阱（QIT），其他保持不变，如图2所示，其工作时序也与上述使用离子漏斗的实施例雷同，不在赘述。

可将上述实施例中的质谱仪的第一级真空腔5内的离子漏斗更换成线性离子阱（LIT），其他保持不变，如图3所示，其工作时序也与上述使用离子漏斗的实施例雷同，不在赘述。

可将上述实施例中质谱仪的第二级真空腔内的线性离子阱质量分析器换成四级杆、四级离子阱、矩形离子阱、圆柱形离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱、飞行时间质量分析器，其他保持不变，工作时序除第三阶段质量扫描的时序根据特定的质量分析器有所不同外，其他均与上述实施例的时序一致。

上述实施例中由于第二级真空腔体内的质量分析器均为离子阱，因此均支持串联质谱分析，质谱仪结构无变化，具体时序按照串联质谱分析时序。

使用0.1ppm的恩诺杀星溶液，溶剂为1:1体积比的甲醇∶水与0.1%甲酸混合；夹管阀开启时间为5ms，开启间隔为350ms，图4a为夹管阀开启1次的质谱图，图4b为夹管阀开启5次的质谱图，图4c为夹管阀开启10次的质谱图，图4d为夹管阀开启15次的质谱图，可以发现，本发明的微型质谱仪随着夹管阀开启次数的增多，在离子富集作用下，离子强度从1次开启的3560增加到15次开启的32167，有明显提升效果。其中，夹管阀开启时间为5ms，开启间隔为350ms为本实施例中的优化后的参数，根据不同的腔体大小、泵抽速、第一、第二毛细管的长度和内径以及检测需要，夹管阀的开启时间和开启间隔的优化值会有所不同，但都包含在本发明的构思和保护范围内。

使用0.05ppm（亿万分之五）浓度的恩诺杀星和0.05ppm（亿万分之五）浓度的利血平混合溶液，溶剂为1:1体积比的甲醇∶水与0.1%甲酸混合；夹管阀开启时间为5ms，开启间隔为350ms，图5a为夹管阀开启1次的质谱图，图5b为夹管阀开启5次的质谱图，图5c为夹管阀开启10次的质谱图，图5d为夹管阀开启15次的质谱图，可以发现，本发明随着夹管阀开启次数的增多，在离子富集作用下，两种样品的离子强度均有明显提升。

图4和图5的实验结果充分说明了本发明的微型质谱仪在离子富集方面具备较大优势，从而能够大幅提高微型质谱仪的灵敏度和检测限。此外，由于离子富集效果，可降低阀开启时高速气流对离子强度稳定性的影响，从而提高微型质谱仪的信号稳定性。本发明相比传统连续大气压接口的质谱仪的优点是通过使用不连续的大气压接口，可以降低系统对真空泵抽速的要求，从而减小质谱仪的体积、重量和功耗。上述实验结果足以说明本发明一种微型质谱仪的可行性和有效性。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种微型质谱仪，其特征在于，包括：

电离源，其用于在基本处于大气压的区域内把样品分子转变为气相离子；

捕获装置，其用于捕获并存储离子；

不连续的大气压接口装置，其用于把离子从所述基本处于大气压的区域传送到压强降低的至少一个其他区域，其中所述大气压接口装置包括用于控制离子进入或停止进入所述捕获装置的阀门，通过多次打开所述阀门，以不连续的方式将离子传送至所述捕获装置内，捕获并富集离子；

质量分析器，与所述捕获装置级联，用于操控其内的离子按质量大小顺序离开；

检测器，用于将离子转换为电信号；

电路，为包括所述捕获装置和所述质量分析器在内的装置工作提供所需的电信号；

真空腔体，用于放置需要在低于大气压的压强环境下工作的包括所述捕获装置、所述质量分析器、所述检测器在内的一个或多个装置；

真空泵，用于将所述真空腔体内的气压抽至低于大气压；

气压计，用于监测所述真空腔内的气压；

计算机，用于处理所述电信号数据；

所述微型质谱仪由所述电路控制质谱分析时序，一个周期的所述质谱分析时序按以下步骤：第一阶段，所述阀门关闭，所述捕获装置、所述质量分析器和所述检测器均不工作；第二阶段所述阀门多次打开与关闭，引导离子多次不连续地进入所述捕获装置，此时所述捕获装置工作，捕获并富集离子，所述质量分析器与所述检测器不工作；第三阶段，所述阀门保持关闭，将所述捕获装置中捕获并富集的离子传输至所述质量分析器，所述质量分析器和所述检测器工作，获得反映质谱数据的电信号；第四阶段，电信号经所述电路处理后传输至所述计算机，由软件进行数据处理，获得质谱图；其中所述阀门的每次开启时长满足以下条件：保证所述气压计监测到的最大气压均在所述捕获装置和所述真空泵正常工作的气压范围内。

2.根据权利要求1所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述电离源采用以下任意一种：电喷雾电离、纳喷雾电离、大气压基质辅助激光解析电离、大气压化学电离、解析电喷雾电离、实时直接分析电离、大气压介质阻挡放电电离、大气压低温等离子体解吸电离、电喷雾辅助激光解吸电离。

3.根据权利要求1所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述不连续的大气压接口装置还包括：管、第一毛细管和第二毛细管，所述管安装于所述阀门中且所述阀门夹持于管的中部，所述第一毛细管插入所述管的第一端，所述第二毛细管插入所述管的第二端，且所述第一毛细管和所述第二毛细管均不与所述阀门夹持的部分重叠，所述第一毛细管连通大气压，所述第二毛细管连接所述捕获装置的入口。

4.根据权利要求3所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述阀门选自夹管阀、针阀、挡板阀；所述管由惰性橡胶材料构成，所述惰性橡胶材料包括硅橡胶、导电橡胶、防静电橡胶，其中导电橡胶与防静电橡胶的掺杂材料为碳或其他导电金属；所述第一毛细管和所述第二毛细管均由惰性金属材料构成，所述第一毛细管和所述第二毛细管的外径均略大于所述管的内径。

5.根据权利要求1所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述捕获装置为质谱仪的一种离子存储装置或具有离子捕获能力的质量分析器。

6.根据权利要求5所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述离子存储装置选自离子漏斗或静电透镜：所述质量分析器选自四级离子阱、矩形离子阱、圆柱形离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱中任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述捕获装置与所述质量分析器放置于同一个所述真空腔体内或分别放置于两个级联的所述真空腔体内。

8.根据权利要求7所述的一种微型质谱仪，其特征在于，两个级联的所述真空腔体之间还设置有用于引导离子从所述捕获装置进入所述质量分析器的离子引导装置，所述离子引导装置选自采样锥或离子导引杆。

9.根据权利要求1所述的一种微型质谱仪，其特征在于，所述检测器选自电子倍增管、法拉第杯、光电倍增管、微通道板；所述气压计选自皮拉尼真空计、热电偶真空计、热阴极真空计、冷阴极真空计。