CN113063836B - 一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法。质谱联用装置包括一密闭的容器，于容器内设有从左至右依次平行、间隔地设有5个中部带有通孔的板状电极，板状电极的四周边缘与容器内壁面密闭连接，将容器从左至右分隔成依次相邻设置的电离源腔体，离子迁移谱腔体，碰撞池腔体，射频传输区腔体，静电透镜腔体和质量分析器腔体。所述的同分异构体在线分析方法，利用软电离源产生待测物分子离子/准分子离子，通过离子迁移谱对空间结构不同的同分异构体离子进行一维分离，再由质谱仪检测化合物的分子量，同时结合碰撞池对化合物离子的解离得到分子官能团和结构信息，最终实现同分异构体混合物的在线分析。

Description

一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器和方法，特别涉及一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法。具体的说是将具有化合物分子空间结构分辨能力的离子迁移谱和分子质量分析能力的质谱进行联用，并结合碰撞池对化合物离子的解离得到分子官能团和结构信息，以实现同分异构体混合物的在线分析。

背景技术

同分异构体是一类有相同分子式而有不同的原子排列的化合物，也即具有相同的分子式，但不同的结构。同分异构体的分子结构不同，导致其物理性质和化学性质也不相同。同分异构现象是有机化合物种类繁多数量巨大的原因之一。同分异构体测量的通用方法是利用气相色谱(GC)，以及气相色谱-质谱联用(GC-MS)进行定性和定量分析，如美国EPAMethod 524.2、524.2和我国国家标准GB/T 17130-1997等。但是这些基于色谱的方法，都是采用离线分析的方式将采集到的样品进过复杂的预处理和富集后，经过气相色谱(GC)或气相色谱-质谱(GC-MS)中进行定性和定量分析，通常需要几十分钟，耗时长，难以用于快速变化过程的研究。同分异构体混合物的快速、在线测量一直以来都是分析化学领域颇具挑战的难题。

基于“软电离源”的直接在线质谱技术具有分析速度快、灵敏度高、定性和定量分析能力强的优势，如光电离源(PI)、化学电离源(CI)、电喷雾电离源(ESI)或基质辅助激光解吸电离源等，可有效解决传统电子轰击电离(EI)技术因碎片化程度高而产生的谱峰重叠问题，使其能够用于混合物样品的快速分析[中国发明专利：201010567335.3，201610116956.7]。然而，同分异构体具有相同分子式，即相同分子量，在软电离质谱图中往往仅表现为质荷比相同的单一质谱峰，特征碎片离子峰的缺失使其无法获得分子结构相关信息，因此难以实现同分异构体的准确定性。离子迁移谱(IMS)是一种按照待测物离子迁移率K的不同，实现气相离子分离和测量的技术。K不仅与离子质荷比相关，还取决于离子与载气分子间的碰撞截面，即离子空间结构。因此，分子质量相同但空间结构不同的同分异构体具有不同的迁移率，从而能在IMS中得到分离和检测。

由此，本发明设计了一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法，将离子迁移谱和质谱进行联用，利用离子迁移谱的分子空间结构分辨能力和质谱的分子质量分析能力，并结合软电离源的优势，最终实现同分异构体混合物的在线分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法，将离子迁移谱的分子空间结构分辨能力和质谱的分子质量分析能力相互结合，并利用软电离源和碰撞池解离方法快速获取同分异构体的特征碎片和结构信息，进而实现复杂同分异构体混合物的快速在线分析。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置，包括一密闭的容器，于容器内设有从左至右依次平行、间隔地设有5个中部带有通孔的板状电极，板状电极的四周边缘与容器内壁面密闭连接，将容器从左至右分隔成依次相邻设置的电离源腔体，离子迁移谱腔体，碰撞池腔体，射频传输区腔体，静电透镜腔体和质量分析器腔体；于电离源腔体内部设置有电离源；于离子迁移谱腔体内部设置有迁移管电极；于碰撞池腔体内部设置有碰撞池；于射频传输区腔体内部设置有射频传输电极；于静电透镜腔体内部设置有静电离子透镜，于质量分析器腔体内部设置有质量分析器；于电离源腔体，离子迁移谱腔体，碰撞池腔体，射频传输区腔体，静电透镜腔体和质量分析器腔体所在容器的侧壁上均分别开设有真空泵接口；

一样品气体进样管穿过电离源腔体所在容器的外壁伸入在电离源腔体内部，样品气体进样管的气体出口端面向电离源的电离区内部，样品气体进样管的气体入口端与外部的样品气源相连，用于将样品气体引入电离源的电离区内部；

迁移管电极为2块或3块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中部设置有同轴的离子通孔；于离子迁移谱腔体内部靠近电离源腔体一侧的迁移管电极上设置有离子门；

一碰撞气体进样管穿过碰撞池腔体所在容器的外壁伸入在碰撞池腔体内部，碰撞气体进样管的气体出口端设置于碰撞池的内部，碰撞气体进样管的气体入口端与外部的碰撞气源相连，用于将碰撞气体引入碰撞池内部；于碰撞池腔体靠近离子迁移谱腔体一侧的表面上设置有用于离子入射的通孔，于池腔体靠近射频传输区腔体一侧的表面上设置有用于离子出射的通孔；

射频传输电极由4根、6根或8根平行设置的金属圆杆组成的四极杆、六极杆或八极杆电极；静电离子透镜为1块或2块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中心部位设置有同轴的离子通孔。

离子依次经电离源腔体，离子迁移谱腔体，碰撞池腔体，射频传输区腔体和静电透镜腔体后到达质量分析器腔体，在质量分析器中进行质量分析。

碰撞池腔体为左右二端壁面中部带有对应通孔的密闭容器；于碰撞池腔体内部设置有2块或3块以上的电极，于电极上施加直流或射频电压形成解离电场。

所述的电离源为光电离源、化学电离源、电喷雾电离源或基质辅助激光解吸电离源中的一种或二种以上；

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、磁式质量分析器或飞行时间质量分析器。

一种采用上述装置进行同分异构体混合物在线分析的方法，包括以下步骤：

A.通过样品气体进样管向电离源内通入待测样品，产生的样品分子离子/准分子离子在迁移管电极中按照离子迁移率的不同，实现不同空间结构离子的分离；

B.样品分子离子/准分子离子依次经过碰撞池，射频传输电极和静电离子透镜进入质量分析器进行质量分析，得到样品分子质量信息；

C.向碰撞池中充入碰撞气体，并增大碰撞池中的解离电场强度，使样品分子离子/准分子离子解离产生特征碎片离子；

D.样品特征碎片离子依次经过碰撞池，射频传输电极和静电离子透镜进入质量分析器进行质量分析，得到样品分子结构信息；

E.根据所得到的分子质量信息和分子结构信息，实现同分异构体混合物的在线分析。

本发明提供的同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置和方法，将具有化合物分子空间结构分辨能力的离子迁移谱和分子质量分析能力的质谱进行联用，利用软电离源产生待测物分子离子/准分子离子，通过离子迁移谱对空间结构不同的同分异构体离子进行一维分离，再由质谱仪检测化合物的分子量，同时结合碰撞池对化合物离子的解离得到分子官能团和结构信息，最终实现同分异构体混合物的在线分析。

附图说明

图1为本发明的一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置的结构示意图。

图2为本发明的一种采用上述质谱联用装置进行同分异构体混合物分析方法示意图。

图3为本发明的其中一种采用光电离源和飞行时间质量分析器的同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置，包括一密闭的容器，于容器内设有从左至右依次平行、间隔地设有5个中部带有通孔的板状电极，板状电极的四周边缘与容器内壁面密闭连接，将容器从左至右分隔成依次相邻设置的电离源腔体1，离子迁移谱腔体2，碰撞池腔体3，射频传输区腔体4，静电透镜腔体5和质量分析器腔体6；于电离源腔体1内部设置有电离源7；于离子迁移谱腔体2内部设置有迁移管电极9；于碰撞池腔体3内部设置有碰撞池10；于射频传输区腔体4内部设置有射频传输电极11；于静电透镜腔体5内部设置有静电离子透镜12，于质量分析器腔体6内部设置有质量分析器13；于电离源腔体1，离子迁移谱腔体2，碰撞池腔体3，射频传输区腔体(4)，静电透镜腔体5和质量分析器腔体6所在容器的侧壁上均分别开设有真空泵接口；

一样品气体进样管14穿过电离源腔体1所在容器的外壁伸入在电离源腔体1内部，样品气体进样管14的气体出口端面向电离源7的电离区内部，样品气体进样管14的气体入口端与外部的样品气源15相连，用于将样品气体引入电离源7的电离区内部；

迁移管电极9为2块或3块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中部设置有同轴的离子通孔；于离子迁移谱腔体2内部靠近电离源腔体1一侧的迁移管电极9上设置有离子门8；

一碰撞气体进样管16穿过碰撞池腔体3所在容器的外壁伸入在碰撞池腔体3内部，碰撞气体进样管16的气体出口端设置于碰撞池10的内部，碰撞气体进样管16的气体入口端与外部的碰撞气源17相连，用于将碰撞气体引入碰撞池10内部；于碰撞池腔体3靠近离子迁移谱腔体2一侧的表面上设置有用于离子入射的通孔，于池腔体3靠近射频传输区腔体4一侧的表面上设置有用于离子出射的通孔；

射频传输电极11由4根、6根或8根平行设置的金属圆杆组成的四极杆、六极杆或八极杆电极；静电离子透镜12为1块或2块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中心部位设置有同轴的离子通孔。

离子依次经电离源腔体1，离子迁移谱腔体2，碰撞池腔体3，射频传输区腔体4和静电透镜腔体5后到达质量分析器腔体6，在质量分析器13中进行质量分析。

碰撞池腔体3为左右二端壁面中部带有对应通孔的密闭容器；于碰撞池腔体3内部设置有2块或3块以上的电极，于电极上施加直流或射频电压形成解离电场。

采用上述装置进行同分异构体混合物在线分析的方法，参阅图2，包括以下步骤：

A.通过样品气体进样管14向电离源7内通入待测样品，产生的样品分子离子/准分子离子在迁移管电极9中按照离子迁移率的不同，实现不同空间结构离子的分离；

B.样品分子离子/准分子离子依次经过碰撞池10，射频传输电极11和静电离子透镜12进入质量分析器13进行质量分析，得到样品分子质量信息；

C.向碰撞池10中充入碰撞气体17，并增大碰撞池10中的解离电场强度，使样品分子离子/准分子离子解离产生特征碎片离子；

D.样品特征碎片离子依次经过碰撞池10，射频传输电极11和静电离子透镜12进入质量分析器13进行质量分析，得到样品分子结构信息；

E.根据所得到的分子质量信息和分子结构信息，实现同分异构体混合物的在线分析。

实施例1

本发明的其中一种采用光电离源和飞行时间质量分析器的同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置，如图3所示。所述的电离源7为光电离源；所述的质量分析器13为飞行时间质量分析器，采用了垂直加速反射式的结构设计。

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 (5)

1.一种用于同分异构体混合物在线分析的质谱联用装置，包括一密闭的容器，于容器内设有从左至右依次平行、间隔地设有5个中部带有通孔的板状电极，板状电极的四周边缘与容器内壁面密闭连接，将容器从左至右分隔成依次相邻设置的电离源腔体（1），离子迁移谱腔体（2），碰撞池腔体（3），射频传输区腔体（4），静电透镜腔体（5）和质量分析器腔体（6）；于电离源腔体（1）内部设置有电离源（7）；于离子迁移谱腔体（2）内部设置有迁移管电极（9）；于碰撞池腔体（3）内部设置有碰撞池（10）；于射频传输区腔体（4）内部设置有射频传输电极（11）；于静电透镜腔体（5）内部设置有静电离子透镜（12），于质量分析器腔体（6）内部设置有质量分析器（13）；于电离源腔体（1），离子迁移谱腔体（2），碰撞池腔体（3），射频传输区腔体（4），静电透镜腔体（5）和质量分析器腔体（6）所在容器的侧壁上均分别开设有真空泵接口，其特征在于：

一样品气体进样管（14）穿过电离源腔体（1）所在容器的外壁伸入在电离源腔体（1）内部，样品气体进样管（14）的气体出口端面向电离源（7）的电离区内部，样品气体进样管（14）的气体入口端与外部的样品气源（15）相连，用于将样品气体引入电离源（7）的电离区内部；

迁移管电极（9）为2块或3块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中部设置有同轴的离子通孔；于离子迁移谱腔体（2）内部靠近电离源腔体（1）一侧的迁移管电极（9）上设置有离子门（8）；

一碰撞气体进样管（16）穿过碰撞池腔体（3）所在容器的外壁伸入在碰撞池腔体（3）内部，碰撞气体进样管（16）的气体出口端设置于碰撞池（10）的内部，碰撞气体进样管（16）的气体入口端与外部的碰撞气源（17）相连，用于将碰撞气体引入碰撞池（10）内部；于碰撞池腔体（3）靠近离子迁移谱腔体（2）一侧的表面上设置有用于离子入射的通孔，于池腔体（3）靠近射频传输区腔体（4）一侧的表面上设置有用于离子出射的通孔；

射频传输电极（11）由4根、6根或8根平行设置的金属圆杆组成的四极杆、六极杆或八极杆电极；静电离子透镜（12）为1块或2块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中心部位设置有同轴的离子通孔；

包括以下步骤：

A. 通过样品气体进样管（14）向电离源（7）内通入待测样品，产生的样品分子离子/准分子离子在迁移管电极（9）中按照离子迁移率的不同，实现不同空间结构离子的分离；

B. 样品分子离子/准分子离子依次经过碰撞池（10），射频传输电极（11）和静电离子透镜（12）进入质量分析器（13）进行质量分析，得到样品分子质量信息；

C. 向碰撞池（10）中充入碰撞气体（17），并增大碰撞池（10）中的解离电场强度，使样品分子离子/准分子离子解离产生特征碎片离子；

D. 样品特征碎片离子依次经过碰撞池（10），射频传输电极（11）和静电离子透镜（12）进入质量分析器（13）进行质量分析，得到样品分子结构信息；

E. 根据所得到的分子质量信息和分子结构信息，实现同分异构体混合物的在线分析。

2.根据权利要求1所述的质谱联用装置，其特征在于：

离子依次经电离源腔体（1），离子迁移谱腔体（2），碰撞池腔体（3），射频传输区腔体（4）和静电透镜腔体（5）后到达质量分析器腔体（6），在质量分析器（13）中进行质量分析。

3.根据权利要求1所述的质谱联用装置，其特征在于：

碰撞池腔体（3）为左右二端壁面中部带有对应通孔的密闭容器；于碰撞池腔体（3）内部设置有2块或3块以上的电极，于电极上施加直流或射频电压形成解离电场。

4.根据权利要求1-3任一所述的质谱联用装置，其特征在于：

所述的电离源（7）为光电离源、化学电离源、电喷雾电离源或基质辅助激光解吸电离源中的一种或二种以上；

所述的质量分析器（13）为四极杆质量分析器、离子阱质量分析器、磁式质量分析器或飞行时间质量分析器。

5.一种采用权利要求1-4任一所述装置进行同分异构体混合物在线分析的方法，包括以下步骤：

A. 通过样品气体进样管（14）向电离源（7）内通入待测样品，产生的样品分子离子/准分子离子在迁移管电极（9）中按照离子迁移率的不同，实现不同空间结构离子的分离；

B. 样品分子离子/准分子离子依次经过碰撞池（10），射频传输电极（11）和静电离子透镜（12）进入质量分析器（13）进行质量分析，得到样品分子质量信息；

C. 向碰撞池（10）中充入碰撞气体（17），并增大碰撞池（10）中的解离电场强度，使样品分子离子/准分子离子解离产生特征碎片离子；

D. 样品特征碎片离子依次经过碰撞池（10），射频传输电极（11）和静电离子透镜（12）进入质量分析器（13）进行质量分析，得到样品分子结构信息；

E. 根据所得到的分子质量信息和分子结构信息，实现同分异构体混合物的在线分析。

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