CN113178380A

CN113178380A - 一种大气压电离质谱仪

Info

Publication number: CN113178380A
Application number: CN202110415753.9A
Authority: CN
Inventors: 曹路; 宋凤麒; 刘翊; 张同庆
Original assignee: Jiangsu Jichuang Atomic Cluster Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Jiangsu Jichuang Atomic Cluster Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2021-07-27

Abstract

一种大气压电离质谱仪，包括一个或多个中间真空室，所述一个或多个中间真空室用于在大气压下产生离子的电离室与用于在高真空下进行质量分离和检测离子的分析室之间，其中：将电离室和相邻的第一级中间真空室隔开的隔壁或使这两个室彼此连通的离子导入部的出口端用作第一电极；分隔第一级中间真空室和第二级中间真空室或下一级分析室的隔壁，或者是使这两个室彼此连通的离子传输部分的入口端，用作第二电极；和在第一级中间真空室中设置有用于产生电场的离子传输电极，该电场用于在聚集离子的同时传输离子；还包括第一电压设置部分和第二电压设置部分。

Description

一种大气压电离质谱仪

技术领域

本发明涉及一种大气压电离质谱仪技术领域，即大气压电离质谱仪，其中液体样品基本上在大气压下被电离，并且在液相色谱质谱仪中那样在高真空下进行质谱分析。

背景技术

具有液相色谱(LC)和质谱仪(MS)彼此结合的液相色谱质谱仪(LC/MS)通常包括使用电子喷雾电离(ESI)的大气压离子源、大气压化学电离(APCI)或其他从液体样品中产生气态离子的方法。在使用大气压离子源的大气压电离质谱仪中，产生离子的电离室基本保持在大气压下，而其中有质量分离器(例如四极质量过滤器)和检测器的分析室所含物品必须保持高真空状态。为了满足这些条件，采用了多级差动泵系统，其中在电离室和分析室之间设有一个或多个中间真空室，以逐步提高真空度。

在大气压电离质谱仪中，在下一阶段，空气或气态溶剂流几乎连续地从电离室流到中间真空室。因此，尽管将中间真空室保持在真空气氛下，但是该室中的气压较高(通常约为100[Pa])。用于在如此高的气压下将离子有效地传输到下一阶段的系统的一个示例是一种离子导向器，该离子导向器由多个“虚拟”棒状电极组成，这些电极围绕离子束轴排列，每个虚拟棒状电极包括在离子轴方向上隔开间隔配置的多个平板电极的制造方法(参照专利文献1-3)。这样的离子导向器即使在高气压下也能够有效地将离子汇聚并将其传输到下一阶段，因此对于提高质谱的灵敏度是有用的。

关于这种多级差动泵系统，众所周知，当离子在第一级中间真空室中加速时，激发的离子与残留气体碰撞并产生碎片离子。此功能称为源内冲突诱导解离(CID)。通过对源内CID产生的碎片离子进行质谱分析，可以轻松分析物质的结构或其他方面。

通常，对于源内CID，将不同的电压施加到第一电极和第二电极，它们在离子在第一级中间真空室内沿离子的传播方向分开布置，从而产生直流电势差在两个电极之间，并通过具有该电位差的电场的作用使离子加速。在源内CID中离解离子的效率取决于赋予离子的能量。因此，在大气压电离质谱仪中进行的源内CID的常规模式中，调节施加至电极的电压，以使所讨论的离子的强度最大化。当不在大气压电离质谱仪中执行源内CID时(即，当不需要碎片离子时)，通常控制施加到电极的电压，以便在第一级中间真空室时间不发生离子加速。

但是，此常规系统具有以下问题：当将离子从保持在大气压下的电离室通过小直径毛细管和孔或类似结构引入第一级中间真空室时，由于绝热膨胀而使离子冷却。由于范德华力，冷却的离子更有可能结合在一起，形成簇离子(即大量离子)。当形成簇离子时，质谱上会出现意外的峰，从而使质谱的峰图变得复杂且难以分析。绝热膨胀还会使源自样品的离子与流动相中的溶剂分子结合，从而使质谱图的峰图更加复杂。在流动相中也可能发生溶剂离子的二聚体、三聚体等的生成，这形成了背景噪声并降低了色谱图的质量。

传统的大气压电离质谱仪都没有几乎没有考虑到由于以前述方式在第一级中间真空室内部产生的团簇离子等引起的背景噪声的影响，并且没有积极地努力减少这种噪声。到目前为止，已经认可：当出于源内CID的目的而调整施加到电极的电压以使目标离子的强度最大化时，该问题尤其明显。在这种条件下，尽管获得了很高的离解效率，但通常会产生相对少的簇离子，这可能会降低质谱图或色谱图的质量，从而使定性和/或结构分析变得困难感兴趣的物质。专利文献1：JP-A 2000-149865、专利文献2：JP-A 2001-101992、专利文献3：JP-A 2001-351563。

发明内容

本发明要解决的问题，鉴于前述问题而开发了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种常压电离质谱仪，其能够在源内CID的情况下通过增加碎片离子的量来提高灵敏度，同时防止形成会在色谱图等中引起背景噪声的簇离子。

本发明解决问题的技术方案：一种具有多级差动泵送系统的大气压(常压)电离质谱仪，其特征是，包括一个或多个中间真空室，所述一个或多个中间真空室用于在大气压下产生离子的电离室与用于在高真空下进行质量分离和检测离子的分析室之间，其中：

将电离室和相邻的第一级中间真空室隔开的隔壁或使这两个室彼此连通的离子导入部的出口端用作第一电极；

分隔第一级中间真空室和第二级中间真空室或下一级分析室的隔壁，或者是使这两个室彼此连通的离子传输部分的入口端，用作第二电极；和在第一级中间真空室中设置有用于产生电场的离子传输电极，该电场用于在聚集离子的同时传输离子；

所述常压电离质谱仪还包括：

a)第一电压设置部分，用于设置分别施加到第一电极和离子传输电极上的电压，以调节这两个电极之间的直流电势差，从而形成较少量的簇离子；和

b)第二电压设置部分，用于设置分别施加到离子传输电极和第二电极上的电压，以根据是否需要产生碎片离子来调节这两个电极之间的直流电势差。

在具有多级差动泵送系统的大气压电离质谱仪中，在中间真空室中通过源内CID形成簇离子和产生碎片离子，该真空室旁边设置的电离室基本上保持在通常从宏观角度将重点放在整个中间真空室上来理解大气压。相比之下，本申请的发明人已经注意到离子在中间真空室内的较小区域内的行为，并且通过实验发现，主要形成簇离子的区域与碎片离子的区域不同。

更具体地，已经发现形成簇离子的主要区域位于引入部分的出口端之间，该引入部分用于将来自电离室的离子(通常与微细液滴混合)引入离子到下一个中间真空中。腔室和离子传输光学系统(例如上述离子导向器)，而通过CID生成碎片离子的主要区域位于离子传输光学系统和用于从第一电极引入离子的引入部件的入口端之间。中间真空室进入第二级。两个区域的空间分隔即，形成簇离子的区域和产生碎片离子的区域，即使在同一中间真空室内，也可以独立控制每种离子的产生能力。这一发现构成了本发明的基础。

离子引入部分和离子传输部分的实例包括小直径毛细管，小直径管和具有孔的分离器。

离子传输电极通常是用于通过射频电场会聚离子的离子导向器或离子透镜，尽管还有许多其他变化。例如，可以使用具有多个棒状电极以包围离子束轴的方式配置的多极离子导向器(例如四极或八极)或现有专利文献中记载的虚拟棒式多极离子导向器。专利文献1-3是多极离子导向器的改进版本。由第一电极，离子传输电极和第二电极形成的离子束轴不必在直线上：可以偏转以去除中性粒子等。在产生会聚离子的高频电场的情况下，将在其上叠加有直流电压的射频电压施加到离子传输电极。

基本上，在根据本发明的大气压电离质谱仪中，第一电压设置部分分别向第一电极和离子传输电极施加适当的直流电压，以在两个电极之间的空间中产生离子加速电场。第一电极和离子传输电极。该电场使从电离室通过离子引入部引入到保持在较低气压的第一级中间真空室中的离子加速，从而防止离子容易形成团块。因此，抑制了簇离子的形成。以这种方式，减少了可引起背景噪声的簇离子的量，从而改善了质谱或色谱图的质量。

当需要进行源内CID时，第二电压设置部分分别向离子传输电极和第二电极施加适当的直流电压，以在离子传输电极之间的空间中产生离子加速电场。被该离子迁移电极会聚的离子被第二电极电场加速。如此激发的离子与残留气体发生碰撞，从而有效地分解成碎片离子。以这种方式，增加了碎片离子的量，从而可以以更高的灵敏度检测这些离子。

可以构造根据本发明的大气压电离质谱仪，使得使用者(操作者)可以通过使用标准物的分析结果来确定分别施加到第一电极，离子传输电极和第二电极的电压。样品等。还可以为该系统提供调节部分，该调节部分用于执行标准样品等的分析，同时以逐步的方式依次选择多个电压电平，并且基于调节结果自动确定最佳电压。分析(例如特定质荷比下的峰强度)。

有益效果：在根据本发明的大气压电离质谱仪中，当不应该进行源内CID时，即当不需要碎片离子时，可以同时将碎片离子的产生抑制到最低水平。通过抑制团簇离子的形成，从而获得背景噪声低的高质量质谱或色谱图。结果，定性分析的准确性将得到提高。此外，质谱将是简单且易于分析的。

附图说明

图1是作为本发明的一个实施方式的大气压电离质谱仪的整体结构图。

图2A是主要示出图1中的第一级中间真空室的详细图。

图2Ba-2Bc是示出离子束轴上的直流电流的示例的图。

图3A-3C是在不同电压施加条件下获得的总离子色谱图的测量实例。

图4A-4C是在不同电压施加条件下在特定时间点获得的质谱的测量实例。

图5A-5C是在不同电压施加条件下在特定时间点获得的质谱的测量实例。

具体实施方式

在下文中，参考附图描述根据本发明的大气压电离质谱仪的一个实施例。

图1是示出本实施例的大气压电离质谱仪的主要部件的示意性构造图。图2A是主要示出图1中的第一级中间真空室的详细图

本质谱仪包括：电离室1，其具有从液相色谱仪(未示出)的柱的出口端向其供应液体样品的喷嘴2；分析室12，其中四极质量过滤器13和提供检测器14，并且两个中间室6和9(第一级和第二级中间真空室)，每个中间室由电离室1和分析室12之间的分隔壁隔开。电离室1与第一级中间真空室6通过由块状加热器4加热的小直径去溶剂管(毛细管)3。第一级中间真空室6通过小通孔与第二级中间真空室9连通。在分离器8的顶部钻孔。第一级中间真空室6包含第一离子导向器7，该第一离子导向器7由多个虚拟杆状电极构成，该多个虚拟杆状电极布置为为了围绕离子束轴线C，每个虚拟杆电极由在离子束轴线C的方向上间隔开地布置的多个平板电极组成。第二级中间真空室9包括第二离子引导件10，第二离子引导件10由多个棒状电极(例如(8个棒状电极)以包围离子束轴线C的方式配置，各棒状电极平行于离子束轴线C延伸。

由于从喷嘴2连续供应的液体样品的溶剂的蒸气分子，用作离子源的电离室1的内部空间保持在大约大气压(约10⁵[Pa])。通过旋转泵15将中间真空室6抽真空至大约10²[Pa]的低真空，同时通过将第二级中间真空室9抽真空至大约10^-1至10^-2[Pa]的中等真空。最后，将分析室12通过另一涡轮分子泵抽空至大约10^-3至10^-4[Pa]的高真空状态。也就是说，在本质谱仪中采用的泵系统是多级差动泵系统，其中对于每个腔室，从电离室1到分析室12，真空度逐步增加。

在下文中示意性地描述了通过本大气压电离质谱仪进行的质谱操作。

从喷嘴2的尖端将液体样品喷射(“电喷射”)到电离室1中，并给其充电。在液滴中溶剂的汽化过程中，样品分子被电离。由于电离室1和第一级中间真空室6之间的压力差，其中混有液滴的离子云被吸入去溶剂化管3中。由于去溶剂化管3被加热到高温，因此在液滴通过去溶剂化管3的同时，进一步促进了溶剂的蒸发并且产生了更多的离子。

从去溶剂化管3的出口端喷射到第一级中间真空室6中的离子在施加到第一离子导向器7的射频电压所产生的射频电场的作用下会聚并传输。被聚焦到撇渣器8的孔8a附近并有效地通过孔8a。引入第二级中间真空室9的离子通过第二离子导向器10会聚并传输到分析室12中。在分析室12中，只有一种具有特定质荷比的离子与施加到四极质量过滤器13的电压相对应的离子可以通过该过滤器13。具有不同质荷比的其他离子仅耗散一半。通过四极质量过滤器13的离子到达检测器14，检测器14产生与离子量相对应的离子强度信号，并将该信号发送到数据处理器18。

当施加到四极质量过滤器13的电压在预定范围内连续变化时，通过该过滤器13的离子的质荷比相应地发生变化。数据处理器18处理与该质量扫描操作一起获得的数据以构建质谱。此外，数据处理器18处理通过重复质量扫描操作获得的数据，以构建总离子色谱图或质量色谱图。

如图2A所示，去溶剂管3的入口端3a位于电离室1中，而其出口端3b位于第一级中间真空室6中。由于两端之间的压力差，空气在电离室1内的内部连续地流过去溶剂化管3进入第一级中间真空室6。离子和样品液滴被该空气流通过去溶剂化管3。从出口端3b喷射到第一去离子室3中。阶段真空室6，离子和液滴被迅速冷却。由于绝热膨胀，冷却的离子容易形成簇离子。由于簇离子会引起背景噪声，因此应尽可能抑制其形成。另一方面，在源内CID的情况下，使激发离子与残留在第一级中间真空室6中的空气发生碰撞，需要利用大量的残留物。空气通过原始离子的解离产生大量碎片离子。

减少簇离子的有效方法是通过电场使离子加速。但是，正如已经说明的那样，加速离子会使它们更有能量，即使不执行源内CID也会增加碎片离子。这导致不期望的结果，例如感兴趣离子的峰值强度不足和/或质谱的复杂性增加。在本实施例的大气压电离质谱仪中，如下解决了这些问题：以下描述处理由前述系统对标准样品的测量结果，其中每次测量都使用施加于不同电压的设置。去溶剂化管3的出口端3b(对应于本发明中的第一电极)，第一离子导向器7(对应于本发明中的离子传输电极)和分离器8(对应于第二电极)本发明中的电极)。在这些测量中，将相同的直流(DC)电压施加到沿离子束轴线C以一定间隔布置的板状电极，并形成第一离子导向器7的每个虚拟杆状电极。然后，将射频电压施加到第一离子导向器7的每个虚拟杆电极。然而，以下描述仅考虑DC电压。

图3A至图3C示出了分别将施加至去溶剂化管3的出口端3b的DC电压V_DL和施加至第一离子引导件7的DC电压V_QDC设为(V_DL，V_QDC)＝(0V，0V)，(-100V，0V)和(-60V，-60V)时分别获得的实际测量的总离子色谱图(TIC)，并且施加到分离器8的电压保持在0V(地电位)，样品是红霉素。电离模式是负电离模式。应当注意，三个TIC在水平轴(时间轴)上具有相同的比例，而在垂直轴(强度轴)上具有不同的比例。(图3C的强度标度是图3A和3B的强度标度的十分之一。)

在图3B和3C中，有四个明显的峰，而在图3B中，有两个峰。如图3A所示，第一峰特别明显，并且背景噪声通常很高。图与图之间的比较：图3B和3C证明了图4中的四个峰的检测灵敏度是低的。图3B高出几倍。相应地，可以说图1的TIC是可替换的。图3B具有最高的质量，其次是图3C和3A。

图4A-4C示出了在图1和2所示的TIC上位于1.81分钟处的色谱峰的实际测量的质谱。在图3A-3C每个附图中和在图4A-4C中，位于m/z 778的质量与质量比处的峰是与目标分子有关的离子峰。在如图3A所示，尽管该分子相关的离子峰是显着的，但在m/z 91处也观察到源自甲酸二聚体的背景离子峰。在图4B中，与分子有关的离子峰很明显，可以认为是高质量质谱。在图4C中，与分子有关的离子峰不明显；相反，许多其他来自碎片离子的峰出现在m/z 732、498等处，从而使质谱复杂。

这些结果证明了图1和图2中所示的TIC的质量可以得到改善。图3A至图3C的噪声取决于背景噪声的量，并且在图3的条件下，噪声取决于噪声的大小。如图3B所示，已经非常有效地去除了背景噪声，从而获得了高质量的TIC。

无花果图5A-5C是实际上在0.5分钟处在图3A至图5C所示的TIC上测量的质谱。在图3A-3B中，即在没有观察到特定峰的时间点。m/z 45和91处的峰分别是来自甲酸的单体和二聚体的背景离子。在图9中，在m/z 91处的背景离子峰非常高。在图5A中，相同的峰在图5A中被消除。图5C中，m/z 45和91处的两个峰均被削弱，这可能是由于离子分解成质荷比更低的碎片离子所致。

图2Ba，2Bb和2Bc分别示出了在上述(V_DL，V_QDC)＝(0V，0V)，(-100V，0V)和(-60V，-60V)的条件下离子束轴上的DC电势。

当(V_DL，V_QDC)＝(-100V，0V)时，当如图2Bb所示，在去溶剂化管3的出口端3b与第一离子导向器7的入口之间的区域A中产生了用于加速负离子的电场，而在B的出口之间的空间附近的区域B中不存在电场。第一离子导向器7和分离器8。如已经说明的，在这种条件下，TIC的背景噪声降低了，并且质谱图中没有碎片峰出现。

当(V_DL，V_QDC)＝(-60V，-60V)时，在图2Bc中，在区域A中不存在电场，而在区域B中产生了用于加速负离子的电场。如已经说明的，在这种条件下，质谱上出现许多碎片峰。

当(V_DL，V_QDC)＝(0V，0V)时，在图2Ba中，在区域A和区域B中均不存在加速电场。在这种情况下，尽管质谱上没有碎片峰出现，但是TIC的背景噪声很高，TIC的质量相当低。

这些测量的结果表明，引起背景噪声的簇离子主要在区域A中形成，并且产生用于加速区域A中的离子的DC电场对于抑制簇离子的形成并由此抑制背景是有效的。TIC的噪音。另一方面，由离子的解离所产生的碎片离子主要形成在区域B中，并且仅在区域B中产生用于加速离子加速的DC电场对于增加碎片离子的量是有效的，同时抑制了离子的形成簇离子。因此，当要使用源内CID进行分析时，即，当希望在第一级中间真空室6中产生大量碎片离子时，施加到第一离子导向器7和第二离子导向器10的电压会增加。可以设置撇渣器8，以便在区域B中产生加速电场。相比之下，就像不使用源内CID的常规分析一样，当希望抑制簇离子的形成时，可以设定施加到去溶剂化管3和第一离子导向器7的电压，以在区域A中产生加速电场，而在区域B中不产生电场。

如图1所示。参照图2A，在本实施例的大气压电离质谱仪中，在控制器20的控制下，撇渣器电源23向撇渣器8施加预定的DC电压，离子导向器电源22将另一预定直流电压施加至撇渣器8。第一离子导向器7和去溶剂化管电源21向去溶剂化管3施加另一个预定的DC电压。例如，根据是否选择源内CID模式作为分析模式，控制器20控制它们如图2所示，电源21、22和23在区域A中产生加速电场的状态之间切换电压设置。如图2Bb所示，以及在区域B中产生加速电场的状态，如图2Bc所示。施加给去溶剂化管3，第一离子导向器7和撇渣器(分离器)8的电压的电平可以预先确定，尽管更优选地为控制器20提供用于自动确定每个电压的最佳电平的调节功能。

也就是说，当在用于自动调节分析条件的模式中时，控制器20控制电源21、22和23，以便将多个预先指定的不同电压电平施加到三个分量中的每个向去溶剂化3，第一离子导向器7和分离器8。在电压水平的每个不同组合下，控制器20对标准样品进行质谱分析并收集数据。数据处理器18检查例如位于质谱上的每个峰的质荷比和强度，以找到最有效地抑制簇离子的形成的电压条件以及该条件下的电压条件。产生最大数量的碎片离子。控制器20将这些电压条件存储在内部存储器中。然后，根据是否选择源内CID模式作为分析模式，它从内部存储器读取更好的电压条件以控制电源21、22和23。因此，当源内CID模式时进行该操作时，在抑制簇离子的形成的同时，产生大量的碎片离子。当不执行源内CID模式时，团簇离子的形成和碎片离子的产生都被抑制。

迄今为止的描述涉及分析的目标是负离子的情况。应该清楚地理解，在分析的目标是正离子的情况下，可以通过反转施加到去溶剂化管3，第一离子导向器7的电压的极性来产生该离子的加速电场。和撇渣器8。8a、21.去溶剂管电源、22.离子导向电源、23.撇渣器电源、C.离子束轴。

应当注意，先前的实施例仅是本发明的示例，并且在本发明的精神内适当地进行的任何改变，修改或添加显然将落入本申请的权利要求的范围内。

Claims

1.一种大气压电离质谱仪，其特征是，包括一个或多个中间真空室，所述一个或多个中间真空室用于在大气压下产生离子的电离室与用于在高真空下进行质量分离和检测离子的分析室之间，其中：

所述常压电离质谱仪还包括：

2.根据权利要求1所述的大气压电离质谱仪，其特征在于，所述离子导入部为小径毛细管。

3.根据权利要求1所述的大气压电离质谱仪，其特征在于，所述离子导入部为具有孔的撇渣器。

4.根据权利要求1所述的大气压电离质谱仪，其特征在于，其中，所述离子传输电极是用于通过射频电场使离子会聚的离子导向器。

5.根据权利要求1所述的大气压电离质谱仪，其特征在于，其中，所述第一电压设定部将预定的直流电压分别施加到所述第一电极和所述离子传输电极，以在所述电极之间的空间中产生离子加速电场。第一电极和离子传输电极。

6.根据权利要求1所述的大气压电离质谱仪，其特征在于，其中，当执行所述源内CID时，所述第二电压销售部分别将适当的预定直流电压施加到所述离子传输电极和所述第二电极；在离子传输电极和第二电极之间的空间中产生离子加速电场。

7.根据权利要求1所述的大气压电离质谱仪，其特征在于，还包括调节部分，所述调节部分用于执行预定样品的分析，同时以逐步的方式顺序地选择多个电压电平，并且用于自动确定最佳电压年龄。根据分析结果。