WO2013143368A1 - 离子分析器以及离子分析方法 - Google Patents

离子分析器以及离子分析方法 Download PDF

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WO2013143368A1
WO2013143368A1 PCT/CN2013/071873 CN2013071873W WO2013143368A1 WO 2013143368 A1 WO2013143368 A1 WO 2013143368A1 CN 2013071873 W CN2013071873 W CN 2013071873W WO 2013143368 A1 WO2013143368 A1 WO 2013143368A1
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WO
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ion
array
channel
differential
analyzer
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Application number
PCT/CN2013/071873
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English (en)
French (fr)
Inventor
孙文剑
蒋公羽
Original Assignee
岛津分析技术研发（上海）有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/622—Ion mobility spectrometry
    • G01N27/624—Differential mobility spectrometry [DMS]; Field asymmetric-waveform ion mobility spectrometry [FAIMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/004—Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn
    • H01J49/009—Spectrometers having multiple channels, parallel analysis

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for ion separation and detection, and more particularly to an ion analyzer and ion analysis for efficiently separating and detecting complex samples from a chromatographic separation or direct sampling process using a differential ion mobility spectrometer array and a mass spectrometer array. method. Background technique
  • Ion mobility spectrometer as a relatively simple, low-cost, high-speed and broad-spectrum ion analysis method, has played an important role in counter-terrorism efforts in various countries.
  • ion mobility spectrometer-based instruments have been widely used in crowded places and institutions such as airports, stations, and large conference centers. Explosives, drugs, and other contraband are also included for target objects.
  • ion mobility spectrometer-based ion analyzers are increasingly being used as chromatographic detectors due to their relatively fast speed and relatively independent separation principles. The more attention you attach.
  • an ion mobility spectrometer-based ion analyzer can also be placed between the chromatograph and the mass spectrometer to further increase the peak capacity of the system and reduce the burden on the mass spectrometer.
  • IMS Ion Mobility Spectrometer
  • DMA Differential Ion Mobility Analyzer
  • FIMS High Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometer
  • the IMS-based test instrument usually works in pulse mode, that is, a small amount of ions entering the drift region simultaneously through the fast switching of the ion gate, and then determining the ion configuration by detecting the time of the ions passing through the drift tube. See the paper for this type of detector: Eiceman, G. A. and Karpas, Z., Ion Mobility
  • DMA works differently.
  • the relevant principles of DMA can be found in the paper: Panich Intra et al, Songklanakarin J. Sci. Techno 1.30 (2), 243-256, Mar. - Apr. 2008.
  • the uniform high velocity gas stream flows along a channel formed by a pair of parallel electrode plates; the continuously generated ion current enters the gas flow region through a slit located on one of the pair of parallel electrode plates and moves downstream as the gas flow flows.
  • the ions flow along with the gas flow and also migrate to the opposite electrode under the action of the electric field force at the same gas flow velocity and electric field force strength.
  • the size of the ion mobility determines the time taken by the ion in the direction of the vertical gas flow, and also determines the distance that the ion eventually moves in the direction of the gas flow.
  • the sampling process is continuous, which is a great advantage for matching ion sources operating in continuous mode at various atmospheric pressures.
  • the migration voltage on the analyzer is also scanned, which greatly reduces the duty cycle during analysis.
  • One of the potential ways to solve this problem in this area may be after the first scan, Switching between several or a dozen different migration voltages improves the detection efficiency of DMA to some extent.
  • DMA has certain advantages in ion utilization efficiency compared with IMS, it has no advantage in resolution. Especially for small molecules, the strong diffusion effect makes its resolution usually below several tens, and More difficult to improve. Therefore, as an online monitoring device, generating false positive results is also a challenge for DMA.
  • DMA can be combined with a spectrometer that is relatively independent of its detection properties and has a higher resolution.
  • a multi-channel FAIMS analyzer consists of cells processed by two micro-motor systems. Ions enter the analyzer from one end of the multi-channel and pass through the multi-channel region driven by the axial electric field. At the same time, since the same radio frequency and DC voltage for differential ion mobility selection are applied to each channel, only ions with suitable differential mobility can pass, thereby achieving ion separation and detection. Similar to the US7482582 B2 patent, the use of multiple channels in the US7714277 B2 patent is also intended to increase the throughput of the overall system. For detecting ion mobility within a certain range, the voltage on the FAIMS still needs to be scanned, and the duty cycle of the entire instrument is still not high.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide an ion analyzer using a differential ion mobility spectrometer array in combination with a mass spectrometer array, and an ion analysis method using the ion detecting device for fast and accurate sample analysis, It solves the shortcomings of low efficiency and high false positive when using ion mobility spectrometers for detection.
  • the technical solution adopted by the present invention to solve the above technical problem is to provide an ion analyzer comprising an ion source or an ion source array, a differential ion mobility spectrometer array, an ion transport channel array, a mass spectrometer array, and An ion detector or ion detector array, wherein the differential ion mobility spectrometer array, the ion transport channel array, the mass spectrometer array each comprise two or more channels, and each of the differential ions One channel of the mobility spectrum analyzer array corresponds to at least one of the mass spectrometer arrays A channel of the column.
  • the mass spectrometer array is a quadrupole array or an ion trap array.
  • the ion analyzer may further comprise an ion dissociation device disposed between the ion transport channel array and the mass spectrometer array.
  • the ion dissociation device is a gas collision chamber, or a photodissociation chamber, or an electron capture dissociation chamber.
  • the differential ion mobility spectrometer array is a planar structure, the ion inlets are located at relatively the same position of each channel, and the relative positions of the ion outlet slits of each channel are the same.
  • each channel of the differential ion mobility spectrometer array has a central symmetrical structure, and the center lines of the respective channels are symmetrically distributed in the radial direction.
  • each unit of the mass spectrometer array is equipped with a separate ion detector and a data acquisition amplification system.
  • each unit of the mass spectrometer array has a central symmetrical structure, and each unit shares an ion detector and a data acquisition system.
  • the differential ion mobility spectrometer array operates in a synchronous mode or an asynchronous mode
  • the mass spectrometer array operates in a synchronous mode or an asynchronous mode
  • the differential ion mobility spectrometer array operates at atmospheric pressure. In an embodiment of the invention, the differential ion mobility spectrometer array operates in an environment below atmospheric pressure but not below O. l torr.
  • the direction of the airflow in the differential mobility spectrum analyzer array is perpendicular to the axial direction of the ion transport channel array.
  • an ion current detector is disposed at each channel entrance of the differential mobility spectrum analyzer array, and the ion current detector is connected to an external current detecting device.
  • the ion source comprises a source of radioactive ions, and the source of radioactive ions can be selectively opened or closed by mechanical means as experimentally required.
  • the ion analysis method comprises introducing ions generated by the ion source or the ion source array into each channel of the differential ion mobility spectrometer array, and performing ion mobility based selection on each channel. After passing through the ion transport channel array, it enters the mass spectrometer array and is ultimately detected by the ion detector or ion detector array.
  • the method further includes entering ions into an ion dissociation device prior to entering each channel of the mass spectrometer array to enable ions to be in the ion dissociation device. Dissociation.
  • the differential ion mobility spectrometer array is operated in a synchronous mode or an asynchronous mode
  • the mass spectrometer array is operated in a synchronous mode or an asynchronous mode
  • the method includes Performing a change in signal to operate the differential ion mobility spectrometer array and/or the mass spectrometer array Switch.
  • the method includes using a quadrupole array or an ion trap array as the mass spectrometer array.
  • the method when one of the ion detectors is used, the method includes detecting ion information of each channel by means of time-division scanning eviction.
  • the method further comprises: monitoring an ion introduction amount of each channel by using an ion current detector located at an entrance of each channel of the differential ion mobility spectrometer array, and obtaining each channel The intensity of the ion current is normalized to calibrate the final measured target ionic strength in each channel.
  • the method includes using a source of radioactive ions in the ion source and respectively generating a specific ion to the radioactive ion source by using each channel of the ion analyzer Periodic testing is performed, and finally the ionic strength obtained by each channel on the ion detector is normalized to calibrate the final measured target ionic strength in each channel.
  • the ion analyzer and the ion analysis method proposed by the invention improve the detection efficiency and accuracy of the instrument by using multiple differential ion mobility spectra and multi-channel mass spectrometers and single or multiple ion detectors; and differential ion migration
  • the combination of spectral arrays and mass spectrometer arrays can operate in different modes, increasing the application of this device in areas such as public safety and environmental monitoring.
  • Fig. 1A shows a structure in which an ion source is connected in series with a flat differential ion mobility spectrometer array, a flat ion guide array, and a flat ion trap analyzer array.
  • Figure 1B shows the basic structure of a cell in a differential mobility spectrum analyzer array.
  • Fig. 2A shows a structure in which an ion source is connected in series with an axisymmetric differential ion mobility spectrometer array, a quadrupole ion guiding array, and an ion trap analyzer.
  • Fig. 2B shows the cross-sectional structure of the ion trap analysis array of Fig. 2A.
  • Figure 3 shows the structure in which the ion source is connected in series with a flat differential ion mobility spectrometer array, a flat ion guide array, and a quadrupole mass analyzer array.
  • Figure 4A shows the structure of an ion source coupled to an array of axisymmetric differential ion mobility spectrometers in which ions are ejected through an array of quadrupole mass analyzers to an ion detector array for multichannel quality analysis purposes.
  • Figure 4B shows the structure of the ion source connected to the axisymmetric differential ion mobility spectrometer array, wherein the ions are ejected to the same ion detector after mass analysis by the quadrupole mass analyzer array to achieve enrichment quality analysis or centrifugation.
  • Figure 5A shows an instrument configuration in which the differential mobility spectrum analyzer and the next-stage ion transport device are perpendicular to each other, and the ions are distributed in the one-dimensional direction at the entrance of the differential mobility spectrum analyzer.
  • Figure 5B shows an instrument configuration in which the differential mobility spectrometer and the next-stage ion transport device are perpendicular to each other, wherein ions are distributed in two-dimensional directions at the entrance of the differential mobility spectrometer.
  • Figure 5C shows a cross-sectional view of an ion trap array with a central ion detector.
  • Figure 5D shows a cross-sectional view of an ion trap array with a split ion detector.
  • FIG. 6 shows a structure in which an ion source is connected in series with an axisymmetric differential ion mobility spectrometer array, an ion guiding array, and an ion trap analyzer array, wherein ions passing through the array channels are in the ion trap analyzer. The exit is detected by the detector array located on the periphery of the ion trap analysis array.
  • Fig. 7 shows the structure of the ion detecting device of the present invention in combination with the desorbing corona beam ion source.
  • Figure 8 shows a schematic diagram of a synchronous (DMAA)-asynchronous (ITA) mode in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of an asynchronous (DMAA)-asynchronous (ITA) mode, in accordance with an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing ion analysis and time division of an ion trap array in accordance with an embodiment of the present invention.
  • embodiments of the present invention relate to a differential ion mobility spectrometer array (DMAA) coupled to a mass spectrometer Array (MSA) to enhance an ion analyzer.
  • DMAA differential ion mobility spectrometer array
  • MSA mass spectrometer Array
  • FIG. 1A shows the structure of an ion source coupled to a flat differential ion mobility spectrometer array. As shown in FIG.
  • an ion source array 1 is connected to a flat differential ion mobility spectrometer array (F-DMAA) 2, and ions extracted from F-DMAA 2 can pass through an ion transport channel array 3 to the next stage.
  • the flat ion trap array (F-ITA) 4 is subjected to mass analysis and ejected to an ion detector array 5 for mass analysis purposes.
  • each unit of the F-DMAA 2 i.e., each channel has the same structure, and its cross section is as shown in Fig. 1B.
  • the ion inlets 2a are located at relatively the same position of each channel, and the relative positions of the ion outlet slits of each channel are the same.
  • the ions enter through the bottom slit 6 of the F-DMAA channel and move downstream of the channel with a flow parallel to the channel direction. At the same time, the ions move toward the top of the parallel plates under the action of a DC electric field perpendicular to the direction of the gas flow. Since the ions of different ion mobility have different motion speeds under the same electric field, the superimposition of the two directions of ions allows only those ions with specific ion mobility to leave the migration zone from the top slit 7.
  • the above ion migration zone can be operated at atmospheric pressure or at the lowest background pressure. Under a low vacuum of about 0.1 t O rr (-13.3322 Pa), the average gas pressure in the ion transport zone is usually not less than 0.1 Torr due to the resolution of the ion transport analysis. Therefore, when the ions leave the F-DMAA 2 and enter the F-ITA 4, they need to pass through an ion transport channel array 3, which serves to provide a pressure-centered differential pumping zone to improve the ion passing efficiency.
  • Such an ion transport channel array can be a multi-stage rod array, an ion funnel array, or an array of multi-pole fields formed by a plurality of electrode sheets or wire electrodes.
  • the ions of the ion transport channel array 3 can be axially moved into the next stage of the F-ITA 4. After the ions entering the F-ITA 4 are ejected by cooling and scanning, they enter the respective units of the ion detector array 5 located in the lateral direction for detection.
  • each channel of the F-DMAA 2 can operate in a synchronous mode, that is, the applied voltages on each channel are equal, so the mobility of ions selectively passed through each channel is equal.
  • F-DMAA 2 monitors only one ion mobility ion at a time.
  • the array needs to operate in step mode, ie switching between different migration voltages; at the same time, the connected F-ITA 4 can also work in synchronous mode, ie every The mass or mass range detected by the ion trap units is equal.
  • This mode is equivalent to the use of both F-DMAA 2 and F-ITA 4 as a whole analyzer. Therefore, the main purpose of this mode is to increase the overall sensitivity of the analyzer, but it does not increase the speed of analysis.
  • the ion trap array can also operate in asynchronous mode, ie the mass or mass range detected by each unit can vary; alternatively, several units can be grouped together to detect the same mass or mass range.
  • the primary purpose of this mode is to detect components of the same ion mobility ion that have several different mass to core ratios. This has special significance for quickly discriminating different components of similar structural compounds in the case of faster F-DMAA 2 scanning.
  • the mode of this synchronous (F-DMAA 2 )-asynchronous (F-ITA 4) is shown in Figure 8.
  • VI to V5 represent the migration voltages simultaneously applied to each channel of F-DMAA 2 at different times. ml, ml, m3, m4, etc.
  • the synchronous mode of F-DMAA 2 it is more suitable for monitoring the sampling process in which some sample concentrations do not change rapidly over time.
  • the pre-stage analyzer of F-DMAA 2 such as liquid phase or gas chromatography
  • peaks faster it is also difficult to perform full spectrum scanning using F-DMAA 2.
  • the working mode of F-DMAA 2 can be changed from synchronous to asynchronous, so that the channels of each F-DMAA 2 operate under different migration voltages or migration voltage ranges, thereby simultaneously monitoring various kinds of objects to be tested, and greatly reducing scanning. The time of the spectrum.
  • synchronous mode can be adopted.
  • the analyst is more concerned with monitoring the same type of ions that may have different spatial geometries; for the asynchronous mode of F-ITA 4, the analyst is more concerned with each of them.
  • Ions with specific ion mobility are confirmed using a mass-to-nuclear ratio to reduce the occurrence of false positives. The latter is more suitable to replace the current public security An ion mobility spectrometer that uses only ion mobility to characterize ions throughout the field.
  • FIG. 9 depicts the process of the asynchronous (; F-DMAA)-asynchronous (F-ITA) mode of operation.
  • F-DMAA 2 has a scan time of 0 to tl, and each channel of its corresponding mass spectrometer array works in different working ranges from ml to m2, m3 to m4, and so on.
  • F-DMAA 2 can monitor ions of different ion mobility at the same time; the number of monitored ion species is determined by the number of channels in the array; at this time, the migration voltage of each channel of F-DMAA 2 It can be maintained at a fixed value (Vl, V2, V3, and V4) as shown in Fig. 9 to continuously monitor an ion.
  • the migration voltage of each channel of F-DMAA 2 can also be scanned in a different narrow range to quickly obtain ion information over the entire mobility range.
  • the ion source in this embodiment may also be a radioactive ion source, which may be selectively opened or closed by mechanical means according to experimental needs. In this way, a specific ion generated by the radioactive ion source is periodically detected by using each channel of the ion analyzer, and finally, the ionic strength obtained by each channel on the ion detector is normalized, and the channel can be used to calibrate each channel. The final measured target ionic strength.
  • each channel of the C-DMAA 1 1 has a central symmetrical structure, and the center lines of the respective channels are symmetrically distributed in the radial direction.
  • Figure 2A further shows the cross-sectional structure of the C-ITA 13, in which the analysis units in the array have a complete circumferential distribution around the same central axis, which allows further ions from the plurality of analysis units in the array to be further focused on the device. On the central axis.
  • an axial emission ion detector or the like may be separately set at the outlet of the C-ITA 13 end cover to detect the ions ejected by each ion analysis unit, or to detect all of them by a large receiving area detector. Ions.
  • the structure of this embodiment has some advantages over the flat structure of the previous embodiment. For example, since the cylindrical structure is symmetrical about the central axis, the ion source array and ion detector array can be simplified to separate ion sources 10 and ion detectors 14, while ensuring a relatively uniform response for each channel. Moreover, the simplification of the ion detector 14 can further reduce the number of subsequent signal amplifiers and data acquisition channels, resulting in lower overall instrument cost.
  • FIG. 10 is expressed in asynchronous (DMAA) - Special timing control of the ITA when using a single ion detector in asynchronous (ITA) mode.
  • DMAA asynchronous
  • ITA asynchronous
  • each channel of the DMAA operates at different migration voltages (VI to V4), while the ITA unit corresponding to each DMAA channel switches between approximately three active phases, and the ion trap is emptied-ioned and introduced. Enrichment - ion extraction.
  • the ion introduction and enrichment phase takes the longest time, usually lasting from tens to hundreds of milliseconds, and the time required for the ion trap to be emptied is short, usually tens of microseconds.
  • the time for the ion extraction phase depends on the specific scan quality range. If the scan is ejected in the full mass range, it takes at least a dozen milliseconds.
  • each channel of the DMAA has differentiated ions according to different mobility, it is possible to combine the ions selected by each DMAA channel with a certain mass range, and even each channel corresponds to only one special one. Quality to core ratio.
  • each ion trap unit in C-ITA 13 can be shortened to several hundred microseconds, which is only a small fraction of the ion trap analysis time. This creates a common ion detector for each ion trap unit. condition. Therefore, as long as the scanning ejecting time of each ion trap unit is shifted, the use time of the ion detector can be fully utilized, so that the duty ratio of the entire system is not much different from when the ion detector array is used as the ion detector.
  • an ion detector can also be installed for each ion trap channel, with a separate amplifier and data acquisition system. At this time, the operation of each channel will be completely independent, and this
  • each of the quadrupoles in the planar quadrupole array (F-QA) 15 is connected to an F-DMAA unit in the F-DMAA 2 via a flat type ion transport channel array 3. Similar to the previous example, the individual units of the F-QA 15 can be operated in different modes as appropriate to combine with the different operating modes of the F-DMAA 2 to suit different application requirements.
  • each channel of F-DMAA 2 when each channel of F-DMAA 2 operates in synchronous mode, all units of F-QA 15 also operate in synchronous mode to increase the sensitivity of monitoring and confirming an ion.
  • the different units of the F-QA 15 can be divided into groups to monitor ions of similar structures over different possible mass ranges.
  • the F-QA 15 When the F-DMAA 2 channels are operating in asynchronous mode, the F-QA 15 operates in synchronous mode to monitor multiple isomers for relative and absolute content.
  • both F-DMAA 2 and F-QA 15 when both F-DMAA 2 and F-QA 15 are operating in asynchronous mode, different channels will be aligned for different, proprietary ion mobility-ion nucleus nucleus, effectively distinguishing different types of ions.
  • a combination of a differential ion mobility spectrometer array (C-DMAA) 1 1 similar to the embodiment of the second cylindrical structure and a cylindrically distributed quadrupole array (C-QA) 16 can also be used. Ion analysis. The ions extracted from C-DMAA 1 1 can pass through a cylindrical ion transport channel array 12 to the next stage C-QA 16. After mass analysis, they are ejected to the ion detector array 17 for mass analysis purposes. Make The advantage of using this configuration is that the entire structure is symmetrical about the axis of the cylinder and is therefore suitable for introducing the generated ions of the individual ion source 10. At this time, the operation mode of the entire ion analyzer is the same as that of the aforementioned flat structure.
  • the units of the cylindrically distributed quadrupole array 16 are also close to each other, and the output of the dynode 18 is output by passing through a cylinder.
  • the rear ion detector array is then further simplified to a single ion detector 14 to reduce the cost of detector and post-stage signal acquisition amplification.
  • the difference between using a quadrupole array and an ion trap array is that ions are not enriched during the detection process (in contrast, ions in each cell in the ion trap array) Ejection time is much shorter than ion cooling enrichment, etc., so using a separate ion detector to perform time-division detection on each channel of the quadrupole array greatly reduces the instrument's analytical efficiency. Therefore, at this time, the entire ion detector preferably works in the full synchronous mode.
  • the multi-channel approach has its advantages.
  • the reason is that the amount of ions produced by the ion source is usually much larger than the number of ions that the ion analyzer can introduce and utilize.
  • increasing the size of the ion introduction port increases the damage to the flow field. Degree, which affects the resolution and stability of the instrument.
  • the multi-channel structure can reduce the size of each channel mass analyzer for the same ion flux, thus reducing the voltage requirements of the mass analyzer, which is also a small size for the ion analyzer. And portability provides the prerequisites.
  • the F-DMAA 2 i.e., the direction of the air flow shown in the drawing
  • the F-DMAA 2 can be placed perpendicularly to the flat-plate ion transport channel array 3 of the next stage, so that the front and rear airflow inlet and outlet are easier to place.
  • FIG. 5B There may be a variation of such a placement structure.
  • the introduction ports 2a of the respective channels of the F-DMAA 2 are arranged in a center symmetrical manner, and the corresponding ion extraction ports 2b are also arranged in the same structure.
  • the radial separation of the ion detector is set at the periphery of the C-ITA 13. The advantage of this arrangement is this
  • F-DMAA 2 can be used in conjunction with ion source 10 and C-ITA 13 in Example 2 to reduce the number of ion sources and detectors required and subsequent acquisition and amplification devices.
  • 5C, 5D show cross-sectional views of an ion trap array.
  • a common ion detector 14 for detecting the total ion current of each channel can be disposed at the central axis of the ion trap array, and the detector 14 can also be used for the first hit through the central axis.
  • the pole-replacement allows the detector body to be placed in other suitable locations, such that the central ion detection system is designed to receive ion currents that are directed out of the central axis of the device and further enhanced prior to being sent to the analog to digital conversion acquisition device.
  • a plurality of divided ion detectors 19 or a plurality of first dynodes thereof may be arranged on the axis, wherein each of the ion detectors corresponds to a certain range of detection axes by each analysis.
  • the combination of the differential ion mobility spectrometer array and the mass spectrometer array in each of the above embodiments is based on the concept of directly performing mass analysis on ions obtained by selecting ion mobility to obtain ion qualitative information.
  • the difference in molecular structure is probably not large enough to be separated by a differential ion mobility spectrometer. Therefore, it is necessary to add an ion dissociation device between the differential ion mobility spectrometer and the mass spectrometer to enable the ion analyzer to monitor a certain ion of an ion with a certain ion mobility. This process is similar to the ion selective reaction monitoring (SRM) mode in triple quadrupole mass spectrometry.
  • SRM ion selective reaction monitoring
  • the chemical noise caused by the insufficient resolution of the differential ion mobility spectrometer can be greatly suppressed by monitoring the unique product ions of an isomer.
  • the ion analyzer can operate in an ion multiple reaction monitoring (MRM) mode similar to triple quadrupole mass spectrometry. Since each channel operates independently and simultaneously in the asynchronous mode, it is possible to simultaneously monitor each reaction monitoring channel, thereby avoiding the need to switch between channels, which can greatly improve the detection efficiency of the entire instrument.
  • MRM ion multiple reaction monitoring
  • a simple example of an ion dissociation device is a collision cell filled with a gas at a certain pressure.
  • a collision cell array 21 distributed in a cylindrical shape is placed between the C-DMAA 1 1 and the C-ITA 13, which can be used in the C-DMAA channel at a lower vacuum.
  • the introduced ions are dissociated by collision with a neutral gas.
  • the parent and daughter ions obtained after dissociation can be focused with the aid of an alternating electric field and finally enter the mass spectrometer array of the subsequent stage for mass-to-nuclear ratio analysis.
  • the mass spectrometer described herein can be either a quadrupole array 16 (C-QA) or an ion trap array 13 (C-ITA).
  • the ion dissociation device can also be a photodissociation chamber where ions collide with high energy lasers to dissociate.
  • the ion dissociation device can also be an electron capture dissociation chamber where the ions interact with the electron beam to dissociate.
  • the purpose is to effectively separate and detect complex ion mixtures from liquid chromatography. Since the differential ion mobility spectrometer itself has a certain separation ability for complex samples, it is also possible to directly analyze the ion source directly with the ion analyzer using an atmospheric pressure to avoid the analysis speed brought by using liquid chromatography. Slow and complicated sample preparation.
  • Figure 7 shows a device for performing direct desorption ionization of a sample using the desorbed corona beam disclosed in Chinese Patent Application No. 200810188989.8, and then performing ion analysis using the above ion analyzer.
  • the desorbing corona beam ion source is composed of a gas heating tube 31, a discharge needle 32, a ground counter electrode 33, a high voltage power source 34, a heating power source 35, and a generated desorption corona beam.
  • the ions 36 desorbed and ionized by the desorbed corona beam source are introduced into the respective channels of the C-DMAA 11 as uniformly as possible and further separated and detected.
  • the detection signal of the channel ion detector 19 is amplified by the channel amplifier 22 and sent to the acquisition device 23.
  • an ion current detector may be connected to the rear end of each ion introduction port to form an array, and the ion current detector array is connected to an external current detecting device, and the measured ions of each channel are measured in real time.
  • the introduced amount of current signal is directed to a data acquisition system for comparison.
  • the simplest structure of the ion current detector can be implemented with an array of small metal plates with additional bias voltages.
  • the bias voltage can be made as the upper plate voltage of the differential ion mobility spectrometer, and the total ion current change is detected by the mirror current method.
  • the ion current detector and the post-stage mass spectrometer may be used for time division multiplexing, for example, within every 20 ms, 0.5 ms of the time is taken, during which time The potential of each discrete detector plate in array 20 is pulled down to a low potential, such as -200V, such that all positive ion currents are directed onto the plate, while the potential of the discrete detection plates at other times can be restored to differential ion mobility spectrometry.
  • the value is ideal.
  • the bottom should be independent of the channel location used.
  • the final measured ion intensity of each channel can be normalized to calibrate the final measured target ion intensity in each channel to ensure the target ion intensity of each ion channel.
  • the proportional relationship is consistent with the actual ion concentration ratio of each component.
  • each of the aforementioned combinations of DMAA and MSA can be periodically detected separately from the same substance from a stable ion source to correct the difference in ion transport efficiency of each channel.
  • Table 1 shows a summary summary chart of various working modes of DMAA and ITA according to an embodiment of the present invention, which makes the embodiment of the present invention more Clear.
  • the ion analysis method of the present invention includes switching the operating modes of the differential ion mobility spectrometer array and/or mass spectrometer array as the signal changes during sampling to achieve desired performance, such as high resolution, high sensitivity, high Efficiency and so on.
  • the present invention can also be used in conjunction with an ion mobility spectrometer array using an existing ion trap analyzer array.
  • an array of ion storage and analysis devices proposed in Chinese Patent Application No. 200610001017.4 and U.S. Patent Application No. 2009/0294655 A1 to the same.
  • Another example is the cylindrical ion trap array proposed by the RG Cook research group of Purdue University in the US patent US6762406 and the cylindrical ion trap array quality analyzer chip based on micromachined and micromachining technology (MEMS) manufactured by Ramsy et al. Or in the Chinese patent application 200910054963.9, Pan Xinyuan et al. of Fudan University further simplified the parallel structure of the PCB electrode ion trap designed by Ding Chuanfan et al.
  • MEMS micromachined and micromachining technology
  • quadrupole analyzer arrays can also be used in the present invention for coupling with ion mobility spectroscopic arrays.
  • Ferran et al. U.S. Patent 5,401,962 and J. Vac. Sci. Techno 1. A, 1996, Vol 14(3), pl258, and Ding Junping (Journal of Mass Spectrometry, Vol22, No. 3, 29 -35.)
  • a 16-pole array mass spectrometer developed on this basis. Compared to conventional quadrupole analyzers, these mass spectrometer arrays are characterized by small size, clear quality, and low power consumption.
  • the ion source used is not an electrospray, but an atmospheric pressure chemical ionization source; it is not a desorption corona beam source, but a desorption electrospray source (DESI) or a direct real-time analysis ion source (DART).
  • the ion analyzer can be coupled not only to liquid chromatography or direct analytical methods, but also to capillary electrophoresis or gas chromatography.

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Abstract

一种差分离子迁移谱分析器阵列和质谱分析器阵列联用的离子分析器以及离子分析方法。该离子分析器包含依次相连的离子源或离子源阵列（1）、差分离子迁移谱分析器阵列（2）、离子输送通道阵列（3）、质谱分析器阵列、以及离子探测器或离子探测器阵列（5）。差分离子迁移谱分析器阵列（2）、离子输送通道阵列（3）、质谱分析器阵列各自包含两个或两个以上通道，这些阵列中的通道数相等并一一对应。该离子分析方法将离子源或离子源阵列（1）产生的离子引入差分离子迁移谱分析器阵列（2）的各个通道，经各通道进行基于离子迁移率的选择后，经过离子输送通道阵列（3）后进入质谱分析器阵列并最终被离子探测器或离子探测器阵列（5）所检测。

Description

离子分析器以及离子分析方法 技术领域
本发明涉及离子分离及检测的装置及方法， 尤其涉及使用差分离子迁移谱分析 器阵列及质谱分析器阵列对来自色谱分离或直接采样过程的复杂样品进行高效分离 及检测的离子分析器与离子分析方法。 背景技术
随着世界各国对公共安全及反恐能力的重视， 具有能够快速准确识别目标化合 物的分析仪器及方法越来越成为各研究机构及仪器公司研发的对象。离子迁移谱仪作 为一种相对结构较简单、 成本较低、 但速度较高且广谱的离子分析方法， 已经在各国 的反恐工作中扮演了重要的角色。 目前基于离子迁移谱仪的仪器已经被广泛用于机 场、 车站、 大型会议中心等人群密集的场所和机构， 针对目标待测物也包括爆炸品、 毒品和其它违禁品。
与此同时， 气相和液相色谱在各分析领域仍占有优势地位， 而基于离子迁移谱 的离子分析器作为色谱检测器也以其相对较快的速度和相对独立的分离原理而正在 受到越来越多的重视。 当然， 还可以将基于离子迁移谱的离子分析器装在色谱仪和质 谱仪之间， 以进一步提高系统的峰容量， 减轻后级质谱仪的负担。
离子迁移谱类仪器从结构和操作原理上通常分为三类， 即离子迁移谱仪 （Ion Mobility Spectrometer, IMS )， 差分离子迁移谱分析器 ( Differential Mobility Analyzer, DMA) ， 以及差分离子迁移谱仪 （Differential Mobility Spectrometer, DMS)或称高场 不对称波形离子迁移谱仪 (High Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometer, FAIMS ) 。 其中， IMS和 DMA两类离子迁移谱仪都是以离子的不同迁移率为依据而 对离子进行分离和检测，而 DMS/FAIMS则是以不同离子在高电场下和低电场下迁移 率差别的不同 （差分迁移谱率） 而进行离子的分离及检测。
以 IMS为原理的检测仪器通常工作在脉冲模式下， 即通过离子门的快速开关引 入少量同时进入漂移区的离子，进而通过检测这些离子经过漂移管的时间来判断其离 子构型。 这类检测器可参见论文： Eiceman, G. A. and Karpas, Z.， Ion Mobility
Spectrometry, CRC Press, 2005, 1 19 pp.。 这类检测器通常既可以工作在大气压下也可 以工作在低真空下， 其结构简单， 获得的数据相对直接并易于解释。 然而， 绝大多数 大气压 /低真空下离子源均工作在连续模式下 （尤其是和色谱等分离工具联用时） ， 因此对于 IMS使用脉冲模式的进样方式会使仪器的占空比很低， 这大大降低了对样 品的利用效率。
与 IMS相比， DMA的工作模式有所不同。 DMA的相关原理可参见论文： Panich Intra et al, Songklanakarin J. Sci. Techno 1.30 (2), 243-256, Mar. -Apr. 2008。在 DMA中， 以均匀高速气流沿一对平行电极板形成的通道流动；连续产生的离子流通过一个位于 这对平行电极板的一个电极上的狭缝进入气流区域并随气流流动向下游移动。由于这 对平行电极板上加有一电场力方向垂直于气流方向的直流电压 （迁移电压） ， 离子在 随气流流动的同时也在电场力的作用下向对面电极迁移在同一气流速度和电场力强 度的条件下， 离子迁移率的大小决定了该离子在垂直气流方向所花时间， 同时也决定 了该种离子在气流方向上最终移动的距离。通过调节两电极板间电场力的大小， 可以 使具有某一离子迁移率的离子从位于气流下游某处的狭缝引出，从而实现对这种离子 的检测。 对 DMA而言， 采样过程是连续的， 这对于与各种大气压下的以连续模式工 作的离子源进行匹配有很大的优势。然而， 为了得到一张全谱时也需对分析器上的迁 移电压进行扫描， 这会使分析时的占空比大大降低。 但是值得注意的是， 对于一些在 线检测或监控过程而言， 目标化合物可能只有几种或十几种， 在这一领域解决这一问 题的潜在方法之一可以是在第一次扫描过后， 在几个或十几个不同的迁移电压间切 换， 从而在一定程度上提高 DMA的检测效率。
虽然 DMA与 IMS相比在离子利用效率上有一定的优势， 但其在分辨率上并没 有优势， 尤其对于小分子而言， 强烈的扩散效应使得它的分辨率通常都在几十以下， 且较难提高。 因此作为一个在线监控设备而言， 产生假阳性结果也是一个 DMA所面 临的挑战。 为解决这一问题， 可将 DMA和与其检测性质相对独立且分辨率较高的质 谱仪联用。
从与差分离子迁移谱分析器前级的匹配度而言， 由于要获得一个完整的离子迁 移谱需要几分之一至几秒的步进扫描周期， 这一运行时间范围对与直接分析法（大气 压下直接将样品解吸电离）或与色谱进行联用都显得稍慢， 尤其对于速度较快的液相 色谱或是很高的解吸温度而言， 样品出峰时间也就在几秒钟之内， 因此容易错过较好 的采样点。
解决这一问题并提高离子利用效率的一个重要方式是通过使用多路技术， 即使 用多个离子迁移谱通道及相应的质谱仪通道来同时进行检测。 如 Ionwerks公司在美 国专利 US7482582 B2中提到的使用多个 IMS通道与离子阱和飞行时间质谱仪联用的 方法。在此方法中，多个通道接受到从离子阱注入的离子后， 同步工作在相同电压下， 之后每一个通道流出的离子由一飞行时间的多阳极检测器中的相应通道检出。这个专 利用到了多路检测技术， 但由于每个通道都工作在同步的脉冲模式下， 并未解决整个 检测过程占空比低的问题， 因此离子的利用效率仍不能得到大幅提高。
Chen等人在 multi-stage DMA的文章中提到使用同一个 DMA通道， 但在 DMA 不同的通道位置进行同步检测 （Aerosol Science and Technology, 41 :217-230, 2007) 。 类似的方法在 Intra等人的文章中也有所描述（J. Aerosol Res., 21 (4), 329-340 (2006) 这类方法的优点在于系统的分析效率很高，各处的检测器上都能够连续不断地检测离 子。 但缺点在于， 一旦整个通道的电场确定， 每个检测器只能对应某一固定迁移率的 离子。尤其当需要检测的各种离子的迁移率并不均匀变化时， 检测器的相对位置较难 确定。 同时对于不同的分析样品， 整个仪器将缺乏灵活性。
另一使用多路技术的例子是 Owlstone公司使用 FAIMS技术 （US7714277 B2) 的由微电机系统制成的离子迁移装置。 在这一技术中， 多通道的 FAIMS分析器是由 两个微电机系统加工得到的单元组成。离子从多通道的一端进入分析器， 在轴向电场 的驱动下通过多通道区域。同时由于在各通道上都施加有进行差分离子迁移率选择的 相同射频及直流电压， 因此只有合适差分迁移率的离子能够通过， 从而达到离子分离 和检测的目的。与 US7482582 B2专利相类似， US7714277 B2专利中使用多通道的目 的也是为了增加整个系统的通量。 对于检测一定范围内的离子迁移率， FAIMS上的 电压仍然需要扫描， 整个仪器的占空比仍然不高。
在另一篇关于使用多路 FAIMS技术的美国专利申请中 （US2008/0067350 A1 )， Li Gangqiang提出了同时使用多路 FAIMS进行样品分析， 但每一路通道的补偿电压 ( CV) 可以不同， 因此可以提高整个仪器的分析速度。 但这一文献未讨论多路 DMA 技术。
同时值得指出的是， 当使用多通道的离子分析仪进行离子探测时， 如果每个通 道都需要独立的探测器以及后续的放大采集电路进行离子探测，将大大增加分析仪器 的成本。针对这类问题， 在欧阳征的美国专利 7157699中也提到了使用阵列式质谱仪 尤其是阵列式离子阱对离子进行质量分析，并将多个分立的离子探测器组合使用的离 子检测方法。 这一方法的局限性在于， 虽然使用通过对多个离子探测器的组合减少了 对后级采集放大电路的数量要求， 但离子探测器的个数不能减少。 再如， 丁军平等人 在 "质谱学报， Vol22， No.3 , 29-35. " 提出了使用一个离子探测器及后续放大采 集电路对通过多个四级杆组成的阵列后的离子进行检测的方案。然而， 此方案只能将 各个质谱分析器通道同步使用，因此当在该质谱仪阵列之前加入能够各自独立工作的 离子迁移谱选择装置时， 后者的功能就不能够完全体现出来。 发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使用差分离子迁移谱分析器阵列与质谱 仪阵列联用的离子分析器， 以及一种使用该离子检测装置进行快速准确样品分析的离 子分析方法， 用以解决目前使用离子迁移谱类仪器进行检测时效率低、假阳性高的缺 点。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种离子分析器， 包含依 次相连的离子源或离子源阵列、 差分离子迁移谱分析器阵列、 离子输送通道阵列、 质 谱分析器阵列、 以及离子探测器或离子探测器阵列， 其中所述差分离子迁移谱分析器 阵列、 所述离子输送通道阵列、 所述质谱分析器阵列各自包含两个或两个以上通道， 且每个所述差分离子迁移谱分析器阵列的一个通道至少对应一个所述质谱分析器阵 列的一个通道。
在本发明的一实施例中， 所述质谱分析器阵列为四级杆阵列或离子阱阵列。 在本发明的一实施例中， 离子分析器还可包括离子解离装置， 设在所述离子输 送通道阵列与所述质谱分析器阵列之间。
在本发明的一实施例中， 所述离子解离装置是气体碰撞室、 或是光解离室、 或 者电子捕获解离室。
在本发明的一实施例中， 所述差分离子迁移谱分析器阵列为平面结构， 离子入 口位于各通道的相对相同位置， 且每个通道离子出口狭缝的相对位置相同。
在本发明的一实施例中， 所述差分离子迁移谱分析器阵列各通道呈中心对称结 构， 各通道对应中心线在径向对称分布。
在本发明的一实施例中， 所述质谱分析器阵列的每一个单元都配备有独立的离 子探测器和数据采集放大系统。
在本发明的一实施例中， 所述质谱分析器阵列的各单元呈中心对称结构， 且各 单元共用一个离子探测器和数据采集系统。
在本发明的一实施例中， 所述差分离子迁移谱仪阵列是工作在同步模式或异步 模式下， 所述质谱仪阵列是工作在同步模式或异步模式下。
在本发明的一实施例中， 所述差分离子迁移谱分析器阵列工作在大气压下。 在本发明的一实施例中， 所述差分离子迁移谱分析器阵列工作在低于大气压但 不低于 O. l torr的环境下。
在本发明的一实施例中， 所述差分迁移谱分析器阵列中的气流方向与所述离子 输送通道阵列的轴向垂直。
在本发明的一实施例中， 所述差分迁移谱分析器阵列的每个通道入口处设有一 离子流探测器， 且所述离子流探测器与外部的电流检测装置相连。
在本发明的一实施例中， 所述离子源包含一个放射性离子源， 且所述放射性离 子源可以根据实验需要通过机械装置选择性地开放或关闭。
在本发明的一实施例中， 所述的离子分析方法包括将离子源或离子源阵列产生 的离子引入差分离子迁移谱分析器阵列的各个通道，经各通道进行基于离子迁移率的 选择后，经过离子输送通道阵列后进入质谱分析器阵列并最终被离子探测器或离子探 测器阵列所检测。
在本发明的一实施例中， 所述的方法还包括使离子在进入所述质谱分析器阵列 的各个通道之前， 先进入一个离子解离装置， 以使离子能够所述在离子解离装置中解 离。
在本发明的一实施例中， 所述差分离子迁移谱仪阵列是工作在同步模式或异步 模式下， 所述质谱仪阵列是工作在同步模式或异步模式下， 所述方法包括随采样过程 中信号的变化而对所述差分离子迁移谱仪阵列和 /或所述质谱仪阵列的工作模式进行 切换。
在本发明的一实施例中， 所述的方法包含使用四级杆阵列或离子阱阵列作为所 述质谱分析器阵列。
在本发明的一实施例中， 当使用一个所述离子探测器时， 所述方法包括采用分 时扫描逐出的方式探测各个通道的离子信息。
在本发明的一实施例中， 所述的方法还包含使用一个位于差分离子迁移谱分析 器阵列各通道入口处的离子流探测器， 对各通道的离子引入量进行监控， 所得到的各 通道的所述离子流的强度归一化后， 用来校准各通道中最终测得的目标离子强度。
在本发明的一实施例中， 所述的方法包含使用一个位于所述离子源中的放射性 离子源，并通过使用所述离子分析器各个通道分别对所述放射性离子源产生的某种特 定离子进行定期检测， 最终各通道在所述离子探测器上所得到的离子强度归一化后， 用来校准各通道中最终测得的目标离子强度。
本发明所提出的离子分析器和离子分析方法由于使用多路差分离子迁移谱和多 路质谱仪以及单个或多个离子探测器联用， 从而提高仪器的检测效率及准确度； 同时 差分离子迁移谱阵列与质谱仪阵列的联用可以工作在不同模式下，从而提高了这一装 置在公共安全和环境监测等领域的应用能力。 附图概述
本发明的特征、 性能由以下的实施例及其附图进一步描述。
图 1A示出离子源与平板型差分离子迁移谱分析器阵列、 平板型离子导引阵列、 平板型离子阱分析器阵列相串连的结构。
图 1B示出差分迁移谱分析器阵列中一个单元的基本结构。
图 2A示出离子源与呈轴对称的差分离子迁移谱分析器阵列、四极杆离子导引阵 列、 离子阱分析器相串连的结构。
图 2B示出图 2A中的离子阱分析阵列的剖面结构。
图 3示出离子源与平板型差分离子迁移谱分析器阵列、 平板型离子导引阵列、 四极杆质量分析器阵列相串连的结构。
图 4A示出离子源与呈轴对称差分离子迁移谱分析器阵列相连的结构，其中离子 经过四极杆质量分析器阵列后向一离子探测器阵列逐出， 以达到多通道质量分析的目 的。
图 4B示出离子源与呈轴对称差分离子迁移谱分析器阵列相连的结构，其中离子 经过四极杆质量分析器阵列质量分析后向同一离子探测器逐出， 以达到富集质量分析 或分时分道质量分析的目的。
图 5A示出一种差分迁移谱分析器与下一级离子输送装置互相垂直的仪器构型， 离子在差分迁移谱分析器的入口在一维方向上分布。 图 5B示出一种差分迁移谱分析器与下一级离子输送装置互相垂直的仪器构型， 其中离子在差分迁移谱分析器的入口在两维方向上分布。
图 5C示出具有中央离子探测器的离子阱阵列的截面图。
图 5D示出具有分道离子探测器的离子阱阵列的截面图。
图 6示出离子源与呈轴对称的差分离子迁移谱分析器阵列、 离子导引阵列、 离 子阱分析器阵列相串连的结构，其中各阵列通道中的通过离子在离子阱分析器中径向 出射， 被位于该离子阱分析阵列外周的检测器阵列分道检测。
图 7示出本发明的离子检测装置与解吸电晕束离子源联用的结构。
图 8示出根据本发明一实施例的同步 (DMAA)-异步 (ITA) 模式示意图。
图 9示出根据本发明一实施例的异步 (DMAA) -异步 (ITA) 模式示意图。
图 10示出根据本发明一实施例的离子阱阵列的离子分析和分时出射的示意图。 本发明的具体实施方式
概要地说， 本发明的实施例涉及一种将差分离子迁移谱分析器阵列 (Differential Mobility Analyzer Array, DMAA)与质谱分析器阵歹 lJ(Mass Spectrometer Array, MSA)联 用的从而提高离子分析器整体分析效率的装置以及用以提高离子分析效率的方法。 实施例一
如前所述， 当使用差分离子迁移谱分析器进行离子检测时， 具有不同的离子迁 移率的离子是通过改变差分离子迁移谱分析器迁移电压来进行选择的。当想要获得一 个整个离子迁移率范围内的谱图时， 就需对该分析器的迁移电压进行步进式扫描。这 一过程通常十分耗时， 为了在每一次步进时达到平衡， 一次扫描时间通常在几秒至几 十秒的时间。 为了增加这一分析过程的效率， 可以采用多路检测的方法。 图 1A示出 离子源与平板型差分离子迁移谱分析器阵列相连的结构。 如图 1A所示， 一离子源阵 列 1与一个平板型差分离子迁移谱分析器阵列 （F-DMAA) 2相连， 从 F-DMAA 2引 出的离子可以通过一个离子输送通道阵列 3进入下一级平板型离子阱阵列（F-ITA)4， 经过质量分析后向一离子探测器阵列 5逐出， 以达到质量分析的目的。
在本实施例中， F-DMAA 2中每个单元， 即每个通道的结构相同， 其截面如图 1B所示。 离子入口 2a位于各通道的相对相同位置， 且每个通道离子出口狭缝的相对 位置相同。 离子经由 F-DMAA通道的底部狭缝 6进入， 随一平行于通道方向的气流 向通道下游运动。 同时， 离子在一垂直于气流方向的直流电场的作用下向平行极板的 顶部运动。 由于不同离子迁移率的离子在同一电场作用下的运动速度不同， 离子两个 方向速度叠加后使得只有那些具有特定离子迁移率的离子才能够从顶部狭缝 7离开 迁移区。
以上离子迁移区既可以运行在大气压下， 也可以运行在背景气压最低至 0.1tOrr(-13.3322 Pa)左右的低真空下， 但出于离子迁移分析的分辨能力考虑， 通常离 子迁移区的平均气压不低于 0.1Torr。 因此当离子离开 F-DMAA 2后进入 F-ITA 4之 前需要经过一个离子输送通道阵列 3， 其作用是提供一个压力居中的差分抽气区， 提 高离子的通过效率。这样的离子输送通道阵列可以是一个多级杆阵列， 一个离子漏斗 阵列， 或是一个由多个电极片或丝状电极所形成的多极场的阵列。通过离子输送通道 阵列 3的离子， 可沿轴向进入下一级的 F-ITA 4。 进入 F-ITA 4后的离子经过冷却和 扫描逐出后， 进入位于侧面方向的离子探测器阵列 5的相应各个单元进行检测。
对于这一结构而言， 可以有多种工作模式。例如， F-DMAA 2的各个通道可以工 作在同步模式， 即各通道上所加电压相等， 因此各通道所选择性通过的离子的迁移率 相等。 在此模式下， F-DMAA 2在同一时刻仅监视一种离子迁移率的离子。 如需监视 多种离子， 该阵列需工作在步进模式下， 即在不同的迁移电压之间进行转换； 与此同 时， 与之相连的 F-ITA 4也可以工作在同步模式下， 即每个离子阱单元所检测的质量 或质量范围相等。这一模式相当将 F-DMAA 2和 F-ITA 4都各自作为一个整体的分析 器使用。 因而此种模式的主要目的是提高分析器的整体灵敏度， 但并不能提高分析的 速度。
当然， 离子阱阵列也可以工作在异步模式下， 即每个单元所检测的质量或质量 范围不等； 或者， 几个单元可以形成一组， 检测相同的质量或质量范围。 通常这种模 式的主要目的是检测同一种离子迁移率离子中所包含的具有几种不同质核比的组分。 这对于 F-DMAA 2扫描速度较快的情况下快速甄别具有相似结构化合物的不同组分 有着特殊意义。 这种同步 （F-DMAA 2 ) -异步 （F-ITA 4 ) 的模式如图 8所示。 图 8 中 VI至 V5代表在不同时刻 F-DMAA 2各通道所同时施加的迁移电压， ml、 ml , m3、 m4等分别代表质谱仪各通道扫描的质量区间。 对于质谱异步模式来说， 这些区 间是不同的，甚至可以令每个通道锁定某一特殊的质量进行监视。当 F-DMAA 2的扫 速较快时， 对于离子阱或四极杆来说扫描一个完整的质量范围变得十分困难， 以上分 通道分段进行扫描就凸显出其优点。
对于 F-DMAA 2的同步模式而言， 它更适合于监测某些样品浓度随时间变化不 是很快的采样过程。 然而， 当 F-DMAA 2的前级分析器（如液相或气相色谱） 出峰较 快时， 运用 F-DMAA 2进行完整谱图的扫描也变得困难。 这时可以将 F-DMAA 2的 工作模式由同步改为异步，使各个 F-DMAA 2的通道工作在不同的迁移电压或迁移电 压范围下， 从而同时监测多种待测物， 大大减少扫描全谱的时间。 当然， 对于异步模 式下 F-DMAA 2各通道选择出来的具有不同离子迁移率的离子， 在使用后续 F-ITA 4 进行质核比分析时， 对于 F-ITA 4而言， 既可以采取同步模式， 也可以采取异步模式。 对于 F-ITA 4的同步模式而言， 分析者更关心监测可能具有不同空间几何构型的同一 类离子； 而对于 F-ITA 4的异步模式而言， 分析者则更关心对每一种具有特殊离子迁 移率的离子使用质核比进行确认， 以减少假阳性的出现。后者更适合取代目前公共安 全领域常用的仅以离子迁移率来定性离子的离子迁移谱仪。这一过程如有意义需要满 足两方面的要求， 首先， 这一检测过程所感兴趣的离子种类并不是很多 （不超过总通 道数） ， 且检测之前各类离子的迁移率已知 （对已知样品的监测） 。 因此， 这一过程 更适合对于一些常规且需要一定检测速度的过程，如在线监测和机场安检等领域进行 应用。 图 9描述了异步 (； F-DMAA)-异步 （F-ITA) 工作模式的过程。 F-DMAA 2每个 通道在 0至 tl的扫描时间内， 其对应的质谱分析器阵列的每个通道对应工作在 ml 至 m2， m3至 m4， 等不同的工作范围内。 在此模式下， F-DMAA 2在同一时刻可监 视多种不同离子迁移率的离子； 监视离子种类个数由所述阵列中通道个数决定； 此时 F-DMAA 2每个通道的迁移电压可以如图 9所示保持在一固定值 （Vl， V2， V3， 和 V4) ， 以持续监视某一种离子。 F-DMAA 2每个通道的迁移电压也可在一个各不相同 的狭窄范围内扫描， 以快速获得整个迁移率范围内的离子信息。
此外， 本实施例中的离子源也可为放射性离子源， 这一放射性离子源可以根据 实验需要通过机械装置选择性地开放或关闭。这样， 通过使用离子分析器各个通道分 别对放射性离子源产生的某种特定离子进行定期检测，最终各通道在所述离子探测器 上所得到的离子强度归一化后， 可以用来校准各通道中最终测得的目标离子强度。 实施例二
本实施例中的离子分析器的基本原理与实施例一相似， 但区别在于在本实施例 中差分离子迁移谱分析器阵列 （DMAA) 及离子阱阵列 （ITA) 都采用圆筒式， 分别 简称 C-DMAA 1 1和 C-ITA 13， 二者之间通过圆筒状离子输送通道阵列 12连接， 如 图 2Α所示。 在此实施例中， C-DMAA 1 1的各通道呈中心对称结构， 各通道对应中 心线在径向对称分布。 图 2Β进一步示出 C-ITA 13的剖面结构， 阵列中各分析单元围 绕同一中轴线呈一个完整的圆周型分布，这可以使得从阵列中多个分析单元所出射的 离子进一步聚焦出射在装置的中轴线上。
此外， 可以在 C-ITA 13端盖上的引出口等处分别设立轴向出射离子探测器等， 分别检测各离子分析单元逐出的离子，或用一个大接受面积的探测器来同一检测所有 的离子。
本实施例的结构与上一实施例中的平板结构相比有一些优点。 例如， 由于圆筒 结构对于中轴线对称，因此可以将离子源阵列和离子探测器阵列简化为单独的离子源 10和离子探测器 14， 同时保证各个通道有相对比较均匀的响应。 不仅如此， 对于离 子探测器 14的简化可以进一步减少后续的信号放大器和数据采集通道的数量， 使得 整个仪器成本降低。
在这种仪器配置结构下， 上一实施例中的各种工作同步及异步的模式都适用。 当然，在将离子探测器数量减至一个的同时，对离子检测过程中包含异步模式（DMAA 及 ΙΤΑ至少一种为异步模式） 的时序也需要有所调整。 图 10表达了在异步 (DMAA)- 异步 (ITA)模式下使用单独一个离子探测器时对 ITA的特殊时序控制。 如图 10所示， DMAA每一个通道工作在不同的迁移电压下 （VI至 V4 ) ， 而对应每个 DMAA通道 的 ITA单元会在大致 3个工作阶段之间切换，离子阱清空-离子引入并富集-离子引出。 这三个阶段中， 离子引入并富集阶段所需时间最长， 通常可以持续几十至几百毫秒， 而离子阱清空所需时间很短， 通常几十个微秒就足够。 而对于离子引出阶段的时间， 需依据具体扫描质量的范围决定， 如果是进行全质量范围内的扫描逐出， 需要至少十 几个毫秒。 但是， 由于 DMAA的各个通道已经将离子根据不同的迁移率进行了一定 的区分， 因此， 可以将每个 DMAA通道所选出的离子和一定质量范围相结合， 甚至 每个通道只对应一个特殊的质核比。 这样 C-ITA 13中的每个离子阱单元扫描的时间 可以縮短至几百个微秒， 仅占离子阱分析时间中很小的份额， 这就为各个离子阱单元 共用一个离子探测器创造了条件。 因此只要将各个离子阱单元的扫描逐出时间错开， 就能够充分利用离子探测器的使用时间，从而使整个系统的占空比与使用离子探测器 阵列作为离子探测器时相差不大。
当然， 对于 C-ITA 13而言， 也可以为每个离子阱通道安装一个离子探测器， 并 配备独立的放大器和数据采集系统。 这时各个通道的运行将是完全独立的， 这和
F-DMAA与 F-ITA的组合在运行过程中的模式是完全一样的。 这种模式更适合于对 每个离子阱进行全质量扫描。 实施例三
本实施例中的离子分析器的基本原理与实施例一十分相似， 但区别在于在本实 施例中质量分析器阵列采用四级杆阵列。 如图 3所示， 平面四级杆阵列 (F-QA) 15中 的每一根四级杆与 F-DMAA 2中的一个 F-DMAA单元通过一个平板型的离子输送通 道阵列 3相连。 与前例相似， F-QA 15的各个单元可以视情况工作在不同模式下， 以 与 F-DMAA 2的不同工作模式进行组合，从而适应不同的应用需求。例如，当 F-DMAA 2的各个通道工作在同步模式下时， F-QA 15的所有单元也工作在同步模式下， 以增 加对某一种离子进行监测和确认时的灵敏度。 或者， F-QA 15的不同单元也可以分为 几组，从而对相似结构的离子在不同的可能质量范围进行监测。当 F-DMAA 2各通道 工作在异步模式下时，则 F-QA 15工作在同步模式下的目的是对多种同分异构体进行 监测， 获得其相对和绝对含量信息。 最后， 当 F-DMAA 2和 F-QA 15都工作在异步 模式时， 不同通道将针对不同的、 专有的离子迁移率一离子质核比对， 从而有效地甄 别不同种类的离子。
如图 4A所示，也可以使用类似实施例二圆筒结构的差分离子迁移谱分析器阵列 ( C-DMAA) 1 1和圆筒状分布的四级杆阵列 （C-QA) 16的组合进行离子分析。 从 C-DMAA 1 1引出的离子可以通过一个圆筒状的离子输送通道阵列 12进入下一级 C-QA 16, 经过质量分析后向离子探测器阵列 17逐出， 以达到质量分析的目的。 使 用这种结构的优点是整个结构以圆筒轴心对称， 因此适于将单独离子源 10的产生离 子进行导入。 这时， 整个离子分析器的运行模式与前述平板结构的运行模式相同。
进一步而言， 如图 4B所示， 圆筒状分布的四级杆阵列 16的各单元也可相互靠 近， 通过通过一个圆筒转换打拿极 18输出。 然后将后部的离子探测器阵列进一步简 化为一个单独的离子探测器 14， 以减少探测器和后级信号采集放大的成本。 但是， 由于四级杆质谱通常工作在连续模式下，使用四级杆阵列与离子阱阵列的区别在于离 子不会在检测过程中进行富集（相比之下， 离子阱阵列中各单元的离子逐出时间相对 离子冷却富集等的时间要短得多）， 因此使用单独离子探测器对四级杆阵列各个通道 进行分时检测会大大降低仪器的分析效率。所以， 这时整个离子检测器最好工作在全 同步模式下。
值得指出的是， 即使整个离子分析器工作在全同步模式下 （无论是差分离子迁 移谱分析器与离子阱阵列还是与四极杆阵列的组合）， 采用多通道的方式也是有其优 势的。原因在于， 通常情况下离子源产生的离子数量会远远大于离子分析器能够引入 并利用的离子数量， 尤其对于差分离子迁移谱分析器而言， 增加离子引入口尺寸会增 加对流场破坏的程度，从而影响仪器的分辨率和稳定性。而对后级的质量分析器而言， 对于相同的离子通量， 多通道结构可以减小每条通道质量分析器的尺寸， 从而降低质 量分析器的电压要求， 这也为离子分析器的小型化、 便携化提供了先决条件。 实施例四
对于实施例一和三中 F-DMAA与 F-ITA或 F-QA的组合， 还可以有其它的几何 结构。 如图 5A所示， 可以让 F-DMAA 2 (即图中所示的气流方向） 与下一级的平板 型离子输送通道阵列 3垂直放置， 使得前后的气流进出口较容易放置。
这样的放置结构还可以有一种变体，如图 5B所示将 F-DMAA 2的各通道的引入 口 2a按照中心对称的方式排列， 与此对应的离子引出口 2b也按相同的结构排列。 同 时 C-ITA 13的外围设置径向的分道离子探测器 19。 这种排列方式的好处是这样
F-DMAA 2就可以与实施例二中的离子源 10及 C-ITA 13联用， 减少所需离子源和探 测器以及后续采集放大装置的数量。
图 5C、 5D示出离子阱阵列的剖面图。 如图 5C所示， 可以在离子阱阵列的中轴 线处设置一个用于检测各通道逐出总离子流的共同离子探测器 14， 该探测器 14也可 用一个通过该中轴线上的第一打拿极取代， 使得探测器本体可以安排到其他合适位 置，这样设计的中央离子检测系统可用于接收聚焦出射在装置的中轴线上的离子流并 在送至模数转换采集装置前进一步增强。 当离子阱阵列较长时， 从中轴线引出离子会 由于离子探测器引出电场受到离子阱阵列体电极的屏蔽而变得困难。这种情况下可以 如图 5D所示， 在轴线上安排多个分道离子探测器 19或它们的多个第一打拿极， 其 中每一个离子探测器对应检测轴向一定范围中由各分析单元沿径向逐出的离子。 实施例五
上述各实施例中对于差分离子迁移谱分析器阵列与质谱分析器阵列的组合， 都 是基于对根据离子迁移率进行选择后得到的离子直接进行质量分析从而得到离子定 性信息的概念。 然而， 对于大多数同分异构体而言， 其分子结构的差异很可能不能大 到足以被差分离子迁移谱分析器分离。 因此， 在差分离子迁移谱分析器与质谱分析器 之间增加一个离子解离装置，从而可以使离子分析器能够针对具有某一离子迁移率的 离子的某一子离子进行监测变得有必要。这一过程类似于三重四极质谱中的离子选择 反应监测 （SRM)模式。 在这一模式下， 来自于差分离子迁移谱分析器的分辨率不足 的弱点所造成的化学噪声可以通过监测某同分异构体的特有子离子而被大大抑制。当 差分离子迁移谱分析器阵列的各单元工作在异步模式下时，这个离子分析器可以工作 在类似于三重四极质谱的离子多反应监测 （MRM) 模式下。 由于在异步模式下， 各 通道各自独立并同时工作， 因此可对各个反应监测通道做到同时监测， 避免了需要在 各通道间逐一切换的过程来说， 可以大大提高整个仪器的检测效率。
离子解离装置的一个简单例子为一个充有一定压力碰撞气体的碰撞室。 如图 6 所示， 一个以圆筒状分布的碰撞室阵列 21被置于 C-DMAA 1 1和 C-ITA 13之间， 其 可以在较低的真空度下， 将从 C-DMAA各通道引入的离子通过与中性气体碰撞进行 解离。解离后得到的母、 子离子可以在交变电场的辅助下得到聚焦并最终进入后级的 质谱分析器阵列进行质核比分析。 这里所述质谱仪既可以是四极杆阵列 16 (C-QA)也 可以是离子阱阵列 13 ( C-ITA) 。
在其他实施例中， 离子解离装置还可以是一个光解离室， 在此离子与高能的激 光碰撞而解离。离子解离装置还可以是一个电子捕获解离室， 在此离子与电子束相互 作用而得到解离。 实施例六
对于前述各结构而言， 其目的都是为了将来自于液相色谱分离后的复杂离子混 合物进行有效分离和检测。由于差分离子迁移谱分析器本身对复杂样品就有一定的分 离能力， 因此也可以采用一种大气压直接分析离子源与所述离子分析器直接联用， 以 免除使用液相色谱带来的分析速度慢及样品制备繁杂的缺点。
图 7展示了一种使用中国专利申请 200810188989.8所披露的解吸电晕束来进行 样品直接解吸电离， 然后使用上述离子分析器进行离子分析的装置。 在此装置中， 解 吸电晕束离子源由气体加热管 31、 放电针 32、 接地对电极 33、 高压电源 34、 加热电 源 35， 以及产生的解吸电晕束组成。 被解吸电晕束离子源解吸电离的离子 36被尽量 均匀地引入 C-DMAA 11的各个通道中被进一步分离和检测。 通道离子探测器 19的 检测信号经过通道放大器 22放大后， 送入采集设备 23。 实施例七
对于前述各结构而言， 由于差分离子迁移谱分析器阵列的各个入口所处位置各 不相同， 因此可能会造成各通道所进入的离子总数量不同， 从而造成在各通道中所测 得的离子的信号比例失真。 为了解决这一问题， 可以在每个离子引入口后端的连接一 个离子流探测器形成阵列， 且离子流探测器阵列与外部的电流检测装置相连， 并实时 地将测得的表征各通道的离子引入量的电流信号导入数据采集系统进行对比。该离子 流探测器的最简单结构可以用一个附加偏置电压的小金属板阵列来实现。当离子流来 源为色谱等脉冲形式离子源时，可以使偏置电压为差分离子迁移谱分析器的上极板电 压， 用镜像电流法检测到该总离子流变化情况。 当离子流强变化缓慢或恒定时， 也可 以采用该离子流探测器与后级质谱检测器分时复用的方法， 例如在每 20ms内， 采取 其中的 0.5ms时间， 在这段时间内将阵列 20内的各分立检测极板的电位拉负至低电 位如 -200V, 使得全部正离子流被引导到该极板上， 而其他时间分立检测极板的电位 可恢复至差分离子迁移谱分析器所需的正常值。 由于离子流强变化缓慢， 用每一单元 检测极板在该 0.5ms内所得总检测电量做一简单比例变换及多项式插值即可代表流入 该通道的电流变化数据。
无论是使用交流感应法还是分时复用法在整体阵列分析装置前获得离子电流信 号， 由于这一电流信号反映了将会进入各通道中的离子在分离之前的总量， 该值在理 想情况下应该独立于所使用的通道位置。根据不同通道前端所测得的电流值， 可以对 各通道最终所测得的离子强度进行归一化，用来校准各通道中最终测得的目标离子强 度， 以保证各离子通道目标离子强度的比例关系与实际各组分离子浓度比例一致。
更进一步， 还可以将前述的任何一种 DMAA与 MSA的组合中各通道定期对来 自于一个稳定离子源的同一种物质分别进行检测， 以便修正各通道传输离子效率的差 别。
作为对于以上各实施例所述的离子检测器阵列的工作模式的总结， 下表 1示出 根据本发明一实施例的 DMAA与 ITA各种工作模式的组合总结图表， 使本发明的实 施例更加明了。
Figure imgf000014_0001
表 1
由于差分离子迁移谱仪阵列可以工作在同步模式或异步模式下， 质谱仪阵列也 可以工作在同步模式或异步模式下。本发明的离子分析方法包括随采样过程中信号的 变化而对差分离子迁移谱仪阵列和 /或质谱仪阵列的工作模式进行切换， 以获得所期 望的性能， 例如高分辨率、 高灵敏度、 高效率等。
另外值得指出的是， 除了上述实施例所披露的结构外， 本发明还可以使用已有 的离子阱分析器阵列与与离子迁移谱阵列偶联使用。例如， 复旦大学丁传凡等人在中 国专利申请 200610001017.4及美国专利申请 2009/0294655 A1中提出的离子存储与分 析装置阵列。 又如， 美国专利 US6762406 中普渡大学 RG Cook研究组提出的圆柱型 离子阱阵列及之后 Ramsy等人制作的基于微机械与微加工技术（MEMS )的圆柱型离 子阱阵列质量分析器芯片。 或者是在中国专利申请 200910054963.9中， 复旦大学潘 鑫渊等人从电极结构上进一步简化了上述丁传凡等人所设计的 PCB电极平行阵列结 构离子阱。
本发明也可使用其他四极杆分析器阵列来与离子迁移谱阵列偶联使用。 例如， Ferran等人在美国专利 5401962和 J. Vac. Sci. Techno 1. A, 1996， Vol 14(3), pl258中描 述的， 以及丁军平等人 (质谱学报， Vol22， No.3 , 29-35.)在此基础上开发出来的 十六极阵列质谱仪。 相对普通的四极杆分析器而言， 该类质谱仪阵列具有体积小、 质 量清、 功耗低等特点。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上， 然其并非用以限定本发明， 任何本领域 技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内， 当可作些许的修改和完善， 因此本发明 的保护范围当以权利要求书所界定的为准。 例如， 所用离子源不是电喷雾， 而是大气 压化学电离源； 不是解吸电晕束离子源， 而是解吸电喷雾源 (DESI)或直接实时分析离 子源 (DART)。 再如， 所述离子分析器不仅可以和液相色谱或直接分析方法偶联， 也 可以和毛细管电泳或气相色谱偶联。

Claims

权 利 要 求
1. 一种离子分析器， 包含依次相连的离子源或离子源阵列、 差分离子迁移谱分 析器阵列、离子输送通道阵列、质谱分析器阵列、以及离子探测器或离子探测器阵列， 其中：
所述差分离子迁移谱分析器阵列、 所述离子输送通道阵列、 所述质谱分析器阵 列各自包含两个或两个以上通道，且每个所述差分离子迁移谱分析器阵列的一个通道 至少对应一个所述质谱分析器阵列的一个通道。
2. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述质谱分析器阵列为四 级杆阵列或离子阱阵列。
3. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 还包括离子解离装置， 设 在所述离子输送通道阵列与所述质谱分析器阵列之间。
4. 根据权利要求 3所述的离子分析器， 其特征在于， 所述离子解离装置是气体 碰撞室、 或是光解离室、 或者电子捕获解离室。
5. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分离子迁移谱分析 器阵列为平面结构， 离子入口位于各通道的相对相同位置， 且每个通道离子出口狭缝 的相对位置相同。
6. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分离子迁移谱分析 器阵列各通道呈中心对称结构， 各通道对应中心线在径向对称分布。
7. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述质谱分析器阵列的每 一个单元都配备有独立的离子探测器和数据采集放大系统。
8. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述质谱分析器阵列的各 单元呈中心对称结构， 且各单元共用一个离子探测器和数据采集系统。
9. 根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分离子迁移谱仪阵 列是工作在同步模式或异步模式下， 所述质谱仪阵列是工作在同步模式或异步模式 下。
10.根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分离子迁移谱分析 器阵列工作在大气压下。
1 1.根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分离子迁移谱分析 器阵列工作在低于大气压但不低于 0.1 torr的环境下。
12.根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分迁移谱分析器阵 列中的气流方向与所述离子输送通道阵列的轴向垂直。
13.根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述差分迁移谱分析器阵 列的每个通道入口处设有一离子流探测器，且所述离子流探测器与外部的电流检测装 置相连。
14.根据权利要求 1所述的离子分析器， 其特征在于， 所述离子源包含一个放射 性离子源， 且所述放射性离子源可以根据实验需要通过机械装置选择性地开放或关 闭。
15.—种使用权利要求 1的离子分析器的离子分析方法， 包括将离子源或离子源 阵列产生的离子引入差分离子迁移谱分析器阵列的各个通道，经各通道进行基于离子 迁移率的选择后，经过离子输送通道阵列后进入质谱分析器阵列并最终被离子探测器 或离子探测器阵列所检测。
16.根据权利要求 15 所述的方法， 其特征在于， 还包括使离子在进入所述质谱 分析器阵列的各个通道之前， 先进入一个离子解离装置， 以使离子能够所述在离子解 离装置中解离。
17.根据权利要求 15 所述的方法， 其特征在于， 所述差分离子迁移谱仪阵列是 工作在同步模式或异步模式下， 所述质谱仪阵列是工作在同步模式或异步模式下， 所 述方法包括随采样过程中信号的变化而对所述差分离子迁移谱仪阵列和 /或所述质谱 仪阵列的工作模式进行切换。
18.根据权利要求 15 所述的方法， 其特征在于， 包含使用四级杆阵列或离子阱 阵列作为所述质谱分析器阵列。
19.根据权利要求 15所述的方法， 其特征在于， 当使用一个所述离子探测器时， 所述方法包括采用分时扫描逐出的方式探测各个通道的离子信息。
20.根据权利要求 15 所述的方法， 其特征在于， 还包含使用一个位于差分离子 迁移谱分析器阵列各通道入口处的离子流探测器， 对各通道的离子引入量进行监控， 所得到的各通道的所述离子流的强度归一化后，用来校准各通道中最终测得的目标离 子强度。
21.根据权利要求 15 所述的方法， 其特征在于， 包含使用一个位于所述离子源 中的放射性离子源，并通过使用所述离子分析器各个通道分别对所述放射性离子源产 生的某种特定离子进行定期检测，最终各通道在所述离子探测器上所得到的离子强度 归一化后， 用来校准各通道中最终测得的目标离子强度。
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