CN102221576B - 一种产生、分析离子的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不需要预处理而直接分析样品的产生、分析离子的方法和装置。此发明中在大气压下产生气态中性分子，产生出来的中性分子被传送到低压区域，并在该低压区域与从电喷雾针尖处喷出的带电液滴或者被从真空紫外源里发出的光子相作用从而被电离。以上过程产生的离子在被传送到质谱仪或者离子迁移谱仪中做进一步分析前会在一个交变电场中被会聚和引导。

Description

一种产生、分析离子的方法与装置

技术领域

本发明一般地涉及产生、分析离子的过程，尤其是涉及在大气压下产生气态中性分子并在低压区域进行电离的方法和装置。

背景技术

质谱作为一种在不同领域中都十分有效的分析手段已存在多年。然而，为了满足目前不断增长的应用方面的需要，样品的电离过程仍然是一个十分重要的研究领域。基质辅助激光解吸电离和电喷雾电离方法的出现标志着质谱在生化领域的广泛应用。而这两种方法以及其它涉及分析固体或液体的成熟电离方法均需要在电离前进行复杂的样品前处理。

因此，不需要对样品进行预处理的快速检测离子化方法在特别是国家安全、食品安全和非法药物检测领域越来越受到青睐。解吸电喷雾电离(DESI，Science 2004，306，471)技术的发明开创了直接分析技术的新领域，它极大地缩短了分析凝聚态样品所需要的时间。自此，许多直接分析方法开始陆续出现，如实时直接分析源(DART，Anal.Chem.2005，77，2297)，大气压固体分析探头(ASAP，Anal.Chem.77，7826)，电喷辅助激光解吸电离(ELDI，Rapid Commun.Mass Spectrom.2005，19，3701)，解吸大气压光电离(DAPPI，Anal.Chem.2007，79，7867)，以及激光解吸光电离(LDPI，中国专利申请CN 101520432)等。尽管每种方法都有其独特的离子化机理，但是其中大部分方法都是分两步来进行的。第一步为从表面解吸样品形成气态分子，第二步为电离该气态分子形成分子离子。通常我们将两步法中的电离步骤称为后电离步骤。

根据这一特点，将不同的解吸方式和电离方式组合起来新离子化方法出现了，每一种组合都有它自身的特点，在一个特定的领域都有其优于其它方法的功能。例如，ELDI和LDPI都使用激光作为它们的解吸源，但是与LDPI中利用真空紫外光子作为离子源产生的离子相比，ELDI在电离阶段用电喷雾的方法可以产生更多的极性产物，这种区别使得ELDI更加适合分析生物大分子，而LDPI更加适合应用在小分子分析领域。

对于大部分的直接分析方法而言，考虑到样品载入的方便，解吸和电离两个过程都是在大气压下进行的。但是，为了维持大气压和真空之间的压力差，其间的接口尺寸需要被控制得很小，这就造成在大气压下产生的大部分离子不能通过接口，这是造成质谱仪分析灵敏度降低的一个主要原因。同时，由于在大气压下缺乏有效的电场聚焦手段来对产生的离子云进行会聚，因此离子云的空间电荷效应使得离子更加扩散，离子从而更难被引入大气压与真空间的接口。另外，对于使用毛细管作为离子引入接口的设备，其开口处的发散电场也极不利于离子进入接口，从而离子会不可避免地损失在毛细管入口处的管壁上。除此以外，对于那些足够幸运进入毛细管的离子而言，和毛细管的内壁发生碰撞而导致它们失去电荷的可能性仍然很大。

作为一种替代方案，如果电离过程被挪到大气压与真空的接口之后的区域，即挪至低压区域，那么在接口处损失离子的问题就可以得到缓解。通过这种方式，仅有那些被解吸的中性分子需要通过毛细管被传送，因此空间电荷、发散电场及在接口处损失电荷的现象都不存在了。Marksteiner和他的同事在J.Phys.Chem.A  2009，113，9952文章中有过类似的报导，他们主要的工作是在大气压下进行激光解吸，将解吸得到的中性分子传输至高真空区域，并在高真空区域中的飞行时间质量分析器加速源里进行真空紫外电离。

类似的做法也被运用在将气相色谱与质谱相结合并以真空紫外光为后电离手段的方法中。如Zimmermann等人在质谱仪的真空腔中使用了一种电子束泵浦激态复合物真空紫外灯来对气相色谱仪的流出物进行电离(Anal.Chem.2006，78，6365-6375)。此种方法能够对单光子电离过程提供极其丰富的理论数据。又如美国专利申请(US2010/0032559)中提到的使用无窗口的低压惰性气体放电灯对气相色谱仪流出物在低压区进行的电离。

对于电离方法而言，它在不同的压力范围下的离子化效率可能有显著的差别。并且，考虑到不同离子源的特点，在检测复杂的混合物时使用两种电离源同时工作是较理想的方案。因此寻找适合一种或一种以上电离方法的低压范围，成为提高离子化效率的关键。

发明内容

本发明涉及一种能够在低气压下提供高电离效率及离子传导效率的方法及设备，同时该方法和设备还具备在大气压下进行解吸从而对样品进行直接分析的方便性。

本发明的产生、分析离子的方法包括在大气压区域形成气态中性分子，然后传送气态中性分子进入一个气压值在10-14000Pa的低压区域，在该低压区域使气态中性分子生成离子，然后在所述低压区域使用一个交变电场将所述离子会聚并引导到一离子分析器。

在本发明的实施例中，电离气态中性分子生成离子的方式可以包括但并不局限于低压电喷雾、真空紫外光光电离或以上两者的结合。

本发明的产生、分析离子的装置包含以下几个部分。首先，装置包含一个能够在大气压下产生气相中性分子的样品平台。样品平台可以包含一个激光器、一束热气流、一个加热盘、一个超声振动台、或是一个加热管，以便将样品从凝聚态转化至气态。其次，该装置包含一个能够将中性分子有效传输至低压区腔体的传输管道。第三，该装置还包含一个中性分子能够被传输到的低压腔体，中性分子在该腔体处能够被后电离。该低压腔体的气压通常被控制在10到14000Pa。第四，该低压腔体包含一个具有交变电场的设备用以对离子在产生后进行引导和聚焦。

在本发明的实施例中，在上述低压腔体中的后电离过程涉及中性分子和来自低压电喷雾源所产生的带电液滴的融合过程、或是中性分子与真空紫外光光子间的反应、抑或者是以上两种过程的结合。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点：

1.在大气压下快速解吸，同时在一特定压力区域进行有效的后电离。

2.能够将两种互补的后电离方式在一特定的压力区有效地结合在一起。

3.能够将后电离产生的离子在一特定压力区有效地会聚和引导至离子分析器。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1为本发明中第一种实施方式所述的装置示意图。

图2为本发明中第一种实施方式的变化例所述的装置中离子源部分的示意图。

图3为本发明中第二种实施方式所述的装置中离子源部分的示意图。

图4为本发明中第三种实施方式所述的装置中离子源部分的示意图。

图5为图3所示离子源的前视图。

图6为本发明中第五种实施方式所述的装置中离子源部分的示意图。

图7为本发明中第六种实施方式所述的装置示意图。

具体实施方式

一般地说，本发明所提出的示例性方法和设备在大气压条件下对样品进行解吸，将样品从固相直接形成气相中性分子，然后把被解吸的气相中性分子传送进低压区，并在该低压区将这些气相中性分子进行电离。

在本发明的实施例中，产生气体中性分子的方式可以包括但并不局限于用激光器进行激光照射、用热气流发生装置进行热气解吸、或者用超声波解吸。

另外，本发明所提出的示例性方法和设备可涉及从液相色谱仪或类似设备中汽化获得气相中性分子，然后将气相中性分子传送进低压区，并在该低压区将这些气相中性分子进行电离。

另外，本发明所提出的示例性方法和设备可涉及从气相色谱仪或类似设备中直接获得气相中性分子，然后将气相中性分子传送进低压区，并在该低压区将这些气相中性分子进行电离。

在本发明的实施例中，电离方式可以包括但并不局限于低压电喷雾、真空紫外光光电离或以上两者的结合。具体来说，可在该低压区通过中性分子与电喷雾所产生的带电液滴相互作用，或者与真空紫外光源产生的光子相互作用，或者与以上两者的组合相互作用而被二次电离。一旦离子在低压区域产生，它们就会被一个交变电场有效地会聚，从而将离子损失的可能性降到最低。

本发明所提出的多个实施例的一个目的是在于提高离子源的灵敏度，这首先是由于在离子分析器的大气与真空接口处进行的是中性分子的传导而非离子传导，同时还在于在一个低压区(10到14000Pa)而非在大气压下进行被解吸附分子的后电离及离子形成后的会聚和引导。将两种电离方式，如真空紫外光和电喷雾电离结合在一起能够进一步增加可同时电离的样品的种类。对于其中真空紫外电离的过程而言，在此低压区进行电离既可以保证真空紫外光子有足够的作用距离，又可以保证真空紫外电离时常用的媒介离子能够具有足够的浓度。而对于低压下的电喷雾过程而言，此低压区的压力既可保证带电雾滴免于通过大气压和低压区的接口时的损失，又可以防止溶剂在过低的压力下由于急速挥发而结冰。在本发明的一个或多个实施例中，用于电离后进行离子分析的离子分析器可以包括质谱仪或是离子迁移谱仪。以下分别例举本发明的各个实施例。

图1所示为本发明的第一种实施方式的解吸电离装置。该装置的目的是进行大气压解吸、低压电喷雾电离以及随后对所产生离子的进行质量分析。在该实施方式中，固体样品8置于真空区域外的样品基板9上并由激光束7来对样品表面进行解吸。作为替代，诸如热气流解吸、超声波解吸等其它方法也可使用。解吸后的样品分子被传输至一个低压的第一腔体10中，在这里气态中性分子将与来自低气压电喷针2产生的带电雾滴相遇。其中低压电喷针所用溶剂是由注射泵5提供，并由一毛细管6导入。第一腔体10中的压力最好在10-14000Pa的范围内。这里的电喷针2最好使用纳升喷针，其喷雾毛细管内径最好小于10μm且液体流速最好低于300μL/min。气体中性分子与带电雾滴相遇时，分子将融合进带电雾滴中。包含着目标分子的带电雾滴将通过一个去溶剂化步骤得到多电荷目标离子。该后电离过程与ELDI方法比较近似，不同之处在于后者的融合过程发生在大气压环境中。本实施例的方法中，由于大气压与低压部分接口处的毛细传输管1对于气体中性分子的传输效率高于雾滴和离子，所以这一方法总体从这个角度来说对样品的检测具有较高的灵敏度。如果第一腔体内的压力过低，则会出现电喷雾喷针处由于溶剂迅速挥发而出现的结冰现象，影响电喷雾过程。

由于气体进入毛细传输管1并到达低压区域10时，会发生超音速膨胀，进而形成分子流的径向扩展。因此如图1所示，多个电喷针2被沿分子流径向扩展方向置于电离区域，以预定的直径环绕毛细传输管，即中性气体分子入口，进而增加电喷雾雾滴与解吸的中性分子的相互作用。

一个逐步收缩直径的离子聚焦电极片阵列3(结合参照图1和图5)被置于第一腔体10中且与毛细传输管1的端部轴向相对。阵列3中位于相同轴向位置的每一组电极包含四个电极片，相对电极上所施加的交变电压等幅同相，且相邻两对电极上所施加的交变电压等幅反向，以此来聚焦离子。一旦离子在低压腔10中产生，将被交变电场所聚焦，并朝交变电场的中心轴运动，同时由于聚焦盘片阵列3上施加有轴向直流电压梯度(该梯度由叠加于盘片电极上的直流电压所形成)，离子将向聚焦电场的出口处移动。在靠近毛细传输管1端部处的弧形电极27上施加一个与目标分析离子同极性的直流电压，也可辅助离子聚焦在第一腔体10的轴向中心。第一腔体10中的离子随后进入第二腔体11(压力1Pa左右)，在这里离子被八极杆13进一步聚焦和传输。最后，通过第二腔体的离子将进入第三腔体12，被四极杆质谱仪14所分析。在本实施方式中，离子聚焦电极片阵列的聚焦作用也可以由一个离子漏斗来完成。

在图2所示第一种实施方式的变化例中，电喷针2的尖端也可以缩到第一腔体10外壁和内壁之间的中空层4中。中空层4的压力可以通过真空端口20调节。该实施例中，电喷雾雾滴可以在中空层4中形成，再通过小孔21进入低压腔10。通过真空端口20的调节，该中空层4的压力可以保持在不同于低压腔体10的压力下。对于那些挥发性强的溶剂，中空层4的压力最好高于低压腔体10中的压力，以免在电喷针2出口处因急速挥发制冷而产生冻结。而对于那些挥发性弱的溶剂，中空层4的压力最好远低于低压腔体10中的压力，以使溶剂可以在较高喷雾电压下有效地形成雾滴，且不易放电。

本发明的第二种实施方式，如图3所示包括在第一腔体10中用真空紫外光源19来对已解吸的分子的进行电离。与本发明的第一种实施方式相似，固体样品8置于一个样品基板9上，用激光来解吸至气相状态。被解吸后的气体分子进入低压的第一腔体10，在这里通过真空紫外光源19产生的光子进行光致电离。真空紫外光源19产生的光子能量可以控制在8.4至11.8eV的范围内，具体大小取决于对于被测分析物的类型和所需的选择性。真空紫外光源可以是放电灯、电子束泵浦激态复合物真空紫外灯(EBELs)、真空紫外激光器，或者是同步辐射光源。与大气压光致电离(APPI)技术相比，由于本实施例中在10-14000Pa范围的低压下真空紫外光子被氧气分子强烈吸收的程度大幅减小，因此待测物分子被光子直接电离的效率得到很大提高。与第一种实施方式类似，在低压腔体10中可以沿毛细传输管的分子流径向扩展方向放置多个真空紫外光源19，以预定的直径环绕毛细传输管的中性气体分子入口，从不同角度提供更大量的光子，从而得到更高的电离效率。

对于具有高离子化能的待分析物，真空紫外光子能量可能会不足以电离目标化合物。因此有时候待分析物的后离子化过程需要依赖于与媒介离子的电荷转移过程。如图3所示，来自媒介气体容器26的媒介气体能够随着被解吸的待测分析物及大气分子被吸入第一腔体10。本实施例中用来离子化的第一腔体10的压力有利于在满足使媒介离子维持较高浓度的条件的同时，保持真空紫外光子具有较长的行程。这里注意由于来自于媒介气体容器26的媒介气体与被解吸的待测物分子以及大气分子同时进入第一腔体10，因此媒介气体分子估计约占第一腔体10中气体分子数量的一半，即在130Pa压力下约有1x10¹³/cm³个媒介分子。

本发明的第三种具体实施方式包括把前述实施方式提及的两种后离子化方法(即低压电喷雾和真空紫外光)结合在一起的方案，如图4所示。该方案中低压电喷雾和真空紫外光源可以在第一腔体10中同时作用从而电离已解吸的气相中性分子。在此，电喷雾和真空紫外光电离是分别针对极性和非极性化合物离子化的两个互补技术，而这一点这对于分析含有不同化学组分的复杂混合分析物是非常有用的。如在前述两个实施方式中提及，使用多个电喷雾源和真空紫外光源可以增加中性待测物与雾滴或光子的相互结合机会，因此在图5所示的将电喷针2与真空紫外灯19相结合的离子源的正视图中，也采用了多个电喷针2与多套真空紫外灯19相结合的方案。最终，三个电喷针2和三个真空紫外灯19环绕着中性气体分子入***替排列。只要保证雾滴和真空紫外光光子可以与从毛细传输管1进入第一腔体10的中性分析物能够相互作用，其它各种电喷针2与真空紫外光源19的组合构型应该都可以使用。

本发明的第四种具体实施方式包括直接将第一腔体10的毛细传输管1与一非固相解吸源组合，在此解吸源的出口视为样品架。这里，非固相解吸源可以是诸如液相色谱仪的液体进样装置。如图6所示，从纳升液相色谱仪29流出的待测物经一个加热管30进入低压的第一腔体10。使用加热管30的目的是用来汽化液相色谱仪的液态流出物，从而得到在第一腔体10中能够被电离的中性气体分子。对于较难汽化的流出物，也可采用光辐射汽化、超声波振动雾化或高速热气流雾化的方式在大气压下产生气相中性分子。对于此种实施方式，以上所述两种离子化方案即电喷雾和真空紫外光也可以同时使用。另外，诸如一气相色谱仪或者化学反应器的气体进样装置也可以与毛细传输管1直接连接，在此，气体进样装置的出口视为样品架。与液相色谱仪连接方式不同的是，气相色谱仪或化学反应器与低压腔体10的接口不需要加热管30来汽化样品，气相色谱仪或化学反应器会直接提供气相中性分子。

本发明的第五种具体实施方式具有与前四种具体实施方式相同的解吸电离方法。其不同点在于，如图7所示，电离后离开第一腔体10的离子将进入一个低压离子迁移管25。该迁移管25可以在与第一腔体10相同的压力范围下工作，前提是只要保证迁移管25和第一腔体10各处压力高于65Pa。离子进入迁移管25后将在其内部的直流电场的驱动下向前移动，最终离开迁移管25并进入下一级的质量分析器进行质量分析。

应该注意到的是，在本发明所述的具体实施方式以外所提出的与本发明相关的变化或修改仍然在本发明的保护范围之内。例如，气相中性分子可以来自于液相色谱仪以外的液体进样装置，如加热毛细管电泳仪的流出物，解吸源不仅可以使用激光束或者加热气流，也可以使用加热灯，后离子化源可以使用辉光放电源或者放射性源。除此以外，另一种将低压电喷雾源与真空紫外源同时使用的方式是使用低压电喷雾直接雾化/电喷雾化待分析物，然后使用真空紫外光进一步对待分析物进行电离。

Claims (28)

1.一种产生、分析离子的方法，包括，

在大气压区域形成气态中性分子；

传送所述气态中性分子进入气压值在10-14000Pa的低压区域；

在所述的低压区域使气态中性分子生成离子；

在所述低压区域使用一个交变电场将所述离子会聚并引导到一离子分析器，

所述离子的生成过程包含使所述气态中性分子与来自所述低压区域内部的带电液滴融合，且所述带电液滴产生于所述低压区域附近的具有不同于所述低压区域气压的另一个压力区域内部。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态中性分子是从固体表面解吸形成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，从固体表面解吸形成气态中性分子的过程包括使用激光束进行固体表面解吸、或者使用热气流从固体表面解吸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态中性分子由液相色谱仪的流出物通过汽化的方式产生，或者由气相色谱仪或化学反应器直接提供。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述汽化方法包括高速热气流加热、光辐射或者超声波振动。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一个压力区域的气压实质上高于所述低压区域的气压。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一个压力区域的气压实质上低于所述低压区域的气压。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子的生成过程包含：在所述低压区域由来自真空紫外光源的光子辐照所述气态中性分子，由所述带电液滴和来自所述真空紫外光源的光子对所述气态中性分子共同作用。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交变电场上叠加具有轴向梯度的直流电场，以将所述离子引导到所述低压区域的出口处。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子分析器为质谱仪或者离子迁移谱仪。

11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使用激光束进行固体表面解吸的过程包含在一个可移动的样品架上放置所述固体，通过所述样品架的移动以使所述激光束能够扫描过所述固体表面从而获得所述固体表面的分布信息。

12.一种产生、分析离子的装置，包括：

置于大气压区域中的样品架，以供在大气压下从样品架上的样品形成气态中性分子；

传输管路，用于将所述气态中性分子传送到一个低压腔体；

低压腔体，其气压值范围为10-14000Pa，在该低压腔体中电离所述气态中性分子；

另一压力腔体，位于所述低压腔体附近，且其气压不同于所述低压腔体；

低气压电喷雾针，针尖位于所述另一压力腔体内部并通过小孔指向所述低压腔体内部，从而产生的带电液滴与所述气态中性分子相融合导致生成所述离子；

用于产生交变电场的设备，设于所述低压腔体中，用以会聚和引导所述离子进入一离子分析器，以进一步分析所述离子。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述样品架包括一个可移动的固体样品台。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，包括一台激光器，用以解吸形成所述气态中性分子。

15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，包括一套热气流发生装置，用以热解吸形成所述气态中性分子。

16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述样品架包括一个液体进样装置的出口。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述液体进样装置包括液相色谱仪或者毛细管电泳装置。

18.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述样品架包括一个气体进样装置的出口。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述气体进样装置包括气相色谱仪或化学反应器。

20.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，包含多个所述低气压电喷雾针，其针尖以预定的直径环绕所述低压腔体中的气态中性分子入口。

21.根据权利要求12或20所述的装置，其特征在于，所述低气压电喷雾针尖为纳升电喷雾针尖。

22.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述另一压力腔体内的气压实质上高于所述低压腔体内的气压。

23.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述另一压力腔体内的气压实质上低于所述低压腔体内的气压。

24.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述低压腔体内部设有真空紫外光源，所述低气压电喷雾针尖产生的带电液滴与所述真空紫外光源产生的光子共同作用于所述气态中性分子而生成所述离子。

25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述真空紫外光源是放电灯、激光器或者同步辐射光源。

26.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述用于产生交变电场的设备包括离子聚焦电极片阵列或离子漏斗。

27.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述离子分析器包括质谱仪或者离子迁移谱仪。

28.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述激光器发出的激光束的照射点能够通过移动所述固体样品台的方式在样品表面扫描，从而获得样品的表面信息。