CN114334601A - 质谱分析离子提取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了质谱分析离子提取装置及方法，包括依次设置的用于产生待测物离子的离子源、气帘腔、采样腔及离子光学组件；气帘腔的入口端由带气帘孔的锥形气帘板组成，其侧壁设置有支路提供气帘气，气帘腔内设置有强聚焦电极组件，强聚焦电极组件靠近气帘孔的一端与气帘板内壁之间形成狭缝；采样腔包括采样锥、高气压离子传输组件，采样腔的出口端设置有第二差分孔。本发明通过对提取接口进行改进，增大气帘孔和采样锥的距离，通过施加空间强聚焦静电四极电场对经过气帘孔提取的离子进行聚焦，提高离子群的密度，从而提高采样锥的提取效率，降低溶剂离子加合物的浓度。

Description

质谱分析离子提取装置及方法

技术领域

本发明属于质谱分析技术领域，具体涉及一种质谱分析离子提取装置及方法。

背景技术

质谱仪中用于分析的样品或分析物通常在大气环境中被电离，然后离子被引入到质谱仪的真空腔室中。这类常压离子源在样品电离方面具有核心优势，但是将离子从大气压离子源引入真空腔室，通常需要在离子源和真空室之间配置一个性能优异的接口，用于离子的高效提取。以目前应用广泛的液相串联质谱（LC-MS/MS）为例，常见的大气压离子源包括电喷雾（ESI）、大气压化学电离源（APCI）等，样品经过电离后，产生离子和其他中性物质。尤其是ESI离子源，通过高电压喷针产生带电的液滴，通过加热液滴逐步去溶剂，形成离子，通过真空接口对样品离子进行提取。根据文献研究结果表明，从大气压到真空的离子传输过程中，离子的损失绝大部分发生在真空接口，实际的提取效率最高不超过1%，所以真空接口的设计对仪器的灵敏度至关重要。

如上说明，ESI和APCI源工作在大气压，即电离产生的除了待测物离子，还有很多中性分子或者其他不带电的粒子，由于真空负压的抽取，这部分物质也会随离子进入真空接口，最终可能到达质谱检测器，导致质谱灵敏度降低。以最常用的ESI源为例，其电离产生的物质除了离子，还有较多的溶剂分子，或者溶剂离子加合物，离子在真空接口的损失较多。

目前商品化的LC-MS/MS真空接口的设计主要有两种：采样锥和毛细管。比如专利EP2260503B1中描述的ESI离子源，真空接口为带电毛细管，通过气帘气最大程度降低溶剂进入仪器真空，这里带电毛细管实现真空差分的同时可以提供离子的传输通道。专利US6759650中，提供了采样锥的真空接口方案，离子从大气压环境依次穿过气帘板、采样锥、萃取锥后进入离子传输***。相比毛细管设计，采样锥设计的优点包括：不容易发生样品堵塞现象；更换采样锥较方便；采样锥的加工成本较低；采样锥导热更好，可以一定程度避免自由喷射膨胀区样品冷凝现象出现。但是，基于采样锥的方式目前大多数方案均是采用直接提取的方式，即通过ESI喷针和采样锥或者气帘板上的电压进行引导，外加负压吸取的方式进行离子进样，该种方式效率较低。因此，专利DE 102004045706A1提出了一种新的设计，在离子源中添加一个辅助电极，提高接口的离子提取效率，但是辅助电极会减少离子的去溶剂过程时间，且离子会有很多湮灭在气帘板上。另外，还有一些设计通过增大采样锥的孔径来提交离子提取效率，这种方式是可行的，但是需要提高真空泵的负载，在商业开发中成本会同步增加。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明设计的目的在于提供一种质谱分析离子提取装置及方法，在目前的气帘-采样锥真空接口设计基础上，提供一个离子通道，辅助加热和空间强聚焦静电四极电场，以一种巧妙且简便的方式实现类似射频冷却聚焦的功能，从而实现离子的高效提取，提高质谱的灵敏度。具体通过以下技术方案加以实现：

所述的质谱分析离子提取装置，包括依次设置的离子源、气帘腔、采样腔及离子光学组件；

离子源：用于产生待测物离子；包括电喷雾源ESI、大气压化学电离源APCI等大气压源；

气帘腔:其入口端由锥形气帘板组成，气帘板的中间设置有气帘孔，气帘腔的侧壁设置有支路提供气帘气，气帘腔内设置有强聚焦电极组件，所述强聚焦电极组件靠近气帘孔的一端与气帘板内壁之间形成供气帘气通过的狭缝，以便于气帘气通过狭缝反吹出气帘孔；

采样腔：包括采样锥、高气压离子传输组件，所述采样腔的出口端设置有第二差分孔，离子光学组件对应第二差分孔设置，且采样腔的侧边设置有接口外接前级泵，离子光学组件包括四极杆、六极杆、八极杆、离子漏斗之类的传输***。

进一步地，强聚焦电极组件包括加热套、外筒电极及内多孔提取电极，所述加热套、外筒电极及内多孔提取电极同轴安装，内多孔提取电极设置在外筒电极内部并具有锥形入口端，锥形入口端伸出外筒电极，所述加热套安装到外筒电极的外表面并延伸到内多孔提取电极的锥形入口端外表面，所述锥形入口端的锥度与气帘板的锥度相匹配。加热套用于给外筒电极及内多孔提取电极的锥形入口端加热，用于防中性物质沉积。

进一步地，内多孔提取电极的表面分布有第一组通孔和第二组通孔，所述第一组通孔和第二组通孔依次间隔设置有多组，所述第一组通孔和第二组通孔为矩形孔或方孔。

进一步地，第一组通孔和第二组通孔均设置有四个矩形孔或方孔，且均围绕内多孔提取电极的圆周均匀分布，第一组通孔中相邻矩形孔或方孔之间呈90°设置，第二组通孔中的各矩形孔或方形径向位置均旋转45°分布。

进一步地，每组通孔中相邻孔的空间大于单个孔的大小，不同组的孔距大小相同或不同，同组孔距大小相同。

进一步地，外筒电极和内多孔提取电极分别施加直流电压，且内多孔提取电极的电压大于外筒电极的电压。

进一步地，采样锥施加直流电压，且采样锥的尖端伸入到强聚焦电极组件内，尖端端面与最后一组通孔的边缘之间留有一定的距离，避免干扰四极电场的形成。

质谱分析离子提取方法，该方法通过一个额外的特殊电场提高大气压下的离子提取效率，离子的整个提取通过以下步骤实现：

1）离子的直流导入过程：通过ESI源产生离子，一般离子源施加较高的直流高压，毛细管喷针电压约为+3kV，气帘板施加一个相对较低的电压+500V，离子在电势差的驱动下穿过气帘孔；

2）离子的大气压传输过程：离子穿过气帘孔进入强聚焦组件，该组件通过简单的直流电压差和结构上的方孔实现特殊的电场分布。这里，强聚焦电极组件的内多孔提取电极电压保持和气帘板电压值相等，也为+500V，该值相对气帘板电压不宜过小，以免离子的提取动能过大造成损失。实际操作时，两者的压差可用于调节进入强聚焦电极组件的离子动能，对灵敏度有影响。外筒电极设为+100V，通过通孔渗透电势，在每一组旋转的通孔处形成类似射频四极杆的四极电场，离轴的离子可实现聚焦。总之，这里主要是要匹配气帘板、内多孔提取电极和外筒电极的电压，前两者的差值ΔE1用于配置离子动能，减少ESI源中常见的溶剂离子加合物的形成，后两者差值ΔE2用于配置四极场强度；

3）离子的高气压传输过程：离子经过束径约束，通过采样锥进入高气压传输区域，电压设为+10V，与强聚焦电极组件形成电势降，离子被顺利提取，这里以尖端削尖的射频四极杆为例，除了射频电压外，每根杆上还施加-10V的直流电压，共同提供轴向动能和径向约束。

综上，基于一系列电势降、类四极场和射频四极场的束缚，离子可实现大气压至真空环境的有效提取，相对于传统的采样锥直接提取，可以有效提高效率。

本发明通过对提取接口进行改进，增大气帘孔和采样锥的距离，通过施加空间强聚焦静电四极电场对经过气帘孔提取的离子进行聚焦，提高离子群的密度，从而提高采样锥的提取效率，降低溶剂离子加合物的浓度。

离子传输效果与工作气压密切相关，也就是与离子的平均自由程相关，一般来说，气压越高，平均自由程越小，因此，现有的技术中，在高气压区域（几托），通常采用多极杆或者离子漏斗进行离子传输。但是对于大气压环境的离子提取，上述的多极杆或离子漏斗效果也会很差，而且要配置复杂的射频电源，成本大大增加的同时也并未解决离子高效提取的问题，因此使用较少。本发明通过简单的直流电压和金属电极构建变化的四极场，以较低的成本提高离子的大气压提取，电压的施加可降低大气压离子源产生的溶剂离子加合物，释放产物离子，同时加热的离子通道可防止中性物质沉积，降低背景记忆效应。

附图说明

图1为本发明专利的结构示意图；

图2为空间强聚焦静电四极组件的立体结构示意图；

图3为空间强聚焦静电四极组件的两组开孔电势分布；

图4为本发明专利的大气压离子提取接口装置的电势变化趋势图；

图5为本发明专利的基于大气压质谱的具体实例1结构示意图；

图6为本发明专利的基于大气压质谱的具体实例2结构示意图；

图中，1-离子源，2-气帘腔，201-气帘板，202-气帘孔，203-狭缝，204-气帘气，3-强聚焦电极组件，301-加热套，302-外筒电极，303-内多孔提取电极，304-第二组通孔，305-第一组通孔，4-采样腔，401-一级真空腔，402-采样锥，403-前级泵，404-高气压离子传输组件，405-第二差分孔，5-离子光学组件。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步详细说明，以便更好地理解本技术方案。

如图1所示，本发明质谱用离子提取装置的大气压真空接口结构示意图，包括依次设置的离子源1、气帘腔2、采样腔4及离子光学组件5，其中，采样腔4为为一级真空腔401，离子源1包括ESI、APCI等，用于产生离子，同时也会产生一些中性粒子。气帘腔2，用于中性溶剂分子或其他中性粒子的去除。传统的气帘-采样锥接口设计中，一般ESI源上喷针带高压或APCI源上放电针带高压，气帘板201带直流电压，两者之间的电势场引导离子穿过气帘孔202，然后穿过采样锥402，进入质谱离子传输***。这种设计的缺陷在于，离子源产生的离子仅通过两个端电压产生的电势场和真空负压的方式提取，效率较低，大部分离子未进入质谱离子光学***。

本发明中，在气帘腔2内设置一个强聚焦电极组件3，位于气帘板2和采样锥402之间。该强聚焦电极组件3包括加热套301、外筒电极302以及内多孔提取电极303，加热套301安装在外筒电极302的表面，加热方式可以是整个的加热套或者贴的加热片或者其他常规加热方式。外筒电极302为不锈钢的中空电极，内多孔提取电极303也为不锈钢的电极，结构上外筒电极302和内多孔电极303同轴安装。如图2为该强聚焦电极组件3的立体结构示意图，内多孔电极303的前端呈锥形，与气帘板的锥形匹配，形成一定宽度的狭缝，在气帘腔2的一侧，安装有气路外部接口，用于通入气帘气204，然后气帘气204通过狭缝203反吹出气帘孔202，可以在一定程度上降低中性溶剂分子进入真空接口，另外外筒电极302的加热套301覆盖到锥孔部分，使锥孔呈现热的状态。内多孔提取电极303的中间位置，分布有多组通孔，图示中为了描述画出了4组，第一组通孔305位于该电极锥的下游一定距离处，孔的形状可以是矩形或者方型，孔沿着电极的圆周均匀分布四个，即相邻两个呈90°，第二组通孔304位于第一组通孔305的下游一定位置，同样也是沿着圆周分布的四个矩形孔或者方孔，相对于第一组通孔305，第二组通孔304的各孔径向位置对应均旋转45°分布。后面的两组矩孔的分布按类似的设计分布。若设计更多组矩孔，矩孔的分布也是基于该方式。

强聚焦电极组件的具体安装关系如图2所示，外筒电极302和内多孔提取电极303同轴安装，两者之间有一定厚度的间隙，用于电场绝缘。实际操作时，两个电极分别施加一定大小的直流电压，其中带锥形取样口的内多孔提取电极303提供离子的轴向电势场，径向电势场由外筒电极302和内多孔提取电极303共同提供。

强聚焦电极组件的电势场分布图如图3所示，通过离子光学软件SIMION绘制。为了方便说明，两个电极随机设置了两个电压值，比如内多孔提取电极303为500V、外筒电极302为100V，形成了一定的电压差异。如果无矩形孔，两个电极分别施加一定的电压，形成的电场主要在两个电极的间隙间，对离子的运动束缚影响可忽略。本发明中，由于矩形孔或方孔的存在，外筒电极的电场能通过矩形孔或方孔透射到内部离子通道，如图3电势分布，左图为第一组通孔或方孔的截面电势场分布，四个均匀分布的矩形孔或方孔，电场渗透形成对称的电势场。然后右图为第二组矩形孔或方孔的截面电势场分布，与左图对比，电势场差异主要是每个渗透电场的方向旋转了45°，这与孔的位置对应。因此，通过多组孔的静电场设计，实现了类似射频四极杆的功能。离子通过气帘孔202，然后进入内多孔电极303，离子轨迹会比较发散，施加电场后，离轴的离子在四极场的作用下远离电极壁面而汇于轴线位置，多组矩孔的设计是用于对离子束的不同发散位置进行强聚焦，尽可能压缩离子束的束径，提高采样锥402的离子提取量。

另外，由于强聚焦电极组件3位于气帘腔2中，作为一个离子通道，除了离子聚焦功能，还需要考虑去溶剂问题，虽然气帘气反吹可以去除大部分的中性溶剂分子进入真空接口，但是还是有部分溶剂或者以溶剂离子加合物的形式进入强聚焦电极组件3，因此，还需要配置加热装置，其中，内多孔提取电极303的锥口部分加热是为了防止溶剂沉积；外筒电极302表面的加热套301主要给电极加热，提供一定的热辐射或者热接触，防止溶剂沉积到电极表面，引起背景记忆效应。对于溶剂离子加合物的去除，由于电场的存在，溶剂与离子之间的化学键会断开，逐步释放离子。

离子通过强聚焦电极组件3作用后，通过采样锥402提取，采样锥402为不锈钢材质，孔径在0.5mm-1mm范围，在这里起真空差分和离子提取的作用，采样锥402本身施加直流电压，与前端的强聚焦电极组件3形成的电势场形成离子的传输聚焦通道。另外，为了防止中性分子在采样锥402的表面沉积，将采样锥402的尖端部分伸入强聚焦电极组件内，内部的高温通过辐射的形式传递到锥的表面，同时也可以最大效率提取聚焦压缩后的离子束，但尖端轴线位置不超过最后一组矩孔的末端，以免影响四极场的形成。

离子穿过采样锥402，进入采样腔4，以采样锥402锥孔0.5mm为例，通过外接前级泵403，真空气压从大气压降低到几托左右，在采样腔4配置高气压离子传输组件404，对经过采样锥402的离子束进行碰撞冷却，提高进入下一级***的离子数量。其中，高气压离子传输组件404可以是多种类型的离子传输***，比如四极杆、六极杆、八极杆、离子漏斗或者其他类型的传输***。图1结构示意图中，配置的尖端削尖的四极杆，配合采样锥402的锥角，四极杆施加射频电压，在背景气体的碰撞作用下实现离子束的冷却聚焦。离子束穿过第二差分孔405，进入后面的离子光学组件5。

为了更好的说明本发明的大气压离子提取接口的工作原理，可以从电场变化方面分析。如图4是该接口的电势变化趋势图，这里离子源采用常见的电喷雾离子源，以正离子为例（负离子的电势趋势相反），图中所示电压为常用值，无绝对限制，仅用于说明本发明。从离子源毛细管喷针开始电势逐渐降低，毛细管喷针电压约为+3kV，高气压离子传输组件404的电压为-10V，电势降近3kV，以保证有足够的电势差将离子从离子源区域传输到仪器真空***。气帘板201电压为+500V，与毛细管电压匹配用于离子的引导。强聚焦电极组件3的内多孔提取电极303电压保持和气帘板201电压值相等，也为+500V，该值相对气帘板201电压不宜过小，以免离子的提取动能过大造成损失。外筒电极302设为+100V，通过通孔渗透电势，在每一组通孔处形成类似射频四极杆的四极电场，用于发散离子束的聚焦。离子束经过静电四极场聚焦，被采样锥402提取，采样锥402电压设为+10V，与强聚焦电极组件3形成电势降，离子被顺利提取进入高气压离子传输组件404，这里以尖端削尖的射频四极杆为例，除了射频电压外，每根杆上施加-10V的直流电压。综上，基于一系列电势降，离子可实现大气压至真空环境的有效提取，相对于传统的采样锥直接提取，可以大大提高效率。

实例1

将本发明装置作为大气压质谱的大气压离子提取接口，如图5，通过静电场束缚的离子束通过采样锥进入采样腔，这部分采用尖端削尖的四极杆进行离子碰撞冷却，施加射频电压对离子径向运动进行束缚，外部连接前级泵维持~2torr左右的真空度。然后离子穿过第二差分孔进入高气压离子传输组件5，该实例中配置了射频四极杆，该部分真空通过分子泵进行维持，真空度在~10^-2torr左右。离子经过聚焦传输进入最后一级真空腔体，该部分为质谱的质量分析器。

实例2

如图6所示，该实例也是基于大气压质谱实现。离子通过强聚焦电极组件3后被采样锥提取进入采样腔，差异在于采样锥402后端直接连接另外一个锥，这里称之为萃取锥，萃取锥同样施加直流电压，其作用包括提供真空差分和离子通道，两个锥之间的真空度同样维持在~2torr左右，其中萃取锥的孔径大于采样锥402。在萃取锥的下游，配置尖端削尖的射频四极杆用于离子的碰撞冷却。离子穿过差分孔，最后进入质量分析器所在的大腔室。实例1和2均包括三级差分***，对于这类的大气压进样质谱***，有时为了减小真空气压的降低梯度，可能会增加差分级数，防止气压骤变影响离子传输效率。

Claims (8)

1.质谱分析离子提取装置，其特征在于，该装置包括依次设置的离子源（1）、气帘腔（2）、采样腔（4）及离子光学组件（5）；

离子源（1）：用于产生待测物离子；

气帘腔（2）:其入口端由锥形气帘板（201）组成，气帘板（201）的中间设置有气帘孔（202），气帘腔（2）的侧壁设置有支路提供气帘气（204），气帘腔（2）内设置有强聚焦电极组件（3），所述强聚焦电极组件（3）靠近气帘孔（202）的一端与气帘板（201）内壁之间形成供气帘气通过的狭缝（203）；

采样腔（4）：包括采样锥（402）、高气压离子传输组件（404），所述采样腔（4）的出口端设置有第二差分孔（405），离子光学组件（5）对应第二差分孔（405）设置，且采样腔（4）的侧边设置有接口外接前级泵（403）。

2.如权利要求1所述的质谱分析离子提取装置，其特征在于强聚焦电极组件（3）包括加热套（301）、外筒电极（302）及内多孔提取电极（303），所述加热套（301）、外筒电极（302）及内多孔提取电极（303）同轴安装，内多孔提取电极（303）设置在外筒电极（302）内部并具有锥形入口端，锥形入口端伸出外筒电极（302），所述加热套（301）安装到外筒电极（302）的外表面并延伸到内多孔提取电极（303）的锥形入口端外表面，所述锥形入口端的锥度与气帘板（201）的锥度相匹配。

3.如权利要求2所述的质谱分析离子提取装置，其特征在于所述内多孔提取电极（303）的表面分布有第一组通孔（305）和第二组通孔（304），所述第一组通孔（305）和第二组通孔（304）依次间隔设置有多组，所述第一组通孔（305）和第二组通孔（304）为矩形孔或方孔。

4.权利要求3所述的质谱分析离子提取装置，其特征在于所述第一组通孔（305）和第二组通孔（304）均设置有四个矩形孔或方孔，且均围绕内多孔提取电极（303）的圆周均匀分布，第一组通孔（305）中相邻矩形孔或方孔之间呈90°设置，第二组通孔（304）中的各矩形孔或方形径向位置均旋转45°分布。

5.权利要求3所述的质谱分析离子提取装置，其特征在于每组通孔中相邻孔的空间大于单个孔的大小，不同组的孔距大小相同或不同，同组孔距大小相同。

6.如权利要求2所述的质谱分析离子提取装置，其特征在于所述外筒电极（302）和内多孔提取电极（303）分别施加直流电压，且内多孔提取电极（303）的电压大于外筒电极（302）的电压。

7.如权利要求1所述的质谱分析离子提取装置，其特征在于所述采样锥（402）施加直流电压，且采样锥（402）的尖端伸入到强聚焦电极组件（3）内，尖端端面与最后一组通孔的边缘之间留有一定的距离。

8.质谱分析离子提取方法，其特征在于，该提取方法通过额外的特殊电场来提高大气压下的离子提取效率，离子的提取通过以下步骤实现：

1）离子的直流导入过程：通过离子源产生离子，离子源施加直流高压，毛细管喷针电压高于气帘板电压，离子在电势差的驱动下穿过气帘孔；

2）离子的大气压传输过程：离子穿过气帘孔进入强聚焦组件，该强聚焦组件通过简单的直流电压差和结构上的通孔实现特殊的电场分布，其中，强聚焦电极组件的内多孔提取电极电压保持和气帘板电压值相等，气帘板与内多孔提取电极的电压差值ΔE1用于配置离子动能，减少ESI源中常见的溶剂离子加合物的形成，内多孔提取电极与外筒电极的电压差值ΔE2用于配置四极场强度；

3）离子的高气压传输过程：离子经过束径约束，通过采样锥进入高气压传输区域，与强聚焦电极组件形成电势降，离子被顺利提取。

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