CN100517555C

CN100517555C - 多模式电离模式分离器

Info

Publication number: CN100517555C
Application number: CNB2005101142852A
Authority: CN
Inventors: 史蒂文·M·费希尔; 达雷尔·L·古尔利; 帕特里卡·H·考米亚
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2025-10-21
Also published as: JP5215525B2; US20060124859A1; CN1779899A; EP1650784A2; US20060086908A1; JP2006120642A; EP1650784A3; US7034291B1; US7223968B2; EP1650784B1

Abstract

本发明提供了一种多模式电离模式分离器。多模式电离源包括：电喷雾电离源，用于提供带电悬浮微粒；大气压电离源，处在电喷雾电离源的下游，用于进一步电离带电悬浮微粒；和模式分离器或者掩模，其被设置使得分离带电悬浮微粒的一部分并且防止所述部分暴露于下游的大气压电离源。

Description

多模式电离模式分离器

技术领域

本发明一般地涉及一种方法和系统，用于在多模式离子源中分离离子流，使得使用多模式产生的离子不会相互干扰。

背景技术

本发明涉及共同转让的2003年8月13日递交的待决美国专利申请No.10/640,176以及2002年9月递交的其母案申请10/245,987(被授权为美国专利No.6,646,257)，两者的题目都是“Multimode Ionization Source”。两个申请都通过引用被全文结合。

大气压电离(API)的出现已经导致了对LC/MS分析的使用的蓬勃发展。目前存在三种主要的API技术：电喷电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)以及大气压光电离(APPI)。这些技术中的每一种通过不同的机制电离分子，并且没有一种机制能够对可能被包括在各种不同样品中的全部范围的分子量和组分进行电离。

已经开发了多模式电离源(“多模式源”)，其通过在一个设备中将ESI与或者APCI或者APPI结合使用，使得没有被ESI源电离的分析物可以被次级电离机制电离，而解决了改困难。

在上述的美国专利申请No.10/640,176和其母案申请10/245,987中描述了多模式电离源的实施例。简单地说，在这些设备中，通过ESI源产生的离子和蒸气(“ESI离子”)通过气体被输入并且通过气体动力和电场的组合被引导向真空入口。沿着到真空入口的轨迹，离子和蒸气进入次级APCI或者APPI源工作于其中的空间。实践中已经发现，两种类型的次级源在ESI离子朝向真空入口移动时可能对其有有害影响。在APCI的情形中，已经发现从电晕针发出的电晕电流可以干扰ESI离子朝向真空入口的移动。虽然使用反电极(counter electrode)来控制电晕电流可能是有帮助的，但是电晕电流可能仍然难以控制。当APPI源被使用时，除了光电离中性分析物分子之外，光子还与先前产生的ESI离子相作用，这可能对ESI信号具有不良影响。

因此，有利的是提供一种离子源，其防止大多数的ESI离子不受APCI和APPI过程的影响，由此确保被检测的ESI信号的质量。

发明内容

根据本发明的多模式电离源包括：电喷雾电离源，用于提供带电的悬浮微粒(aerosol)；大气压电离源，处在电喷雾电离源的下游，用于进一步电离带电的悬浮微粒；和掩模，被设置成分离带电悬浮微粒的一部分并且防止所述部分暴露于下游的大气压电离源。

根据第一实施例，下游的多模式电离源为大气压化学电离(APCI)源。在另一实施例中，下游的大气压电离源为大气压光电离(APPI)源。

本发明的模式分离器掩模有多种构造和设计。作为示例而不是限制，掩模可以平行于或者垂直于入口管道的中心轴定向，其中所产生的离子通过入口管道被供应到质谱仪，并且掩模可以包括一个或者多个板，板可以相对于管道以各种角度被定位。

为了帮助分离电喷雾离子流的一部分，本发明的多模式源可以包括多于一个的到质量分析器的真空的管道入口。

已经发现通过分离出由电喷雾离子源所产生的带电的悬浮微粒中的按体积计至少10％，即使当次级大气压电离源工作时，电喷雾信号也被维持。

附图说明

图1示出了根据本发明的多模式源的示例性ESI离子源部分的示意性横截面图。

图2A示出了根据本发明的包括模式分离器掩模的多模式源的第一实施例的纵向截面(沿图2B的截面A-A)。

图2B示出了根据本发明的多模式源的第一实施例方式的底视图。

图3A示出了根据其中模式分离器掩模被相对于管道平行定向的本发明的多模式源的第二实施例方式的纵向截面(沿图3B的截面A-A)。

图3B示出了根据本发明的多模式源的第二实施例的底视图。

图4A示出了根据包括多模式分离器的本发明的多模式源的另一实施例。

图4B示出了图4A所示的多模式源的实施例的底视图。

图5示出了根据包括多管道的本发明的多模式源的另一实施例的底视图。

图6A示出了根据包括APPI次级源的本发明的多模式源的另一实施例的横截面图。

图6B示出了图6A所示的多模式源的底视图。

具体实施方式

在详细描述本发明之前，必须注意，当被用于本说明书和所附权利要求书中，单数形式“某个”、“一个”、“所述”和“该”包括复数个所指物，除非上下文中另行清楚地规定。因此，例如，“一个管道”的所指包括多于一个的“管道”。“一个电喷电离源”或者“一个大气压电离源”包括多于一个的“电喷电离源”或者“大气压电离源”。在描述本发明和对本发明要求权利时，将使用根据下面的定义的如下术语。

术语“相邻”的意思是靠近、紧邻或者邻接。相邻的某物也可以是与另一组件接触、包围另一组件(即以其为中心)、与另一组件间隔开或者包含另一组件的一部分。例如，与喷雾器相邻的“干燥设备”可以是间隔开地与喷雾器紧邻、可以接触喷雾器、可以包围喷雾器或者被喷雾器包围或者是喷雾器的一部分、可以包含喷雾器或者被喷雾器包含、可以邻接喷雾器或者可以靠近喷雾器。

术语“管道”是指任何套管、毛细管、运输设备、分配器、喷嘴、软管、导管、盘、吸液管、端口、孔、壁中的孔、连接器、管子、耦合器、容器、壳体、可以被用于接收或者运输离子或者气体的结构或者装置。

术语“电晕针”是指任何可以被用于产生电晕放电的管道、针、物体或者设备。

术语“分子纵轴”的意思是可以沿喷雾的方向穿过具有最大离子浓度的区域画出的理论轴或者线。因为分子纵轴与管道轴的关系，采用了上述术语。在某些情形中，离子源或者电喷雾喷雾器的纵轴可以偏离管道的纵轴(这些理论轴正交，但不相交)。术语“分子纵轴”的用法已经被用来包括处在本发明的宽阔范围中的那些实施方式。正交的意思是垂直或者以大致90度的角度排列。例如，分子纵轴可以与管道的轴正交。术语基本正交的意思是90度±20度。但是，本发明不限于这些关系，并且可以包括在一个平面中分子纵轴的投影线与管道纵轴之间所限定出的各种锐角和钝角。

术语“喷雾器”是指任何在本领域中公知的从液体产生小滴或者悬浮微粒的设备。

术语“离子源”或者“源”是指任何产生分析物离子的源。

术语“电离区域”是指任何电离源和管道之间的区域。

术语“电喷雾电离源”是指用于产生电喷雾离子的喷雾器和相关部分。喷雾器可以是或者可以不是处在地电势的。该术语还应该被宽泛地认为包括这样的装置或者设备，所述装置和设备诸如是具有可以放出与利用本领域中公知的电喷雾电离技术所产生的那些离子相似或者相同的带电粒子的电极的管子。

术语“大气压电离源”是指用于产生离子的在本领域中公知的通用术语。该术语还指在环境压力下产生离子的离子源。一些典型的电离源可以包括但不限于电喷雾离子源、APPI离子源和APCI离子源。

术语“检测器”是指可以检测离子的任何设备、装置、机器、组件或者系统。检测器可以或者可以不包括硬件和软件。在质谱仪中，通用的检测器包括和/或被耦合到质量分析器。

根据本发明，多模式离子源包括模式分离器，该模式分离器在分析物离子流沿着分子纵轴朝向管道流动时分离该分析物离子流的一部分，使得被分离的部分不暴露于次级电离源，并且也基本不受包括但不限于空间电荷和/或其他场效应的任何方面的影响。

多模式源包括初级离子源和位于初级离子源下游的次级离子源。两者可以被容纳在一个壳体中。但是，这不是本发明的必要的要素，并且可以预想到所述离子源可以被放置在分离的多个壳体中或者甚至以离子源根本不用源壳体的结构被使用。应该注意，虽然源通常在大气压(约760Torr)下工作，但是其也可以在从约20到约2000Torr的压力下维持。

初级离子源可以包括大气压离子源，并且次级离子源也可以包括一个或者多个大气压离子源。根据一个实施例，初级离子源是电喷雾离子源或者提供带电微滴和悬浮微粒形式的离子的相似类型的设备。电喷雾离子源包括用于产生悬浮微粒的喷雾器，所述悬浮微粒随后通过在靠近喷雾器的尖端施加高度局部化的电场(≈10⁸V/cm²)而被带电。

图1示出了多模式离子源的ESI部分的横截面。如图所示，ESI离子源包括：喷雾器8，其喷射虚浮微粒喷雾锥；充电电极9和反向电极(reversing electrode)11。在所描绘的实施例中，喷雾器8处于接地并且双环(double halo)电极(带孔)被使用。第一电极9为充电电极，并且通常被设定为-2000V。第二电极11为场反向电极，并且被设为与APCI室相同的电压，其中所述APCI室通常处于接地。这样的设计允许利用接地的喷雾器8的ESI操作，因为场反向电极11将ESI场与APCI场分离，并且允许ESI和APCI电离发生。在此情况下，当下游的APCI源被用作次级离子源时，电晕针可以被设为比到真空系统的入口(通常-3000V)和APCI室(通常接地)更高的(更正的)电平(通常+3500V)。对于负离子，所有的电压极性被反向。

喷雾器8具有从顶部行进到尖端的纵向膛。纵向膛被设计用于将样品运输到喷雾器尖端，以形成带电的悬浮微粒，其中所述带电的悬浮微粒被排放成位于通常封闭的空间15之中的悬浮微粒喷雾锥(如图2A所示)。来自喷雾器的气体和液体的组合的流速范围通常为从0.3升/分钟到5升/分钟，并且带电悬浮微粒电流(ESI电流)范围通常为(在一定程度上依赖于所用溶剂的类型)从0.1到2.0微安之间。可以包括干燥设备，以对从喷雾器尖端所产生和排放的带电悬浮微粒提供干燥和/或清扫气体。

根据另一实施例(没有示出)，喷雾器8被浮空在接地之上。对于正离子操作的典型电压将为+3000V。反电极(带孔)也可以被设为接近接地，与喷雾器8的出口相对。反电极电压(通常为接地)将需要比下游APCI源针(其通常在接近+3500V下工作)上的电压更负，但是比到真空系统的入口(通常-3000V)更正。对于负离子生成，所有的电压极性被反向。

雾化气体压力被用于所述两个实施例，以将ESI悬浮微粒驱动到APCI室中。在第一实施例中，气体还必须克服(充电电极和反向电极之间的)减速场梯度，以将悬浮微粒推进到APCI室中。这里的优点是可以使用更加便宜的电源并且安全性被提高，因为这些组件被接地。在第二实施例中，气体不必逆着场梯度推进悬浮微粒，使得雾化气体压力可以被设为更低的水平。

图2A描述了根据本发明的一个实施例的ESI/APCI多模式源的横截面。如图所示，在ESI离子源部分中产生的ESI离子流入下游朝向次级APCI离子源的通常类似锥的区域(“喷雾锥”或者“ESI离子区”)。在此情况下，ESI离子的一部分流入到下游APCI源工作的区域(APCI离子区)。该区域被描绘于图2B中，其中图2B示出了图2A中所描绘的多模式源的底视图。APCI源包括电晕针14和促进用于引发化学电离的电晕电流的反电极24。

在APCI源中的电晕放电中产生的电流范围可以为从0.5微安到40微安，并且通常为2到4微安之间，这大于ESI电流。因此，如果多模式离子源的次级离子源为APCI源，则在喷雾器8处的场被尽可能地与施加到电晕针14的电压隔离，以便不干扰最初的ESI过程。电晕针可以基本被具有用于喷射电晕电流的小孔的罩(没有示出)包围。

即使使用电晕针罩，电晕场、空间电荷效应和/或其他电学/化学效应(诸如电晕电流中的离子的化学相互作用)可能有害地影响ESI带电悬浮微粒电流。为了将ESI电流与电晕电流进一步隔离，模式分离器或者掩模40被用于防止电晕电流明显地影响ESI电流，并且相反地提供绕过电晕区域的用于ESI电流的流路。掩模可以利用金属板、或者多个金属板的组合、或者如本领域中所公知的其他任何合适的材料来实现。如在图2B中所清楚地示出的，掩模40被定位于与电晕针14相邻并且处在电晕针14的前方，以阻止电晕电流对ESI电流的处在掩模后方的部分产生明显影响。从喷雾器8喷射出的ESI离子流于是被掩模40分开成两股流。一般来说，掩模被设计成大得足以分离足够的ESI流，使得当次级离子源(在此情况下是APCI)被开启时，ESI信号下降不超过10倍。

在图2B所示的实施例中，掩模40被定向成使得ESI离子流沿垂直于管道20的轴的方向转向，通向质量分析器，并且因此可以被定义为根据本发明的模式分离器的“垂直”实施例。

图3A和3B描绘了“平行”实施例，其中ESI离子被沿平行于管道20的轴的方向转向。参考图3B中所示的底视图，掩模50为C形轮廓，使得其在三个侧面包围APCI离子源的电晕针。缩短的反电极24被固定到掩模50的面向电晕针14的一侧(“相对侧”)。在管道20和掩模50的相对侧之间向下游流动的ESI离子在很大程度上被防止暴露于APCI离子源区。相反，如在图3B中可见，APCI区被大大地限制到被掩模50限定的范围。

此外，多模式源可以包括多个掩模或者分离器，它们中的任一个可以被相对于管道轴以各种角度定位。图4A示出了一个实施例，其中两个掩模61，62被定位在封闭空间15中，其中一个掩模相对于另一个处在上游，以影响ESI流，来分离该流的一部分。如在图4B的底视图中所示的，掩模61，62可以在向前或向后方向上彼此偏移。掩模可以相对于多模式离子源的纵轴是有角度的(诸如掩模61)，或者可以包括有角度的部分(锐角或钝角)，以帮助ESI离子流的导向。

为了进一步确保ESI和次级源流之间的分离，可以包括另外的管道或者真空入口，使得ESI流的一部分进入管道，而不首先与在次级离子源处产生的离子混合。图5图示了其中有两个被定位在封闭空间中15中的管道61和62的示例性实施例。在所示的示例性实施例中，第一管道61和第二管道62在离子源上的大致相同的纵向位置上被彼此相邻地定位。由于分离器掩模40的定位和作用，第一管道61被主要暴露于ESI离子区，而第二管道62被主要暴露于APCI离子区。由于这样的构造，可以单独地检测ESI离子流的一部分，并且可以保持其信号质量。

将APPI用于次级离子源是与使用APCI不同的情形，因为其不需要电场来帮助电离过程。图6示出了使用带有分离器掩模的APPI的本发明的实施例的横截面图。如图6A和图6B所示，APPI源包括被放置在第一离子源3和管道20之间的真空紫外(VUV)灯32。VUV灯32可以包括任何数量的本领域中公知的能够电离分子的灯。许多VUV灯和APPI源在本领域中是公知的并且被使用，并且可以被用于本发明。C形掩模70位于封闭空间15中与VUV灯32相邻并且部分包围VUV灯32的位置，使得在封闭空间和掩模在其与面向VUV灯侧相反的一侧之间存在空间。当ESI离子向下游朝向管道20流动时，ESI离子的一部分在掩模70的后方流动，因此不暴露于来自VUV灯的辐照。这允许ESI的一部分达到管道，而不受到APPI源的干扰。

虽然已经结合本发明的具体实施例描述了本发明，但是应该理解，前面的描述以及其后的示例意在说明本发明而不是限制其范围。本发明的范围中的其他方面、优点和修改对于本发明所属技术领域的技术人员将是明显的。

在前文和后文中提及的所有专利、专利申请和公布文献通过引用其全文被包含于此。

Claims

1.一种多模式电离源，包括：

(a)电喷雾电离源，用于提供带电悬浮微粒；

(b)大气压电离源，处在所述电喷雾电离源的下游，用于进一步电离所述带电悬浮微粒；

(c)掩模，被设置使得分离所述带电悬浮微粒的一部分并且防止所述部分暴露于下游的所述大气压电离源；和

(d)管道，与所述下游的大气压电离源相邻，并具有用于接收来自所述带电悬浮微粒的离子的孔，所述管道具有中心轴。

2.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述大气压电离源是大气压化学电离源。

3.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述大气压电离源是大气压光电离源。

4.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述掩模平行于所述管道的中心轴定向。

5.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述掩模垂直于所述管道的中心轴定向。

6.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述掩模包括多个分离器。

7.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述掩模以相对于所述管道的中心轴的一个角度定向。

8.根据权利要求1所述的多模式电离源，还包括：

第二管道；

其中，所述第二管道布置使得只接收所述带电悬浮微粒的被分离的部分。

9.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述掩模包括至少一个金属板。

10.根据权利要求1所述的多模式电离源，其中，所述带电悬浮微粒的所述部分包括由所述电喷雾电离源产生的所述带电悬浮微粒中的按体积计的至少10％。

11.一种产生被电离的分析物分子的方法，包括：

使所述分析物分子经历电喷雾电离，由此产生带电悬浮微粒；

将所述带电悬浮微粒分离成第一流和第二流；

使所述带电悬浮微粒的第一流经历大气压电离的次级过程，以进一步电离所述带电悬浮微粒；

保护所述第二流，使其不暴露于所述大气压电离的次级过程；以及

将至少所述第一流接收到具有中心轴的管道中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述大气压电离的次级过程构成大气压化学电离。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述大气压电离的次级过程构成大气压光电离。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述带电悬浮微粒使用掩模来分离。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述掩模平行于所述管道的中心轴定向。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述掩模垂直于所述管道的中心轴定向。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将所述第二流接收到所述管道中。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将所述第二流接收到第二管道中。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述掩模以相对所述管道的中心轴的一个角度定向。