CN1037593A - 质谱仪 - Google Patents

Abstract

一质谱仪，包括用于离化样品的离子源和用于引 入如此形成的离子到真空的对其进行质量分析的质 量分析区，离子源备有一包括至少在大气压下工作的 可加热的毛细管的喷射离子源，毛细管的中心轴是与 沿孔中心对准用于收回离子，毛细管的顶端置于靠近 孔的位置以从液体色谱离化样品，通过热喷射离化和 大气压离化两模式，对离子进行质量分析，从而对样 品获得更精确的分析信息。

Description

本发明涉及一种质谱仪，特别涉及液体色谱-连接的质谱仪，即，液体色谱/质谱仪，适用于分离和分析在生命物体中的大范围的重要和非挥发的化合物，诸如胺，氨基酸，类固醇，抗生素，糖，肽，维生素，等等。

现在，用于有关生命物体的化合物的分离和分析的研究是分析领域中重要任务之一。迄今，已对具有显著的识别能力与质谱仪相连接的具有显著的分离能力的液体色谱进行了广泛的研究。

图11中是一个全部液体色谱/质谱仪的结构，其中双聚焦质谱仪包括一个电场分析部分4和一个磁场分析部分5，是用于质谱分析区域的，其所示是用于帮助理解液体色谱/质谱仪的工作原理。

在溶液中的样品，是从液体色谱1分离和洗提出，通过管路2引入到离子源3。在离子源3中所形成的样品分子的离子通过一个孔洞引入到真空，再进入到包括电场分析部分4和磁场分析部分5的质量分析区进行质量分析。分析的质量离子是由一离子检测器6进行检测的，检测到的信息是被引导到一个数据处理部分7。质量分析区包括电场分析部分4和磁场分析部分5，它是由合适的泵系统9进行抽空的。号8是用于离子源3的电源，号10是一个信号传输线。液体色谱/质谱仪本身的工作原理如上所述很简单，但是，液体色谱处理一个在液体溶液态的样品，而质谱仪处理一个在气体态的样品，也就是说在它们之间有不相容性，这样，液体色谱/质谱仪的研制是一个很困难的问题。

为解决这个难题，提出了几种方法，其中典型的是在日本专利申请公开号60-127453中所公开的大气压离化方法和在分析化学，Vol，55，NO.4，1983年4月PP.750-754中公开的热喷射法。

如图12中所示，大气压离化方法包括用加热毛细管11或由超声波喷雾作用通过喷雾作用从液体色谱中洗提喷雾的溶液，通过加热块12进一步加热喷雾的溶液，从而汽化喷雾的溶液，用针电极13通过电晕放电离化汽化的样品分子，並通过一系列的连续的离子-分子反应，将这样形成的离子通过第一孔洞14和第二孔洞15引入到真空对离子进行质量分析。大气压力离化方法的特征是高灵敏度和易于与液体色谱连接，因为该离子源在大气压下工作。高强度的分子离子可从低-极性的胺，类固醇，抗生素等中获得，其中重要的是在生命物体中非挥发的化合物中获得并可进行质量分析，然而，从高-极性的糖和肽中不大可能获得分子离子而且很难进行质量分析。

另一方面，如图13中所示，热喷射方法包括喷射含有样品和缓冲剂象醋酸盐铵（ammonjum    acetate）的溶液，是从加热的毛细管11′进入到几个乇或小于几个乇的真空，将由这样形成的滴蒸汽形成的离子通过第二孔洞15引入到质量分析区，并在此质量分析区中进行质量分析，与该大气压离化法相对的热喷射法可分析高极性化合物，诸如糖，肽，而很难分析低极性的化合物如，胺，类固醇，抗生素等。

这样，似乎通过研制了备有两离子源的液体色谱/质谱仪可对有关生命物体的宽范围的重要的化合物进行分析。一种具有离化功能的基于这两种离子源之上的结合的离子源看来具有这样的结构，例如如图14所示。然而，下面的新问题是由大气压离化法在大气压力下工作和热喷射法是在低到几个乇的压力下工作之间的基本区别带来的。

1）结合的离子源的结构是复杂的，因为当采用大气压离化方法时，必须提供一个阀（在图中未示出）这样不会有液体从在热喷法中使用的毛细管11′漏出，而当热喷射法使用时，必须提供一个阀（在图中未示出），这样不会使气体从用于引入由大气压离化法形成的离子的孔洞中漏出。

2）大气压离化方法不需要液氮陷井，等等，以防止由于从液体色谱洗提泵系统的沾污，而热喷射法需要陷井（在图中未示出），连续的操作必须间断以使在几小时的间隙中清洗陷井。

3）如用热喷射方法，离子源的内部总是暴露于大量气体中，这样对沾污提供了大量机会。

痉⒚鞯哪康氖翘峁┮恢志哂行吕胱釉吹囊禾迳?质谱仪，它结合了大气压离化法的离子源和热喷射法离子源，因此克服了上述的问题。

本发明的目的，可用使热喷射法的离子源在大气压下工作，将热喷射法的离子源与大气压离化法的离子源结合为一体而达到。

然而，由热喷射法形成的离子的大多数不能用简单地通过热喷射法的工作压力从几个乇提高到大气压如图15所示而将其引入到质量分析区，因为通过孔洞14和15进入真空的离子的量，由于如图15所示结构中的用热喷射法，极大地降低了，所以质谱仪不能正常工作。

在大气压下用喷射溶液产生离子的方法中，喷雾和用加热汽化的过程和离化过程并行发生，此方法可取的是在毛细管的顶端部产生离子，因为喷雾的离子不在毛细管的内壁产生。还有，在大气压下用喷射溶液从毛细管获得的径向分布的离子流在靠近毛细管中心轴的地方较高而朝外周围边要小得多。如图16所示，在这样的结构中，如同在热喷射方法的通常的离子源，即毛细管与孔洞平行，大多数的离子不能通过孔洞引入到质量分析区。

本发明中，毛细管的顶端部可被加热，同时温度可控，与毛细管的其余部分无关，以上即使是在热喷射法中毛细管的中心轴沿中心孔洞对准，也是如此。这样获得的喷射是在完全的汽化态中，并能如此应用在大气压离化法中。

在从液体色谱提洗物的极性成分用喷射从金属毛细管的提洗物将其离化，这样形成的离子通过孔洞移入，进行取样和质量分析。

较少极性成分用电晕放电在诸如针等的放电电极上离化，并通过一系列的连续的离子-分子反应和质量分析。这样，具有各种化学特性的组分可在本发明中被离化和分析。

图1是根据本发明一个实施例的质谱仪的离子源的结构示图。

图2和图3是示出用于加热一金属毛细管的方法示图。

图4和图5示出电晕放电电极的实施例。

图6是示出在热喷射模式中改变金属毛细管的顶端和第一孔洞之间的距离时蔗糖分子离子（M+Ma）+（分子重量：365）的离子强度变化的图。

图7示出了加到放电电极上的电势和放电电流之间关系的示图。

图8是示出蔗糖质谱的图。

图9是示出在液体色谱中由使用的不同种移动相的分子离子强度中变化的图。

图10是根据通常大气压离化法，常规的热喷射法和基于大气压离化法和热喷射法结合的本发明的17-α-黄体铜（progesteron，精氨酸（arginine）和水苏糖（stachyose）的分子离子强度的比较图。

图11是示出普通液体色谱/质谱仪结构的流程图。

图12是示出常规的大气压离化法的离子源的结构的图。

图13是示出常规的热喷射法的离子源结构的图。

图14和15是示出大气压离化法和热喷射法相结合的离子源结构的图。

图16是示出在热喷射模式中当离子产生时用改变中心轴的距离时电流变化的图，这是由具有1mm宽度，在大气压下，从毛细管的顶端10mm距离处的电极检测到的。

本发明的实施将在下面描述，参照图1到图11，一个系统采用双聚焦质谱仪它包括电场分析部分4和磁场分析部分5。在本发明中也可采用其它形式的质谱仪，诸如四极质谱仪等，这无需说明。

在图1中，示出了一个根据本发明的一个实施例的离子源结构。

在溶液中由液体色谱分离的和从液体色谱洗提的样品用连接器通过管路2被引入到一个金属毛细管11。金属毛细管11能被尤群臀露瓤刂啤＝鹗裘腹?1可直接通过加热电源16，埋在金属块12中的加热夹头加热器17作为一个整体加热。特别地为加热金属毛细管11的顶端部分，金属毛细管11的顶端部分可直接由适当的辅助电源16′进行电加热，如图2（a）所示。用分别加热顶端部可观察离子量的增加。在此实施中，使用了非直接加热毛细管11作为一个整体和直接加热顶端部分的结合。进而，为充分加热金属毛细管11，金属毛细管11被分为多个部分而可分别地如图2（b）所示加热（各自）部分。还有，也可能直接地电加热顶端部〔图3（a）〕的一个部分或非直接加热该部分〔图3（b）〕，尽管与前述的图2（a）和（b）的两过程的该部分相比较通过喷射所产生的离子量减少了。

为能抑制由于加热溶液部分地蒸发到某种程度而使毛细管的内部压力增加，将要加热的毛细管的顶端部〔图3（c）和（d）〕的内径扩大一点儿，或使另一个具有大一点直径的毛细管28与另一个毛细管11能相连接并加热〔图3（e）〕。在任何这些情况下，在金属毛细管11或金属块12上备有热偶18以监视和控制温度。

从液体色谱1的洗提物被加热并通过金属毛细管11用上述加热程序加热蒸发，蒸汽的一部分被放电成为离子。

如此产生的离子能有效地被引入到质量分析区，汽化的样品分子能根据图4和5中所示的实施例在大气压下用电晕放电被离化。从毛细管11喷出的离子的径向分布已示于图16中。也就是，离子的量在中心轴附近较大，而在朝外围边较小。为能有效地将离子引入到质量分析区，必需将孔洞14与沿毛细管11的中心轴对准。离子的量可用改变毛细管11的顶端和孔洞14之间的距离来改变，如图6所示。也就是说，毛细管11和孔洞14之间最可取的距离是不超过1Cm，因为可获得足够大量的离子。既使距离不超过3Cm，可获得一稳定的足够量的离子。如果距离大于3Cm，产生的离子量被减少到当距离是1Cm的1/10-1/20，这是不实际的。

另一方面，从孔距离3-5mm距离的位置上备有电晕放电电极的放电部分是有效的。即，放电电极是在离子源中放置以使其在毛细管11和第一孔洞14之间插入，而且毛细管的电势与放电极的电势一样或高于放电极电势。作为一个电晕放电电极，可用普通的针13〔图4（a）〕，导线19〔图4（b）〕导线或导线网20〔图4（c）〕导线19〔图4（b）〕直接固定到毛细管11〔图4（d）〕等。当仅由电晕放电的质谱是所要求时，毛细管部分必需要在比放电电极更低的电势。无需说明用热喷射法不用对放电电极施加电势，即，不用产生电晕放电就可形成并可观察到离子。还有，热喷射模式（情况A）和大气压离化模式（情况B）可用在预定的频率上对放电电极施加一个电势或不加如图7所示交替地产生。

为能同时检测到用大气压离化法和用热喷射法产生的离子，有必要用电性放电从毛细管注入的喷射物离化外围组分，允许中心组分利用的离子是直接从毛细管用喷射形成如图5（a）和（b）所示，或者提高毛细管11的顶端部分的电势，提供一辅助电极23，它具有比毛细管高的电势，允许离子在毛细管11的顶端部上形成以达到第一孔洞14而不会由于放电电极19的电势导致任何偏离，如图5（c）和（d）所示。

图5（a）和（b）所示的实施是这样的情况，电性放电是发生在设置在金属毛细管11的顶端尖的辅助电极23的边缘21或是在固定到辅助电极23的数个针22上，以用大气压离化法与形成在毛细管顶端部上形成的离子一起产生离子。质谱是用于整个这些离子获得的。在图5（c）和（d）中示出的实施是这样的情况，放电电极如导线19等是提供在与图5（a）和（b）相对照的中心上，辅助电极23是如此提供的，将电场聚焦到第一孔洞14的方向中。

也可以将导线19等提供在中心上如图5（c）所示，使导线19的电位比第一孔洞14的足够高并控制毛细管11的温度，从而在导线19的顶端部获得离子场发射效应。

这样形成的离子被引入到质量分析区的真空中，是通过在电极支承块24（见图1）支承的第一电极的孔洞14和在备有泵出口的电极支承块25上支承的第二电极的孔洞15引入的。在电极支承块24和备有泵出口的电极支承块24之间备有一绝缘板26诸如陶瓷等以在其之间获得绝缘，也允许在两块24和25之间施加电势及同时用泵系统对两块24和25之间的空间进行抽真空达到几个乇或更小。当离子通过第一电极14的孔洞被引入时，施加到两块之间的电势加速由绝热扩张所形成的聚团离子，从而与中性分子引起碰撞及分裂聚团离子，这些是对质量分析不便利的。通过第一孔洞14和第二孔洞15的离子用双聚焦质谱仪进行质量分析，该质谱仪包括一个电场分析部分4和磁场分析部分5并由离子检测器6检测。

在图8中，蔗糖（分子重量：342）质谱，一易于热分解的化合物，是由常规的大气压离化法〔图8（a）〕法获得的，示出了常规的热喷射法〔图8（b）〕和本发明的〔图8（c）〕，其中使用了流率为1ml/min的水，作为液体色谱中的移动相，在电性放电期间放电电流为5μA。在用大气压离化模式〔图8（a）〕的质谱中，除质子H⁺-诱导的分子离子种类（M+H）⁺（质量数：343）可观察到由分子破损形成的分裂离子（质量数：163），溶解分子的聚团离子等等。在用热喷射模式〔图8（b）〕的质谱中，除钠离子（质量数：23）和钾离子（质量数：39）以外，只观察到与碱金属诸如钠Na或钾K诱导的包含在水中作为液体色谱中的移动相的分子离子种类（M+Na）⁺（分子重量：365）和（M+K）⁺（分子重量：381），而基本上一点儿没有观察到分裂离子。另一方面，当用大气压离化法形成的离子和用热喷射法形成的离子根据本发明〔图8（c）〕同时检测到时，可获得象用大气压离化法和由热喷射法产生离子质谱的总和的质谱，观察到如分子离子的（M+H）⁺，（M+Na）⁺，（M+K）⁺等。

这样，根据本发明获得的质谱具有下述光谱的特性，它与已述的用热喷射法得到的质谱不同。

（1）在常规的热喷射法中，需要诸如醋酸盐铵等电解液用来获得分子离子，而在本发明的离子源的分子离子密度不取决于醋酸盐铵的量，甚至可在水中或带有甲醇的混合物中观察到在图9中用本离子源获得的蔗糖准-分子离子〔M+Na〕⁺（分子重量：365）的比较是在100%的水中，水/甲醇（50/50），水/甲醇（10/90）多水状的0.01M醋酸盐铵溶液和多水状的0.1M醋酸盐铵溶液在液体色谱中作为移动相进行的。

离子强度在本发明的离子源中较少地依赖于移动相的种类，这样本发明的离子源对射体色谱所使用的分析条件是方便的。

（2）用碱金属诱导的分子离子可用对移动相加碱金属等稳定地获得。

（3）在热喷射法中，易于形成倍增充电的离子如双倍地、三倍地充电离子，对于分析是很不方便的，而在本发明中倍增充电的离子形成得较少，质谱被简化，这样容易理解频谱。

（4）在通常的热喷射法中，只能测量高极性的化合物，而在通常的大气压离化法中只测量到低极性的化合物，而在本发明的新特征中，结合了大气压离化和热喷射法中的离子源可测得所有的化合物，不用考虑极性强度。在图10中，在本发明中，常规大气压离化法和常规热喷射法之中进行了17-α-黄体铜（较小极性类固醇）精氨酸（一种有点儿高极性氨基酸）和水苏糖（特别高极性糖）的分子离子强度的比较。如所示于图10中的结果，很明显特别高的极性糖根据大气压离化法很难进行测量而较小高极性的类固醇根据热喷射法很难进行测量，而所有化合物的分子离子强度可根据本发明的用较高强度进行测量。

从上述的描述很明显在本发明中将大气压离化法的离子源和热喷射法的离子源结合为一个新的离子源在大气压下工作，和（1）有关生命物体的重要的非挥发的化合物应用范围大大扩大了，（2）不用在泵系统中象常规的热喷射法一样备有任何陷井可连续进行很长时间，（3）不需要引入大量气体进入到真空及当质谱仪备有本发明的新的离子源时可减少离子源的内部沾污。

Claims (8)

1、一质谱仪，它包括用于使样品离化的离子源和用于把所形成的离子进入真空並进行质量分析离子的质量分析区域，具有喷射离子源的离子源包括至少在大气压下工作的可加热毛细管，毛细管的中心轴沿孔中心对准的，用于抽取离子而毛细管的顶端被固定到接近孔口处。

2、根据权利要求1的质谱仪，其中毛细管的顶端和孔之间的距离不超过3Cm。

3、根据权利要求1的质谱仪，其中电晕放电电极是布设在喷射离子源和孔之间，用于抽取离子。

4、根据权利要求3的质谱仪，其中辅助电极是用于聚焦离子进入孔的方向上，它布设在电晕放电电极和毛细管之间。

5、根据权利要求1的质谱仪，其中毛细管被分成多个部分，各个部分分别被加热並进行温度控制，这样加热毛细管。

6、根据权利要求3的质谱仪，其中电势是脉冲地施加到电晕放电电极上，由喷射所形成的离子和由离子-分子反应所形成的离子经过电性放性是交替地从孔中抽取出。

7、根据权利要求1的质谱仪，其中样品是包含在来自液体色谱的洗提物中。

8、根据权利要求1的质谱仪，其中毛细管是一金属毛细管。

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