用于质谱仪的大气压电离入口

摘要

本文说明了用于质谱分析的方法和系统，更具体地，涉及将带电粒子提供给质谱仪的接口。在一些示例中，所述接口包括在4mbar或更低的压力下从大气压区域延伸至真空室的毛细管。所述真空室包括定位在气体离子中湍流区域至在约1、3×10

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在35U.S.C.§119（e）下的2010年10月21日提交的美国申 请序列号为61/405,424的优先权，通过引用将其全部结合到本申请中。

技术领域

本文说明了用于质谱分析的方法和系统，更具体地，涉及将带电粒子提 供给质谱仪的接口。

背景技术

质谱法是用于获得基于带电粒子质荷比的化合物或样品的分子量、化学 成分及结构信息的分析过程。通常，在质谱法中，样品经过电离以形成作为 离子的带电粒子；然后根据这些带电粒子的质荷比使它们通过电场和/或磁场 以将它们分离。然后在检测器里对这些分离的离子进行测量。

质谱仪通常需要在高真空（例如10^-4至10^-6Torr）下进行操作，以限制 离子与气体分子之间的相互作用在质谱仪内，否则其将会降低性能。质谱法 的一个挑战是提供获取从样品进入这样的质谱仪真空系统中的代表性离子 的有效方法。在某些质谱系统中，电离过程发生在真空外壳内，但是这限制 了可被分析的样品的类型为表现出低蒸气压的气相样品和固体样品。

大气压电离（API）离子源已经变得日益重要，因为它们已大大增加了 可由质谱仪测量的样品类型。这些源在质谱仪外面在或约在大气压下形成离 子，并且离子和带电粒子通过通常包括小离子入口孔或毛细管的大气压电离 （API）接口被转移至质谱仪的高真空区域和可包含多个电场及中间真空阶 段的转移区域，以操作带电粒子并且相继降低压力。

这已允许质谱仪通过接口连接至大量离子化技术，增加可被测量的样品 类型，无论是以气体、固体、或甚至液体的形式。示例性离子源包括，但不 限于，电喷雾电离（ESI）、大气压化学电离（APCI）、大气压光电离（APPI）、 基质辅助激光解吸电离（MALDI）、实时直接分析（DART）以及电喷雾解 吸电离（DESI）。这些离子源已允许质谱仪被连接至广泛使用的工具，比如 高效液相色谱法。

比如ESI和APCI的离子源从液体、样品溶液以及溶剂中提供带电粒子。 包括目的分子的溶液被泵入通过孔或毛细管，并且电势或置于毛细管（ESI） 上或质量分析仪附近的针部。同轴雾化气体可协助在大气压下从毛细管中形 成一缕缕高度带电的液滴。由于电离在大气压下直接从溶液中发生，所以在 此过程中形成的离子有时可强烈地溶剂化。在测量之前，去除与离子相关联 的溶剂分子。所以API接口执行许多功能；其使带电液滴去溶剂化以形成气 相离子，其将这些离子转移到保持在高真空下的质谱仪分析仪中，并且去除 绝大部分的空气、气体以及随离子进入API接口的溶剂分子。

API接口执行这些功能的效率决定了系统的整体灵敏度和其它性能因 素。在许多API接口中，压力在一个以上的中间真空阶段中从大气压降低至 高真空。由于传统的API接口，采样的离子的数量，以及因此灵敏度，受到 各个阶段之间的孔的大小的限制。孔越大，灵敏度越高，但是需要在所需压 力下以维持中间阶段的真空泵越大且越贵。

当容许更多的溶剂及周围环境进入API接口中时，增加气流进入到质谱 仪中还增加了污染的问题。许多传统的质谱仪具有直接的视线通过系统，从 而进入API接口的污染可在分析仪及检测区域结束，降低其性能，这是困难 且费时的。

发明内容

本文说明了用于质谱分析的方法和系统，更具体地，涉及将带电粒子提 供给质谱仪的接口。

在一些方面，本文所描述的系统包括大气压接口，其被认为在宽质量范 围内提供确保高灵敏度的优点，同时降低泵送需求以及进入质谱仪分析仪的 污染量。

在一些示例中，本文所描述的系统和方法收集在毛细管出口下游离子采 样区域的湍流区中的带电粒子，而不是收集在邻近毛细管的初始静区中或在 表现出层流的区域中的带电粒子。

在一些示例中，所述提取孔位于与马赫盘或湍流区域形成的流路中的区 域相反或几乎相反（例如，在离子遇到马赫盘或湍流区域的气体流路中的位 置）。因此，所述离子从其经历湍流的区域中被收集。与层流区域相比，在 该区域中，气体流速显著降低。可以认为，在该区域中收集离子（特别是大 质量的生物分子）是更有效的，并且可减少对过度提取场的需要。

在一些方面，用于提供离子给质谱仪系统的大气压离子源包括毛细管， 其具有第一开口、第二开口，以及从第一开口延伸至第二开口的通道，所述 第一开口在约大气压下处于第一压力区域，所述第二开口在约3Torr或更低 的部分真空下处于第二压力区域，所述毛细管被定位，以使得在所述质谱系 统的操作期间，离子经由第一开口进入通道并且经由第二开口退出通道。所 述系统还包括真空室，其限定第二压力区域且具有配置成接收来自毛细管第 二开口的离子的入口，所述真空室包括被定位的提取孔，以使得在所述质谱 系统的操作期间，离子经由气流中湍流区域位置处的提取孔进入在约10^-2Torr或更低的第三压力区域。

实施例可包括下列中的一个以上。

所述湍流区域可包括在气流中表现出马赫盘的区域。

所述提取孔可定位于至少部分地基于计算2/3(P0/P1)^1/2所确定的位置， 其中P0和P1分别是第一和第二压力区域的压力。

所述提取孔可处于真空室中气流静区后的位置。

所述提取孔可处于真空室中气流的静区及至少一个层流区域后的位置。

所述真空室可以这样配置，也就是在所述质谱系统的操作期间，层流与 湍流的交替区域产生于气流中。

所述部件可以这样配置，也就是在所述质谱系统的操作期间，层流与湍 流的交替区域产生于气流中，并且所述提取孔处于与湍流的第一区域相关联 的位置。

所述毛细管可具有的直径小于约1mm，长度大于5cm。

所述源还可包括连接至所述孔的电压源，其配置成产生垂直于第二压力 区域中气流的大致正交的提取场。

所述毛细管可具有的直径为从约300μm至约1000μm，真空室可具有 的直径为从约5mm至约20mm。

所述毛细管可具有的直径为从约50μm至约300μm，真空室可具有的 直径为从约2mm至约10mm。

所述毛细管可具有的直径为从约700μm至约2000μm，真空室可具有 的直径为从约15mm至约50mm。

所述系统还可包括定位于第三真空区域的四极质量分析仪。

所述毛细管可配置成在毛细管的第二开口附近形成层流区域。

所述系统还可包括泵，其配置成在第二压力区域形成部分真空，在第三 压力区域形成真空。

所述毛细管的第一开口可定向在与提取孔的方向成90度的方向上。

所述毛细管的第一开口可定向在与提取孔的方向相同的方向上，但是偏 置于提取孔。

所述系统还可包括电喷雾离子源，其配置成在毛细管的第一开口附近产 生电喷雾。

所述毛细管可以是被加热的毛细管。

所述系统还可包括与部件中提取孔相反的推动器板。

附图说明

图1示出了质谱系统的示意图。

图2示出了质谱系统的示意图。

图3A和3B是示出了离子的示例性提取的模型。

图4A示出了信号强度与从毛细管出口至提取孔的距离的关系曲线图。

图4B示出了离子束强度与距离的关系曲线图。

图5示出了质谱系统的示意图。

图6示出了质谱系统的示意图。

图7示出了质谱系统的示意图。

具体实施方式

图1是质谱系统10的示意图。质谱系统10用于确定基于带电粒子质荷 比的化合物或样品的化学成分。

如下面更详细地描述，在使用过程中，离子源，在本案中是电喷雾离子 源12，在或约在大气压下产生带电液滴及粒子的包括目的离子的喷雾14。 大气压离子源的示例可包括电喷雾电离（ESI）、大气压化学电离（APCI）、 大气压光电离（APPI）、基质辅助激光解吸电离（MALDI）、实时直接分析 （DART）和电喷雾解吸电离（DESI）以及许多其它。所述大气压离子源还 可包括基于芯片及微型制作的喷雾装置。

来自喷雾14的电喷雾液滴进入到API接口的离子入口（比如通向被加 热的毛细管50的入口）中，其指引来自电喷雾14的离子通过毛细管50至 毛细管52的出口并进入到真空室56中。真空室56保持在约1与约10Torr （例如，从约1至约8Torr，从约1至约5Torr，从约1至约3Torr）之间的 中间真空。当来自所述电喷雾的液滴穿过毛细管50时，去溶剂化发生，以 使得离子从毛细管50的出口52出现。气体与带电粒子的混合物穿过所述 API接口的第一阶段（例如穿过真空室56）至第一泵送阶段，如箭头62所 示。

真空室56包括提取孔54。离子转移区域60位于与真空室56相反的提 取孔54的一侧，提取透镜58设置在提取孔54附近，以协助引导粒子/离子 从真空室56至离子转移区域60。因此，当气体与带电粒子的混合物通过真 空室56的提取孔54时，带电粒子通过由提取透镜58产生的电场而将被优 先地拉入到离子转移区域60中。气体分子也将由存在于穿过提取孔54的压 差而被拉通过该提取孔（例如，转移区域60处于比真空室56更低的压力下）， 但是与在第一真空室56中的离子/分子比例相比，进入离子转移区域60的气 体将显著地富集离子。如在本文中更详细地解释，当气体与离子的混合物沿 着真空室56的流路行进时，气体与离子的混合物遇到层流区域和湍流区域， 层流区域中的气体速度大于湍流区域中的气体速度。所述提取孔的位置是这 样确定和布置的，也就是该提取孔定位在所述气流及离子表现出湍流的区 域。提取孔54可具有的直径为从约0.25mm至约3mm（例如，从约0.25mm 至约1mm，从约1mm至约2mm，从约2mm至约3mm）。

离子转移区域60通常在仅RF模式下操作，并且可包括四极、六极、八 极或类似的离子光学装置28。在采用六极装置的实施例中，作为离子转移区 域，离子被约束在多极场内，而气体分子的压力由第二泵送阶段68进一步 降低到10^-2至10^-4Torr（例如，从约10^-2至约10^-3Torr，从约2×10^-3至约8×10^-3Torr、约5×10^-3Torr）。离子被引导通过孔76进入到质量分析仪区域72中， 在该例子中装备有四极分析仪30以通过质荷比将离子分离，并且进入到检 测器32中。检测器32放大基于离子质荷比的样品的弱离子电流信号。所述 分析仪与检测器区域72由第三泵送阶段70泵抽到10^-4至10^-8Torr的压力（例 如，从约10^-4至约10^-6Torr、约10^-5Torr）。

如上所述，本文所描述的系统涉及装置，其中带电粒子在或接近在大气 压下产生。这样的带电粒子源可包括电喷雾离子源或大气压化学电离源 （APCI）、或任何其它的带电粒子产生器源。另外，带电粒子还可由实时直 接分析（DART）、电喷雾解吸电离（DESI）、纳米电喷雾电离（nanoESI） 产生或者来自于其它形式的在类似条件下产生的带电粒子。

当离子形成于毛细管入口的齐根附近之内且其中压力梯度由维持相当 低的压力于所述毛细管的第二侧上而形成于贯穿这样的毛细管50时，可收 集在或接近在大气压下产生的这样离子。例如，通过泵送速度大于10m³/hr 的真空泵，所述孔或毛细管的第二侧可保持在～1Torr的压力下。在这样的泵 送速度下，沿着1mm直径毛细管的气流速度由下式给出：

泵送速度=气流速度×管子的截面积×当地密度

当气体被吸入到毛细管50中时（图1），气体沿着毛细管50传输并且以 音速从该毛细管的端部52排出。在某些位置，当气体在大气压下进入毛细 管50时，该过程将会产生湍流。可以认为，流动在朝向毛细管50低压端的 某点变成层流，例如在出口52附近。例如，用于空气从大气压至～1mbar 运动通过1mm直径管子的雷诺数在所述低压端是～300；接近10×层流极限 以下，所以流动在某点必定成为层流。虽然毛细管的直径可能基本上小于1 mm（例如300-500微米），但仍认为，压力差将导致流动成为层流。然而， 层流区域特征将在于从平均自由行程<<毛细管直径过渡至平均自由行程～毛 细管直径的情形。所述平均自由行程在1Torr下为～100微米，所以层流区域 将仅存在于朝向毛细管的端部52。因此，沿着毛细管50的压降将不是线性 的。压力将在湍流区域迅速下降，直至其达到几个Torr，在这之后，压降将 与距离近似成线性关系。

机械第一级泵的泵送速度与在相当大的压力范围上的压力无关。10 m³/hr的泵送速度将给出在～1Torr下为超音速的气体速度。沿着光滑毛细管 50里面的这样的流动将在所述低压端（例如，在出口52附近）为层流，因 为与惯性力相比，粘性力将是相当大的。

当气体在低压端52退出毛细管50时，存在压力梯度的中断，因为当地 毛细管出口压力突然下降。当压力下降时，气体分子得到冷却，因为初始随 机的速度分布转变成统一定向的速度，并且气体温度下降。退出毛细管的气 体具有超音速的速度，但是突然不再受到毛细管内壁的限制。气体分子在毛 细管的出口以高速继续若干毫米通过气体膨胀区64，直至他们遇到被称为马 赫盘66的湍流区域。在该区域，气体不再由压力梯度驱动，所以随着当地 压力上升，流动失速且变为湍流。图2示出了在真空室56中气流的示例性 可视化，气体/离子的路径由箭头表示。如图2所示，当气体退出毛细管50 时，具有气体膨胀的第一区域80，紧接着的是交替的层流区域（例如，区域 82、86和90）和湍流区域（例如，区域84和88）。例如，产生这样的马赫 盘及湍流区域的示例性说明描述在Int J.Mass Spectrom.200（2000）459-478， John B.Fenn的Mass Spectrometric Implications of high-pressure ion sources 中，通过引用将其全部内容结合于此。

在气体内以微量存在的带电粒子连同气流一起而被吸入。当压力沿着毛 细管下降，且带电粒子被吸入到层流区域时，发生两种效应。首先，至此， 与冷气体的频繁随机碰撞降低带电粒子的随机速度，从而降低它们的温度。 第二，各种质量m的带电粒子被赋予流动速度，从而它们在流动方向上获得 动量mv。

因此，在该第一阶段的大气压离子源中的带电粒子的输运与气体分子的 输运具有内在的密切联系。带电粒子可能以百万分之一至十亿分之一（10^-9） 的浓度仅存在于输运气体内，所以直接从区域56中的输运气体中收集与分 析离子是极其低效的。为了增加效率，将气流与带电粒子流分离可能是有益 的。图1所示的系统提供了通过使用静电场55从气流中提取带电粒子的方 法，以使得该静电场的梯度主要被设定跨越气体输运的路径。例如，这样的 电场可由设定在低压（例如1Torr）区域60中副室的壁中的绝缘孔54产生。 设定在该室壁内且与其绝缘的这样的孔因该室壁与提取透镜58之间的电压 差可产生场55。

带电粒子将由场55吸入朝向该孔54，并将被吸进或引进孔54中，且越 过进入离子转移区域60中。这样的提取装置将带电粒子输运从气体输运中 分离出来，因此通过增加样品离子与进入离子转移区域60的气体分子的比 率，可创建不带有庞大泵送系统的敏感仪器。可以认为，提取孔54的位置 对系统的功能具有很大的影响，因为所述效率将取决于通过孔54的离子的 动量。在本文所描述的系统中，提取孔54位于与马赫盘或湍流区域形成的 区域（例如，图2所示的区域84和88）相反或几乎相反（例如，在对应于 真空室56内的气流经历湍流位置的位置处的真空室56的壁）。在一些示例 中，所述提取孔位于湍流区域附近，但是不处于正好对应于湍流区域的位置。 例如，提取孔可刚好位于湍流区域之后（例如在10mm后）。

图3A和3B是采用SIMION模拟的气体输运模型，SIMION是一软件包， 其用于计算电场，并且当给定电极结构与电压和离子初始条件时，计算在这 些场中带电粒子的轨迹，所述初始条件包括可选的RF（准静态）、磁场、以 及碰撞效应。图3A和3B的SIMION模型示出了提取高质量离子（～500amu）， 速度分别为200m/s和600m/s。从模型中可以看出，在较低速度下，带电粒 子被更有效地收集。因此，可以认为，在马赫盘或湍流区域形成（且速度较 低）的区域中采样离子可提供增加离子收集效率的优点。

更具体地，在图3A中，对以恒定的200m/s穿过第一真空室56（图1） 的离子进行建模，如由箭头90所示。当离子穿过室56且靠近提取孔54时， 基本上所有的离子都被提取通过提取孔54进入到离子转移区域60中，如由 箭头92所示。仅可以忽略不计的部分离子继续沿着室56朝向第一泵送阶段 62，如由箭头93所示。示出了所提取的离子，沿着多极28的轴线朝向质量 分析仪行进，如由箭头92所示。

图3B示出了当在第一真空室56中离子速度增加至600m/s而保持与图 3A的模拟中相同的电场时的提取——现在有一半以上的离子错过了提取孔 54且流失在第一泵送阶段62中。更具体地，在较高的离子速度下，当离子 穿过室56且靠近提取入口54时（如由箭头94所示），仅一部分离子被提取 通过入口54进入到离子转移区域60中，如由箭头96所示。大部分离子继 续沿着室56朝向第一泵送阶段62，如由箭头98所示。

在一些示例中，用于收集离子的孔可置于毛细管出口54附近的膨胀射 流的“静区”（例如图2中的区域80）内。采用这种方法的缺点是，带电粒 子具有垂直于提取场的动量，其与带电粒子的质量成正比。比如生物分子的 大质量分子将具有垂直于提取场的显著动量，并且可以仅随可能不方便大的 提取场被收回。提取效率将取决于质量，并且装置将表现出切断高质量性能 的大的质量甄别效应。与将孔置于本文所述示例的静区中对比，提取孔位于 与马赫盘或湍流区域形成的区域相反或几乎相反（例如，在气流表现出马赫 盘/湍流区域的位置处的真空室56的一部分壁中）。因此，收集来自于湍流区 域的离子。与静区或层流区域相比，在该区域中，气体流速显著降低，因此， 使得有效收集大质量生物分子，而不需要过度的提取场。

当气体从高压区域退出至低压区域中时，气体经历许多流动的转换。首 先，气体刚好在从高压区退出之后进入“静区”，并且气体膨胀以填充更大 的容积。在该区域，气体的速度可能很高。“静区”后紧跟着的是层流与马 赫盘或湍流区域交替的区域（例如，如图2示意性所示）。基于包括区域直 径、压力等的因素的结合，确定马赫盘的确切位置。

在气流中，马赫盘区域（例如湍流区域）的特征在于气体速度显著下降。 这可能低至300m/s，类似于在图3B中所建模的那些速度。因此，可以认为， 高提取效率可在任意的这些湍流区域实现（例如，在于马赫盘相关的区域 中）。

对于在压力P0下高压区域（在这种情况下，刚好在毛细管52端部之前 的压力）与在压力P1下低压区域（在这种情况下，第一真空室56）之间的 孔来说，马赫盘的位置由经验公式给出：

X_M=2/3(P0/P1)^1/2

其中，X_M的尺寸是“孔径”，从而如果X_M=1，那么马赫盘形成在孔之 后等于孔直径的距离。例如，如果P0是大气压（760Torr）、P1为1Torr， 那么X_M是18.4孔尺寸；对于1mm孔来说为18.4mm。

关于图4A，描述了测量提取灵敏度的实验，例如离子信号（带电粒子） 的变化作为远离毛细管出口位置的函数。如图4A所示，这些测量示出了单 一最大值，约在远离毛细管出口（图1的52）15mm处。因此，在该示例 中，可观察到的是，离子电流信号强度在从毛细管提取孔约18mm处达到 最佳值。这个结果与从马赫盘湍流区域或刚好在其后的提取相一致。然而， 与上面的表达式方程1并非精确符合。从毛细管中以超音速冲出的大量分子 的存在可能对将马赫盘进一步拉出毛细管具有影响，而非由简单的经验公式 所暗示。提取孔的存在将扰乱在室中的流动，这并没有在模型中得到考虑， 并且气体与离子提取的方法是在相当大容积上的电场与气体动力学的混合， 这将趋于使由简单模型所期望的更加锋利的边界光滑。可以认为，因为冲击 波在厚度方面是若干平均自由路径，所以马赫盘不是突然中断，而是宽阔的 扩散区，其中来自射流气体的分子将会与背景气体相互作用。例如，这描述 在International Journal of Mass Spectrom.200（2000）459-478，John B.Fenn 的Mass Spectrometric Implications of high-pressure ion sources中。在随后的实 验中，如图4B所示，已观察到的是，存在提取灵敏度的多个最大值。因此， 可以认为，形成多个马赫盘与湍流区域，并且采样的效率可由将提取孔置于 马赫盘与湍流区域中任一个的位置附近而增加（例如，在气体流动路径中第 一马赫盘的位置或附近、在气体流动路径中第二马赫盘的位置或附近、在气 体流动路径中第三马赫盘的位置或附近、在气体流动路径中第四马赫盘的位 置或附近）。

可以设想替代的几何形状，其将会具有相似的气体动力学，但是可进一 步提高将带电粒子从气体分子以及特别是液滴和固体粒子中分离出来的能 力。这些可能在进一步降低污染以及在便于机械布置方面具有优点，如在图 5至7中所示。

图5示出了与图1所示的质谱系统相类似的质谱系统的示意图。该系统 包括接收来自源（未示出）的电喷雾液滴的毛细管50。该系统引导来自电喷 雾的离子穿过毛细管50至毛细管的出口52并进入到真空室56中。离子从 在真空室中的提取孔54被收集，并被输运到离子转移区域60中。毛细管入 口101定向在与提取孔54相同的方向上，但是偏置于该提取孔，以使得气 流必须在方向上经过两个90°变化（如由箭头100和102所示）。这可能进一 步有助于产生湍流且，并降低未脱溶剂污染的机会，以使其进入到转移区域 中。因此，毛细管50中气流的方向与真空室56中气流的方向约为90°。与 上述的示例相类似，层流与湍流的多个区域将存在于真空室56内。提取孔 54位于马赫盘或湍流区域形成的区域中。因此，离子从湍流区域被收集，其 中湍流区域的离子速度小于层流区域的离子速度。

图6示出了与图1所示的质谱系统相类似的质谱系统的示意图。该系统 包括接收来自源（未示出）的电喷雾液滴的毛细管50。该系统引导来自电喷 雾的离子穿过毛细管50至毛细管的出口52并进入到真空室56中。离子从 在真空室中的提取孔54被收集，并被输运到离子转移区域60中。毛细管50 的入口106被定位与提取孔54成180°，所以气流产生于提取孔54的后面。 毛细管50的这样定向与位置可减低仪器的整体尺寸。由于毛细管50的位置， 所以气流必须在方向上经过两个90°变化（如由箭头108和110所示）。这可 能进一步有助于产生湍流，并且降低未脱溶剂污染的机会，以使其进入到转 移区域60中。因此，毛细管50中气流的方向与真空室56中气流的方向约 为90°。与上述的示例相类似，层流与湍流的多个区域将存在于真空室56内。 提取孔54位于马赫盘或湍流区域形成的区域中。因此，离子从湍流区域被 收集，其中湍流区域的离子速度小于层流区域的离子速度。

图7示出了与图6所示的质谱系统相类似的质谱系统的示意图。该系统 包括接收来自源（未示出）的电喷雾液滴的毛细管50。该系统引导来自电喷 雾的离子穿过毛细管50至毛细管的出口52并进入到真空室56中。离子从 在真空室中的提取孔54被收集，并被输运到离子转移区域60中。如关于图 6所述，提取孔54位于马赫盘或湍流区域形成的区域中。因此，离子从湍流 区域被收集，其中湍流区域的离子速度小于层流区域的离子速度。另外，在 图7的示例中，将离子提取进入到转移区域中的电场由与提取孔相反的推杆 电极200上的电压增强，代替在提取透镜上的电压或除此之外；其中所述推 杆电极增大由提取透镜所产生的场。虽然推杆电极示出在布置中，其中毛细 管定向在与提取孔54相同的方向上，但是偏置于该提取孔。增加推杆电极 可以与相对于提取孔的毛细管的任意方向一起使用。

其它的实施例在权利要求中。