通过高速喷雾与靶材互相作用的大气压离子源

摘要

本发明提供一种离子源，离子源包括雾化器1和靶材10。雾化器1布置成并适合于在使用中发射分析物微滴流，分析物微滴被引起撞击在靶材10上并且使分析物电离以形成多个分析物离子。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月25日递交的美国临时专利申请No.61/478,725 和2011年4月20日递交的英国专利申请No.1106694.1的优先权。这些 申请的全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及用于质谱仪的离子源和使样品电离的方法。优选实施例涉 及质谱仪和质谱分析的方法。

背景技术

大气压电离（“API”）离子源通常用于在通过质谱仪分析产生的气相 离子之前使来自HPLC或UPLC色谱分析装置的液体流电离。最常用的 两种技术包括电喷雾电离（“ESI”）和大气压化学电离（“APCI”）。ESI 最适合于中到高极性分析物，APCI最适合于非极性分析物。将这两种技 术组合起来的API离子源已经被提出并且在使用确保由每种技术产生的 电场被屏蔽并且彼此独立的几何形状来同时组合ESI和APCI电离的设计 中实现。这些所谓的“多模”离子源的优势在于能够在单次色谱分析中电 离包含各种极性的分析物混合物，而不需要在不同的电离技术之间切换。 US-7034291公开了包括ESI离子源和下游电晕放电针的ESI/APCI多模 电离源，US-7411186公开了多模ESI/APCI离子源。已知的多模离子源遇 到机械上的复杂问题。

已经提出其他通用或多模电离源用于使液相色谱法结合到质谱分析 法。一个这样的示例是表面活化化学电离（“SACI”）离子源，该离子源 将来自加热的雾化器（nebuliser）探针的蒸汽流引向大面积带电靶材板， 该靶材板定位成接近质谱仪的离子进入孔并且离开雾化器的端部为 15-20mm。SACI离子源的喷射点位于加热的雾化器探针内，以使得SACI 离子源的喷射点和靶材板之间的通常距离为70mm。这种在喷射器和靶材 之间具有相对大距离的几何形状将产生发散喷射，在靶材处具有发散反射 流，当与优化ESI和APCI源相比时这通常导致更低的灵敏度。 US-7368728公开了已知的表面活化化学电离离子源。

还已知将珠形式的小靶材放置在极为接近在原子吸收光谱法中使用 的撞击器喷雾器中的雾化喷射点处。撞击器雾化器例如是在Anal.Chem. 1982,54,1411-1419中公开。已知的撞击器雾化器不用于电离样品。

期望提供用于质谱仪的改进的离子源。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种离子源，包括：

一个或多个雾化器和一个或多个靶材；

其中，所述一个或多个雾化器布置成并适合于在使用中发射主要为微 滴的流，所述微滴被引起撞击在所述一个或多个靶材上并且使所述微滴电 离以形成多个离子。

所述微滴优选地包括分析物微滴，所述多个离子优选地包括分析物离 子。

但是，根据另一实施例，所述微滴可以包括反应物微滴，所述多个离 子可以包括反应物离子。

根据优选实施例，产生的反应物离子可以与中性分析物分子反应、相 互作用或向中性分析物分子传递电荷，并且使得分析物分子被电离。反应 物离子还可以用于增强分析物离子的形成。

根据实施例，一个或多个管可以布置成并适合于将一种或多种分析物 气体或其他气体供应至与所述一个或多个靶材相邻的区域。

所述反应物离子优选地布置成使所述分析物气体电离以形成多个分 析物离子。

分析物液体可以被供应至所述一个或多个靶材并且可以被电离以形 成多个分析物离子，和/或反应物液体可以被供应至所述一个或多个靶材 并且可以被电离以形成反应物离子，反应物离子将电荷传递给中性分析物 原子或分子以形成分析物离子和/或反应物离子增强分析物离子的形成。

所述一个或多个靶材优选地包括一个或多个孔，并且其中，所述分析 物液体和/或所述反应物液体被直接供应给所述一个或多个靶材并且从所 述一个或多个孔中冒出。

根据实施例，所述一个或多个靶材可以被涂覆有一种或多种液体分析 物、固体分析物或胶状分析物，并且其中，所述一个或多个分析物被电离 以形成多个分析物离子。

所述一个或多个靶材可以由一种或多种分析物形成，并且其中，所述 一种或多种分析物可以被电离以形成多个分析物离子。

根据优选实施例，所述离子源包括大气压电离（“API”）离子源。

所述一个或多个雾化器优选地布置成并且适合于使得由所述一个或 多个雾化器发射的质量或物质的大部分处于非蒸汽的微滴形式。

优选地，由所述一个或多个雾化器发射的质量或物质的至少50%、 55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%处于微滴形 式。

所述一个或多个雾化器优选地布置成并适合于发射微滴流，其中，所 述微滴的索特平均直径（“SMD”，d32）处于下列范围：(i)<5μm；(ii)5-10 μm；(iii)10-15μm；(iv)15-20μm；(v)20-25μm；或(vi)>25μm。

从所述一个或多个雾化器发射的所述微滴流优选地在撞击一个或多 个靶材之后形成二级微滴。

所述微滴流和/或所述二级微滴流优选地经过流动区域，所述流动区 域的雷诺数（Re）处于下列范围：(i)<2000；(ii)2000-2500；(iii)2500-3000； (iv)3000-3500；(v)3500-4000；或(vi)>4000。

根据优选实施例，在大致所述微滴撞击所述一个或多个靶材的点处， 所述微滴的韦伯数（We）从由下列各项组成的群组中选出：(i)<50；(ii) 50-100；(iii)100-150；(iv)150-200；(v)200-250;(vi)250-300；(vii)300-350； (viii)350-400；(ix)400-450；(x)450-500；(xi)500-550；(xii)550-600；(xiii) 600-650；(xiv)650-700；(xv)700-750；(xvi)750-800；(xvii)800-850；(xviii) 850-900；(xix)900-950；(xx)950-1000；和(xxi)>1000。

根据优选实施例，在大致所述微滴撞击所述一个或多个靶材的点处， 所述微滴的斯托克斯数（Sk）处于下列范围：(i)1-5；(ii)5-10；(iii)10-15； (iv)15-20；(v)20-25；(vi)25-30；(vii)30-35；(viii)35-40；(ix)40-45；(x) 45-50；和(xi)>50。

所述微滴在所述一个或多个靶材上的平均轴向撞击速度优选地从由 下列各项组成的群组中选出：(i)<20m/s；(ii)20-30m/s；(iii)30-40m/s； (iv)40-50m/s；(v)50-60m/s；(vi)60-70m/s；(vii)70-80m/s；(viii)80-90 m/s；(ix)90-100m/s；(x)100-110m/s；(xi)110-120m/s；(xii)120-130m/s； (xiii)130-140m/s；(xiv)140-150m/s；和(xv)>150m/s。

所述一个或多个靶材优选地布置成距离所述一个或多个雾化器的出 口为<20mm、<19mm、<18mm、<17mm、<16mm、<15mm、<14 mm、<13mm、<12mm、<11mm、<10mm、<9mm、<8mm、<7mm、 <6mm、<5mm、<4mm、<3mm或<2mm。

所述一个或多个雾化器优选地布置成并且适合于在一段时间上使由 一个或多个装置发射的一种或多种洗脱剂雾化。

所述一个或多个装置优选地包括一个或多个液相色谱分离装置。

所述一个或多个雾化器优选地布置成并且适合于使一种或多种洗脱 剂雾化，其中，所述一种或多种洗脱剂的液体流量从由下列各项组成的群 组中选出：(i)<1μL/min；(ii)1-10μL/min；(iii)10-50μL/min；(iv)50-100 μL/min；(v)100-200μL/min；(vi)200-300μL/min；(vii)300-400μL/min； (viii)400-500μL/min；(ix)500-600μL/min；(x)600-700μL/min；(xi) 700-800μL/min；(xii)800-900μL/min；(xiii)900-1000μL/min；(xiv) 1000-1500μL/min；(xv)1500-2000μL/min；(xvi)2000-2500μL/min；和 (xvii)>2500μL/min。

所述一个或多个雾化器可以根据次优选实施例包括一个或多个旋转 盘雾化器。

所述一个或多个雾化器优选地包括具有出口的第一毛细管，所述出口 在使用中发射出所述微滴流。

所述第一毛细管优选地在使用中被保持在如下电位：(i)-5至-4kV； (ii)-4至-3kV；(iii)-3至-2kV；(iv)-2至-1kV；(v)-1000至-900V；(vi)-900 至-800V；(vii)-800至-700V；(viii)-700至-600V；(ix)-600至-500V；(x) -500至-400V；(xi)-400至-300V；(xii)-300至-200V；(xiii)-200至-100V； (xiv)-100至-90V；(xv)-90至-80V；(xvi)-80至-70V；(xvii)-70至-60V； (xviii)-60至-50V；(xix)-50至-40V；(xx)-40至-30V；(xxi)-30至-20V； (xxii)-20至-10V；(xxiii)-10至0V；(xxiv)0-10V；(xxv)10-20V；(xxvi) 20-30V；(xxvii)30-40V；(xxviii)40-50V；(xxix)50-60V；(xxx)60-70V； (xxxi)70-80V；(xxxii)80-90V；(xxxiii)90-100V；(xxxiv)100-200V；(xxxv) 200-300V；(xxxvi)300-400V；(xxxvii)400-500V；(xxxviii)500-600V； (xxxix)600-700V；(xl)700-800V；(xli)800-900V；(xlii)900-1000V；(xliii) 1-2kV；(xliv)2-3kV；(xlv)3-4kV；和(xlvi)4-5kV。

相对于围绕所述离子源的外壳的电位和/或通向质谱仪的第一真空级 和/或所述一个或多个靶材的离子进口装置的电位，所述第一毛细管优选 地在使用中被保持在如下电位：(i)-5至-4kV；(ii)-4至-3kV；(iii)-3至 -2kV；(iv)-2至-1kV；(v)-1000至-900V；(vi)-900至-800V；(vii)-800 至-700V；(viii)-700至-600V；(ix)-600至-500V；(x)-500至-400V；(xi) -400至-300V；(xii)-300至-200V；(xiii)-200至-100V；(xiv)-100至-90V； (xv)-90至-80V；(xvi)-80至-70V；(xvii)-70至-60V；(xviii)-60至-50V； (xix)-50至-40V；(xx)-40至-30V；(xxi)-30至-20V；(xxii)-20至-10V； (xxiii)-10至0V；(xxiv)0-10V；(xxv)10-20V；(xxvi)20-30V；(xxvii) 30-40V；(xxviii)40-50V；(xxix)50-60V；(xxx)60-70V；(xxxi)70-80V； (xxxii)80-90V；(xxxiii)90-100V；(xxxiv)100-200V；(xxxv)200-300V； (xxxvi)300-400V；(xxxvii)400-500V；(xxxviii)500-600V；(xxxix)600-700 V；(xl)700-800V；(xli)800-900V；(xlii)900-1000V；(xliii)1-2kV；(xliv) 2-3kV；(xlv)3-4kV；和(xlvi)4-5kV。

根据实施例，导线可以位于由所述第一毛细管围绕的体积内，其中所 述导线布置成并且适合于聚焦所述微滴流。

根据优选实施例：

（i）所述第一毛细管由第二毛细管围绕，所述第二毛细管布置成并 且适合于将气体流提供至所述第一毛细管的出口；或者

（ii）第二毛细管布置成并且适合于将气体横向流动流提供至所述第 一毛细管的出口。

所述第二毛细管优选地围绕所述第一毛细管和/或与所述第一毛细管 同心或不同心。

所述第一毛细管和所述第二毛细管的端部优选地：（i）彼此平齐或彼 此平行；或者（ii）相对于彼此突出、凹入或非平行。

所述第一毛细管的出口优选地具有直径D，所述微滴喷雾优选地布置 成撞击在所述一个或多个靶材的撞击区域上。

所述撞击区域优选地具有最大尺寸x，其中比例x/D在下列范围内： <2、2-5、5-10、10-15、15-20、20-25、25-30、30-35、35-40或>40。

所述撞击区域的面积优选地从由下列各项组成的群组中选出：(i)< 0.01mm2；(ii)0.01-0.10mm2；(iii)0.10-0.20mm2；(iv)0.20-0.30mm2； (v)0.30-0.40mm2；(vi)0.40-0.50mm2；(vii)0.50-0.60mm2；(viii)0.60-0.70 mm2；(ix)0.70-0.80mm2；(x)0.80-0.90mm2；(xi)0.90-1.00mm2；(xii) 1.00-1.10mm2；(xiii)1.10-1.20mm2；(xiv)1.20-1.30mm2；(xv)1.30-1.40 mm2；(xvi)1.40-1.50mm2；(xvii)1.50-1.60mm2；(xviii)1.60-1.70mm2； (xix)1.70-1.80mm2；(xx)1.80-1.90mm2；(xxi)1.90-2.00mm2；(xxii) 2.00-2.10mm2；(xxiii)2.10-2.20mm2；(xxiv)2.20-2.30mm2；(xxv) 2.30-2.40mm2；(xxvi)2.40-2.50mm2；(xxvii)2.50-2.60mm2；(xxviii) 2.60-2.70mm2；(xxix)2.70-2.80mm2；(xxx)2.80-2.90mm2；(xxxi) 2.90-3.00mm2；(xxxii)3.00-3.10mm2；(xxxiii)3.10-3.20mm2；(xxxiv) 3.20-3.30mm2；(xxxv)3.30-3.40mm2；(xxxvi)3.40-3.50mm2；(xxxvii) 3.50-3.60mm2；(xxxviii)3.60-3.70mm2；(xxxix)3.70-3.80mm2；(xl) 3.80-3.90mm2；和(xli)3.90-4.00mm2。

离子源优选地还包括一个或多个加热器，所述一个或多个加热器布置 成并且适合于将一个或多个加热气体流供应至所述一个或多个雾化器的 出口。

根据实施例：

（i）所述一个或多个加热器围绕所述第一毛细管，并且布置成并适 合于将加热气体流供应至所述第一毛细管的出口；和/或

（ii）所述一个或多个加热器包括一个或多个红外加热器；和/或

（iii）所述一个或多个加热器包括一个或多个燃烧加热器。

离子源还可以包括一个或多个加热装置，所述一个或多个加热装置布 置成并且适合于直接和/或间接加热所述一个或多个靶材。

所述一个或多个加热装置可以包括一个或多个激光器，所述一个或多 个激光器布置成并且适合于发出一个或多个激光束，所述一个或多个激光 束入射到所述一个或多个靶材上以加热所述一个或多个靶材。

根据实施例，所述一个或多个靶材在使用中被保持在如下电位：(i)-5 至-4kV；(ii)-4至-3kV；(iii)-3至-2kV；(iv)-2至-1kV；(v)-1000至-900 V；(vi)-900至-800V；(vii)-800至-700V；(viii)-700至-600V；(ix)-600 至-500V；(x)-500至-400V；(xi)-400至-300V；(xii)-300至-200V；(xiii) -200至-100V；(xiv)-100至-90V；(xv)-90至-80V；(xvi)-80至-70V；(xvii) -70至-60V；(xviii)-60至-50V；(xix)-50至-40V；(xx)-40至-30V；(xxi) -30至-20V；(xxii)-20至-10V；(xxiii)-10至0V；(xxiv)0-10V；(xxv)10-20 V；(xxvi)20-30V；(xxvii)30-40V；(xxviii)40-50V；(xxix)50-60V；(xxx) 60-70V；(xxxi)70-80V；(xxxii)80-90V；(xxxiii)90-100V；(xxxiv)100-200 V；(xxxv)200-300V；(xxxvi)300-400V；(xxxvii)400-500V；(xxxviii) 500-600V；(xxxix)600-700V；(xl)700-800V；(xli)800-900V；(xlii) 900-1000V；(xliii)1-2kV；(xliv)2-3kV；(xlv)3-4kV；和(xlvi)4-5kV。

根据实施例，相对于围绕所述离子源的外壳的电位和/或通向质谱仪 的第一真空级和/或所述一个或多个雾化器的离子进口装置的电位，所述 一个或多个靶材在使用中被保持在如下电位：(i)-5至-4kV；(ii)-4至-3 kV；(iii)-3至-2kV；(iv)-2至-1kV；(v)-1000至-900V；(vi)-900至-800 V；(vii)-800至-700V；(viii)-700至-600V；(ix)-600至-500V；(x)-500 至-400V；(xi)-400至-300V；(xii)-300至-200V；(xiii)-200至-100V；(xiv) -100至-90V；(xv)-90至-80V；(xvi)-80至-70V；(xvii)-70至-60V；(xviii) -60至-50V；(xix)-50至-40V；(xx)-40至-30V；(xxi)-30至-20V；(xxii) -20至-10V；(xxiii)-10至0V；(xxiv)0-10V；(xxv)10-20V；(xxvi)20-30 V；(xxvii)30-40V；(xxviii)40-50V；(xxix)50-60V；(xxx)60-70V；(xxxi) 70-80V；(xxxii)80-90V；(xxxiii)90-100V；(xxxiv)100-200V；(xxxv) 200-300V；(xxxvi)300-400V；(xxxvii)400-500V；(xxxviii)500-600V； (xxxix)600-700V；(xl)700-800V；(xli)800-900V；(xlii)900-1000V；(xliii) 1-2kV；(xliv)2-3kV；(xlv)3-4kV；和(xlvi)4-5kV。

根据优选实施例，在操作模式中，所述一个或多个靶材保持在正电位， 并且其中，撞击在所述一个或多个靶材上的所述微滴形成多个带正电荷离 子。

根据优选实施例，在操作模式中，所述一个或多个靶材保持在负电位， 并且其中，撞击在所述一个或多个靶材上的所述微滴形成多个带负电荷离 子。

离子源还可以包括布置成并且适合于将正弦或非正弦AC或RF电压 施加到所述一个或多个靶材的装置。

所述一个或多个靶材优选地布置成或以其他方式定位成将所述微滴 流和/或所述多个离子朝向质谱仪的离子进口装置偏转。

所述一个或多个靶材优选地定位在质谱仪的离子进口装置的上游，以 使得离子被朝向所述离子进口装置的方向偏转。

所述一个或多个靶材可以包括不锈钢靶材、金属、金、非金属物质、 半导体、具有碳化物涂层的金属或其他物质、绝缘体或陶瓷。

所述一个或多个靶材可以包括多个靶材元件，以使得来自所述一个或 多个雾化器的微滴落到多个靶材元件上，和/或其中，所述靶材布置成具 有多个撞击点以使得所述微滴通过多重掠射偏转(glancing deflection)而 被电离。

所述一个或多个靶材可以成型为或者具有空气动力学轮廓，以使得流 过所述一个或多个靶材的气体被引导或偏转为朝向、平行于、正交于或远 离质谱仪的离子进口装置。

所述多个离子中的至少某些或大部分可以被布置成在使用中被带入 到流过所述一个或多个靶材的所述气体中。

根据实施例，在操作模式中，来自一个或多个基准或校准雾化器的微 滴被引导至所述一个或多个靶材上。

根据实施例，在操作模式中，来自一个或多个分析物雾化器的微滴被 引导至所述一个或多个靶材上。

根据本发明的另一方面，提供一种质谱仪，质谱仪包括上述离子源。

质谱仪优选地还包括通向所述质谱仪的第一真空级的离子进口装置。

所述离子进口装置优选地包括离子孔、离子进口锥、离子进口毛细管、 离子进口加热毛细管、离子通道、离子迁移谱仪或分离器、微分离子迁移 谱仪、场非对称离子迁移谱仪（FAIMS）装置或其他离子进口。

所述一个或多个靶材优选地定位在沿第一方向距离所述离子进口装 置为第一距离X1处和沿第二方向距离所述离子进口装置为第二距离Z1 处，其中，所述第二方向与所述第一方向正交，并且其中：

（i）X1从由下列各项组成的群组中选出：(i)0-1mm；(ii)1-2mm； (iii)2-3mm；(iv)3-4mm；(v)4-5mm；(vi)5-6mm；(vii)6-7mm；(viii) 7-8mm；(ix)8-9mm；(x)9-10mm；和(xi)>10mm；和/或

（ii）Z1从由下列各项组成的群组中选出：(i)0-1mm；(ii)1-2mm； (iii)2-3mm；(iv)3-4mm；(v)4-5mm；(vi)5-6mm；(vii)6-7mm；(viii) 7-8mm；(ix)8-9mm；(x)9-10mm；和(xi)>10mm。

所述一个或多个靶材优选地定位成使所述微滴流和/或所述多个离子 朝向所述离子进口装置偏转。

所述一个或多个靶材优选地定位在所述离子进口装置的上游。

所述一个或多个靶材优选地包括：（i）一个或多个杆；或（ii）具有 圆锥部的一个或多个针。

所述微滴流优选地布置成以如下方式撞击所述一个或多个杆或所述 一个或多个针的所述圆锥部：（i）直接撞击在所述一个或多个杆或针的中 心线上；或（ii）撞击在所述一个或多个杆或所述一个或多个针的所述圆 锥部的面向或远离所述离子进口孔的一侧上。

质谱仪还可以包括外壳，所述外壳围绕所述一个或多个雾化器、所述 一个或多个靶材和所述离子进口装置。

质谱仪还可以包括一个或多个偏转或推动电极，其中在使用中，一个 或多个DC电压或DC电压脉冲被施加到所述一个或多个偏转或推动电 极，以将离子朝向所述质谱仪的离子进口装置偏转或推动。

根据本发明的一个方面，提供一种电离样品的方法，包括：

使主要为微滴的流撞击在一个或多个靶材上以电离所述微滴，从而形 成多个分析物离子。

根据本发明的一个方面，提供一种质谱分析方法，质谱分析方法包括 上述电离离子的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种质谱仪，包括：

离子源，所述离子源包括：

靶材；和

雾化器，所述雾化器构造成在使用中发射主要由微滴形成的流，所述 微滴被引起撞击在所述靶材上并且使微滴电离以形成多个离子。

根据本发明的一个方面，提供一种离子源，包括：

靶材；和

雾化器，所述雾化器构造成在使用中发射主要由微滴形成的流，所述 微滴被引起撞击在所述靶材上并且使微滴电离以形成多个离子。

根据本发明的一个方面，提供一种质谱分析方法，包括：

通过产生主要由微滴形成的流，并且通过将所述微滴撞击在一个或多 个靶材上来电离所述微滴以形成多个离子，来电离样品。

根据本发明的一个方面，提供一种电离样品的方法，该方法包括产生 主要由微滴形成的流，并且通过将所述微滴撞击在一个或多个靶材上来电 离所述微滴以形成多个离子。

根据本发明的一个方面，提供一种去溶剂化装置，包括：

一个或多个雾化器和一个或多个靶材；

其中，所述一个或多个雾化器布置成并适合于在使用中发射主要为微 滴的流，所述微滴被引起撞击在所述一个或多个靶材上，并且使所述微滴 形成去溶剂化的气相分子和/或二级微滴。

根据本发明的一个方面，提供一种去溶剂化方法，包括：

使主要为微滴的流撞击在一个或多个靶材上，并且使所述微滴形成去 溶剂化的气相分子和/或二级微滴。

应当领会，本发明延伸超过离子源或电离样品的方法，以包括至少部 分地去溶剂化或进一步对微滴流去溶剂化的装置和方法。产生的气相分子 和/或二次微滴可以被单独的离子源顺序地电离。

根据本发明的一个方面，提供一种质谱仪，包括：

雾化器，所述雾化器包括第一毛细管并且具有出口，出口在使用中发 射出分析物微滴流；和

靶材，靶材布置成距离雾化器的出口为＜10mm；

该质谱仪的特征在于，质谱仪还包括：

液相色谱分离装置，布置成并适合于在一段时间上发射洗脱剂；和

离子源，布置成并适合于电离洗脱剂，离子源包括雾化器，并且其中， 在使用中，分析物微滴流被引起撞击在靶材上并且使分析物电离以形成多 个分析物离子。

对比来说，SACI离子源的靶材布置在质谱仪的离子进口孔的下游， 离子被朝向离子进口孔反射回。

根据本发明的另一方面，提供一种质谱分析方法，包括：

提供雾化器，雾化器包括第一毛细管并且具有出口，出口在使用中发 射出分析物微滴流；和

将靶材定位成距离雾化器的出口<10mm；

该质谱分析方法的特征在于该方法还包括：

提供液相色谱分离装置，液相色谱分离装置在一段时间上发射洗脱 剂；并且

通过使分析物微滴流撞击在靶材上并且使分析物形成多个分析物离 子来电离洗脱剂。

如上所述，SACI离子源的喷雾点在加热的雾化器探针内，以使得喷 雾点和靶材板之间的典型距离大约70mm。对比来说，利用优选撞击器离 子源，喷雾点位于内毛细管的尖端处，喷雾点和靶材之间的距离可以<10 mm。

本领域技术人员将理解，SACI离子源发射出蒸汽流，蒸汽在靶材上 的撞击速度相对低并且大约为4m/s。对比来说，根据优选实施例的撞击 器离子源不发射蒸汽流，而是发射出高密度微滴流。此外，微滴流在靶材 上的撞击速度相对较高并且大约为100m/s。

因此，将很明显，根据本发明的离子源与已知SACI离子源截然不同。

根据优选实施例，液体流优选地通过高速气体的同心流动被转变成雾 化喷雾，不需要借助在喷雾器或雾化器尖端处的高电位差。具有与微滴流 相当的尺寸或撞击区域的微靶材优选地定位成极为接近喷雾器尖端（例如 <5mm），以限定撞击区域并且部分地将喷雾朝向质谱仪的离子进口孔偏 转。产生的离子和带电微滴被质谱仪的第一真空级采样。

根据优选实施例，靶材优选地包括不锈钢靶材。但是，可以想到其他 实施例，其中靶材可以包括其他金属物质（例如金）和非金属物质。例如， 可以想到实施例，其中靶材包括半导体、具有碳化物涂层的金属或其他物 质、绝缘体或陶瓷。

根据另一实施例，靶材可以包括多个板或靶材元件，以使得来自雾化 器的微滴落到多个靶材板或靶材元件上。根据本实施例，优选地具有多个 撞击点，微滴通过多个掠射偏转而被电离。

从API源的角度来看，还用作带电电离表面的近距离耦合撞击器提 供灵敏多模电离源的基础。喷雾尖端和微靶材优选地构造成极为接近掠射 撞击几何形状，与已知大面积SACI离子源相比，这导致在靶材处喷雾通 量增大并且显著较小的射束发散或反射发散。优选实施例因此提供高灵敏 度API源。

优选实施例包括多模离子源，多模离子源可以有利且高效地电离高极 性和低极性分析物，而不需要切换硬件或调节参数。

撞击一个或多个靶材的微滴优选不改变。

很明显，与已知SACI离子源相比，根据本发明的离子源和电离离子 的方法特别有利。

附图说明

现在将参照附图仅举例描述本发明的各种实施例，其中：

图1示出根据本发明的优选实施例的撞击器喷雾API离子源；

图2A示出根据本发明的优选实施例的省略喷雾器的质谱仪的靶材和 第一真空级的平面图，图2B示出根据本发明的优选实施例的质谱仪的雾 化器或喷雾器尖端、靶材和第一真空级的侧视图；

图3示出具有电晕放电针的常规APCI离子源；

图4示出使用利用常规电喷雾离子源、常规APCI离子源和根据优选 实施例的撞击器离子源测量的五种测试分析物的相对强度；

图5示出根据本发明的优选实施例靶材电位对离子信号的影响；

图6A示出根据利用2.2kV的靶材电位的本发明优选实施例从撞击器 喷雾离子源获得的质谱，图6B示出根据利用0V的靶材电位的本发明实 施例从撞击器喷雾源获得的质谱，图6C示出利用4kV的优化毛细管电位 从常规电喷雾离子源获得的质谱；

图7示出已知表面活化化学电离离子源；

图8示出利用常规SACI离子源和根据优选实施例的撞击器离子源喷 雾获得的相对强度的对比；

图9示出从优选雾化器发射出的微滴的相位多普勒测速分析获得的 数据；和

图10示出用于根据本发明的实施例的气动雾化器和来自例如在 SACI离子源中使用的加热雾化器的数据率的径向分布的对比。

具体实施方式

图1示出根据本发明的优选实施例的撞击器喷雾API离子源的总体 布置的示意图。含分析物的液体流布置成进入雾化器或喷雾器1并且通过 液体毛细管3被传送到喷雾器尖端2。液体毛细管3优选由第二毛细管4 围绕，第二毛细管4优选包括气体进口5以将高速气体流传送到液体毛细 管3的出口。根据实施例，液体毛细管3的内径是130μm，液体毛细管3 的外径是270μm。第二（气体）毛细管4的内径优选为330μm。这种布 置产生雾化喷射，该雾化喷射包含通常直径为10-20μm的微滴并且在距 离喷雾器尖端较近距离处具有大于100m/s的速度。

产生的微滴优选地被通过第二气体进口7进入同心加热器6的附加气 体流加热。雾化器或喷雾器1可以铰链连接到质谱仪的离子进口锥8的右 手侧，以使得雾化器或喷雾器1可以摇摆以改变喷雾器尖端和离子进口孔 9之间的水平距离。探针还可以构造成使得喷雾器尖端和离子进口孔9之 间的竖直距离也可以被改变。靶材10优选具有与液体毛细管3类似的尺 寸，靶材10放置在喷雾器尖端和离子进口孔9之间。靶材10可以优选地 通过微调节器级沿着x和y方向（在水平平面中）被操作，并且优选地相 对于源外壳11和离子进口孔9被保持在0-5kV的电位。离子进口锥8被 金属锥气体壳体12包围，金属锥气体壳体12优选地被通过气体进口13 进入的低的氮气流注满。进入源外壳的所有气体优选地通过源外壳排出口 14离开或被质谱仪的第一真空级15抽吸而通过离子进口孔9离开。

图2A示出省略雾化器或喷雾器1的本发明的实施例的示意性平面 图。靶材10定位成邻近质谱仪的第一真空级15。根据实施例，靶材10 可以包括0.8mm直径的不锈钢针，该不锈钢针优选地在超过5mm的距离 上包括直锥部。针优选地定位在距离离子进口孔9的水平距离X₁为5mm 处。针10优选地定位成使得探针轴线和靶材10之间的撞击点在圆锥面向 离子进口孔9的一侧上，如图2B所示。如图2B的俯视示意图中带箭头 线16所示，该位置产生优化的入射掠射角。图2B还示出根据优选实施 例的雾化器或探针2和靶材10的相对竖直位置，即，Z₁=9mm，Z₂=1.5mm。 雾化器或喷雾器2优选地保持在0V，靶材10优选地保持在2.2kV，离子 进口锥优选地保持在100V，锥气体壳体优选地保持在100V，加热器组件 和源外壳优选地保持为地电位。氮雾化器气体优选地被加压到7bar，氮 加热器气体流优选地被加压以传送1200L/hr，氮锥气体流优选地被加压 以传送150L/hr。

进行一系列测试以测试优选撞击器喷雾源、常规ESI离子源和常规 APCI离子源的相对灵敏度。

通过移除靶材10并将2.5kV电位直接施加到喷雾器尖端来构建常规 ESI离子源。所有其他电位和气体流保持如上所述。

通过用如在商用APCI离子源中使用的如图3所示的常规的加热雾化 器探针17代替雾化器或喷雾器2并增加电晕放电针18来构建APCI离子 源。如图3所示，电晕放电针18的尖端定位在距离X=7mm和Z=5.5mm 处。APCI离子源探针在550℃下操作，加热器气体处于流量为500L/hr 且未被加热，电晕放电针18设置在5μA的电流。所有其他设置如上所述。

测试溶液制备成由70/30乙腈/水组成并且包括磺磺胺间二甲氧嘧啶 （10pg/μL）、维拉帕米（10pg/μL）、红霉素（10pg/μL）、胆固醇（10ng/μL） 和环孢菌素（100pg/μL）。测试溶液在15μL/min流量下被注入到70/30 乙腈/水的0.6mL/min的载体液体流中，然后被三种不同的API离子源采 样。

图4示出利用常规电喷雾离子源、常规APCI离子源和根据优选实施 例的撞击器离子源针对五种测试分析物获得的相对信号强度。对于每种分 析物，针对质子化分子（[M+H]+）监测信号强度。但是，由于优选撞击 器喷雾的信号饱和，在[M+H]+离子的碳-13同位素上测量胆固醇信号。从 图中很清楚，尽管APCI离子源比ESI离子源具有某些优势（例如，对于 非极性分析物，例如胆固醇），但是ESI一般是这两种技术中更灵敏的。 还很明显，优选的撞击器喷雾源对于所有化合物类型比ESI或APCI离子 源产生显著更大的信号灵敏度。

在利用SACI电离技术的API离子源中，大面积靶材维持在升高的电 位以优化离子信号。图5示出改变靶材电位对用于优选撞击器喷雾源的产 生的离子信号的影响，其中先后利用0kV的靶材电位和2.2kV的靶材电 位分析相同的测试混合物。与SACI相反，很明显升高的靶材电位尽管有 利，但是对于电离过程不是必要的。相比之下，大面积SACI源将在相同 的试验条件下损失＞90%的离子信号（数据未示出）。

尽管不是必要的，但是升高的靶材电位仍然是有利的，并且具有改进 质谱数据的定性方面的结果。为说明这一点，图6A示出根据利用2.2kV 的靶材电位的优选实施例从撞击器离子源获得的质谱，图6B示出根据利 用0V的靶材电位的实施例从撞击器离子源获得的质谱，图6C示出利用 4kV的优化毛细管电位实从常规电喷雾源获得的质谱。使用根据优选实施 例的离子源获得的图6A和图6B中所示的质谱示出为比ESI产生更多分 析物离子，但是显著地升高的靶材电位还减小离子加合形成（[M+Na]+ 和[M+K]+）的敏感性，以使得质子化分子（[M+H]+）只对于图6A所示 的质谱是基峰。

进行试验，以比较根据优选实施例的撞击器离子源的灵敏度与SACI 型电离源的灵敏度。图7示出被使用的SACI离子源的示意图。通过用被 测量为大约30mm×15mm的0.15mm厚矩形锡片19代替撞击器针靶材 10来构造SACI离子源。片状靶材19相对于水平成约30°的角度并且定 位成使得雾化器或喷雾器2轴线和靶材19之间的交叉点在X=4mm和 Z=4mm处。SACI离子源在0V的雾化器或喷雾器电位和1kV的靶材电 位下最优。所有其他气体流和电压如上文针对优选撞击器喷雾源所述。

图8对比根据优选实施例利用SACI离子源和撞击器离子源获得的相 对信号强度。观察到，优选撞击器喷雾离子源通常比大面积SACI离子源 更灵敏x5至10倍。

想到其他实施例，其中可以通过将中心导线定位在液体毛细管3的孔 中来进一步改进优选撞击器离子源的性能。录像摄影显示出中心导线将聚 焦微滴流，以使得靶材可以被放置在焦点处以进一步增大微滴通量密度。 焦点的位置与优选实施例中使用的喷雾器尖端/靶材距离（1-2mm）相当。

如上所述，SACI离子源将液体流转变成蒸汽流，然后蒸汽流撞击大 面积靶材。对SACI的试验（Cristoni等人,J.Mass Spectrom.,2005,40, 1550）已经显示出由于气相中的中性分析物分子与大面积靶材的丰质子表 面的相互作用而产生电离。此外，在电离效率和1-4cm2范围内的靶材面 积之间存在线性关系。

与SACI相反，优选离子源使用流线型靶材以拦截高速液滴流，这导 致产生由二次微滴、气相中性物和离子组成的二次流。

进一步研究根据本发明的实施例的气动雾化器。雾化器包括具有 127μm内径和230μm外径的内液体毛细管。内液体毛细管由被加压到 7bar的内径330μm的气体毛细管围绕。

图9示出针对由90%水/10%甲醇和氮雾化气体组成的1ml/min液体 流从优选雾化器的相位多普勒测速（“PDA”）分析获得的典型数据。

在距离喷雾点5mm的轴向距离处（即，等于根据优选实施例的典型 雾化器/靶材距离）沿着喷雾径向地（探针轴线=0）扫描PDA采样点。图 9示出雾化器典型地产生具有在13-20μm范围内的索特平均直径（d32） 并且具有超过100ms-1的平均轴向速度的液体。

图9还示出非常高速度的微滴准直良好并且通常被限制在距离探针 轴线1mm半径内。

图10的上部轨迹对于上述优选气动雾化器和试验条件示出数据率 N/T（每单位时间的有效样品数量）的径向分布。该对数坐标图证明喷雾 准直良好，比被限定到距离探针轴线1mm半径内的总微滴质量大三分之 二。图10的下部轨迹示出来自例如常规SACI源中使用的加热雾化器的 等效N/T分布。加热雾化器由气动雾化器组成，该气动雾化器喷雾到具 有4mm直径孔的90mm长的圆柱管（管的温度=600℃）。在距离加热管 的出口端的轴向距离为7mm处获得该雾化器的N/T数据。重要的是注意 到，用于来自加热雾化器的更少检测微滴的N/T（d32通常为14μm，数 据未示出）通常比从根据优选实施例的气动雾化器获得的N/T小三个数 量级。这是由于液体的绝大部分质量在SACI型加热雾化器中被蒸发，导 致产生包含非常低残留微滴密度的蒸汽流。

相应地，已知SACI离子源应当理解为包括发射出主要为蒸汽的流动 的雾化器，因此SACI离子源应当被理解为不落入本发明的范围内。

参照图9和图10中表示出的数据，可以认为根据优选实施例的离子 源的物理模型由高速液滴对不是直接由源加热器加热的靶材的撞击支配。 这种撞击作用引起形成二次微滴，其中微滴破碎的特性由韦伯数We决 定，韦伯数We如下给出：

We=ρU2d/σ        (1)

其中，ρ是微滴密度，U是微滴速度，d是微滴直径，σ是微滴表面 张力。

如果认为水滴处于40℃、氮气环境处于100℃、d=18μm并且 U=50ms-1，则根据优选实施例的微滴获得We的值=640。已经示出（在 文献中）对于在260-400℃之间的温度，为撞击在加热钢靶材上，再雾化 水滴的数量随着在50-750范围内的We线性增加。We=750时，单一微 滴通常引起产生40个二级微滴。

因此，很明显，撞击器靶材导致显著的微滴破碎，以产生由带电微滴、 中性物、离子和团簇组成的二级流。

系统的撞击效率将很大程度上由斯托克斯数Sk控制，其中：

Sk=ρd2U/18μa         (2)

其中，ρ是微滴密度，d是微滴直径，U是微滴速度，μ是气体粘度， a是靶材的特征尺寸。

撞击效率随着Sk增大而增加，因此有利于高速的大微滴和小靶材直 径。因此，对于上述优选的撞击器喷雾条件，期望Sk具有30的典型值。

对于Sk>>1，微滴很有可能从流线偏离，并且撞击在靶材上。相反， 如果靶材尺寸增大一个数量级，并且速度减小一个数量级（即，与SACI 类似的条件），则Sk的值下降到0.3，在该点，微滴更有可能跟随围绕靶 材的气体流。还已知撞击效率随着雷诺数减小而增大，这将进一步有利于 根据优选实施例的撞击器喷雾靶材的流线型特性。

二次流的形状将受到气体流动力学的控制，并且具体地受到雷诺数 （Re）控制，雷诺数表示为：

Re=ρvL/μ          (3)

其中，ρ是气体密度，v是气体速度，μ是气体粘度，L是靶材的重 要尺寸。

利用1mm直径撞击器靶材、50ms-1的气体速度和处于100℃的氮气， 将获得Re=3000的值。

在2000-3000范围内的雷诺数一般地对应于从层流到湍流的过渡区 域。因此，期望从靶材的尾流（wake）包含一定湍流和涡流特征。但是， 不希望有将阻碍在离子进口锥处对离子或微滴进行采样的严重湍流。

通过摇摆雾化器以将撞击区域从杆状靶材的一侧移动到另一侧来调 节优选的离子源。这导致改变成尾流，通过二级微滴流的强光照射可以可 视化地观察到该尾流。因此还想到其他实施例，其中可以利用居中的撞击 区域和非对称靶材横截面（例如，机翼（的轮廓））实现类似的源优化。

尽管参照优选实施例描述本发明，但是对于本领域技术人员来说很明 显，在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围情况下，可以在形式和细 节方面作出各种改变。