CN121311958A - 用于质谱仪中离子注入的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在一些示例中，一种装置可包括：离子注入器，其包括离子注入器入口和离子注入器出口；以及设置在所述离子注入器出口处的毛细管帽。所述毛细管帽可包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后的气体湍流并改善离子信号稳定性。

Description

用于质谱仪中离子注入的装置和方法

背景技术

在某些情况下，质谱仪（MS）中的电离技术在大气压下操作。为了检测和测量来自大气压（AP）离子源的离子物种的质荷比，在大气压下生成的离子可能需要从大气压传输到MS系统的真空区域。在某些情况下，MS系统通常可包括离子注入器、电动离子漏斗和离子去溶剂部件。

附图说明

本公开文本的特征通过示例而非限制的方式在以下附图中示出，在这些附图中相同数字表示相同元件，其中：

图1示出了根据本公开文本的示例的大气压至真空接口；

图2示出了根据本公开文本的示例的单孔电阻式玻璃毛细管（以下也称为“离子注入器”）；

图3示出了根据本公开文本的示例的圆形毛细管帽和狭缝出口毛细管帽；

图4示出了根据本公开文本的示例的狭缝、十字形、星形和枪口制退器形出口毛细管帽的示例；

图5示出了根据本公开文本的示例的狭缝出口毛细管帽的各种视图；

图6示出了根据本公开文本的示例的枪口制退器形出口毛细管帽的第一部分的截面；

图7示出了根据本公开文本的示例的枪口制退器形出口毛细管帽的第二部分的各种视图；

图8示出了根据本公开文本的示例的具有入口圆形孔和狭缝出口毛细管帽的离子注入器的各种视图，包括截面视图；

图9示出了根据本公开文本的示例的具有入口圆形孔、枪口形出口毛细管帽和入口帽的离子注入器的各种视图，包括截面视图；

图10示出了根据本公开文本的示例的未对离子信号应用平滑函数的多反应离子监测（MRM）离子信号稳定性；

图11A示出了根据本公开文本的示例的图5的狭缝出口毛细管帽以及离子注入器连同离子漏斗和离子去溶剂部件（包括大气压至真空接口）的截面；

图11B示出了根据本公开文本的示例的包括入口帽和离子去溶剂部件的图5的狭缝帽的截面的另一个示例；

图12示出了根据本公开文本的示例的基于截面积排序的单孔（SB）毛细管（以下也称为“离子注入器”）和各种出口帽形状的截面积；

图13示出了根据本公开文本的示例的在各种出口帽形状和大小的情况下的离子漏斗压力以及作为气体流动受限指示的离子漏斗压力降低；

图14示出了根据本公开文本的示例的从狭缝出口毛细管帽相对于离子注入器轴线的各种旋转角度的离子信号相对标准偏差（RSD）分析获得的主成分分析（PCA）得分图；

图15示出了根据本公开文本的示例的从各种入口构型的离子信号RSD分析获得的PCA得分图；并且

图16示出了根据本公开文本的示例的针对农药混合物获得的液相色谱-质谱/质谱（LC/MS/MS）MRM色谱峰面积与RSD的关系。

具体实施方式

为了简单和说明的目的，本公开文本主要通过参考示例来描述。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开文本的透彻理解。然而，将显而易见的是，可以实践本公开文本而不限于这些具体细节。在其他实例中，一些方法和结构没有被详细描述，以避免不必要地模糊本公开文本。

在整个本公开文本中，术语“一”和“一个”旨在表示特定元件中的至少一个。如本文所用，术语“包括”意指包括但不限于，术语“包含”意指包含但不限于。术语“基于”意味着至少部分地基于。术语“入口”是指离子注入器的入口端，来自离子源的气体分子和离子由此处进入离子注入器。术语“出口”是指离子注入器的出口端，气体分子和离子由此处从离子注入器排出到MS。

本文公开了用于质谱仪（MS）中离子注入的装置及方法。

关于本文公开的装置和方法，如本文所公开，MS中的电离技术在大气压下操作。为了在大气压（AP）离子源下实现尽可能高的灵敏度，在大气压下产生的离子可以从大气压传输到MS系统的真空区域，例如使用圆形孔离子注入毛细管或孔口。通常，这些离子注入毛细管和孔口可以通过传导限制、差动泵浦离子光学器件和接口与MS的主要真空级分离。

在一些示例中，用于高气体流量进入MS系统的大气压至真空接口之一包括电动离子漏斗。离子漏斗接口的一个优点是其能够高效地收集和引导离子。

关于大气压至真空接口，在某些情况下，可以通过使用更宽孔径的离子注入毛细管来增加离子通量，从而提高配备离子漏斗的MS系统的灵敏度。就此而言，为了利用更宽孔径的毛细管，控制中性气体流进入离子漏斗以实现更高效的抽运和稳定的离子束在技术上可能具有挑战性。

为了解决上述技术挑战，在某些情况下，可以使用长狭缝离子注入器与离子漏斗接口结合，以实现MS系统的更高离子通量和改进的抽运效率。然而，这种离子注入器可能无法解决离子信号稳定性问题。此外，加工这种离子注入器的制造过程在技术上可能具有挑战性。

本文公开的装置和方法通过使用圆形孔毛细管（例如，本文公开的“离子注入器”）实现从大气压到MS系统真空的离子注入，从而解决了上述技术挑战。在一个示例中，离子注入器可包括内直径为1.2 mm、长度为90 mm以及宽度为0.6 mm的狭缝毛细管帽。其他具有不同狭缝宽度以及十字形、星形和枪口制退器形毛细管帽的离子注入器也可以与不同毛细管内直径配合使用。

本文公开的装置和方法减少了大气压至真空接口（如离子漏斗）中的气体湍流和回流。这使得离子信号的重复性和精确性得到了提高，从而降低了MS检测限。

对于本文公开的装置和方法，出口毛细管帽可以与离子注入器分开制造，从而提供所需的出口图案以扰乱进入离子漏斗的中性气体射流。

根据本文公开的示例，一种装置可包括：离子注入器，其包括离子注入器入口和离子注入器出口；以及设置在所述离子注入器出口处的毛细管帽。所述毛细管帽可包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后（例如，在离子漏斗中）的气体湍流并改善离子信号稳定性。

在一些示例中，所述毛细管帽出口开口可包括矩形狭缝形状。就此而言，所述矩形狭缝形状可包括弯曲部。或者，毛细管帽出口开口可包括十字狭缝形状、星形狭缝形状或枪口制退器构型（muzzle brake configuration），所述枪口制退器构型包括圆形毛细管帽出口开口和沿毛细管帽侧壁的细长狭缝。所述毛细管帽可包括在所述毛细管帽的出口面的相对侧上的凹形区域。

根据本文公开的示例，毛细管帽可设置在离子注入器的离子注入器出口处，所述离子注入器包括离子注入器入口和所述离子注入器出口。所述毛细管帽可包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后（例如，在离子漏斗中）的气体湍流并改善离子信号稳定性。

根据本文公开的示例，一种方法可包括将毛细管帽附接到离子注入器上，所述离子注入器包括离子注入器入口和所述离子注入器出口。所述毛细管帽可包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后（例如，在离子漏斗中）的气体湍流并改善离子信号稳定性。

图1示出了根据本公开文本的示例的大气压至真空接口100。

参考图1，大气压至真空接口100可包括离子注入器102，所述离子注入器包括入口毛细管帽104和出口毛细管帽106。大气压至真空接口100可进一步包括离子漏斗108，其中大气压至真空接口100的压力区通过差动抽运分为大气压区110、低真空区112和高真空区114。

图2示出了根据本公开文本的示例的单孔电阻式玻璃毛细管（以下也称为“离子注入器”）。

参考图2，在200、202、204和206处分别示出了包括端视图、侧视图、截面视图和放大截面视图的视图。在所示示例中，离子注入器102可包括孔220，其内直径为1.2 mm，如208处所示，长度为90 mm，如210处所示。此外，图2的示例中还示出了各种附加尺寸。然而，根据需要，也可以使用具有不同尺寸的其他离子注入器，配合不同的毛细管内直径。可以对区域212进行火焰抛光，以平滑磨削表面并融合尖锐边缘。离子注入器102的端部可以如214处所示进行镀层，其中电阻表面在216处被移除。

图3示出了根据本公开文本的示例的圆形毛细管帽和狭缝出口毛细管帽。

参考图3，示出了圆形毛细管帽300，其包括例如4.2 mm的入口内直径（ID）。然而，根据需要，圆形毛细管帽300也可以使用其他ID。此外，示出了矩形狭缝出口毛细管帽302，其包括例如4.0 mm的狭缝长度和例如0.6 mm的狭缝宽度。然而，根据需要，矩形狭缝出口毛细管帽302也可以使用其他狭缝长度和宽度。在图3的示例中，所述矩形狭缝可包括如304处所示的弯曲部。所示矩形狭缝出口毛细管帽302的构型可扰乱通过恒定直径离子注入器102并流出矩形狭缝出口毛细管帽302的气体。

圆形毛细管帽300可用于离子注入器的入口和出口。然而，如本文所公开，可在离子注入器出口处使用狭缝（或其他形状）毛细管帽，从而与使用圆形毛细管帽相比，可获得更稳定的离子信号。离子注入器构型的一个示例可包括圆形孔入口毛细管帽、单孔离子注入器和圆形孔出口毛细管帽。离子注入器构型的另一个示例可包括圆形孔入口毛细管帽、单孔离子注入器和形状化（例如，狭缝形、十字形、星形或枪口制退器形）出口毛细管帽，从而如本文所公开提高离子信号稳定性。

图4示出了根据本公开文本的示例的狭缝、十字形、星形和枪口制退器形出口毛细管帽的示例。

参考图4，与图3的示例相比，矩形狭缝出口毛细管帽示于400和402处，并包括不同的狭缝宽度，例如0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm。十字形出口毛细管帽示于404处，星形出口毛细管帽示于406处，枪口制退器形出口毛细管帽示于408处。示于404处的十字形出口毛细管帽可包括如410处所示的两个正交狭缝。示于406处的星形出口毛细管帽可包括如412处所示的以星形图案布置的三个狭缝。此外，示于408处的枪口制退器形出口毛细管帽可分别包括第一部分418和第二部分420。第一部分418在图6中进一步详细示出。第二部分420在图7中进一步详细示出，并可包括圆形毛细管帽出口开口414和沿毛细管帽侧壁的细长狭缝416。就此而言，气体可从圆形毛细管帽出口开口414以及细长狭缝416排出。

图5示出了根据本公开文本的示例的狭缝出口毛细管帽的各种视图。

参考图5，示出了矩形狭缝出口毛细管帽500的另一个示例。就此而言，包括顶视图、前视图、侧视图、底视图和等轴测图的各种视图分别显示在502、504、506、508和510处。矩形狭缝出口毛细管帽500可在毛细管帽出口面514的相对侧包括凹形区域512。参考图2和图5，凹形区域512可在离子注入器102的出口面218与毛细管帽的内部区域516之间提供间隙。就此而言，由于矩形狭缝出口毛细管帽500的狭缝520（其可包括0.3 mm至0.8 mm范围内的尺寸）可能部分覆盖孔220（其可包括约1.2 mm的尺寸），凹形区域512提供的间隙可允许气体无阻碍地流过离子注入器102的孔220，进一步通过凹形区域512，并从狭缝520排出。在其他示例中，矩形狭缝出口毛细管帽500的狭缝520可包括等于或大于孔220的直径的宽度尺寸。此外，矩形狭缝出口毛细管帽500可包括开口518，例如用于通过倾斜线圈弹簧向离子注入器102提供电接触。

在一些示例中，矩形狭缝出口毛细管帽500的狭缝520（以及本文公开的其他狭缝和出口开口）可沿离子注入器102的孔220的中心纵向轴线居中定位。在其他示例中，矩形狭缝出口毛细管帽500的狭缝520（以及本文公开的其他狭缝和出口开口）可相对于离子注入器102的孔220的中心纵向轴线径向偏移。在其他示例中，如图1所示，离子注入器102可相对于离子漏斗118的中心纵向轴线116设置于径向偏移的位置。这种偏移可最小化大液滴从离子注入器102排出、直接通过离子漏斗118并到达下游离子光学器件的可能性，从而最小化光学器件污染和化学噪声。

图6示出了根据本公开文本的示例的枪口制退器形出口毛细管帽的第一部分的截面；

参考图6，关于枪口制退器形出口毛细管帽408的第一部分418，显示了类似于图5中截面B-B的截面图。枪口制退器形出口毛细管帽408的第一部分418可在毛细管帽的面604的相对侧包括一个弯曲空间602。参考图2和图6，弯曲空间602可在离子注入器102的出口面218与第一部分418的内部区域606之间提供间隙。第一部分418可包括开口608，类似于矩形狭缝出口毛细管帽500的开口518，用于通过倾斜线圈弹簧向离子注入器102提供电接触。此外，第一部分418可在面604处包括一个凹陷区610。

图7示出了根据本公开文本的示例的枪口制退器形出口毛细管帽的第二部分的各种视图。

参考图4和图7，如本文所公开，枪口制退器形出口毛细管帽的第二部分420（显示在408处）可包括一个圆形毛细管帽出口开口414和沿第二部分420的侧壁的细长狭缝416。细长狭缝416可提供弹簧力作用以抓取枪口制退器形出口毛细管帽的第一部分418（显示在408处），以及用于气体释放的开口。就此而言，显示了第二部分420的各种视图，包括顶视图、侧视图、底视图以及第一和第二等轴测视图，分别显示在700、702、704、706和708处。第二部分420可在出口面712的相对侧包括洞穴形区域710。参考图6和图7，洞穴形区域710可在面604（例如，通过凹陷区610）与第二部分420的内部区域714之间提供间隙。参考图6、图7和图9，显示了由凹陷区610和内部区域714定义的间隙906，其中第一部分418和第二部分420分别处于接合构型。间隙906可进一步由分离凹陷区610和内部区域714的间隔件716定义。

图8示出了根据本公开文本的示例的具有入口圆形孔和狭缝出口毛细管帽的离子注入器的各种视图，包括截面视图。

参考图8，离子注入器102的一个示例可包括一个内直径（ID）为1.2 mm的毛细管，其带有ID为2.0 mm的入口毛细管帽104。离子注入器102可进一步包括出口毛细管帽106，其可包括狭缝出口毛细管帽。离子注入器102的左侧视图、右侧视图、顶视图、两个底视图和等轴测视图分别显示在800、802、804、806、808和810处。

图9示出了根据本公开文本的示例的具有入口圆形孔、枪口形出口毛细管帽和入口帽的离子注入器的各种视图，包括截面视图。

参考图9，离子注入器102的另一个示例可包括一个内直径（ID）为1.2 mm的毛细管，其带有ID为2.0 mm的入口毛细管帽104。离子注入器102可进一步包括出口毛细管帽106，所述出口毛细管帽可包括枪口制退器形出口毛细管帽的第一部分418和第二部分420（显示在408处）。离子注入器102的左侧视图、等轴测视图和截面视图分别显示在900、902和904处。

图10示出了根据本公开文本的示例的未对离子信号应用平滑函数的多反应离子监测（MRM）离子信号稳定性；

参考图10，在1000处，展示了在驻留时间 = 0.5 ms的情况下，使用内直径为1.2mm的毛细管、出口帽圆孔（R = 4.2 mm）以及狭缝（W = 0.6 mm），向大气压力（AP）离子源输送恒定的标定物浓度的恒定液体流时的MRM离子信号稳定性。MRM离子信号稳定性是在未对离子信号应用平滑处理的情况下确定的。MRM离子信号稳定性显示，狭缝出口毛细管帽比圆形孔出口毛细管帽具有更高的稳定性。就此而言，狭缝出口毛细管帽302的特征尺寸（例如，狭缝宽度）导致超音速膨胀比圆形孔出口帽更快地稳定，从而在离子注入器102下游的离子漏斗中产生更稳定的离子信号。

图11A示出了根据本公开文本的示例的图5的狭缝出口毛细管帽以及离子注入器连同离子漏斗和离子去溶剂部件（包括大气压至真空接口）的截面。

参考图11A，图5的狭缝出口毛细管帽和1.2 mm离子注入器的截面在1100处显示。图11A的示例还显示了离子漏斗1102和离子去溶剂部件1104，包括大气压至真空接口，例如图1的大气压至真空接口100。

图11B示出了根据本公开文本的示例的包括入口帽和离子去溶剂部件的图5的狭缝帽的截面的另一个示例。

参考图11B，图5的狭缝帽截面的另一个示例在1106处显示，包括2 mm内直径（ID）入口毛细管帽。图11B的示例进一步显示了离子去溶剂部件1108。

图12示出了根据本公开文本的示例的基于截面积排序的单孔（SB）毛细管（本文中也称为“离子注入器”）和各种出口帽形状的截面积。

参考图12，显示了SB毛细管和各种出口帽形状的截面积。就此而言，如图所示，狭缝宽度（W）为0.3 mm且截面小于SB毛细管内径1.2 mm会限制气体流动。通过限制进入离子漏斗的气体流动或使用更高的抽运能力来降低离子漏斗压力，也可以提高离子信号稳定性。就此而言，图12的数据显示，除狭缝宽（W）= 0.3 mm外，所有形状化出口毛细管帽的截面积均大于SB毛细管内径= 1.2 mm的截面积，并且不会导致气体流动受限，如果考虑离子漏斗压力的降低，则无法提高离子信号稳定性。

图13示出了根据本公开文本的示例的在各种出口帽形状和大小的情况下的离子漏斗压力以及作为气体流动受限指示的离子漏斗压力降低。

参考图13，显示了使用1.2 mm离子注入器内直径（ID）在各种出口帽形状下的离子漏斗压力。就此而言，图13的表格显示了狭缝宽度（W）= 0.3 mm时作为气体流动受限指示的离子漏斗压力的降低。图13的数据表明，通过使用形状化出口毛细管帽（狭缝宽度（W）= 0.3mm除外），可以实现离子信号稳定性的改善，这与气体流动减少或使用更高抽运能力相对。

图14示出了根据本公开文本的示例的从狭缝出口毛细管帽相对于离子注入器轴线的各种旋转角度的离子信号相对标准偏差（RSD）分析获得的主成分分析（PCA）得分图。

参考图14，在1400处显示了从狭缝出口毛细管帽相对于离子注入器轴线的各种旋转角度的离子信号RSD分析获得的PCA得分图。就此而言，负得分表示离子信号RSD的改善。数据的主要方差沿着PC1轴线。此外，如1402处所示，狭缝出口毛细管帽的不同旋转角度对离子信号RSD的影响最小，如PCA得分图1400所示。

图15示出了根据本公开文本的示例的从各种入口构型的离子信号RSD分析获得的PCA得分图，其中，负得分表示离子信号RSD的改善。

参考图15，在1500处显示了从安装在离子注入毛细管102出口处的各种毛细管帽的离子信号RSD分析获得的PCA得分图。就此而言，负得分表示离子信号RSD的改善。此外，在1502处显示了不同类型的毛细管帽。所有形状化出口毛细管帽在相似的离子漏斗压力下因提供更好的离子信号RSD而优于圆形出口毛细管帽。在形状化出口毛细管帽中，宽度（W）=0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm和0.7 mm的狭缝出口毛细管帽以及十字形出口毛细管帽比宽度（W）= 0.8 mm和0.9 mm的狭缝出口毛细管帽以及星形出口毛细管帽产生更好的离子信号RSD。

图16示出了根据本公开文本的示例的针对农药混合物获得的液相色谱-质谱/质谱（LC/MS/MS）MRM色谱峰面积与RSD的关系。

参考图16，在1600处显示了在极短MRM驻留时间 = 0.5 ms下针对农药混合物获得的LC/MS/MS MRM色谱峰面积与RSD的关系。驻留时间可代表离子束被采样以进行定量测量的持续时间。色谱峰面积RSD可基于农药混合物的10次重复进样确定，其中每种农药具有相等浓度。该混合物中的农药可覆盖广泛的面积响应范围（由于其不同的电离效率），对应于到达检测器的不同离子数量。短驻留时间和低色谱峰面积均可导致更大的RSD。与圆形出口毛细管帽相比，使用狭缝出口毛细管帽可为该农药混合物中的农药产生更窄的峰面积RSD分布。因此，离子注入器102的出口处的狭缝出口毛细管帽的峰面积RSD的改善可能表明进入离子漏斗的离子束经历的波动和噪声更少。

本文描述和图示的是一个示例及其一些变体。本文使用的术语、描述和附图仅通过说明的方式阐述，并不意味着限制。在主题的精神和范围内，许多变化是可能的，其旨在由以下权利要求及其等同物定义，其中除非另有说明，否则所有术语均以其最广泛的合理含义表示。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

离子注入器，其包括离子注入器入口和离子注入器出口；以及

设置在所述离子注入器出口处的毛细管帽，

其中，所述毛细管帽包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后的气体湍流并改善离子信号稳定性。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述毛细管帽包括在所述毛细管帽的出口面的相对侧上的凹形区域。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述毛细管帽出口开口包括矩形狭缝形状。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述矩形狭缝形状包括弯曲部。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述毛细管帽出口开口包括十字狭缝形状。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述毛细管帽出口开口包括星形狭缝形状。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述毛细管帽包括枪口制退器构型，所述枪口制退器构型包括圆形毛细管帽出口开口和沿所述毛细管帽的侧壁的细长狭缝。

8.一种装置，包括：

能够设置在离子注入器的离子注入器出口处的毛细管帽，所述离子注入器包括离子注入器入口和所述离子注入器出口，

其中，所述毛细管帽包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后的气体湍流并改善离子信号稳定性。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管帽出口开口包括矩形狭缝形状。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述矩形狭缝形状包括弯曲部。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管帽出口开口包括十字狭缝形状。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管帽出口开口包括星形狭缝形状。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管帽包括枪口制退器构型，所述枪口制退器构型包括圆形毛细管帽出口开口和沿所述毛细管帽的侧壁的细长狭缝。

14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述毛细管帽包括在所述毛细管帽的出口面的相对侧上的凹形区域。

15.一种方法，包括：

将毛细管帽附接到离子注入器的离子注入器出口，所述离子注入器包括离子注入器入口和所述离子注入器出口，

其中，所述毛细管帽包括毛细管帽出口开口，所述毛细管帽出口开口的形状和大小被设计为减少所述离子注入器出口后的气体湍流并改善离子信号稳定性。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述毛细管帽出口开口包括矩形狭缝形状。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述毛细管帽出口开口的宽度小于所述离子注入器的孔的孔直径。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述毛细管帽出口开口相对于所述离子注入器的孔的中心纵向轴线径向偏移。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述毛细管帽出口开口包括十字狭缝形状。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述毛细管帽包括枪口制退器构型，所述枪口制退器构型包括圆形毛细管帽出口开口和沿所述毛细管帽的侧壁的细长狭缝。