用于转移离子以供分析的系统和方法

专利名称：用于转移离子以供分析的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及转移离子以供分析的系统和方法。政府支持美国政府具有本发明的已付费授权书，并在有限情况下有权要求专利所有权人依据运输安全实验室(Transportation Security Laboratory)所签订的合同号2007-ST-069-TSL001和海军研究局(Office of Naval Research)所签订的合同号 N000140510454中的条款所提供的合理条款对其它部门授权。
背景技术：
在分析化学领域中，对于在常压条件下直接取样的需求日益增加，而这引起了多种常压电离源的开发。常压电离源在常压环境(现场)中将分析物电离，而不需要固有的样品制备过程。这一方法的优势在于实时、现场检测，可以节省时间和资源。使用常压电离源分析样品中离子的典型布置是配置成将电离源与质量分析器 (例如质谱仪(mass spectrometer,MS))分开。质谱仪须足够接近电离源(相距约2厘米或更小)，以致产生的离子能够转移到质谱仪的进口。由于必须维持进行离子质量分析的歧管内部的真空，所以MS进口的孔口通常小于700微米。在产生的离子远离MS进口(相距约5厘米)的应用中，很难(如果有可能发生的话)将离子转移到质量分析器。因此，常压电离源与质量分析器之间的距离限制了这些常压电离源的应用。此外，电离源在大气压力下产生的离子(例如电喷雾电离(electrospray ionization, ESI)或角军吸电喷雾电离(desorption electrospray ionization, DESI)),33S 具有宽广的角分散。孔口较小的MS进口的离子摄入效率相对较低。在需要同时分析或监测较大面积内的分析物的应用中，特别需要将产生的离子高效地转移到MS进口中。亟需有助于将离子从常压电离源转移到质谱仪进口的装置。

发明内容
本发明提供使用气流将离子带入有限空间并产生层流气流的系统，所产生的层流气流聚焦所述离子，并有助于将这些离子从常压电离源转移到如质谱仪等离子分析装置的进口。本发明系统能够在较长距离(例如至少约5厘米)内转移离子，而且还能够在较大面积(例如至少约4厘米X3厘米或10厘米X 10厘米面积)内取样。举个例子，本发明系统能够在常压电离源的位置与离子分析装置的进口不够接近的条件下，使用常压电离源来收集从样品产生的离子。
本发明一方面提供一种样品分析系统，其包括电离源，用于在约大气压力下的区域中将样品分子转化成气相离子；离子分析装置；和离子转移部件，其可操作性地耦接至气流产生装置，其中所述气流产生装置产生层流气流，用以将气相离子经由所述离子转移部件转移到离子检测装置的进口。使用常压电离源的典型现有技术布置将电离源定位成与离子分析装置的进口相距约2厘米或更小距离。电离源与离子分析装置进口之间的距离大于2厘米，导致离子扩散到大气中并且使信号劣化，即，离子到离子分析装置的转移效率极低或无转移。本发明的系统和方法产生层流气流，由此能够在较长距离内，例如至少约5厘米、至少约10厘米、至少约20厘米、至少约50厘米、至少约100厘米、至少约500厘米、至少约1米、至少约3米、 至少约5米、至少约10米的距离，以及其它距离内，高效地转移离子，而不会显著损失信号强度。在某些实施例中，离子分析装置是质谱仪。在其它实施例中，离子分析装置是离子迁移谱仪。在其它实施例中，离子分析装置是简单的离子检测器，例如法拉第杯(Faraday cup)。在某些实施例中，在转移后检测或分析离子。在其它实施例中，在转移后再收集离子。在某些实施例中，气流产生装置是具有高流速和低压缩比的泵，例如真空清扫系统(house vacuum)，其连接至离子转移部件，产生层流气流来将离子转移到离子分析装置的进口。在其它实施例中，气流产生装置是常压电离源。举个例子，用于解吸电喷雾电离 (DESI)的电离源所产生的气流足以产生通过离子转移部件的层流，并由此产生层流气流， 以将气相离子转移到离子分析装置的进口。在其它实施例中，气流产生装置是所述泵与常压电离源气体喷流的组合。这一系统可进一步包括电聚焦透镜装置(electric focusing lens device)，其可操作性地耦接至离子转移部件，从而有助于将离子转移到离子分析装置的进口。这一系统可进一步包括空气动力透镜装置(air dynamic lens device)，其可操作性地耦接至离子转移部件，从而有助于将重离子聚焦于离子分析装置的进口。这一系统可进一步包括电水动力透镜装置(electro-hydrodynamic lens device)，其可操作性地耦接至离子转移部件。这一系统可进一步包括至少一个连接至离子检测装置的真空泵。这一系统可进一步包括计算机，其可操作性地连接至本系统。这一系统可进一步包括工作台(stage)，用于固持样品。在某些实施例中，离子转移部件与介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)耦合，以增加离子转移效率。在其它实施例中，离子转移部件的远端包括多个进口，用以将来自多个位置的离子转移到离子分析装置的进口。离子转移部件可以是任何连接器，其内能够产生层流，并且有助于在不显著损失离子电流的情况下转移离子。示范性离子转移部件是管子。所述管子可由例如金属或玻璃等刚性材料构成，或者可由例如TYGON管材等柔性材料构成。离子转移部件可以是任何形状，只要其形状能够使其内产生层流，并且有助于在不显著损失离子电流的情况下转移离子即可。举个例子，离子转移部件可呈直线形。或者，离子转移部件可以是弯曲的或者具有多处弯曲。电离源可借助能够在实质上大气压力下将样品分子转化成气相离子的任何技术操作，即大气压力电离源或常压电离源。示范性技术包括电喷雾电离、纳米级电喷雾电离(nano-electrospray ionization) > XHiB^tl ^(atmospheric pressure matrix-assisted laser desorption ionization)、大气 J￡ 力 U 学电离 (atmospheric pressure chemical ionization)、解吸电喷雾电离、大气压力介质阻挡放电电离、大气压力低温等离子体解吸电离(atmospheric pressure low temperature plasma desorption ionization)和电喷雾辅助激光解吸电离。从电离源产生的离子经由离子转移部件传送，并转移到离子分析装置的进口。示范性离子分析装置包括质谱仪和离子迁移谱仪。示范性质谱仪包括离子阱、四极滤质器 (quadrupole filter) > ^if 0^^^11 ^! ^!^ (ion cyclotron resonance trap)和轨道阱(orbitrap)质谱仪。本发明系统可分析任何状态的样品，例如固相、液相或气相样品。所述样品可以是任何来源，例如生物来源或非生物来源。示范性样品包括工业工件、原料药或成分、食品或食品成分、毒素、药物、炸药、细菌，或者生物组织或流体。本发明另一方面提供一种样品分析方法，其包括在约大气压力下的区域中电离样品以将样品分子转化成气相离子；提供耦接至气流产生装置的离子转移部件，以产生层流气流，从而将所述气相离子转移到离子分析装置的进口 ；以及分析离子。


图1示意性显示用于将来自常压电离源的离子转移到离子分析装置的进口的系统的一个实施例。图2是显示供长距离离子转移的布置的图片。图3是在玻璃上经由LTP氦解吸/电离并使用柔性TYGON管材转移4英尺的1. 7 微克可卡因(cocaine)的串联质谱。图4是在玻璃上经由LTP氦解吸/电离并使用柔性TYGON管材转移4英尺的2微克TNT的串联质谱。图5是在玻璃上经由LTP氦解吸/电离并在不锈钢3/4〃直径导管中转移10英尺的1.7微克可卡因的串联质谱。图6是显示使用LTP探针进行大面积分析的长距离离子转移布置的图片。图7A是显示LTP大面积取样斗(面积=33平方厘米)的图片，所述取样斗具有 4个LTP探针，与长距离离子转移仪器耦接。图7B是显示当取样斗在载玻片上2微克TNT 的上方时转移4英尺的m/z为2 的总离子计时图。图8示意性显示由多个位置的样品产生的离子可同时或依序转移到质谱仪以供分析。图9示意性显示可通过实施来聚焦带电粒子朝向转移管材中央的管式电动透镜。图10示意性显示电-空气动力透镜系统，其可通过实施来使用空气动力作用聚焦较重粒子，并使用电场聚焦带电粒子朝向中央。图IlA是介质阻挡放电(DBD)管材的简图。图IlB是显示用双股喇叭线制造的 DBD管材的图片。图IlC是显示在管材内部施加高电压交流电(AC)的DBD的图片。图12示意性显示解吸电喷雾电离(DESI)长距离传输布置。图13是显示TIC随取样距离的变化的曲线图。若丹明(rhodamine)墨点用作分析物。据观察，在40毫米以外信号下降速率降低。在漂移管下游40毫米与50毫米之间可产生充分发展的层流。图14是显示CFD模拟的图，其指示充分发展的层流在约55毫米处获得。图15是使用图12中所示的装置在距离MS进口 10厘米处的载玻片上检测的10 皮克可卡因的质谱。MS/MS谱图显示于插图中。使用LTQ(赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific))质谱仪。图16是不同漂移管的一组质谱，显示了分析物相对强度对比背景信号强度的差异。质谱是使用图12中所示的装置和LTQ质谱仪收集。图17是利用DESI源的大面积取样配置的简图。图18是显示利用大面积取样DESI源进行的实验的配置的图。图19是对应于大面积取样DESI源的位置1的质谱。图20是显示利用呈DESI配置的各转移管所获得的峰值信号强度的曲线图。图21是显示利用DESI聚焦源在Mini 10仪器上检测的可卡因的一组质谱。图22是显示经由离子转移部件和气流产生装置耦接的具有不连续大气压力界面的LTP探针和小型质谱仪的简图。图23显示使用LTP/Mini 10. 5在不同基质中得到的三聚氰胺的典型谱图。样品 A)含300纳克/毫升三聚氰胺的水/甲醇(体积比为1 1)的质谱，装载体积为3微升 (三聚氰胺绝对量为0. 9纳克)。B)含5微克/毫升三聚氰胺的全脂乳，装载体积3微升 (三聚氰胺绝对量15纳克)。C)含5微克/克三聚氰胺的奶粉，装载体积5毫克(三聚氰胺绝对量25纳克)。D)含1微克/毫升三聚氰胺的合成尿，装载体积3微升(三聚氰胺绝对量3纳克)。插图质子化分子的MS/MS产物离子谱图。
具体实施例方式使用常压电离源的典型现有技术布置将电离源定位成与离子分析装置的进口相距约2厘米或更小距离。离子到质谱仪进口中的转移依赖于在质谱仪真空影响下进入进口中的气流以及周围区域中的电场。由于进口(其在大气与真空歧管之间充当流导阻挡)的流导率较低，致使气流通常较小。电离源与离子分析装置进口之间的距离大于2厘米，导致离子扩散到大气中并且使信号劣化，即，离子到离子分析装置中的转移效率极低或无转移。 本发明的系统和方法产生层流气流，由此能够在较长距离内，例如至少约5厘米、至少约10 厘米、至少约20厘米、至少约50厘米、至少约100厘米、至少约500厘米、至少约1米、至少约3米、至少约5米、至少约10米的距离，以及其它距离内，高效地转移离子，而不会显著损失信号强度。本发明的系统和方法可用于在仪器和所检测目标处于不同位置是十分重要的情形下进行化学分析。举个例子，本文中的系统和方法可用于在例如机场安全检查点或路旁检查点等安全检查点进行筛查，探询行李表面以检测异物。本发明一方面提供一种样品分析系统，其包括电离源，用于在约大气压力下的区域中将样品分子转化成气相离子；离子分析装置；和离子转移部件，其可操作性地耦接至气流产生装置，其中所述气流产生装置产生层流气流，用以将气相离子转移到离子分析装置的进口。
本发明系统提供增大的流量，以便将来自较远距离样品的离子带至离子分析装置的进口，例如质谱仪的进口。传输装置中使用的基本原理是使用气流将气体和离子引导到离子转移部件中，并在离子转移部件内部形成层流，由此在经由离子转移部件转移气体和离子的同时，使离子远离器壁。在沿离子转移部件下游的某一点处对相关分析物离子取样。 通过平衡输入气流与输出气流可实现层流。由此避免再循环区和/或湍流。因此，产生的层流能够在较长距离内高效传输离子或在较大面积内对离子取样。本发明系统还提供增大的流量以便将来自离子源的离子带至小型质谱仪的进口， 这一小型质谱仪具有较小的泵送系统，并且在进口处具有削弱的气体摄入能力。由与离子转移部件连接的小型样品泵提供的另一气流有助于将来自常压电离源的离子转移到小型质谱仪的进口附近。因此，在质谱分析中，相关分析物的离子强度增加。如图1中所示，使用离子转移部件(例如内径为约10毫米或更大的管子)将来自电离源的离子转移到离子分析装置(例如质谱仪)的进口。与离子分析装置进口的孔口相比较大的离子转移部件孔口有助于收集在较大空间中，例如在面积较大的表面上产生的样品离子。离子转移部件具有较大流导率，可使带有离子的气体以较快的流速移向离子分析装置的进口。离子转移部件耦接至气流产生装置。气流产生装置可在离子转移部件内部产生气流。离子分析装置的进口接收从常压电离源转移来的离子。离子转移部件可以是任何连接器，其内能够产生层流，并且有助于在不显著损失离子电流的情况下转移离子。示范性离子转移部件包括管子、毛细管、暗槽(covered channel)、明槽等。在特定实施例中，离子转移部件是管子。离子转移部件可由例如金属或玻璃等刚性材料构成，或者可由例如塑料、橡胶或聚合物等柔性材料构成。示范性柔性材料是TYGON管材。离子转移部件可以是任何形状，只要这一形状能够产生一定流量以防止离子到达离子转移部件内表面而使这些离子可能变为中性即可。举个例子，离子转移部件可呈直线形。或者，离子转移部件可以是弯曲的或者具有多处弯曲。离子转移部件耦接至气流产生装置。这一气流产生装置是能够产生气流通过离子转移部件的装置。气流产生装置有助于将来自常压电离源的离子转移到离子分析装置的进口。在某些实施例中，气流产生装置是具有高流速和低压缩比的泵。此类泵的实例是见于真空吸尘器(Shop vacuum)中的泵或小型样品泵。适用于耦接的泵不同于用于质谱仪的泵，例如回旋叶片式泵(rotary vane pump)或润轮分子泵(turbo molecular pump),这些泵具有高压缩比。用于质谱仪的高压缩比泵不能经由具有此处描述的流导率的孔口连接到大气。举个例子，寇特·罗德盖兹(Cotte-Rodriguez)等人(化学通讯(Chem. Commun.), 2006,2968-2970)描述了一种布置，在这种布置中，质谱仪的进口延长，并且由质谱仪内部的泵产生的气流用于在长达1米的距离内转移离子。离子从大气转移到约1托(torr)下的区域。使用寇特·罗德盖兹中所述的布置转移离子时发生显著的信号损失，并且在较大面积内产生的离子无法有效地收集到进口中。在其它实施例中，气流产生装置是常压电离源。举个例子，用于解吸电喷雾电离 (DESI)的电离源产生的气流足以产生通过离子转移部件的层流，并由此产生层流气流，以将气相离子经较长距离转移到离子分析装置的进口。多种其它装置可与离子转移部件耦接，以进一步帮助将来自常压电离源的离子转移到离子分析装置的进口。举个例子，可以使用电动透镜来聚焦离子朝向离子转移部件的中央，同时气流产生装置泵送出中性气体(参看图9)。在其它实施例中，电水动力透镜系统可通过实施来使用空气动力作用聚焦较重的粒子，并使用电场聚焦带电粒子朝向离子转移部件的中央(参看图10)。在其它实施例中，离子转移部件的远端可包括多个进口，用以将来自多个位置的离子转移到离子分析装置的进口。图8示意性显示由多个位置的样品产生的离子可同时或依序转移到质谱仪以供分析。在其它实施例中，离子转移部件包括其它特征，以防止离子吸附到内壁上。如图11 中所示，介质阻挡放电(DBD)管材是由双股喇叭线制成。喇叭线的绝缘体充当介质阻挡，并且当在两股线之间施加高电压交流电时，发生DBD。在管子内部发生的DBD防止离子吸附到器壁上，并提供富集电荷的环境，从而使离子保持气相。这一 DBD管子在将产生的离子转移到离子分析装置进口的同时，也可用于电离气体样品。DBD管子在将产生的离子转移到离子分析装置进口的同时，还可用于离子反应。在进入离子转移部件之前，使用常压电离源或大气压力电离源电离样品的离子。示范性常压电离技术包括电喷雾电离(费恩(Ferm，J.B.)；曼恩(Marm，M.)；蒙格 (Meng, C. K.)；王(Wong，S. F.)；怀特豪斯(ffhitehouse, C. M.)科学(Science) 1989，246， 64-71 ；山下(Yamashita，Μ.)；费恩(Fenn，J. B.)物理化学杂志(J. Phys. Chem.) 1984，88， 4451-4459)、纳米级电喷雾电离(卡拉斯(Karas)等人，弗氏分析化学杂志(Fresenius J Anal Chem), 366 :669_676，2000)、大气压力基质辅助激光解吸电离(莱克(Laiko, V. V.)； 博得韦(Baldwin，Μ. Α.)；柏林格姆(Burlingame，A. L.)分析化学(Anal. Chem.) 2000， 72,652-657 ；和田中(Tanaka, K.)；木曾(Waki，H.)；艾多(Ido, Y.)；秋田(Akita, S.)； 吉田(Yoshida, Y.)；吉田(Yoshida, Τ.)；松尾(Matsuo，Τ.)快速质谱通讯杂志(Rapid Commun. Mass Spectrom.) 1988，2，151-153)、大气压力化学电离(卡罗尔(Carroll, D. L)； 迪兹迪克(Dzidic，L)；斯蒂维尔(Stillwell, R. N.)；海格勒(Haegele, K. D.)；霍恩尼格 (Horning, Ε. C.)分析化学(Anal. Chem.) 1975，47，2369-2373)、解吸电喷雾电离(高田 (Takats)等人，美国专利号 7，335，897 ；和高田(Takats, Z.)；韦斯曼(Wiseman, J. Μ.)；古洛伽(Gologan, B.)；库科斯(Cooks, R. G.)科学 Science) 2004，306，471-473)、大气压力介质阻挡放电电离(夏尔(Shiea, J.)；黄(Huang, Μ. Ζ.)；徐(Hsu, H. J.)；李(Lee, C. Y.)； 袁(Yuan, C. H.)；比奇(Beech, L)；苏纳(Sunner，J.)快速质谱通讯杂志(Rapid Commun. Mass Spectrom.) 2005，19，3701-3704)、大气压力低温等离子体解吸电离(欧阳(Ouyang) 等人，国际专利公开案WO 2009/102766)和电喷雾辅助激光解吸电离(夏尔(Siiea，J.)； 黄(Huang, Μ. Ζ.)；徐(Hsu, H. J.)；李(Lee, C. Y.)；袁(Yuan, C. H.)；比奇(Beech, L)；苏纳 (Sunner, J.)快速质谱通讯杂志(Rapid Commun. Mass Spectrom.) 2005，19，3701-3704)。 随后，样品离子穿过离子转移部件。在穿过离子转移部件后，离子接着基于其质量/电荷比或其迁移力，或者其质量/ 电荷比和迁移力两者而分离。举个例子，离子可累积于离子分析装置中，例如四极离子阱 (鲍尔阱(Paul trap))、圆柱形离子阱(维尔斯(Wells，J.M.)；贝德曼(Badman，E. R.)；库科斯(Cooks, R. G.)，分析化学(Anal. Chem.)，1998，70，438-444)、线性离子阱(斯奇沃兹 (Schwartz, J. C.)；森克(Senko, Μ. W.)；赛卡(Syka, J. Ε. P.)，美国质谱学会杂志(J. Am.Soc. Mass Spectrom)，2002，13，659-669)、离子回旋共振(ICR)阱、轨道阱(胡(Hu)等人， 质谱杂志(J. Mass. Spectrom.), 40 :430_433，2005)、扇形场或飞行时间质谱仪。其它分离技术可能基于使用离子漂移装置的迁移力，或者可以整合两种方法。本发明系统可分析任何状态的样品，例如固相、液相或气相样品。所述样品可以是任何来源，例如生物来源或非生物来源。示范性样品包括工业工件、原料药或成分、食品或食品成分、毒素、药物、炸药、细菌，或者生物组织或流体。样品可来自哺乳动物，例如人体组织或体液。组织是来源于例如人类或其它哺乳动物的一块相连的细胞和/或细胞外基质材料，例如皮肤组织、鼻孔组织、CNS组织、神经组织、眼睛组织、肝组织、肾组织、胎盘组织、乳腺组织、胃肠组织、肌肉骨骼组织、泌尿生殖器组织、骨髓等，并且包括与这些细胞和/或组织相关联的连接材料和液体材料。体液是来源于例如人类或其它哺乳动物的液体材料。所述体液包括(但不限于)粘液、血液、血浆、 血清、血清衍生物、胆汁、粘痰、唾液、汗液、羊水、乳汁，和脑脊髓液(cerebrospinal fluid, CSF)，例如腰椎或脑室CSF。样品还可以是细针抽吸物或活检组织。样品也可以是含有细胞或生物材料的培养基。桉引用并入本发明全文曾提到和引用其它文献，例如专利、专利申请案、专利公开案、杂志、书籍、论文、网站等。所有这些文献都按全文引用并入本文中用于所有目的。等效内容在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，可以其它具体形式实施本发明。因而，在各个方面都应认为前述实施例是对本文中描述的发明的说明，而非限制。因此，本发明的范围是由所附权利要求书而不是前述描述指示，且在权利要求等效内容的含义和范围内的所有改变因而都打算包括在本发明中。实例实例1 长距离离子转移赛默飞科技公司的LTQ经过改造以允许从外部低温等离子体(LTP)源经由辅助真空进行长距离离子转移。使用改造过的Ion Max源(LTQ质谱仪的离子源，赛默飞世尔公司 (ThermoFisher)，位于加利福尼亚州圣何塞(San Jose，CA))将来自较远距离的离子导引到 LTQ质谱仪的进口中。常用的真空吸尘器用作真空装置，以提供辅助流，从而携带离子经过较长距离。所用布置如图2中所示。桥接离子转移管与MS进口的可调节进口管能够优化离子信号。本实例中使用刚性管材(金属导管和玻璃)以及柔性管材(tygon管材)二者， 这些管材都能够进行长距离离子转移。LTP探针用作解吸电离源，其使用氦气作为放电气体。这一布置最初用于药物和炸药的离子转移。将1. 7微克可卡因和2微克TNT点样到独立载玻片上，并将这些载玻片放到距离质谱仪进口 4英尺的工作台上。使用4英尺的Tygon管材作为离子转移部件，用于将来自LTP探针的离子转移到质谱仪进口。本文中的数据显示，利用正MS/MS模式成功检测到可卡因，如图3中所示。本文中的数据还显示，利用负MS/MS模式成功检测到TNT，如图 4中所示。随后，使用可卡因样品，利用10英尺的金属导管(图5)、15英尺Tygon管材和30 英尺Tygon管材进行数小时的测试，所有这些管材在正MS/MS模式下都肯定地确定可卡因的存在。还观察到，所述管材不必非是直线形，即弯曲管材仍成功地将离子转移到质谱仪进辅丨丨2利用图2中所示的设备，通过使用3个LTP探针对大面积取样，从而进行大面积分析。图6显示了利用4英尺(1.2米)Tygon管进行长距离转移的3个LTP探针的布置。将 1.7微克可卡因和1微克莠去津(atrazine)点样于载玻片上，并经由所述LTP探针布置进行分析。纸板盒上以黑色标记画出轮廓的椭圆形状是利用长距离转移设备检测1. 7微克可卡因和1微克莠去津二者的近似面积(远远大于100平方厘米)。使用正模式串联质谱来确定分子经过4英尺距离的转移。LTP大面积取样斗经由4英尺tygon管材耦接至图2中所示的设备。利用氦气作为放电气体，分析载波片上的2微克TNT，如图7上图中所示。图7中下图显示经由4英尺 Tygon管材转移的m/z为226(脱质子TNT)的总离子电流(total ion current，TIC)，图中明显显示当取样斗放置在样品上方时检测到TNT。当取样斗从样品移开时，TIC接近零。样品表面与载玻片之间可保持大于1英寸距离，并且当检测面积局限于取样斗面积(33平方厘米)时，可实现成功检测。割列3 利用解吸申應雾申篇(DESI)讲行离子传输使用与上述实例中所述类似的系统，实现DESI源中离子型物质的长距离(至少1 米)传输。然而，由于由DESI源产生的气体流速较高，故将这一系统改造成去除泵，并使用DESI源作为气流产生装置。来自DESI源的喷射气体冲击解吸表面，随后通过长0. 25 英寸的金属管。使用MS毛细管在气流下游某一适合的距离处对离子取样。这一布置的简图显示于图12中。与先前报导的使用压力密闭外壳的研究(温特(Venter，Α.)；库科斯 (Cooks, R.G.)分析化学(Anal. Chem.)，2007，79(16)，第 6398-6403 页；美国专利申请案 2008/0156985)相比较，在远端具有较大孔口将使DESI气流排出，从而形成层流，并避免离子转移部件内部出现再循环和湍流。实例4 长距离离子转移一DESI在气流产生装置是DESI源的布置中，使用从DESI源本身喷射的气体喷流进行离子传输，即使用不含泵的离子传输部件实现长距离离子传输。从DESI源放出的气体喷流被用来传输离子。若丹明油墨用作分析物。使用三福公司(Siarpie)的油墨在载玻片上点上红色墨点，并且将分析期间的TIC对信号强度作图(图13)。起初，毛细管接近解吸表面(相距数毫米)。随着样品表面与MS进口之间的距离增加，信号降低速率最初很高，而降低速率最终减慢，接着达到某一稳定水平，此时，不管样品与MS进口之间的距离如何，都获得大致恒定的信号强度(图13)。在不受任何特定理论或作用机制限制的情况下，认为达到所述稳定水平是在漂移管下游某一距离处充分发展的层流开始所致。一旦达到了充分发展的流动方案，就将离子聚焦于离子转移部件的中央，并毫无损失地输送到质谱仪进口。离子的扩散损失很少。因此，超过某一距离，离子损失极低。利用Mini 10仪器也证实了使用0. M英寸内径的10厘米漂移管进行流动聚集的这一技术(参看图21)。使用市售CFD软件包(安赛斯公司(Ansys CFX))，计算由DESI喷雾引起的漂移管中流量演变。发现，充分发展的层流方案是在漂移管中大致相同的距离处实现，超过这一距离，可发现信号降低速率很小。(参看图14)。使用不同长度漂移管来收集可卡因的谱图，并比较相应峰强度。使用LTQ质谱仪 (赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific, Inc.))记录利用5厘米、10厘米、15 厘米、20厘米、50厘米和100厘米转移管的信号强度。对利用每一转移管获得的峰值信号强度作图(参看图20)。这些数据显示，随着取样距离增加，信号降低不是很明显。这是由离子的层流聚焦和由此引起的有效传输所致。利用10厘米的转移管，在甚至是检测下限1/10 的电势下也检测到载波片上10皮克可卡因的极佳信号(图15)。据观察，转移管越长，背景峰的相对强度越低(图16)。可以得出结论，较长漂移管在滤出背景离子方面比较短漂移管有效，且因此较长的漂移管有助于从样品获得相关离子。这类似于预浓缩和选择性分析物取样(寇特·罗德盖兹((Cotte-Rodriguez)等人，化学通讯(Chem. Commun.), 2006, 2968-2970)。实例5 大面积对于DESI配置，通过再设计漂移管和取样面积来进行大面积分析。为了增加取样面积，使1/4英寸管的两侧弯曲45°角，留下4厘米的中央直管。切下这一部分的底部，产生取样区。简图和图纸显示于图17中。新的取样表面的取样面积为4厘米X3. 5毫米。使用较薄取样面积来使有限面积用于气流。在DESI配置中，不使用外部泵来辅助离子转移， 而是使用DESI气体喷流传输离子通过较窄面积以确保层流发展。测试取样区中分析物的位置对信号强度的影响。使用两种分析物MDMA(3，4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺，3，4-Methylenedioxymethamphetamine)和可卡因。可卡因的位置固定，以圆形显示，且MDMA以三角形显示。可卡因较接近DESI喷雾端。MDMA较接近MS取样进口。所进行实验的图示描述显示于图18中。数据显示，这一系统能够清楚地检测到1. 5 微克可卡因和1. 5微克MDMA 二者(参看图19的质谱)。实例6 长距离离子转移一低温等离子体(LTP)质谱仪通常依靠系统的真空泵来产生真空，以将常压电离源产生的离子拉入系统中。这就为小型质谱仪提出一个问题，因为这些系统的真空泵远不如标准质谱仪系统强大。 由于此类仪器的真空动力较低，使得很难将常压电离源与小型质谱仪耦接。本发明系统产生增大的气流，其增加了离子移动的效率，并由此实现从常压电离源产生的离子的有效而聚焦的转移以及到小型质谱仪进口的转移。耦接便携式质谱仪(Mini 10. 5)的低温等离子体(LTP)常压电离源，被用来测定全脂乳和相关产品中三聚氰胺的污染程度(图22)。利用LTP探针实现分析物的热辅助解吸和电离。小尺寸、低功率消耗和无需预处理即可直接取样的能力，使得LTP成为与手持式质谱仪结合使用的适宜电离方法。用于将大气压力离子源连接至小型质谱仪的标准不连续大气压力界面(高(Gao)等人，分析化学(Analytical Chemistry)，2008，80，4026-4032)与带有辅助泵送系统的离子转移部件耦接，从而增加离子转移效率。全脂乳、鱼、奶粉和其它掺有三聚氰胺的复合基质不经过样品预处理，即放到接近真空入口的载波片上，并进行分析。分析速率达到每分钟两个样品，同时在全脂乳中检测到含量低至250纳克/毫升的三聚氰胺，其中线性动力学范围为0. 5到50微克/毫升，且相对标准偏差为7. 6%到16. 2% (图 2 。
权利要求
1.一种样品分析系统，所述系统包括；电离源，用于在约大气压力下的区域中将样品分子转化成气相离子；离子分析装置；和离子转移部件，其可操作性地耦接至气流产生装置，其中所述气流产生装置产生层流气流，其将所述气相离子经由所述离子转移部件转移到所述离子分析装置的进口。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子转移经过较长距离。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子是在较大面积内取样。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述气流产生装置是产生高流速和低压缩比的泵。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述气流产生装置是所述电离源的气体喷流。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括电聚焦透镜装置，其可操作性地耦接至所述离子转移部件，从而有助于将离子转移到所述离子分析装置的所述进口。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电聚焦元件有助于在所述转移期间将所述离子聚焦于所述转移部件的中央。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括空气动力透镜装置，其可操作性地耦接至所述离子转移部件，从而有助于将重离子聚焦于所述离子分析装置的所述进口。
9.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括电水动力透镜装置，其可操作性地耦接至所述离子转移部件。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子转移部件与介质阻挡放电耦接，以增加离子转移效率。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子转移部件的远端包括多个进口，用以将来自多个位置的离子转移到所述离子分析装置的所述进口。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子转移部件是管子。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述管子是由刚性材料构成。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述刚性材料是金属或玻璃。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述管子是由柔性材料构成。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述柔性材料是TYG0N。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述电离源通过选自由以下各技术组成的群组的技术操作电喷雾电离、纳米级电喷雾电离、大气压力基质辅助激光解吸电离、大气压力化学电离、解吸电喷雾电离、大气压力介质阻挡放电电离、大气压力低温等离子体解吸电离和电喷雾辅助激光解吸电离。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述离子分析装置选自由质谱仪、手持式质谱仪和离子迁移离子分析装置组成的群组。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述质谱仪选自由以下各质谱仪组成的群组 四极离子阱、矩形离子阱、圆柱形离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱、扇形场和飞行时间质谱仪。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品材料是至少一种选自由以下各状态组成的群组的状态固相、液相和气相。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品是生物来源的。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品是非生物来源的。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品选自由以下各物组成的群组工业工件、原料药或成分、食品或食品成分、毒素、药物、炸药、细菌和生物组织。
24.一种样品分析系统，所述系统包括电离源，用于在约大气压力下的区域中将样品分子转化成气相离子；离子分析装置；和离子转移部件，其可操作性地耦接至气流产生装置，其中所述气流产生装置产生气流， 由此将离子收集到所述气体转移部件中，并经由所述离子转移部件将所述气相离子转移到所述离子分析装置的进口。
25.一种样品分析方法，所述方法包括在约大气压力下的区域中电离样品，以将所述样品的分子转化成气相离子；提供耦接至气流产生装置的离子转移部件，以产生层流气流，从而将所述气相离子转移到所述离子分析装置的进口 ；和分析所述离子。
26.根据权利要求25所述的方法，其中样品经由选自由以下各技术组成的群组的技术电离电喷雾电离、纳米级电喷雾电离、大气压力基质辅助激光解吸电离、大气压力化学电离、解吸电喷雾电离、大气压力介质阻挡放电电离、大气压力低温等离子体解吸电离和电喷雾辅助激光解吸电离。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述离子分析装置选自由以下各物组成的群组质谱仪、手持式质谱仪的质量分析器和中间阶段存储装置。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述质量分析器选自由以下各物组成的群组 四极离子阱、矩形离子阱、圆柱形离子阱、离子回旋共振阱和轨道阱。
全文摘要
本发明大体上涉及转移离子以供分析的系统和方法。在某些实施例中，本发明提供一种样品分析系统，其包括电离源，用于在约大气压力下的区域中将样品分子转化成气相离子；离子分析装置；和离子转移部件，其可操作性地耦接至气流产生装置，其中所述气流产生装置产生层流气流，由此将所述气相离子经由所述离子转移部件转移到所述离子分析装置的进口。
文档编号H01J49/00GK102232238SQ200980147728
公开日2011年11月2日 申请日期2009年10月5日 优先权日2008年10月13日
发明者Z·欧阳, 尼古拉斯·A·查理帕, 杰森·D·哈珀, 桑迪利亚·文卡塔·加里梅拉, 罗伯特·格雷厄姆·库克斯 申请人:普度研究基金会