一种便携式质谱仪校准装置的制作方法

本发明属于质谱仪便携化技术领域，具体来说涉及一种便于在移动使用的质谱仪中存储校准样品的便携式质谱仪校准装置。

技术背景

质谱仪可以根据质荷比(m/z)分离带电粒子，在质谱图上实时显示不同质荷比粒子的丰度；质谱图横轴质量轴以质荷比为单位，其准确度是判定粒子成分的重要因素。质量轴会因各种原因发生偏移，测量前要用校准物质(如全氟三丁胺)调谐。质谱仪便携化技术是将质谱仪向小型化，便携化，一体化发展的技术，是质谱技术目前发展的趋势之一。便携式质谱仪需要能满足在各种现场环境下工作的需要，而质量轴会因各种现场条件发生偏移，每次在不同环境工作需要校准质量轴，需用到校准物质。

一般校准物质与质谱仪独立保存，校准时通过进样口引入仪器，进样时校准物会产生损耗，与外部环境接触会遭受污染。台式仪器中通常采用定向放置的洁净样品瓶储存校准物。常见校正品如全氟类化合物，聚醇类化合物均为具有流动特性的样品，在便携类仪器的使用过程中，仪器及包装箱常易出现倒置情况，使用液体型的台式质谱仪校准器材经常会出现校准品泄露的污染，严重影响质谱仪准备就位时间。即使使用如cn103262204a中脉冲引入校准样品的方法，其使用的阀门在长期被倒置的校准品侵染时仍会出现各种问题，如阀门封闭o圈溶胀失效，或被校准物中析出的固体颗粒堵塞或破损的状况。因此，一些应急用的质谱仪器如inficonhapsite等不得已采用挥发性的气体校准品，其体积较大，储存压缩气体不但要求更多的安规保证，挥发性气体的分子量限制也使得质谱仪高质量范围的校准变得困难。因此，有必要发展一种体积小巧，可自由任意放置，使用便捷的洁净化质谱仪校准物质装置。

技术实现要素：

根据现有技术的缺陷，本发明提出了一种便携式质谱仪校准装置。

根据本发明提供的一种便携式质谱仪校准装置，包括用于存储质谱校准物的至少一个封闭腔室，该封闭腔室的至少一面由半透膜构成；用于控制半透膜温度的温控系统，该温控系统包括一个温度传感器，一个半透膜加热装置。一个控制器，基于从属温度传感器和加热装置，对半透膜的温度进行控制，包裹于该封闭腔室，用于进一步限制校准物流出量的限流结构。该半透膜的材料选择使常温即35℃以下情况下，该封闭腔室于各方向放置均不会渗出质谱校准物液体或粉末。当半透膜被加热时，其高分子内部结构产生空隙，使校准物整体在保持不流出的情况能以分子形式通过这些空隙进入质谱真空室，从而电离得到校准样品离子。

优选地，该质谱仪校准装置中校准物的至少一侧与半透膜紧密贴合，其中半透膜材质至少包括10％的以下高分子材料a)聚二甲基硅氧烷b)介孔聚四氟乙烯c)介孔聚酰亚胺d)微孔高密度聚乙烯e)环氧树脂纤维。利用这些材料物质结构微孔孔径随温度变化的特性受控导出分子级分散的校准品。

优选地，所述质谱校准物为流体或有流动性的粉末状固体。其中所述质谱校准物的化学成分包括至少一种以下物质：a)全氟三烷基胺b)低聚全氟聚醚c)全氟烷基三嗪d)全氟烷基嗪磷e)聚乙二醇f)聚丙二醇。这些物质可以形成稳定的多质量校准峰，从而校准质谱仪的全质量轴。当质谱仪的灵敏度较高时，所述的质谱仪校准物质装置可包括一个限流毛细管来限制以分子级分散溢出的校准物分子流。

优选地，校准装置的外侧进一步包括一个阀门，可以是手动或电控阀，当仪器处于未工作状态时，阀门将关闭使存储腔室处于密封态，可限制样品挥发损失。

优选地，为进一步减少便携微型质谱的校准品损耗并降低其可能产生的离子源污染，在该实施例中，可使可控电控阀门开启的时序和质谱进样时序相一致，限制校准品的挥发损失。同时，也可以使半透膜加热开启的时序和质谱进样时序相一致，进一步限制校准品的挥发损失。

优选地，半透膜质谱校准装置利用微机械微加工(mems)技术构建，其中所述腔室由一块半透膜与凹槽贴合形成，腔室结构采用微机械加工(mems)制备在平面芯片基板上，该基板可直接通过o圈直接封压在便携式质谱仪的真空室上，可几乎不增加因校准品引入造成的额外仪器体积。

优选地，本发明还提出一种基于该发明质谱仪校准装置的多内标校准方法，在该方法中，进一步制备包含多种校准品的半透膜腔室(数量至少为2个)，系统校正时形成至少两个标准校正温度，对每一个半透膜腔室提供单独的温度控制。质谱仪为与色谱直接相连的便携式色质联用仪，当其控制软件选择内标时，能通过加热指定的半透膜腔室或控制阀门引入指定的内标物。如在低保留时间中引入挥发度较高的一种校正物，而在高保留时间中引入另一种挥发度较低的校正物。从而使得各析出馏程的化合物与对应内标均具备类似的离子电离效率，提高仪器的定量特性。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明体积小巧，可一次性校准多个物质位点，全方向放置无泄漏；

2、本发明装置既可外部插入安装，也可以集成在质谱仪腔体上，特别是对于便携式小型质谱仪系统具有良好的应用价值；

3、本发明能够实现校准源全方向放置而不出现校准品渗漏的风险，特别适用于便携式质谱仪及色质联用仪的内源性校准；

4本发明可供便携式质谱仪在多种条件下调谐，减少校准物存储调用时的损失，减少其与外界接触时受到的污染。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的质谱仪校准装置的第一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的质谱仪校准装置的第二实施例的结构示意图；

图3和4为本发明提供的质谱仪校准装置的第三实施例的结构示意图；

图5为展示了某便携式质谱仪在倒置后，采用本发明校准装置和标准质谱校准装置的全氟三丁胺131u信号变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种质谱仪校准装置，包括：用于存储质谱校准物的至少一个封闭腔室101，该封闭腔室的至少一面由半透膜102构成；用于控制半透膜温度的温控系统块103，该温控系统包括一个温度传感器1031，一个半透膜加热装置1032。一个控制器1033。控制器1033基于从属温度传感器和加热装置，对半透膜的温度进行控制，校正品液滴或粉末104包裹于该封闭腔室。质谱仪校准装置顶端具有一个接口105，用于连接该装置到所需校准的质谱仪。在实际仪器中，该接口可进一步安装限流毛细管，调节阀，截至阀等用于进一步限制校准物流出量的限流结构。该半透膜102的材料选择使常温即35℃以下情况下，该封闭腔室于各方向放置均不会渗出质谱校准物液体或粉末。当半透膜被加热时，其高分子内部结构产生空隙，使校准物整体在保持不流出的情况能以分子形式通过这些空隙进入质谱真空室，从而电离得到校准样品离子，不同半透膜材质所能达到最大透过率的温度不同，如常见的样品半透膜聚二甲基硅氧烷橡胶的最大透过率在80℃左右。

上述实施例方案的缺点是样品与半透膜的接触面会由于校正装置的放置方向发生改变，同时封闭腔室内的少量气体仍有可能产生诸如氧气、水等较为活泼的物质离子，在使用最常见的电子轰击电离源时往往会产生严重的烧蚀，当使用便携式质谱作为安防设备时，整机在运输过程中容易发生剧烈振动，若此时膜破裂，大量校正物的导入将有可能烧毁质谱离子源的灯丝。

为克服这个问题，如图2所示，在改进方案中，校准装置的温控系统同样包括一个温度传感器1031，一个半透膜加热装置1032。一个控制器1033。控制器1033基于从属温度传感器和加热装置进行半透膜的温度控制。在该方案中校准物204填满了半透膜202与基底203之间的封闭空间。此时，校准装置中校准物204的至少一侧与半透膜紧密贴合，从而使其脱附标准品的表面积保持恒定。另外，为了提高半透膜的材质强度，避免振动失效事故，半透膜202的材质可以采用高密度尼龙、碳纤维等高强度非半透膜材料进行加强，但其中至少仍应包括10％的以下高分子材料a)聚二甲基硅氧烷b)介孔聚四氟乙烯c)介孔聚酰亚胺d)微孔高密度聚乙烯e)环氧树脂纤维。上述材料的最高渗透温度在60～200℃之间，利用这些材料物质结构微孔孔径随温度变化的特性可受控导出分子级分散的校准品。

在上述实施例中，所述质谱校准物为流体或有流动性的粉末状固体。其中所述质谱校准物的化学成分包括至少一种以下物质：a)全氟三烷基胺b)低聚全氟聚醚c)全氟烷基三嗪d)全氟烷基嗪磷e)聚乙二醇f)聚丙二醇。这些物质可以形成稳定的多质量校准峰，从而校准质谱仪的全质量轴。当质谱仪的灵敏度较高时，所述的质谱仪校准物质装置可包括一个限流毛细管201来限制以分子级分散溢出的校准物分子流。进一步地，校准装置的外侧进一步可包括一个阀门203，该阀门可以是手动或电控阀，当仪器处于未工作状态时，阀门将关闭使存储腔室处于密封态，可限制样品挥发损失。

进一步地，为进一步减少便携微型质谱的校准品损耗并降低其可能产生的离子源污染，在该实施例中，可使可控电控阀门203开启的时序和质谱进样时序相一致，限制校准品的挥发损失。例如该设备与离子阱质谱仪连用时，可以仅在离子引入阶段打开电控阀门203，而在其他阶段关闭，这样在引入相同校准品物质有效量的同时，质谱离子源及检测器在校准品的气氛中暴露的时间较短，有利于提高质谱整机的寿命。同时，也可以使控制器1033对半透膜加热器1032加热开启的时序和质谱进样时序相一致，进一步限制校准品的挥发损失。

在本发明另一个改进实施例中展示了一种利用微机械微加工(mems)技术构建半透膜质谱校准装置的方法，如图3所示，该方法中所述腔室由一块半透膜302与在n+型高电阻硅基片303上刻蚀出的凹槽贴合形成，校正品304的腔室结构采用湿法各项异性刻蚀工艺制备在平面芯片基板303上，上方用键合工艺固结高硼硅玻璃孔板301形成单孔校准品导入结构。在基板的两个侧面溅射制备两个加热集电极306，307，利用集电极间硅片的体相电阻形成焦耳发热器件，硅片上可直接集成加热控制器1033和热敏传感器3031。该基板可直接通过o圈305直接封压在便携式质谱仪的真空室上，可几乎不增加因校准品引入造成的额外仪器体积。

此外，本发明还提出一种基于该发明质谱仪校准装置的多内标校准方法，如图4所示，在该方法中，进一步制备包含多种校准品401，402，403，404的半透膜腔室(数量至少为2个，图中示例为4个)，系统校正时形成至少两个标准校正温度，四个独立的片上集成加热模块405，406，407，408对每一个半透膜腔室提供单独的温度控制。封闭样品的半透膜409被分成对应多块避免不同校正物扩散的交叉污染。该结构特别适用于质谱仪为与色谱直接相连的便携式色质联用仪的过程内标校正，当其控制软件选择内标时，能通过加热指定的半透膜腔室或控制阀门引入指定的内标物。如在低保留时间中引入挥发度较高的一种校正物，而在高保留时间中引入另一种挥发度较低的校正物。从而使得各析出馏程的化合物与对应内标均具备类似的离子电离效率，提高仪器的定量特性。

图5展示了本校准装置与传统质谱仪校准管在倒置时的信号稳定度差别，信号曲线501展示了采用半透膜封装的校准品全氟三丁胺校准开机后131u质量数信号的变化，传统校准管在同样时间内的信号变化由曲线502显示，可以看到，两种方式校准物信号稳定度类似，本发明的校准装置所形成的校准物过冲较少。

图5中还展示了便携式质谱仪倒置4小时后两种校准装置的信号稳定度差别，信号曲线503是本发明装置的131u质量数信号曲线，可见其差异与原正向放置的信号曲线501差异不大，而传统方式信号曲线504由于全氟三丁胺渗入校正物传输管及截止阀，经过10分钟仍未能恢复正常的信号强度。因此，该发明校准装置的稳定性和环境适应性均明显高于传统质谱仪校准方式。

本校准装置可以将校准物密封储存在便携式质谱仪内部，实现对校准物质的随时调用，便于仪器在各种场合调谐，减少取用损耗，半透膜腔室与毛细管路的精密连接可避免与校准物与外界物质接触产生不必要的污染；还可与控制软件整合，实现存储调用多种校准物的功能。

本领域技术人员可以了解到，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。此外，本发明中的便携式质谱仪也可以为依据其他原理，但具有类似质量分析性能的质谱仪所替代，如离子探针质谱仪，医学诊断质谱仪等。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。本发明中的质谱仪校准装置事实上可以任意方位安装，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。