专利名称：离子迁移管与质谱仪系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及质谱仪系统，更确切地涉及用于在质谱仪的不同压力区域之间传输离子的离子迁移管。
背景技术：
在质谱分析技术中，离子迁移管是公知的，用于将离子从通常工作在大气压下或大气压附近的电离室传输到压力减小的区域。一般来说，离子迁移管通常由窄的细长管道组成，该管道具有通向电离室的入口端和通向压力减小区域的出口端。在电离室中形成的离子(例如经由电喷雾电离(ESI)或大气压化学电离(APCI)处理)与部分脱溶的液滴和背景气一起进入离子迁移管的入口端，在压力梯度的影响下穿过离子迁移管的长度，离开出口端进入较低压力的室，即质谱仪的第一真空级。离子接着穿过一个或多个分隔物中的孔、可能在截取锥中的孔，通过压力依次降低的区域，之后被传送至用于获取质谱的质量分析器中。
图1是一般的传统质谱仪系统的简化示意图，其中该传统质谱仪系统包括经由离子迁移管耦合至分析区域的大气压电离(API)源。参照图1，安置在电离室14中的API源 12被连接以通过毛细管7从相关装置接收液体样本，该相关装置例如是液相色谱仪或注射泵。API源12任选地是电喷雾电离(ESI)源、加热的电喷雾电离(H-ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压基体辅助激光解析离子(MALDI)源、光致电离源、或者使用以基本在质量分析器观的工作压力(例如从约1托至约2000托)之上的压力工作的任何其它电离技术的源。此外，术语API源旨在包括组合多个上述源类型的“多模式”源。API源12形成代表样本的带电粒子9(离子、或者可被脱溶以释放离子的荷电液滴)，带电粒子接着从API源 12通过至少一个中间真空室18传输到高真空室沈中的质量分析器观。特别是，液滴或离子被夹带(entrain)在背景气中，并且从API源12通过离子迁移管16被传输到中间真空室18，其中，离子迁移管16穿过第一分隔元件或壁11，中间真空室18保持在比电离室14 的压力低但比高真空室沈的压力高的压力下。离子迁移管16可以物理地耦合至加热元件或块23，加热元件或块23将热量提供给离子迁移管中气体和夹带的粒子，以帮助荷电液滴脱溶，从而释放自由离子。由于电离室14与中间真空室18之间的压差(图1)，导致气体和夹带的离子流过离子迁移管16进入中间真空室18。板或第二分隔元件或壁15将中间真空室18与高真空室26或可能第二中间压力区域(未示出)隔开，第二中间压力区域保持在比室18的压力低但比高真空室沈的压力高的压力下。离子光学组件或离子透镜20提供电场，该电场通过第二分隔元件或壁15中的孔22引导和聚焦离开离子迁移管16的离子流，孔22可以是截取锥21的孔。可以提供第二离子光学组件或透镜M，以将离子迁移或引导至质量分析器观。离子光学组件或透镜20可以包括迁移元件，例如多极离子导向器，以引导离子通过孔22并进入质量分析器观中。质量分析器观包括一个或多个检测器30，检测器30的输出可以显示为质谱。真空口 13用于将中间真空室抽成真空，真空口 19用于将高真空室沈抽成真空。图2是公知的离子迁移管的一部分，特别是出口部分50的示意图。图2的上下部分别示出了出口部分50的剖视图和立体图。离子迁移管包括具有中空内部或内腔 (bore) M的管52 (在此实施例中的圆柱形管)，通过中空内部或内腔M的流向以虚线箭头示出。在离子迁移管的出口端51处，以基本平的端面56作为管52的末端，端面56与管的长度和流向基本垂直。此外，在所示的圆柱形管是截头圆锥形表面的情况下，斜面或斜切面 58被设置成与端面成一角度，以与端面56和管52的外圆柱形表面都相交。面58可用于使离子迁移管的出口端与中间真空室18的内部中的匹配结构元件(未示出)对齐并位于该匹配结构元件上，或者可用于在插入质谱仪仪器时穿透真空密封元件或阀，例如Abramson 等人的第6，667，474号美国专利所公开的密封球，该专利的全部内容通过引用并入本文。通常，跨越离子迁移管(例如图1的离子管16)的长度具有750到760托的压差， 这将导致出口端的扩张。此扩张表现为流入质谱仪的第一真空级的包含离子化被分析物的气体的速度的快速增加。根据一些结构，扩张的羽流甚至可以变成可在较低压室内出现的超声波和冲击波。应当理解，此扩张可能导致使离子迁移穿过真空界面的次最佳条件，以及例如可能导致基于某些离子的电荷态而抑制这些离子。传送至质量分析器的离子数量(例如通过峰值强度或总离子数测量的)部分地取决于通过离子迁移管的流量(flow rate)。通常希望提供较高的通过离子迁移管的流量，以将更多的离子传输到质量分析器和获得高的仪器灵敏度。虽然可以通过扩大管的内腔(内径)来增大通过离子迁移管的流量，但是这种离子迁移管直径的扩大将导致气体负荷的增加，该气体负荷在泵排量没有增大的情况下使真空室中的压力也增加。因为必须将质量分析器和检测器区域保持在高真空条件下，所以必须通过增加所使用的真空泵的数量和/或增加真空泵的泵排量来抵消压力的增加。当然，增加真空泵的数量和/或排量也增加了质谱仪的成本、以及功率要求、装运重量与成本和工作台空间要求。因此，为了实用，离子迁移管的内径应较小，大约500微米。通过小直径的离子迁移管的背景气和夹带的离子化被分析物的强制流可能使背景气和被分析物的速度显著地增加。在某些结构中，离子迁移管是短的(通过简单的孔) 并且可能成形为渐缩渐阔(de Laval)喷嘴，当流离开离子迁移管的出口端时流可能成为超声波。然而一般地说，管内部的粘滞曳力将使流保持在管内并且可能以亚音速离开管。在这种条件下，可以使用管内流体流的雷诺数Re，这个无量纲的量定义为
权利要求
1.用于分析样本的方法，其特征在于包括步骤 在电离室内在基本大气压下从所述样本产生离子； 将离子夹带在背景气中；使用具有入口端和出口端的离子迁移管将所述背景气和夹带的离子迁移至质谱仪系统的真空室中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分的内径大于所述离子迁移管的毗连部分的内径；以及使用所述质谱仪系统的质量分析器分析所述离子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括扩孔。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩孔的深度大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的背景气流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在所述具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述扰动流区域包括紊流区域。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩孔的深度至少是60微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括在所述背景气和夹带的离子被迁移的方向上内径连续增大的区域。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述直径连续增大的区域包括锥形孔。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括所述离子迁移管的圆柱形内表面，所述离子迁移管的毗连部分包括所述离子迁移管的截头圆锥形内表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在与所述离子迁移管的轴平行的横截面中，所述截头圆锥形表面与所述横截面的相交线被设置成相对于所述离子迁移管的轴成M-64度的角度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，与所述离子迁移管的轴平行的所述圆柱形内表面的尺寸大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的气体流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括第一管构件，所述离子迁移管的毗连部分包括通过气密密封件密封至所述第一管构件的第二管构件。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子迁移管包括至少一个电极。
13.质谱仪系统，其特征在于离子源，能够操作为在基本大气压下从样本产生离子； 质量分析器，位于抽真空壳体的内部，能够操作为根据质荷比分离和检测离子； 中间压力室，所述中间压力室的内部的压力保持为小于大气压且大于所述抽真空壳体的内部的压力，所述中间压力室具有第一孔和第二孔；离子迁移管，耦合至所述第一孔，能够操作为将夹带有离子的背景气迁移到所述中间压力室，所述离子迁移管具有入口端和出口端，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分的内径大于所述离子迁移管的毗连部分的内径；离子光学器件，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间，能够操作为将离开所述离子迁移管的出口端的离子引导至所述第二孔；以及至少一个附加的离子光学元件，能够操作为将离子从所述第二孔迁移至所述质量分析ο
14.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括扩孔。
15.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述扩孔的深度大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的背景气流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在所述具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。
16.根据权利要求15所述的质谱仪系统，其中，所述扰动流区域包括紊流区域。
17.根据权利要求14所述的质谱仪系统，其中，所述扩孔的深度至少是60微米。
18.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括在朝向所述离子迁移管的出口端的方向上内径连续增大的区域。
19.根据权利要求18所述的质谱仪系统，其中，所述内径连续增大的区域包括锥形孔。
20.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括所述离子迁移管的圆柱形内表面，所述离子迁移管的毗连部分包括所述离子迁移管的截头圆锥形内表面。
21.根据权利要求20所述的质谱仪系统，其中，在与所述离子迁移管的轴平行的横截面中，所述截头圆锥形表面与所述横截面的相交线被设置成相对于所述离子迁移管的轴成讨-64度的角度。
22.根据权利要求20所述的质谱仪系统，其中，与所述离子迁移管的轴平行的所述圆柱形内表面的尺寸大于扰动流区域的长度，其中当具有夹带离子的气体流入所述离子迁移管邻近所述出口端的部分时在具有夹带离子的背景气中产生所述扰动流。
23.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管邻近所述出口端的部分包括第一管构件，所述离子迁移管的毗连部分包括通过气密密封件密封至所述第一管构件的第二管构件。
24.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管包括至少一个电极。
25.根据权利要求13所述的质谱仪系统，其中，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间的所述离子光学器件包括堆叠环形离子导向。
26.质谱仪系统，其特征在于离子源，能够操作为在基本大气压下从样本产生离子；质量分析器，位于抽真空壳体的内部，能够操作为根据质荷比分离和检测所述离子；中间压力室，所述中间压力室的内部的压力保持为小于大气压且大于所述抽真空壳体的内部的压力，所述中间压力室具有第一孔和第二孔；离子迁移管，耦合至所述第一孔，包括入口端；出口端；和多个中空内部区域，能够操作为将夹带有离子的背景气通过所述离子迁移管迁移到所述中间压力室中，每个中空内部部分包括各自的内径，多个内径在夹带有离子的背景气的迁移方向上增加；离子光学器件，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间，能够操作为将离开所述离子迁移管的出口端的离子引导至所述第二孔；以及至少一个附加的离子光学元件，能够操作为将离子从所述第二孔迁移至所述质量分析
27.根据权利要求沈所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管还包括至少一个电极。
28.根据权利要求沈所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管还包括至少一个插在所述多个中空内部区域的第一中空内部区域和第二中空内部区域之间的截头圆锥形表面。
29.根据权利要求沈所述的质谱仪系统，其中，设置在所述离子迁移管的出口端与所述第二孔之间的所述离子光学器件包括堆叠环形离子导向。
30.根据权利要求沈所述的质谱仪系统，其中，所述离子迁移管还包括 第一管构件；和第二管构件，通过气密密封件密封至所述第一管构件，其中，所述第一管构件包括所述多个中空内部区域的第一中空内部区域，所述第二管构件包括所述多个中空内部区域的第二中空内部区域。
全文摘要
用于分析样本的方法的特征在于包括步骤在电离室内在基本大气压下从样本产生离子；将离子夹带在背景气中；使用具有入口端和出口端的离子迁移管将背景气和夹带的离子迁移至质谱仪系统的真空室中，其中离子迁移管邻近出口端的部分的内径大于离子迁移管的毗连部分的内径；以及使用质谱仪系统的质量分析器分析离子。质谱仪系统的特征在于离子源，可操作为在基本大气压下从样本产生离子；质量分析器，位于抽真空壳体的内部，可操作为分离和检测离子。
文档编号H01J49/04GK102414779SQ201080019525
公开日2012年4月11日 申请日期2010年4月22日 优先权日2009年5月1日
发明者保罗·R·阿瑟尔顿, 埃罗伊·R·乌奥特尔斯, 矛瑞兹欧·希佰伦多, 简·雅克·邓雅驰 申请人:萨莫芬尼根有限责任公司