分析系统和分析样品的方法

分析系统和分析样品的方法
【专利摘要】本发明涉及一种分析系统，所述系统包括：电离源，其于大气中产生气相离子的连续流；不连续的大气压接口，其接收来自所述电离源的气相离子；和小型质谱仪的质量分析器，其不连续地接收来自所述不连续的大气压接口的离子而无需使所述离子穿过任何中间真空级，所述系统经构造以使得所述质量分析器间歇地与大气相通一段时间，引致所述质量分析器内的压力增加到高于可以进行质量分析或离子操纵的压力，并且在所述质量分析器被抽空到可以进行质量分析或离子操纵的压力时，间歇地阻止所述质量分析器接收任何离子。本发明还涉及一种分析样品的方法。
【专利说明】分析系统和分析样品的方法
[0001]本申请是申请日为2008年5月30日、申请号为200880101096.3、发明名称为“不连续的大气压接口”的专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求分别于2007年6月I日和2007年8月3日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请N0.60/941,310和N0.60/953,822的优先权，在此通过引用将上述两个美国临时专利申请的全部内容并入本文。
[0004]政府支持
[0005]此处描述的本发明的至少一部分受到美国国土安全部的支持(批准号:HSHQPA-05-9-0033)。政府对本发明具有一定权利。

【技术领域】
[0006]本发明整体涉及对向质谱仪导入离子的改进。

【背景技术】
[0007]质谱仪的大气压接口(API)用于将离子从常压(大气压)区转移到其它的低压区。其允许为质谱仪开发并使用处于常压的多种电离源，包括:电喷雾电离(ESI)(Fenn, J.B.；Mann, M.；Meng, C.K.；ffong, S.F.；ffhitehouse, C.M.Sciencel989, 246,64-71 ；Yamashita, M.；Fenn, J.B.J.Phys.Chem.1984，88，4451-4459)，大气压电离(APCI)(Carroll, D.1.；Dzidic, 1.；StiIIwelI, R.N.；Haegele, K.D.；Horning, E.C.Anal.Chem.1975，47，2369-2373)，和大气压基质辅助激光解吸电离(AP-MALDI)，(Laiko，V.V.；Baldwin, M.A.；Burlingame, A.L.Anal.Chem.2000, 72, 652-657 ；Tanaka, K.；Waki, H.;Ido, Y.;Akita, S.;Yoshida, Y.;Yoshida, T.;Matsuo, T.Rapid Commun.MassSpectrom.1988，2，151-153)等等。API不仅允许将质谱仪与多种样品分离法和样品预处理法(例如液相色谱法)结合，还允许使用多种理想条件进行敞开式的离子准备和处理，例如，在将离子送入真空进行质量分析之前，进行离子热采(Chen, H.；Ouyang, Z.；Cooks,R.G.Angewandte Chemie, Internat1nal Edit1n2006,45, 3656-3660 ;Takats, Z.；Cooks,R.G.Chemical Communicat1ns (Cambridge, United Kingdom) 2004,444-445)、离子-离子反应(Loo, R.R.0.；Udseth, H.R.；Smith, R.D.Journal of the American Society forMass Spectrometryl992, 3,695-705)、或者离子碎裂(Chen, H.；Eberlin, L.S.；Cooks,R.G.Journal of the American Chemical Society2007,129, 5880-5886)。没有 API,也无法利用最近开发的一类新型的直接敞开式电离/采样法，包括:解吸电喷雾电离(DESI)(Takats, Z.；ffiseman, J.M.；Gologan, B.；Cooks, R.G.Science2004, 306,471-473)、实时直接分析(DART) (Cody, R.B.；Laramee, J.A.；Durst, H.D.Anal.Chem.2005, 77, 2297-2302)、大气压介质阻挡放电电离(DBDI)、以及电喷雾辅助激光解吸/电离(ELDI) (Shiea, J.；Huang, Μ.Z.；Hsu, H.J.；Lee, C.Y.；Yuan, C.H.；Beech, 1.；Sunner, J.Rapid Commun.MassSpectrom.2005,19,3701-3704)。
[0008]自从ESI源被首次成功地证明可用于质谱仪之后(Yamashita, M.；Fenn,J.B.J.Phys.Chem.1984，88，4451-4459)，用于ESI的API的构造被广泛采用并且无明显变化。现在，典型的API具有常开的通道，该通道包括连续的差动泵级，连续的差动泵级带有毛细管或小ID(内径)的细孔以允许将离子传送至第一级，并且还带有通向第二级的取样锥。通常使用初级泵将第一区域抽吸至约I托(torr)，并且使用多个涡轮分子泵或具有分流的单个泵把后面的区域抽吸到用于质量分析的最终级中的基压，所述基压通常小于或等于10_5托。还使用包括静电透镜和RF (射频)导向器的离子光学系统以在将中性物抽走的同时保存离子流。为使传送至用于质量分析的最终区域中的离子数量最大，常常需要大的抽吸容量，从而可以使用较大的孔以将离子从一个区域传送至另一区域。作为一个实例，菲尼根 LTQ 型(Finnigan LTQ) (Thermo Fisher Scientific, Inc.，SanJosc, CA)离子讲质谱仪具有用于第一级的两个流量为30m3/hr (立方米/小时)的初级泵，以及用于后面三级的流量为4001/s(升/秒)的涡轮分子泵，该涡轮分子泵具有两个拖曳泵级。在第一级和第二级中的离子传送损失最高，分别为2个数量级和I个数量级，这导致通过API传送离子的总效率低于0.1 %。当试图在便携式测量仪上使用这种API时，由于必须使用更低的抽吸容量以使测量仪具有期望的重量和功耗，所以离子传送效率进一步降低。最近开发的MinilO手持式矩形离子阱质谱仪的重量仅为10kg，并具有流量仅为0.3m3/hr的小型初级泵和流量仅为 111/s 的润轮栗。(Gao, L.；Song, Q.；Patterson, G.E.；Cooks, R.G.；0uyang, Z.Anal.Chem.2006，78，5994-6002)
[0009]人们致力于提高实验室用的质谱仪中的离子传送效率。通过用离子漏斗代替取样锥，使经过第二级的离子传送效率成功地提高了十倍。(Shaffer, S.A.；Tang,K.Q.；Anderson, G.A.；Pr1r, D.C.；Udseth, H.R.；Smith, R.D.Rapid Communicat1nsin Mass Spectrometry 1997,11,1813-1817)已经在质谱仪的API的前部使用空气动力离子聚焦装置(Zhou, L.；Yue, B.；Dearden, D.V.；Lee, E.D.；Rockwook, A.L.；Lee,M.L.Anal.Chem.2003,75, 5978-5983 ；Hawkridge, A.M.；Zhou, L.；Lee, M.L.；Muddiman,D.C.Analytical Chemistry2004，76，4118-4122)。虽然 API 自身的效率没有提高，但是明显增加了到达质量分析器的最终离子流。然而，在高压下，在真空中产生电弧的可能性增加，这导致了噪声高且电子倍增器和电源的使用寿命短。
[0010]因此，需要能够提高向质谱仪传送离子的传送效率的大气压接口。


【发明内容】

[0011]在此，本发明的一方面提供一种用于控制离子以及保持所述离子的空气或其它气体的移动的装置，所述装置包括:阀门，其与管的外部对准，其中所述阀门控制通过所述管的离子的移动；以及第一毛细管和第二毛细管，所述第一毛细管插入所述管的第一端，所述第二毛细管插入所述管的第二端，其中所述第一毛细管和所述第二毛细管均不与所述管的与所述阀门对准的部分重叠。
[0012]在本装置的相关实施例中，所述第一毛细管的近端与捕获装置相连，其中所述捕获装置的气压低于大气压。在另一相关实施例中，所述第二毛细管的远端从电离源接收离子，其中所述电离源基本处于大气压。
[0013]在本装置的某些实施例中，所述管由例如硅塑料等惰性塑料构成。在其它实施例中，所述第一毛细管和所述第二毛细管由例如不锈钢等惰性金属构成。在本装置的其它实施例中，所述第一毛细管和所述第二毛细管具有基本相同的外径。在可选的实施例中，所述第一毛细管和所述第二毛细管具有不同的外径。在本装置的另一实施例中，所述第一毛细管和所述第二毛细管具有基本相同的内径。作为选择，所述第一毛细管和所述第二毛细管具有不同的内径。在本装置的另一实施例中，所述第二毛细管的内径小于所述第一毛细管的内径。在本装置的另一实施例中，所述阀门选自夹管阀、薄板挡板阀和针阀。
[0014]在此，本发明的另一方面提供一种用于控制离子的移动的装置，所述装置包括:阀门，其与管的外部对准，其中所述阀门控制通过所述管的离子的移动。在相关的实施例中，所述管的近端与捕获装置相连，其中所述捕获装置的气压低于大气压。在另一相关实施例中，所述管的远端从电离源接收离子，其中所述电离源基本处于大气压。在某些实施例中，所述管的远端接收处于第一压强的离子，并且所述管的近端与捕获装置相连，所述捕获装置所处的压强低于所述第一压强。
[0015]在此，本发明的另一方面提供一种不连续的大气压接口系统，包括:电离源，其用于在约处于大气压的区域内把分子转变为气相离子；捕获装置；以及不连续的大气压接口，其用于把离子从约处于大气压的区域传送到压强降低的至少一个其它区域内，其中所述大气压接口包括用于控制离子进入所述捕获装置的阀门，从而以不连续的方式将离子传送至捕获装置内。
[0016]在相关的实施例中，本系统还包括与所述捕获装置相连的至少一个真空泵。在本系统的另一相关实施例中，所述大气压接口还包括:管，其中所述管的外部与所述阀门对准；以及第一毛细管和第二毛细管，所述第一毛细管插入所述管的第一端，所述第二毛细管插入所述管的第二端，其中所述第一毛细管和所述第二毛细管均不与所述管的与所述阀门对准的部分重叠。在本系统的另一实施例中，所述大气压接口还包括:管，其中所述管的外部与所述阀门对准。
[0017]在本系统的某些实施例中，当阀门处于打开位置时，离子进入所述捕获装置。在本系统的另一实施例中，当阀门处于关闭位置时，阻止离子进入所述捕获装置。所述关闭位置指的是阀门完全闭合，并且也包括阀门的准闭合，即:阀门基本关闭，从而使抽吸明显地超过气体或蒸气的进入。基本关闭包括至少约70%关闭、至少约80%关闭、至少约90%关闭或至少约99%关闭。
[0018]在另一实施例中，本系统还包括与所述系统操作连接的计算机。在另一实施例中，所述计算机包括构造为用于执行计算机可读的程序的处理器，所述程序控制所述阀门的位置。在另一实施例中，所述计算机包括构造为用于执行计算机可读程序的处理器，所述程序实现选定波形傅里叶逆变换(SWIFT)隔离算法以对离子进行分离。
[0019]在本系统的某些实施例中，从以下技术中选择一种技术来操作所述电离源:电喷雾电离、纳米电喷雾电离、大气压基质辅助激光解吸电离、大气压化学电离、解吸电喷雾电离、大气压介质阻挡放电电离、大气压低温等离子体解吸电离和电喷雾辅助激光解吸电离。在本系统的另一实施例中，所述捕获装置选自质谱仪的质量分析器、手持式质谱仪的质量分析器以及中间级存储装置。
[0020]在本系统的另一实施例中，所述质量分析器选自四极离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱、离子回旋共振阱和轨道阱。在本系统的另一实施例中，所述中间级存储装置与所述质谱仪的质量分析器或所述手持式质谱仪的质量分析器连接。在相关的实施例中，所述质量分析器选自滤质器、四极离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱、飞行时间质谱仪和扇形磁场质谱仪。在又一实施例中，本系统还包括与所述第二毛细管的远端相连的离子积聚表面。在又一实施例中，本系统还包括与所述管的远端相连的离子积聚表面。在本系统的另一实施例中，所述大气压接口的管由例如硅塑料等惰性塑料构成。在本系统的另一实施例中，所述大气压接口的第一毛细管和第二毛细管由例如不锈钢等惰性金属构成。
[0021]在本系统的某些实施例中，所述阀门以与所述质量分析器的操作同步的方式进行操作，以控制离子的进入。在本系统的另一实施例中，所述不连续的大气压接口与所述质量分析器偏轴地设置。在本系统的另一实施例中，例如聚焦镜筒透镜等离子光学元件位于所述不连续的大气压接口与所述质量分析器之间，以将离子导入所述质量分析器。在本系统的另一实施例中，所述系统还包括离子光学元件，其位于所述电离源与所述不连续的大气压接口之间，以将离子导入所述质量分析器。
[0022]本发明的另一方面提供一种成套工具，其包括上述装置和容器。本发明的另一方面提供一种成套工具，其包括上述系统和容器。在某些实施例中，所述成套工具包括使用说明。
[0023]本发明的另一方面提供一种将处于大气压的离子不连续地传送至压强降低的捕获装置中的方法，所述方法包括:打开与大气压接口相连的阀门，其中打开所述阀门使得可以将基本处于大气压的离子传送至压强降低的捕获装置；以及关闭与大气压接口相连的阀门，其中关闭所述阀门防止基本处于大气压的离子继续传送至压强降低的捕获装置。
[0024]在某些实施例中，在打开所述阀门之前，所述方法还包括将分子转变为气相离子的转变步骤。在其它实施例中，所述转变步骤选自电喷雾电离、纳米电喷雾电离、大气压基质辅助激光解吸电离、大气压化学电离、解吸电喷雾电离、大气压介质阻挡放电电离、大气压低温等离子体解吸电离和电喷雾辅助激光解吸电离。
[0025]在本方法的另一实施例中，通过与大气压接口操作连接的计算机控制所述阀门的打开和关闭。在本方法的另一实施例中，所述捕获装置选自质谱仪的质量分析器、手持式质谱仪的质量分析器以及中间级存储装置。在本方法的另一实施例中，所述质量分析器选自四极离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱、离子回旋共振阱和轨道阱。在本方法的另一实施例中，所述中间级存储装置与所述质谱仪的质量分析器或所述手持式质谱仪的质量分析器连接。在相关的实施例中，所述质量分析器选自滤质器、四极离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱、离子回旋共振阱、轨道阱、飞行时间质谱仪和扇形磁场质谱仪。
[0026]在本方法的某些实施例中，当所述阀门打开时，所述质量分析器的电压被设置为接地。在本方法的其它实施例中，在将离子传送至所述质量分析器内并且关闭阀门之后，由所述质量分析器保持所述离子以进行进一步操作。在本方法的另一实施例中，在进一步操作之前，离子被冷却并且压强进一步降低。在本方法的又一实施例中，进一步操作包括对离子的质量分析。
[0027]在本方法的某些实施例中，所述计算机使所述阀门的打开和关闭与所述质量分析器中的所述离子质量分析的顺序同步。在本方法的相关实施例中，所述计算机所述阀门的打开和关闭与所述质量分析器中的允许离子串联质量分析的步骤的顺序同步。
[0028]在本方法的另一实施例中，所述大气压接口还包括:管，其中所述管的外部与所述阀门对准；以及第一毛细管和第二毛细管，所述第一毛细管插入所述管的第一端，所述第二毛细管插入所述管的第二端，其中所述第一毛细管和所述第二毛细管均不与所述管的与所述阀门对准的部分重叠。在本方法的另一实施例中，所述大气压接口还包括:管，其中所述管的外部与所述阀门对准。在本方法的相关实施例中，所述阀门选自夹管阀、薄板挡板阀和针阀。
[0029]在本方法的另一实施例中，在将分子转变为离子后，将离子存储在与处于大气压的所述第二毛细管的远端相连的功能表面上，其中从连续工作的离子源向所述功能表面连续地供给离子。在本方法的另一实施例中，在将分子转变为离子后，将离子存储在与处于大气压的管的远端相连的功能表面上，其中从连续工作的离子源向所述功能表面不断地供给离子。在相关的实施例中，存储在所述功能表面上的离子随后通过大气压接口传送至捕获装直。
[0030]在本方法的另一实施例中，所述大气压接口的第一毛细管和第二毛细管具有基本相同的外径。作为选择，所述第一毛细管和所述第二毛细管具有不同的外径。在本方法的另一实施例中，所述大气压接口的第一毛细管和第二毛细管具有基本相同的内径。作为选择，所述第一毛细管和所述第二毛细管具有不同的内径。在本方法的另一实施例中，所述第二毛细管的内径小于所述第一毛细管的内径。
[0031]本发明的另一方面提供一种将离子不连续地传送至质谱仪中的方法，所述方法包括:打开与大气压接口相连的阀门，其中打开所述阀门使得可以将基本处于大气压的离子传送至压强降低的质谱仪；以及关闭与大气压接口相连的阀门，其中关闭所述阀门防止基本处于大气压的离子继续传送至压强降低的质谱仪。

【专利附图】

【附图说明】
[0032]图1是连接在具有矩形离子阱(RIT)的小型质谱仪上的不连续的大气压接口的示意图。
[0033]图2a是利用不连续的大气压接口进行质量分析的典型扫描功能的水平时间图。
[0034]图2b是在DAPI (不连续的大气压接口)的打开时间为20ms (毫秒)且关闭时间为800ms的扫描过程中测量到的支管压强的水平时间图。
[0035]图3a是使用DAPI时记录的5ppm(百万分之五)的咖啡因和可卡因溶液的纳米电喷雾电离质谱以及该质谱的局部放大图，其中离子导入时间为20ms并且冷却时间为500ms ο
[0036]图3b是使用DAPI时记录的50ppb (十亿分之五十)的甲基苯丙胺、可卡因和海洛因的混合溶液的纳米电喷雾电离质谱，其中离子导入时间为25ms并且冷却时间为500ms。
[0037]图4a是500ppb(十亿分之五百)的甲基苯丙胺、可卡因和海洛因的混合溶液的纳米电喷雾电离质谱。
[0038]图4b是甲基苯丙胺的分子离子的MS/MS质谱，其中质荷比(m/z)为150，SWIFT (存储波形傅里叶逆变换)陷波为300至310kHz (千赫兹)，且激发AC(交流电)的频率为10kHz。
[0039]图4c是可卡因的分子离子的MS/MS质谱，其中质荷比为304，SWIFT陷波为300至310kHz，且激发AC的频率为10kHz。
[0040]图4d是海洛因的分子离子的MS/MS质谱，其中质荷比为370，SWIFT陷波为300至310kHz，且激发AC的频率为100kHz。
[0041]图5a是离子导入时间为20ms的500ppb的赖氨酸溶液的ESI质谱。
[0042]图5b是离子导入时间为20ms的混合空气的50ppb的DMMP (甲基磷酸二甲酯)的APCI (大气压化学电离)质谱。
[0043]图6是特氟隆(Teflon，聚四氟乙烯)表面上的可卡因的DESI质谱，其中离子导入时间为15ms，冷却时间为500ms，并且去除了背景干扰。
[0044]图7a是对BIC Round Stic圆珠笔的黑色墨水进行直接分析得到的DESI质谱。
[0045]图7b是对BIC Round Stic圆珠笔的蓝色墨水进行直接分析得到的DESI质谱。
[0046]图8是400ppb(十亿分之四百)的甲基苯丙胺、可卡因和海洛因的混合溶液的纳米电喷雾电离质谱。
[0047]图9a是与小型质谱仪和纳米电喷雾电离源连接的不连续的大气压接口的示意性正视图。
[0048]图9b是与小型质谱仪和使用电晕放电的大气压化学电离源连接的不连续的大气压接口的示意性正视图。
[0049]图10是萘蒸气的APCI质谱。
[0050]图11是不连续的API和RIT(矩形离子阱)的组合的偏轴结构的示意性正视图，其避免气体直接喷射到RIT中。聚焦镜筒透镜用于将离子束导入RIT。
[0051]图12是经由管道与用于积聚离子和释放离子的功能内表面连接的不连续的大气压接口的示意性正视图。离子在规定的时间内在该内表面上积聚，然后通过不连续的大气压接口被送入质量分析器。

【具体实施方式】
[0052]对于离子阱型质谱仪，在使用传统的常开API的情况下不能有效地利用抽吸容量。通常允许离子仅在每个扫描周期的一部分进入离子阱，然而中性物不断地泄漏到真空支管中，并需要将中性物抽离以保持质量分析通常所需的低压。尽管使用离子阱的质量分析通常要求几毫托或更小的理想压强，然而可在比所述理想压强高得多的压强捕获离子。(Shaffer, S.A.；Tang, K.Q.；Anderson, G.A.；Pr1r, D.C.；Udseth, H.R.；Smith, R.D.RapidCommunicat1ns in Mass Spectrometryl997,11,1813-1817)利用离子讲的该特性，在此提出一种可选的大气压接口，即不连续的大气压接口(DAPI)，以在具有离子捕获部件的质谱仪的规定抽吸容量下达到最大的离子传送率。不连续的API的概念是指:在离子导入过程中打开大气压接口的通道，然后在每次扫描过程中关闭所述通道以随后进行质量分析。与传统的连续API相比，不连续的API可以使用具有大得多的流导的离子传送通道。当打开通道以使离子导入量最大时，支管内的压强暂时明显上升。可以断开所有高电压并仅接通低电压RF，以便在该期间内捕获离子。在导入离子后关闭通道，并且在可接通高电压且可以在高电压下扫描RF以进行质量分析时，使压强在一段时间内下降至理想压强以进行进一步的尚子处理或质量分析。
[0053]不连续的API以受控的方式打开和关闭气流。当API打开时，真空支管内的压强上升，而当API关闭时，真空支管内的压强下降。不连续的大气压接口与捕获装置(例如质量分析器或中间级存储装置)的结合允许离子包以最大导入率进入具有特定抽吸容量的系统。
[0054]新的不连续导入模式的API中的压强限制部件可以使用大得多的开口。在API打开的短时间内，离子捕获装置在低RF电压的捕获模式下工作，以存储引入的离子；同时，断开其它部件(例如转换打拿极或电子倍增器)上的高电压，以避免对这些处于较高压强的装置和电子设备造成损害。然后可以关闭API，以使支管内的压强回落至质量分析的理想值，这时在阱中对离子进行质量分析，或者将离子传送至真空系统内的另一质量分析器以进行质量分析。通过以不连续的方式操作API而实现的双压模式使离子传导率最大化，并使具有一定抽吸容量的质量分析的条件最优化。
[0055]本发明的设计目的在于，在保持质量分析器的最佳真空压强的同时具有最大的开口，取决于质量分析器的类型，该理想真空压强在10_3托至10_1(1托之间。大气压接口中的开口越大，则传送至真空系统以及质量分析器中的离子流越大。
[0056]设计了一种结构简单的装置，以使用MinilO质谱仪对不连续的API的概念进行测试。在文献 Gao, L.；Song, Q.；Patterson, G.E.；Cooks, R.G.；0uyang, Z.Anal.Chem.2006,78,5994-6002中示出了 MinilO手持式质谱仪。与功率为几千瓦特的用于实验室仪器的抽吸系统相比，MinilO质谱仪的18W的抽吸系统仅具有5L/min(升/分钟)(0.3m3/hr)(立方米/小时)的隔膜泵和llL/s (升/秒)的涡轮泵。不连续的API被设计用于使大气压强区域与真空支管直接相连，而无需使用任何中间真空级。由于较大量的空气在离子导入的过程中泄漏到支管中，所以优选以利用空气作为缓冲气体的性能较好的阱作为不连续的API的质量分析器。在MinilO手持式质谱仪中使用矩形离子阱进行质量分析，在前文已经阐明了具有空气缓冲气体的所述矩形离子讲的性能。(Gao,L.；Song,Q.；Patterson,G.E.；Cooks, R.G.;0uyang，Z.Anal.Chem.2006，78，5994-6002)将包括 ES1、APCI 和 DESI 的多种大气压强电离方法与MinilO手持式质谱仪结合，达到了与实验室用的测量仪相当的检测极限(LOD)，同时还保持了单位分辨率和串联质谱测定效率。
[0057]图1中示出了第一实施例，其中使用夹管阀来打开和关断将大气压区域与真空区域相连的硅胶管中的通路。使用常闭夹管阀(390NC24330，ASCO Valve Inc.，Florham Park，NJ)来控制真空支管的通向大气压区域的开口。两个不锈钢毛细管与硅塑料管相连，由夹管阀控制该硅塑料管的开/闭状态。与大气相连的不锈钢毛细管是限流元件，其ID(内径)为250μπι(微米)，OD(外径)为1.6_(1/16〃)(1/16英寸)，并且长度为1cm0位于真空侧的不锈钢毛细管的内径为1.0mm，外径为1.6mm(l/16〃)，并且长度为5.0cm。硅塑料管的内径为1/16"，外径为1/8"，并且长度为5.0cm。两不锈钢毛细管均接地。MinilO手持式质谱仪的抽吸系统包括抽吸速度为5L/min(升/分钟)(0.3m3/hr)的两级式隔膜泵1091-N84.0-8.99 (KNF Neuberger Inc.，Trenton, NJ)，和抽吸速度为 llL/s 的 TPDOll 混合润轮分子泵(Pfeiffer Vacuum Inc., Nashua, NH)。
[0058]当对夹管阀持续通电并且硅塑料管持续打开时，流导很高，以至于在隔膜泵工作时真空支管中的压强高于30托。测量到的离子传送效率为0.2%，该传送效率与具有连续API的实验室用的质谱仪的传送效率相当。然而，在所述这些状况下，不能接通TPDOll混合涡轮分子泵。在夹管阀断电后，硅塑料管受到挤压而关闭，随后可以开启涡轮泵，以将支管抽吸至其最终压强，该最终压强处于IX1-5托的范围内。
[0059]使用离子阱执行质量分析的操作顺序通常包括(但不限于):离子导入、离子冷却和RF(射频)扫描。在首先通过抽吸使支管压强降低后，执行如图2a所示的扫描功能，以便为了实施离子导入和质量分析而在打开和关闭模式之间切换。在电离过程中，为夹管阀通入24VDC(直流电)，并且打开API。在该阶段内，RIT端电极I上的电位也被设置为接地。已经发现夹管阀的最小响应时间为1ms,并且将15ms到30ms之间的电离时间用作不连续的API的特性值。在关闭API之后，执行冷却操作，冷却时间在250ms到500ms之间，以使压强下降并且使离子通过与背景空气分子碰撞而冷却。然后接通电子倍增器上的高电压，并且扫描RF电压以进行质量分析。
[0060]在不连续的API的操作过程中，可以使用Mini 10上的微型皮拉尼真空计(MKS925C, MKS Instruments, Inc.Wilmington, MA)来监视支管中的压强变化。当打开时间为20ms且关闭时间为850ms时，记录皮拉尼真空计的读数并如图2b所示地画出这些读数。测量到压强在8 X 10_2托和IX 10_3托之间变化。对具有不同流导的毛细管进行测试以作为限流元件，包括内径为127μπι和内径为500μπι的1cm长的毛细管。已经发现，当使用内径为127 μ m的1cm长的毛细管时,灵敏度明显下降,而当使用内径为500 μ m的1cm长的毛细管时，需要长得多的冷却时间(2秒至3秒)来使压强下降。
[0061]在MinilO质谱仪上使用不同的大气电离源，以检验该不连续的大气压接口的性能。质量分析使用5000m/z (质荷比)每秒的扫描速度，同时使用350kHz的共振激发AC和-1600V的电子倍增器电压来进行离子检测。以1:1的甲醇水和0.5%的乙酸制备用于ESI和纳米ESI的试样溶液。对由甲基苯丙胺、可卡因和海洛因组成的250ppm(百万分之二百五十)的标准乙臆药物混合溶液(Alltech-Applied Science Labs, State College, PA)进行稀释，以制备不同浓度的试样。
[0062]首先使用纳米ESI源确定MinilO质谱仪上的不连续的API的特征，该纳米ESI源由装备在外壳中的纳米喷嘴构成。(ffilm, M.；Mann, M.Anal.Chem.1996,68,1-8 ；Pan, P.；Gunawardena, H.P.；Xia, Y.；Mckuckey, S.A.Anal.Chem.2004, 76,1165-1174)施加 1.3kV 到
2.5kV之间的喷雾电压。使用带有不连续的API的MinilO质谱仪对含有5ppm的咖啡因和可卡因的试样溶液进行分析。在DAPI的20ms的离子导入过程中，RF电压设置成60质荷比(m/z)的下质量截止(LMCO)电压，相应于约160V”，并扫描至450质荷比(UOOVchp)M记录如图3a所示的质谱。观察到咖啡因的质子化分子为195质荷比，可卡因的质子化分子为304质荷比。尽管在高得多的压强下导入分子，但在约5毫托的压强下进行质量分析并且得到单位分辨率。同样在离子导入时间为20ms的情况下对含有50ppb的甲基苯丙胺、可卡因和海洛因的另一试样溶液进行分析(如图3b所示)。由于使用的浓度低得多，所以该试样的信噪比较低，但是表明该试样可以达到比50ppb更低的LOD(检测极限)。还对含有400ppt (万亿分之四百)的甲基苯丙胺、可卡因和海洛因的另一试样溶液进行分析(图8)，表明检测极限低于400ppt。
[0063]通过使用改变的扫描功能，也可以用不连续的API进行串联质谱测定，所述改变的扫描功能在冷却阶段和RF扫描阶段之间具有另外两个阶段:离子隔离阶段和离子激发阶段。首先通过施加SWIFT波形而将离子隔离，随后通过施加激发AC而经由CID (碰撞诱导解离)使离子分裂。(Gao, L.；Song, Q.；Patterson, G.E.；Cooks, R.G.；0uyang, Z.Anal.Chem.2006，78，5994-6002)在20ms的离子导入阶段和500ms的冷却阶段后，支管内的压强在毫托范围内，CID的条件与先前没有大气压接口时使用的条件相同。(Gao，L.；Song, Q.；Patterson, G.E.； Cooks, R.G.； Ouyang, Z.Anal.Chem.2006, 78, 5994-6002)不再加入另外的碰撞气体，而是将支管中的剩余空气用作碰撞气体。使用具有纳米ESI源和不连续的API的MS/MS质谱仪对含有500ppb的甲基苯丙胺、可卡因和海洛因的试样溶液进行分析。使用陷波窗口在300kHz到310kHz之间的波形来对前体离子进行隔离，然后使用10kHz的激发AC来进行CID。在图4中记录并示出了混合物的MS质谱和各种成分的MS2质谱。观察到了这三种化合物的质子化分子的典型分裂模式。
[0064]对于串联质量分析，在离子导入步骤和最终RF扫描步骤之间加入另外的操作，包括:离子隔离、离子激发和离子冷却。夹管阀的操作与离子光学和RIT扫描的操作同步。在该特定情况下，夹管阀打开约20ms，在该期间内，通过将RIT的端电极I的电压设置为接地以使离子能够进入真空支管，进而使离子能够进入RIT ;在该期间内，支管内的压强上升。在关闭夹管阀后，离子在RIT中的捕获时间达数百毫秒，并且支管内的压强逐渐下降至质量分析的最佳值。随后为离子检测器接通高电压，对施加在RIT上的RF进行扫描，从而根据质量选择性地激发离子，并且还可以同时施加辅助AC以进行共振激发。该质量分析步骤的顺序可以重复。
[0065]使用不连续的API和MinilO质谱仪以ESI源对氨基酸进行分析。喷射方向与接口的不锈钢管成30°角，以使导入真空系统的中性液滴的量最小化。在3kV的高电压和80psi (磅/平方英寸)的鞘气压下以0.5 μ Ι/min (微升/分钟)的流速喷射试样。记录离子导入时间为20ms的含有500ppb的赖氨酸的溶液的ES1-MS质谱，如图5a所示。观察到质子化分子[M+N] + (m/zl47)和质子化二聚体[2M+N] + (m/z293)。
[0066]除了 ESI (图9a)之外，本实验装备还可以使用其它的电离方法。如图9b所示，将使用钼丝进行电晕放电的大气压化学电离源与不连续的大气压接口一起使用。以卫生球散发的蒸气作为试样，并且如图10中所示记录萘和其它化学成分的质谱。
[0067]利用化学战模拟剂甲基磷酸二甲酯(DMMP)和APCI源来验证使用不连续的API的气体试样分析，如前所述，APCI源与MinilO质谱仪一同使用，并使用不锈钢电晕放电针。(Carroll, D.1.；Dzidic, 1.；Stillwell, R.N.；Haegele, K.D.；Horning, E.C.Anal.Chem.1975，47，2369-2373 ;Laughlin，B.C.;Mulligan，C.C.;Cooks，R.G.Anal.Chem.2005，77,2928-2939)放电针设置在距离不锈钢毛细管入口 5mm的地方，其上加有3kV的电压。将容纳有50ppb的混合空气的DMMP的烧瓶放置在放电针下方，并从烧瓶上取下瓶塞，以使试样逸出。如图5b所示，记录离子导入时间为20ms的质谱。观察到质子化分子[M+H] + (m/zl25)和质子键合的二聚体[2M+H] + (m/z249)。对该50ppb浓度的试样进行的分析获得了良好的信噪比。在另一试验中，观察到含有1ppb (十亿分之十)的DMMP的空气试样的信噪比为50,基于此估计出LOD为Ippb (十亿分之一)以下。
[0068]为了验证使用不连续的API的直接环境取样法，将DESI源设置为用于直接从表面分析试样。通过将含有5ppm的可卡因的5μ I甲醇水(I:1)溶液沉积在特氟龙表面上的2 X 3mm的区域内来制备试样。在试样风干后，使用带有DESI和不连续的API的MinilO质谱仪来分析该试样。在3kV的喷雾电压下以10ml/min(毫升/分钟)的流速喷射比例为1:1的甲醇水溶剂，以形成取样带电液滴。采用55°的喷射角和10°的接受角，并使用120psi的鞘气压。喷嘴和特氟龙表面之间的距离为约2mm，并且取样面积被估计为1mm2。在15ms的离子导入时间下分析特氟龙表面上的试样区域和空白区域，并且记录空白区域的质谱以用作背景消除。表面上的固体可卡因被DESI解吸并电离，并且观察到质子化分子m/z304(图6)。
[0069]还进行表面上的直接墨水分析来验证使用包括DES1、不连续的API和MinilO质谱仪的仪器套件的快速现场分析。分别用BIC Round Stic黑色圆珠笔和BIC Round Stic蓝色圆珠笔在一张打印纸(Xerox Corporat1n,Rochester,NY)上画两个2mmX3mm的点。除了溶剂的甲醇水比为9:1以外，DESI的实验条件与上述的实验条件相同。在15ms的离子导入时间下分析纸张上的两个试样区域，并且记录质谱，如图7所示。在黑色圆珠笔墨水中发现了对应于峰值m/z372的碱性紫3 (图7a)，而在蓝色圆珠笔墨水中发现了碱性紫3和碱性蓝26(m/z470)(图7b)。观察到的蓝色圆珠笔墨水和黑色圆珠笔墨水的峰值m/z358和m/z344 据称为碱性紫 3 的氧化脱甲基产物。(Ifa, D.R.；Gumaelius, L.M.；Eberlin, L.S.；Manicke, N.E.；Cooks, R.G.Analyst2007,132,461-467 ；Grim, D.M.；Siegel, J.；Allison,J.J.Forensic Sc1.2002，47，1265-1273)
[0070]可以使用不连续的大气压接口的多种装置在压强不同的两个区域之间传送离子，打开所述大气压接口以允许离子传送，并在传送离子后关闭所述大气压接口，从而能够形成不同的气压，由此以有限的抽吸容量实现在压强不同的两个区域之间的高效离子传送。
[0071]虽然结合所示的优选实施例公开了这些技术特征，但是，本领域的技术人员可以明显看出，在由后附权利要求所限定的本发明的精神范围内可以做出本发明的其它实施例。所有参考文献，包括已出版的专利和已公开的专利申请，均以引用的方式整体并入本文。
【权利要求】
1.一种分析系统，所述系统包括: 电离源，其于大气中产生气相离子的连续流； 不连续的大气压接口，其接收来自所述电离源的气相离子；和小型质谱仪的质量分析器，其不连续地接收来自所述不连续的大气压接口的离子而无需使所述离子穿过任何中间真空级，所述系统经构造以使得所述质量分析器间歇地与大气相通一段时间，引致所述质量分析器内的压力增加到高于可以进行质量分析或离子操纵的压力，并且在所述质量分析器被抽空到可以进行质量分析或离子操纵的压力时，间歇地阻止所述质量分析器接收任何离子。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述不连续的大气压接口包括阀门。
3.根据权利要求2所述的系统，其进一步包括与所述系统操作连接的计算机，其中所述计算机包括构造为用于执行计算机可读程序的处理器，所述程序控制所述阀门的位置。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述阀门以与所述质量分析器的操作同步的方式进行操作，以控制离子的进入。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电离源通过选自以下的技术进行操作:电喷雾电离、纳米电喷雾电离、大气压基质辅助激光解吸电离、大气压化学电离、解吸电喷雾电离、大气压介质阻挡放电电离、大气压低温等离子体解吸电离、激光辅助电喷雾电离和电喷雾辅助激光解吸电离。
6.根据权利要求 1所述的系统，其中所述小型质谱仪是手持式质谱仪。
7.—种分析样品的方法,所述方法包括: 在大气中从样品产生气相离子的连续流； 在无需使所述离子穿过任何中间真空级的情况下并且以如下方式不连续地传递所述离子到小型质谱仪的质量分析器，在所述方式中所述质量分析器间歇地与大气相通一段时间，引致所述质量分析器内的压力增加到高于可以进行质量分析或离子操纵的压力，并且在所述质量分析器被抽空到可以进行质量分析或离子操纵的压力时，间歇地阻止所述质量分析器接收任何离子；和 分析传递到所述质量分析器内的离子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中不连续地传递包括: 打开连接到所述不连续的大气压接口的阀门，其中打开所述阀门允许离子穿过所述不连续的大气压接口到达所述小型质谱仪的所述质量分析器；和关闭所述阀门。
9.根据权利要求8所述的方法，其中计算机将所述阀门的打开和关闭与所述离子的质量分析的顺序同步。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述小型质谱仪是手持式质谱仪。
11.一种分析系统，所述系统包括: 电离源，其于大气中产生气相离子的喷雾； 不连续的大气压接口，其接收来自所述电离源的气相离子；和小型质谱仪的质量分析器，其不连续地接收来自所述不连续的大气压接口的离子而无需使所述离子穿过任何中间真空级，所述系统经构造以使得所述质量分析器间歇地与大气相通一段时间，引致所述质量分析器内的压力增加到高于可以进行质量分析或离子操纵的压力，并且在所述质量分析器被抽空到可以进行质量分析或离子操纵的压力时，间歇地阻止所述质量分析器接收任何离子。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述不连续的大气压接口包括阀门。
13.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括与所述系统操作连接的计算机，其中所述计算机包括构造为用于执行计算机可读程序的处理器，所述程序控制所述阀门的位置。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述阀门以与所述质量分析器的操作同步的方式进行操作，以控制离子的进入。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述喷雾是连续喷雾。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述喷雾是不连续喷雾。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述电离源通过纳米电喷雾电离或脉冲纳米电喷雾电离的技术进行操作。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述小型质谱仪是手持式质谱仪。
19.一种分析样品的方法,所述方法包括: 在大气中从样品产生气相离子的喷雾； 在无需使所述离子穿过任何中间真空级的情况下并且以如下方式不连续地传递所述离子到小型质谱仪的质量分析器，在所述方式中所述质量分析器间歇地与大气相通一段时间，引致所述质量分析器内的压力增加到高于可以进行质量分析或离子操纵的压力，并且在所述质量分析器被抽空到可以进行质量分析或离子操纵的压力时，间歇地阻止所述质量分析器接收任何离子；和 分析传递到所述质量分析器内的离子。
20.根据权利要求19所述的方法，其中不连续地传递包括: 打开连接到所述不连续的大气压接口的阀门，其中打开所述阀门允许离子穿过所述不连续的大气压接口到达所述小型质谱仪的所述质量分析器；和 关闭所述阀门。
21.根据权利要求20所述的方法，其中计算机将所述阀门的打开和关闭与所述离子的质量分析的顺序同步。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述小型质谱仪是手持式质谱仪。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述喷雾是连续喷雾。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述喷雾是不连续喷雾。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述电离源通过纳米电喷雾电离或脉冲纳米电喷雾电离的技术进行操作。
【文档编号】H01J49/00GK104051219SQ201410195435
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2008年5月30日 优先权日:2007年6月1日
【发明者】Z·欧阳, L·高, 罗伯特·格雷厄姆·库克斯 申请人:普度研究基金会