小型化便携式质谱仪及用于产生水团簇离子的离子源装置的制作方法

本发明涉及质谱仪系统技术领域，涉及一种集成于小型化便携式质谱仪的电喷雾电离源装置，尤其涉及一种用于产生水团簇离子的离子源装置。

背景技术：

质谱分析方法在物质分析和检测中具有很高的灵敏度，是世界上应用最广泛的分析技术之一。目前，质谱仪已经成为许多领域的必备分析仪器，并在制药、生命科学、环境监测和保护、食品安全、兴奋剂检测、边防安检、航天和军事技术等诸多热点领域发挥着越来越重要的作用。一套完整的质谱仪器一般由离子源、离子传输部分、质量分析器、检测器、真空系统、电路控制和数据采集系统等部分组成。质谱仪在物质分析及成分鉴定中具有很高的灵敏度和分辨率，其基本工作原理是：首先把被检测的物质电离成离子，通过电场或磁场将离子按质荷比(m/z)的大小进行分离，然后通过离子检测器检测这些被分离的离子，从而得到质谱图；通过对质谱图的分析，即可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量信息。在质谱仪中，将物质电离的部件被称为离子源，对离子进行质量分析的部件被称为质量分析器，离子源和质量分析器是组成质谱仪的两个关键部件。

在质谱仪的发展历程中，离子源扮演了非常重要的角色。在对物质进行质量分析之前，必须先把中性物质电离成离子。过去几十年来，许多电离源不断涌现，包括激光溅射(ls)、电子轰击离子源(ei)、化学电离源(ci)、激光气化源(lv)、电喷雾电离源(esi)、基质辅助激光解析电离源(maldi)、直接实时分析(dart)、场致电离/场解吸电离源(fi/fd)、激光解吸源(ld)、快原子轰击源(fab)、大气压化学电离源(apci)等，这些离子源在功能上各有所长，但是大多数还是需要在真空条件下使用或者在测定前需要对样品进行预处理，不利于对固体样品进行连续、实时、高通量的分析。2002年获诺贝尔化学奖的电喷雾电离源技术是近年来发展较为迅速的一种常压软电离技术，由johnb.fenn于上世纪80年代首次运用到质谱上，它的特别之处在于引入了高极性非挥发性化合物溶液的同时，能够使分析物离子化，通常可以作为生物分子以及多电荷团簇离子的研究。

目前一些新型的电喷雾离子源接口也陆续出现，例如纸基电喷雾、碳纤维喷雾器、木质尖端电喷雾、多通道电喷雾离子源、冷喷雾离子化、电喷雾解析离子化(desi)、电喷雾萃取离子化(eesi)技术等等，这些基于电喷雾的离子化技术的很多重要发展都是源自于johnb.fenn的开拓性工作。在电喷雾电离源(esi)中，样品首先被溶解在水以及其他的溶剂里，在输送样品溶液的毛细管出口端与对应电极之间施加数千伏的高电压，就会在毛细管出口形成圆锥状的液体锥，在强电场的作用下，引发正、负离子的分离，生成带有高电荷的泰勒锥，从而能够稳定喷雾。喷出的大的带电荷的样品离子液滴由于溶剂的汽化，随着液滴体积的逐渐缩小，液滴的电荷密度超过了表面张力极限，就会引起液滴自发的分裂，最终导致离子从带电液滴中蒸发出来，产生单电荷或者多电荷的离子。在样品离子形成过程中，如果离子团簇不能充分汽化分离，就会降低样品的离子化效率。在很多商业仪器里，大都是通过对辅助气体加热或在离子传输装置外缠绕加热带的方法提高其灵敏度，这些方法虽然可以不同程度的提高离子源的灵敏度，但抑或过于复杂，抑或大幅增加仪器体积而不利于质谱仪器的小型化研究。

因此，如何得到一种电喷雾电离源装置，结构简单而且体积小，产生离子喷雾强度稳定，适合于小型化发展的大趋势，已成为行业内各一线研发人员广泛关注的焦点之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于产生水团簇离子的离子源装置，结构简单、体积小，在检测过程中能够保持稳定，还具有较高的灵敏度和稳定性，高度和距离调节方便。

本发明还提供了一种应用上述离子源装置的小型化便携式质谱仪。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于产生水团簇离子的离子源装置，包括依次连接的供液系统、第一毛细管、第二两通转接头和第二毛细管，还包括高电压加载机构；

所述第二毛细管的喷雾出口为平整的切割端面。

优选的，所述第二两通转接头为金属材质；所述高电压加载机构包括两路，第一路加载于所述第二两通转接头，第二路加载于所述第二毛细管的出口端。

优选的，所述第一路包括导线，所述导线缠绕在所述第二个两通转接头表面上；

所述第二路包括金属管，所述第二毛细管从所述金属管的内孔里穿过，，且所述第二毛细管的出口端与所述金属管接触。

优选的，还包括质谱仪进样级腔体，所述第二毛细管的喷雾出口安装在所述质谱仪进样级腔体里。

优选的，所述第二毛细管的喷雾出口位置可调节安装在所述质谱仪进样级腔体里。

优选的，还包括设置在所述质谱仪进样级腔体上的安装座，所述第二毛细管设置在所述安装座内。

优选的，所述供液系统包括依次连接的注射泵、注射器、针头和第一两通转接头。

一种小型化便携式质谱仪，包括电喷雾电离源和离子传输线，所述电喷雾电离源为上述的用于产生水团簇离子的离子源装置。

优选的，所述离子传输线的电路系统中集成有高压电源，所述离子源装置的高电压加载机构连接于所述高压电源。

从上述的技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明针对目前的电喷雾电离源(esi)中，大多是通过对辅助气体加热或在离子传输装置外缠绕加热带的方法提高其灵敏度，但存在设备过于复杂或大幅增加仪器体积，不利于小型化研究的缺陷；本发明提出了一种简单的用于产生水团簇离子的离子源装置，从对整个喷雾过程起决定性作用的溶液参数方向入手，在电喷雾离子源本身没有加热装置的前提下，从石英毛细管喷雾出口切面和喷雾出口所处的环境两个角度出发，采用毛细管切面平整度高和光滑无毛疵，对液滴的体积进行控制，生成稳定的喷雾，从而有效的进行去溶剂化过程；采用质谱仪进样级腔体，防止外界环境(风，空气中的灰尘等)对离子喷雾强度的影响和干扰。两种措施对提高电喷雾效率，降低仪器检测限起到了一定的效果。本发明提供的用于产生水团簇离子的离子源装置，具有结构简单，灵敏度和稳定性较高，调节方便等特点。实验结果表明，采用本发明实施例提供的离子源装置，能够生成稳定的喷雾，灵敏度高，降低仪器的检测限。本发明还提供了一种应用上述离子源装置的小型化便携式质谱仪。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于产生水团簇离子的离子源装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的质谱仪实验样品测试图。

其中，1为注射泵，2为注射器，3为注射器的针头，4为第一两通转接头，5为第一毛细管，6为第二两通转接头，7为质谱仪进样级腔体上固定第二两通转接头的卡座，8为导线，9为第二毛细管，10为螺丝，11为安装座，12为固定于安装座内部的金属管，13为离子传输线的采样锥，14为质谱仪进样级腔体，15为离子传输线上嵌套的加热铜块，16为高压电源。

具体实施方式

本发明的核心在于公开了一种用于产生水团簇离子的离子源装置，结构简单、体积小，在检测过程中能够保持稳定，还具有较高的灵敏度和稳定性，高度和距离调节方便。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的用于产生水团簇离子的离子源装置，其核心改进点在于，包括依次连接的供液系统、第一毛细管5、第二两通转接头6和第二毛细管9，还包括高电压加载机构；第二两通转接头6的内径分别与第一毛细管5的外径和第二毛细管9的外径相适应；

第二毛细管9的喷雾出口为平整的切割端面，即为通过切割方式得到的。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于产生水团簇离子的离子源装置，从对整个喷雾过程起决定性作用的溶液参数方向入手，在电喷雾离子源本身没有加热装置的前提下，从第二毛细管喷雾出口结构出发，采用毛细管切面平整度高和光滑无毛疵，对液滴的体积进行控制，生成稳定的喷雾，从而有效的进行去溶剂化过程，同时灵敏度高，降低仪器的检测限，结构简单；小尺寸的喷雾口(如喷针形式)虽然也能产生样品离子喷雾，但是由于喷雾口较小，容易被样品堵塞使质谱信号强度逐渐变弱；本方案克服了这样的问题，喷雾口是通过切割方式实现，切口的平整度对离子喷雾的影响很大，切口越平滑越容易电离，显著解决挂滴现象；而且离子源装置本身没有载气或者加热的装置，能有效减小体积，借助质谱仪器离子传输线本身的加热装置，同样可以提高溶剂化的能力。

作为优选，第二两通转接头6为金属材质；高电压加载机构包括两路，第一路加载于第二两通转接头6，从而作用在毛细管上，第二路加载于第二毛细管9的出口端，以提供更合理的电场梯度，优化电离效果。

在本方案提供的具体实施例中，第一路包括导线8，该导线8缠绕在第二个两通转接头6的金属表面上加载高压，并可用绝缘胶带固定；通过在施加高压的导线8外面用绝缘胶带缠绕固定，避免高压暴露在外面，更稳定和安全，其结构可以参照图1所示，以方便导电、安全操作、便于操作和实施为优选方案；本发明对所述导线的长度没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规长度即可，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整，本发明所述导线的长度优选为10～15cm；

第二路包括金属管12，第二毛细管9从金属管12的内孔里穿过，第二毛细管9的出口端与金属管12接触；则第二路高电压加载在与第二毛细管9出口端接触的金属管12上。如图1所示，在本实施例中第二毛细管9的安装座11(这里为peek即聚醚醚酮圆柱体)上有两个金属接口，其一是用于与高压导线8相连，其二是金属管12，用于第二毛细管9从金属管12的内孔里穿过，金属管12固定于peek圆柱体安装座11内部。

为提高整体装置的可操作性和稳定性，本发明实施例提供的用于产生水团簇离子的离子源装置，优选还包括质谱仪进样级腔体14，该质谱仪进样级腔体14和质谱仪离子传输级腔体相连接，离子源装置的离子喷雾端-第二毛细管9的喷雾出口安装在质谱仪进样级腔体14里。与以往的电喷雾电离源不同，本装置在喷雾出口外部加带有观察窗的腔体，有效减小周围环境(风，灰尘等)对离子喷雾的影响，增加了离子强度和稳定性，并且该腔体与质谱仪离子传输级腔体进行连接，实现了该离子源装置集成于质谱仪系统上，适用于便携式质谱仪。第二个两通转接头6通过卡座7固定在质谱仪进样级腔体14上。

进一步的，第二毛细管9的喷雾出口位置可调节安装在质谱仪进样级腔体14里，以可以调节离子源装置的喷雾出口与离子传输线入口的角度和距离，该装置使喷雾与离子传输线之间的距离以及角度的调节更方便，从而减少周围环境对产生的离子喷雾的影响，提高离子喷雾的稳定性和强度。

本发明实施例提供的用于产生水团簇离子的离子源装置，还包括设置在质谱仪进样级腔体14上的安装座11，第二毛细管9设置在安装座11内。其结构可以参照图1所示，安装座11(这里为peek圆柱体)通过螺丝10固定在质谱仪进样级腔体14上端；通过螺丝10可以调节peek圆柱体11的角度和高度，进而实现改变第二毛细管9喷雾出口的位置，即可以调节离子源装置的喷雾出口与离子传输线入口的角度和距离，调节更方便，使产生的离子喷雾更稳定。当然，第二毛细管9的安装固定和位置可调节还可以采用其他结构实现，在此不再赘述。

具体的，供液系统包括依次连接的注射泵1、注射器2、针头3和第一两通转接头4。其中的注射泵1可以根据注射器2容量调节进样流速；注射器2固定于注射泵1上，第一两通转接头4用于注射器针头3与第一毛细管5的连接。第一两通转接头4的内径分别与注射器针头3的外径和第一毛细管5的外径相适应。

本发明对注射泵没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于和注射器配合的微量注射泵即可，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整。在本实施例中，所述微量注射泵优选作用于离子源装置的注射器，其作用在于能够形成连续稳定、流量可控的供液系统，在其他实施例中，离子源装置也可以采用其他装置作用与注射器，以方便注射、安全操作、能够形成连续稳定、流量可控的供液系统为优选方案。本发明对所述微量注射泵的流量控制范围没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规微量注射泵的流量控制范围即可，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整，本发明所述微量注射泵的流量控制范围优选为0.1μl/hr～423ml/hr，更优选为1μl/hr～300ml/hr，更优选为10μl/hr～200ml/hr，更优选为0.1～100ml/hr，最优选为1～10ml/hr。

本发明对所述注射器没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于质谱仪进样的注射器即可，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整，本发明所述注射器优选为质谱仪用注射器，更优选为大气压接口质谱仪用注射器。

进一步的，两通转接头(4、6)与毛细管(5、9)之间连接为插入方式，两通转接头两端分别是一个外螺纹管接头，中间是一个螺帽接头，将毛细管直接插入两通转接头一端的外螺纹管接头的衬管里，将外螺纹管接头与螺帽接头采用手拧方式拧紧即可，另一端连接方式相同，使接头成为“一体式”，形成密封良好无渗漏的连接管路，适合用于长期稳定的实验。作为优选，第一两通转接头4和第二两通转接头6均为金属材质如不锈钢。第一毛细管5为peek毛细管，第二毛细管9为石英毛细管。

本发明实施例提供了一种小型化便携式质谱仪，包括电喷雾电离源和离子传输线，其核心改进点在于，电喷雾电离源为上述的用于产生水团簇离子的离子源装置。本方案特别是将熔融石英第二毛细管9作为进样针喷嘴，熔融石英第二毛细管9采用平整切割的方式，离子喷雾出口端的切面平滑度对样品离子化效率有很大的影响和离子强度，切面越平整，离子化效率和离子强度越高，能够有效避免喷嘴处溶液挂滴现象，去溶剂化效果显著，能够提高电喷雾离子源的灵敏度；而且离子源装置本身没有载气或者加热的装置，能有效减小体积，借助质谱仪器离子传输线本身的加热装置，同样可以提高溶剂化的能力。可以理解的是，质谱仪器还包括质量分析器、检测器、真空系统、电路控制和数据采集系统等部分。

为了进一步优化上述的技术方案，离子传输线的电路系统中集成有高压电源16，离子源装置的高电压加载机构连接于高压电源16。鉴于离子源装置和离子传输线是配合使用的，则不在离子源装置内单独设置电源，而是利用离子传输线电路系统中集成的高压电源16，有利于精简结构，实现小型化。

本发明所述高压电源的正极，与金属管12相接触。本发明对所述高压电源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的高压电源即可，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整。本发明对所述高压电源的电压范围没有特别限制，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整，本发明所述高压电源16的工作电压优选为0kv～+4.5kv。本发明离子源装置高压由东文高压模块提供，该高压模块集成于质谱仪电路系统中，整个质谱仪系统具有体积小和稳定的特点。

本发明对所述接触的方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的导电接触方式即可，本领域技术人员可以根据检测情况、质谱仪型号和检测要求进行选择和调整，本发明所述接触优选包括插入、嵌入、卡入、粘合和焊接结合中的一种或多种。

下面结合具体实施例对本方案结构做进一步介绍：

本发明提供了一种用于产生水团簇离子的离子源装置，包括：注射泵1，所述注射泵1可以根据注射器容量调节进样流速；注射器2，所述注射器2容量为250ul，注射器固定于注射泵1上，针头3与不锈钢两通转接头4一头连接；两个转接头，其中的第一两通转接头4一个用于注射器2与peek材料第一毛细管5的连接，第二两通转接头6用于第一毛细管5与石英第二毛细管9的连接；第一毛细管5的内径为0.01～0.5mm，外径为0.55～1.2mm，长度为40～50cm；高压电源16，所述高压电源16工作电压为0～+4.5kv，由东文高压模块提供，该高压模块集成于质谱仪电路系统中，整个质谱仪系统具有体积小和稳定的特点；高压电源16的电压一路通过导线8缠绕在第二两通转接头6金属表面上加载高压，另一路加载在与第二毛细管9出口端接触的金属管12上；安装座11这里为peek圆柱体，通过螺丝10固定在质谱仪进样级腔体14上端，安装座11上有两个金属接口，其一是用于与高压导线8相连，其二是金属管12，用于第二毛细管9从金属管12的内孔里穿过，通过螺丝10可以调节安装座11的角度和高度，即可以调节离子源装置的喷雾出口与离子传输线入口的角度和距离，调节更方便，使产生的离子喷雾更稳定；第二毛细管9的内径为0.01～0.15mm，外径为0.1～1.2mm，长度为20～30cm，第二毛细管9一端与第二个两通转接头6相连，第二毛细管9另一端从安装座11上的金属管12内孔里穿过，并与质谱仪的离子传输线入口采样锥13保持合适的高度和距离；质谱仪进样级腔体14，所述质谱仪进样级腔体14为大气压环境，与质谱仪离子传输级腔体相连，质谱仪进样级腔可以防止外界环境(风，空气中的灰尘等)对离子喷雾强度的影响和干扰。

为了进一步理解本发明，下面结合工作过程实施例对本发明提供的小型化便携式质谱仪进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例采用上述离子源装置与自主研发的矩形离子阱质谱联用，参见图1，图1为本发明实施例提供的用于产生水团簇离子的离子源装置的结构示意图。如图2所示，使用上述离子源装置分析样品时，首先配制待研究体系的溶液，本实施例中，将聚丙二醇ppg样品溶于乙腈、水体积比为ch3cn：h2o＝1：3的溶剂中，配成浓度为0.1mmol/l的ppg溶液，同样，用注射器2吸取一定量溶液，置于微量注射泵1上，微量注射泵1的进样速度范围为20μl/h～60μl/h，将离子源装置的出样口与质谱仪进样口采样锥13的轴向成一定角度相对设置，进样口是一个直径为0.25mm的小孔，连接大气压与第一级真空腔体，两者距离在0.5cm～2cm之间进行优化调节。利用上述离子源装置，在不锈钢第二两通转接头6上用高压电源的导线8缠绕施加高电压，实验过程中，根据需要在+1800v～+4500v正电压之间进行调节，在熔融石英第二毛细管9末端喷嘴处可以产生微小液滴的气溶胶喷雾，通过质谱仪真空接口部件将小液滴引入差分真空系统。真空接口主要使用金属毛细管传输线进行采样，通常对传输线嵌套加热铜块进行加热来达到去溶剂化的目的。传输线上配置温度控制系统，其温度可以根据实验需求，可在0度～200度之间进行调节。利用实施例的结构对ppg样品进行检测，测定质谱图。参见图2，图2为本发明实施例提供的整体实验装置的样品测试图。如图2所示，可以发现丙二醇聚合物间隔58个质量数，测定结果信号较强，分辨率较高，说明本发明能有效的运用到离子阱质谱仪中。

综上所述，本发明实施例公开了一种用于产生水团簇离子的离子源装置，从对整个喷雾过程起决定性作用的溶液参数方向入手，在电喷雾离子源本身没有加热装置的前提下，从石英毛细管喷雾出口切面和喷雾出口所处的环境两个角度出发，采用毛细管切面平整度高和光滑无毛疵，对液滴的体积进行控制，生成稳定的喷雾，从而有效的进行去溶剂化过程；采用质谱仪进样级腔体，防止外界环境(风，空气中的灰尘等)对离子喷雾强度的影响和干扰。两种措施对提高电喷雾效率，降低仪器检测限起到了一定的效果。本方案装置结构简单、体积小，在检测过程中能够保持稳定，还具有较高的灵敏度和稳定性，出雾口高度和距离调节方便。本发明实施例还公开了一种应用上述离子源装置的小型化便携式质谱仪。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。