微量喷雾离子化装置的制作方法

1.本实用新型涉及液相质谱离子源技术领域，尤其涉及一种微量喷雾离子化装置。


背景技术：

2.质谱仪是一种产生、分离和检测带电粒子的仪器，是现代化学分析领域中最先进的仪器设备。质谱分析过程中，样品首先在离子源中被离子化，产生的离子与中性分子随即在电磁场和重力场的交叉作用下相互分离，不同质量的离子进入高真空腔体并在电磁场的作用下按质量大小分开，分开后的离子最后被带电粒子检测装置一一测定。
3.目前，液相质谱最为普遍应用的离子源是电喷雾离子源，离子化反应在常压条件下进行，而离子分离则必须在真空中进行，离子从常压进入高真空必须经历收集过程，因此，离子化效率和收集效率是离子源的两个最关键的指标，也是决定质谱仪灵敏度的最主要因素。
4.电喷雾离子源的离子化效率与雾化效率直接相关，在给定电压条件下，单位时间被雾化的液体体积越小则雾化效率越高，离子化效率也就越高。因此，仅从提高质谱仪灵敏度的角度考虑，微量或超微量喷雾必然会提高雾化效率，进而使得质谱分析的灵敏度得到大幅提高。基于这一事实，目前已有很多种微量喷雾离子源问世，例如nano
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spray离子源、dart离子源、原位电离离子源、纸喷雾离子源、辉光放电离子源等等。
5.其中，nano
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spray离子源是用一根内径为几十微米且尖端极细的毛细管靠近并正对质谱仪入口，在1～2kv直流电压的驱动下喷雾，常用于生物大分子(如蛋白质)的分析。由于喷雾离质谱入口很近，喷雾电压不能太高，否则容易产生击穿短路；而电压不高，又难以获得最佳的喷雾效率；如果拉开喷雾毛细管与质谱入口的距离，则收集效率又受影响。市场上也有一种nano
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spray离子源是把喷雾针直接伸入质谱仪入口毛细管内喷雾，这种离子源收集效率达到极限，即全收集，但喷雾空间极小，雾化效率达不到理想状态。而其它各种微量喷雾离子源无论喷雾效率如何，均不可能达到全收集的效果。
6.因此，有必要提供一种既能保证充分雾化，又可实现100％收集效率的微量喷雾离子化装置，以解决上述问题。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种既能保证充分雾化，又可实现100％收集效率的微量喷雾离子化装置。
8.为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：提供一种微量喷雾离子化装置，与质谱仪对应连接，其包括密封壳体、样品引入机构、喷雾针、高电压连接机构以及反射电镜；其中，密封壳体与所述质谱仪的入口端密封连接，且其内部形成一密封腔，所述密封腔与所述质谱仪的入口相连通；样品引入机构密封地安装于所述密封壳体且一端连接样品输入管路；喷雾针安装于所述样品引入机构并与所述样品管路相连通，所述喷雾针伸入所述密封腔内且其与所述质谱仪的入口的中心线之间的夹角介于0～90
°
之间，所述喷雾针的针尖距
离所述质谱仪的入口的距离为2～30mm，所述喷雾针的内径介于20～200mm之间；高电压连接机构分别电连接于所述喷雾针及电源，用于向所述喷雾针提供喷雾电压；反射电镜设于所述密封腔内并正对所述质谱仪的入口，所述反射电镜电连接于外部可调电源。
9.较佳地，所述反射电镜由金属材料制成且其正对所述质谱仪的入口的表面呈光洁的平面或球面结构，所述反射电镜的尺寸大于所述喷雾针形成的雾化云的尺寸，反射电镜将雾化云里面的待测物离子推送进入质谱仪的入口，以确保待测离子全部被质谱仪收集，提高收集效率。
10.较佳地，所述密封壳体通过长期耐受300摄氏度以上温度的金属、非金属或二者相结合的材料制成，且所述密封腔的容积大于等于所述喷雾针形成的雾化云的体积。
11.较佳地，所述密封腔的容积大于等于所述喷雾针形成的长轴为5～30mm、短轴为5～20mm的椭球形雾化云的体积。
12.较佳地，所述样品引入机构上设有一密封滑道，所述喷雾针可滑动地安装于所述密封滑道内，所述喷雾针滑动时可调整其相对于所述质谱仪的入口之间的距离，从而优化喷雾离子化所产生的离子被质谱仪收集的效率。
13.较佳地，所述高电压连接机构包括高压导线及与之相连的接头，所述接头穿设于所述密封壳体并与所述喷雾针或所述喷雾针内的样品溶液相接触。
14.较佳地，所述微量喷雾离子化装置还包括超声波振动装置，其包括设于所述密封腔内的压电换能器及设于所述密封腔外的超声波发生器，所述喷雾针紧密连接于所述压电换能器，且所述喷雾针的轴向与所述压电换能器的振动方向相垂直，所述超声波发生器产生的超声波振荡输送至所述压电换能器以驱动其产生机械振动而带动所述喷雾针共振，进而使喷雾针本身成为超声波谐振杆，将超声波振动传递到喷雾针的针尖，从而大幅提高将针尖上样品溶液雾化的效率。
15.较佳地，所述微量喷雾离子化装置还包括设于所述密封腔内的加热机制，所述加热机制包设于所述喷雾针形成的雾化云外围以对所述雾化云加热，以提高雾化及离子化效率。
16.较佳地，所述加热机制包括均匀涂设于所述密封腔的内壁的红外涂层以及分别与所述红外涂层接触的两电极，所述电极电连接于供电电源，所述红外涂层通电时产生红外辐射以对所述喷雾针形成的雾化云加热，随着温度升高，雾化云中液珠的溶剂加快挥发而使得液珠迅速缩小，变细的雾珠发生库伦爆炸产生离子，加快库伦爆炸可以提高待测物质的离子化效率，从而提高测定灵敏度。
17.较佳地，所述加热机制包括设于所述密封腔内的电磁感应圈及与所述电磁感应圈相连的电磁波发生器，所述电磁感应圈包设于所述喷雾针外，所述电磁波发生器启动后使所述电磁感应圈对所述喷雾针形成的雾化云加热，以促使雾化云中的液珠迅速细化，从而提高离子化效率。
18.与现有技术相比，本实用新型的微量喷雾离子化装置，首先，其密封壳体与质谱仪的入口端密封连接，密封壳体内部形成的密封腔与质谱仪的入口相连通，因此，质谱仪的真空通过其入口使得离子源的密封腔形成真空状态，有利于样品溶液更有效地雾化，雾化后的样品可以被质谱仪的真空全部吸入质谱仪内部而不至于破坏内部的真空度；其次，其喷雾针伸入密封腔内并与所述质谱仪的入口的中心线之间的夹角介于0～90
°
之间，喷雾针的
针尖距离所述质谱仪的入口的距离为2～30mm，喷雾针的内径介于20～200mm之间，喷雾针使得样品流量不超过每分钟10微升，并且能够保证充分雾化，具有最佳喷雾效果，进而提高离子化效率；再者，通过反射电镜的作用，离子源内产生的离子可以全部被驱使进入质谱仪的内部。综上，本实用新型的微量喷雾离子化装置100，雾化效率比通常液质联用(lc/ms)电喷雾离子源高10～1000倍，并能够实现100％的离子收集，因而使测定灵敏度大幅提高，尤其适用于流速在10微升/分钟以下的微量喷雾。
附图说明
19.图1是本实用新型微量喷雾离子化装置第一实施例的结构示意图。
20.图2是本实用新型微量喷雾离子化装置第二实施例的结构示意图。
21.图3是本实用新型微量喷雾离子化装置第三实施例的结构示意图。
22.图4是本实用新型微量喷雾离子化装置第四实施例的结构示意图。
具体实施方式
23.现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。本实用新型所提供的微量喷雾离子化装置100，主要适用于微量样品的离子化，尤其适用于样品流速在10微升/分钟以下的微量喷雾，但并不以此为限。
24.下面先结合图1
‑
图4所示，本实用新型所提供的微量喷雾离子化装置100，其包括密封壳体110、样品引入机构120、喷雾针130、高电压连接机构140以及反射电镜150。其中，密封壳体110与质谱仪200的入口210所在端密封连接，其内部形成一密封腔111，密封腔111与质谱仪200的入口210相连通，且密封腔111的容积大于等于所需形成的雾化云的体积，以大于所需形成的雾化云的体积为佳。样品引入机构120密封地安装于密封壳体110且其一端连接样品输入管路；喷雾针130安装于样品引入机构120并与所述样品管路相连通，喷雾针130伸入密封腔111内且其与质谱仪200的入口210的中心线p之间的夹角介于0～90
°
之间，所述喷雾针130的针尖与所述入口210之间的距离l为2～30mm，且喷雾针130的内径介于20～200mm之间；高电压连接机构140分别电连接于喷雾针130及电源，其用于提供喷雾电压。反射电镜150设于密封腔111内并正对质谱仪200的入口210，且反射电镜150电连接于外部可调电源，反射电镜150用于将待测物离子推送进入质谱仪200的入口210，以确保待测离子全部被质谱仪200收集，提高收集效率。
25.下面参看图1
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图4所示，分别对本实用新型之微量喷雾离子化装置100的不同实施例进行详细说明。
26.先参看图1，在本实用新型微量喷雾离子化装置100的第一实施例中，其与侧部开设入口210的质谱仪200对应密封连接。具体地，密封壳体110密封连接于质谱仪200的具有入口210的侧端，即，密封壳体110位于质谱仪200的侧部。样品引入机构120安装于密封壳体110的顶部，喷雾针130安装于样品引入机构120并沿密封壳体110的高度方向延伸，使喷雾针130与质谱仪200的入口210的中心线p大约成90
°
夹角，喷雾针130的针尖与所述入口210的中心线p之间的距离l为2～30mm，两者之间的距离l可根据待测物离子化属性具体优化调整；反射电镜150设于密封腔111的宽度方向的一内壁并与质谱仪200的入口210正对。
27.本实施例中，密封壳体110的外部形状并无特别要求，设置为方圆或其他形状皆
可，以美观以及方便装卸操作为佳，在此不作具体限定。密封壳体110的密封腔111的形状也不作具体限定，可以是圆筒形、方形、漏斗形或任何其它形状，只要足够允许伸入密封腔111内的喷雾针130将样品溶液充分喷雾即可，亦即所形成的雾化云不触及密封腔111的内壁，密封腔111的容积需略大于雾化云的体积。本实施例中，喷雾针130形式一个椭球形的雾化云，该椭球形的雾化云的尺度一般为长轴5～30mm、短轴5～20mm，因此，密封腔111的容积需略大于等于长轴为5～30mm、短轴为5～20mm的椭球形的雾化云的体积。
28.另外，密封壳体110通过能长期耐受300℃以上温度的材料制成，例如采用金属、石英、玻璃、聚四氟乙烯、peek、ptfe等制成，但并不以此为限，还可以由其他能长期耐受300℃以上温度的金属、非金属或二者相结合的材料来制成。
29.继续参看图1，样品引入机构120设置至少一个，每个样品引入机构120与密封壳体110之间的连接需保证气密性，且每个样品引入机构120至少包括一个内接口121，该内接口121的开口朝向所述密封腔111的内部，其用于连接喷雾针130并使喷雾针130与样品管路接通，该内接口121可以是直接开设于密封壳体110上的一个恰好允许喷雾针130穿入的穿孔，也可以是一个具有管路的连接器。更进一步地，样品引入机构120还可以包含至少一个外接口122，外接口122用于和样品管路及可能的辅助流体管路对接，此时，样品引入机构120可以是，但并不限于，一个双通、三通或多通等的连接器。
30.在本实施例中，样品引入机构120包括一个内接口121及一个外接口122，其中，外接口122连接于样品管路，内接口121内安装所述喷雾针130。
31.更优选地，样品引入机构120上还可以设置一密封滑道，喷雾针130可滑动地安装于所述密封滑道内，所述喷雾针130在密封滑道内滑动时可调整其相对于质谱仪200的入口210之间的距离，从而优化喷雾离子化所产生离子被质谱仪200收集的效率。
32.继续参看图1所示，本实用新型中，喷雾针130可以是一根空心针或实心针，用于将高电压传导至样品溶液，并将样品溶液传输到针尖以使其在高电压作用下雾化。本实施例中，喷雾针130是一根金属毛细管，其内径在20～200微米之间，需同时保证样品溶液流通顺畅以及喷雾效果。
33.如图1所示，本实施例中，高电压连接机构140包括接头141及与之相连的高压导线142，接头141穿设于密封壳体110上开设的钻孔内并与喷雾针130或喷雾针130内的样品溶液相接触，高压导线142电连接于电源。通过高电压连接机构140，施加到喷雾针130上的电压在1～8kv之间，较佳微量喷雾电压为2～6kv。需要说明的是，对于金属的喷雾针130，高电压连接机构140可以仅包括高压导线142，通过高压导线142直接连接到金属喷雾针130的除针尖以外的任何部位，进而使高电压连接机构140的结构简化。
34.再次参看图1所示，所述反射电镜150由金属材料做成，且其形状可以是方形、圆形或其他形状，反射电镜150的尺寸大小足以涵盖所述喷雾针130形成的雾化云的尺寸，本实施例中，反射电镜150的尺寸足以涵盖一个长轴在5～30mm之间的椭圆，最小允许尺寸需根据喷雾量(亦即雾化云的大小)来确定，同时，反射电镜150的朝向质谱仪200的入口210的表面呈光洁的球面结构，且反射电镜150向远离入口210的方向凹陷；反射电镜150与一个可调电压连接，电压的大小连续可调，极性(亦即正负)与待测离子的极性一致，例如，通过对反射电镜150施加一个与待测离子极性一致的直流电压并调节电压大小，可以将雾化云里的待测物离子推送进入质谱仪200的入口210，以确保待测离子全部被质谱仪200收集。
35.可理解地，反射电镜150的朝向质谱仪200的入口210的表面并不限于球面，也可以将其设置为平面或其他结构。
36.再次参看图1所示，本实用新型微量喷雾离子化装置100，由于密封腔111与质谱仪200的入口210形成密封对接，质谱仪200的真空通过入口210使得密封腔111的内部处于真空、负压状态；当喷雾针130将样品溶液以低于10微升/分钟的流速引入密封腔111内时，在高电压作用下样品溶液在所述喷雾针130的针尖处形成带电荷的雾化云，样品溶液中的待测物质随着带电雾化云中的液珠不断发生库伦爆炸而被离子化，所产生的离子被质谱仪200的真空全部吸入质谱仪200的内部而不会破坏其内部的真空度，再加上正对入口210的反射电镜150的作用，离子源内产生的离子可以全部被驱使进入质谱仪200的内部，实现100％的离子收集，因而测量灵敏度大幅度提高。
37.下面参看图2所示，在本实用新型之微量喷雾离子化装置100的第二实施例中，其与上述第一实施例的差别仅在于：还包括一超声波振动装置160，该超声波振动装置160于密封腔111的内部连接喷雾针130，由于超声波的特性是频率高、波长短、衍射不严重，具有良好的定向性，不容易影响离子的运动路径，当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功；并且其超声波的频率高、能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应，同时起到辅热的作用，因此，本实施例中使喷雾针130本身成为超声波谐振杆，将超声波振动传递到其针尖，可以大幅提高针尖上样品溶液雾化及离子化的效率。
38.更具体地，所述超声波振动装置160包括设于密封腔111内的压电换能器161及设于密封腔111外的超声波发生器162，压电换能器161连接于密封腔111的内壁，喷雾针130紧密连接于压电换能器161，且喷雾针130的轴向与压电换能器161的振动方向相垂直，喷雾针130与压电换能器161之间还设有一层硬质绝缘材料(未标号，如图2所述)，超声波发生器162与压电换能器161相连，当超声波发生器162产生的超声波振荡输送至压电换能器161时，可驱动压电换能器161产生机械振动而带动喷雾针130共振，进而使喷雾针130本身成为超声波谐振杆，将超声波振动传递到喷雾针130的针尖，从而大幅提高针尖上样品溶液雾化的效率。
39.其中，压电换能器161可以是压电陶瓷片、压电硅片、压电陶瓷叠堆或其它压电材料做成的振子，不作具体限定。本实施例中，采用一个或多个压电陶瓷叠堆，喷雾针130紧密连接到压电陶瓷叠堆上，喷雾针130上端与压电陶瓷叠堆之间经一层硬质绝缘材料(见图2)隔离而紧密组合，并确保喷雾针130的轴向与压电陶瓷叠堆的振动方向垂直。同时，压电陶瓷叠堆连接到一个1.7mhz以上的超声波发生器162，超声波振动装置160启动后，超声波发生器162产生的超声波振荡输送至压电陶瓷叠堆，该压电陶瓷叠堆产生机械振动且振动频率与超声波发生器162的输出频率一致，压电陶瓷叠堆带动喷雾针130共振，喷雾针130的尖端部分因悬空而具有最大的振幅，从针尖流出的样品溶液受到高频超声波振动而被雾化。
40.本实施中，通过压电换能器161与喷雾针130上的高电压的双重作用，样品溶液在喷雾针130的针尖处形成带电荷的雾化云，样品溶液中的待测物质随着带电雾化云中的液珠不断发生库伦爆炸而被离子化，促使流到针尖的样品溶液迅速雾化，雾化效率相比纯粹电喷雾或其他形式的喷雾有明显的提高。需说明的是，本实施例中，高电压直接连接到喷雾针130上的情形相当于电喷雾与apci(atmospheric pressure chemical ionization)的复合离子源。
41.本实施例中，其他部分的结构、设置方式及工作原理均与上述第一实施例中的相同，不再赘述。
42.下面结合图3
‑
4所示，本实用新型的微量喷雾离子化装置100，还可以进一步设置加热机制，所述加热机制包设于喷雾针130形成的雾化云的外围以对所述雾化云加热，以提高雾化及离子化效率。
43.先参看图3所示，在本实用新型微量喷雾离子化装置100的第三实施例中，其在上述第二实施例的基础上进一步增设有加热机制170，且加热机制170优选为红外加热机制。
44.具体地，本实施例中的微量喷雾离子化装置100与顶部开设入口210的质谱仪200对应密封连接，即，密封壳体110密封连接于质谱仪200的具有入口210的顶端，密封壳体110位于质谱仪200的上方。样品引入机构120安装于密封壳体110的顶部并正对质谱仪200的入口210，喷雾针130安装于样品引入机构120并沿密封壳体110的高度方向延伸，喷雾针130正对质谱仪200的入口210，喷雾针130的轴向与质谱仪200的入口210的中心线p在同一直线上，即两者呈0
°
夹角，喷雾针130的针尖与质谱仪200的入口210之间的距离l为2～30mm，此实施例中距离l具体为到入口210的端面之间的距离，如图3所示，当然两者之间的距离l可根据待测物离子化属性具体优化调整；反射电镜150、超声波振动装置160均安装于密封腔111的顶部，且超声波振动装置160位于反射电镜150的上方，以使反射电镜150正对质谱仪200的入口210，喷雾针130依次穿过超声波振动装置160、反射电镜150而伸入密封腔111的内部。
45.本实施例中，超声波振动装置160的结构、设置方式及工作原理均与上述第二实施例中的相同，在此不再重复描述。
46.继续参看图3所示，本实施例中，密封壳体110采用石英制成并使密封腔111呈圆筒状，密封腔111的内径约为45mm，密封壳体110的底端与质谱仪200的入口210形成气密性紧固连接，其顶端镶入一片直径与密封腔111的内径一致的不锈钢圆片，该不锈钢圆片的周边与密封腔111的内壁以真空胶牢固粘接，该不锈钢即为反射电镜150。
47.更具体地，本实施例中的加热机制170包括均匀涂设于所述密封腔111的内壁的红外涂层171以及与红外涂层171接触的两电极172，红外涂层171由红外涂料形成且其厚度约为0.1～0.5mm，电极172外接到一个0～100v连续可调的交流或直流电源的两个输出端，通过两电极172对红外涂层171施加一个2～50v的电压，交直流不限，红外涂层171通电时产生红外辐射以对包围在其中的雾化云加热，雾化云受到辐射而升温至50～400℃，随着温度升高，雾化云中液珠的溶剂加快挥发而使得液珠迅速缩小，变细的雾珠发生库伦爆炸产生离子，加快库伦爆炸可以提高待测物质的离子化效率，从而提高测定灵敏度。
48.再次参看图3所示，本实施例之微量喷雾离子化装置100工作时，将电压调至5v，这时密封腔111内的温度约为100摄氏度，样品溶液从密封壳体110上方的样品管路输入喷雾针130，在高电压作用下样品溶液在喷雾针130的针尖处形成带电荷的雾化云，样品溶液中的待测物质随着带电雾化云中的液珠不断发生库伦爆炸而被离子化，所产生的离子不仅受高电压以及质谱仪200的真空吸引，还受到反射电镜150的作用，从而收集得更完全，并且，红外涂层171通电后使红外涂料产生红外辐射而对雾化云加热，调节供电电压就可以控制加热温度，最高可达400摄氏度，进一步提高雾化及离子化效率(得到彻底的雾化和更细的雾珠)，雾化效率比通常液质联用(liquid chromatograph mass spectrometer，lc/ms)电
喷雾离子源高10～1000倍，因而测定灵敏度会大幅度提高。
49.下面参看图4所示，在本实用新型微量喷雾离子化装置100的第四实施例中，其与上述第三实施例的不同之处仅在于：加热机制170不同，其他部分均相同，相同部分不再赘述。
50.本实施例中，所述加热机制170采用电磁辐射加热，其包括电磁感应圈173、与电磁感应圈173相连两接头174以及与接头174电连接的电磁波发生器，电磁感应圈173设于密封腔111内并呈螺旋状，电磁感应圈173包设于喷雾针130外，以使电磁感应圈173能够环抱雾化云，电磁波发生器能产生频率高于100khz的电磁波，所述电磁波发生器启动后使电磁感应圈173对喷雾针130形成的雾化云加热，使雾化云因受感应而产生强热，温度迅速升高，雾化云中的液珠迅速细化而发生库伦爆炸，由此可大幅提高待测物质的离子化效率从而提高其检测灵敏度。
51.结合以上描述，本实用新型的微量喷雾离子化装置100，首先，其密封壳体110与质谱仪200的入口210所在端密封连接，密封壳体110内部形成的密封腔111与质谱仪200的入口210相连通，因此，质谱仪200的真空通过其入口210使得离子源的密封腔111形成真空状态，有利于样品溶液更有效地雾化，雾化后的样品可以被质谱仪200的真空全部吸入质谱仪200内部而不至于破坏内部的真空度；其次，其喷雾针130伸入密封腔111内且其与质谱仪200的入口210的中心线p之间的夹角介于0～90
°
之间，喷雾针130的针尖与质谱仪200的入口210之间的距离l为2～30mm，喷雾针130的内径介于20～200mm之间，喷雾针130使得样品流量不超过每分钟10微升，并且能够保证充分雾化，具有最佳喷雾效果，进而提高离子化效率；再者，通过反射电镜150的作用，离子源内产生的离子可以全部被驱使进入质谱仪200的内部。综上，本实用新型的微量喷雾离子化装置100，雾化效率比通常液质联用(liquid chromatograph mass spectrometer，lc/ms)电喷雾离子源高10～1000倍，并能够实现100％的离子收集，因而使测定灵敏度大幅提高，尤其适用于流速在10微升/分钟以下的微量喷雾。
52.本实用新型所涉及的质谱仪200的结构、设置方式及工作原理等，均为本领域普通技术人员所熟知的常规设置，在此不再做详细的说明。
53.以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。