專利名稱：離子遷移管與質譜儀系統的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及質譜儀系統，更確切地涉及用于在質譜儀的不同壓力區域之間傳輸離子的離子遷移管。
背景技術：
在質譜分析技術中，離子遷移管是公知的，用于將離子從通常工作在大氣壓下或大氣壓附近的電離室傳輸到壓力減小的區域。一般來說，離子遷移管通常由窄的細長管道組成，該管道具有通向電離室的入口端和通向壓力減小區域的出口端。在電離室中形成的離子(例如經由電噴霧電離(ESI)或大氣壓化學電離(APCI)處理)與部分脫溶的液滴和背景氣一起進入離子遷移管的入口端，在壓力梯度的影響下穿過離子遷移管的長度，離開出口端進入較低壓力的室，即質譜儀的第一真空級。離子接著穿過一個或多個分隔物中的孔、可能在截取錐中的孔，通過壓力依次降低的區域，之后被傳送至用于獲取質譜的質量分析器中。
圖1是一般的傳統質譜儀系統的簡化示意圖，其中該傳統質譜儀系統包括經由離子遷移管耦合至分析區域的大氣壓電離(API)源。參照圖1，安置在電離室14中的API源 12被連接以通過毛細管7從相關裝置接收液體樣本，該相關裝置例如是液相色譜儀或注射泵。API源12任選地是電噴霧電離(ESI)源、加熱的電噴霧電離(H-ESI)源、大氣壓化學電離(APCI)源、大氣壓基體輔助激光解析離子(MALDI)源、光致電離源、或者使用以基本在質量分析器觀的工作壓力(例如從約1托至約2000托)之上的壓力工作的任何其它電離技術的源。此外，術語API源旨在包括組合多個上述源類型的“多模式”源。API源12形成代表樣本的帶電粒子9(離子、或者可被脫溶以釋放離子的荷電液滴)，帶電粒子接著從API源 12通過至少一個中間真空室18傳輸到高真空室沈中的質量分析器觀。特別是，液滴或離子被夾帶(entrain)在背景氣中，并且從API源12通過離子遷移管16被傳輸到中間真空室18，其中，離子遷移管16穿過第一分隔元件或壁11，中間真空室18保持在比電離室14 的壓力低但比高真空室沈的壓力高的壓力下。離子遷移管16可以物理地耦合至加熱元件或塊23，加熱元件或塊23將熱量提供給離子遷移管中氣體和夾帶的粒子，以幫助荷電液滴脫溶，從而釋放自由離子。由于電離室14與中間真空室18之間的壓差(圖1)，導致氣體和夾帶的離子流過離子遷移管16進入中間真空室18。板或第二分隔元件或壁15將中間真空室18與高真空室26或可能第二中間壓力區域(未示出)隔開，第二中間壓力區域保持在比室18的壓力低但比高真空室沈的壓力高的壓力下。離子光學組件或離子透鏡20提供電場，該電場通過第二分隔元件或壁15中的孔22引導和聚焦離開離子遷移管16的離子流，孔22可以是截取錐21的孔。可以提供第二離子光學組件或透鏡M，以將離子遷移或引導至質量分析器觀。離子光學組件或透鏡20可以包括遷移元件，例如多極離子導向器，以引導離子通過孔22并進入質量分析器觀中。質量分析器觀包括一個或多個檢測器30，檢測器30的輸出可以顯示為質譜。真空口 13用于將中間真空室抽成真空，真空口 19用于將高真空室沈抽成真空。圖2是公知的離子遷移管的一部分，特別是出口部分50的示意圖。圖2的上下部分別示出了出口部分50的剖視圖和立體圖。離子遷移管包括具有中空內部或內腔 (bore) M的管52 (在此實施例中的圓柱形管)，通過中空內部或內腔M的流向以虛線箭頭示出。在離子遷移管的出口端51處，以基本平的端面56作為管52的末端，端面56與管的長度和流向基本垂直。此外，在所示的圓柱形管是截頭圓錐形表面的情況下，斜面或斜切面 58被設置成與端面成一角度，以與端面56和管52的外圓柱形表面都相交。面58可用于使離子遷移管的出口端與中間真空室18的內部中的匹配結構元件(未示出)對齊并位于該匹配結構元件上，或者可用于在插入質譜儀儀器時穿透真空密封元件或閥，例如Abramson 等人的第6，667，474號美國專利所公開的密封球，該專利的全部內容通過引用并入本文。通常，跨越離子遷移管(例如圖1的離子管16)的長度具有750到760托的壓差， 這將導致出口端的擴張。此擴張表現為流入質譜儀的第一真空級的包含離子化被分析物的氣體的速度的快速增加。根據一些結構，擴張的羽流甚至可以變成可在較低壓室內出現的超聲波和沖擊波。應當理解，此擴張可能導致使離子遷移穿過真空界面的次最佳條件，以及例如可能導致基于某些離子的電荷態而抑制這些離子。傳送至質量分析器的離子數量(例如通過峰值強度或總離子數測量的)部分地取決于通過離子遷移管的流量(flow rate)。通常希望提供較高的通過離子遷移管的流量，以將更多的離子傳輸到質量分析器和獲得高的儀器靈敏度。雖然可以通過擴大管的內腔(內徑)來增大通過離子遷移管的流量，但是這種離子遷移管直徑的擴大將導致氣體負荷的增加，該氣體負荷在泵排量沒有增大的情況下使真空室中的壓力也增加。因為必須將質量分析器和檢測器區域保持在高真空條件下，所以必須通過增加所使用的真空泵的數量和/或增加真空泵的泵排量來抵消壓力的增加。當然，增加真空泵的數量和/或排量也增加了質譜儀的成本、以及功率要求、裝運重量與成本和工作臺空間要求。因此，為了實用，離子遷移管的內徑應較小，大約500微米。通過小直徑的離子遷移管的背景氣和夾帶的離子化被分析物的強制流可能使背景氣和被分析物的速度顯著地增加。在某些結構中，離子遷移管是短的(通過簡單的孔) 并且可能成形為漸縮漸闊(de Laval)噴嘴，當流離開離子遷移管的出口端時流可能成為超聲波。然而一般地說，管內部的粘滯曳力將使流保持在管內并且可能以亞音速離開管。在這種條件下，可以使用管內流體流的雷諾數Re，這個無量綱的量定義為
權利要求
1.用于分析樣本的方法，其特征在于包括步驟 在電離室內在基本大氣壓下從所述樣本產生離子； 將離子夾帶在背景氣中；使用具有入口端和出口端的離子遷移管將所述背景氣和夾帶的離子遷移至質譜儀系統的真空室中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分的內徑大于所述離子遷移管的毗連部分的內徑；以及使用所述質譜儀系統的質量分析器分析所述離子。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括擴孔。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述擴孔的深度大于擾動流區域的長度，其中當具有夾帶離子的背景氣流入所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分時在所述具有夾帶離子的背景氣中產生所述擾動流。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述擾動流區域包括紊流區域。
5.根據權利要求2所述的方法，其中，所述擴孔的深度至少是60微米。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括在所述背景氣和夾帶的離子被遷移的方向上內徑連續增大的區域。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述直徑連續增大的區域包括錐形孔。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括所述離子遷移管的圓柱形內表面，所述離子遷移管的毗連部分包括所述離子遷移管的截頭圓錐形內表面。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，在與所述離子遷移管的軸平行的橫截面中，所述截頭圓錐形表面與所述橫截面的相交線被設置成相對于所述離子遷移管的軸成M-64度的角度。
10.根據權利要求8所述的方法，其中，與所述離子遷移管的軸平行的所述圓柱形內表面的尺寸大于擾動流區域的長度，其中當具有夾帶離子的氣體流入所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分時在具有夾帶離子的背景氣中產生所述擾動流。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括第一管構件，所述離子遷移管的毗連部分包括通過氣密密封件密封至所述第一管構件的第二管構件。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，所述離子遷移管包括至少一個電極。
13.質譜儀系統，其特征在于離子源，能夠操作為在基本大氣壓下從樣本產生離子； 質量分析器，位于抽真空殼體的內部，能夠操作為根據質荷比分離和檢測離子； 中間壓力室，所述中間壓力室的內部的壓力保持為小于大氣壓且大于所述抽真空殼體的內部的壓力，所述中間壓力室具有第一孔和第二孔；離子遷移管，耦合至所述第一孔，能夠操作為將夾帶有離子的背景氣遷移到所述中間壓力室，所述離子遷移管具有入口端和出口端，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分的內徑大于所述離子遷移管的毗連部分的內徑；離子光學器件，設置在所述離子遷移管的出口端與所述第二孔之間，能夠操作為將離開所述離子遷移管的出口端的離子引導至所述第二孔；以及至少一個附加的離子光學元件，能夠操作為將離子從所述第二孔遷移至所述質量分析ο
14.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括擴孔。
15.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，所述擴孔的深度大于擾動流區域的長度，其中當具有夾帶離子的背景氣流入所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分時在所述具有夾帶離子的背景氣中產生所述擾動流。
16.根據權利要求15所述的質譜儀系統，其中，所述擾動流區域包括紊流區域。
17.根據權利要求14所述的質譜儀系統，其中，所述擴孔的深度至少是60微米。
18.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括在朝向所述離子遷移管的出口端的方向上內徑連續增大的區域。
19.根據權利要求18所述的質譜儀系統，其中，所述內徑連續增大的區域包括錐形孔。
20.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括所述離子遷移管的圓柱形內表面，所述離子遷移管的毗連部分包括所述離子遷移管的截頭圓錐形內表面。
21.根據權利要求20所述的質譜儀系統，其中，在與所述離子遷移管的軸平行的橫截面中，所述截頭圓錐形表面與所述橫截面的相交線被設置成相對于所述離子遷移管的軸成討-64度的角度。
22.根據權利要求20所述的質譜儀系統，其中，與所述離子遷移管的軸平行的所述圓柱形內表面的尺寸大于擾動流區域的長度，其中當具有夾帶離子的氣體流入所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分時在具有夾帶離子的背景氣中產生所述擾動流。
23.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管鄰近所述出口端的部分包括第一管構件，所述離子遷移管的毗連部分包括通過氣密密封件密封至所述第一管構件的第二管構件。
24.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管包括至少一個電極。
25.根據權利要求13所述的質譜儀系統，其中，設置在所述離子遷移管的出口端與所述第二孔之間的所述離子光學器件包括堆疊環形離子導向。
26.質譜儀系統，其特征在于離子源，能夠操作為在基本大氣壓下從樣本產生離子；質量分析器，位于抽真空殼體的內部，能夠操作為根據質荷比分離和檢測所述離子；中間壓力室，所述中間壓力室的內部的壓力保持為小于大氣壓且大于所述抽真空殼體的內部的壓力，所述中間壓力室具有第一孔和第二孔；離子遷移管，耦合至所述第一孔，包括入口端；出口端；和多個中空內部區域，能夠操作為將夾帶有離子的背景氣通過所述離子遷移管遷移到所述中間壓力室中，每個中空內部部分包括各自的內徑，多個內徑在夾帶有離子的背景氣的遷移方向上增加；離子光學器件，設置在所述離子遷移管的出口端與所述第二孔之間，能夠操作為將離開所述離子遷移管的出口端的離子引導至所述第二孔；以及至少一個附加的離子光學元件，能夠操作為將離子從所述第二孔遷移至所述質量分析
27.根據權利要求沈所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管還包括至少一個電極。
28.根據權利要求沈所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管還包括至少一個插在所述多個中空內部區域的第一中空內部區域和第二中空內部區域之間的截頭圓錐形表面。
29.根據權利要求沈所述的質譜儀系統，其中，設置在所述離子遷移管的出口端與所述第二孔之間的所述離子光學器件包括堆疊環形離子導向。
30.根據權利要求沈所述的質譜儀系統，其中，所述離子遷移管還包括 第一管構件；和第二管構件，通過氣密密封件密封至所述第一管構件，其中，所述第一管構件包括所述多個中空內部區域的第一中空內部區域，所述第二管構件包括所述多個中空內部區域的第二中空內部區域。
全文摘要
用于分析樣本的方法的特征在于包括步驟在電離室內在基本大氣壓下從樣本產生離子；將離子夾帶在背景氣中；使用具有入口端和出口端的離子遷移管將背景氣和夾帶的離子遷移至質譜儀系統的真空室中，其中離子遷移管鄰近出口端的部分的內徑大于離子遷移管的毗連部分的內徑；以及使用質譜儀系統的質量分析器分析離子。質譜儀系統的特征在于離子源，可操作為在基本大氣壓下從樣本產生離子；質量分析器，位于抽真空殼體的內部，可操作為分離和檢測離子。
文檔編號H01J49/04GK102414779SQ201080019525
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月22日 優先權日2009年5月1日
發明者保羅·R·阿瑟爾頓, 埃羅伊·R·烏奧特爾斯, 矛瑞茲歐·希佰倫多, 簡·雅克·鄧雅馳 申請人:薩莫芬尼根有限責任公司