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仪器科普 | 质谱仪离子导向装置类型及特点

2021-08-15 22:05     来源:英盛生物     质谱仪
质谱技术在临床研究、法医毒理和制药等研究和应用中扮演不可或缺的角色。质谱分析首先将待测物电离,并在真空条件下利用电场(磁场)将不同质荷比离子进行分离,从而获得质谱图。质谱仪器主要由进样系统、电离源、离子光学系统、质量分析器、信号检测系统和真空系统等几个部分构成。其中,离子光学系统承担着将离子传输至质量分析器的重要作用。

目前常用的质谱仪器,尤其是液相色谱-质谱联用装置,常常要求液相流出物在大气压下被电离(如电喷雾电离、大气压化学电离),而质谱质量分析器一般又要求在相对低的真空条件下(约10-4Pa)工作。由于前后真空度相差近10个数量级,必须设置数个差分抽气区来维持真空度,彼此间通过小孔或狭缝连接供离子通过。离子在进入质量分析器之前,会与中性气体分子发生大量的碰撞并偏离原先的飞行轨迹,最终无法被检测,从而降低灵敏。因此,最大限度地减少离子在质谱仪传输路径上的损失尤为重要,实现这一目标的关键在于离子光学系统更加合理的设计和运用。离子导向装置为离子光学系统中最为关键的部分,是联络处于低真空(或大气压)电离源和质量分析器的桥梁。离子导向装置不仅用于传输离子,还可降低离子的空间发散度和能量分散度,使离子最大限度到达质量分析器。在传输离子时它要对轴向发散的离子进行空间聚焦,以减少离子在传输中的损失。

近几十年来,随着离子光学理论的发展和完善,人们设计出多种形状和原理各不相同的离子导向装置。目前常用的离子导向装置有毛细管、静电透镜、多极杆、离子漏斗和静电离子导向装置等,它们常常彼此配合出现在离子光学系统中,以尽可能提高质谱仪器的灵敏度和分辨率,拓展质谱仪器的应用范围。例如毛细管离子导向装置通常用作将中性气体分子引入真空。为满足不同需要,制作毛细管的材料也各不相同,如金属、玻璃、塑料、橡胶等。
 

改进型加热离子传输毛细管
 
随着质谱仪大气压电离方式的普遍使用,毛细管成为大气压/质谱接口的重要环节,承载着将电喷雾离子传输至真空腔的重要作用。与大气压电离质谱接口常用的漏勺相比,毛细管离子导向装置有几个优点:第一,毛细管机械灵活性强,设计简单维护方便,保护分子涡轮泵,减少真空负担;第二,由于毛细管可以加热脱溶剂,适合于液质联用;第三,进一步提高加热温度,还可以引起分子的热解离,对分子结构鉴定有一定的意义。

此外,离子漏斗是一种新型的离子导向装置,通过射频电场对离子的径向束缚和匀强电场对离子的轴向推进,可在高气压下降低离子的空间发散度和能量分散度,大幅度提高离子的传输效率,有效提升仪器灵敏度,搭起了低真空电离源向高真空质量分析器高效离子传输的桥梁。


RF透镜


电动离子漏斗
离子漏斗作为离子导入装置的优势主要体现在:第一,在更高压力条件下工作(133.3~3999Pa),并保持高的离子传输效率;第二,利用环电极逐渐缩小的内径,可使空间分散的离子云进入离子漏斗时被有效聚焦,从而通过有传导性限制的出口小孔;第三,能与电喷雾源匹配使用,并进一步结合三重四极杆质谱仪对离子进行选择、检测。
英盛生物高效液相色谱串联质谱检测系统YS EXACT 9050MD和YS EXACT 9900MD在离子导向装置上有独特设计,首先均采用了金属的离子传输管设计,保护分子涡轮泵,减少真空负担,大口径非对称高通量离子传输管,确保更多离子进入质谱系统,提高灵敏度。


此外离子传输管双独立加热,最高温度可达400℃,进一步提高脱溶剂效率和确保离子传输系统抗污染能力;其次是RF-lens离子传输透镜和电动离子漏斗设计,对于由离子传输管中输入的大量离子具有极高的传输效率和极好的聚焦能力,并且采用了独立一体化设计以及不锈钢材质,可以简单方便地进行拆卸和清洗;

弯曲离子束传输组件(中性粒子挡杆设计)
 
此外,弯曲的离子束传输组件加上中性粒子挡杆的设计,带电离子可以受电场影响发生偏转通过传输四极杆,而中性离子不受电场影响不发生偏转,湮灭在中性粒子阻挡杆上,避免进入四极杆质量分析器,从而阻挡中性粒子和高速分子团,保持离子传输通道的清洁,减少噪音,提高耐用性。

参考文献:
[1]郭腾, 彭真, 朱辉,等. 离子漏斗技术及其应用研究进展[J]. 分析化学, 2019, 47(01):13-22.
[2]王健, 朱治祥, 邓柳林,等. 质谱仪离子导向装置的原理、应用和进展[J]. 质谱学报, 2012, 33(3):139-148.

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