[發明專利]一種質子轉移反應質譜儀

有效

• 申請號: 201710554756.4
• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN109243960B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 張小強;孫文劍
• 申請（專利權）人: 株式會社島津制作所
• 主分類號: H01J49/00
• 分類號: H01J49/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 高彥

本發明提供一種質譜儀，包括離子源，用于產生反應物離子；遷移管，用于使樣品分子與所述反應物離子發生反應，以產生樣品離子；所述遷移管包括結構相同且沿與離子遷移方向垂直的方向對稱分布的兩組電極，每組電極包括分布在同一平面，且沿所述離子遷移方向排布的多個曲線型單元電極，以令所述樣品離子在所述兩組電極之間的區域產生及遷移，且在沿與所述離子遷移方向垂直的方向上被聚焦；電源裝置，用于在每個所述單元電極上施加沿離子遷移方向變化的直流電壓；質量分析器，用于對所述樣品離子進行質量分析。本發明的質譜儀可在遷移管內實現高通量、高效率的離子傳輸，且不會對離子有明顯的加熱效應。

技術領域

本發明涉及質譜的技術領域，特別是涉及一種質子轉移反應質譜儀。

背景技術

質子轉移反應質譜(Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，PTR-MS)是一種重要的質譜技術，通常用于氣體分析。具體地，首先將待分析的氣體樣品分子與預先制備的反應物離子(通常為H₃O⁺)進行質子轉移反應，得到樣品離子，然后用質譜對樣品離子進行分析。質子轉移反應在一段長度為10～30cm，氣壓為1～2torr的遷移管內進行，遷移管內施加直流電場以驅動生成的樣品離子。進行質子轉移反應的反應時間由遷移管內的E/N的值決定。其中，E為直流電場強度，N為氣體分子數密度。反應時間確定后，可根據樣品與反應物離子的反應速率常數、質譜儀測量的反應物離子和樣品離子的強度、以及儀器參數，來計算樣品離子的濃度。因此，PTR-MS原則上不需要外部或內部標定，即可以對樣品氣體濃度進行實時、準確定量的測量。

PTR-MS中，遷移管E/N的值對于質譜譜圖的質量非常重要。如果E/N過小，則反應物離子H₃O⁺容易與水分子形成團簇離子，使得質譜譜圖非常復雜。如果E/N過大，盡管會抑制團簇形成，但會帶來過高的離子能量，從而容易產生碎片離子，或者引發其它的反應而產生干擾離子，同樣會在譜圖中形成干擾。典型的，比較合適的E/N為120Td，其中1Td＝10^-17V·cm²左右。

需要注意的是，遷移管內的直流電場不能在徑向上束縛樣品離子，因此離子通過遷移管時會在徑向自由擴散。在通過一個用于真空限流的小孔傳輸到下一級時，90％以上的離子會損失，造成靈敏度的下降。

為了提高傳輸效率，近年來有研究者將離子漏斗(ion funnel)技術引入PTR-MS，如文獻“Anal.Chem.2012,84,5387-5391”或者“Int.J.Mass Spectrom.414(2017)31–38”中所述。施加射頻電壓的離子漏斗可以有效聚焦離子，實現十倍以上離子傳輸效率。然而，一個能取得有效離子束縛的射頻電場會顯著地加熱離子，使得E/N值過大而產生過多碎片離子，對譜圖形成嚴重的干擾。另外，射頻電場對離子有質量選擇或歧視的特性，因此對于很多分析來說并不理想。

另一方面，在專利US6639213中，以及文獻“Int.J.Mass Spectrom.301(2011)166–173”中，提出一種用于離子遷移率分析的離子遷移管，采用較小的遷移管半徑和合適的半徑/間距比例，可用直流電場來周期性聚焦離子，得到很高的傳輸效率，且不會明顯地損失離子遷移譜的分辨率。可以設想，如果將類似的遷移管用于質子轉移反應質譜儀，既可以取得較高的傳輸效率，又不會有額外的離子加熱。然而，這種周期性聚焦裝置事實上僅能保持入射離子包的尺寸不至于因為擴散而被過度放大，并不能把較大入射截面的離子包進一步壓縮。這種裝置，事實上是一維的離子傳輸裝置，并不具有真正的離子聚焦或離子壓縮的功能。而質子轉移反應質譜中的遷移管，通常需要較大的反應區域以保證靈敏度。因此這種裝置并不適用。

因此，需要一種質子轉移反應質譜儀裝置，既可以保證遷移管對高通量的樣品離子的高傳輸效率，同時又不會產生碎片離子以保證譜圖質量。

發明內容