【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】離子源和質(zhì)譜系統(tǒng)
技術(shù)介紹
質(zhì)譜術(shù)(MQ是分析樣品中的組分(或分析物)的重要工具。在質(zhì)譜分析中， 樣品必須被電離，以生成分析物的離子；然后這些離子由質(zhì)量分析器基于質(zhì)荷比進行分離， 并且由檢測器檢測。存在多種不同的用于電離樣品的技術(shù)，諸如電噴霧電離(ESI)、化學(xué)電離(Cl)、光電離(PI)、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)電離和基質(zhì)輔助激光解吸附電離(MALDI)。 雖然上述的所有技術(shù)具有如下的共同點，即固體或液體樣品必須被轉(zhuǎn)化為分子、原子或離子氣霧，但是它們的電離機理是不同的。結(jié)果，可以分別由這些技術(shù)電離的化合物是不同的。在電噴霧的最早實施方案中，樣品氣霧被噴霧到高電場中，而不進行氣動或超聲波霧化。這被稱為“純電噴霧”。純電噴霧具有低流動能力(0. 1到ΙΟμΙ每分鐘)的問題。 因此，難以將純電噴霧用于具有高得多的流率(通常高達2ml每分鐘)的液相色譜(LC)。 當(dāng)電噴霧流率高于100 μ 1每分鐘時，由于噴霧形成不穩(wěn)定，通常不能維持樣品氣霧。因此， 在較高的流率下，純電噴霧的電離效率降低，并且在典型的色譜流率下靈敏度完全喪失。因此，LC和純電離噴霧之間的接口一般以10或更大的因子將樣品流分割，從而犧牲了靈敏度、分辨率和可再現(xiàn)性。氣動輔助電噴霧(或離子噴霧；參見例如美國專利No. 4，861，988)的發(fā)展在一定程度上緩解了流量限制。該技術(shù)采用圍繞中心液體遞送毛細管的同心霧化氣體，并且使得流率能夠達到數(shù)百ml每分鐘，同時靈敏度具有中等損失。如下所討論的，對該技術(shù)進行了各種改進。在美國專利No. 4，861，988后的幾年中，加熱器被直接安裝在氣動噴霧器上，以利用熱和...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2008.04.04 US 61/042,703書將了解本實用新型的其他特征、目標和優(yōu)點。定義應(yīng)該注意，當(dāng)在說明書和權(quán)利要求書中使用時，單數(shù)形式“某個”、“一個”、“所述” 和“該”包括復(fù)數(shù)個所指物，除非上下文中另有明確說明。因此，例如，“(一個)質(zhì)量分析器” 的說法包括多個質(zhì)量分析器的組合，“(一個)管子”的說法包括多個管子的組合，等等。“電噴霧離子源”是能夠通過電噴霧電離樣品的裝置。在電噴霧過程中，含有分析物的液體樣品被噴霧成液滴。使得液滴受到電場作用，并且液滴中的至少一些帶上電荷。一旦從液滴去除溶劑(“去溶劑化”)，帶電液滴中的分析物中的一些變?yōu)榻?jīng)電離的。在本文使用時，當(dāng)部分(部分A) “圍繞”另一部分(部分B)時，部分A出現(xiàn)在部分 B的所有或幾乎所有方向上，但是可以存在孔或空隙(局部圍繞，見下文)。圍繞可以是直接的或間接的，并且可以是完全的或局部的。例如，如果層圍繞管子，則該層可以與管子接觸(直接圍繞)，或者其可以由至少一個物體或空間與管子分離(間接圍繞)。此外，層可以完全圍繞管子的周長或長度，或者其可以僅僅在局部長度和/或局部周緣上圍繞管子。 當(dāng)部分A沒有完全圍繞部分B的周緣時，部分B的周長的至少55，60，65，70，75，80，85，90， 91，92，93，94，95，96，97，98 或 99%被圍繞。“霧化氣體”是用于幫助液體形成氣溶膠的氣體。氣體優(yōu)選是惰性氣體，通常是氮氣。當(dāng)在質(zhì)譜術(shù)的語境中使用時，“大氣壓(AP) ”是高于真空水平的壓力，通常介于約 IOOTorr和約兩倍于局部大氣壓或更高之間。示例性離子源和使用方法圖3示出了本實用新型的一個實施方式的剖視圖。該實施方式的離子源2具有殼體10，所述殼體10圍繞腔(在此情況下，大氣壓區(qū)域1 。大氣壓區(qū)域12由壁50與質(zhì)譜儀的第一級真空區(qū)域32分離。液體樣品通過毛細管沈引入到霧化器19中，如箭頭M所示。樣品可以從毛細管沈的遞送端(噴霧尖端51)噴霧到腔12中。第一霧化氣體流經(jīng)由管子觀圍繞毛細管沈被同心地引入，如箭頭22所示。第二氣體(或鞘氣體)也經(jīng)由端口18并通過加熱器腔殼體30圍繞霧化器19同心地引入到由管狀電絕緣體52和M形成的同心管狀開口 44中，并且通過由圓錐管46和48形成的同心金屬噴嘴放出到離子源腔12中。 箭頭20示出了通過氣體端口 18連接到離子源的鞘氣體供應(yīng)。鞘氣體噴嘴元件46和48被連接到高壓電源，以在由毛細管沈和管子觀形成的霧化器的尖端處提供充電電場。充電場、霧化氣體22和鞘氣體21的合并效果導(dǎo)致被約束在鞘氣體流21內(nèi)的高度帶電的樣品分析物的集中的電噴霧氣霧49。優(yōu)選地，為了最有效地約束氣霧，應(yīng)該使得湍流最小化。在一些實施方式中，鞘氣體由任選的加熱器14加熱，所述加熱器14位于加熱器腔殼體30內(nèi)。 在一些其它的實施方式中，經(jīng)預(yù)加熱的鞘氣體被如箭頭20所示地引入到離子源2中。熱和 /或電絕緣體16將殼體10與加熱器腔殼體30絕緣。因此，本實用新型的一個方面提供一種裝置，包括殼體，其限定出腔；毛細管，其具有接收端和遞送端，其中，液體樣品可以被從腔的外部通過接收端接收，并從遞送端噴霧到腔中成為液滴；圍繞毛細管的管子，用于將第一氣體輸送到毛細管的遞送端附近的位置； 圍繞毛細管的導(dǎo)管，用于輸送第二熱氣體，其中，所述熱氣體通過噴嘴被釋放到腔中，所述噴嘴包含至少一個可以將電勢施加到其上的電極，所述電勢用于在毛細管的遞送端生成電場。電場能夠使得液滴中的至少一些帶電，并且一旦帶電的液滴去溶劑化，樣品中的分析物可以變?yōu)殡婋x的。施加到噴嘴的電勢用于形成該電場，并且根據(jù)用戶的偏好促進或抑制液滴充電。在一些實施方式中，離子源被構(gòu)造成使得施加到噴嘴的電勢是可調(diào)的，并且用戶可以調(diào)節(jié)電勢，以優(yōu)化不同種類的分析物化合物的電離。在一些其它的實施方式中，噴嘴可以被保持在固定的電勢下，或者接地。如在下面更詳細解釋的，管子和第一氣體(霧化氣體)是任選的。應(yīng)該想到，上面的描述包括了其中管子是集體地圍繞毛細管并且輸送第一氣體的一組管子的實施方式。類似地，導(dǎo)管可以是集體地圍繞管子并且輸送熱氣體的一組導(dǎo)管。此外，如圖3所示，在一些實施方式中，絕緣體層可以限定用于輸送熱氣體的導(dǎo)管的一部分。 絕緣體層可以是電絕緣的，熱絕緣的，或既電絕緣又熱絕緣。在一些實施方式中，用于第一氣體的管子和用于第二氣體的導(dǎo)管分離開一定空間。在此空間中的空氣可以幫助將第一氣體和樣品毛細管與由噴嘴提供的電勢和第二熱氣體隔絕。絕緣體層和空間可以組合來用于額外的保護。其它的變化在本文中被公開了或?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的。應(yīng)該注意，樣品(在毛細管沈中)、第一氣體(在管子觀中)和鞘氣體(在噴嘴元件46和48之間)的流可以是同心的。在一些其它的實施方式中，這些流可以具有平行的軸，但是不是同心的。在一些實施方式中，噴霧尖端51被布置成與噴嘴元件46和48的開口大致平齊。可以將噴霧尖端51布置成稍微延伸超過噴嘴元件46和48的開口，這可以影響充電電場的強度。還可以將噴霧尖端51布置成從噴嘴開口稍微后縮；但是，這可能導(dǎo)致樣品沉積在內(nèi)噴嘴表面上，這可能提高了所需的清潔頻繁性。在一些實施方式中，內(nèi)噴嘴元件48和外噴嘴元件46之間的出口區(qū)域是角度的。該角度(如由從噴嘴元件46的端部延伸出的假想線和毛細管沈延伸出的假想線之間的最小角度來定義)通常為50度或更小，諸如50，45，40，35，30，25，20，15，10，5度或更小。0度的角度將遞送平行流。應(yīng)該注意，發(fā)散流(負角度)也可用于本實用新型的裝置中。這樣的流仍然受約束，但是不會非常集中氣霧。在一些例子中，正角度將會將氣體流導(dǎo)向噴霧尖端 51下方的區(qū)域(如圖3所示)。例如，該區(qū)域可以在噴霧尖端51下方約12，11，10,9,8, 7，6，5，4，3，2或Imm或更小的距離。在一些其它的實施方式中，噴嘴元件46和48在出口區(qū)域都平行于毛細管沈(如圖1所示)，并且鞘氣體流平行于樣品流。雖然該結(jié)構(gòu)僅僅示于圖1和圖7中，但是其可以用于本實用新型的任何其它實施方式中。類似地，圖3中所示的結(jié)構(gòu)也可以用于本實用新型的任何其它實施方式中。注意，也可以使用噴嘴的其它設(shè)計，這些其它設(shè)計是本領(lǐng)域中已知的或根據(jù)本領(lǐng)域知識明顯的。可以根據(jù)本領(lǐng)域的知識、經(jīng)濟上的考慮和用戶的目標來確定部件的尺寸。在多種實施方式中，內(nèi)或外噴嘴元件G6或48)的內(nèi)徑(ID)為2-25mm，尤其是2-5或5-10mm。例如，內(nèi)噴嘴元件48的ID可以是7mm。內(nèi)噴嘴元件48的外徑(OD)可以是8mm，并且外噴嘴元件46的ID可以是9mm，提供用于鞘氣體的0. 5mm環(huán)形開口。這些尺寸被選擇成較小，以使得鞘氣體流最小化，并且使得由噴嘴電極生成的充電電場的效果最大化。通常，當(dāng)噴嘴的 ID減小時，將熱鞘氣體帶到噴霧尖端51的附近的可能性增大，導(dǎo)致不期望的樣品沸騰和信號消失。但是，如在本文所述的，本實用新型提供了多個特征，用于將樣品與噴嘴和鞘氣體熱或電絕緣，或?qū)悠放c噴嘴和鞘氣體熱和電絕緣。因此，可以使得噴嘴靠近樣品毛細管。 在一些實施方式中，噴霧尖端51和噴嘴的釋放鞘氣體的最近部分之間的距離小于約10，9， 8，7，6，5，4，3，或2mm，現(xiàn)有裝置在不出現(xiàn)樣品的熱降解或?qū)е码娀〉那闆r下不能實現(xiàn)該特征。因為這些實施方式允許高溫鞘氣體和鞘氣體和樣品之間的靠近，所以可以實現(xiàn)樣品的閃蒸和受約束的氣霧。在一些實施方式中，鞘氣體像噴射流一樣快速流動。因此，在一些實施方式中，鞘氣體的速度可以為約35-55，25-60，25-80，或15-70米/秒。例如，速度可以是35，40，45， 50，55或60米/秒。速度也可以如用戶所決定的而更低或更高。離子源可以還包括到質(zhì)譜儀或離子遷移性分離裝置的入口。入口可以是本領(lǐng)域中已知的或明顯的任何結(jié)構(gòu)。示例性入口包括但不限于孔、短管和毛細管。圖3中的MS入口包括具有金屬化前端的離子傳輸玻璃毛細管36和噴霧屏蔽38，所述噴霧屏蔽38遞送第三熱氣體34(干燥氣體)。離子傳輸毛細管36與圖3中的樣品毛細管沈基本垂直。但是，離子傳輸毛細管36可以相對于樣品毛細管沈以任何定向布置。離子傳輸毛細管36連接大氣壓區(qū)域12和質(zhì)譜儀32的第一級真空區(qū)域。經(jīng)噴霧的樣品通過毛細管36被部分地傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀，同時樣品的一部分以及所有其它的氣體流通過端口 41流出密封的離子源腔12， 如箭頭40所示。圖7示出了本實用新型的另一個實施方式。在該實施方式中，附加的熱屏蔽層被加入到離子源中。熱屏蔽層被示為圍繞同心霧化氣體管觀的導(dǎo)熱管74，但是其它形狀和構(gòu)造也可以用來實現(xiàn)將樣品毛細管和霧化氣體管與熱屏蔽開的目的，以實現(xiàn)將熱主動傳走的目的。管子74在離子源腔的頂部處由用絕熱材料制成的襯墊76密封，以防止從加熱器腔殼體30到管子74的傳導(dǎo)性熱傳遞。在一些實施方式中，熱屏蔽層可以被連接到殼體10，并且殼體可以任選地經(jīng)受冷卻機制。在圖7所示的實施方式中，導(dǎo)熱管74被連接到熱沉72， 所述熱沉72布置在離子源腔的外部，并且優(yōu)選地由風(fēng)扇70所產(chǎn)生的強迫空氣冷卻。值得注意的是，在熱沉72具有足夠的表面積的情況下，也可以使用熱沉72的無源空氣冷去。導(dǎo)熱管74為同心霧化氣體管觀提供針對來自管狀絕緣體M和受熱的噴嘴元件48的輻射傳熱和對流傳熱的屏蔽。管子74優(yōu)選地覆蓋樣品毛細管沈的幾乎整個長度，并且應(yīng)該延伸到盡可能靠近毛細管26的遞送端，前提是不會由于接近噴嘴46/48而產(chǎn)生電弧。在存在熱屏蔽層的情況下，可以將鞘氣體的溫度提高到250°C以上，諸如達到約 4000C (在鞘氣體被從噴嘴釋放到腔的位置測量)，而不會使得霧化器的尖端中的樣品沸騰。事實上，如果樣品溶劑的揮發(fā)性較低(諸如水性的)并且對于樣品提供更好的抗沸騰的保護，則鞘氣體溫度可以甚至更高。注意，鞘氣體在其到達噴嘴之前在導(dǎo)管中冷卻下來，于是氣體可以由加熱器14或作為經(jīng)預(yù)熱的氣體被加熱到明顯高于400°C的溫度(例如，500°C 或更高)，以便以約400°C釋放到腔中。在導(dǎo)管中的實際降溫應(yīng)由用戶確定，因為這取決于許多因素，包括導(dǎo)管長度、部件材料以及鞘氣體流的速度。在一些實施方式中，熱屏蔽層(諸如導(dǎo)熱管74)包括涂有惰性材料或具有低表面發(fā)射率的材料的銅層。例如，金具有低表面發(fā)射率，并且較之吸收熱往往更傾向于反射熱， 該性質(zhì)有助于防止從熱氣體到樣品毛細管的傳熱。此外，金是化學(xué)惰性的，并且能夠保護銅免于氧化、腐蝕或其它損傷。其它低表面發(fā)射率惰性材料包括但不限于鉬、銠和氮化鈦。除了上述的熱屏蔽層以外或代替上述的熱屏蔽層，離子源可以包括霧化氣體管和鞘氣體導(dǎo)管之間的空間。在一些實施方式中，該空間可以被任選地連接到冷卻氣體供應(yīng)，以使得冷卻氣體運行通過該空間，這有助于將熱從霧化器帶走。在其中存在熱屏蔽層和空間兩者的實施方式中，可以使用這些部件的任何組合，例如霧化器-熱屏蔽層-空間-鞘氣體導(dǎo)管，霧化器-空間-熱屏蔽層-空間-鞘氣體導(dǎo)管，等等。可以包括在熱屏蔽層或空間中的另一種冷卻工具是熱管，其包括在較低溫度下， 例如60°C下，發(fā)生相變的液體。該液體可以被密封在空間中或密封在熱屏蔽層的中心中。 當(dāng)液體在相變溫度附近受熱，則形成許多氣泡，并且這些氣泡向上流動，同時剩余的液體向下流動，導(dǎo)致強烈的混合和熱交換。此儲液池的上部可以被連接到由風(fēng)扇等冷卻的熱沉，以增強熱交換。圖4示出了本實用新型的一些實施方式中電源的連接。在這些實施方式中，樣品遞送毛細管沈以及霧化氣體管觀被接地，同時電源60向由外噴嘴元件46和內(nèi)噴嘴元件 48形成的噴嘴提供電壓Unozzle (V)。噴霧屏蔽38與電源64連接，同時離子傳輸毛細管36 前端與電源62連接。噴霧氣霧49也被法拉第籠42包圍，所述法拉第籠42與電源61連接。 應(yīng)該注意，所有電壓是相對的，并且可以浮空。例如，樣品遞送毛細管沈可以處于高電壓， 而噴霧屏蔽和/或離子傳輸毛細管接近地電勢。所有電壓可以針對遞送到質(zhì)譜儀的最大量的離子而被優(yōu)化。例如，圖8a和8b示出了由利用75%甲醇和25%具有5mM的甲酸銨的水、以400 μ L/分鐘的流率的LC/MS分析的利血平的質(zhì)子化分子離子(m/z = 609)的正離子流的相對變化。圖8a是利用圖2所示的 ESI源得到的，而圖8b是利用圖7所示的本實用新型的源得到的。鞘氣體的溫度為330°C， 流率為IlL/分鐘，而干燥氣體被設(shè)為330°C，4L/分鐘，且霧化氣體壓力被保持在20psi。圖 5中的圖線示出了在約-800V的噴嘴電壓下信號明顯出峰。噴霧屏蔽電壓、籠電壓和離子傳輸毛細管電壓分別被優(yōu)化為-3500V、0V和-4000V。信號對于噴嘴電壓的依賴性較強，但是其在圖5所示的實驗中被優(yōu)化在-500V和-1000V之間的令人驚訝的低電壓下。這可能歸因于如下的事實施加到噴霧屏蔽的電勢在霧化器的尖端生成足以有效電離的電場。在其中鞘氣體的溫度更高的單獨實驗中，噴嘴電壓被優(yōu)化在0到-500V之間的更低的電壓下 (數(shù)據(jù)沒有示出)。另一令人驚訝之處為較低的法拉第籠42電壓(即，在法拉第籠電極上的電壓接近0時，實際獲得了最大的信號)，并且離子信號對于籠電壓的依賴性非常低，如圖6所示出的。有趣的是，注意利用分別處于-3500V、0V、0V和-4000V的噴霧屏蔽電勢、噴嘴電勢、籠電勢和毛細管電勢，獲得信號強度的另一優(yōu)化選項。當(dāng)前，對于這些觀察結(jié)果的原因還沒有很好地理解，但是并非限制本實用新型，看起來當(dāng)噴霧氣霧被在升高溫度下的鞘氣體約束時，可以存在由液滴形成離子的多種不同動力學(xué)。在操作條件下的噴霧氣霧似乎在徑向尺寸上更加被約束、集中和壓縮。并非限制本實用新型的范圍，這可能是歸因于熱梯度聚焦，熱梯度聚焦可以被描述為到凝聚相氣霧和包繞熱鞘氣體之間的邊界的傳熱平衡。到氣霧的熱流(Q)正比于鞘氣體和氣霧中的凝聚相中的液體的沸騰溫度之間的溫差(ΔΤ)成正比。熱流(Q)還正比于凝聚相氣霧的總面積 ⑶。Q ATS (1)同時，Q是恒量的，并且等于蒸發(fā)噴霧凝聚相所需的總熱量，由此導(dǎo)致總凝聚相氣霧面積( 與ΔΤ的反比關(guān)系。根據(jù)具體的氣霧幾何形狀(可能從球形到圓柱形)，表面積⑶要么正比于R2，要么正比于R的一次項，其中，R是噴霧凝聚相氣霧的特征徑向尺寸。 由此，等式⑴可以被寫為R 1/ΔΤ° (2)，其中，α依賴于具體噴霧氣霧幾何形狀而介于0. 5和1之間。等式( 描述了隨著鞘氣體溫度的升高，噴霧凝聚相氣霧在徑向尺寸上的觀察集中。更緊密、更集中的噴霧可以得到更高的液滴濃度，由此在噴霧的邊界處得到更高的離子濃度，從而使得在本實用新型的裝置中觀察到靈敏度提高。較之利用可從 Agilent Technologies (www. agilent. com)商購的 6130MSD 上的如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)ESI離子源獲得的峰84 (圖8a)的絕對強度，利用本實用新型的離子源獲得的正比于離子流的峰82(圖8b)的絕對強度展示了 11. 6倍的信號增強。兩條色譜離子跡線都是利用相同量的注射樣品(50pg的利血平)、在如前所述的相同的色譜條件下以400 μ L/分鐘的流率獲得的。比較峰82(圖8b)的計算面積和峰84(圖8a)的計算面積， 得到13倍的相對增大，而峰拖尾沒有明顯增加。圖9a和9b示出了本實用新型的源的附加優(yōu)點，即能夠保持尖銳的、無拖尾的色譜峰。峰94(圖9a)示出了利用如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)ESI源得到的色譜離子跡線，而峰 92 (圖9b)示出了如圖7所示的本實用新型的離子源得到的色譜離子跡線。兩條色譜離子跡線都是利用相同量的注射樣品(IOOpg的咖啡因)、在相同的色譜條件下以利用75%甲醇和25%具有5mM甲酸銨的水的400 μ L/分鐘流率獲得的。較之利用現(xiàn)有ESI源得到的離子跡線(峰94)，利用本實用新型的離子源得到的咖啡因離子跡線(峰92)的半高全寬(FWHM) 窄10%，同時絕對強度高4倍。此結(jié)果是非常顯著的，因為咖啡因由于其較低的分子量、樣品揮發(fā)性以及在升高溫度下的易降解性而常常難以分析。圖1示出了本實用新型的另一實施方式，其中，法拉第籠(圖7，標號42)和相應(yīng)的電源(圖4，標號61)被省略。此實施方式具有成本優(yōu)勢，并且基于如下的事實如圖7所示的本實用新型的籠電壓被優(yōu)化為接近地電勢。如果我們將由噴嘴(圖4的46和48)提供的靜電電勢認為是類似于圖2 (標號39)的籠電勢，則這并不是完全令人驚訝地。本實用新型的其它實施方式能夠被擴展到以“純電噴霧”模式(沒有氣動或超聲1波霧化)運行的低流量ESI離子源，諸如得自Agilent Technologies (www. agilent. com)的 Nanospary Source或HPLC-Chip MSInterface0圖10示出了這樣的實施方式，其中液體分析物M以至多5μ L/分鐘的流率被引入到毛細管沈中。毛細管沈不限于圓柱形幾何形狀。得自...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：亞歷山大·莫迪凱，馬克·H·韋爾利赫，克萊格·P·拉弗，詹姆斯·L·博特遲，
申請(專利權(quán))人：安捷倫科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：
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