CN101959580A - 用于样品质量分析的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

包括质量分析器、离子源和检测器的质谱仪能够以阳离子电离模式和阴离子电离模式分析样品。将质谱仪与液相色谱仪、流体分流器和多个流体通道结合使用，使得可以快速并以高精确性和准确性执行大的分析量。所述设备还能够分析复杂的混合物，诸如共洗脱样品。

Description

用于样品质量分析的设备、系统和方法

背景技术

有机化学是技术进步的基础部分之一，并且对于诸如塑料、燃料、药物、染料和农用化学品工业的许多重要产业的经济增长都是重要的。化学的继续进步所需要的一个必要组成部分是用于合成、纯化、表征和评价有机化合物的仪器和技术的发展。到现在为止，仪器的改进已经使有机化学发生了革命，使得化学家有可能改进对分子的精细和复杂结构以及化学反应的研究。这些改进为合成和开发各种化合物和分子铺平了道路。

因为仪器在有机化学的进步中起到重要的作用，许多研究和开发机构装备了用于允许化学家高效地和精确地满足其项目目的的现代化设备。诸如质谱仪、核磁共振仪、气相和液相色谱仪、以及红外、紫外和可见光谱仪的仪器是在这些现代化实验室中常见的先进设备类型。

在这些仪器中，质谱仪用于测定分子量、确定化学结构和精确地确定混合物的组成，所以它们对于化学家来说是特别有用的工具。因此，质谱法(MS)在生物学研究领域中变得越来越重要。例如，环境科学家使用质谱仪来鉴定填埋物、水源和空气样品中的有机化学品。在农用化学品领域中，化学家定量检测样品中的痕量化合物，以支持水、土壤、作物和动物研究。

质谱仪通常包括三个基本部件：电离源、质量分析器和检测器系统。从样品分子(或被分析物)被引入到质谱仪中开始，其被电离源接收并被高能电子束轰击。从而，被分析物被分裂为许多离子化片段。然后由质量分析器通过这些离子化片段的质量电荷比(m/z)对其进行分类。然后由检测器系统获得并记录被提供的每个m/z值的信号，其中每个信号的强度反映产生该信号的离子的相对丰度。通过这个信号图形，可以确定被分析物的化学结构。

质谱仪经常与高效液相色谱仪(HPLC)或气相色谱仪串联使用，以便确定未知物质的定性和定量性质。换句话说，色谱仪和质谱仪彼此是流体连通的。由此，样品被引入到色谱仪器中，样品在其中被分离为其组分或被分析物。其后，被分析物被联机运送到质谱仪中进行分析。

由联接的高效液相色谱仪和质谱仪所生成的光谱数据获得所检测的被分析物的各种物理和化学性质，包括确定未知被分析物、其结构和在样品中的存在量。因而，这些仪器的联合起到了作为用于分析复杂样品的有力的分析工具的作用。特别地，农业和制药工业形成了对这种方法的信赖，不仅是因为对于通常检测的复杂混合物所生成的数据的类型，而且是因为这些仪器能够以相对快速的分析时间提供获得准确数据所需要的高灵敏度。

如所述，MS是一种重要的技术，对于在包括石油工业、制药工业和农用化学品工业在内的许多产业的支持和进步都起到工具的作用。对于化合物高通量分析的需要刺激了对引入新仪器以及用于捕获和存档分析数据并将数据整合到所选择的化学和生物学数据库中而装备的数据管理工具的需求。尽管这种技术所生成的数据是可靠的，但是在满足这种需求并同时保持准确性和精确性方面存在有各种问题和挑战。例如，在复杂混合物的情况中，多个分析信号可能重叠，在所生成的光谱数据中掩蔽强度较小的被分析物。另外，由于需要以高精确性和准确性快速执行大量的分析，对大量数据进行分析是困难且耗时的。本发明涉及用于满足这些需要的设备和方法。

发明内容

结合方法描述和举例说明以下的设备和系统及其各个方面，意在所述内容为示例性和说明性的，并非对其范围进行限制。提供了一种能够接收样品并分析其物理性质的设备。如所公开的，质量分析器(诸如质谱仪)大体上包括与电离源相通的入口端口，和与该入口端口相通的多个流体通道。

第一流体通道具有第一构造，并适合于接收样品和在第一时间段中将样品转移到入口端口。第二通道具有与第一构造不同的第二构造，并适合于接收样品和在大于第一时间段的第二时间段中将样品转移到入口端口。第二流体通道可以构造为例如在长度上比第一流体通道更大。作为选择，第二流体通道可以具有小于第一流体通道的直径。所述流体通道可由常规的管来形成。

可以提供第一流体分流器，其在入口端口上游的位置处与第一和第二流体通道连通。第一流体分流器适合于将样品分流为两个部分，其中第一样品部分被引导到第一流体通道，而第二样品部分被引导到第二流体通道。还可以使用第二流体分流器并定位为与第一流体分流器为间隔开的关系并在其下游。第二流体分流器将第一和第二通道互连并在样品进入通过入口端口进行分析之前将样品部分引导到第三流体通道。

所使用的流体分流器可以是常规的分流器，诸如手动分流器、电子分流器和T形分流器。所使用的分流器还可以是可调节的。例如，第一流体分流器可以用于将样品以1∶1-3∶1的比例分流。

在接收样品之后，质谱仪可以以第一电离模式分析第一样品部分。其后，质谱仪可以进行切换，以阴离子电离模式分析第二样品部分。第一和第二电离模式可以选自阳离子和阴离子电离模式。

本文还考虑了一种系统。所述系统大体上包括适合于接收样品并将其分离为多种被分析物的分离柱，诸如HPLC。在所述分离柱下游并与之流体连通的是质谱测定设备。所述分离柱和质谱仪经由多个通道和一个流体分流器相互连接。流体分流器将离开分离柱的被分析物检测流束分流为第一和第二检测部分，在它们进入到质谱仪中之前顺着相应的通道引导它们。如上述设备中那样，本文中的系统可以另外设有第二流体分流器，所述第二流体分流器适合于在所述两个检测部分进入到质谱仪中之前引导它们通过共用的第三流体通道。另外，如上对于设备所述的，系统中的第一和第二流体通道在构造上是不同的，使得第一样品部分在第一时间段中到达入口端口，而第二样品部分在第二时间段中到达入口端口。

所述系统可以另外设有同时与分离柱和质谱测定设备连接的计算机。计算机能够生成所述两个检测部分的质谱数据。

所述的设备和系统可以具有用于分析具有共洗脱被分析物的样品(或检测部分)的特定应用。这样，质量分析设备可以以不同的电离模式分析所述两个部分。

另外考虑了包含共洗脱被分析物的样品的分析方法。概括地讲，所述方法包括将样品分流为第一检测部分和第二检测部分，然后将所述第一检测部分和第二检测部分经由两个不同的流体通道朝向入口端口引导到质量分析设备。所述质量分析设备以第一电离模式执行对第一检测部分的分析，从而产生第一峰形。另一方面，第二检测部分通过第二流体通道被引导到质量分析的入口端口，并以第二电离模式进行分析，从而产生第二峰形。特别地，质量分析设备以阳离子电离模式对一个部分进行分析，而以阴离子电离模式对另一个部分进行分析。

所述方法可以另外包括在质量分析设备上游的位置处提供一个分离柱的步骤。因此，可以首先将样品引导通过分离柱，诸如HPLC，从而将样品分离为多种被分析物。然后，被分析物向下游移动到质量分析设备。

所述方法可以包括将第一和第二检测部分同时向它们各自通道引导的步骤。然而，各检测部分应该以不同的时间段到达入口端口。例如，可以在第一时间段中由入口端口接收第一检测部分，而在大于第一时间段的第二时间段中通过入口端口接收第二检测部分。

参考附图举例说明一个示例性实施方案。意在将本文中公开的实施方案和图看作是说明性的而非限制性的。在图中：

附图说明

图1是一个示意图，示出了用于分析样品的现有技术的系统，包括与分离柱流体连通的质量分析器；和

图2是示意图，示出了包括由多个流体通道将质量分析器和分离柱相互连接起来的分析系统的示例性实施方案。

具体实施方式

共同的农业综合企业和农用化学品公司的经营是通过为环境上和社会上可接受的同时经济学上可行的可持续农业开发和生产化学品和经过基因修饰的产品来满足农业上的需要。作为这一目的的一部分，许多农用化学品公司在保护环境方面起到积极的作用。例如，许多农用化学品公司监控水域和社区水源，以检测某些化学品和它们的浓度。

通常，例如，从选定水域收集水样并使用与高效液相色谱法共同使用的质谱仪进行分析。这些分析的结果鉴定化学污染物(如果存在)以及确定那些污染物的浓度。分析水样的常规技术概略地描述在图1中。其中，系统10包括分离柱20，其可以是与质量分析器30流体连通的常规的高效液相色谱仪(HPLC)的形式，所述质量分析器30可以是常规的质谱仪。HPLC 20和质谱仪30各自与计算机40连接，计算机40生成由化学家进行评价的质谱数据。

HPLC 20具有用于接收样品50的入口22和出口24，经过分离的被分析物通过出口24离开分离柱。出口24与光谱仪30的入口端口32流体连通，入口端口32与电离源相通。考虑到这种结构，分析样品的流动遵循箭头的方向，并可以理解为首先通过入口22进入HPLC20，分析样品在HPLC 20中被分离为被其分析物。这些被分析物形成被分析物流束62，从出口24流出并通过入口端口32进入质谱仪30。具有适当尺寸和长度的常规的管将HPLC 20和质谱仪30互连并携带被分析物流束62从出口24到入口端口32。这个管可以是例如聚合物管(诸如聚醚醚酮(PEEK)管)、不锈钢管、或其它适合的管。然后由计算机40生成被分析物流束内的被分析物的光谱数据。

通常，被分析物从HPLC共洗脱出来。换句话说，样品内的两个不同组分以大致相同的时间从柱的出口端洗脱出来。在这些共洗脱物具有不同极性(即，其中一个共洗脱被分析物是阳性的而另一个共洗脱被分析物是阴性的)的情况中，需要切换质谱仪的极性，以便由此使两种被分析物都被检测到。因此，在质谱仪以阳离子电离模式操作时，它会检测阳性的共洗脱被分析物。类似地，在质谱仪以阴离子电离模式操作时，它会检测阴性的共洗脱被分析物。

目前，用于分析共洗脱被分析物的方法是将被分析物流束供给到质谱仪(这时质谱仪以第一模式操作，所述第一模式是阳离子或阴离子电离模式)，如上述参考图1所述的。在质谱仪以第一模式分析被分析物流束之后，然后可以将其极性切换为第二模式。再次将被分析物流束进样到质谱仪中并进行分析。这样，计算机能够生成阳性和阴性被分析物二者的光谱数据。

在两个不同的时间将被分析物流束进样通过质谱仪可能是耗时的，尤其是在要分析大量样品时。例如典型的HPLC设备可以容纳一百(100)个待分析样品。一个样品要从HPLC洗脱、然后由质谱仪分析一次通常需要大约十(10)分钟。这样，在质谱仪以第一模式(阳离子电离模式或阴离子电离模式)操作时，一组100个待分析样品需要大约十七(17)个小时的时间。化学家通常放置相同的100样品在HPLC中并在将质谱仪切换为第二电离模式之后再次运转相同的分析过程。这个第二分析花费另一个十七(17)小时，总的分析时间是大约34小时。

可以理解，本文中参考图2所述的质谱仪设备、系统和方法可以在比上述大约三十四(34)小时短得多的时间内分析相同的100个样品。与上述参考图1所述的系统10相似，图2中所示的系统110包括与质量分析器130流体连通的分离柱120(诸如HPLC)，质量分析器130可以是常规的质谱仪并与计算机140连接。同样，遵循箭头的方向，通过入口122将样品150引入到HPLC 120中，样品150在HPLC120中被分离为其被分析物。被分析物流束162从HPLC 120流向质谱仪130进行分析，但是在到达质谱仪之前，流束被分流为两个部分-第一检测部分和第二检测部分。每个检测部分分别地到达入口端口132，使得例如第一检测部分可以在第二检测部分被引入到质谱仪中之前由质谱仪进行分析。

更特别地，且继续参考图2，被分析物流束162通过出口124离开HPLC 120并向下游转移到第一流体分流器170。第一流体分流器170将被分析物流束162分流为第一检测部分和第二检测部分。第一个检测部分被引导到具有第一构造的第一流体通道164，而第二检测部分被引导到第二流体通道166，所述第二流体通道166具有与第一构造不同的第二构造。第一流体通道164和第二流体通道166通过第二流体分流器172与第三流体通道168相互连接。如此处所示，第二流体分流器172位于第一流体分流器170的下游，在紧邻入口端口132的位置。在接收相应的检测部分之后，第三流体通道168将检测部分通过入口端口132转移给质谱仪130。

第一流体通道164、第二流体通道166和第三流体通道166可分别由如上所述的常规的管来形成。第一流体通道164和第二流体通道166在构造上不同，使得由其接收的相应的检测部分最终以不同的时间流动通过入口端口132。如所考虑的，第一检测部分在第一时间段中进入质谱仪并以第一电离模式进行分析。然后，第二检测部分在经过充分的时间之后在第二时间段中进入质谱仪，所述的时间用于质谱仪完成对第一检测部分的分析并切换为第二电离模式。

为了进一步举例说明系统110的效率，首先将假想的包含共洗脱被分析物的样品引入到分离柱120中。在大约三(3)分钟之后，被分析物共洗脱，形成被分析物流束162，其随后被第一流体分流器170分流。第一检测部分被沿着第一流体通道164引导并在大约三(3)分钟十(10)秒之后到达质量分析器130。同时，第二检测部分沿着第二流体通道166流动并在大约三(3)分钟十一(11)秒之后到达质谱仪。标准质谱仪设备的电离模式的切换可以需要不到一秒。因此，如果质谱仪在第一模式和第二模式之间的切换需要大约3/4秒(750ms)，则只要第二检测部分在第一检测部分之后大约一(1)秒，就可以分析第二检测部分的光谱数据。

流体通道164、166的构造可与适合于实现以不同的时间范围递送检测部分的任何方式来构造。例如，如本文中所示，第二流体通道166盘旋两次，使得在长度上大于第一流体通道164。因此，比第一检测部分相比，由于通道166的长度，第二检测部分需要更长时间被入口端口接收到。或者，第一流体通道166可以具有比第二流体通道164更大的直径，使得第二检测部分在第二流体通道中的移动速度比第一检测部分的移动速度慢。

所述系统中所使用的流体分流器可以是通常用于分析设备的常规的分流器。例如，所使用的流体分流器可以是例如手动分流器、电子分流器或T形分流器。另外，根据需要，所述分流器可以是可调节的或不可调节的。例如，第一流体分流器170可以将被分析物流束162以1∶1的比例分流，例如，作为选择以3∶1的比例分流。更具体地，第一流体分流器可以是由Upchurch Scientific，Inc生产的UpchurchP-450，Upchurch Scientific，Inc的办公位置在619Oak Street OakHarbor WASHINGTON 98277；第二流体分流器可以是由W.R.Grace& Co提供的ASI Model 60206，W.R.Grace & Co的办公位置在2051Waukagen Road，Deerfield，lllinois 60015。根据需要，可以使用一个流体分流器或流体分流器的任何组合来引导被分析物流束通过通道，使得各检测部分以不同的时间段进入质谱仪。

本领域技术人员应该容易地理解，参考图2的上述系统110及其各个方面的应用可用于检测不同于农用化学品工业的其它产业的共洗脱被分析物。因此，所述系统及其各个方面可以用于许多产业中，使得其不以任何方式限制于农用化学品工业。例如，分析共洗脱被分析物的制药工业或其它工业可以使用这一系统来改善检测样品的效率和时间。

另外，上述示出了系统110，并将其描述为与分离柱(具体地，是HPLC)串联的质量分析器。如果根据需要将质量分析器与不同于HPLC的设备(例如，超压液相色谱(UPLC))串联使用，可以容易地理解质量分析器及其益处。或者，可以独立地使用质量分析器和为其引入样品的多个流体通道。换句话说，可以将待检测样品直接引入到流体通道中，随后分成第一和第二检测部分，然后以不同的时间段将它们引入到质量分析器中，所述不同的时间段足以允许以不同的电离模式进行样品的分析。

另外考虑了包含共洗脱被分析物的样品的分析方法。应该理解，所述方法可以包括上述设备和系统实施方案所固有的任何步骤。概括地讲，所述方法包括将样品分流为第一检测部分和第二检测部分，然后将所述第一和第二检测部分经由两个不同的流体通道朝向入口端口引导给质量分析设备。所述质量分析设备以第一电离模式执行对第一检测部分的分析，从而产生第一峰形。另一方面，第二检测部分通过第二流体通道被引导到质量分析器的入口端口，并以第二电离模式进行分析，从而产生第二峰形。特别地，质量分析设备以阳离子电离模式对一个部分进行分析，而以阴离子电离模式对另一个部分进行分析。

所述方法可以另外包括在质量分析设备上游的位置处提供一个分离柱的步骤。因此，可以首先使样品被引导通过分离柱，诸如HPLC，从而将样品分离为多种被分析物。然后，被分析物向下游移动到质量分析设备。

如所指出的，所述方法可以包括上述系统或设备所固有的任何步骤。具体地，所述方法可以包括将第一和第二检测部分同时向它们各自通道引导的步骤。然而，各检测部分应该以不同的时间段到达入口端口。例如，第一检测部分可以在第一时间段中由入口端口接收，而第二检测部分在大于第一时间段的第二时间段中到达通过入口端口。

第一和第二流体通路可以由流体分流器相互连接，所述流体分流器用于将样品流束分流为第一和第二检测部分。各流体通路的构造也可以是不同的。例如，第一流体通路可以具有大于第二流体通路的长度。

已经详述了本发明的前述描述和说明性实施方案。然而，应该理解，对本发明的前述描述只是示例性的，且本发明的范围由在考虑现有技术的情况下进行解释的权利要求来限定。此外，在本文中说明性地公开的本发明可以在没有本文中具体公开的任何要素存在的情况下进行实践。

Claims (26)

1.用于接收样品并分析样品的物理性能的质谱仪，所述质谱仪具有电离源、质量分析器和检测器，且所述质谱仪包括：

(A)入口端口，所述入口端口与电离源相通，样品通过所述入口端口引入以进行分析；

(B)第一流体通道，该第一流体通道与所述入口端口相通并具有第一构造，所述第一流体通道适合于接收样品并在第一时间段中将样品转移到所述入口端口；和

(C)第二流体通道，该第二流体通道与所述入口端口相通且具有不同于第一构造的第二构造，所述第二流体通道适合于接收样品并在大于第一时间段的第二时间段中将样品转移到所述入口端口。

2.根据权利要求1的质谱仪，其中所述第一流体通道被构造为具有第一长度，且所述第二流体通道被构造为具有大于所述第一长度的第二长度。

3.根据权利要求1的质谱仪，其中所述第一流体通道被构造为具有第一直径，而所述第二流体通道被构造为具有小于所述第一直径的第二直径。

4.根据权利要求1的质谱仪，包括与所述第一流体通道和第二流体通道相通且位于所述入口端口上游的第一流体分流器，所述第一流体分流器适合于将样品分流为第一样品部分和第二样品部分，使得所述第一样品部分通过所述第一通道转移到所述入口端口，所述第二样品部分通过所述第二通道转移到所述入口端口。

5.根据权利要求4的质谱仪，其中所述第一样品部分和所述第二样品部分以1∶1或3∶1的比例被分流。

6.根据权利要求4的质谱仪，包括位于所述第一流体分流器下游并与所述第一流体通道和第二流体通道相互连接的第二流体分流器，使得所述第一样品部分和第二样品部分通过一共用的流体通道被所述入口端口接收。

7.根据权利要求6的质谱仪，其中所述第一流体分流器和第二流体分流器是可调节的。

8.根据权利要求6的质谱仪，其中所述第一流体分流器和第二流体分流器选自手动分流器、电子分流器和T形分流器。

9.根据权利要求6的质谱仪，其中所述第一样品部分被以第一电离模式进行分析，所述第二样品部分被以不同于第一电离模式的第二电离模式进行分析。

10.根据权利要求9的质谱仪，其中所述第一电离模式和第二电离模式选自阳离子电离模式和阴离子电离模式。

11.用于分析液体样品的系统，包括：

(A)分离柱，该分离柱适合于接收液体样品并将样品分离为多种被分析物，从而由待检测的所述被分析物中的选定被分析物形成被分析物检测流束；

(B)第一流体分流器，该第一流体分流器适合于将所述被分析物检测流束分流为第一检测部分和第二检测部分；

(C)质谱测定设备，用于测量所述第一检测部分和第二检测部分中的所述被分析物的物理性质；

(D)多个流体通道，所述多个流体通道与所述质谱测定设备相通，包括：

(1)第一流体通道，该第一流体通道具有第一构造，且适合于在第一时间段中将所述第一检测部分转移到所述质谱测定设备；和

(2)第二流体通道，该第二流体通道具有不同于第一构造的第二构造，且适合于在大于第一时间段的第二时间段中将所述第二检测部分转移到所述质谱测定设备。

12.根据权利要求11的系统，包括第二流体分流器，该第二流体分流器在所述第一流体分流器下游并紧邻所述质谱测定设备的位置将所述第一流体通道和第二流体通道相互连接。

13.根据权利要求11的系统，包括第三流体通道，该第三流体通道与所述分离柱和所述第一流体分流器流体连通，且适合于分别从所述第一流体通道和第二流体通道接收所述第一检测部分和第二检测部分，并将所述第一检测部分和第二检测部分转移到所述质谱测定设备。

14.根据权利要求11的系统，其中所述质谱测定设备用于以阳离子电离模式或阴离子电离模式分析所述被分析物检测流束的第一检测部分和第二检测部分。

15.根据权利要求11的系统，包括计算机，所述计算机与所述分离柱和所述质谱测定设备连接并用于生成质谱数据。

16.根据权利要求11的系统，其中所述被分析物检测流束包括共洗脱被分析物。

17.根据权利要求11的系统，其中所述分离柱是液相色谱仪。

18.根据权利要求11的系统，其中所述多个流体通道由管形成。

19.根据权利要求18的系统，其中所述管具有用于所述第一流体通道和第二流体通道中的每一个的通用直径。

20.用质量分析设备分析包含共洗脱被分析物的样品的方法，其中所述质量分析设备具有与其相通的、用于接收样品以进行分析的入口端口，所述方法包括以下步骤：

(A)将样品分流为第一检测部分和第二检测部分；

(B)将第一检测部分引导通过与质量分析设备的入口端口相通的第一流体通道，并以第一电离模式操作质量分析设备，从而产生第一峰形；和

(C)将第二检测部分引导通过与质量分析设备的入口端口相通的第二流体通道，并以第二电离模式操作质量分析设备，从而产生第二峰形。

21.根据权利要求20的方法，包括将所述第一检测部分和第二检测部分同时引导通过相应的所述第一流体通道和第二流体通道的步骤。

22.权利要求21的方法，其中

(A)所述第一检测部分在第一时间段中由所述入口端口接收；和

(B)所述第二检测部分在大于所述第一时间段的第二时间段中由所述入口端口接收。

23.权利要求20的方法，包括在质量分析设备上游的位置处设置分离柱并引导样品通过所述分离柱、从而将样品分离为多种被分析物的步骤。

24.权利要求20的方法，其中设置将所述第一流体通道和第二流体通道相互连接的流体分流器，用于将所述样品分流为所述第一检测部分和第二检测部分。

25.权利要求20的方法，其中所述第一流体通道具有第一长度，所述第二流体通道具有大于所述第一长度的第二长度。

26.权利要求20的方法，包括在由所述入口端口接收所述第二检测部分之前将质量分析设备从所述第一电离模式转变为所述第二电离模式的步骤。

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