CN1892969A - 纳喷雾电离设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于质谱系统的装置和方法。本发明提供了用于向电离区域提供辐射加热的离子源。离子源包括用于产生离子的纳喷雾电离设备和邻近该电离设备的导管，该导管用于接收来自该电离设备的离子。导管包括传导性材料用于向电离区域提供间接辐射加热。也可以用导管中的加热器提供直接辐射加热。该离子源可以单独使用或者与质谱系统结合使用。当与质谱系统结合使用时，还可以在该设备的下游使用检测器。还公开了用该设备将被分析物去除溶剂的方法。

Description

纳喷雾电离设备和方法

技术领域

本发明涉及纳喷雾电离(nanospray ionization)设备和方法。

背景技术

质谱仪是通过电离分子并随后根据其质荷(m/z)比对分子进行分类和识别而工作的。质谱仪可以使用一些不同类型的离子源。对于待分析的不同类型分子，每种离子源具有特定的优点和缺点。

最近十年间液相色谱(LC/MS)的许多进步在于离子源的开发。引入在大气压下进行的技术已引起了特别的注意。这些技术不需要使用复杂的泵和抽取技术来制造真空。常见的技术包括但不限于电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)和大气压光电离(APPI)。

ESI是上述技术中最古老的，也是研究最多的。电喷雾电离是通过部分依靠分子的化学性质在被分析物到达质谱仪之前产生溶解的被分析物离子的技术而工作的。在大气压下将洗提液(liquid eluent)喷射进室中。之后将被分析物离子与中性分子在空间上静电分开。

最近，已有开发使用低流速和低样品用量的离子源的趋势。纳喷雾设备通过能够低流速发射少量被分析物而工作。在这样低的流速下，对分子产生影响的特性与标准电喷雾技术不同。但是，在低流速且被分析物用量很低的情况下，经常难以检测特定离子。因此，希望可以提供能够以更高灵敏度对很低程度的各种离子进行检测的装置。本发明克服了这些问题以及其他的问题。

发明内容

本发明提供了质谱系统，其包括用于向电离区域提供辐射加热的纳喷雾离子源。纳喷雾离子源包括用于产生离子的纳喷雾电离设备以及邻近该电离设备且用于接收来自该电离设备的离子的导管，该导管包括用于向电离区域提供辐射加热的传导性材料以及位于纳喷雾离子源下游用于检测由纳喷雾离子源产生的离子的检测器。

本发明还提供了纳喷雾离子源，用于向电离区域提供辐射加热。纳喷雾离子源包括用于产生离子的纳喷雾电离设备以及邻近该电离设备且用于接收来自该电离设备的离子的导管，该导管包括传导性材料用于向电离区域提供辐射加热。

本发明还提供了用于对纳喷雾离子源的电离区域中的被分析物和样品进行加热和去除溶剂的方法。该方法包括从传导性导管将热量辐射进电离区域和将电离区域中的被分析物去除溶剂。

附图说明

图1示出了本发明的质谱系统的总体框图。

图2示出了第二质谱系统的总体框图。

图3示出了本发明第一实施例的侧视图。

图4示出带有附加电场线的图3的侧视图。

图5示出了本发明的第二实施例。

图6A示出了本发明的第三实施例。

图6B示出了本发明的第四实施例。

图7示出了本发明的另一实施例。

具体实施方式

在详细说明本发明之前，必须注意到，在此说明书及所附权利要求中所用的单数形式“一个”和“该”包括多个指示物的情形，除非上下文有明确的相反表示。因此，例如提及的“发射器”包括多于一个“发射器”。提及的“纳喷雾电离设备”或“导管”包括多于一个“纳喷雾设备”或“导管”。为了对本发明进行说明和主张权利，将根据下述定义来使用下列术语。

术语“邻近”表示靠近、接近或紧挨。邻近的某物还可以与另一元件接触、围绕另一元件(即与之同心)、与另一元件分开或包含另一元件的一部分。例如，邻近电极的“发射器”可以与该电极接近并有间隔、可以接触该电极、可以围绕该电极或该电极的一部分或者被该电极或该电极的一部分所围绕、可以包含该电极或被该电极所包含、可以紧挨该电极、也可以靠近该电极。

术语“被分析物”指包括与样品混合用于分析的一种或更多溶剂的任何样品。

术语“大气压离子源”指本领域公知的术语，其用于产生离子。该术语还指在环境温度和压力范围中产生离子的离子源。一些典型的离子源可包括但不限于电喷雾、APPI及APCI离子源。

术语“带电液滴”或“带电液滴形成”指包括被分析物、溶剂和/或移动相混合物的分子产物。

术语“传导性”或“传导性导管”指热导性或者可以维持或辐射热量的装置。

术语“导管”指可用于容纳或传输离子或气体的任何套筒、毛细管、传输设备、分配器、喷嘴、软管、管道、盘、吸管、端口、孔、壁中的孔、连接器、管子、接头、容器、外壳、结构或装置。

术语“导管电极”指可用于将离子导入导管的电极。该电极可用来收集导管中的离子以用于进一步处理。

术语“电晕针”指可用来产生电晕放电的任何导管、针、物体或设备。

术语“检测器”指可检测离子的任何设备、装置、机器、元件或系统。检测器可以包括硬件和软件，也可以不包括。在质谱仪中，常用的检测器包括物质分析仪，和/或耦合到该物质分析仪上。

术语“电喷雾离子源”指用于产生电喷雾离子的发射器及有关零件。该发射器可以处于接地的电势，也可以不处于。电喷雾电离是本领域熟知的。

术语“发射器”指本领域所知由液体产生小液滴或气雾剂的任何设备。

术语“第一电极”指任何方案或形状的电极，其可用来使离子定向或者增加或创建场以帮助带电液滴的形成或运动。

术语“第二电极”指任何方案或形状的电极，其可用来使离子定向或者增加或创建场以帮助带电液滴的形成或运动。

术语“第一电场”、“第二电场”和“第三电场”指所指明的单个电极对总电场的贡献。特定电极对电场的贡献被认为是来自仅在该电极上的电荷(以及这些电荷在其他电极上感生的电荷)的场。根据叠加原理，任意点处的总电场是所有电极在给定施加电压下对该点处的场的贡献之和。

术语“电离区域”指任何离子源和导管之间的区域。

术语“离子源”或“源”指产生被分析物离子的任何来源。

术语“分子纵轴”表示可沿着喷雾方向穿过具有最大离子浓度的区域画出的理论轴或线。采用上述术语是因为分子纵轴与导管轴线的关系。在某些情况下，离子源或电喷雾发射器的纵轴可能偏离导管纵轴(例如，如果轴线正交但不相交)。所用的术语“分子纵轴”包括本发明最广范围内的实施例。正交表示垂直或近似成90度角定位。例如，“分子纵轴”可与导管轴线垂直。术语基本正交表示90度±20度。但是，本发明不限于这些关系，而可以包括“分子纵轴”与导管纵轴之间限定的各种锐角和钝角。

术语“纳喷雾离子源”指用于产生离子的发射器及相关零件。发射器可以处于接地的电势，也可以不处于。该术语还应当广泛解释为包括可将带电颗粒放电的仪器或装置(例如带有电极的管子)，所述颗粒与用本领域熟知的纳喷雾电离技术产生的离子相似或相同。处于低液体流速的纳喷雾发射器采用范围从0.001×10^-9到5000.0×10^-9L/Min的流速。发射器尖端孔的直径范围从5.0×10^-6到50.0×10^-9米。

术语“喷雾器”指本领域所知由液体产生小液滴或气雾剂的任何设备。

术语“非气动”指通过除了气流辅助喷雾以外的某种方法实现带电液滴形成。例如，可以用电场或磁场帮助从(多个)发射器形成带电液滴。

术语“气动”指将气流辅助用于形成带电液滴。

术语“顺序”或“顺序排列”指将离子源用于连续的布置中。离子源一个接一个。可以是直线排列，也可以不是。

本发明是参考附图进行说明的。附图并未按比例，特别地，为了描述清楚可能夸大了某些尺寸。

图1示出质谱仪系统的总体框图。框图不是按比例，而是按一般形式绘制的，因为本发明可用于多种不同类型的质谱仪。本发明的质谱仪系统1包括离子源3、传输系统5和检测器7。

本发明在其最广意义上提供了在低样品流速下产生谱的离子源。离子源3可包括发射离子的多种不同类型的离子源。例如，具有低样品流速的纳喷雾离子源4。由于在纳米尺度上彼此各异的物理和化学特性及其所导致的离子产生机制中的差别，某些情况下这些离子源可能不同于电喷雾离子源。此外，纳喷雾中所用的低流速在实现带电液滴的形成中常常不需要气体辅助。因此，这种低流速使得可以将电场或磁场用于带电液滴的形成和收集。

现在参考图1-3，纳喷雾离子源4包括第一发射器9和邻近第一发射器9的第一电极11。第一发射器9和第一电极11可置于纳喷雾离子源4中任意位置。图1示出了纳喷雾离子源4中布置有外壳6的方案。外壳6可设计为类似于法拉第笼或法拉第屏蔽。在此设计中，可以对外壳6施加单独的电势使其产生与电极相似的效果。在被分析物从一个或更多发射器发射之后，此电极可用于形成带电液滴。这不是本系统或纳喷雾离子源4必需的。也可以用本领域已知的其他外壳、外罩、电极、壁或设备。

图2示出本发明的第二总体框图。在本发明的这个实施例中，示出了附加的电极和发射器。例如，附图示出了第一发射器9、第二发射器10以及第三发射器12。每个发射器都用于发射离子。每个发射器9、10和12可置于纳喷雾离子源4中或其附近的不同位置。此外，附图示出应用了多个电极。例如，附图示出了第一电极11、第二电极13和第三电极15。本发明可包括任意数量或任意组合的电极和发射器。注意附图示出第一电极11、第二电极13和第三电极15彼此邻近。这不是本发明必需的。每个电极和发射器可位于外壳6的各个位置和方向。

图3示出了本发明一部分的侧视图。该图不是按比例的，而仅仅是为了说明的目的而提供的。图3示出了纳喷雾结构的离子源3。纳喷雾离子源4包括第一电极11、第二电极13、第一发射器9和第二发射器10。还显示了导管电极17。第一电极11产生第一电场以使离子运动并将其定向。导管电极17设计为产生第二电场，该电场收集离子并将其导入传输系统5。之后传输系统5将离子导入质量检测器7(见图1-3)。

第一电极11、第二电极13和导管电极17可以布置在外壳6中。在本发明的其他实施例中，第一电极11、第二电极13和导管电极17可以包括外壳6。在本发明此实施例中，对整个外壳6施加单一电势。外壳6可以将离子导向导管19和/或将离子与导管19屏蔽。应当注意，当像电极一样操作外壳6时，离子从第二发射器10喷射，在该处朝向外壳6底部行进。喷雾由于导管电极17与第一电极11和第二电极13的组合或者外壳6产生的强电场而分叉。此过程总体上增大了形成带电液滴的产量。此外，此设计和过程将气相离子与包括溶剂、被分析物和/或移动相的带电液滴分开。这是通过这样的事实来实现的，即气相离子首先从发射器发射的喷雾中发出。之后它们可以立刻被收集，而带电液滴从导管19或到外壳6底部沿着不同方向行进，当时它们尚未在该处被导管19收集。这提供了用于收集不带杂质带电液滴的气相离子的简单有效的过程，所述杂质带电液滴会降低仪器的整体信噪比或灵敏度。

本发明可以使用多于一个发射器。第一发射器9、第二发射器10和第三离子发射器12可以布置在外壳6内任意位置处。每个发射器设计为将低流速的离子发射进入电离区域22。发射器9包括主体部分14和发射器尖端16。在图3中，第一发射器9和第二发射器10布置为彼此相对。它们还与第一电极11和第二电极13邻近。导管电极17可包括导管19的一部分或者可以与导管19分开。导管电极17包括主体部分30和末端部分32。导管电极17可以设计为凸缘形式(见图3)。

在某些情况下，导管电极17的末端部分32可以是钝头的或者是锐利的。在任何一种情况下，导管电极17都可以设计为有助于将离子收集进导管19中。导管电极17与电压源相连，该电压源设计为产生第三电场(视图中未示出电压源)。导管电极17产生第三电场以将离子吸入导管19来由检测器7检测。

图3示出布置在纳喷雾离子源4中邻近位置的第一电极11和第二电极13。在图3中，它们还布置为邻近第一发射器9和第二发射器10并与导管电极17相对。该图只示出了一对电极。不过，在本发明中可以使用若干个或多个电极。电极和发射器也可以布置在其他各种位置和方向上。

图4示出图3中所示同一实施例的侧视图，但同时示出了由电极产生的示例性等势线。应当注意，当离子从一个或更多发射器朝向导管19发射和流动时，其得到了第一电极11、第二电极13和导管电极17所产生场的帮助。可以对每个电极施加不同的电势。不过，当第一电极11和第二电极13连接到导管电极17时，则限定了单一的外壳。可以将单一的电势施加到单一外壳6以帮助形成和收集来自一个或更多离子发射器的离子。此外，外壳6设计为这样的方式，即如果离子未被吸收进导管19，则其通过电离区域22(见图3和4)并被收集到导管电极17的不同位置上或流动到位置33处，而不能重新流动以致污染气雾剂。在某些情况下，这些是不期望的离子或者用户不感兴趣的特定质荷比的离子。这提高了设备的总体灵敏度。

图5示出本发明的第二实施例。在本发明的此实施例中，本发明可以使用电加热器25。电加热器25可以是孤立的，也可以包括导管电极17的一部分。电加热器也可以置于任意数量的方向上并可以位于导管电极17中或其上的任意数量的位置处。电加热器25可以有其自己的内部电压源，也可以电连接到外部电源。电加热器25设计为能够向电离区域22提供直接辐射。此外，可以将可选的热电偶、封闭反馈环、计算机和输出屏幕与电加热器25相连。此反馈环将允许调节由电加热器25为电离区域22提供的辐射热量。这有助于调节已被纳喷雾进入该区域的样品和被分析物去除溶剂。

图6A和6B示出本发明的其他实施例。在本发明的这些实施例中，本发明可以使用第二导管40。第二导管40设计为接收加热的气体并将其朝向导管电极17以及电离区域22导向。气体向下通过第二导管40并存在于邻近导管电极17处。加热的气体加热导管电极并被引导向导管末端，使热量可以辐射进电离区域22。辐射的热量可以提高进入导管电极17的被分析物离子的去除溶剂程度和浓度。

图7示出本发明的附加实施例，其中可以用附加通道50将加热的气体导向电离区域22。

上面已经说明了本发明的装置，接下来将对本发明的方法进行说明。本发明可以用几种不同方法电离被分析物。电离纳喷雾离子源的电离区域中被分析物的方法包括对传导性导管施加热量并从该传导性导管辐射热量以将电离区域中的被分析物去除溶剂。第二方法包括将热量从传导性导管的末端辐射进电离区域并在此后使电离区域中的被分析物去除溶剂。

参考图5-6，现在将说明本发明的方法。图5示出使用了电加热器25的本发明实施例。起初，将样品引入质谱仪系统1。接着由纳喷雾离子源4对其进行电离。被分析物通常包括与样品混合的溶剂。分析物在通过第一发射器10并喷射入电离区域22后进行纳喷雾。一旦离子已经进入电离区域22，则其受到导管电极17、第一电极11和第二电极13产生的电场作用。通常被喷射入电离区域22的被分析物包括大量溶剂。希望在从第一发射器10产生离子时尽可能减少溶剂。这可以通过使用直接或间接加热方法来实现。现在将对这些方法进行更详细的说明。

如前所述，图5示出了电加热器25的应用。电加热器25提供了进入电离区域22的直接热源。之后，辐射的热量将使被分析物去除溶剂和干燥，并在其进入导管19之前将其集中。如上所述，还可以使用可选的反馈环。在这种情况下，可以将可选热电偶27、封闭反馈环29、计算机31和输出屏幕35与电加热器25相连(图5中未示出)。此反馈环将允许调节由电加热器25为电离区域22提供的辐射热量。这有助于调节已被纳喷雾进入该区域的样品和被分析物去除溶剂。这通过可选热电偶27对周围的电离区域22进行传感并在其后通过封闭反馈环29向加热器25提供反馈来实现。用户可以用计算机31和输出屏幕35与仪器反馈环进行交互。该设计和方法提供了将样品和被分析物去除溶剂和电离的有效途径。

图6图示了本发明的另一实施例和方法。在本发明的此实施例中，实现了被分析物和样品的间接加热和去除溶剂。气体源43为系统提供加热的气体。喷射加热的气体使其接触并加热导管19。特别地，加热的气体使导管主体部分30加热。之后将热量向下引导过导管主体部分30到达导管末端部分32。之后导管末端部分32将多余的热量辐射进电离区域22以加热该区域和被分析物。之后，这通常使被分析物和样品去除溶剂。这使离子浓缩并提高了仪器的总体灵敏度和检测性能。

应当理解，尽管已经结合其具体实施例对本发明进行了说明，但前述说明和接着的示例意在说明而并非要限制本发明的范围。本发明所属领域的技术人员应当清楚本发明范围内的其他方面、优点及修改。

此处所提及的上下文中所有的专利、专利申请及公开的全体通过引用而结合。

Claims (15)

1.一种向电离区域提供辐射加热的离子源，包括：

(a)用于产生离子的纳喷雾电离设备；以及

(b)邻近所述纳喷雾电离设备的导管，所述导管用于接收来自所述纳喷雾电离设备的离子，所述导管包括传导性材料用于向所述离子源的所述电离区域提供辐射加热。

2.如权利要求1所述的离子源，其中所述导管还包括凸缘。

3.如权利要求2所述的离子源，其中所述凸缘包括传导性材料。

4.如权利要求2所述的离子源，还包括邻近所述凸缘的气体源用于向所述凸缘提供加热的气体。

5.如权利要求4所述的离子源，其中提供给所述凸缘的热量经过所述凸缘传导并辐射进所述电离区域以间接加热所述电离区域中的被分析物。

6.如权利要求2所述的离子源，还包括布置在所述凸缘中的电加热器以向所述电离区域提供直接辐射加热。

7.一种质谱系统，包括：

(a)向电离区域提供辐射加热的离子源，包括：

(i)用于产生离子的纳喷雾电离设备；以及

(ii)邻近所述纳喷雾电离设备的导管，所述导管用于接收来自所述纳喷雾电离设备的离子，所述导管包括传导性材料用于向所述电离区域提供辐射加热。

(b)位于所述离子源下游的检测器，所述检测器用于检测由所述离子源产生的离子。

8.如权利要求7所述的质谱系统，其中所述导管还包括凸缘。

9.如权利要求8所述的质谱系统，其中所述凸缘包括传导性材料。

10.如权利要求9所述的质谱系统，还包括邻近所述凸缘的气体源用于向所述凸缘提供加热的气体。

11.如权利要求10所述的质谱系统，其中提供给凸缘的热量经过所述凸缘传导并辐射进所述电离区域以间接加热所述电离区域中的离子。

12.如权利要求8所述的质谱系统，还包括布置在所述凸缘中的电加热器以向所述电离区域提供直接辐射加热。

13.一种电离离子源的电离区域中的被分析物的方法，包括：

(a)向传导性导管施加加热的气体；以及

(b)从所述传导性导管辐射热量以将所述电离区域中的被分析物去除溶剂。

14.一种将离子源的电离区域中的被分析物去除溶剂的方法，包括：

(a)向传导性导管施加热量；以及

(b)从所述传导性导管辐射热量以将所述电离区域中的被分析物去除溶剂。

15.一种将离子源的电离区域中的被分析物去除溶剂的方法，包括：

(a)从传导性导管的末端将热量辐射进所述电离区域；以及

(b)将所述电离区域中的被分析物去除溶剂。

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