DE102021124144A1

DE102021124144A1 - Electrospray ion source for spectrometry using an inductively heated gas

Info

Publication number: DE102021124144A1
Application number: DE102021124144.8A
Authority: DE
Inventors: Anil Mavanur; Felician Muntean
Original assignee: Bruker Scientific LLC
Current assignee: Bruker Scientific LLC
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung desolvatisierter Ionen, die analytisch untersucht werden sollen, z. B. gemäß der ladungsbezogenen Masse m/z und/oder Ionenmobilität, durch Elektrosprühen. Die Wolke hochgeladener Tröpfchen, die durch eine Hochspannung aus der Sprühkapillare gezogen werden, ist gewöhnlich fokussiert und durch einen Strahl Zerstäubergases stabilisiert, der die Wolke kleiner Tröpfchen umgibt. Um die Tröpfchen schnell zu trocknen, wird ein zusätzliches Desolvatisierungsgas üblicherweise auf eine Temperatur von bis zu mehreren hundert Grad Celsius aufgeheizt und in die Tröpfchenwolke geblasen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Aufheizen des Gases, das als Teil des Elektrosprühverfahrens der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, bei dem kein mechanischer oder elektrischer Kontakt zwischen der Heizenergieversorgung und der Heizvorrichtung selbst besteht und die Heizvorrichtung für das Gas stattdessen durch elektromagnetische Induktion aufgeheizt wird.The invention relates to the generation of desolvated ions to be analyzed analytically, e.g. B. according to mass-to-charge m/z and/or ion mobility, by electrospray. The plume of highly charged droplets drawn from the spray capillary by a high voltage is usually focused and stabilized by a jet of nebulizer gas surrounding the plume of small droplets. In order to dry the droplets quickly, an additional desolvating gas is usually heated to a temperature of up to several hundred degrees Celsius and blown into the cloud of droplets. More particularly, the invention relates to a method of heating the gas used as part of the electrospray process to produce desolvated ions, in which there is no mechanical or electrical contact between the heating power supply and the heater itself, and the gas heater is instead heated by electromagnetic induction becomes.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung desolvatisierter Ionen durch Elektrosprühen in einer massenspektrometrischen und/oder ionenmobilitätsspektrometrischen Ionenquelle. Die Wolke hochgeladener Tröpfchen, die durch eine Hochspannung aus der Sprühkapillare gezogen werden, ist gewöhnlich fokussiert und durch einen Strahl inerten Zerstäubergases stabilisiert, der die Wolke kleiner Tröpfchen umgibt. Um die Tröpfchen schnell zu trocknen, wird ein zweiter Gasstrom, Desolvatisierungsgas genannt, der üblicherweise auf eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius aufgeheizt wird, wie beispielsweise zwischen 300 °C und 500 °C, durch die Sprühwolke geblasen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gasheizverfahren, das der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient.The invention relates to the generation of desolvated ions by electrospray in a mass spectrometric and/or ion mobility spectrometric ion source. The plume of highly charged droplets drawn from the spray capillary by a high voltage is usually focused and stabilized by a jet of inert nebulizer gas surrounding the plume of small droplets. In order to quickly dry the droplets, a second stream of gas, called desolvation gas, which is usually heated to a temperature of several hundred degrees Celsius, such as between 300°C and 500°C, is blown through the spray cloud. More particularly, the invention relates to the gas heating process used to produce desolvated ions.

Beschreibung der verwandten TechnikDescription of related art

In Elektrosprüh-Ionenquellen werden Ionen von Analytmolekülen erzeugt, indem eine Lösung der Analytsubstanz durch Anwendung einer Hochspannung in der Größenordnung von vier Kilovolt auf eine Sprühkapillare, die so ein hohes elektrisches Ziehfeld für die Flüssigkeit an der Kapillarenspitze bildet, versprüht wird. J. B. Fenn erhielt im Jahr 2002 einen Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung dieser Art von Ionenquelle. Als Lösungsmittel werden meistens Gemische von Wasser mit organischen Flüssigkeiten wie Methanol oder Acetonitril verwendet. Das Verfahren bildet eine Wolke hochgeladener Tröpfchen (ein Aerosol), die durch das Feld von der Kapillarenspitze weg beschleunigt werden, und dabei durch die Raumladung in der Wolke einen aufgeweiteten konischen Strahl bilden. Das Lösungsmittel verdampft aus einem geladenen Tröpfchen, bis es beim Erreichen seiner Rayleigh-Grenze instabil wird. An diesem Punkt deformiert sich das Tröpfchen, da die elektrostatische Abstoßung gleicher Ladungen bei ständig kleiner werdenden Tröpfchengröße dominanter wird als die Oberflächenspannung, die das Tröpfchen zusammenhält. Das Tröpfchen erleidet eine Coulombspaltung, wobei das ursprüngliche Tröpfchen „explodiert“ und viele kleinere Tröpfchen erzeugt. Die neuen Tröpfchen desolvatisieren weiter und erleiden in Folge weitere Coulombspaltungen. Geladene Mole-külionen bleiben übrig, entweder durch direkten Ausstoß aus den Tröpfchen oder durch komplette Trocknung der Tröpfchen. Die Ionen können mithilfe der Massenspektrometrie, der Ionenmobilitätsspektrometrie oder einer Kombination aus beidem untersucht werden.In Electrospray ion sources, ions are generated from analyte molecules by atomizing a solution of the analyte substance by application of a high voltage, on the order of four kilovolts, to an atomizing capillary, thus creating a high drawing electric field for the liquid at the capillary tip. J.B. Fenn received a Nobel Prize in Chemistry in 2002 for developing this type of ion source. Mixtures of water with organic liquids such as methanol or acetonitrile are usually used as solvents. The process forms a cloud of highly charged droplets (an aerosol) which are accelerated away from the capillary tip by the field, forming an expanded conical jet as they do so due to the space charge in the cloud. The solvent evaporates from a charged droplet until it becomes unstable upon reaching its Rayleigh limit. At this point, the droplet deforms as the electrostatic repulsion of like charges becomes more dominant as the droplet size decreases steadily, overcoming the surface tension holding the droplet together. The droplet undergoes Coulomb fission, with the original droplet "exploding" and producing many smaller droplets. The new droplets continue to desolvate and subsequently undergo further Coulomb fission. Charged molecular ions remain, either through direct ejection from the droplets or through complete drying of the droplets. The ions can be studied using mass spectrometry, ion mobility spectrometry, or a combination of both.

Um den Winkel des Sprühkegels zu verkleinern und den Sprühprozess zu stabilisieren, wird ein chemisch inertes Zerstäubergas (oder „Hüllgas“) kraftvoll parallel zur Sprührichtung eingeblasen, das die Tröpfchenwolke komplett umgibt. In den meisten Fällen wird Stickstoff als Zerstäubergas verwendet. Das Zerstäubergas wird normalerweise nicht aufgeheizt. Es wird durch ein Röhrchen zur Spitze der Sprühkapillare geleitet, wobei dieses Röhrchen gewöhnlich konzentrisch um die Sprühkapillare angeordnet ist. Diese Anordnung hält die Analyt-enthaltende Lösung innerhalb der Sprühkapillare bei niedriger Temperatur und vermeidet damit, dass sich Gasbläschen bilden, was dem Funktionieren der Elektrosprühvorrichtung abträglich wäre.In order to reduce the angle of the spray cone and to stabilize the spraying process, a chemically inert atomizing gas (or "sheath gas") is forcefully blown in parallel to the spray direction, completely surrounding the droplet cloud. In most cases, nitrogen is used as the nebulizer gas. The nebulizer gas is not normally heated. It is conducted to the tip of the spray capillary through a tube, which tube is usually concentrically arranged around the spray capillary. This arrangement keeps the analyte-containing solution within the spray capillary at a low temperature, thereby avoiding the formation of gas bubbles which would be detrimental to the functioning of the Electrospray device.

Die Sprühwolke besteht aus winzigen Tröpfchen, die verdampft werden müssen, bis die Analytionen vollständig desolvatisiert sind. Für diese Tröpfchentrocknung wird thermische Energie benötigt. Die thermische Energie kann über einen weiteren Gasstrom geliefert werden, der als Desolvatisierungsgas bezeichnet wird. Dieses inerte Gas, in den meisten Fällen Stickstoff, kann über Strahldüsen von der Seite in die Sprühwolke eingeblasen werden. Das Desolvatisierungsgas wird üblicherweise auf ein paar hundert Grad Celsius aufgeheizt, indem es winzige Kanälchen in einem Heizblock durchfließt, wobei der Heizblock typischerweise durch einen elektrischen Widerstandsheizer in engem Kontakt mit dem Heizblock auf Temperatur gebracht wird.The spray cloud consists of tiny droplets that must be vaporized until the analyte ions are completely desolvated. Thermal energy is required for this droplet drying. The thermal energy can be delivered via another gas stream called the desolvation gas. This inert gas, in most cases nitrogen, can be blown into the spray cloud from the side via jet nozzles. The desolvating gas is typically heated to a few hundred degrees Celsius by flowing through tiny tubes in a heating block, which is typically brought up to temperature by an electrical resistance heater in close contact with the heating block.

Aufgrund der für den Sprühvorgang verwendeten Hochspannung ist diese Art der Widerstandsheizung für das Desolvatisierungsgas nicht sehr zufriedenstellend. Es besteht daher Bedarf für ein effektiveres, leicht zu installierendes Verfahren zum Aufheizen von Gas in einer Elektrosprüh-Ionenquelle für die analytische Spektrometrie.Because of the high voltage used for the spraying process, this type of resistance heating for the desolvating gas is not very satisfactory. There is therefore a need for a more effective, easily installed method of heating gas in an Electrospray ion source for analytical spectrometry.

Das Patent US 6,681,998 B2 , das sich jedoch auf das Gebiet der Verabreichung von versprühten medizinischen Flüssigkeiten oder Pulver bezieht und daher mit dem Gebiet der analytischen Untersuchungen nicht verwandt ist, beschreibt einen Aerosolerzeuger einschließlich einer Induktionsheizanordnung, um Fluide wie beispielsweise Flüssigkeiten und Pulver zu verdampfen, die sich in einem Fluidkanal befinden.The patent US 6,681,998 B2 , which, however, relates to the field of administration of aerosolized medical liquids or powders and is therefore unrelated to the field of analytical investigations, describes an aerosol generator including an induction heating arrangement for vaporizing fluids such as liquids and powders that are in a fluid channel condition.

Die internationale Anmeldung WO 2015/040391 A1 offenbart eine Gerätschaft für ein Massenspektrometer aufweisend eine Ionenquelle, einen Heizer zur Aufheizung einer Gasströmung zu der Ionenquelle, einen Temperaturfühler zur Überwachung der Temperatur des Heizers und ein Regelungssystem, das eine Flussrate der Gasströmung durch Überwachung der dem Heizer zugeführten Leistung und der Temperatur des Heizers bestimmt.The international registration WO 2015/040391 A1 discloses an apparatus for a mass spectrometer comprising an ion source, a heater for heating a gas flow to the ion source, a temperature sensor for monitoring the temperature of the heater and a control system that determines a flow rate of the gas flow by monitoring the power supplied to the heater and the temperature of the heater .

Die Patentveröffentlichung US 2016/0336156 A1 offenbart ein Verfahren zur Einführung von Ionen in ein Massenspektrometer, wo eine Probe beispielsweise mithilfe einer Elektrosprüh-Ionenquelle ionisiert wird, um eine Vielzahl von Ionen zu bilden, die in einem Gas durch einen Kanal, der eine induktiv geheizte Kapillare umfassen kann, und in den Einlass eines Massenspektrometers transportiert werden. Die erwähnte induktiv geheizte Kapillare hat aber keinen Einfluss auf das Funktionieren der Ionenquelle.The patent publication U.S. 2016/0336156 A1 discloses a method for introducing ions into a mass spectrometer where a sample is ionized, for example using an Electrospray ion source, to form a plurality of ions which are dispersed in a gas through a channel which may comprise an inductively heated capillary and into the inlet of a mass spectrometer. However, the inductively heated capillary mentioned has no influence on the functioning of the ion source.

Kurze Zusammenfassung der ErfindungBrief Summary of the Invention

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Aufheizen eines Gases bereit, das als Teil des Elektrosprühverfahrens der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, bei dem kein mechanischer Kontakt zwischen der Heizenergieversorgung und der Heizvorrichtung selbst besteht und stattdessen elektromagnetische Induktion verwendet wird. Ein leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen, wie eine Spule oder Spirale (die flache „Pfannkuchen-" Spule genannt werden kann), wird mit einem Wechselstrom im Kilohertz- bis Megahertz-Bereich versorgt; das elektromagnetische Feld innerhalb des leitenden Elements mit einer Vielzahl von Windungen induziert durch die Erzeugung von Wirbelströmen Wärme in einem elektrisch leitfähigen Heizer für die Gasheizvorrichtung. Die induktiv geheizte Heizvorrichtung kann einfach ein metallischer oder anderweitig leitender Block sein, z. B. ein Zylinder, der die Sprühkapillare umgibt, mit Kanälen für den Gasdurchfluss. Alternativ kann sie einfach aus einem Bündel metallischer oder anderweitig leitender Kapillaren bestehen, die durch Induktion direkt geheizt werden, z. B. innerhalb eines nichtleitenden Zylinders, beispielsweise eines keramischen Zylinders; oder es kann sich dabei, in einer weiteren Version, um eine Füllung innerhalb nichtleitender Kanäle für das Gas handeln, wie beispielsweise poröses elektrisch leitendes Material, z. B. Bündel metallischer oder anderweitig leitender Spanwolle. Die Heizvorrichtung kann auch eine dünne Platte mit Gaskanälen sein, die durch ein benachbartes, flaches, elektrisch leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen geheizt wird, wie eine Spirale, wobei die dünne Platte die Sprühkapillare umgibt und aufgrund seiner kurzen koaxialen Ausdehnung nur wenig Wärme auf die Kapillare und die darin befindliche Analytlösung überträgt, die allgemein keiner Wärme ausgesetzt sein sollte.The invention provides a method of heating a gas used as part of the Electrospray process to produce desolvated ions, in which there is no mechanical contact between the heater power supply and the heater itself, and electromagnetic induction is used instead. A conductive element with a multiplicity of turns, such as a coil or helix (which may be called a flat "pancake" coil), is supplied with an alternating current in the kilohertz to megahertz range; the electromagnetic field within the conductive element with a multiplicity of windings induces heat by generating eddy currents in an electrically conductive heater for the gas heater The inductively heated heater may simply be a metallic or otherwise conductive block, e.g., a cylinder surrounding the spray capillary with channels for gas flow. Alternatively, it may simply be a bundle of metallic or otherwise conductive capillaries heated directly by induction, for example within a non-conductive cylinder, such as a ceramic cylinder, or, in another version, it may be a filling within act non-conductive channels for the gas, such as example e porous electrically conductive material, e.g. B. bundles of metallic or otherwise conductive chip wool. The heater can also be a thin plate with gas channels heated by an adjacent, flat, electrically conductive element with a multiplicity of turns, such as a spiral, with the thin plate surrounding the spray capillary and emitting little heat due to its short coaxial extent the capillary and the analyte solution contained therein, which should generally not be exposed to heat.

In einem ersten Aspekt schlägt die Erfindung eine Elektrosprüh-Ionenquelle zur Erzeugung desolvatisierter Ionen vor, die analytisch untersucht werden sollen, ausgestattet mit einer mit Sprühlösung versorgten Sprühkapillare, einer ersten Energieversorgung zur Erzeugung eines elektrischen Ziehfelds an einer Spitze der Sprühkapillare, um Bedingungen für Elektrosprühen zu erzeugen, und einer Gasversorgung, die der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, und weiterhin ausgestattet mit einer Heizvorrichtung, durch die das Gas zur gesprühten Lösung geleitet wird, einem leitenden Element mit einer Vielzahl von Windungen, wie eine Spule oder Spirale, in der Nähe der Heizvorrichtung und einer zweiten Energieversorgung, die mit dem leitenden Element mit einer Vielzahl von Windungen verbunden ist, um in der Heizvorrichtung Wärme durch elektromagnetische Induktion zu erzeugen, um das Gas aufzuheizen, während es die Heizvorrichtung auf dem Weg zur gesprühten Lösung durchfließt.In a first aspect, the invention proposes an electrospray ion source for generating desolvated ions to be analyzed analytically, equipped with a spray capillary supplied with spray solution, a first power supply for generating an electric drawing field at a tip of the spray capillary to create conditions for electrospray and a gas supply used to generate desolvated ions and further provided with a heater through which the gas is passed to the sprayed solution, a conductive element having a plurality of turns, such as a coil or helix, in the vicinity of the heater and a second power supply connected to the conductive member having a plurality of turns for generating heat in the heater by electromagnetic induction to heat the gas as it flows through the heater on the way to the sprayed solution.

In verschiedenen Ausführungsformen wird die Heizvorrichtung, durch die das Gas zur gesprühten Lösung geleitet wird, bevorzugt so angeordnet und konfiguriert, dass das aufgeheizte Gas in der Form eines Strahls in Richtung der gesprühten Lösung gelenkt wird, beispielsweise um die gesprühte Lösung zu kreuzen.In various embodiments, the heating device through which the gas is passed to the sprayed solution is preferably arranged and configured such that the heated gas is directed in the form of a jet towards the sprayed solution, for example to cross the sprayed solution.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Energieversorgung ein Niederspannungs-Hochstrom-Wechselstromnetzgerät sein, das einen Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 1 Kilohertz und 1 Gigahertz liefert.In various embodiments, the second power supply may be a low-voltage, high-current AC power supply that supplies an alternating current at a frequency between 1 kilohertz and 1 gigahertz.

In verschiedenen Ausführungsformen kann das leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen helikal (im Weitesten Sinne schraubenförmig) gewunden sein, z. B. in eine Spule, und das Heizgerät kann innerhalb eines Innenbereichs eines solchen helikal gewundenen, leitenden Elements angeordnet sein.In various embodiments, the conductive element may be helically (broadly helically) wound with a plurality of turns, e.g. B. in a coil, and the heater may be arranged within an interior region of such a helically wound conductive element.

In weiteren Ausführungsformen kann das leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen, wie beispielsweise eine Spule oder Spirale, innerhalb einer hohlzylindrischen Heizvorrichtung untergebracht sein, um das Abschirmen elektromagnetischer Streustrahlung zu erleichtern und/oder zu verbessern. Diese Variante ist für Implementierungen denkbar, bei denen die Sprühkapillare und das leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen nicht koaxial und nicht konzentrisch angeordnet sind.In other embodiments, the conductive element having a plurality of turns, such as a coil or helix, may be housed within a hollow cylindrical heater to facilitate and/or improve shielding of stray electromagnetic radiation. This variant is conceivable for implementations in which the spray capillary and the conducting element with a large number of turns are arranged non-coaxially and non-concentrically.

In verschiedenen Ausführungsformen kann das leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen Windungen besitzen, die in entgegengesetzter Richtung ineinander verschachtelt oder verflochten sind, wie beispielsweise ein erstes Segment an Windungen, die sich helikal nach vorne winden, dann drehen, und ein zweites Segment an Windungen, die sich in den Lücken zwischen den Windungen des ersten Segments helikal rückwärts winden. Dieses verschachtelte und/oder verflochtene vorwärts und rückwärts gerichtete Winden entlang desselben Pfads kann dazu führen, dass die elektrischen Felder sich im Fernbereich auslöschen und nur in der unmittelbaren Umgebung des (doppelt gewundenen) Drahtes strahlen. Eine solche Implementierung würde ebenfalls den Einfluss unerwünschter elektromagnetischer Streustrahlung verringern.In various embodiments, the conductive element having a plurality of turns may have turns that are interleaved or intertwined in opposite directions, such as a first segment of turns that helically wind forward, then twist, and a second segment of turns, which wind helically backwards in the gaps between turns of the first segment. These interlaced and/or intertwined forward and backward winds along the same path can cause the electric fields to cancel out at long range and only in the immediate vicinity of the (double twisted) wire radiate. Such an implementation would also reduce the impact of unwanted stray electromagnetic radiation.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die Heizvorrichtung ein Hohlzylinder sein, der die Sprühkapillare umgibt. Bevorzugt verjüngt sich der Hohlzylinder an der Stirnseite nahe der Spitze der Sprühkapillare, sodass ausströmendes aufgeheiztes Gas die gesprühte Lösung kreuzt. Es ist möglich, die Elektrosprüh-Ionenquelle so zu konfigurieren, dass der Hohlzylinder (i) elektrisch leitend ist und gerade oder mäandernde Kanäle zur Leitung des Gases enthält, (ii) elektrisch nichtleitend ist und eingebettete metallische oder anderweitig elektrisch leitende Kapillaren enthält, um das Gas zu leiten, oder (iii) elektrisch nichtleitende Kanäle für das Gas enthält, die eine elektrisch leitende poröse Füllung besitzen. Es ist besonders bevorzugt, dass es sich bei der leitenden porösen Füllung innerhalb der nichtleitenden Kanäle um (i) Bündel metallischer oder anderweitig leitender Spanwolle oder (ii) Stücke eines porös gesinterten Metalls handelt. Die Wolle kann mit einem inerten Metall beschichtet sein, um Korrosion zu vermeiden.In various embodiments, the heating device can be a hollow cylinder that surrounds the spray capillary. The hollow cylinder preferably tapers at the end near the tip of the spray capillary, so that the heated gas flowing out crosses the sprayed solution. It is possible to configure the Electrospray ion source so that the hollow cylinder is (i) electrically conductive and contains straight or meandering channels for conducting the gas, (ii) is electrically non-conductive and contains embedded metallic or otherwise electrically conductive capillaries to to conduct gas, or (iii) contains electrically non-conductive channels for the gas, which have an electrically conductive porous filling. It is particularly preferred that the conductive porous filling within the non-conductive channels is (i) bundles of metallic or otherwise conductive chip wool, or (ii) pieces of a porous sintered metal. The wool can be coated with an inert metal to prevent corrosion.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die Heizvorrichtung eine dünne Metall- oder anderweitig leitende Platte mit einem oder mehreren Kanälen sein, um das Gas zu heizen, wobei die dünne Platte die Form eines Rings besitzt, der die Sprühkapillare umgibt. Bevorzugt besitzt das leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen die Form einer Spirale und befindet sich gegenüber der dünnen Platte und umgibt die Sprühkapillare genauso. Die Elektrosprüh-Ionenquelle kann weiterhin mindestens eine Kapillare enthalten, die von der dünnen Platte absteht und das aufgeheizte Gas in Richtung der gesprühten Lösung lenkt. Es ist möglich, die Elektrosprüh-Ionenquelle so zu konfigurieren, dass sich die wenigstens eine Kapillare radial nach innen verjüngt, sodass das aufgeheizte Gas direkt in die gesprühte Lösung gelenkt wird.In various embodiments, the heater may be a thin metal or otherwise conductive plate with one or more channels to heat the gas, the thin plate being in the form of a ring surrounding the spray capillary. Preferably, the conductive element having a multiplicity of turns is in the form of a spiral and faces the thin plate and surrounds the spray capillary as well. The Electrospray ion source may further include at least one capillary extending from the thin plate and directing the heated gas towards the solution being sprayed. It is possible to configure the Electrospray ion source so that the at least one capillary tapers radially inward so that the heated gas is directed into the sprayed solution.

In verschiedenen Ausführungsformen kann wenigstens ein leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen und eine zugehörige Heizvorrichtung so angeordnet und von der Sprühkapillare abgesetzt positioniert sein, dass ein aufgeheizter Gasstrahl derart gelenkt wird, dass er eine Sprühwolke, die von der Sprühkapillarenspitze austritt, kreuzt.In various embodiments, at least one conductive element having a plurality of turns and an associated heater may be arranged and positioned remote from the spray capillary such that a heated jet of gas is directed to intersect a spray plume emanating from the spray capillary tip.

In einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Spektrometer zur analytischen Untersuchung desolvatisierter Ionen, das die desolvatisierten Ionen von einer Elektrosprüh-Ionenquelle erhält, wobei die Elektrosprüh-Ionenquelle eine mit einer Sprühlösung versorgte Sprühkapillare, eine erste Energieversorgung zur Erzeugung eines elektrischen Ziehfelds an einer Spitze der Sprühkapillare, um Bedingungen für Elektrosprühen zu erzeugen, und eine Gasversorgung besitzt, die der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, und weiterhin eine Heizvorrichtung, durch die das Gas zur gesprühten Lösung gelenkt wird, ein leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen, wie eine Spule oder Spirale, in der Nähe der Heizvorrichtung und eine zweite Energieversorgung aufweist, die mit dem leitenden Element mit einer Vielzahl von Windungen verbunden ist, um durch elektromagnetische Induktion Wärme in der Heizvorrichtung zu erzeugen, um das Gas aufzuheizen, während es die Heizvorrichtung auf dem Weg zur gesprühten Lösung durchfließt.In a second aspect, the invention relates to a spectrometer for the analytical examination of desolvated ions, which receives the desolvated ions from an Electrospray ion source, the Electrospray ion source having a spray capillary supplied with a spray solution, a first power supply for generating an electric pulling field at a Tip of the spray capillary to create conditions for Electrospray and having a gas supply used to produce desolvated ions and a heater through which the gas is directed to the sprayed solution, a conductive element having a plurality of turns, such as a coil or spiral, in proximity to the heater and a second power supply connected to the conductive element with a plurality of turns for generating heat in the heater by electromagnetic induction to heat the gas as the heater travels e.g ur sprayed solution flows through.

In verschiedenen Ausführungsformen kann das Spektrometer ein Massenspektrometer, ein Ionenmobilitätsspektrometer oder eine Kombination aus beidem umfassen.In various embodiments, the spectrometer may include a mass spectrometer, an ion mobility spectrometer, or a combination of both.

In verschiedenen Ausführungsformen kann die Elektrosprüh-Ionenquelle (oder die Sprühkapillare) die Sprühlösung von einem vorgelagert angeordneten Substanzseparator erhalten, wie z.B. einem Flüssigchromatografen oder einer Elektrophoresevorrichtung.In various embodiments, the Electrospray ion source (or spray capillary) may receive the spray solution from an upstream substance separator, such as a liquid chromatograph or an electrophoresis device.

In einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Aufheizen eines Gases in einer Elektrosprüh-Ionenquelle, die zur analytischen Untersuchung von Proben verwendet wird und bei der das Gas der Erzeugung desolvatisierter Ionen als Teil des Elektrosprühens einer Analytlösung dient, wobei das Gas eine Heizvorrichtung durchläuft und thermische Energie von ihr aufnimmt, welche kontaktlos durch elektromagnetische Induktion geheizt wird.In a third aspect, the invention relates to a method of heating a gas in an Electrospray ion source used for analytical testing of samples and in which the gas is used to generate desolvated ions as part of the Electrospray of an analyte solution, the gas having a Heater passes through and absorbs thermal energy from her, which is heated contactlessly by electromagnetic induction.

In verschiedenen Ausführungsformen kann das Gas ein inertes Desolvatisierungsgas sein, welches nach der Aufheizung in die Sprühwolke gelenkt wird.In various embodiments, the gas may be an inert desolvating gas that is directed into the spray cloud after heating.

In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren weiterhin eine Temperaturkontrolle des Gases durch Variieren von Betriebsbedingungen einer Energieversorgung umfassen, die verwendet wird, um die elektromagnetische Induktion zu bewirken. Bevorzugt sind die Betriebsbedingungen der Energieversorgung an einen Zeitverlauf der Analytlösung angepasst, die analytisch untersucht werden soll. Es ist besonders bevorzugt, dass die Anpassung der Betriebsbedingungen dem Zeitverlauf der Analytlösung während eines Substanztrennlaufs, wie eines Flüssigchromatografielaufs oder Elektrophoresetrennlaufs, folgt, dessen Eluent als Analytlösung an die Elektrosprüh-Ionenquelle geliefert wird.In various embodiments, the method may further include temperature control of the gas by varying operating conditions of a power supply used to effect the electromagnetic induction. The operating conditions of the energy supply are preferably adapted to a time profile of the analyte solution that is to be analyzed analytically. It is particularly preferred that the adjustment of the operating conditions follows the time course of the analyte solution during a substance separation run, such as a liquid chromatography run or an electrophoresis separation run, the eluent of which is supplied as the analyte solution to the Electrospray ion source.

Figurenlistecharacter list

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden Abbildungen verwiesen. Die Komponenten in den Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt, sondern sollen in erster Linie die Prinzipien der Erfindung (größtenteils schematisch) veranschaulichen. In den Abbildungen können einander entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten durch gleiche Referenznummern gekennzeichnet sein.

zeigt schematisch das grundsätzliche Prinzip. Ein leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen, hier eine Spule (14), das mit einer Wechselspannung im Kilohertz- bis Gigahertzbereich betrieben wird, induziert Wärme innerhalb der Oberfläche eines metallischen oder anderweitig leitenden Zylinders (11) mit geeigneter elektrischer Leitfähigkeit. Ein Gas, das der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, wie ein Desolvatisierungsgas, und durch die Kanäle (12) des Zylinders (11) gedrückt wird, wird dadurch aufgeheizt. Das Gas, beispielsweise Stickstoff, wird zur Tröpfchenwolke, die an der Spitze (nicht gezeigt) der Sprühkapillare (10) erzeugt wird, hin beschleunigt (nicht gezeigt) und umgibt diese Wolke.
stellt eine kleinere Variation des grundsätzlichen Designs aus vor, in der der Gaskanal (12*) in der Zylinderwand (11) sich nicht parallel zur Längsachse des Zylinders (11) erstreckt, sondern um ihn herum mäandert, z. B. schraubenförmig (gewindeförmig). Ein Gaseinlass (24) liefert Gas in diesen mäandernden Kanal (12*) in der Zylinderwand (11), wo es durch die Wirbelströme, die durch das umgebende helikal vielfach gewundene, leitende Element, hier eine Spule (14), in dem Zylinderwandmaterial induziert werden, aufgeheizt wird, bevor es den mäandernden Kanal (12*) an der Öffnung (den Öffnungen) in der unteren Stirnseite des Zylinders (11) verlässt.
zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Bündel metallischer oder anderweitig elektrisch leitender Kapillaren (16), das in einem keramischen oder anderweitig elektrisch nichtleitenden Block (15) eingebettet ist, durch Induktion durch ein umgebendes leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen geheizt wird, hier eine Spule (14). Das Gas, das der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, wird durch die Metallkapillaren (16) gedrückt und dabei aufgeheizt. Das austretende Gas wird als Desolvatisierungsgas in die Sprühwolke der Tröpfchen geblasen, die an der Spitze (11) der Sprühkapillare (10) erzeugt wird. Die Sprühkapillare wird konzentrisch von einem Röhrchen umgeben, das ein Zerstäubergas (17) in Richtung der Spitze (11) der Sprühkapillare (10) leitet.
zeigt eine etwas andere Ausführungsform. Die nichtleitenden Gaskanäle (19) in dem keramischen oder anderweitig nichtleitenden Block (18) enthalten jeweils ein Bündel metallischer oder anderweitig elektrisch leitender Spanwolle (20). Die Spanwolle wird durch einen Wechselstrom im Kilohertz-Megahertz-Bereich in der Spule (14) aufgeheizt. Die Wolle, z. B. Stahlwolle, kann vergoldet sein, um die Gefahr chemischer Korrosion zu verringern.
und stellen eine dünne Plattenheizvorrichtung (21) in Aufsicht ( ) und von der Seite ( ) vor, mit Kanälen (23), die das Gas, das der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, vom Eingang (24) an der Rückseite durch einen Ringkanal (22) in der Platte zu den Ausgangskapillaren (26) an der Vorderseite tragen. Die Gaskanäle können durch fotochemisches Ätzen oder andere geeignete Techniken in zwei flache Platten erzeugt werden, die dann auf den zwei Flächen miteinander verbunden werden, oder durch Löten oder anderweitiges Verbinden von metallischen oder anderweitig leitenden Kapillaren auf eine flache metallische oder anderweitig leitende Platte. Die ringförmige dünne Platte umgibt die Sprühkapillare (25) und überträgt aufgrund ihrer kurzen koaxialen Ausdehnung nur wenig Wärme auf die Sprühkapillare und die darin befindliche Analytlösung, die allgemein keiner Wärme ausgesetzt sein sollte.
zeigt die leitende flache Spirale (27), die gegenüber der Rückseite der dünnen Platte (21) angeordnet sein kann und zum Heizen der dünnen Platte (21) aus verwendet werden kann.
zeigt die Anordnung der Spirale (27), der dünnen Platte (21) und der Austrittskapillaren (26), in diesem Fall mit einer sich verjüngenden Konfiguration in Bezug auf die Sprühkapillare (10,11), damit das aufgeheizte Gas, das aus den Austrittskapillaren (26) austritt, die Sprühwolke (nicht gezeigt) der versprühten Lösung sofort nach dem Austritt aus der Kapillarenspitze (11) direkt kreuzt.
stellt eine Ausführungsform vor, bei der das leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen (14) in Bezug auf die Sprühkapillare nicht koaxial und konzentrisch angeordnet ist, sondern versetzt und ungefähr senkrecht zu ihr.
zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der mehr als ein leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen (14a, 14b), die gleichfalls von der Anordnung, die die Sprühkapillare (10) enthält, abgesetzt angeordnet sind, verwendet werden, um mehr als einen Gasstrom zu heizen, die dazu dienen, desolvatisierte Ionen (30) zu erzeugen, und durch mehr als einen Gaseintritt (24a, 24b) eingeleitet werden. Zwei aufgeheizte Gasstrahlen (31a, 31b) werden gelenkt, um die Sprühwolke (32), die aus der Sprühkapillarenspitze (11) austritt, zu kreuzen.

For a better understanding of the invention, reference is made to the following figures. The components in the figures are not necessarily to scale, but are primarily intended to illustrate the principles of the invention (mostly schematic). In the figures, corresponding parts throughout the several views may be identified by the same reference numerals.

shows the basic principle schematically. A conductive element having a multiplicity of turns, here a coil (14), driven by an AC voltage in the kilohertz to gigahertz range, induces heat within the surface of a metallic or otherwise conductive cylinder (11) of suitable electrical conductivity. A gas used to generate desolvated ions, such as a desolvating gas, forced through the channels (12) of the cylinder (11) is thereby heated. The gas, for example nitrogen, is accelerated (not shown) towards the cloud of droplets generated at the tip (not shown) of the spray capillary (10) and surrounds this cloud.
exhibits a minor variation of the basic design before, in which the gas channel (12*) in the cylinder wall (11) does not extend parallel to the longitudinal axis of the cylinder (11), but meanders around it, e.g. B. helically (threaded). A gas inlet (24) delivers gas into this meandering channel (12*) in the cylinder wall (11), where it is induced in the cylinder wall material by the eddy currents induced by the surrounding helically wound conductive element, here a coil (14). be heated before it leaves the meandering channel (12*) at the opening(s) in the lower face of the cylinder (11).
shows an embodiment in which a bundle of metallic or otherwise electrically conductive capillaries (16) embedded in a ceramic or otherwise electrically non-conductive block (15) is heated by induction by a surrounding conductive element with a multiplicity of turns, here one coil (14). The gas, which is used to generate desolvated ions, is forced through the metal capillaries (16) and heated up in the process. The exiting gas is blown into the spray cloud of droplets generated at the tip (11) of the spray capillary (10) as desolvation gas. The spray capillary is surrounded concentrically by a small tube which directs an atomizing gas (17) in the direction of the tip (11) of the spray capillary (10).
shows a slightly different embodiment. The non-conductive gas channels (19) in the ceramic or otherwise non-conductive block (18) each contain a bundle of metallic or otherwise electrically conductive chip wool (20). The chip wool is heated by an alternating current in the kilohertz-megahertz range in the coil (14). The wool, e.g. B. steel wool, can be gold plated to reduce the risk of chemical corrosion.
and put a thin plate heater (21) in plan ( ) and from the side ( ) with channels (23) carrying the gas used to generate desolvated ions from the inlet (24) at the rear through an annular channel (22) in the plate to the exit capillaries (26) at the front. The gas channels can be created by photochemical etching or other suitable techniques in two flat plates which are then bonded together on the two faces, or by soldering or otherwise bonding metallic or otherwise conductive capillaries onto a flat metallic or otherwise conductive plate. The annular thin plate surrounds the spray capillary (25) and due to its short coaxial extent transfers only little heat to the spray capillary and the analyte solution contained therein, which should generally not be exposed to heat.
Figure 12 shows the conductive flat coil (27) which can be placed opposite the back of the thin plate (21) and for heating the thin plate (21). can be used.
shows the arrangement of the spiral (27), the thin plate (21) and the exit capillaries (26), in this case with a tapered configuration with respect to the spray capillary (10,11) to allow the heated gas to escape from the exit capillaries (26) exits, the spray cloud (not shown) of the sprayed solution immediately after exiting the capillary tip (11) directly crosses.
presents an embodiment in which the conductive element with a plurality of turns (14) is not coaxial and concentric with respect to the spray capillary, but offset and approximately perpendicular to it.
Figure 1 shows a further embodiment in which more than one conducting element with a plurality of turns (14a, 14b) also remote from the assembly containing the spray capillary (10) are used to direct more than one gas flow heat, which serve to generate desolvated ions (30), and by more than a gas inlet (24a, 24b) can be introduced. Two heated gas jets (31a, 31b) are directed to intersect the spray plume (32) exiting the spray capillary tip (11).

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Auch wenn die Erfindung mit Bezug auf eine Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Änderungen bezüglich der Form und Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.While the invention has been shown and described with reference to a number of different embodiments of the invention, those skilled in the art will recognize that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

Wie oben kurz beschrieben, stellt die Erfindung ein Verfahren zum Aufheizen eines Gases bereit, das als Teil des Elektrosprühverfahrens der Erzeugung desolvatisierter Ionen dient, bei dem kein mechanischer oder elektrischer Kontakt zwischen der Heizenergieversorgung und der Heizvorrichtung selbst besteht und stattdessen elektromagnetische Induktion verwendet wird. Ein kleines elektrisch leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen, wie eine kurze Spule oder flache Spirale mit nur wenigen Windungen, wird mit einem Niederspannungs-Hochstrom-Wechselstrom im Frequenzbereich von etwa 1 Kilohertz bis 1 Gigahertz gespeist und heizt eine metallische oder anderweitig leitende Heizvorrichtung innerhalb eines helikal gewundenen leitenden Elements oder in der Nähe eines flachen oder ebenen leitenden Elements mit einer Vielzahl von Windungen (z. B. eine Spirale). Die Wärme wird innerhalb des Materials nahe der Oberfläche der Heizvorrichtung durch Wirbelströme erzeugt, die durch das elektromagnetische Wechselfeld induziert werden. Gleichzeitig schwächen die Wirbelströme das elektromagnetische Feld ab, sodass es nicht sehr tief in das Heizermaterial eindringt. Das Feld innerhalb eines Metallheizers fällt exponentiell ab; die Tiefe des Eindringens, bis das Feld auf ein e-tel (37 %) abgefallen ist, wobei e die Eulersche Zahl ist, wird „Skintiefe“ oder „Eindringtiefe“ genannt. Als Beispiel besitzt ein elektromagnetisches Feld von 50 Kilohertz in einer Kupferoberfläche eine Skintiefe von 0,3 Millimeter. Bei höheren Frequenzen ω verkleinert sich die Skintiefe mit 1/√ω (eins geteilt durch die Wurzel von omega); bei anderen Materialien mit anderen spezifischen elektrischen Widerständen p erhöht sich die Skintiefe mit √ρ (Wurzel von rho). In ferromagnetischen Materialien wird zusätzliche Wärme durch magnetische Hystereseverluste erzeugt.As briefly described above, the invention provides a method of heating a gas used as part of the Electrospray process to produce desolvated ions, in which there is no mechanical or electrical contact between the heater power supply and the heater itself, and instead uses electromagnetic induction. A small electrically conductive element with a large number of turns, such as a short coil or flat coil with only a few turns, is supplied with a low-voltage, high-current alternating current in the frequency range of about 1 kilohertz to 1 gigahertz and heats a metallic or otherwise conductive heating device within a helically wound conductive element or near a flat or planar conductive element with a multiplicity of turns (e.g. a spiral). The heat is generated within the material near the surface of the heater by eddy currents induced by the alternating electromagnetic field. At the same time, the eddy currents weaken the electromagnetic field so that it does not penetrate very deeply into the heater material. The field inside a metal heater decays exponentially; the depth of penetration until the field has dropped to one eth (37%), where e is Euler's number, is called "skin depth" or "depth of penetration". As an example, an electromagnetic field of 50 kilohertz in a copper surface has a skin depth of 0.3 millimeters. At higher frequencies ω, the skin depth decreases as 1/√ω (one divided by the square root of omega); for other materials with different specific electrical resistances p, the skin depth increases with √ρ (root of rho). In ferromagnetic materials, additional heat is generated by magnetic hysteresis losses.

Das elektrisch leitende Element mit einer Vielzahl von Windungen sollte aus einem Material mit niedrigem spezifischem Widerstand hergestellt sein. Es kann unter Verwendung eines Röhrchens hergestellt werden, um die Möglichkeit zu haben, es mit einem Kühlfluid zu kühlen, wie beispielsweise einer Flüssigkeit oder einem Gas. Es kann auch aus Drahtlitze hergestellt werden, um Impedanzverluste und eine unerwünschte übermäßige Erwärmung der Spule zu verringern.The multi-turn electrically conductive member should be made of a low resistivity material. It can be made using a tube to have the ability to cool it with a cooling fluid such as a liquid or a gas. It can also be made from stranded wire to reduce impedance losses and unwanted overheating of the coil.

Die Heizvorrichtung kann im Inneren eines helikal vielfach gewundenen leitenden Elements, wie einer Spule, angeordnet sein und kann die Sprühkapillare konzentrisch umgeben, aber ohne jeglichen mechanischen Kontakt (eigenständig montiert oder eigenständig aufgehängt). Die Heizvorrichtung kann Kanäle für das aufzuheizende Gas enthalten. Das Gas sollte ein inertes Gas sein, wie beispielsweise reiner Stickstoff. Das aufgeheizte Gas kann dann als Desolvatisierungsgas in die Wolke der Sprühtröpfchen geblasen werden, die an der Spitze der Sprühkapillare erzeugt wird. Das Desolvatisierungsgas sollte zur Trocknung der Tröpfchen beitragen, sodass am Ende desolvatisierte geladene Analytmoleküle verbleiben, die in einem nachfolgenden Massenspektrometer, Ionenmobilitätsspektrometer oder einer Kombination aus beidem analytisch untersucht werden können.The heater may be placed inside a helically multi-twisted conductive element, such as a coil, and may concentrically surround the spray capillary, but without any mechanical contact (stand-alone mounted or stand-alone suspended). The heating device can contain channels for the gas to be heated. The gas should be an inert gas such as pure nitrogen. The heated gas can then be blown as desolvation gas into the cloud of spray droplets generated at the tip of the spray capillary. The desolvating gas should help dry the droplets, leaving desolvated charged analyte molecules at the end that can be analyzed analytically in a subsequent mass spectrometer, ion mobility spectrometer, or a combination of both.

Eine induktive Aufheizung ist mit folgenden Vorteilen verbunden: Die Aufheizung ist sehr effizient und die Wärme wird mit minimalen Verlusten nur dort erzeugt, wo sie benötigt wird. Der Heizer kann sehr kompakt hergestellt werden, sodass der für eine solche Ionenquelle erforderliche Platzbedarf verringert wird. Dies bringt auch einen Heizkanal mit kleiner thermischer Masse mit sich, der sehr schnell gekühlt oder geheizt werden kann, sodass die Heiztemperatur innerhalb des zeitlichen Rahmens einer chromatografischen Vor-Trennung oder sonstigen Vor-Trennung nach einer physikalisch-chemischen Eigenschaft programmiert werden kann, um selektiv die Desolvatisierung jeweils jeder Verbindung zu optimieren, während sie eluiert. Nur die Oberfläche des Heizers bis zur Skintiefe ist tatsächlich den elektromagnetischen Wechselfeldern ausgesetzt. Derzeit geläufige Heizeranordnungen, die in bekannten Elektrosprüh-Ionenquellen verwendet werden, können dadurch sehr stark vereinfacht werden.Inductive heating has the following advantages: The heating is very efficient and the heat is only generated where it is needed with minimal losses. The heater can be made very compact, thereby reducing the space required for such an ion source. This also entails a low thermal mass heating channel that can be cooled or heated very quickly, so that the heating temperature can be programmed within the time frame of a chromatographic pre-separation or other pre-separation according to a physico-chemical property in order to selectively optimize the desolvation of each compound as it elutes. Only the surface of the heater down to the depth of the skin is actually exposed to the alternating electromagnetic fields. Currently common heater arrangements, which are used in known electrospray ion sources, can be greatly simplified as a result.

Es gibt mehrere mögliche Ausführungsformen für die Form des Heizers.There are several possible embodiments for the shape of the heater.

In einer ersten Ausführungsform ist die Heizvorrichtung einfach ein metallischer oder anderweitig elektrisch leitender Hohlzylinder innerhalb des Innenbereichs eines helikal vielfach gewundenen, leitenden Elements, wie in wiedergegeben. Der Metallzylinder enthält gerade, parallel angeordnete Bohrungen, die als Gaskanäle dienen. In besonderen Ausführungsformen können die Gaskanäle nicht gerade sein, sondern sich durch die Zylinderwand winden oder anderweitig mäandern, beispielsweise schrauben- oder gewindeförmig ( . Der Hohlzylinder kann durch zwei Hohlzylinder hergestellt werden, die konzentrisch ineinander gesetzt sind, nachdem die Kanäle in die Außenfläche des inneren Hohlzylinders und/oder die Innenfläche des äußeren Hohlzylinders gefräst wurden. Alternativ oder zusätzlich kann der Heizer durch additive Fertigung (3D-Druck) hergestellt werden. Der Hohlzylinder kann sich im Durchmesser verjüngen und das Gas als Desolvatisierungsgas direkt in die Tröpfchenwolke blasen ( und ), oder das aufgeheizte, aus den Bohrungen und Kanälen des Zylinders austretende Gas kann als Desolvatisierungsgas zu der Tröpfchenwolke nahe der Spitze der Sprühkapillare durch sich verjüngende Kapillaren geleitet werden ( ).In a first embodiment, the heating device is simply a metallic or otherwise electrically conductive hollow cylinder within the interior of a helically multiply wound conductive element, as in played back. The metal cylinder contains straight, parallel bores that serve as gas channels. In particular embodiments, the gas passages may not be straight, but may wind through the cylinder wall or otherwise meander, e.g wise helical or thread-like ( . The hollow cylinder can be made by two hollow cylinders placed concentrically one inside the other after the channels have been milled in the outer surface of the inner hollow cylinder and/or the inner surface of the outer hollow cylinder. Alternatively or additionally, the heater can be manufactured by additive manufacturing (3D printing). The hollow cylinder can taper in diameter and blow the gas directly into the droplet cloud as a desolvating gas ( and ), or the heated gas emerging from the bores and channels of the cylinder can be directed as desolvating gas to the cloud of droplets near the tip of the spray capillary through tapered capillaries ( ).

In einer zweiten Ausführungsform kann der Heizer auf ein Bündel metallischer oder anderweitig leitender Kapillaren reduziert werden, die als Gaskanäle dienen. Die Kapillaren können frei durch die Innenfläche der Spule (14) hindurch laufen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kapillaren (16) in einem keramischen oder anderweitig nichtleitenden Hohlzylinder (15) eingebettet, wie in gezeigt. Das aufgeheizte Gas wird als Desolvatisierungsgas direkt in die Sprühwolke aus Tröpfchen geblasen, die an der Spitze (11) der Sprühkapillare erzeugt wird.In a second embodiment, the heater can be reduced to a bundle of metallic or otherwise conductive capillaries serving as gas channels. The capillaries are free to pass through the inner surface of the coil (14). In a preferred embodiment, the capillaries (16) are embedded in a ceramic or otherwise non-conductive hollow cylinder (15), as in shown. The heated gas is blown as desolvation gas directly into the spray of droplets generated at the tip (11) of the spray capillary.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Gas innerhalb nichtleitender Kanäle (19) in einem keramischen oder anderweitig nichtleitenden Hohlzylinder (18) geleitet und die Aufheizung erfolgt durch ein metallisches oder anderweitig elektrisch leitendes Material innerhalb der Kanäle, wie ein leitendes poröses Material, beispielsweise durch Bündel aus Metallspanwolle (20), wie in gezeigt. Die Spanwolle, z. B. Stahlwolle, kann durch Überzug mit einem inerten Material, z. B. Vergoldung oder Vernickelung, vor Korrosion geschützt werden. Es ist vorteilhaft, den Spandurchmesser der Spanwolle für eine gute Heizeffizienz zu optimieren.In a further embodiment, the gas is conducted within non-conductive channels (19) in a ceramic or otherwise non-conductive hollow cylinder (18) and the heating takes place through a metallic or otherwise electrically conductive material within the channels, such as a conductive porous material, for example by bundles of Metal chip wool (20), as in shown. The chip wool, e.g. B. steel wool, can by coating with an inert material such. B. gold or nickel plating, are protected against corrosion. It is advantageous to optimize the chip diameter of the chip wool for good heating efficiency.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizvorrichtung eine dünne metallische oder anderweitig leitende Platte (21) mit Gaskanälen (23) zur Leitung des zu heizenden Gases, wie in und dargestellt, die durch eine benachbarte leitende flache Spirale, wie in gezeigt, geheizt wird. Die dünne Heizvorrichtung (21) besitzt die Form eines Ringes und umgibt die Sprühkapillare (25) und überträgt daher, aufgrund seiner kurzen koaxialen Ausdehnung, nur sehr wenig Wärme auf die Kapillare und die darin befindlichen Analytlösung, die allgemein keiner Wärme ausgesetzt sein sollte. Die Gaskanäle (23) können gefräst, geätzt oder einfach in eine erste Metallplatte gepresst sein und dann durch eine zweite dünne Metallplatte, die mit der ersten auf den zwei Flächen verbunden wird, geschlossen werden, ebenso können die Gaskanäle metallische oder anderweitig leitende Kapillaren sein, die auf eine Seite einer dünnen Metallplatte gelötet oder anderweitig verbunden sind. zeigt die Anordnung der flachen Spirale (27), der dünnen Platte (21) mit der Eintrittskapillare (24) und Austrittskapillaren (26) mit einer in diesem Fall sich verjüngenden Konfiguration in Bezug auf die Sprühkapillare (10) und Spitze (11).In a further embodiment, the heating device is a thin metallic or otherwise conductive plate (21) with gas channels (23) for conducting the gas to be heated, as in and represented by an adjacent conductive flat spiral, as in shown is heated. The thin heater (21) has the shape of an annulus and surrounds the spray capillary (25) and therefore, due to its short coaxial extent, transmits very little heat to the capillary and the analyte solution therein, which should generally not be exposed to heat. The gas channels (23) can be milled, etched or simply pressed into a first metal plate and then closed by a second thin metal plate bonded to the first on the two faces, likewise the gas channels can be metallic or otherwise conductive capillaries, soldered or otherwise bonded to one side of a thin metal plate. shows the arrangement of the flat spiral (27), the thin plate (21) with the entry capillary (24) and exit capillaries (26) with in this case a tapered configuration in relation to the spray capillary (10) and tip (11).

Diese Ausführungsform mit einer dünnen Platte, die durch eine benachbarte leitende flache Spirale geheizt wird, kann in einer solchen Art und Weise hergestellt werden, dass die Heizeranordnung aufgrund ihrer niedrigen thermischen Masse extrem wenig Wärmekapazität aufweist. Eine solche Vorrichtung kann sehr schnell geheizt und gekühlt werden; Aufheizung durch Induktion von der flachen Spirale und Kühlung durch permanent bereitgestelltes Frischgas. Die Vorrichtung ermöglicht die Einstellung der Gastemperatur auf die Eigenschaften der Analytionen, die durch Elektrosprühen erzeugt werden. In einem Flüssigchromatografielauf, dessen Eluent als Analytlösung an die Elektrosprüh-Ionenquelle geliefert wird, oder irgendeinem anderen Substanztrennlauf, wie zum Beispiel einem Elektrophoresetrennlauf, können die nacheinander eluierenden Analyten mehr oder weniger empfindlich für thermische Fragmentierung sein, und die Gastemperatur kann entsprechend gesteuert werden, um den Wärmestress so weit wie möglich zu verringern.This embodiment with a thin plate heated by an adjacent conductive flat coil can be made in such a way that the heater assembly has extremely little heat capacity due to its low thermal mass. Such a device can be heated and cooled very quickly; Heating by induction from the flat spiral and cooling by permanently provided fresh gas. The device allows the gas temperature to be adjusted to the properties of the analyte ions generated by Electrospray. In a liquid chromatography run whose eluent is supplied as an analyte solution to the electrospray ion source, or any other substance separation run, such as an electrophoresis separation run, the analytes eluting sequentially can be more or less sensitive to thermal fragmentation, and the gas temperature can be controlled accordingly in order to reduce heat stress as much as possible.

Eine weitere alternative Ausführungsform, in gezeigt, weicht von einer konzentrischen Anordnung der Sprühkapillare mit dem Kanal ab, der das leitend zu heizende Gas führt. Die Baugruppe einschließlich der Sprühkapillare mit ihrer nach unten weisenden Spitze (11) und optional eine konzentrisch angeordnete Röhre oder Röhren für das Zerstäubergas umfassend, in gezeigt, erstreckt sich in einer größtenteils senkrechten Richtung, wohingegen sich der Gaseinlass (24) grob in eine senkrechte Richtung in Bezug auf die Sprühachse in einer Ebene erstreckt, die die Kapillarenspitze (11) beinhaltet und zwei Endsegmente hat (28, 29), die hintereinander angeordnet sind. Das erste vorgelagerte Segment (28) ist von einem schraubenförmig vielfach gewundenen leitenden Element (14) umgeben und induktiv geheizt, sodass Wärme an die Gasströmung im Inneren weitergegeben wird. Das zweite nachgelagerte Segment (29) fungiert als das Austrittselement für das aufgeheizte Gas und besitzt in der gezeigten Ausführungsform eine halbrunde Form, wobei das theoretische Zentrum des Kreisrings grob mit der Position der Sprühkapillarenspitze (11) übereinstimmt. Öffnungen auf der Innenseite des Halbringsegments (nicht gezeigt) lenken und richten das aufgeheizte Gas in Richtung der gesprühten Lösung, beispielsweise wie eine Düse, und tragen auf diese Weise zur Erzeugung desolvatisierter Ionen aus den Elektrosprühtropfen bei, die aus der Spitze (11) austreten. Modifizierungen dieses Designs sind möglich, beispielsweise indem das teilweise ringförmige Segment (29) einen Winkelbereich überdeckt, der sich von 180° unterscheidet, wie beispielsweise weniger, z. B. ein Viertelsegment, oder mehr bis fast 360°, und so der Form des Buchstabens C oder einem Kettenglied ähnelt. Es ist auch möglich, die Spitze (11) der Sprühkapillare moderat nach oben oder unten von der in gezeigten Position innerhalb der Ebene des halbringförmigen Segments (29) zu versetzen.Another alternative embodiment, in shown, deviates from a concentric arrangement of the spray capillary with the channel that carries the conductive gas to be heated. The assembly comprising the spray capillary with its tip (11) pointing downwards and optionally a concentrically arranged tube or tubes for the atomizing gas, in shown, extends in a mostly perpendicular direction, whereas the gas inlet (24) extends roughly in a perpendicular direction with respect to the spray axis in a plane that includes the capillary tip (11) and has two end segments (28, 29) that are arranged one behind the other. The first upstream segment (28) is surrounded by a helically multi-twisted conductive element (14) and is inductively heated so that heat is imparted to the gas flow within. The second downstream segment (29) acts as the exit element for the heated gas and in the embodiment shown has a semicircular shape with the theoretical center of the annulus roughly coinciding with the position of the spray capillary tip (11). Apertures on the inside of the half-ring segment (not shown) direct and direct the heated gas towards the sprayed solution, e.g. like a nozzle, thus contributing to the generation of desolva tized ions from the Electrospray droplets exiting the tip (11). Modifications to this design are possible, for example by having the partially annular segment (29) cover an angular range other than 180°, such as less, e.g. B. a quarter segment, or more to almost 360 °, and so resembles the shape of the letter C or a chain link. It is also possible to move the tip (11) of the spray capillary slightly up or down from the in position shown within the plane of the semi-annular segment (29).

zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der mehr als ein leitendes Element mit einer Vielzahl von Windungen, hier Spulen (14a, 14b), die genauso versetzt von der Anordnung, die die Sprühkapillare (10) enthält, angeordnet sind, verwendet werden, um mehr als eine Gasströmung zu heizen, die dazu dienen, desolvatisierte Ionen (30) zu erzeugen, die durch mehr als einen Gaseintritt (24a, 24b) eingeleitet werden. Zwei aufgeheizte Gasstrahlen (31a, 31b) werden so gelenkt, dass sie die Sprühwolke (32), die aus der Sprühkapillarenspitze (11) austritt, kreuzen, um die Desolvatisierung zu unterstützen. Die Gaseinlässe (24a, 24b) müssen nur dort, wo sie von den Spulen (14a, 14b) umgeben sind, aus elektrisch leitendem Material bestehen. Weiter vorgelagert können sie aus nichtleitendem Material bestehen. shows a further embodiment in which more than one conductive element with a plurality of turns, here coils (14a, 14b) also offset from the assembly containing the spray capillary (10), are used to more than heating a gas flow operative to produce desolvated ions (30) introduced through more than one gas inlet (24a, 24b). Two heated gas jets (31a, 31b) are directed to intersect the spray plume (32) exiting the spray capillary tip (11) to aid in desolvation. The gas inlets (24a, 24b) need only be made of electrically conductive material where they are surrounded by the coils (14a, 14b). Further upstream, they can be made of non-conductive material.

Die Erfindung wurde mit Bezug auf eine Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung erläutert und beschrieben. Es versteht sich für Fachleute, dass diverse Aspekte oder Details der Erfindung geändert werden können oder dass unterschiedliche im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung offengelegte Aspekte, sofern praktikabel, leicht kombiniert werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin dient die vorstehende Beschreibung nur zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung, die ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird und alle ggf. möglichen technischen Äquivalente einschließen soll.The invention has been illustrated and described with reference to a number of different embodiments of the invention. It will be appreciated by those skilled in the art that various aspects or details of the invention may be modified, or that different aspects disclosed in connection with different embodiments of the invention may be readily combined where practicable without departing from the scope of the invention. Furthermore, the foregoing description is intended to be illustrative only and not limiting of the invention, which is defined solely by the appended claims and is intended to include all possible technical equivalents where appropriate.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 6681998 B2 [0006]
WO 2015040391 A1 [0007]
US20160336156A1 [0008]

Claims

An Electrospray ion source for generating desolvated ions to be analyzed analytically, comprising a spray capillary supplied with spray solution, a first power supply for generating an electric pulling field at a tip of the spray capillary to create conditions for Electrospray, and a gas supply supplying the generation of desolvated ions, and further comprising a heater through which the gas is passed to the sprayed solution, a multi-turn conductive member proximate the heater, and a second power supply connected to the multi-turn conductive member is to generate heat in the heater by electromagnetic induction to heat the gas as it flows through the heater on the way to the sprayed solution.

The Electrospray Ion Source claim 1 , characterized in that the second power supply is a low voltage, high current AC power supply supplying an alternating current with a frequency between 1 kilohertz and 1 gigahertz.

The Electrospray Ion Source claim 1 or claim 2 , characterized in that the conductive element is helically wound and the heater is disposed within an interior region of the helically wound conductive element.

The Electrospray ion source according to any one of Claims 1 until 3 , characterized in that the multi-turn conductive element is housed within a hollow cylindrical heater to facilitate and/or improve shielding of stray electromagnetic radiation.

The Electrospray ion source according to any one of Claims 1 until 4 characterized in that the conductive element having a plurality of turns has turns interleaved and/or intertwined in opposite directions.

The Electrospray Ion Source claim 5 characterized in that the conductive element having a plurality of turns has a first segment of turns which helically twist forwards, then twist, and a second segment of turns which helically twist backwards in the gaps between the turns of the first segment squirm

The Electrospray ion source according to any one of Claims 1 until 6 , characterized in that the heating device is a hollow cylinder surrounding the spray capillary.

The Electrospray Ion Source claim 1 or claim 2 , characterized in that the heating device is a thin metallic or otherwise conductive plate with one or more channels for heating the gas, the thin plate being in the form of a ring surrounding the spray capillary.

The Electrospray ion source according to any one of Claims 1 until 8th characterized in that at least one conductive element having a plurality of turns and an associated heater are arranged and positioned offset from the spray capillary such that a heated jet of gas is directed to intersect a spray plume emanating from the spray capillary tip.

A spectrometer for analytical study of desolvated ions, which receives the desolvated ions from an Electrospray ion source, the Electrospray ion source having a spray capillary supplied with a spray solution, a first power supply for generating an electric pulling field at a tip of the spray capillary to create conditions for electrospray and having a gas supply operative to generate desolvated ions, and further comprising a heater through which the gas is passed to the sprayed solution, a conductive member having a plurality of turns near the heater, and a second power supply connected to the conductive member having a plurality of turns for generating heat in the heater by electromagnetic induction to heat the gas as it flows through the heater on the way to the sprayed solution.

A method of heating a gas in an Electrospray ion source used for analytical testing of samples, in which the gas is used to generate desolvated ions as part of the Electrospray of an analyte solution, the gas passing through and absorbing thermal energy from a heater, which is heated without contact by electromagnetic induction.