ITMI941215A1 - Procedimento e dispositivo per l'introduzione di liquidi in spettrometri di massa mediante nebulizzazione elettrostatica - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione che ha per titolo:

"PROCEDIMENTO E DISPOSITIVO PER L'INTRODUZIONE DI LIQUIDI IN SPETTROMETRI DI MASSA MEDIANTE NEBULIZZAZIONE ELETTROSTATICA"

La presente invenzione concerne un procedimento ed un dispositivo per l’introduzione di campioni liquidi in uno spettrometro di massa (MS), ad esempio per realizzare un interfaccia tra apparecchiature di cromatografia liquida (LC ) ed apparecchiature MS, mediante nebulizzazione elettrostatica .

La nebulizzazione elettrostatica è una tecnica nota da tempo per l’alimentazione di campioni liquidi ad un’apparecchiatura MS. In genere la nebulizzazione viene effettuata a pressione ambiente creando una differenza di potenziale dell’ordine di 1 - 5 Kvolt tra un capillare di nebulizzazione e un elettrodo posizionato in prossimità della camera ad alto vuoto, ma a pressione sostanzialmente pari a quella atmosferica; il getto nebulizzato viene quindi introdotto nella camera ad alto vuoto dello spettrometro di massa.

La domanda di brevetto italiano n. MI91A01139 e le corrispondenti domande n. EP-A-92 10652 7.3 e US n.

07/872.280, a nome della presente richiedente e qui incluse mediante riferimento, descrivono un procedimento per interfacciare apparecchiature LC o SFC (cromatografia a fluidi supercritici ) con una MS, sotto vuoto. Secondo questa tecnica, l’estremità della colonna LC o SFC viene posta in corrispondenza di un elemento conducente ed entrambi sono posizionati distanziati rispetto all’entrata della camera di ionizzazione. L’elemento conducente è collegato a terra e la camera di ionizzazione MS è co.llegata ad una fonte di alta tensione o viceversa.

Nella domanda internazionale n. PCT/US92/04015 a nome The University of North Carolina at Chapel Hill viene descritto un interfaccia electrospray analogo a quello della domanda sopra citata, vale a dire con nebulizzazione nel vuoto.

Queste soluzioni, pur permettendo nuove possibilità di utilizzo rispetto a quelle che prevedono . la nebulizzazione a pressione atmosferica, presentano lo svantaggio di limitare la quantità di campione liquido alimentato a valori dell’ordine di 5 pl/minuto. Un ulteriore svantaggio è dato dal fatto che per avere il grado di vuoto necessario al funzionamento dei dispositivi si rende necessario l’uso di costose pompe turbo-molecolari in grado di eliminare i vapori di solvente generatisi nella camera di ionizzazione.

Scopo della presente invenzione è di risolvere i sopracitati problemi, realizzando un procedimento ed un dispositivo che permettano di nebulizzare quantità relativamente elevate di liquido (fino a 100 μl/min) in assenza di pompe molecolari ad elevata capacità.

Tali scopi sono raggiunti per mezzo della presente invenzione che concerne un procedimento per l’introduzione di liquidi in spettrometri di massa mediante nebulizzazione elettrostatica, caratterizzato secondo la rivendicazione 1.

L’invenzione concerne inoltre un dispositivo per l’introduzione di campioni liquidi in spettrometri di massa mediante nebulizzazione elettrostatica, caratterizzato secondo la rivendicazione 8.

Secondo una realizzazione preferenziale dell’invenzione l’interno dei tubi e/o la camera di ionizzazione alla quale arriva il flusso nebulizzato ed in parte evaporato sono in comunicazione con una pompa rotativa, che forma in tale ambiente una regione di vuoto parziale distinta dalla regione di alto vuoto formata nella camera di analisi ed' in corrispondenza della zona di nebulizzazione localizzata tra i mezzi di alimentazione del liquido e l’ingresso del tubo .

Secondo un’altro aspetto preferenziale , il od i tubi sono riscaldati per favorire l’evaporazione del solvente del campione liquido iniettato ed evitare accumulazione di composti .

La presente invenzione presenta numerosi vantaggi rispetto allo stato della tecnica. In primo luogo permette di realizzare una nebulizzazione elettrostatica e di raggiungere una pressione elevata all’interno della camera di ionizzazione, a tutto vantaggio della ionizzazione dei composti. In secondo luogo permette l’analisi di quantità relativamente elevate di liquido, pari ad un flusso fino a circa 100 μl/min in condizioni di alto vuoto nell’ambiente di nebulizzazione, senza che la nebulizzazione stessa ne sia influenzata negativamente. Inoltre, il procedimento secondo l’invenzione può essere utilizzato su qualsiasi spettrometro di massa noto, ed in diverse modalità di ionizzazione, come la fotoionizzazione e ionizzazione chimica con o senza filamento. Un altro vantaggio è dato dal fatto che i requisiti di pompaggio sono minimi, in quanto il vapore creatosi viene pompato via a pressione relativamente elevata dalla stessa pompa rotativa normalmente utilizzata per ottenere il vuoto di backup per la pompa molecolare. Infine, l’invenzione rende superfluo l’uso di gas aggiuntivi per la nebulizzazione ed il trasporto .

L'invenzione verrà ora descritta più in dettaglio con riferimento ai disegni acclusi a titolo illustrativo e non limitativo, dove:

la figura 1 è una vista schematica in sezione trasversale di una realizzazione dell’invenzione;

la figura 2 è una vista schematica in sezione trasversale di un’analoga realizzazione dell'invenzione; e la figura 3 è una vista schematica in sezione trasversale di un’ulteriore realizzazione dell’invenzione. Nelle figure 1-3 viene mostrato un dispositivo 1 di interfaccia tra mezzi 2 di alimentazione del campione liquido, ad esempio una colonna capillare od un capillare di uscita di un apparecchio LC, ed una camera di ionizzazione 3 di uno spettrometro di massa. I mezzi 2 sono posti ad un potenziale che è in questa realizzazione positivo e pari a 3 Kv, mentre la camera di ionizzazione 3 è messa a terra secondo la nota procedura di nebulizzazione elettrostatica. Di preferenza i mezzi 2 sono un capillare di quarzo metallizzato esternamente, generalmente placcato in oro per bassi flussi di campione, mentre per flussi oltre i 20-30 μl si possono usare capillari metallici. Lo spettrometro di massa comprende ovviamente anche una camera di analisi che viene mantenuta in condizioni di alto vuoto per mezzo di una pompa turbomolecolare o di analogo mezzo, non mostrata nel disegno , che provvede a mantenere sotto alto vuoto anche la zona all’uscita dei mezzi 2. La presente invenzione prevede che l’interfaccia 1 comprenda uno (figure 1 e 2) o più (figura 3) tubi 5, 5’, 5’’ collegati con la camera di ionizzazione 3 e disposti tra di questa ed i mezzi di alimentazione del campione liquido 2. Il tubo 5 (figure 1 e 2) o il tubo 5’ (figura 3), vale a dire il primo tubo nel caso di più tubi, è allineato con i mezzi 2 ed è distanziato dagli stessi di un tratto tale da produrre un ' accelerazione delle particelle di liquido nebulizzato tale da far passare il liquido nebulizzato attraverso il tubo 5 fino alla camera 3. Il tubo 3, o i tubi 5’ e 3’’, costitviiscono una resistenza fluidica, vale a dire che permettono il passaggio delle particelle di liquido nebulizzato solo in direzione della camera 3 e impediscono il ritorno dei loro vapori verso la zona di alto vuoto circostante i mezzi 2. In tal modo viene mantenuta la richiesta differenza di pressione tra la prima pressione ridotta P1 (alto vuoto), presente nella zona di nebulizzazione del campione liquido, e la seconda pressione ridotta P2, maggiore di P1 presente nella camera di ionizzazione. Naturalmente, oltre ai tubi possono essere utilizzati mezzi equivalenti come blocchi provvisti di fori cilindrici o equivalenti sistemi di resistenze pneumatiche, ma l'uso di tubi è preferito per la loro praticità e per il loro costo ridotto. Valori tipici di P1 sono 10<-3>-10<-1 >Pa, mentre la pressione P2 è tipicamente nell’ordine di 1-100 Pa.

Il rapporto fra lunghezza dei tubi e loro diametro interno è compreso preferibilmente nell’intervallo fra 8:1 e 60:1, e più preferibilmente fra 20:1 e 30:1. Il diametro interno è in genere compreso tra 1 e 6 mm e la distanza preferenziale tra distanza e diametro dei mezzi 2 dall’imboccatura del tubo 5 o 5’ può essere espressa come rapporto tra tale distanza e diametro del tubo stesso. Infatti la distanza è anche una funzione del diametro interno del tubo. Il rapporto preferenziale è compreso nell’intervallo tra 0,5:1 e 6:1 e più preferibilmente tra 2:1 e 1:1. In pratica si utilizzerà una distanza di almeno I mm.

II od i tubi possono essere rettilinei od anche presentare una curvatura. In quest’ultimo caso saranno da evitare angoli vivi all’interno del tubo. Naturalmente, sarà necessario mantenere l'allineamento dell’ingresso del tubo con i mezzi 2 di alimentazione del campione liquido.

Per favorire l’evaporazione del solvente contenuto nel. campione liquido nebulizzato, evaporazione che si verifica durante il passaggio attraverso il tubo 5 (o 5’ e 5’’), il tubo 5 è di preferenza provvisto di mezzi 6 per il riscaldamento dello stesso (figure 1 e 2). I mezzi 2, vale a dire il capillare di alimentazione del liquido, sono preferibilmente provvisti di mezzi {non mostrati) per il loro raffreddamento, onde evitare una evaporazione anticipata del campione all’interno dei mezzi 2 o immediatamente all’ uscita del liquido dai detti mezzi 2. In alternativa il capillare 2 è isolato termicamente rispetto al resto dello strumento per mantenere il raffreddamento ottenuto dall’evaporazione iniziale del solvente in uscita nell’alto vuoto.

Le realizzazioni mostrate prevedono la presenza di una pompa rotativa 7 che funge da seconda fonte di vuoto oltre a quella costituita dalla sopra citata pompa molecolare. Questa seconda fonte di vuoto ha la funzione di evacuare la maggior parte del solvente evaporato dal tubo 5 - 5’’ e dalla camera 3, ed a tal fine è collegata con l’estremità finale del tubo 5 o 5’ e/o con la camera 3. La pompa 7 è vantaggiosamente costituita dalla pompa rotativa normalmente utilizzata per il backup della pompa turbomolecolare; in tal modo si ha una realizzazione economica, in quanto la struttura è sostanzialmente quella dello spettrometro di massa, che però permette di alimentare volumi almeno fino a circa 100 μl/min.

Come sopra accennato, le figure 1 e 2 mostrano un interfaccia in cui la pompa 7 è collegata alla camera 3, nella quale sbocca il tubo 5. A sua volta la camera 3 è collegata alla camera di analisi 4 mediante un’apertura di dimensioni ridotte 8, in genere dell’ordine di 0,5 mm, attraverso la quale le molecole ionizzate vengono inviate all’analisi. La figura 1 mostra un dispositivo nel quale la camera di ionizzazione è del tipo a ionizzazione chimica, provvista di un elemento ionizzante 9 che può essere costituito da un emettitore termoionico (K<+ >o Li<+>) o da un elemento del tipo RF glow discharge (scarica a bagliore ).

Il dispositivo di figura 2 mostra un elemento ionizzante costituito da una lampada VUV da lO.OeV per fotoionizzazione, mezzi di trasmissione della luce 11 ed una griglia di repulsione 12.

La realizzazione di figura 3 prevede due tubi 5’ e 5’’ disposti internamente ad una camera 13 collegata con la pompa rotativa 7 e con la camera 3 per mezzo dell’apertura 14. Questa realizzazione prevede una ionizzazione del tipo a fascio di particelle (particle beam) mediante un elemento riflettore 15. In alternativa ai due tubi 5’ e 5’’ può essere utilizzato un unico tubo provvisto di fessure laterali in modo da ottenere ugualmente una sufficiente eliminazione del solvente evaporato tramite la pompa 7. Se il tubo 5’’ presenta una curvatura, la sua estremità di uscita dovrà essere allineata con l'apertura 14 della camera 3, e l’ingresso del tubo 5’’ dovrà essere allineato con l’uscita del tubo 5’.

Durante il funzionamento, il liquido in uscita dai mezzi 2 viene nebulizzato in alto vuoto e grazie alla differenza di potenziale tra i mezzi 2 e la camera di ionizzazione, viene accelerato ed inviato al tubo stesso e, attraverso di questo alla camera 3. Durante il passaggio attraverso il tubo il solvente presente nel liquido nebulizzato evapora almeno in parte, mentre altro solvente evapora nella camera di ionizzazione. Il solvente evaporato viene quindi eliminato attraverso la pompa 7, mentre i composti di interesse vengono ionizzati nella camera 3 ad una pressione ridotta P2 che ha un valore superiore a quella P1 presente nella zona circostante ai mezzi a capillare 2. La resistenza fluidica costituita dai tubi 5 -5’’ evita un ritorno di vapore o liquido verso i mezzi 2, mantenendo la differenza di pressione tra P1 e P2 . Le molecole ionizzate vengono quindi inviate all’analisi nella camera 4.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l’introduzione di liquidi in uno spettrometro di massa, del tipo comprendente la nebulizzazione elettrostatica di detto liquido in un ambiente a pressione ridotta, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: disporre uno o più tubi, allineati tra loro, in comunicazione con la camera di ionizzazione di detto spettrometro di massa; allineare i mezzi di alimentazione del liquido con l’imboccatura di entrata di detto o detti tubi, detti mezzi di alimentazione essendo distanziati da detta imboccatura di una distanza tale da ottenere un’accelerazione di detto liquido in uscita sufficiente a fargli attraversare detto o detti tubi; nebulizzare il liquido in uscita dai relativi mezzi di alimentazione ad una pressione ridotta P1 accelerandolo in direzione dei tubi e della camera di ionizzazione; far passare il liquido nebulizzato attraverso detti tubi fino alla citata camera di ionizzazione; e ionizzare almeno parte del detto liquido in detta camera di ionizzazione ad una pressione ridotta P2 , detta pressione P2 essendo maggiore della citata pressione ridotta P1 . Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di evaporare almeno parte del detto liquido durante e/o dopo il passaggio attraverso detto o detti tubi creando una differenza di pressione tra la camera di ionizzazione e la detta zona di alimentazione e nebulizzazione del liquido. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti tubi hanno un rapporto tra lunghezza globale e diametro interno compreso nell'intervallo tra 8:1 e 60:1. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto di riscaldare detto o detti tubi. 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di raffreddare detti mezzi di alimentazione del liquido. 6. Procedimento secondo una delle rivendicaz ioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre la fase di porre in comunicazione l’estremità di uscita di detto o detti tubi con una sorgente di pressione ridotta distinta dalla sorgente di pressione ridotta che forma detto alto vuoto nello spazio tra detti mezzi di alimentazione liquido e detto o detti tubi. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la fonte di pressione ridotta per la camera di alto vuoto e per la zona di nebulizzazione è una pompa molecolare e la detta fonte di pressione ridotta distinta è una pompa rotativa. 8. Dispositivo per l’introduzione di liquidi in uno spettrometro di massa, del tipo comprendente mezzi per creare una differenza di potenziale tra i mezzi di alimentazione di detto liquido e la camera di ionizzazione del detto spettrometro di massa, ed ottenere una nebulizzazione elettrostatica nel vuoto del detto liquido in uscita dai detti mezzi di alimentazione, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre uno o più tubi disposti, allineati tra loro, tra detti mezzi di alimentazione del liquido e la detta camera di ionizzazione, detto o detti tubi essendo allineati con i detti mezzi di alimentazione del liquido e distanziati da essi di un tratto tale da produrre un’accelerazione del liquido nebulizzato sufficiente a farlo passare attraverso i tubi stessi e dal fatto che la resistenza fluidica di detti tubi è tale da permettere il passaggio delle particelle nebulizzate solo verso la camera di ionizzazione. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto o detti tubi hanno un rapporto tra lunghezza globale e diametro interno compreso nell ’intervallo tra 8:1 e 60:1. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto o detti tubi sono provvisti di mezzi di riscaldamento. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per il raffreddamento dei detti mezzi di alimentazione del liquido . 12. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 8 a 11, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per creare alto vuoto quali una pompa turbomolecolare o simili, e secondi mezzi di produzione del vuoto quale una pompa rotativa o simili, detti secondi mezzi di alto vuoto essendo collegati con l’estremità terminale di detto o detti tubi e/o con la camera di ionizzazione del detto spettrometro di massa, l’estremità di ingresso di detto tubo o del primo di detti tubi essendo in comunicazione con detta prima fonte di alto vuoto. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto di comprendere un tubo collegato a detta camera di ionizzazione, la detta seconda fonte di vuoto essendo collegata a detta camera di ionizzazione. 14. Dispositivo secondo la rivendicaz ione 12, caratterizzato dal fatto che l’estremità terminale di detto tubo e gli eventuali tubi aggiuntivi sono contenuti in una camera in comunicazione con detta seconda fonte di vuoto e con detta camera di ionizzazione. 15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 8 a 14, caratterizzato dal fatto che il diametro interno di detto o detti tubi è compreso nell’intervallo tra 1 e 6 ram. 16. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 8 a 15, caratterizzato dal fatto che il rapporto della distanza tra mezzi di alimentazione del liquido ed ingresso del tubo o del primo tubo rispetto al diametro interno di detto tubo è compreso nell’intervallo tra 0,5:1 e 6:1.