JP2011513738A - 質量分析と接続する自己完結型キャピラリ電気泳動システム - Google Patents

Abstract

貫流アウトレットバイアルの出口で流出物の連続流を提供することが可能な完備したキャピラリ電気泳動（ＣＥ）システムが提供される。質量分析と接続するための貫流アウトレットバイアルと自己完結型キャピラリ電気泳動システムは、上流の入端部および下流の末端部を有するキャピラリと；内部のテーパ状の空洞を規定する内壁を有する導電性中空針であって、内部のテーパ状の空洞がキャピラリの末端部を摺動自在に受け入れるよう寸法構成され、キャピラリがある距離まで内部のテーパ状の空洞内に長手方向に挿入されて取り付けられ、これによってキャピラリの末端部がテーパ形状の針の内壁に接する導電性中空針と；を具え、キャピラリの末端部と下流の出口との間にマイクロリザーバが形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、貫流アウトレットバイアルの出口で流出物の連続流を提供することが可能な完備したキャピラリ電気泳動（ＣＥ）システムに関する。特に、本発明は質量分析と接続するための貫流アウトレットバイアルを持つ自己完結型キャピラリ電気泳動システムに関する。

キャピラリ電気泳動（ＣＥ）は、狭い内径の石英ガラスキャピラリに渡って印加される高電位を用いる分析技術であり、溶液中のイオンを分離する。印加された電界中で、陽イオンと陰イオンが溶液中で陽極と陰極へそれぞれ移動する。さらに、内側のキャピラリ壁の表面電荷と、ｐＨと、電解質成分とに依存して、ＣＥプロセス中に電気浸透流を存在させることができる。

ＣＥは優れた分離効率を提供するが、小さなキャピラリの内径（＜１００μｍ）は光検出法にとって非常に短い光路長である。これは、小量の注入が用いられると共に、液体クロマトグラフィを用いて達成可能なものより大抵低い濃度感度をもたらす。光検出の１つの魅力ある代替案は質量分析（ＭＳ）であり、これは高感度な検出を提供する上、気相の更なる分離と被検体の構造的な情報とを提供する。しかしながら、２つの方法の接続には多くの課題が存在する。ＭＳで分析するために、ＣＥ中に溶液中のイオンが気体イオンに変化させなければならない。さらに、オンラインで動作するために、分離分解能を著しく低減しない別の手段の電気接点によって典型的なＣＥ機器のアウトレットバイアルを置換しなければならない。

この連結を達成するのに最も普及している方法は、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）であり、これはＤｏｌｅら［１］によって質量分析のイオン源として最初に提案された。Ｆｅｎｎらの様々な教示は、質量分析のＥＳＩの電位を実証するのに役立った［２−４］。それ以来、ＥＳＩは、その多用性と、使いやすさと、大きな生体分子に対する有効性とにより、イオン化技術の中で最も一般的に用いられる種類の１つになってきた。

ＥＳＩは、キャピラリを貫流する液体試料に高電位を印加することに関係している。液体試料からの液滴は帯電して、電気泳動型の荷電分離が発生する。陽イオンモードのＥＳＩでは、陽イオンがキャピラリ先端部の液体メニスカスの下流へ移動する。陰イオンは、帯電強化をもたらし、キャピラリの後方へ反発される。帯電した液滴の後続の分裂［５］または蒸発［６］が、１つの溶媒和された気相イオン［７］の形成をもたらす。次いで、これらのイオンは、それらの質量対帯電比に基づく分離と検出を行う質量分析器の開口に送られる。

ＣＥ−ＥＳＩ−ＭＳの課題は、ＣＥプロセスとＥＳＩプロセスの双方がＣＥ分離の電気浸透流を中断することなくキャピラリの出口で電極と溶液の安定した電気的接触を必要とするということである。様々なインターフェイスが提案されたが、大部分は、試料の過剰な希釈と、分解能の低下と、スプレーの不安定性および／または脆弱性と、インターフェイスのコストの問題の影響を受ける。ＣＥ−ＭＳ用に提案されたインターフェイスは、２つのカテゴリ：ＣＥ溶離剤と混合する付加的な液流を用いるものと、用いないものとに分類することができる。

第１カテゴリは、シース流インターフェイスとして知られており、ＣＥ−ＭＳアプリケーション［８］の初期に最も普及した種類のインターフェイスであり、また現在の商用のＣＥ−ＥＳＩ−ＭＳシステムで見受けられるデザインである。キャピラリの末端部を巡って流れるシース液は２つの目的に役に立つ。第１の目的は、ＣＥ分離とＥＳＩプロセスを促進するためにキャピラリ溶液と電気的接触を確立することである。第２の目的は、ＣＥ電解質の成分を変更してＥＳＩとＭＳの検出で互換性をもつようにすることである。さらに、ＣＥ−ＭＳ開発の初期段階では、大抵のインターフェイスは既存のＬＣ−ＭＳ構成に適合するよう適合されており、これはＣＥによって提供されるものより非常に速い流速を必要とした。したがって、シース液はさらに液体クロマトグラフィで見受けられるものに匹敵するレベルまで液流を増加させる役目を果たした。

シース流インターフェイスはさらに、２つのカテゴリ：シース液流が分離キャピラリと同軸で、キャピラリの末端部で分離バッファと混合するものと、シース液がＣＥの末端部前の接合部によって追加されるものとに分類することができる。同軸のシース流インターフェイスは、液絡［９］のもの以上に改善された性能を提供することが実証されている。

シース流インターフェイスはＣＥ分離中に用いられる種々の条件を受け入れるが、シース液の追加は試料を希釈し、感度の著しい低下をもたらす。ＣＥで用いられる小量の注入が最初に低い濃度感度を提供するので、この更なる低下は多くの場合許容できないものである。最近では、さらに低い流速（２００ｎＬ／分以下）を用いるシース流インターフェイスが開発されている（Ｗａｈｌ，Ｊ．Ｈ．ら、Ａｔｔｏｍｏｌｅ Ｌｅｖｅｌ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｐｒｏｔｅｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｕｓｉｎｇ ５−μｍ−ｉ．ｄ．Ｃａｐｉｌｌａｒｉｅｓ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９２．６４：ｐ．３１９４−３１９６；Ｏｌｉｖａｒｅｓ，Ｊ．Ａ．ら、Ｏｎ−Ｌｉｎｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｚｏｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９８７．５９：ｐ．１２３１）。これらの１つ、加圧された液絡は、最初の液絡デザインに類似しているが、その接合部は僅かに広く（最大３００μｍ）、構成液の加圧されたリザーバ内に配置される。圧力の追加は、低下した分解能をもたらす隙間領域内のＣＥ流出物のピンぼけを防止するのに役立つ。また、分離キャピラリに渡る差圧による逆流を防止するために、入口バイアルも加圧しなければならない。導電性の構成液は、バックグラウンド電解質（ＢＧＥ）と共有電極との間に電気的接触を確立し、ＣＥからの流速が不十分であるときに、エレクトロスプレーの先端部へ安定した流れを提供する［１１］。これらの「加圧された接合部」のインターフェイスで導入された付加的な流れは希釈因子を加えるが、これは従来のシース流インターフェイスの場合よりも非常に少ない。

また、シース流ナノスプレーインターフェイスがシリカキャピラリの同軸配置を用いて開発されている［１０］。分離経路の外側に電気的接触を作成するために、狭い分離キャピラリの末端部は金でコートされる。次いで、それはテーパ状に形成された末端部を持つ大径のシリカキャピラリ内に挿入される。同軸のキャピラリアセンブリは、標準のイオンスプレーインターフェイスに取り付けられる。シース液は大きなキャピラリを通過し、分離キャピラリの末端部上を流れ、テーパ状の先端部にＣＥ流出物を運ぶ。この機構の希釈因子は１／２以下であり、結合した溶液の合計流速は約５００ｎＬ／分である。

低量のシース流エレクトロスプレーインターフェイスの別の戦略は、出射端の内径を著しく縮小せずに、Ｖ字形の先端部を用いて安定したスプレー動作のため要求される流速を低下させることである［１２］。Ｖ字形の先端部の１つのアプリケーションは、同軸でもなく従来の液絡でもない新しい混合した機構を用いる。ＣＥ流出物とシース液は並列キャピラリの出射端部に運ばれ、出射口で直接混合が発生する［１３］。

シース流インターフェイス固有の希釈にも拘わらず、これらは多くの重要な利点がある。インターフェイスを出る溶液は最初はシース液で構成されるので、その他でＥＳＩ−ＭＳと互換性がないＣＥプロセスに種々様々のバックグラウンド電解質または添加剤を用いることができる。また、これは電気分解プロセスを被検体経路から離れさせるので、ＣＥキャピラリ末端部で電気的接触を作成するのにシース液を用いるのは有益である。最後に、シース流インターフェイスは一般に堅牢であり、商業化に十分適している。

最近の進歩にも拘わらず、シース流インターフェイスは依然としてシースレスインターフェイスで達成可能な感度と一致していない。シースレスインターフェイスは、液流が通過する部分の数によってしばしば分類される。最初のシースレスインターフェイスとよくあるタイプのシースレスインターフェイスとは、分離チャンネルとエレクトロスプレー出射の双方として作用する単一セクションのキャピラリにのみ関係している。実際に、キャピラリ電気泳動のオンライン検出器としての質量分析のまさに初の実証は、１９８７年にＯｌｉｖａｒｅｓとその同僚によって報告されており［１４］、金属シース電極から僅かに突出するキャピラリ末端部上への銀の蒸着によって製造されたインターフェイスを用いている。蒸着された金属は、シース電極とＣＥ電解質との間の接点を作成した。

銀に加えて幾つかのその他の導電性コーティング材料が検査されており、これは金［１５−１７］、銅［１８］、ニッケル［１９］および黒鉛［２０−２４］を含む。あいにくコートされる先端部は、先端部で金属コーテングに作用する強い電界により寿命が短い。一般に、コーティングの劣化が動作に不安定を与える数日前の間だけこれらを用いることができる。安定性は、キャピラリ表面を前処理することによって、あるいはコーティングに異なる材料を混合することによって改善されるかもしれない［１７，２４］。

Ｐｅｔｅｒｓｓｏｎとその同僚は、電気的接触を確立するためにキャピラリ先端部とキャピラリ先端部から僅かに退いた金属シースとの間に静止液の薄膜を用いる可能性を探究した［２５］。キャピラリ末端部に全く電極を持たずに、ＣＥ−ＥＳＩ−ＭＳを行うことができることも実証された。この場合、電気的接触は、キャピラリ先端部と質量分析器のアースされた開口との間の空間を介して確立される［２６］。これは接続に非常に単純な溶液を提供するように見えるが、質量分析器に対するキャピラリ先端部の位置は重大であり、分離とスプレーの電圧を別々に制御することはできない。

キャピラリ先端部のコーティングの代替案は、電気的接触を作成するためにキャピラリチャネルにワイヤ電極を挿入することである。この末端部に対して幾つかの異なる手段が検査された。大きな内径のキャピラリが用いられる場合、細いワイヤ電極はキャピラリチャネルの末端部［２７］、またはキャピラリ末端部近傍に空けられた小さな穴［２８］に挿入されてもよい。しかしながら、これは乱流を生成し、ＣＥ分離の分解能を低下させる。乱流は、ワイヤではなく導電性の金エポキシで満たされた穴を用いることによって低下させることができるが、これは、電気分解が分離チャンネル内に発生するあらゆる状況で分離チャンネルの内側に気泡形成をもたらすかもしれない。

電気的接触を生成するための別の戦略は、流れの一部が外部の電極と接触するようにキャピラリから液流を分割することであり、これは分割流インターフェイスとして知られている。分割は、１つのキャピラリのドリル穴または小さな亀裂を介して達成され、これは分離チャンバとエレクトロスプレーの先端部の双方として役に立つ［２９］。これは分離を維持することで十分役に立つが、この戦略の困難さは、２つの流路間の所望の分割比を提供する再現可能な穴または亀裂を作成することである。代替プロセスは、フッ化水素酸の使用であり、石英ガラスのキャピラリの外側表面の区画をエッチングし、キャピラリ壁が多孔質になる。次いで、キャピラリのエッチングされた部分を緩衝リザーバに浸すことによって［３０］、または薄膜の液体で満たされた金属シース内にこれを挿入することによって［２５，３１］、キャピラリ壁の多孔性の場所を介して電気的接触を作成することができる。この種類のインターフェイスは完全に成功することが示されたが、この生産は目立たないが有害であり、キャピラリは非常に脆弱である。

２つのキャピラリのシースレスインターフェイスでは、分離キャピラリの端部と、ノズル先端部として作用するキャピラリとは、接合部で共に密接に突き合わされる。端子電極が配置される周囲の電解質へ電気的接触がどのように設置されても、付加的な流れが接合部に持ち込まれない。接合部は、微小透析管［３２］や、電源に接続された金属スリーブ［３３］、または微小Ｔ継手［３４］を用いて構成され、２つのキャピラリを整列させ、電極との接点を導入した。これらの技術は、ＣＥ回路の外部へ電気分解プロセスの場所を移すという利点があるが、これらは分離分解能を低下させない方法で整列するのが困難である。同様に、噴霧器と電極の双方として動作する金属先端部に分離キャピラリを結合することも可能であるが、位置合せと気泡生成の問題が残る。

ＣＥで一般に用いられる多くの有機溶媒、塩類、およびその他の添加剤は、関心の被検体のイオン化効率にマイナスの影響を及ぼす場合があることが十分に文書化されている［３５−３８］。これは、より互換性のあるシース液体でＣＥ流出物の成分を変更するシース流インターフェイスまたは液絡インターフェイスの使用によって一部解決することができる。類似するコンセプトがさらに、液体クロマトグラフィに存在する。例えば、変更する溶液がＬＣ流出物に加えられ、流動相内のトリフルオロ酢酸によりイオン化抑制を防止する［３９］。被検体の化学環境にこの種類を調節することは、イオン化条件を最適化することによって検知感度を著しく上昇することができる。

本発明の一態様の目的は、質量分析と接続するための貫流アウトレットバイアルを持った自己完結型キャピラリ電気泳動システムを提供することである。本発明の更なる目的は、検出システムにキャピラリ電気泳動および／またはクロマトグラフ分離をオンラインで接続する手段を提供することである。検出システムは、質量分析を含む１以上の多くの検出および／または分析方法とすることができる。本発明の更なる目的は、検出システムにキャピラリ電気泳動分離を接続する手段であって、組み立てるのが簡単で安価な手段を提供することである。

本発明の一態様によれば、直列下流検出システムにキャピラリを接続するためのキャピラリ電気泳動（ＣＥ）マイクロバイアルカプラにおいて、内部のテーパ状の空洞を規定する内壁を有する導電性中空針であって、前記針が上流の開口と下流の出口を有し、前記下流の出口が前記上流の開口に軸方向で対向し、前記内部のテーパ状の空洞が前記開口の大径から前記出口の小径へ減少する径を有するよう寸法構成され、前記開口から前記出口へ長手方向に内壁上にテーパ形状を形成し、前記開口の大径が摺動自在にキャピラリの末端部を受け入れるよう寸法構成された導電性中空針を具えることを特徴とするマイクロカプラが提供される。

本発明の更なる態様によれば、キャピラリ電気泳動（ＣＥ）システムにおいて、上流の入端部および下流の末端部を有するキャピラリと；内部のテーパ状の空洞を規定する内壁を有する導電性中空針であって、前記針が上流の開口と下流の出口を有し、前記下流の出口が前記上流の開口に軸方向で対向し、前記内部のテーパ状の空洞が前記開口の大径から前記出口の小径へ減少する径を有するよう寸法構成され、前記開口から前記出口へ長手方向に内壁上にテーパ形状を形成し、前記開口の大径が前記キャピラリの末端部を摺動自在に受け入れるよう寸法構成され、前記キャピラリがある距離まで内部のテーパ状の空洞内に長手方向に挿入されて取り付けられ、これによって前記キャピラリの末端部が前記テーパ状の針の内壁に接する導電性中空針と；を具え、前記キャピラリの末端部と前記下流の出口との間にマイクロリザーバが形成されることを特徴とするシステムが提供される。

本発明の別の態様によれば、シースレスＣＥ−ＭＳインタフェースにおいて、上流の開口から下流の開口へ針軸に沿ってテーパ状の空洞を規定する針壁を有する導電性中空針と；端部と外径を有するキャピラリであって、前記キャピラリの外径が前記下流の開口より大きく、前記キャピラリがバックグラウンド電解質を自身に含むのに適しており、前記キャピラリの端部が前記空洞内に配置され、前記キャピラリの端部と前記針壁がマイクロリザーバを規定するキャピラリと；を具え、前記マイクロリザーバがリザーバ電解質を含むのに適しており、前記マイクロリザーバが前記リザーバ電解質を含むときに、前記リザーバ電解質が、前記バックグラウンド電解質と前記導電性中空針との間に電気的接続を形成してＣＥ分離をもたらすことを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳインタフェースが提供される。

本発明の別の態様によれば、シースレスＣＥ−ＭＳシステムにおいて、第１バイアルと；第１バイアル内に配置された電極と；上流の開口から下流の開口へ針軸に沿ったテーパ状の空洞を規定する導電壁を有する中空針と；第１端部と、第２端部と、外径とを有するキャピラリであって、前記外径が前記下流の開口より大きく、前記第１端部が前記第１バイアル内に配置され、前記第２端部が前記空洞内に配置され、前記第２端部と前記中空針の内壁がマイクロリザーバを規定するキャピラリと；前記下流の開口近傍の対電極と；前記電極と前記針との間に印加される第１電位と；前記針と前記対電極との間に印加される第２電位と；前記マイクロリザーバがリザーバ電解質を含むのに適しており、前記マイクロリザーバが前記リザーバ電解質を含むとき、前記リザーバ電解質が前記キャピラリの第２端部と前記針との間に電気的接続を形成してＣＥ分離とエレクトロスプレーをもたらすことを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳインタフェースが提供される。

本発明の利点は、テーパ状の針へのキャピラリの自動的な位置合せと；検出システムとキャピラリ電気泳動分離の簡単で安価なインターフェイスと；大量生産への適用可能性と；長手方向に針の内部へキャピラリの位置決めの再現可能性と；針内へのキャピラリの同軸の位置合せと；必要とされる場合にキャピラリの置換が容易な設計と；溶液の副流に対する容易な適合可能性と；分離とエレクトロスプレープロセスとの間の被検体の良好な分解能と、を含む。

好適な実施例の詳細な説明が、以下の図面に関して以下で提供される。

図１（ａ）は、本発明の実施例に係るシースレスキャピラリ電気泳動−質量分析（ＣＥ−ＭＳ）システムを示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のシースレスＣＥ−ＭＳシステムのキャピラリと、スプレー針と、取付部品との間の機械的接続を詳細に示す平面図である。 図２（ａ）は、本発明の別の実施例に係るシースレスキャピラリ電気泳動−質量分析（ＣＥ−ＭＳ）システムを示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のシースレスＣＥ−ＭＳシステムのキャピラリと、スプレー針と、取付部品との間の機械的接続を詳細に示す平面図である。 図３（ａ）は、図１のシースレスＣＥ−ＭＳシステムのエレクトロスプレー針内への分離キャピラリの挿入を詳細に示す平面図である。図３（ｂ）は、図２のシースレスＣＥ−ＭＳシステムのエレクトロスプレー針内への分離キャピラリの挿入を詳細に示す平面図である。 図４は、ＣＥのみのモードで動作する本発明の実施例を用いて得た電気泳動分離の典型的な吸光度トレースを示すグラフである。 図５は、ＣＥのみのモードで動作した場合に本発明の実施例のエレクトロスプレー針を出る典型的な液滴を示す図である。 図６は、エレクトロスプレーイオン化源のみとして動作するよう設定した本発明の実施例から得た典型的な質量分析トレースを示すグラフである。 図７は、アミノ酸の混合物を分離する本発明の実施例の動作から得た典型的な質量分析データを示す図である。アミノ酸の電気泳動図は、Ａ）グリシン、Ｂ）アラニン、Ｃ）セリン、Ｄ）プロリン、Ｅ）バリン、Ｆ）トレオニン、Ｇ）システイン、Ｈ）イソロイシン、Ｉ）アスパラギン、Ｊ）アスパラギン酸、Ｋ）グルタミン、リジン、Ｌ）グルタミン酸、Ｍ）メチオニン、Ｎ）ヒスチジン、Ｏ）フェニルアラニン、Ｐ）アルギニン、Ｑ）トリプトファンである。 図８は、本発明の実施例を用いてペプチドの混合物を分離する典型的な重量分析データを示す図である。電気泳動図は、Ｒ）アンギオテンシンＩＩ（＋２）と；Ｓ）メチオニンエンケファリン（＋１）と、Ｔ）Ｐ物質（＋２）と、Ｕ）ブラジキニン（＋２）と、Ｖ）ニューロテンシン（＋２）と、Ｗ）全イオンとに対応して特定される。 図９は、（ａ）高速流および（ｂ）低速流における本発明の実施例のＶ字形の先端部を有する針から発生するエレクトロスプレーイオン化を示す図である。

図面では、本発明の好適な実施形態は実施例により示される。説明および図面は、例示および理解の助けに過ぎず、本発明の範囲の定義として意図されないことを特に理解されたい。

分離キャピラリは、キャピラリの外径より僅かに大きな内径を有する導電性針へ挿入される。針先端部では、先端部近傍の内径がＣＥ分離キャピラリの外径以下となるように針の内部形状が形成される。例えば、針の内部形状はテーパ状でもよいし、または丸くされてもよく、これが長手方向に針の内部へキャピラリの位置決めを再現可能にし、キャピラリは針の内径がキャピラリの外径と一致する点まで針に入るに過ぎない。対称的な内部のテーパ形状がキャピラリを針内の中心に保持するので、同軸の位置合せも達成される。針の内径は、キャピラリの内径より大きいか、等しいか、または小さい。一旦キャピラリが針内へ挿入されたならば、キャピラリをその位置で保持するのに標準的な取付部品が用いられる。必要ならばキャピラリを引き抜き、新しいものを挿入することによってＣＥキャピラリを容易に交換することができる。大量生産の場合には、一体構造のＣＥ−ＭＳカートリッジ、または針先端部を取り付けられたキャピラリを手頃なコストで製造することができる。針内に溶液の副流を加えるのにＴ継手を用いることができ、これにより針を出る前に分離キャピラリの末端部の近くで補助溶液が同軸に流れる。

シースレスインターフェイス内の分離キャピラリの末端部における開口量は、従来のＣＥ分離で用いられるアウトレットバイアルに置き換わる貫流マイクロリザーバを構成し、電極との電気的接触を提供する一方で、被検体と電気分解の生成物とが針先端部を通過するのを可能にする。マイクロリザーバの充満または補充は、分離を始める前にＣＥキャピラリへバックグラウンド電解質を流すことによって、またはＴ継手へ補助溶液を流すことによって簡単に達成されるであろう。キャピラリ末端部と針出口との間のマイクロリザーバ容積の存在は、ＣＥキャピラリ上に分離されたピーク形状に著しく影響を与えない。したがって、分離とエレクトロスプレープロセスとの間の被検体の良好な分解能を維持することが可能である。

この貫流マイクロバイアルの使用は、接続された検出器からＣＥプロセスを本質的に切り離し、ＣＥプロセスをその種類および連結された検出器の動作原理に依存しないようにする。このため検出器が何であるかに拘わらず、ＣＥプロセスが継続してもよい。後続の分析法と互換性を増すため、流出物の流速と化学的性質との双方を変更するのに補助溶液を追加することができる。次いで、マイクロバイアルの外に出て来る流出物は次の段階のプロセスに運ばれ、イオン化またはその他の手段の何れかによって、最適化された検出条件の被検体を準備する。

エレクトロスプレー針は、電源に接続され、ＣＥ分離の端子電極として、また被検体のエレクトロスプレーイオン化に必要な電気回路の一部として動作する。ＣＥのインレット電極と、エレクトロスプレー針と、ＥＳＩ対電極との相対電位は、所望のＣＥとＥＳＩのモードに依存するであろう。異なるＣＥの使用と変更因子の条件を通じて提供される流速を償うために、Ｖ字形の針先端部を用いることができる。この場合、Ｖ字形の最も鋭い点のテイラーコーン形状と、そのコーンのサイズが針の開口を出る流速を自動調整し、流速に拘わらず安定したスプレー動作を可能にする。

図１（ａ）と図１（ｂ）を参照すると、本発明の実施例に係るシースレスキャピラリ電気泳動−質量分析（ＣＥ−ＭＳ）システムが平面図で示されている。システム（１）は、液体試料（１２）を保持する第１バイアル（１０）と；第１バイアル（１０）内に配置され、第１高電圧電源（１６）に接続された電極（１５）と；液体試料（１２）内に配置された第１端部（１８）と第２端部（２０）とを有する石英ガラスキャピラリ（１４）と、を具える。内部のテーパ状の空洞（３０）を規定する内壁を有する導電性中空針（２２）が提供され（図３（ａ）を参照）、針（２２）が上流の開口（２１）と下流の出口（２３）を有し、下流の出口（２３）が上流の開口（２１）に軸方向で対向し、内部のテーパ状の空洞が開口の大径から出口（２３）の小径へ減少する径を有するよう寸法構成され、開口から出口（２３）へ長手方向に内壁にテーパ形状を形成し、開口の大径がキャピラリ（１４）の第２端部（２０）を摺動自在に受け入れるよう寸法構成される。図１（ｂ）に示されるように、上流と下流ＰＥＥＫを含む標準のクロマトグラフィー取付部品もしくはステンレス鋼ナット（１６，１８）と、継手（１９）と、フェルール（１７）とはキャピラリ（１４）と針（２２）を適所に接続し保持するために提供される。電極（１５）と針（２２）との間に第１電位を印加することができるように、針（２２）は第２電源（２６）に接続される。対電極（２８）は、針（２２）の出口（２３）の下流に配置される。対電極（２８）は、任意の標準質量分析の試料の開口か、もしくは電気的に接続される任意の器械のインターフェイスでもよい。第１バイアル（１０）と、針（２２）と、対電極（２８）の相対電圧は、所望のキャピラリ電気泳動およびエレクトロスプレーイオン化のモードに依存するであろう。針（２２）の出口（２３）と対電極（２８）との間の領域は、大気圧のままでよい。

図３（ａ）に示されるように、キャピラリ（１４）の第２端部（２０）が針（２２）の内部のテーパ状の空洞（３０）内へ挿入されるとき、貫流マイクロリザーバ（３２）は、キャピラリ（１４）の第２端部（２０）と下流の出口（２３）との間に形成される。マイクロリザーバ（３２）がリザーバ電解質を含むのに適しており、マイクロリザーバ（３２）がリザーバ電解質を含むとき、リザーバ電解質がキャピラリ（１４）の第２端部（２０）と針（２２）との間に電気的接続を形成してキャピラリ電気泳動分離とエレクトロスプレーをもたらす。マイクロリザーバは、図３に示されるものに加えて多くの形状をなしてもよく、極端な場合には、単に針の開口量や電極先端部の金属の厚さでもよい。マイクロリザーバの特徴は、これが金属スプレー針とキャピラリ内の溶液との間の電気的接触を提供するということである。

図２（ａ）と図２（ｂ）を参照すると、本発明の別の実施例に係るシースレスキャピラリ電気泳動−質量分析（ＣＥ−ＭＳ）システム（１００）が平面図で示されている。システム（１００）は、液体試料（１２０）を保持する第１バイアル（１０１）と；第１バイアル（１０１）内に配置され、第１高電圧電源（１６０）に接続された電極（１５０）と；液体試料（１２０）内に配置された第１端部（１８０）と第２端部（２００）とを有する石英ガラスキャピラリ（１４０）と、を具える。内部のテーパ状の空洞（３００）を規定する内壁を有する導電性中空針（２２０）が提供され（図３（ｂ）を参照）、針（２２０）が上流の開口（２１０）と下流の出口（２３０）を有し、下流の出口（２３０）が上流の開口（２１０）に軸方向で対向し、内部のテーパ状の空洞が開口の大径から出口（２３０）の小径へ減少する径を有するよう寸法構成され、開口から出口（２３０）へ長手方向に内壁にテーパ形状を形成し、開口の大径が第１キャピラリ（１４０）の第２端部（２００）を摺動自在に受け入れるよう寸法構成される。システム（１００）はさらに、第１端部（４８０）と第２端部（６００）を有する予備の石英ガラスキャピラリ（４００）を具える。第１端部（４８０）は、予備のバイアル（４１０）に含まれる補助液試料（４１２）内に配置され、補助電極（４１５）は、予備のバイアル（４１０）内に配置され、グランドに接続された。

図２（ｂ）に示されるように、上流と下流ＰＥＥＫを含む標準のクロマトグラフィー取付部品もしくはステンレス鋼ナット（４６０，４８１）と、Ｔ継手（４９０）と、フェルール（４２０）と、ＰＥＥＫナット（４２１）とは、第１キャピラリ（１４０）と針（２２０）を適所に直線配置で接続し保持し、予備のキャピラリ（４００）をその間で垂直に保持し配向するために提供される。電極（１５０）と針（２２０）との間に第１電位を印加することができるように、針（２２０）は第２電源（２６０）に接続される。対電極（２８０）は、針（２２０）の出口（２３０）の下流に配置される。対電極（２８０）は、任意の標準質量分析の試料の開口か、もしくは電気的に接続される任意の器械のインターフェイスでもよい。第１バイアル（１０１）と、針（２２０）と、対電極（２８０）の相対電圧は、所望のキャピラリ電気泳動およびエレクトロスプレーイオン化のモードに依存するであろう。針（２２０）の出口（２３０）と対電極（２８０）との間の領域は、大気圧のままでよい。

図３（ｂ）に示されるように、第１キャピラリ（１４０）の第２端部（２００）が針（２２０）の内部のテーパ状の空洞（３００）内へ挿入されるとき、貫流マイクロリザーバ（３２０）は、キャピラリ（１４０）の第２端部（２００）と下流の出口（２３０）との間に形成される。マイクロリザーバ（３２０）はリザーバ電解質を含むのに適しており、マイクロリザーバ（３２０）がリザーバ電解質を含むとき、リザーバ電解質が第１キャピラリ（１４０）の第２端部（２００）と針（２２０）との間に電気的接続を形成してキャピラリ電気泳動分離とエレクトロスプレーをもたらす。

補助液試料（４１２）は、第１端部（４８０）から第２端部（６００）へ予備のキャピラリ（４００）を介して流れ、Ｔ継手（４９０）の内部の空洞（４９２）内に流れ、これによって第１キャピラリ（１４０）の外側表面を取り囲み、マイクロリザーバ（３２０）内に流れる。

図３は、本発明の自動調節の特性を実証し、これによって、スプレー針の内部のテーパ形状が、両方とも針の出口に関して中心となり、マイクロリザーバの量に関して一致する位置にキャピラリを案内する。

マイクロリザーバは、インターフェイスが完備したアウトレットバイアルの代替品を提供するという独特の特徴を提供し、エレクトロスプレーがない状態でＣＥを実行することができる。

図４を参照すると、ＣＥのみのモードで動作する本発明の実施例を用いて得た電気泳動分離の典型的な吸光度トレースが示されている。図４は、ＣＥのみのモードでインターフェイスを用いてアミノ酸とカフェインの混合物を分離した吸光度トレースを示している。この場合、針はアースされ、液体は液滴として針を出る。ＣＥのみのモードは、改善された汎用性を提供し、ＣＥ−ＭＳ構成を変更せずにＣＥ分離に先立って動電学的注入を使用することができる。また、これはＣＥ分離の一部のみをスプレーするという可能性も利用でき、これは高塩濃度緩衝液または界面活性剤を必要とするオンライン合焦技術または誘導技術に有利となるであろう。

図５を参照すると、ＣＥのみのモードで操作された場合に本発明の実施例のエレクトロスプレー針を出る典型的な液滴が示されている。

図６を参照すると、エレクトロスプレーイオン化源のみとして動作するよう設定した本発明の実施例から得た典型的な質量分析トレースが示されている。図６は、補助溶液のないＥＳＩのみのモードで動作するインターフェイスを示す。圧力だけを用いてインターフェイス中を押し進められるとき、カフェイン（０．５ｍＭのリン酸、ｐＨ９、１０％メタノール）の栓がＭＳによって噴射されて検出される。この注入は１０ゲージｐｓｉで０．５秒間２５ｋＶで行われた。この対称的なピークプロフィールは、マイクロリザーバ内の溶液とマイクロバイアルの形状とがピーク形状を著しく歪めず、キャピラリの外に出る被検体がマイクロリザーバによって捕らえられないことを示している。

図７を参照すると、本発明の実施例の動作から得られる典型的な質量分析データが示されている。図７は、アミノ酸の混合物のＣＥ分離の重量分析データを示しており、酸性のバックグラウンド電解質が用いられる場合に副流を使用してＣＥ分離のゼロに近い量の流れを補う。アミノ酸の混合物はＣＥによって分離され、ＭＳによって分離される。アミノ酸であるＡ）グリシン、Ｂ）アラニン、Ｃ）セリン、Ｄ）プロリン、Ｅ）バリン、Ｆ）トレオニン、Ｇ）システイン、Ｈ）イソロイシン、Ｉ）アスパラギン、Ｊ）アスパラギン酸、Ｋ）グルタミン、リジン、Ｌ）グルタミン酸、Ｍ）メチオニン、Ｎ）ヒスチジン、Ｏ）フェニルアラニン、Ｐ）アルギニン、Ｑ）トリプトファンの分離が示されている。

図８を参照すると、オンラインのエレクトロスプレーイオン化と共に５つのペプチドの混合物を圧力支援下でＣＥ分離した重量分析データが示されている。Ｗは、全イオンの電気泳動図を示す。Ｒは、４４９．６−４５０．３ｍ／ｚ範囲のアンギオテンシンＩＩ（＋２）の電気泳動図である。Ｓは、５７３．８−５７４．２ｍ／ｚ範囲のメチオニンエンケファリン（＋１）の電気泳動図である。Ｔは、６７２．９−６７４．４ｍ／ｚ範囲のＰ物質（＋２）の電気泳動図である。Ｕは、５３０．０−５３１．１ｍ／ｚ範囲のブラジキニン（＋２）の電気泳動図である。Ｖは、８３７．５−８３８．８ｍ／ｚ範囲のニューロテンシン（＋２）の電気泳動図である。ＣＥ分離パラメータもエレクトロスプレーパラメータも分析に先立って最適化されなかった。分析されたペプチドの様々な荷電状態のピークの同一性は、以下の表１に記録される。

図９を参照すると、（ａ）高速流および（ｂ）低速流におけるＶ字形の先端を持つＶ字形の針先端部から発生する典型的なエレクトロスプレーイオン化が示されている。異なる流速に応じてテイラーコーンを自動調整する特性を観察することができる。図９（ａ）では、低速流の変更因子が加えられると、Ｖ字形の最も鋭い点で小さなテイラーコーンの形成をもたらす。図９（ｂ）では、変更因子として流速を増加すると、テイラーコーンのサイズが対応して増加する。これは、Ｖ字形の針先端部が用いられるときにインターフェイスを自動調整する特性を証明している。システムを更に変更せずに同じインターフェイスによって広い範囲の流出速度を取り扱うことができる。

本発明の範囲から外れずに、上述した本発明の特定の実施例に対して多数の変更、変形、および適合がなされてもよい。このような変更または変形は全て、本書に添付されたクレームによって規定される本発明の分野と範囲内にあるものと考えられる。

Claims (23)

1. 直列下流検出システムにキャピラリを接続するキャピラリ電気泳動（ＣＥ）マイクロバイアルカプラにおいて、
   内部のテーパ状の空洞を規定する内壁を有する導電性中空針であって、前記針が上流の開口と下流の出口を有し、前記下流の出口が前記上流の開口に軸方向で対向し、前記内部のテーパ状の空洞が前記開口の大径から前記出口の小径へ減少する径を有するよう寸法構成され、前記開口から前記出口へ長手方向に内壁にテーパ形状を形成し、前記開口の大径がキャピラリの末端部を摺動自在に受け入れるよう寸法構成された導電性中空針を具えることを特徴とするマイクロカプラ。
2. キャピラリ電気泳動（ＣＥ）システムにおいて、
   上流の入端部および下流の末端部を有するキャピラリと；
   内部のテーパ状の空洞を規定する内壁を有する導電性中空針であって、前記針が上流の開口と下流の出口を有し、前記下流の出口が前記上流の開口に軸方向で対向し、前記内部のテーパ状の空洞が前記開口の大径から前記出口の小径へ減少する径を有するよう寸法構成されて前記開口から前記出口へ長手方向に内壁にテーパ形状を形成し、前記開口の大径が前記キャピラリの末端部を摺動自在に受け入れるよう寸法構成され、前記キャピラリがある距離まで内部のテーパ状の空洞内に長手方向に挿入されて取り付けられ、これによって前記キャピラリの末端部が前記テーパ形状の針の内壁に接する導電性中空針と；を具え、
   前記キャピラリの末端部と前記下流の出口との間にマイクロリザーバが形成されていることを特徴とするシステム。
3. 請求項２に記載のシステムがさらに、
   補助溶液を提供する針の上流の接続手段を具え、これによって前記補助溶液が前記針の上流の開口から前記マイクロリザーバへ前記キャピラリの外部に沿って同軸で流れるよう導かれることを特徴とするシステム。
4. 請求項３に記載のシステムにおいて、前記接続手段が、
   第１開口と第２開口を有する管状体であって、前記第１開口が前記第２開口に軸方向で対向し、自身を通る前記キャピラリの通路となるよう寸法構成された管状体と；
   前記第１開口内に前記キャピラリを固定する手段と；
   前記第２開口内に前記針を固定する手段と；
   前記管状体に垂直な管状分岐部であって、前記第１開口に垂直な分岐開口を有し、前記分岐開口内に予備のキャピラリを固定する手段を提供された管状分岐部と、を具えることを特徴とするシステム。
5. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記針の下流の出口がエレクトロスプレーエミッタとしての用途に適合されることを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記エレクトロスプレーエミッタが質量分析計に連結されることを特徴とするシステム。
7. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記針の下流の出口がフラクションコレクタに連結されることを特徴とするシステム。
8. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記針の下流の出口が外部の分析装置に連結されることを特徴とするシステム。
9. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記針が下流のＶ字形の末端部を有することを特徴とするマイクロカプラ。
10. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記針の下流の出口がエレクトロスプレーエミッタとしての用途に適合されることを特徴とするマイクロカプラ。
11. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記直列下流検出システムが質量分析計であることを特徴とするマイクロカプラ。
12. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記ＣＥシステムがナノ液体クロマトグラフィのシステムで置換されることを特徴とするマイクロカプラ。
13. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記ＣＥシステムが超高圧マイクロカラム液体クロマトグラフィのシステムで置換されることを特徴とするマイクロカプラ。
14. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記ＣＥシステムがキャピラリ動電クロマトグラフィのシステムで置換されることを特徴とするマイクロカプラ。
15. 請求項１に記載のマイクロカプラにおいて、前記直列下流検出システムがキャピラリフローインジェクションのシステムであることを特徴とするマイクロカプラ。
16. シースレスＣＥ−ＭＳインタフェースにおいて、
    上流の開口から下流の開口へ針軸に沿ってテーパ状の空洞を規定する針壁を有する導電性中空針と；
    末端部と外径を有するキャピラリであって、前記キャピラリの外径が前記下流の開口より大きく、前記キャピラリがバックグラウンド電解質を自身に含むのに適しており、前記キャピラリの末端部が前記空洞内に配置され、前記キャピラリの末端部と前記針壁がマイクロリザーバを規定するキャピラリと；を具え、
    前記マイクロリザーバがリザーバ電解質を含むのに適しており、前記マイクロリザーバが前記リザーバ電解質を含むときに、前記リザーバ電解質が、前記バックグラウンド電解質と前記導電性中空針との間に電気的接続を形成してＣＥ分離をもたらすことを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳインタフェース。
17. 請求項１６に記載のシースレスＣＥ−ＭＳインタフェースにおいて、前記針は前記針軸について非対称のＶ字形の先端部と前記下流の開口を有することを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳインタフェース。
18. 請求項１６に記載のシースレスＣＥ−ＭＳインタフェースにおいて、前記リザーバ電解質が前記キャピラリを介して提供されることを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳインタフェース。
19. 請求項１６に記載のシースレスＣＥ−ＭＳインタフェースにおいて、前記リザーバ電解質が前記針の上流の開口を介して提供されることを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳインタフェース。
20. シースレスＣＥ−ＭＳシステムにおいて、
    第１バイアルと；
    第１バイアル内に配置された電極と；
    上流の開口から下流の開口へ針軸に沿ったテーパ状の空洞を規定する導電壁を有する中空針と；
    第１端部と、第２端部と、外径とを有するキャピラリであって、前記外径が前記下流の開口より大きく、前記第１端部が前記第１バイアル内に配置され、前記第２端部が前記空洞内に配置され、前記第２端部と前記中空針の内壁がマイクロリザーバを規定するキャピラリと；
    前記下流の開口近傍の対電極と；
    前記電極と前記針との間に印加される第１電位と；
    前記針と前記対電極との間に印加される第２電位と；を具え、
    前記マイクロリザーバがリザーバ電解質を含むのに適しており、前記マイクロリザーバが前記リザーバ電解質を含むとき、前記リザーバ電解質が前記キャピラリの第２端部と前記針との間に電気的接続を形成してＣＥ分離とエレクトロスプレーをもたらすことを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳシステム。
21. 請求項２０に記載のシースレスＣＥ−ＭＳシステムにおいて、前記針はＶ字形の先端部を有することを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳシステム。
22. 請求項２０に記載のシースレスＣＥ−ＭＳシステムがさらに、前記針の上流の開口と液通する第２バイアルを具え、前記第２バイアルが加圧され、前記第２バイアルが前記リザーバ電解質を提供することを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳシステム。
23. 請求項２０に記載のシースレスＣＥ−ＭＳシステムにおいて、前記第１バイアルが加圧され、前記第１バイアルが前記リザーバ電解質を提供することを特徴とするシースレスＣＥ−ＭＳシステム。
    

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