TW201737301A

TW201737301A - 以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置

Info

Publication number: TW201737301A
Application number: TW105111818A
Authority: TW
Inventors: 謝建台; 鄭思齊
Original assignee: 國立中山大學
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-16
Also published as: TWI603372B

Abstract

一種以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置，包含一氣相層析儀、一燃燒單元，及一質譜儀。該氣相層析儀是用以將樣品分離流析，該燃燒單元是用以產生燃燒反應而生成帶電物種，以將該等樣品游離成分析物離子，最後由質譜儀接收並加以分析。藉由將該燃燒單元作為游離源，可不需如傳統游離源使用電極及高電壓設備，配置簡單且便於攜帶。此外也可將該氣相層析儀置換為液相層析儀，以對應不同的使用需求，泛用性高。

Description

以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置

本發明是有關於一種層析質譜裝置，特別是指一種以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置。

氣相層析法(Gas chromatography)及液相層析法(Liquid chromatography)皆是用以將混合物分離的分析技術。氣相層析法是將待測樣品通過氣相層析儀，藉著樣品與氣相層析管柱作用力的差異進行分離，而氣相層析管柱流析出後的樣品再導入游離源中離子化，並產生游離現象而形成多數個分析物離子，前述的分析物離子會接著進入位於該氣相層析儀下游的質譜儀內進行分析。目前可與GC連接的游離源包括有在真空下操作的電子游離法(electron ionization、EI)及化學游離法(chemical ionization、CI)；與在一大氣壓力操作的大氣壓力游離法(atmospheric pressure ionization、API)，例如在針尖施放高電壓，以使樣品在通過針尖的電暈範圍內時，受電暈的高能影響而游離氣相分析物之大氣壓力化學游離法(atmospheric pressure chemical ionization、APCI)，或是運用電噴灑游離法(electrospray ionization、ESI)產生帶電物種，使其與樣品進行氣相分子離子反應。

液相層析法的原理及適合分析的混合物雖與氣相層析法略有出入，但操作方法類似，其是將液態待測樣品通過液相層析管柱以達到分離的目的，接著樣品可直接導入電噴灑游離源中離子化，形成多數個分析物離子，或是經霧化及加熱氣化後形成氣態樣品，再與大氣壓力化學游離源所產生的帶電物種發生氣相化學反應，並產生游離現象而形成多數個分析物離子，最後分析物離子進入位於該液相層析儀下游的質譜儀內進行分析。

然而EI、CI、ESI、APCI等使用高電壓的游離源還需要另外配置高壓電源、鈍性氣體，及電極等設備，使得裝置整體較為複雜且成本較高。此外，由於該游離源需要使用高電壓相關設備，因此體積龐大而不易攜帶。

因此，本發明之一目的，即在提供一種不需使用電極及高電壓設備，且適用於質譜儀與氣相層析法或液相層析串連的層析質譜介面。

於是，本發明以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置，包含一用以將樣品分離流析的氣相層析儀、一用以產生燃燒反應而生成至少一種具反應性的帶電物種的燃燒單元，及一設置於該燃燒單元下游的質譜儀。

該燃燒單元所產生的該等帶電物種與該氣相層析儀所產生的該等樣品進行氣相化學反應，並產生游離現象而形成多數個分析物離子。該質譜儀是用以接收該等分析物離子並加以分析。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種不需使用電極及高電壓設備，且適用於液相層析法的層析質譜裝置。

於是，本發明以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置，包含一用以將樣品分離流析的液相層析儀、一用以產生燃燒反應而生成至少一種具反應性的帶電物種的燃燒單元，及一設置於該燃燒單元下游的質譜儀。

該燃燒單元所產生的該等帶電物種與該液相層析儀所產生的該等樣品進行氣相化學反應，並產生游離現象而形成多數個分析物離子。該質譜儀用以接收該等分析物離子並加以分析。

本發明之功效在於：藉由燃燒反應產生游離樣品所需的帶電物種，可取代傳統使用高電壓及電極的游離源，由於操作時可不需使用電極及高電壓設備，因此配置較為簡單，便於攜帶且成本較低，並可配合氣相層析儀或液相層析儀使用，泛用性高。

1‧‧‧層析質譜裝置

2‧‧‧氣相層析儀

21‧‧‧氣相層析管柱

22‧‧‧出口端

23‧‧‧加熱器

3‧‧‧燃燒單元

31‧‧‧燃燒頭

32‧‧‧第一管體

33‧‧‧第二管體

4‧‧‧質譜儀

41‧‧‧入口端

51‧‧‧樣品

52‧‧‧帶電物種

53‧‧‧分析物離子

6‧‧‧液相層析儀

61‧‧‧液相層析管柱

7‧‧‧氣化裝置

71‧‧‧霧化針

72‧‧‧加熱管

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置之第一實施例；圖2是一選擇離子層析圖，說明該第一實施例對一含有 C6：0~C25：0的脂肪酸甲酯進行質譜分析的結果；圖3A及圖3B皆是質譜圖，說明該第一實施例在不同分離時間下對該脂肪酸甲酯進行質譜分析的結果；圖4是一示意圖，說明本發明以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置之第二實施例；圖5是一選擇離子層析圖，說明該第二實施例對一混合溶液進行質譜分析的結果；圖6是一質譜圖，說明以該第二實施例對同一混合溶液進行質譜分析的結果；圖7是一離子層析圖，說明以一習知的質譜裝置對同一混合溶液進行質譜分析的結果；及圖8是一質譜圖，說明該習知質譜裝置對同一混合溶液進行質譜分析的結果。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置1之第一實施例，包含一氣相層析儀2、一對應該氣相層析儀2設置的燃燒單元3，及一設置於該燃燒單元3下游的質譜儀4。該燃燒單元3包括一位於該氣相層析儀2下游的燃燒頭31。

該第一實施例的操作步驟如下：將樣品51送入該氣相層析儀2中，並注入熱氮氣流以帶動樣品51流動，在經過氣相層析管柱21層析分離後將樣品51流析，該等該熱氮氣流接續將該等樣品51由該氣相層析儀2的出口端22向外傳送。需要特別說明的是，該氣相層析儀2是以一加熱器23將用於氣相層析的氣相層析管柱21末端均勻加熱，以避免樣品51冷凝，另外，該氣相層析儀2的出口端22是正對著該質譜儀4的入口端41，該燃燒頭31的出口端22之延伸線是與該質譜儀4的入口端41之延伸線夾90-170度角。

該燃燒單元3之燃燒頭31藉由燃燒反應生成至少一種具反應性的帶電物種52，且該等帶電物種52與由該氣相層析儀2所送出的樣品51產生氣相化學反應，進而產生游離現象而形成多數個分析物離子53，該等分析物離子53是由該質譜儀4的入口端41進入該質譜儀4內以進行質譜分析。需要特別說明的是，該燃燒單元3之燃燒頭31產生燃燒反應的方式，可以是利用一燃料進行有焰燃燒，也可以是利用一催化劑催化該燃料以進行無焰燃燒。而前述的無焰燃燒，並非指未產生火焰，而是所產生之火焰所放出的輻射不在人眼可見的可見光範圍內，因此，無論是採用有焰燃燒或無焰燃燒，皆需避免樣品51直接接觸到火焰而被燃燒分解。

在進行燃燒時，所選用的燃料一般會具有碳元素，因此在與氧元素反應而產生燃燒反應時，會產生以下化學反應：CH+O → CHO⁺+e^-

CHO⁺+H₂O → H₃O⁺+CO

因此，在上述燃燒反應中會產生CHO⁺及H₃O⁺，但隨著燃料種類和燃燒反應產生條件的不同，所產生的帶電物種52可能略有差異，甚至可在該燃料中添加一含有至少一種金屬成分的輔助物，以在進行燃燒反應後形成還有該種金屬成分的帶電物種52，以利於檢測。燃燒反應之目的是在於產生至少一種容易產生氣相化學反應的帶電物種52，因此帶電物種52的種類不以上述為限，且所述燃燒反應亦不以氧氣為必要性。除了燃料之外，也可導入氦、氬等鈍性氣體，以產生其它帶電物種52。

該等分析物離子53導入該質譜儀4後，該質譜儀4會針對該等分析物離子53的質荷比進行分析，並得到電荷、質量，及訊號強度相關的質譜圖，而藉由比對已知質荷比之物質的既有資料，便可分析該樣品51所含有之成分。

參閱圖1及圖2，圖2為以該第一實施例所述之層析質譜裝置1對一含有C6：0~C25：0的脂肪酸甲酯(fatty acid methyl ester、FAME)進行質譜分析後所得之選擇離子層析圖，其中橫軸為分離時間(min)，而縱軸則為強度(Intensity)，由圖2中可清楚看見，20種FAME分析物可藉由氣相層析儀達到完全分離的目的。參閱圖1、圖3A，及圖3B，圖3A及圖3B是在不同分離時間下，所獲得之C6：0~C25：0等20種FAME分析物之質譜圖，圖3A及圖3B中的橫軸為質荷比(m/z)，而縱軸則為強度(Intensity)，而由圖3A及圖3B中可清楚看見，該層析質譜裝置1可獲得 FAME分析物之質子化分子離子(M+H)⁺訊號，如Methyl caproate(C6：0)之離子訊號為m/z 131、Methyl heptanoate(C7：0)之離子訊號為m/z 145、Methyl caprylate(C8：0)之離子訊號為m/z 159、Methyl nonanoate(C9：0)之離子訊號為m/z 173、Methyl caprate(C10：0)之離子訊號為m/z 187、Methyl undecanoate(C11：0)之離子訊號為m/z 201、Methyl laurate(C12：0)之離子訊號為m/z 215、Methyl tridecanoate(C13：0)之離子訊號為m/z 229、Methyl myristate(C14：0)之離子訊號為m/z 243、Methyl pentadecanoate(C15：0)之離子訊號為m/z 257、Methyl palmitate(C16：0)之離子訊號為m/z 271、Methyl heptadecanoate(C17：0)之離子訊號為m/z 285、Methyl stearate(C18：0)之離子訊號為m/z 299、Methyl nonadecanoate(C19：0)之離子訊號為m/z 313、Methyl arachidate(C20：0)之離子訊號為m/z 327、Methyl heneicosanoate(C21：0)之離子訊號為m/z 341、Methyl behenate(C22：0)之離子訊號為m/z 355、Methyl tricosanoate(C23：0)之離子訊號為m/z 369、Methyl lignocerate(C24：0)之離子訊號為m/z 383、Methyl pentacosanoate(C25：0)之離子訊號為m/z 397。故知透過所述以燃燒單元3產生燃燒反應，以作為游離源的層析質譜裝置1，可獲得該混合溶液之離子訊號(M+H)⁺，故確實能進行質譜分析並能分析出待測樣品51之成分。

由於該層析質譜裝置1是藉由該燃燒單元3產生燃燒反應，以作為游離由該氣相層析儀2中送出之樣品 51的游離源，故不需使用電極、輔助鈍性氣體，及高電壓設備，配置簡單而能有效縮小裝置體積，不但便於攜帶，亦可降低成本。

參閱圖4，為本發明以燃燒反應作為游離源的層析質譜裝置1之第二實施例，該第二實施例大致與該第一實施例相同，不同之處在於：該第二實施例是將該氣相層析儀2改為一液相層析儀6，樣品51在經該液相層析儀6所連接之液相層析管柱61分離後，導入一氣化裝置7加熱氣化。該氣化裝置7是連接於該液相層析管柱61的出口端，並包括一霧化針71，及一圍繞該霧化針71設置的加熱管72。該燃燒單元3之燃燒頭31是位於該加熱管72下方，且該燃燒頭31具有一用以輸送燃料的第一管體32，及一直徑大於該第一管體32且與該第一管體32同軸設置，並用以輸送催化劑的第二管體33。此設計可避免火焰受到高流速氣體的影響而熄滅，而在該第二實施例中，該第一管體32及該第二管體33較佳是以不銹鋼管製成，當然該第一實施例的燃燒頭31也可採用此一設計。

該第二實施例的操作步驟如下：將樣品51溶液送入該液相層析儀6中，經液相層析管柱61層析分離後送至該霧化器71霧化成微滴，接著送至該加熱管72以將樣品51微滴加熱氣化，該等樣品51在離開該加熱管72後會被該燃燒頭31所產生的帶電物種52游離，進而形成多數個分析物離子53，該等分析物離子53是由該質譜儀4的入口端41進入該質譜儀4內以進行質譜分析。

圖5是以該第二實施例所述之層析質譜裝置1對一含有八種藥物的混合溶液進行質譜分析後所得之選擇離子層析圖，圖5中的橫軸為分離時間(min)，而縱軸則為相對強度(Relative Intensity)，由圖5可清楚看見，八種藥物標準品可藉由液相層析儀6進行，並藉由該層析質譜裝置1檢測而得出質譜資訊。圖6為不同分離時間下，該質譜裝置1所測得之藥物分子訊號，其中，圖6中的橫軸為質荷比(m/z)，而縱軸則為相對強度(Relative Intensity)。該等藥物分別為麻黃素(ephedrine)、甲基安非他命(methamphetamine)、K他命(ketamine)、古柯鹼(cocaine)、去甲羥基安定(oxazepam)、三氮二氮平(alprazolam)、羥二氮平(temazepam)，及二氮平(diazepam)。而由圖6可知，該層析質譜裝置1能檢測出麻黃素之離子訊號(m/z 166)、甲基安非他命之離子訊號(m/z 150)、K他命之離子訊號(m/z 238)、古柯鹼之離子訊號(m/z 304)、去甲羥基安定之離子訊號(m/z 287)、三氮二氮平之離子訊號(m/z 309)、羥二氮平之離子訊號(m/z 301)，及二氮平之離子訊號(m/z 285)。其中三氮二氮平及羥二氮平雖然無法有效分離，但仍可以質譜檢測出其離子。

而圖7是以一習知的質譜裝置對相同混合溶液進行質譜分析後所得之選擇離子層析圖，圖8是以該習知質譜裝置對相同混合溶液進行質譜分析後所得之質譜圖，其中該習知質譜裝置是採用大氣壓力化學游離法(Atmospheric pressure chemical ionization，簡稱APCI)作為游離方式，將圖5及圖6分別與圖7及圖8比對後可知，該第二實施例之層析質譜裝置1所得出之質譜分析結果，與習知以大氣壓力化學游離法作為游離源的層析質譜裝置所得出之樣品分離時間及離子訊號相同，故該第二實施例確實能進行質譜分析並能分析出待測樣品51之成分。

該第二實施例揭露了該燃燒單元3亦能應用於液相層析儀6，且同樣能達到不需使用電極、輔助鈍性氣體，及高電壓設備之功效，故能有效提高泛用性。

綜上所述，藉由燃燒反應產生游離樣品51所需的帶電物種52，可取代傳統使用高電壓及電極的游離源，由於操作時可不需使用電極及高電壓設備，因此配置較為簡單，便於攜帶且成本較低，且可對應氣相層析儀2及液相層析儀6，泛用性高，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。