TWI449081B - 熱脫附游離裝置、質譜系統，及質譜分析方法 - Google Patents

Description

熱脫附游離裝置、質譜系統，及質譜分析方法

本發明是有關於一種游離裝置，特別是指一種熱脫附游離裝置。本發明亦有關於一包含有該熱脫附游離裝置之質譜系統，以及一質譜分析方法。

藉由質譜分析技術，人們可獲知一樣品中待測物(analytes)的分子量，繼而配合進一步比對而確認該待測物的真實身分，因此自20世紀初期發展以來，用以實施該質譜分析技術的質譜儀，因為具有操作簡便且可快速獲得偵測結果之優勢，已然成為一廣為各領域使用之鑑定工具。

申請人在1997年以氣相層析儀(gas chromatograph,GC)連接七管式的多頻道電噴灑游離裝置來對七種具不同分子量的酯類混合物進行分離及偵測，相關技術可參閱以下論文：C.S. Wang,J. ShieaJ. Mass Spectrom . 1997;32: 247.。

若要以電噴灑游離法分析蛋白質成分，需先將一組織切片中的蛋白質萃取出來並獲得一蛋白質溶液，再藉由一如圖1所示之包含一電噴灑游離源11的質譜儀1(以下簡稱為ESI-MS)來進行蛋白質分析。相關技術可參閱以下論文：Yamashita,M.,Fenn,J. B.J. Phys. Chem . 1984;88 ,4451.、Fenn,J. B. et al.Science 1989;246 ,64.、Fenn,J. B. et al.Mass Spectrom. Rev . 1990;9 ,37.。

該質譜儀1之電噴灑游離源11是用於進行一電噴灑游離(electrospary ionization,ESI)程序來將蛋白質游離化。該游離源11包括有一開口端111朝向質量分析器12之入口121的毛細管112，使用時需在該開口端111與入口121之間建立一電場，例如於此兩者間形成2-5kV的電壓差。之後，使待測的蛋白質溶液於該毛細管112內朝該開口端111流動，於該開口端111之溶液會因電場的牽引與液面表面張力之作用，而形成一滿佈電荷之泰勒錐(Taylor cone)2，當電場作用力可克服液體之表面張力時，帶有多價電荷且包含有蛋白質分子之液滴就會被形成，並朝該質量分析器12噴灑出，繼而由該入口121進入質量分析器12。

參閱圖2，則是一種利用脫附電噴灑游離質譜儀(DESI-MS)3來進行脫附電噴灑游離法(Desorption electrospray ionization,DESI)並進行質譜分析，此方法可偵測廣泛的分子量範圍及多種化合物，亦可直接對一被移動之組織切片4進行蛋白質的質譜偵測。

該脫附電噴灑游離質譜儀3包含之脫附電噴灑游離源31，是一類似圖1中所示之電噴灑游離源11，不同之處是在於該脫附電噴灑游離源31是以一朝向於該組織切片4的方位設置，且更具有一包繞著該毛細管112並能噴出高壓氣流311之氣流供應件312。該脫附電噴灑游離源31是將一電噴灑介質32灌入該毛細管112並施以高電壓來進行上述電噴灑程序，啟動時會自該開口端111同向噴灑出複數帶電液滴321與高壓氣流311，並藉由高壓氣流311來撞擊一組織切片4，使得該組織切片4中之待測物受力而脫附，被脫附之待測物會與帶電液滴321結合帶電而形成離子態，繼 而再由質量分析器的入口33接收並進行後續之質譜分析。

但高壓氣流311在被噴出後不易集中，難以精準控制欲撞擊的區域，無法對該組織切片4進行精密之蛋白質空間解析，另，以帶電液滴321轟擊該組織切片4的脫附能量，並不足以有效率地脫附出被束縛於上之蛋白質分子。

2002年，申請人再提出融合液滴電噴灑游離法(Fused Droplet Electrospray Ionization,FD-ESI)，或稱作二階段式電噴灑游離法(Two-Step Electrospray Ionization)及隨後所發展的各式游離方法。不同於一般的電噴灑游離質譜法，二階段式電噴灑游離法是將分析物經過前處理後，直接以幫浦推送經由施加一高電壓的毛細管，並在末端產生電噴灑游離分析物，其做法是先將分析物溶液利用霧化器(超音波霧化器或氣動式霧化器等)使其霧化產生大小約介於10-30μm的微小液滴，這些微小液滴在與電噴灑所產生的帶電荷液滴融合反應生成帶電荷的分析物離子，此時的電噴灑游離源設計，從多頻道變成單一毛細管進行電噴灑，並成為後續游離源設計得主要依據，相關技術可參閱以下論文：D.Y.Chang,C.C.Lee,J.Shiea,Anal.Chem. 2002 ,74, 2465.；C.C.Lee,D.Y.Chang,J.Y.Jeng,J.Shiea,J.Mass Spectrom. 2002, 37, 115.。

於2005年申請人又開發以電噴灑游離輔助熱裂解質譜之技術(Electrospray-Assisted Pyrolysis Mass Spectrometry,ESA-Py/MS)，用來分析大分子(macromolecular)，包括具可溶性及不可溶性的合成高分子及天然高分子物質包括原油、琥珀及腐植質之快速分析之物種快速鑑定，相關技術可參閱以下論文：H. J. Hsu,T. L. Kuo,S. H. Wu,J. N. Oung,J. Shiea,Anal. Chem. 2005,77, 7744.；H. J. Hsu,J. N. Oung,T. L. Kuo,S. H. Wu,J. Shiea,Rapid Commun. Mass Spectrom. 2007. 21,375.。

然而，上述實驗裝置體積均過於龐大，相當佔用空間。除此之外，樣品進樣相當繁瑣，需先將樣品送入高溫爐加熱至設定溫度形成氣態，再通入載流氣體與氣態樣品混合後經由導管引導至游離區域，不但操作不便又耗時，且樣品傳送的過程中會殘留於導管管壁而導致樣品量損耗。

因此，本發明之第一目的，即在提供一種快速取樣及分析的熱脫附游離裝置。

於是，本發明熱脫附游離裝置，是用於將一待測物進行脫附作用，並朝向一質譜儀的一入口移動以進行質譜分析，該熱脫附游離裝置包含一電荷產生單元、一加熱單元，及一取樣單元。

該電荷產生單元是與該質譜儀間隔設置並朝向該質譜儀的入口產生帶電荷的溶劑液滴。該加熱單元包括一加熱本體，及一貫穿該加熱本體的通道，該通道具有一進樣口，及一相反於該進樣口的出口，該出口是朝向該電荷產生單元與質譜儀之間，且該出口的延伸方向是與該電荷產生單元的延伸方向呈相交。該取樣單元包括一能抽離地穿伸於該加熱單元之通道的探針，該探針是用以刮取或沾附該待測物，使部分待測物附著於該探針上。

本發明之第二目的，即在提供一種質譜系統，包含一具有一入口的質譜儀，及本發明第一目的所述之熱脫附游離裝置。本發明之第三目的，則在提供一種質譜分析方法，包含一取樣步驟、一脫附步驟、一電荷產生步驟，及一分析步驟。

該取樣步驟是以一探針刮取或沾附一待測物，使部分待測物附著於該探針上；該脫附步驟是將該探針伸入一貫穿一加熱本體之通道中，並使該探針上的待測物被該加熱本體加熱脫附形成氣相待測物再離開該通道；該電荷產生步驟令一電荷產生單元朝向一質譜儀的入口產生帶電荷的溶劑液滴，而氣相待測物會與溶劑液滴融合形成帶電荷的待測物離子；該分析步驟是使待測物離子經由該入口進入該質譜儀，並經該質譜儀分析後產生一質譜分析圖。

本發明熱脫附游離裝置、質譜系統以及質譜分析方法之功效在於：可以利用該探針直接刮取或沾附固體與液體的待分析物，並使得該探針通過通道時將探針上的待分析物瞬間氣化而進行游離及質譜分析，能大幅縮短待分析物的分析時間。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖3，為本發明質譜系統5之較佳實施例，包含一具有一入口61的質譜儀6，及一熱脫附游離裝置7。該質譜儀6的結構為該技術領域中具有通常知識者所能理解，不再贅述，而該熱脫附游離裝置7包含一電荷產生單元71、一加熱單元72，及一取樣單元73。

該電荷產生單元71是與該質譜儀6間隔設置並朝向該質譜儀6的入口61產生帶電荷的溶劑液滴。要說明的是，於本實施例中，該電荷產生單元是以噴灑的方式產生帶電荷的溶劑液滴，而噴灑的方式可選自下列方法之一：電噴灑游離法(electrospray ionization)、奈米噴灑游離法(Nanospray)、超聲噴霧游離法(Sonic spray)，或熱噴灑游離法(Thermal spray)。另外，該電荷產生單元也能以放電的方式產生帶電荷的溶劑液滴，而放電的方式是選自下列方法之一：尖端放電(corona discharge)、輝光放電(glow discharge)，或介電質放電(dielectric barrier discharge)。

該加熱單元72包括一加熱本體721，及一貫穿該加熱本體721的通道722，該加熱本體721的加熱溫度範圍為40~1500℃，該通道722具有一進樣口723，及一相反於該進樣口723的出口724，該出口724是朝向該電荷產生單元71與質譜儀6之間，且該出口724的延伸方向是與該電荷產生單元71的延伸方向呈相交。

該取樣單元73包括一能抽離地穿伸於該加熱單元72之通道722的探針731，及一連接於該探針731一端的握持部732。該探針731是用以刮取或沾附一固體或是液體的待測物(圖未示)，使部分待測物附著於該探針731上，該握持部732具有一連接該探針731且朝向該進樣口723的連接面733，該連接面733的面積是大於該進樣口723的截面。

參閱圖4，為本發明質譜分析方法之較佳實施例，其是配合前述之質譜系統5以將待分析物進行分析之方法，包含一取樣步驟81、一脫附步驟82、一電荷產生步驟83，及一分析步驟84，以下配合圖3、4說明以該質譜系統5進行質譜分析方法之步驟。

該取樣步驟81是以該探針731刮取或沾附待測物，使部分待測物附著於該探針731上；該脫附步驟82是將該探針731由該進樣口723伸入該通道722中，並使該探針731上的待測物被該加熱本體721加熱脫附形成氣相待測物再由該出口724離開該通道722。操作者可依據不同性質的待測物來調整該加熱本體721的加熱溫度，以確保待測物會被加熱至形成氣相而離開該通道722。該握持部732的設計，不但能讓操作者易於操作，且該握持部732之連接面733的面積是大於該進樣口723的截面，能避免該探針731伸入該通道722內時整個落入該通道722內。

該電荷產生步驟83令該電荷產生單元71朝向該質譜儀6的入口61產生帶電荷的溶劑液滴，而氣相待測物會與溶劑液滴融合形成帶電荷的待測物離子，產生帶電荷之溶劑液滴的方法如前所述，於此不再贅述；該分析步驟84是使待測物離子經由該入口61進入該質譜儀6，並經該質譜儀6分析後產生一質譜分析圖。

要特別說明的是，於本實施例中，該加熱本體721的加熱溫度範圍為40~800℃，此溫度範圍僅為本實施例所舉例之操作條件，當然也可以視實際操作情形而加熱至超過800℃，甚至達到1500℃左右，不以本實施例所揭露者為限。

圖5至圖13是以本發明之裝置及方法進行測試之實驗例，皆是以圖3所示之質譜系統5，以及圖4所示之分析步驟84進行測試，每一圖皆顯示選擇離子層析圖及質譜圖，相關結構及步驟如前所述，於以下說明中不再贅述。

如圖5、6所示，是以探針731分別刮取普拿疼藥錠及心律錠表面後進行測試，而由圖5、6的結果來看，證實本發明確實可以直接分析固體樣品組成，而偵測到固體樣品所含的活性成分。

如圖7、8所示，是將搖頭丸粉末以及海洛英粉末分別混合於市售麵粉內而模擬成毒品粉末，將該探針731分別沾附上述混合後的粉末並進行測試。由圖7、8的結果來看，的確可以偵測到搖頭丸與海洛英的存在，證實本發明確實可以直接分析粉末狀樣品之成分。

如圖9、10所示，是分別於尿液中添加K他命，以及於牛奶中添加三聚氰胺，將該探針731分別沾附上述混合後的液體並進行測試。由圖9、10的結果來看，的確可以偵測到K他命與三聚氰胺的存在，證實本發明確實可以直接分析液體樣品之成分。

如圖11~13所示，是分別測試日常用品，如玩具、灌腸袋，及橡皮擦中是否含有塑化劑的成分。以探針731分別刮取或穿刺上述物品表面後進行測試，而由圖11~13的結果來看，證實本發明確實可以偵測到固體樣品內之塑化劑成分。

如圖14~16所示，是分別針對蔬果農產品表面農藥殘留的測試，圖14~16是以探針731分別刮取青椒、蕃茄及蓮霧表面，並測試分析是否殘留農藥。由圖14~16的結果來看，證實本發明確實可以偵測到農產品表面殘留的農藥。

綜上所述，本發明透過上述之裝置及方法，利用該探針731直接刮取或沾附固體與液體的待分析物，並使得該探針731通過通道722時，能受到該加熱本體721之加熱作用，使該探針731上的待分析物瞬間氣化而進行游離及質譜分析，不但能快速獲得檢驗結果(平均約3-5秒即能產生檢驗結果)，且待分析物的更換及取樣皆相當快速，能大幅縮短待分析物的分析時間，而能應用於大量樣品數的檢測，且待分析物不需進行前處理，並能在常溫常壓條件下操作，操作手續簡便，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明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。

5‧‧‧質譜系統

6‧‧‧質譜儀

61‧‧‧入口

7‧‧‧熱脫附游離裝置

71‧‧‧電荷產生單元

72‧‧‧加熱單元

721‧‧‧加熱本體

722‧‧‧通道

723‧‧‧進樣口

724‧‧‧出口

73‧‧‧取樣單元

731‧‧‧探針

732‧‧‧握持部

733‧‧‧連接面

81‧‧‧取樣步驟

82‧‧‧脫附步驟

83‧‧‧電荷產生步驟

84‧‧‧分析步驟

圖1是一示意圖，說明一電噴灑游離質譜儀(ESI-MS)之各大部件的相對位置與作用方式；圖2是一示意圖，說明一脫附電噴灑游離質譜儀(DESI-MS)之各大部件的相對位置與作用方式；圖3是一示意圖，說明本發明質譜系統之較佳實施例；圖4是一流程圖，說明本發明質譜分析方法之較佳實施例；及圖5~16皆是選擇離子層析圖及質譜圖，說明本發明之各個實驗例的分析結果。

5．．．質譜系統

6．．．質譜儀

61．．．入口

7．．．熱脫附游離裝置

71．．．電荷產生單元

72．．．加熱單元

721．．．加熱本體

722．．．通道

723．．．進樣口

724．．．出口

73．．．取樣單元

731．．．探針

732．．．握持部

733．．．連接面

Claims (12)

1. 一種熱脫附游離裝置，是用於將一待測物進行脫附作用，並朝向一質譜儀的一入口移動以進行質譜分析，該熱脫附游離裝置包含：一電荷產生單元，與該質譜儀間隔設置並朝向該質譜儀的入口產生帶電荷的溶劑液滴；一加熱單元，包括一加熱本體，及一貫穿該加熱本體的通道，該通道具有一進樣口，及一相反於該進樣口的出口，該出口是朝向該電荷產生單元與質譜儀之間，且該出口的延伸方向是與該電荷產生單元的延伸方向呈相交；及一取樣單元，包括一能抽離地穿伸於該加熱單元之通道的探針，該探針是用以刮取或沾附該待測物，使部分待測物附著於該探針上；當該探針上的待測物隨著該探針經由該進樣口通過該加熱單元的通道，而被該加熱本體加熱脫附形成氣相待測物並由該出口離開後，會與該電荷產生單元所產生的溶劑液滴融合形成帶電荷的待測物離子，而進入該質譜儀的入口進行分析。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之熱脫附游離裝置，其中，該取樣單元還包括一連接於該探針一端的握持部，該握持部具有一連接該探針且朝向該進樣口的連接面，該連接面的面積是大於該進樣口的截面。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之熱脫附游離裝置，其中，該電荷產生單元是以噴灑的方式產生帶電荷的溶劑液滴，而噴灑的方式是選自下列方法之一：電噴灑游離法、奈米噴灑游離法、超聲噴霧游離法，或熱噴灑游離法。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之熱脫附游離裝置，其中，該電荷產生單元是以放電的方式產生帶電荷的溶劑液滴，而放電的方式是選自下列方法之一：尖端放電、輝光放電，或介電質放電。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之熱脫附游離裝置，其中，該加熱單元之加熱本體的加熱溫度範圍為40~1500℃。
6. 一種質譜系統，用以針對一待測物進行質譜分析，該質譜系統包含：一質譜儀，具有一入口，用於接收並分析已被脫附游離的待測物離子；以及一熱脫附游離裝置，包括：一電荷產生單元，與該質譜儀間隔設置並朝向該質譜儀的入口產生帶電荷的溶劑液滴；一加熱單元，包括一加熱本體，及一貫穿該加熱本體的通道，該通道具有一進樣口，及一相反於該進樣口的出口，該出口是朝向該電荷產生單元與質譜儀之間，且該出口的延伸方向是與該電荷產生單元的延伸方向呈相交；及一取樣單元，包括一能抽離地穿伸於該加熱單元之通道的探針，該探針是用以刮取或沾附該待測物，使該待測物的部分樣品分子附著於該探針上；當該探針上的待測物隨著該探針經由該進樣口通過該加熱單元的通道，而被該加熱本體加熱脫附形成氣相待測物並由該出口離開後，會與該電荷產生單元所產生的溶劑液滴融合形成帶電荷的待測物離子，而進入該質譜儀的入口進行分析。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之質譜系統，其中，該取樣單元還包括一連接於該探針一端的握持部，該握持部具有一連接該探針且朝向該進樣口的連接面，該連接面的面積是大於該進樣口的截面。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之質譜系統，其中，該電荷產生單元是以噴灑的方式產生帶電荷的溶劑液滴，而噴灑的方式是選自下列方法之一：電噴灑游離法、奈米噴灑游離法、超聲噴霧游離法，或熱噴灑游離法。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之質譜系統，其中，該電荷產生單元是以放電的方式產生帶電荷的溶劑液滴，而放電的方式是選自下列方法之一：尖端放電、輝光放電，或介電質放電。
10. 依據申請專利範圍第6項所述之質譜系統，其中，該加熱單元之加熱本體的加熱溫度範圍為40~1500℃。
11. 一種質譜分析方法，包含：一取樣步驟，以一探針刮取或沾附一待測物，使部分待測物附著於該探針上； 一脫附步驟，將該探針伸入一貫穿一加熱本體之通道中，並使該探針上的待測物被該加熱本體加熱脫附形成氣相待測物再離開該通道；一電荷產生步驟，令一電荷產生單元朝向一質譜儀的入口產生帶電荷的溶劑液滴，而氣相待測物會與溶劑液滴融合形成帶電荷的待測物離子；及一分析步驟，待測物離子經由該入口進入該質譜儀，並經該質譜儀分析後產生一質譜分析圖。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之質譜分析方法，其中，該加熱本體的加熱溫度範圍為40~1500℃。