TWI600053B - 聚集游離裝置及質譜儀 - Google Patents

Description

聚集游離裝置及質譜儀

本發明有關於一種聚集游離裝置，特別是指一種應用於質譜儀中，用以聚集以及游離氣態分析物的聚集游離裝置。本發明還有關於一種應用該聚集游離裝置的質譜儀。

近年來，使用大氣壓力化學游離(atmospheric pressure chemical ionization，以下簡稱APCI)裝置的質譜儀，已經廣泛地應用於合成化合物結構鑑定、環境有毒物質檢測、能源成分分析、藥物開發、生物或藥物代謝體學、天然產物分析、食品成分分析等領域。

質譜儀主要包括有一游離裝置、一質量分析器以及一偵測器。第1圖所示者，即為商業化APCI裝置10的游離機制示意圖，APCI裝置10主要具有一穿設於一高溫加熱管(heater)11內的金屬毛細管(metal capillary)13，金屬毛細管13的噴出口131對應於一質量分析器20的進樣口21。當分析物溶液30經由金屬毛細管13的噴出口131噴出時，與金屬毛細管13同軸設置的一霧化氣體40會使樣品溶液分散成均勻的霧滴，前述霧滴會被該高溫加熱管11加熱而氣化成為氣態分析物30。一透過電源供應器施加有高電壓的不鏽鋼放電針50鄰近於該高溫加熱管11的出口端，使前述氣態分析物30游離，之後進行一連串的氣相離子-分子反應(gas phase ion-molecule reaction)而形成單電荷的分 析物離子31，最後，分析物離子31會藉由放電針50與質量分析器20之間的電位差而進入質量分析器20內進行分析，以獲得質譜圖。

如第1圖所示，由於傳統APCI機制游離化後的分析物離子31會呈現羽流狀(plume)，亦即分析物離子31的分散面積會遠大於質量分析器20之進樣口21的截面積，導致至少有50%的分析物離子31無法進入質量分析器20中，造成分析物訊號強度明顯降低以及偵測極限無法降低等問題。

為改善前揭問題，發展出許多藉由控制電場的方式集中離子，再將離子傳送至質譜的方法，例如電場不對稱離子運動游離源(Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry，以下簡稱FAIMS)。但前述方法會受到馬克士威方程式(Maxwell’s equations)的影響，使其集中離子的效果有限。同時，FAIMS的裝置龐大、費用昂貴且無法適用於各種廠牌及機型的質譜儀，使其應用性受限。

有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種聚集游離裝置，其可直接應用於各種質譜儀，適用性佳，且能夠有效地提高進入質量分析器之分析物離子的量，以有效提高分析物的訊號強度，降低質譜儀的偵測極限。

本發明之另一目的在於提供一種應用前述聚集游離裝置的質譜儀。

為達成前揭目的，本發明所提供之一種聚集游離裝置，可應用於一質譜儀，該質譜儀包括有一噴頭以及一質量分析器，該噴頭用以噴灑氣態分析物，而該質量分析器具有一進樣口。本發明之聚集游離裝置包括有一 表面佈滿複數個凹窩的球體，以及一能夠產生電暈放電的金屬針。當該聚集游離裝置設置於該質譜儀內時，該球體係位於該氣態分析物的噴灑路徑上，使該球體具有分別朝向該噴頭以及該質量分析器的一前側以及一後側，而該金屬針之一尖端係位於該球體後側且鄰近該質量分析器的進樣口。藉此，當噴頭噴出的氣態分析物流經該球體時，該球體表面之該等凹窩會使氣態分析物緊貼球體表面而聚集至該球體後側之該金屬針周圍，被該金屬針電離成為分析物離子，再經由電位差而進入質量分析器中。如此，相較於傳統APCI裝置，本發明可藉由流體力學原理將呈羽流狀噴灑的氣態分析物聚集至該球體後側的金屬針周圍，再電離成為分析物離子，以有效地提高進入質量分析器中之分析物離子的量，成功提升離子的傳輸(ion transmission)效率，因此具有能夠增強訊號強度、降低偵測誤差以及降低偵測極限等優點。

在本發明所提供之聚集游離裝置中，該金屬針係可插置於該球體內，且其尖端用以朝向該質量分析器的進樣口。

在本發明所提供之聚集游離裝置中，該球體表面之該等凹窩的內徑可為1nm至1mm。

在本發明所提供之聚集游離裝置中，該球體表面之該等凹窩的深度可為1nm至小於該球體半徑。

在本發明所提供之聚集游離裝置中，該球體最好由耐酸鹼溶液、耐有機溶劑以及耐至少260℃以上高溫的非導電材質所製成，以避免球體損壞或是影響分析結果。

在本發明所提供之聚集游離裝置中，該金屬針最好由鉑、銥、金、鋨、鈀、錸、銠、釕、前述金屬之合金或不鏽鋼等惰性金屬所製成，以 避免與氣態分析物發生反應而影響分析結果，同時也避免生鏽而影響放電效果。

另一方面，本發明還提供一種使用前述聚集游離裝置的質譜儀，其包括有一質量分析器、一噴頭以及前述聚集游離裝置。該質量分析器具有一進樣口，該噴頭用以供一氣態分析物噴出，該聚集游離裝置位於該質量分析器與該噴頭之間，使該球體位於該氣態分析物的噴灑路徑上，該金屬針則鄰近該質量分析器的進樣口。

在本發明所提供之質譜儀中，該聚集游離裝置之金屬針與該質量分析器的進樣口最好為同軸設置，藉以使聚集於金屬針周圍的氣態分析物被電離成分析物離子後能夠隨即進入質量分析器中，以進一步提高進入質量分析器之分析物離子的量。藉此，本發明的質譜儀具有離子傳輸效率高、偵測誤差低以及偵測極限低等優點。

有關本發明所提供之聚集游離裝置以及質譜儀的詳細構造及其特徵，以下將列舉實施例並配合圖式，在可使本發明領域中具有通常知識者能夠簡單實施本發明實施例的範圍內進行說明。

10‧‧‧APCI裝置

11‧‧‧高溫加熱管

13‧‧‧金屬毛細管

131‧‧‧噴出口

20‧‧‧質量分析器

21‧‧‧進樣口

30‧‧‧氣態分析物

31‧‧‧分析物離子

40‧‧‧霧化氣體

50‧‧‧放電針

60‧‧‧聚集游離裝置

61‧‧‧球體

611‧‧‧表面

613‧‧‧凹窩

63‧‧‧金屬針

631‧‧‧尖端

70‧‧‧噴頭

A‧‧‧內徑

B‧‧‧後側

D‧‧‧深度

F‧‧‧前側

I‧‧‧間距

P‧‧‧電源供應器

本發明將透過實施例並參照附圖進一步詳細說明，其中：〔第1圖〕為商業化大氣壓化學游離裝置的游離機制示意圖；〔第2圖〕為依據本發明第一實施例所為之聚集游離裝置設置於質譜儀之游離腔室中的示意圖；〔第3圖〕為本發明之聚集游離裝置的球體的局部剖視圖； 〔第4圖〕為利用本發明第一實施例之聚集游離裝置聚集以及游離化氣態分析物的示意圖；〔第5圖〕為依據本發明第二實施例所為之聚集游離裝置設置於質譜儀之游離腔室中的示意圖；以及〔第6圖〕為使用搭配習知APCI裝置的質譜儀以及搭配本發明之聚集游離裝置的質譜儀，檢測蝦紅素的訊號強度圖。

申請人首先在此說明，本發明之圖式，為求能清晰說明，各元件之結構均被誇大描繪，並未按照實際比例繪製。此外，整篇說明書中，相同的元件均以相同的參考號碼予以標示。

首先請參照第2圖，本發明第一實施例所提供的聚集游離裝置60，主要包括有一球體61以及一金屬針63。

該球體61，具有一表面611，其表面分布有複數個凹窩613。該球體61較佳宜由耐酸鹼溶液、耐有機溶劑以及耐至少260℃以上高溫的非導電材質所製成，避免球體61受損或影響分析結果，該球體61的材質例如可為聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)、聚醯亞胺(polyimide,PI)、陶瓷、玻璃等，於本例中，該球體係由聚醯亞胺材質所製成。該等凹窩613的剖面可為(但不限於)圓形或橢圓形。實際製造時，該球體61可具有部分剖面為圓形的凹窩613以及部分剖面為橢圓形的凹窩613。此外，該等凹窩613的內徑範圍最好為1nm~1mm；該等凹窩613的深度最好為1nm~小於該球體61的半徑；而該等凹窩613之間的間距則無特定限制，亦即，該等凹窩613可等距或是不等 距地排列。如第3圖所示，本文中述及之「內徑」A，是指該凹窩613於該表面611之開口的徑向長度；「深度」D，是指該表面611至該凹窩613底部的距離；「間距」I，是指一凹窩613之開口邊緣與另一凹窩613之開口邊緣之間的距離。

該金屬針63的材質較佳宜選用鉑、銥、金、鋨、鈀、錸、銠、釕、前述金屬的合金或是不鏽鋼等惰性金屬，以避免與氣態分析物發生反應而影響分析結果，或是避免生鏽而影響放電效果。於本實施例中，該金屬針63係插置固定於該球體61內。將該金屬針63固設於該球體61內的方式並無特定限制，其可利用各種習知的固定方式予以完成，於本例中，該金屬針63係透過緊配合的方式插置於該球體61內。實際使用時，該金屬針63透過電源供應器P將高電壓施予該金屬針63，使該金屬針63之尖端631產生電暈放電的現象，藉以游離化氣態分析物。

應用時，如第2圖所示，將本發明之聚集游離裝置60設置於一質譜儀的游離腔室內，前述質譜儀具有一噴頭70以及一具有一進樣口21的質量分析器20。將該聚集游離裝置60設置於該質譜儀之游離腔室內的方式並無特定限制，舉例來說，可以透過將一桿件(圖中未示)鑲嵌於該球體61內，再將前述桿件的另一端固定於質譜儀之游離腔室的壁面，而將該球體61固定於該噴頭70與該質量分析器20的進樣口21之間，該球體61朝向該噴頭70的一側定義為前側F，該球體61朝向該質量分析器20的一側定義為後側B，該金屬針63的尖端631係朝向並鄰近該質量分析器20的進樣口21。

如第4圖所示，當該噴頭70朝向該球體61的前側F噴灑出氣態分析物30時，呈現羽流狀分散的氣態分析物30會流經該球體61，該球體61表面 的該等凹窩613會擾亂層流，使氣態分析物30緊貼球體61表面，繼而聚集至該球體61後側B，當氣態分析物30碰觸到金屬針63後，會因金屬針63的高電壓而游離化成為分析物離子31，再藉由電壓差使分析物離子31進入質量分析器20中進行偵測，以獲得質譜圖。藉由此流體力學的原理，可將習知APCI呈現羽流狀噴灑而流失的氣態分析物30都聚集至金屬針63與質量分析器20之進樣口21之間進行電離，以增加進入質量分析器20中的分析物離子31的量。

值得一提的是，若為進一步提高進入質量分析器20之分析物離子31的量，該聚集游離裝置60之金屬針63可與該質量分析器20的進樣口21為同軸設置，藉以使聚集於金屬針63周圍的氣態分析物30被電離成分析物離子31後隨即就進入質量分析器20中，使質量分析器20能夠盡可能地接收所有分析物離子31。

由於本發明之主要技術思想在於利用表面佈滿凹窩之球體61將噴頭70噴出的氣態分析物30聚集至球體61後側B之後始進行氣態分析物30的游離化。因此，如第5圖所示，依據本發明第二實施例所為之聚集游離裝置60，該金屬針63亦可設置於該球體61後側B，使其尖端631位於該球體61與該質量分析器20的進樣口21之間，具體來說，使金屬針63的尖端631位於該球體61後側B並鄰近該進樣口21。如此，聚集至球體61後側B的氣態分析物30仍能被金屬針63電離成分析物離子31，繼而進入質量分析器20中，因此，同樣能夠有效提升分析物離子31進入質量分析器20的量。

現將透過以下實驗例進一步闡明本發明，然而該等實驗例僅用以更加瞭解本發明，而非用以限制本發明的範圍，舉凡所屬技術領域中具有 通常知識者，在不違反本發明創作精神下所為的各種變化與修飾均俱屬本發明之範疇。

〔實驗例1〕

首先，將蝦紅素(astaxanthin，純度高於98.5%，HPLC級，Fluka公司供售)溶於乙腈(acetonitrile，純度99.9%，HPLC級，Merck公司供售)，配製成濃度5000ng/mL的儲備溶液(stock solution)。

檢測時，先將蝦紅素儲備溶液以乙腈分別稀釋成濃度1、10、100、250以及500ng/mL的樣品溶液。再利用三段四極矩質譜儀(購自Thermo Finnigan，型號Finnigan TSQ Ultra EMR)，搭配習知APCI以及本發明第二實施例之聚集游離裝置分析該等樣品溶液，所得結果顯示於第6圖。各參數的設定如下：

離子源(ion source)溫度：270℃；

霧化氣體流速：10 arb；

去溶劑氣體流速：5 arb；

去溶劑氣體溫度：APCI正離子模式為330℃。

放電電流：APCI正離子模式為4μA。

由第6圖所示結果可以清楚看出，搭配本發明之聚集游離裝置的質譜儀測得之蝦紅素的訊號明顯高於搭配習知APCI的質譜儀所測得的訊號，且訊號增強約12倍，顯見本發明之聚集游離裝置確實能夠有效地提升進入質量分析器的分析物離子的量。此外，搭配習知APCI之質譜儀的偵測極限為2.1pg/mL，而搭配本發明之聚集游離裝置之質譜儀的偵測極限為0.07 pg/mL，因此，本發明之聚集游離裝置能夠有效降低質譜儀的偵測極限，亦即提高質譜儀的偵測靈敏度。

綜上所陳，由於本發明的聚集游離裝置能夠有效地將呈羽流狀散布的氣態分析物聚集至金屬針周圍，因此能夠大幅提高進入質量分析器之分析物離子的量，以提升離子傳輸效率、增加訊號強度以及降低偵測誤差與偵測極限。此外，由於本發明之聚集游離裝置能夠直接結合於現有的質譜儀，因此還具有適用範圍廣的優勢。

20‧‧‧質量分析器

21‧‧‧進樣口

60‧‧‧聚集游離裝置

61‧‧‧球體

611‧‧‧表面

613‧‧‧凹窩

63‧‧‧金屬針

70‧‧‧噴頭

B‧‧‧後側

F‧‧‧前側

P‧‧‧電源供應器

Claims (9)

1. 一種聚集游離裝置，用以設置於一質譜儀，該質譜儀包括有一用以噴灑氣態分析物的噴頭，以及一具有一進樣口的質量分析器，該聚集游離裝置包含有：一球體，具有一佈滿複數個凹窩的表面、一用以朝向該噴頭的前側、以及一用以朝向該質量分析器的後側，該球體用以設置於該氣態分析物的噴灑路徑上；以及一金屬針，能產生電暈放電，該金屬針具有一位於該球體後側的尖端，用以鄰近該質量分析器的進樣口。
2. 如請求項1所述之聚集游離裝置，其中該金屬針係插置於該球體內且其尖端用以朝向該質量分析器的進樣口。
3. 如請求項1所述之聚集游離裝置，其中球體表面之該等凹窩的內徑範圍為1nm至1mm。
4. 如請求項1所述之聚集游離裝置，其中該球體表面之該等凹窩的深度範圍為1nm至小於該球體半徑。
5. 如請求項1所述之聚集游離裝置，其中該球體由耐酸鹼溶液、耐有機溶劑以及耐至少260℃以上高溫的非導電材質所製成。
6. 如請求項5所述之聚集游離裝置，其中該球體的材質為聚醚醚酮、聚醯亞胺、陶瓷或玻璃。
7. 如請求項1所述之聚集游離裝置，其中該金屬針由選自鉑、銥、金、鋨、鈀、錸、銠、釕、前述金屬之合金以及不鏽鋼所構成之族群中的惰性金屬所製成。
8. 一種質譜儀，包含有：一質量分析器，具有一進樣口；一噴頭，用以供一氣態分析物噴出；以及一如請求項1~7中任一項所述之聚集游離裝置，位於該質量分析器之進樣口與該噴頭之間。
9. 如請求項8所述之質譜儀，其中該聚集游離裝置之金屬針係與該質量分析器的進樣口為同軸設置。