Способ электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов
Владельцы патента RU 2530782:
Учреждение Российской академии наук Институт аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН) (RU)
Изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к источникам ионов с мягким методом ионизации с использованием электрораспыления анализируемых растворов в неоднородном постоянном электрическом поле при атмосферном давлении, и найдет широкое применение в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностике заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, проведении анализов в протеомике, метаболомике и криминалистике. Особенностями способа являются вертикальная ориентация мениска жидкости в пространстве, из вершины которого происходит эмиссия заряженных микрокапель в неоднородном постоянном электрическом поле и организации встречного потока фонового газа при нормальных условиях. При этом встречный поток фонового газа при нормальных условиях устраняет излишки нераспыленного раствора (жидкости), образующиеся на внешней стороне капилляра из области распыления, не влияя на стабильность распыления и монодисперсность заряженных микрокапель. Техническим результатом является возможность получать поток заряженных микрокапель электрораспылением для больших объемных скоростей растворов анализируемых веществ без образования крупных капель во все время проведения распыления при нормальных условиях, не прибегая к нагреву газа носителя, что существенно упрощает процесс получения стабильного и монодисперсного потока заряженных микрокапель в широком диапазоне объемных скоростей потоков распыляемой жидкости и соответственно стабильный ионный ток анализируемых веществ, поступающих в анализатор. 2 ил.
Настоящее предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к источниками ионов с мягким методом ионизации с использованием электрораспыления анализируемых растворов в неоднородном постоянном электрическом поле при атмосферном давлении, и найдет широкое применение в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностике заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, проведении анализов в протеомике, метаболомике и криминалистике: исследовании белков, в том числе их триптических гидролизатов (получение пептидных карт, поиск кандидатов в лекарства по взаимодействию библиотеки лигандов, синтетических или природного происхождения, с белками мишенями), следового анализа биохимических маркеров, наркотиков и их метаболитов в биологических тканях и жидкостях.
В процессе электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов в неоднородном постоянном электрическом поле при атмосферном давлении для получения ионов исследуемых веществ из заряженных микрокапель используется горячий спутный газ.
Известный метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении [1] заключается в том, что на торце металлического капилляра, по которому поступает раствор вещества, под воздействием неоднородного постоянного электрического поля образуется мениск жидкости, из которого происходит эмиссия заряженных микрокапель, испаряющихся при нормальных условиях с образованием ионов, транспортируемых спутным газом в анализатор ионов. Это метод имеет много общего с другими спрэй-методами, в число которых входят: Aerospray [2], Electrospray [3], Ion Spray [4], Thermospray [5], Atmospheric Pressure Ionization (API) в сочетании с ультразвуковым распылением жидкости [6]. Во всех этих методах анализируемый раствор превращается в тонкодиспергированный заряженный аэрозоль, который испаряется в области с атмосферным давлением газа, а продукты испарения, в том числе и заряженные ионы, отбираются в камеру анализатора ионов через газодинамическую транспортирующую систему. Различие в используемых методах диспергирования и зарядки микрокапель не меняет сути физических процессов, приводящих к экстракции ионов из испаряющегося заряженного аэрозоля. Это подтверждается сходством масс-спектров для различных спрэй-методов.
Недостатками этих методов являются малая объемная скорость потока распыляемого для анализа раствора от 1-2 мкл/мин до 40-50 мкл/мин, что не позволяет реализовывать режим прямой стыковки с капиллярным жидкостным хроматографом, который преимущественно работает при объемных скоростях раствора от 200 мкл/мин и более. Кроме того, при горизонтальном расположении капилляра [1-6], с торца которого происходит эмиссия микрокапель, из-за эффекта смачиваемости поверхности капилляра и силы тяжести, происходит частичное распространение жидкости на внешнюю поверхность капилляра, где напряженность постоянного электрического поля мала и его воздействие на жидкость по сравнению с силами поверхностного натяжения недостаточно для ее распыления в виде микрокапель. С течением времени у торца капилляра собирается капля распыляемой жидкости, сравнимая по размерам с мениском. Происходит объединение образовавшийся капли с мениском, его деформация в электрическом поле и отрыв большой капли объемом в несколько микролитров. По сравнению с тонкодисперсными распыляемыми из мениска каплями (≤1 мкм) эта капля не успевает испариться и достигнуть соотношения Рэлея [7] для экстрагирования ионов (катионов или анионов) растворенного вещества в окружающий газ. Связанная с большими каплями нестабильность процесса электрораспрыления анализируемого раствора приводит к возникновению электрических пробоев, быстрому загрязнению входной диафрагмы, первой ступени дифференциальной откачки и системы транспортировки ионов в детектор (масс-спектрометр, ион-дрейфовый спектрометр), что делает детектор неработоспособным, а спектры анализируемых ионов нестабильными и излишне усложненными (ложными пиками). Для режима наноспрей при объемной скорости от 50 нл/мин до 2 мкл/мин таких проблем не возникает, т.к. напряженности электрического поля в такой реализации электроспрея хватает для полного распыления поступающего раствора.
Технические усовершенствования последних лет позволили существенно расширить диапазон объемной скорости подачи раствора в область электрораспыления до 1 мл/мин без применения методики деления потока жидкости, но они не смогли преодолеть немонодисперсность эмитируемых заряженных микрокапель и соответственно нестабильный ионный ток.
Наилучшие характеристики по диапазону объемной скорости анализируемого раствора при помощи электрораспыления получены в фирмах Thermo Scientific (tectronica.com) и Agilent (agilent.com) от 1 мкл/мин до 1 мл/мин. Способ распыления больших объемов анализируемого раствора для источников ионов электроспрей, работающих в «on line» режиме с жидкостным хроматографом, предложенным фирмой Agilent (agilent.com), выбран в качестве прототипа в предлагаемой заявке [8].
Известный способ электрораспыления больших потоков растворов анализируемых веществ в источнике ионов электроспрей заключается в том, что вертикально ориентированный капилляр с мениском жидкости на нижнем торце капилляра в постоянном электрическом поле, соосно с направлением распыления, обдувается газом-распылителем, а область существования распыленных заряженных микрокапель при атмосферном давлении принудительно обогревается внешним источником тепла для испарения растворителя из капель в более узком пространственном диапазоне и лучшей экстракции ионов из заряженных капель в соответствии с достижением соотношения Рэлея. Далее из горячей области десольватации парогазовая смесь вместе с ионами в потоке газа-носителя поступает на вход в транспортирующую систему источника ионов.
Недостатком известного способа является то, что не удается полностью избежать появления крупных капель при распылении анализируемого раствора, являющегося элюатом, поступающим из хроматографической колонки. Это связано с тем, что элюат обладает переменными физико-химическими свойствами, например вязкостью, смачиваемостью, полярностью, концентрацией вещества в хроматографическом пике (фракции), поверхностно-активными свойствами вещества. Поэтому для устранения образовавшихся больших микрокапель после устройства распыления на входе в систему транспортировки ионов в анализатор применяют дополнительные селектирующие методы либо в виде Z-образных каналов, в которых большие капли осаживаются на стенки канала, а ионы с газом носителем поступают в анализатор либо длинные прогреваемые капилляры, в которых либо происходит доиспарение больших капель, либо их осаждение на стенки. Кроме усложнения системы распыления и входа системы транспортировки ионов в анализатор, существенным недостатком является и частая необходимость чистки элементов системы транспортировки из-за осаждения нелетучей компоненты (не ставшей ионами) из неиспарившихся капель.
Целью предложенного способа является организация стабильного, монодисперсного потока заряженных микрокапель электрораспылением для хроматографических потоков анализируемых растворов веществ с устранением образования крупных капель во все время проведения распыления, основанное на вертикальной ориентации мениска жидкости в пространстве, из вершины которого происходит эмиссия заряженных микрокапель в неоднородном постоянном электрическом поле, а встречный коаксиальный поток фонового газа при нормальных условиях устраняет излишки нераспыленного раствора (жидкости), образующиеся на внешней стороне капилляра из области распыления, не влияя на стабильность распыления и монодисперсность заряженных микрокапель.
Мениск распыляемой жидкости в постоянном электрическом поле ориентирован вертикально вверх, при этом нераспыленная жидкость под воздействием силы тяготения, смачиваемости, вязкости скапливается на внешней стороне капилляра, по которому происходит подача жидкости в область распыления (торец капилляра). Для устранения скопившейся нераспыленной жидкости на внешней стороне подающего капилляра организуется коаксиальное ламинарное течение окружающего область распыления газа при нормальных условиях в направлении, обратном ориентации мениска распыляемой жидкости. На фигуре 1 представлен спектр ионной подвижности растворителя при использовании общепринятого распыления в электроспрей ионизации с наличием микрокапель. По оси абсцисс - время развертки спектра (0-6000 мкс), по оси ординат - величина сигнала в мВ. На фигуре 2 показан спектр ионной подвижности растворителя при использовании предлагаемого метода распыления в электроспрей ионизации в отсутствии микрокапель. По оси абсцисс - время развертки спектра (0-6000 мкс), по оси ординат - величина сигнала в мВ.
Из рисунков видно, что электрораспыление для больших (хроматографических) объемных скоростей растворов анализируемых веществ заявленным способом способствует устранению образования крупных капель в течение всего времени распыления и ведет к стабильности распыления.
Источники информации
1. Александров М.Л., Галь Л.Н., Краснов Н.В., Николаев В.И., Павленко В.А., Шкуров В.А. ДАН Т.277, №2. Физическая химия, с.379-383, (1984).
2. Iribame J.V., Thomson В.А. Int. J. Mass-spectrom. Ion Phys. V.50, p.331 (1982).
3. Fenn J.B., Whitehouse C.M., Dreyer R.N., Yamashita M. Anal. Chem. V.57, p.675 (1985).
4. Covey Т.К., Bruins A.P., Henion J.D. Anal. Chem. V.59, p.2642 (1984).
5. Pilesot D., Kin H.Y., Diches D.F., Vestal M. Anal. Chem. V.56 p.1236 (1984).
6. Kambara H. Anal. Hem. V.54., p.143 (1982).
7. Стретт Дж. (Рэлей) Теория звука. Т.2, M., ГИТТЛ (1955).
8. www.agilent.com (прототип).
Способ электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов с атмосферным давлением, основанный на формировании мениска анализируемой жидкости в сильном электрическом поле с эмиссией заряженных микрокапель с вершины мениска, коаксиально обдуваемых теплым спутным газом-носителем и газом-испарителем, отличающийся тем, что мениск распыляемой жидкости ориентирован вертикально вверх, а нераспыленный раствор удаляют из области распыления противотоком окружающего газа через коаксиальный канал при нормальных условиях.
