Устройство образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением

Авторы патента:

H01J49/26 - масс-спектрометры или разделительные трубки (разделение изотопов с использованием таких трубок B01D 59/44;масс-спектрометры, специально предназначенные для колоночной хроматографии G01N 30/72)

G01N30/72 - масс-спектрометры

Владельцы патента RU 2608361:

Общество с ограниченной ответственностью "Альфа" (ООО "Альфа") (RU)

Изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистике, протеомике, метаболомике при электрораспылении растворов исследуемых лабильных веществ. Устройство образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением выполнено в виде коаксиально расположенных капилляров. Внутренний металлический капилляр находится под потенциалом земли, по нему подается жидкостным насосом анализируемый раствор. На торце этого капилляра образуется мениск, с поверхности которого происходит образование ионного потока при электрораспылении. Коаксиальный зазор между капиллярами подключен к воздушному регулируемому откачивающему насосу. Напротив мениска расположен плоский противоэлектрод с отверстием в центре закрытый скользящей заслонкой, которые электрически соединены между собой и подключены к высоковольтному регулируемому источнику питания. Скользящая заслонка перекрывает попадание капель в анализатор ионного потока в начале процесса электрораспыления и при его завершении, когда процесс не стационарен. В варианте горизонтальной ориентации оси отверстия в противоэлектроде капилляр, в торце которого расположен мениск распыляемого раствора, устанавливается под углом к оси в горизонтальной плоскости для компенсации деформации симметрии конической формы мениска под воздействием силы тяжести. Технический результат - получение бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением при нормальных условиях, а следовательно, непрерывного стабильного распыления, устойчивой работы анализатора и стабильности регистрируемых спектров, уменьшение частоты обслуживания устройства транспортировки ионного потока в анализатор для его чистки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистике, протеомике, метаболомике при ионизации исследуемых лабильных веществ методом «электроспрей». Метод «электроспрей» является одним из современных методов «мягкой» ионизации, который позволяет переводить в газовую фазу ионы исследуемых лабильных веществ, например, такие, как пептиды, белки, полинуклеотиды, лекарства, непосредственно из раствора. Однако у существующих устройств образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением имеется ряд факторов, ограничивающих работоспособность источников ионов. Невозможность точного согласования потоков подаваемого в область распыления анализируемого раствора в широком диапазоне объемных скоростей (5 мкл/мин - 2000 мкл/мин) и его полного распыления с образованием ионов анализируемых веществ без наличия неиспарившихся микрокапель, поступающих в парогазовом потоке в источник ионов, особенно на начальном и конечном этапах распыления, приводят, как правило, к засорению и закупориванию входных диафрагм и транспортирующих систем из области атмосферного давления в высоковакуумную область анализатора ионов, зарядке их элементов, увеличению шумов и появлению ложных сигналов в регистрируемых спектрах.

Известны устройства электрораспыления анализируемых потоков растворов веществ [1, 2], где устройство электрораспыления, система транспортировки ионов источника и вход в анализатор ионов располагаются на одной оси. В этом случае в анализатор ионов попадают крупные капли, образующиеся из жидкости, скапливающейся на внешней стороне капилляра, с торца которого происходит эмиссия заряженных микрокапель, что связано с несогласованностью потоков поступающего и распыляемого раствора. Попадание крупных капель в транспортирующую систему источника ионов и в анализатор усложняет функционирование прибора и проведение анализа. Также известны устройства ортогонального электрораспыления анализируемого раствора относительно оси ввода заряженных частиц в систему транспортировки анализатора [3]. Такая ориентировка устройства электрораспыления позволяет избежать засорения или закупоривания входной диафрагмы системы транспортировки заряженных частиц в анализатор, так как при использовании такой геометрии расположения узла электрораспыления раствора большие капли по инерции преимущественно пролетают мимо входа в анализатор.

Усовершенствованным устройством ортогонального электрораспыления является [4] по сравнению с [1, 2] дополненное коаксиальным капилляром, по которому в зону существования факела распыленного раствора подается нагретый газ-испаритель. Нагретый газ испаритель предназначен для более эффективного испарения образовавшихся микрокапель и, соответственно, увеличения тока анализируемых ионов из раствора. Такое сочетание электрораспыления и стимулированного испарения микрокапель не влияет на существование больших капель, образовавшихся в результате нестационарности процесса распыления. В свою очередь, нестационарность процесса электрораспыления анализируемого раствора, в основном, связана с невозможностью согласовать поток распыляемого раствора с потоком раствора, поступающего в область распыления - мениск на торце металлического капилляра. Излишек раствора смачивает внешнюю сторону капилляра, где начинает накапливаться большая капля, до тех пор, пока электрическое поле не преодолеет силу смачиваемости раствора и не оторвет ее от капилляра. Размер такой капли составляет 100-1000 мкм, что много больше размера капель (≥1 мкм), из которых удается извлечь ионы вещества. Такие гигантские капли существенно усложняют работу анализатора и приводят к искажению аналитической информации (спектров подвижности или масс-спектров). Существенного увеличения тока анализируемых ионов, поступающих в анализатор, кратного увеличению потока распыленного раствора, не происходит из-за влияния объемного заряда в области распыления и экстракции ионов из микрокапель при нормальных условиях.

Ближайшим из известных, выбранного в качестве прототипа, является устройство электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов с атмосферным давлением [5].

В этом устройстве по сравнению с [4] используется поток газа при нормальных условиях, направленный по коаксиальному зазору из зоны существования факела распыленного раствора. Такое сочетание электрораспыления и откачки парогазовой смеси нераспыленного раствора позволяет избежать появления микрокапель в ионном потоке в источнике ионов с атмосферным давлением при установившемся режиме распыления. В таком устройстве образования ионного потока при электрораспылении анализируемых веществ растворов при атмосферном давлении образуются микрокапли в результате нестационарности процесса распыления на начальной и завершающей стадиях распыления. Нестационарность процесса электрораспыления анализируемого раствора, в основном, связана с несогласованностью потока распыляемого раствора с потоком откачиваемой парогазовой смеси из области распыления - мениска на торце металлического капилляра, что приводит к нестабильности ионного потока (фиг. 1) [6].

Задачей изобретения является устранение условий образования капель раствора в ионном потоке на начальной и конечной стадиях процесса электрораспыления в широком диапазоне скоростей потока распыляемого раствора, позволяющее осуществлять долговременную эксплуатацию источника ионов и соответственно уменьшения шумов в регистрируемых спектрах, обусловленных крупными каплями.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источнике ионов с атмосферным давлением капилляр, в торце которого расположен мениск распыляемого раствора, находится под нулевым потенциалом - «заземлен», коаксиально ему расположен внешний капилляр большего диаметра, коаксиальный зазор между капиллярами подключен к воздушному регулируемому откачивающему насосу, плоский противоэлектрод с отверстием в центре закрыт скользящей заслонкой, которые электрически соединены между собой и подключены к высоковольтному регулируемому источнику питания. Если ось отверстия в противоэлектроде ориентирована горизонтально, то капилляр, в торце которого расположен мениск распыляемого раствора, установлен под углом к оси в горизонтальной плоскости.

Заявляемое устройство образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением схематично представлено на фиг. 2. Внутренний металлический капилляр (1) находится под нулевым потенциалом - «заземлен» (2), по нему подается раствор от жидкостного микронасоса (3). На торце капилляра (1) образуется мениск (4), с поверхности которого происходит электрораспыление с образованием бескапельного ионного потока. Коаксиально к капилляру (1) расположен внешний диэлектрический капилляр (5) с внутренним диаметром, большим внешнего диаметра капилляра (1). Излишки нераспыленного раствора, стекающие по внешней стенке капилляра (1), вместе с лабораторным воздухом откачиваются воздушным насосом (6) через зазор между коаксиальными капиллярами (1) и (5). Напротив торца внутреннего капилляра (1) расположен плоский противоэлектрод (7) с центральным отверстием, закрытым скользящей управляемой задвижкой (8), электрически противоэлектрод (7) и скользящая задвижка (8) соединены между собой и подключены к регулируемому высоковольтному источнику питания (9). В начале процесса электрораспыления и при его завершении, когда процесс нестационарен, скользящая задвижка закрывает центральное отверстие противоэлектрода и не пропускает поток ионов в смеси с каплями в анализатор. Если ось отверстия в противоэлектроде (7) ориентирована горизонтально, то капилляр (1), в торце которого расположен мениск распыляемого раствора (4), устанавливается под углом к оси в горизонтальной плоскости для компенсации деформации симметрии конической формы мениска (4) под воздействием силы тяжести.

В целом отвод нераспыленной или сконденсировавшейся жидкости из области распыления, использование регулируемых параметров воздушного насоса и источника высоковольтного питания, перемещение скользящей задвижки вдоль противоэлектрода в зависимости от стадии электрораспыления позволяют получить бескапельный ионный поток веществ из анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением при нормальных условиях и эффективно транспортировать ионный поток в анализатор через отверстие в противоэлектроде. При этом во все время анализа не происходит нарушения стабильности ионного потока и не загрязняются элементы источника ионов и интерфейса анализатора нераспыленными нелетучими веществами.

Источники информации

1. Александров М.Л., Галь Л.Н., Краснов Н.В., Николаев В.И., Павленко В.А., Шкуров В.А. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении - метод масс-спектрометрического анализа биоорганических веществ. // ДАН, 1984, Т. 211, №2. Физическая химия, с. 379-383.

2. Tang X., Bruce J.E., Hill Н.Н. Characterizing electrospray ionization using atmospheric pressure ion mobility spectrometry // Anal. Chem., 2006, v. 78, p. 7751-7760

3. Apffel J.A., Werlich M.H., Bertsch J.I., Goodly P.C. Ortogonal ion sampling for electrospray LC/MS. US patent: 5495108, date of patent Feb. 27, 1996.

4. www.agilent.com

5. H.B. Краснов, М.З. Мурадымов, Самокиш B.A. Патент на изобретение №2530783 от 15.08.2014 г. Устройство электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов.

6. А.Н. Арсеньев, Н.В. Краснов, М.З. Мурадымов. Полевая десорбция ионов из острия на мениске жидкости при ЭГД-распылении // Научное приборостроение. 2014. Т. 24, №3, С. 21-26

1. Устройство образования бескапельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением, включающее капилляр, в торце которого расположен мениск распыляемого раствора и коаксиально которому расположен внешний капилляр большего диаметра, коаксиальный зазор, подключенный к воздушному откачивающему насосу, плоский противоэлектрод, отличающееся тем, что капилляр с мениском распыляемого раствора находится под нулевым потенциалом, противоэлектрод с отверстием в центре закрыт скользящей заслонкой, которые электрически соединены между собой и подключены к высоковольтному регулируемому источнику питания.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мениск ориентирован под углом к горизонтальной плоскости оси отверстия противоэлектрода.

Способ транспортировки ионных потоков в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении для хромато-масс-спектрометров гх-мс // 2584272

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к источникам ионов с ионизацией при атмосферном давлении (фотоионизация, химическая ионизация при атмосферном давлении в коронном разряде и другие), и найдет широкое применение в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, токсикологии и экологии, проведении анализов в криминалистике и следового анализа наркотиков и их метаболитов.

Устройство ортогонального ввода ионов во времяпролетный масс-спектрометр // 2564443

Изобретение относится к области времяпролетной масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, токсикологии, криминалистики, иммунологии и медицины при ионизации молекул исследуемых веществ методами электронный удар, «электроспрей».

Масс-спектрометрический анализатор газового течеискателя // 2554104

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к статическим магнитным масс- спектрометрическим анализаторам со 180-градусным поворотом и двойной магнитной фокусировкой, и может быть использовано в газовых течеискателях, в том числе гелиевых, предназначенных для испытания на герметичность различных систем и объектов, допускающих откачку внутренней полости до глубокого вакуума или заполнение ее гелийсодержащей смесью или другим пробным газом под избыточным давлением.

Масс-спектрометр с двукамерным источником ионов // 2551369

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ с источниками ионов с напуском пробы с атмосферы.

Способ масс-анализа с преобразованием фурье // 2542723

Изобретение относится к области масс-спектрометрии высокого разрешения. Технический результат - улучшение масс-габаритных и эксплуатационных характеристик масс-спектрометров с преобразованием Фурье путем повышения давления в измерительных ячейках.

Трубка для измерения подвижности ионов // 2518055

Заявленное изобретение относится к трубке для измерения подвижности ионов. Заявленное устройство содержит камеру источника ионизации с центральным отверстием, впускной элемент для ионов, блок зоны дрейфа ионов с центральной камерой трубки, экранирующую сетку и диск Фарадея, причем камеру источника ионизации, впускной элемент для ионов, блок зоны дрейфа ионов, экранирующую сетку и диск Фарадея последовательно составляют вместе в направлении спереди назад.

Способ определения изотопного состава метана // 2461909

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам определения изотопного состава вещества, предназначенным для анализа изотопного состава примесей в матрицах сложного состава, в частности для изотопного анализа метана в полевых условиях в воздухе, воде, грунте, снеге и бурильном растворе.

Статический масс-анализатор ионов // 2456700

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к статическим приборам и устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ. .

Способ определения изотопного состава гексафторида урана с помощью многоколлекторного масс-спектрометра // 2337428

Изобретение относится к области электротехники, в частности к контрольно-измерительной технике, а именно к многоколлекторным масс-спектрометрам, и может быть использовано в различных отраслях химической промышленности для определения изотопного состава веществ, в частности, на предприятиях ядерно-топливного цикла - для определения изотопного состава гексафторида урана (ГФУ).

Способ идентификации органических соединений методом хромато-масс-спектрометрии // 2599900

Изобретение относится к исследованию или анализу паров веществ путем измерения их физических свойств с использованием метода масс-спектрометрии и масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов, в том числе в сочетании с методом хроматографии.

Способ детекции аминов // 2580653

Изобретение относится к области аналитической химии и касается способа определения амина в образце. Сущность способа заключается в контактировании образца, содержащего амин, с раствором соли, содержащей 2,2',2”,6,6',6”-гексаметокситритильный карбокатион, и последующем определении конъюгатов методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

Высокочувствительный способ определения количества компонентов, полученных из лекарственных трав // 2558042

Изобретение относится к высокочувствительному способу определения количества глицирризина, глицирретиновой кислоты и их фармакологически приемлемых солей, присутствующих в плазме крови человека.

Способ проведения дейтеро-водородного обмена в ионном источнике масс-спектрометра // 2548387

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к масс-спектрометрии, к способам осуществления дейтеро-водородного обмена в ионном источнике масс-спектрометра и может быть использовано для проведения структурного экспресс-анализа биомакромолекул.

Устройство электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов // 2530783

Предлагаемое изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистике, протеомике, метаболомике и медицины, метабономики и посттрансляционной модификации.

Способ количественного определения органических соединений // 2469315

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к инструментальным оптическим методам анализа. .

Способ идентификации органических соединений на основе метода высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии // 2469314

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств, конкретно путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции и их масс-спектрометрического исследования.

Способ определения эндогенных стероидов в плазме крови человека // 2451292

Изобретение относится к области медицины, а точнее к клинической химии, в частности к способам оценки уровня содержания эндогенных стероидов в организме. .

Устройство стабильного электрораспыления при атмосферном давлении растворов веществ для источников ионов // 2608362

Изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач в органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистике, протеомике при исследовании лабильных веществ с использованием метода «электроспрей». Устройство стабильного электрораспыления при атмосферном давлении растворов веществ для источников ионов выполнено в виде металлического капилляра, по которому подается раствор. На торце этого капилляра образуется мениск жидкости, из которого происходит эмиссия заряженных частиц под воздействием электрического напряжения подаваемого на противоэлектрод. Снаружи металлического капилляра устанавливается коаксиальная насадка из химически стойкого, не-смачиваемого, непористого диэлектрика. Торец насадки со стороны мениска имеет форму усеченного конуса с диаметром сечения и внутренним каналом, равным двум диаметрам капилляра, на котором расположен мениск. Внутренний канал расположен по оси прямого усеченного конуса и имеет переменное сечение, длина внутреннего канала в его узкой части равна диаметру сечения конуса и составляет пять его диаметров. Внутренний канал в его широкой части имеет диаметр много больше диаметра в его узкой части. Вершина конуса имеет угол не более 90 градусов. Плоский противоэлектрод электрически присоединен к высоковольтному источнику питания, а металлический капилляр заземлен. Коаксиальный зазор между капилляром и насадкой подключен к воздушному откачивающему насосу для устранения излишков нераспыленного раствора вместе с лабораторным воздухом. Технический результат - увеличение времени режима стабильного электрораспыления при атмосферном давлении растворов веществ для источников ионов, уменьшение шумов в регистрируемых спектрах, отсутствие ложных пиков в спектрах из-за электрохимической эрозии, повышение электрической прочности узла электрораспыления на пробои. 4 ил.