用于質(zhì)譜法的電離源設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電離源，用于稱為通用軟電離源（USIS）的質(zhì)譜儀，其中電離腔結(jié)合各種物理效應(yīng)，包括紅外和紫外標(biāo)準(zhǔn)或激光、超聲、靜電勢和差動溫度，以分析極性、非極性，低、中、高分子量的分子，用以電離各種化合物。
【專利說明】 用于質(zhì)譜法的電離源設(shè)備和方法
[0001]本申請是申請日為2007年5月9日、申請?zhí)枮?00780016909.4、發(fā)明名稱為“用
于質(zhì)譜法的電離源設(shè)備和方法”的申請的分案申請。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及質(zhì)譜領(lǐng)域，更具體地涉及一種設(shè)備和方法，使得可以利用一種獨一的電離源電離不同的化學(xué)化合物，與普通的電噴霧(ESI)和大氣壓化學(xué)電離(APCI)技術(shù)相t匕，可以大大提高靈敏度。
[0003]發(fā)明背景
[0004]質(zhì)譜法是一種廣泛傳播的技術(shù)，用于各種極性和非極性化合物的分析。特別地，液相色譜法已經(jīng)被用于分析各種極性程度和各種分子量的化合物。實際上，這些化合物的表征和量化很受關(guān)注，新的方法學(xué)不斷被開發(fā)以用于對它們的分析。近年來，開發(fā)了各種技術(shù)用來通過質(zhì)譜法分析各種分子。例如，成癮藥物的分析是液相色譜法-質(zhì)譜法最近作出了很大貢獻(xiàn)的領(lǐng)域之一。(Cristoni S，Bernardi LR, GerthouxP，Gonella EjMocarelli P.Rapid Commun.Mass Spectrom.2004;18:1847;MarquetP，Lachatre G.J.Chromatogr.B Biomed.Sci App1.1999 ; 73:93 ; Sato M，Hida M，Nagase
H.Forensic Sci Int.2002; 128:146)。特別地，該技術(shù)使得能夠直接從尿液樣品中分析成癮藥物化合物，而不需經(jīng)過衍生反應(yīng)。(Cristoni S, Bernardi LR, GerthouxP, Gonella E, Mocarelli P.Rapid Commun.Mass Spectrom.2004;18:1847)。 而實際上，當(dāng)使用氣相色譜質(zhì)譜法(GC-MS)對這些化合物進(jìn)行分析時，該反應(yīng)是必不可少的，從而增加了分析的成本。另外一個受到關(guān)注的領(lǐng)域是大分子例如蛋白質(zhì)、肽以及寡核苷酸的分析。(Kim SY, Chudapongse N, Lee SM, Levin MC, Oh JT, Park HJ, HoIK.Brain Res.Mol.Brain Res.2005;133:58;Cristoni S,Bernardi LR.Mass Spectrom.Rev.2003 ; 22:369;Cristoni S, Bernardi LR, Biunno I, Tubaro M, Guidugli F.RapidCommun.Mass Spectrom.2003;17:1973 ; Wi I Iems AV,Deforce DL,Lambert WE,VanPeteghem CH, Van Bocxlaer JF.J.Chromatogr.A.2004; 1052:93.) 一旦這些分子通過了 電離源，帶電的分子就被利用一個質(zhì)譜分析儀(離子阱(IT)，飛行時間(TOF)，傅立葉變換離子回旋共振(FTICR)，四級桿，三重四級桿(Q1Q2Q3)等)進(jìn)行分析。
[0005]電離源是質(zhì)譜儀中的一個關(guān)鍵組件。它將中性分子轉(zhuǎn)化為可被質(zhì)譜法分析的離子。必須強(qiáng)調(diào)，由于需要根據(jù)要被電離的化合物的物理化學(xué)特性來使用各種物理化學(xué)電離效應(yīng)，所以為了電離被分析物，需要使用各種電離源。實際上，用的最多的電離源是電噴霧(ESI)、大氣壓化學(xué)電離(APCI)和基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)技術(shù)，這些技術(shù)對于在氣相下產(chǎn)生進(jìn)而要通過質(zhì)譜法進(jìn)行分析的離子高度有效(Cristoni S, Bernardi LR.MassSpectrom.Rev.2003; 22:369)。ESI和APCI對液相樣品操作，而MALDI用于分析固態(tài)樣品。
[0006]對于ESI的情形，一個很強(qiáng)的電場被用于蒸發(fā)和電離被分析物。在這種情形下，產(chǎn)生中/高分子量的化合物(例如蛋白質(zhì)和寡核苷酸)的多電荷離子(每個分子給出多于一個的信號)。如此所獲得的質(zhì)譜很難分析，可以用特定的軟件算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(PearcyJOj Lee TD.J.Am.Soc.Mass Spectrom.2001; 12: 599 ; Wehofsky M，Hoffmann R.J.MassSpectrom.2002; 37:223)。低分子量的化合物由于形成單電荷離子(每個分子僅產(chǎn)生一個信號)，因此通常產(chǎn)生較容易分析的質(zhì)譜。因此，這種電離源主要用于分析具有低、中、高分子量的中極性和高極性化合物。
[0007]在APCI的情形中，樣品首先在高溫下(250-500°C)被氣化，然后通過一個高電壓(2000-8000V)下放置的針尖所產(chǎn)生的電暈放電效應(yīng)進(jìn)行電離。這種電離途徑可用于分析低分子量(分子量<600Da)中低極性(如類固醇等)化合物。
[0008]在MALDI情形中，產(chǎn)生低電荷態(tài)分子(典型地為單電荷或雙電荷離子)。在該情形下，被分析物與基質(zhì)化合物共結(jié)晶，該基質(zhì)化合物可以吸收波長為337nm的紫外光。然后共結(jié)晶的樣品被放置于一個真空區(qū)域(10_8托)并用波長為337nm的紫外激光照射。一種微爆炸現(xiàn)象，稱為“燒蝕”，發(fā)生于晶體表面，使得被分析物和基質(zhì)被氣化。此外，被分析物被典型地發(fā)生于被分析物和基質(zhì)之間的各種反應(yīng)所電離。此種途徑通常被用來分析具有各種極性的高分子量化合物。
[0009]以上所述的所有電離途徑均不適用于分析非極性化合物如苯，甲苯等。因此，一種新的電離源，稱為大氣壓光電離被開發(fā)并用于分析各種化合物(Raffaelli A, Saba A.MassSpectrom Rev.2003; 22; 318) 0像APCI情形中一樣，液態(tài)的樣品溶液在高溫下被氣化。然后被分析物被紫外光(IOeV的氪(Kr)光)照射并通過各種物理化學(xué)反應(yīng)(主要是電荷和質(zhì)子置換以及光致電離反應(yīng))進(jìn)行電離。
[0010]最近還開發(fā)了一種新的電離途徑，稱為“表面活化化學(xué)電離-SACI”，以提高市售質(zhì)譜儀在分析各種從生物基質(zhì)中提取出來的化合物時的性能(PCT No W02004/034011)。該設(shè)備基于引入一個用于在大氣壓腔中電離中性分子的表面。已經(jīng)通過升級大氣壓化學(xué)電離(APCI)源獲得了 SACI (Cristoni S, Bernardi LR, Biunno I, Tubaro M, GuidugliF.Rapid Commun.Mass Spectrom.2003; 17:1973)。實際上，觀察到將一帶有盤狀的活性表面的元素引入APCI電離腔可以產(chǎn)生超出預(yù)料的高靈敏度，并可能探測分子量在寬廣數(shù)值范圍內(nèi)的分子(Cristoni S, Bernardi LR, Biunno I, Tubaro M, Guidugli F.RapidCommun.Mass Spectrom.2003;17:1973;Cristoni S, Bernardi LR, Gerthoux P, GonellaE, Mocarelli P.Rapid Commun.Mass Spectrom.2004;18:1847;Cristoni S, SciannambloM, Bernardi LR, Biunno I,Gerthoux P, Russo G, Chiumello G, Mora S.Rapid Commun.MassSpectrom.2004;18:1392)。
[0011]然而，不存在可以溫和地電離所有化合物的電離源。這主要是由于其不同的物理化學(xué)屬性，因此需要使用不同的物理化學(xué)效應(yīng)，以使被分析物電離。
[0012]本發(fā)明的目標(biāo)和說明，以及相對于已有技術(shù)的改進(jìn)
[0013]本發(fā)明涉及一種方法和稱為通用軟電離源(USIS)的設(shè)備(圖1)，能夠電離所有類別的化合物并相對于通常使用的大氣壓電離(API)技術(shù)增加儀器靈敏度。本發(fā)明的核心基于這樣一個表面，該表面上結(jié)合了各種物理化學(xué)刺激以放大電離效應(yīng)。此種途徑與SACI(PCT No W02004/034011)極為不同。實際上，SACI使用一個插入到大氣壓電離(API)腔中的電離表面，并簡單地通過對其施加一個低電壓(200V)來電離樣品。與目前的USIS技術(shù)主要的區(qū)別是，僅有中等極化到高等極化的化合物可以通過SACI被電離。因此，雖然可達(dá)到更高的靈敏度，但可被電離的化合物的類別與ESI相同。必須指出，USIS技術(shù)產(chǎn)生與ESI和APCI技術(shù)相比強(qiáng)烈提高的靈敏度。各種物理化學(xué)刺激(UV光，隧道效應(yīng)，靜電勢，超聲以及微波)在表面上的應(yīng)用使得有可能對感興趣的被分析物強(qiáng)烈電離，并減少可能導(dǎo)致化學(xué)噪聲增加從而降低S/N比的溶劑分子的電離。已經(jīng)觀察到，被分析物通常通過電荷轉(zhuǎn)移或質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)被軟電離(被分析物的離子并不在電離源中分裂，而完整地到達(dá)探測器)。
[0014]本發(fā)明的另外一個創(chuàng)新方面是可能被用于大范圍的實驗條件下。通常ESI和APCI電離源的操作使用不同流量的被分析物溶液流入電離腔。特別地，ESI典型地操作于低于
0.3mL/min的電離流量，而APCI工作在0.5-2mL/min的范圍內(nèi)。歸功于物理化學(xué)電離效應(yīng)的特定結(jié)合，USIS電離源可以工作于整個流量范圍(0.010 - 2mL/min)。這就可能以高儀器靈敏度分析任意化合物，并強(qiáng)烈增加液相下操作的質(zhì)譜儀器的多功能性。
[0015]附圖簡要說明
[0016]圖1
[0017]示出根據(jù)本發(fā)明的USIS電離源的一個實施例。該設(shè)備的各部分是:(I)質(zhì)譜分析儀入口，⑵USIS凸緣，(3)空腔，(4)表面，(5)連接器，(6)組件設(shè)備，(7)電力連接器，⑶螺桿，(9)螺桿，(10)樣品入孔，(11)入口組件，(12)噴霧器區(qū)域，(13)充電區(qū)域，(14)噴霧器氣體線路，(15)噴霧器氣體線路，(16)電力連接器，(17)螺桿，(18)螺桿，(19)組件，(20)電力連接器，(21) UV-VIS或IR激光器或燈，(22) UV-VIS或IR激光器或燈，(23)用于超聲應(yīng)用的電力連接器，(24)用于燈或激光器的電力連接器，(25)真空或氣壓下的管道，(26)電力供應(yīng)，(27)電力供應(yīng)，(28)電力供應(yīng)，(29)電力供應(yīng)，(30)電力連接器，(31)電力供應(yīng)。
[0018]圖2:(隧道效應(yīng))
[0019]USIS電離途徑中所使用的電離表面的放大圖。
[0020]圖3
[0021]使用USIS可發(fā)生的質(zhì)子轉(zhuǎn)移電離反應(yīng)。在該情形下，分子被溶劑分子(團(tuán)簇)所溶劑化。表面(4’ )利用各種效應(yīng)(超聲、UV光、靜電勢)被激發(fā)，以將這些物理效應(yīng)的能量集中到表面上。當(dāng)包含溶劑的團(tuán)簇撞擊被激發(fā)的表面(4’)，溶劑從被分析物脫離，由于質(zhì)子交換或其它種類的反應(yīng)產(chǎn)生正離子或負(fù)離子。施加在表面上的各種效應(yīng)提供活化能，以強(qiáng)烈增強(qiáng)電離活性。電離步驟為:A)利用一噴霧器氣流(2.5L/min或更高)將團(tuán)簇噴灑到表面，B)團(tuán)簇與表面相撞，以及C)溶劑通過與被激發(fā)的表面的反應(yīng)而脫離后，被分析物在表面上發(fā)生電離。
[0022]圖4
[0023]USIS 電離源
[0024]圖5
[0025]分別利用a) APC1、b) ESI和c) USIS電離源對50ng/mL MDE的溶液進(jìn)行分析所獲得的全掃描質(zhì)譜。樣品用水進(jìn)行溶解。直接注入樣品流量為20yL/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)和表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈和超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為2L/
mirio
[0026]圖6
[0027]分別利用a)APC1、b)ESI和c)USIS電離源分析尿樣中所包含的MDE所獲得的MS/MS質(zhì)量色譜圖。尿樣在分析前被稀釋20倍。梯度用兩種相進(jìn)行:A)水+0.05%蟻酸和B)CH3CN+0.05%蟻酸。特別地，15%的B相保持2分鐘然后用8分鐘執(zhí)行從15%到70%的線性梯度，在2分鐘內(nèi)達(dá)到初始狀態(tài)。獲取時間為24分鐘，以重新平衡色譜柱。使用的是熱電C8150xlmm柱。洗脫劑流速為lOOyL/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈和超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為2L/min。
[0028]圖7
[0029]分別用a) APC1、b) ESI和c) USIS電離源來分析100ng/mL精氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液所獲得的全掃描質(zhì)譜。樣品用水溶解。直接注入樣品流量為20yL/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。噴霧器氣流量為 2L/min。
[0030]圖8
[0031]分別使用a)APCI，b)ESI，和d)USIS電離源分析從人血漿樣品中提取的精氨酸所獲得的MS3質(zhì)量色譜。梯度采用兩種相進(jìn)行:A) CH3OH/CH3CNI:l+0.1%蟻酸+甲酸銨(20ymol/L)和B) H20+0.1%蟻酸+甲酸銨QOymol/L)。使用基于以相A作為蛋白質(zhì)沉淀劑的蛋白質(zhì)沉淀方法從血漿中提取精氨酸。使用4%的B在等強(qiáng)度條件下進(jìn)行分析。獲取時間為6分鐘，以重新平衡色譜柱。使用水SAX100x4.1mm柱。洗脫劑流速為1000 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，OV和110°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。噴霧器氣流量為2L/min。
[0032]圖9
[0033]分別使用a)APCI，b)ESI and c)USIS電離源獲得的3 μ g/mL的P2肽(PHGGGWGQPHGGGWGQ分子量:1570)標(biāo)準(zhǔn)溶液的全掃描MS直接注入分析。樣品用水溶解。直接注入樣品流量為20 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，350V和50°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。噴霧器氣流量為2L/min。
[0034]圖10
[0035]分析分子量為6138Da的寡核苷酸的10_7M溶液所獲得的質(zhì)譜。溶液中存在1%的三乙胺(tryethylamine)。使用了以下的大氣壓電離源:a)APCI, b)ESI和c)USIS。可以看出，在情形a)、b)和c)中，未探測到寡核苷酸離子信號，而在情形d)中，清晰地探測到了該信號。計數(shù)/秒的值為107，豐度最高峰的S/N比為150。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，350V和50°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。還示出了反卷積譜，其中示出了使用USIS獲得的所分析的寡核苷酸的分子質(zhì)量(參看譜C)。
[0036]圖11
[0037]分析分子量為6138Da的寡核苷酸的10_7M溶液所獲得的質(zhì)譜。溶液中有1%的三乙胺和濃度為5*10_6M的NaCl鹽。使用了以下的大氣壓電離源:a)APCI，b)ESI，以及c) USIS電離源。可以看到，在該情形中，同樣只有使用USIS電離途徑，才能探測到寡核苷酸多電荷信號。計數(shù)/秒的值為106，豐度最高峰的信噪比S/N為30。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，350V和50°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。還示出了反卷積譜，其中示出了使用USIS獲得的所分析的寡核苷酸的分子質(zhì)量(參看譜c)
[0038]圖12
[0039]分別使用a) APC1、b) ESI和c)USIS電離源分析50ng/mL標(biāo)準(zhǔn)雌二醇溶液所獲得的全掃描質(zhì)譜。樣品用CH3OH溶解。直接注入樣品流量為20 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，OV和110°C。UV燈被開啟，超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為 2L/min。
[0040]圖13
[0041]分別使用a) APC1、b) ESI和c)USIS電離源分析50ng/mL標(biāo)準(zhǔn)雌二醇溶液所獲得的全掃描質(zhì)譜。樣品用CH3CN溶解。直接注入樣品流量為20μ?7π?η。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈被開啟，超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為 2L/min。
[0042]本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式說明以及應(yīng)用實例
[0043]USIS電離源的示意圖在圖1中展示。USIS電離源產(chǎn)生質(zhì)譜儀在大范圍實驗條件下(例如極性和非極性溶劑、各種流速等)進(jìn)行分析的離子。
[0044]質(zhì)譜儀包含一個電離源、一個通過質(zhì)荷比對離子進(jìn)行分離的分析儀或過濾器、一個用于對離子進(jìn)行計數(shù)的探測器以及一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的，所以不對其進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的電離源器件包含一個入口組件(11)，其與一電離腔(3)液體相通。
[0045]電離腔(3)包含一個出孔(1)，其直徑一般小于1mm，用于在電離腔和分析儀或過濾器之間互通。一般地，入口組件(11)的軸與穿過所述孔的軸的夾角大約是90°，但也可以設(shè)計不同的相對位置。在電離腔(3)內(nèi)部放置有一個盤(4)。該盤(4)具有至少一個活性表面(4’)，其面向入口組件(11)的內(nèi)開口。優(yōu)選地，該盤(4)相對于噴霧器(12)的軸垂直或呈45°角(圖2和3)。不同的物理電離效應(yīng)(如UV輻射，超聲和靜電勢)可被集中于表面，以強(qiáng)烈增加電離效率。另外，還增加了該途徑的選擇性。實際上，表面上不同的物理電離效應(yīng)的結(jié)合允許對感興趣的被分析物進(jìn)行選擇性電離。
[0046]該盤(4)可具有不同的幾何結(jié)構(gòu)和形狀(如圖2和3)，例如正方形、矩形、六角形等等，而不因此偏離本發(fā)明的范圍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)活性表面(4’)增大，則分析的靈敏度增加。因此，盤(4)表面優(yōu)選地分布于Icm2到4cm2之間，并且一般地其上限由電離腔(3)的實際尺寸所規(guī)定。在保持盤(4)的尺寸不變下，活性表面(4’)的面積仍可通過多種方式增加，例如，通過在表面(4’)產(chǎn)生褶皺。在特殊的情形中，例如當(dāng)必須分析高分子量分子時，需要有高的電場幅度。在這些情形下，提供具有多個點狀褶皺的活性表面(4’)對于增加其中的電場幅度可能是有利的。也觀察到，當(dāng)通過將表面(4’)與噴霧器(12)的軸垂直放置，并施加一個通過霧化區(qū)域(12)的強(qiáng)氣流(典型地為10L/min或以上流量的氮氣)而產(chǎn)生一個強(qiáng)湍流時，靈敏度強(qiáng)烈增加?？梢允褂孟鄬τ谌肟诮M件(11)的各種幾何結(jié)構(gòu)和角度，以增加湍流效應(yīng)。優(yōu)選的配置為表面(4’)相對于噴霧器區(qū)域(12)的軸呈垂直或45°放置，并且表面靠近質(zhì)譜儀的入孔(I)附近，以產(chǎn)生溶劑被分析物團(tuán)簇的多次碰撞現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致被分析物的電離并將氣流和被分析物離子導(dǎo)向入孔(I )。通過入口系統(tǒng)(11)的被分析物溶液的流量可在0.0001-10000 μ L/min之間，優(yōu)選的流量為100μ L/min。
[0047]活性表面(4’)可由各種材料制成，其性質(zhì)可為導(dǎo)電或不導(dǎo)電的。優(yōu)選的材料可為鐵、鋼、銅、金或鉬等金屬，硅石或硅化物材料如玻璃或石英，聚合材料如PTFE (特富龍)等。當(dāng)活性表面(4’)由不導(dǎo)電材料組成時，盤(4)的主體將由導(dǎo)電材料制成，如金屬，并且其至少一個面將被不導(dǎo)電材料以層或薄膜的形式所涂覆，以產(chǎn)生該活性表面(4’)。例如，一不銹鋼盤(4)可用PTFE膜涂覆。實際上，重要的是，即使活性表面(4’)由不導(dǎo)電材料制成，該活性表面(4’)仍要經(jīng)受電荷極化。這可通過從電力供應(yīng)(26)向盤體施加電勢差，從而通過感應(yīng)在活性表面(4’)上也引起極化來實現(xiàn)。另一方面，如果表面(4’)是導(dǎo)電的，則盤(4)不需被涂覆。在該情形下，即使不施加電勢差，本發(fā)明的電離源也可實現(xiàn)良好性能，即將表面(4’)保持在地電勢并允許其漂移(float)。但是，如果向?qū)щ姳砻?4’)施加潛在的電荷極化，也可獲得該結(jié)果。
[0048]盤(4 )通過連接工具(5 )與把手工具(6 )進(jìn)行接通，把手工具(6 )允許盤(4 )沿所有方向移動。把手工具(6)可移入電離腔內(nèi)，并可被旋轉(zhuǎn)。連接工具(5)可由不同的導(dǎo)電材料制成，并可具有各種幾何結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸。優(yōu)選地，其形狀和尺寸被制造為有利于盤
(4)在傾斜位置下的定向。盤(4)與電力供應(yīng)工具(26)電連接，以向活性表面(4’)施加電勢差。盤(4) 一般具有0.05到IOOmm之間的厚度，優(yōu)選的厚度在0.1到3mm之間。
[0049]可向表面(4’)施加各種物理刺激。激光(21)可照射表面(4’)，以提高撞擊表面(4’ )或沉積在表面上的被分析物的電離。激光使用各種波長(典型地在0，200到10.6 μ m之間)工作于在紫外-可見(UV-VIS)或紅外(IR)光譜段內(nèi)，優(yōu)選的波長是對于UV-VIS波段為337nm，對于IR波段為10.6 μ m。燈、UV激光連接到一市售的外部電力供應(yīng)(27)。一吸收UV-VIS或IR波長的分子被添加到樣品溶液中以進(jìn)一步提高電離效率。例如，芥子酸(synapinic acid)或咖啡酸可用于此目的。這些分子實際上通過激光照射被激發(fā)。這些激發(fā)的種類與樣品分子起反應(yīng)，并導(dǎo)致被分析物離子的形成。UV-VIS或IR燈(22)也可以用于照射表面(4)以及通過入口設(shè)備(11)到達(dá)表面(4)的液態(tài)樣品。表面(4)或者(4’)在與光子相互作用時，可導(dǎo)致電子或其他離子的形成，這可將被分析物分子電離。激光和燈光可以置于電離腔之內(nèi)或者之外，并可照射溶劑和表面(4)或(4’)或通過一附近的管道(25)僅照射表面(參見圖2的放大圖)，該管道可避免溶劑和被分析物直接與光相互作用。當(dāng)與泵相連時，管道可處于真空中；而當(dāng)真空泵關(guān)閉時，管道處于大氣壓。當(dāng)設(shè)備在真空下運(yùn)行時，有可能使用隧道效應(yīng)來對被分析物進(jìn)行電離，以減少化學(xué)噪聲。在該情形中，表面必須要薄(0.05 - 0.1mm，優(yōu)選是0.05mm)以允許管道中產(chǎn)生的電子從表面中穿過并與被分析物互相作用，最終導(dǎo)致其電離。實際上，激光或UV光與噴霧器氣體和溶劑的直接相互作用可導(dǎo)致大量帶電溶劑種類的形成，從而導(dǎo)致化學(xué)噪聲強(qiáng)烈增加。將激光和燈光與薄表面進(jìn)行連接的管道可保持在各種壓強(qiáng)下(真空、大氣壓)并用不同的氣體填充(例如空氣、氮氣)。另外，表面(4)的溫度可通過與插在表面(4’)內(nèi)的電阻進(jìn)行連接的市售電力供應(yīng)(31)而改變。表面通過市售的電力供應(yīng)而被冷卻，該電力供應(yīng)還與安放在表面(4’)上的一個珀耳帖設(shè)備進(jìn)行連接，從而有可能對表面致冷。表面(4)的溫度可在-100° C到+700° C之間，優(yōu)選的溫度為25°C到100°C之間。一電力連接器(16)或(23)使得可以通過表面(4)或(4’)對電離腔(3 )施加超聲激發(fā)效應(yīng)，該表面經(jīng)受通過與連接器(16 )或(23 )連接的電力供應(yīng)(26 )所產(chǎn)生的超聲電離效應(yīng)，所述連接器通過導(dǎo)電材料(銅、鋼、金)與表面(4’)進(jìn)行連接，并與連接到表面(4’)上并產(chǎn)生超聲的壓電設(shè)備進(jìn)行連接，所述超聲頻率為40-200kHz，優(yōu)選為185-190kHz之間，更優(yōu)選的頻率為186kHz。現(xiàn)在對入口組件(11)進(jìn)行說明，包含被分析物的液態(tài)樣品通過樣品入孔(10)被引入到腔中。入口組件(11)包含一個內(nèi)部管道，通過所述入孔(10)向外開放，所述內(nèi)部管道引到一霧化區(qū)域(12)。所述霧化區(qū)域與至少一個、典型地為二個氣體線路(14)、(15)液體相通(該氣體典型地為氮氣)，所述氣體線路以不同的角度與樣品的主要流通相交，以進(jìn)行將被分析物溶液霧化和將其帶往電離腔(3)兩項功能。一電力連接器(23)可被用于在區(qū)域(13)和質(zhì)譜儀的入口(I)之間施加電勢差。該電勢差可設(shè)定為-1OOOOV和10000V之間，優(yōu)選地為-1000V到1000V之間，但一般采用0-500V。該電勢差可用于a)在溶液中產(chǎn)生被分析物離子，以及b)通過電噴霧效應(yīng)蒸發(fā)溶劑和被分析物，從而使得可以產(chǎn)生被分析物氣相離子。電力連接器(7)使得可以通過連接在熱電阻或珀耳帖設(shè)備上的市售電力供應(yīng)(31)設(shè)定霧化器區(qū)域(12)和表面(4’)的溫度，所述熱電阻或珀耳帖設(shè)備插入在霧化器區(qū)域(12)和表面(4’)內(nèi)。該溫度可在-100°C到+700°C之間。優(yōu)選的溫度在100-200°C范圍內(nèi)，更優(yōu)選的溫度為200°C。入口組件(11)的內(nèi)部管道結(jié)束于電離腔(3)的內(nèi)部，其結(jié)束位置使得被分析物溶劑液滴碰撞盤(4)的活性表面(4’)，在此處被分析物的中性分子發(fā)生電離。多種化學(xué)反應(yīng)可能在表面上發(fā)生而不限于任何特定理論:如質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，與熱電子的反應(yīng)，與位于表面上的活性分子的反應(yīng)，氣相離子分子反應(yīng)，靜電感應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)引起的分子激發(fā)。例如，一種可能的電離機(jī)制示于圖3。在該情形下，被分析的分子溶于溶劑分子(團(tuán)簇)。當(dāng)所述團(tuán)簇與電離表面碰撞，溶劑與被分析物脫離，導(dǎo)致產(chǎn)生被分析物的負(fù)離子或正離子。另外，也可能是偶極溶劑通過其上所感應(yīng)的電荷極化的手段被活性表面(4’)所吸引，從而允許去質(zhì)子化或質(zhì)子化源形成離子。如上所述，可允許盤(4)漂移，且可施加電勢差。這樣的電勢差，其絕對值優(yōu)選地在O到15000V范圍內(nèi)(實際中，可在OV到1000V之間，取決于活性表面(4’)上所需的極化的種類)，優(yōu)選地在O到500V之間，更優(yōu)選地在O到200V之間。
[0050] 電離腔(3)也可通過USIS凸緣(2)受微波激發(fā)，從而向電離腔(3)施加微波。微波通過內(nèi)部電力供應(yīng)(28 )進(jìn)行施加，該電力供應(yīng)通過連接器(20 )與法拉第盒相連。微波頻率可在915到2450MHz之間，優(yōu)選地在2000到2450MHz之間，更優(yōu)選地為2450MHz。微波主要用于蒸發(fā)水。
[0051 ] 總結(jié)起來，本發(fā)明的本質(zhì)特征在于將一個電離活性表面(4 ’)暴露于不同的物理效應(yīng)(至少兩種)的組合，從而對大范圍的有機(jī)被分析物(極性和非極性)進(jìn)行電離。另外，本途徑允許在一種目標(biāo)化合物的分析中，靈敏度和選擇性都得到提高。
[0052]應(yīng)該理解，以上的描述意在說明本發(fā)明的原則，而不用于限制任何進(jìn)一步的更改，進(jìn)一步的更改可由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員根據(jù)本專利申請書的公布而獲得。圖4示出USIS電離腔的一種典型實施方式的典型內(nèi)部視圖。
[0053]以下的示例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0054]例1:稀釋的尿樣中MDE成癮藥物的分析
[0055]USIS電離源被用于分析3，4-亞甲二氧基乙基苯丙胺(MDE)成癮藥物。與通常使用的技術(shù)(ESI和APCI)相比，觀察到靈敏度的提高。圖5a、b和c分別示出分別利用APC1、ESI和USIS電離源對50ng/mL MDA的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析所獲得的全掃描直接注入譜。樣品用水進(jìn)行溶解。直接注入樣品流量為20 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)和表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈和超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為2L/min?？梢钥吹?，在APCI光譜情形中，沒有探測到MDE離子信號，在ESI情形中，存在很高的化學(xué)噪聲。利用USIS技術(shù)，清楚地探測到m/z208處的[M+H] "MDE信號，從而獲得全掃描光譜。使用USIS達(dá)至IJ了好的信噪比(S/N: 100)。
[0056]圖6a、b和c分別示出利用a) APC1、b) ESI和c) USIS電離源所獲得的MDE的液相色譜-Tandem質(zhì)譜分析(LC-MS/MS)結(jié)果。尿樣在分析前被稀釋20倍。梯度用兩種相進(jìn)行:A)水+0.05%蟻酸和B) CH3CN+0.05%蟻酸。特別地，15%的B相保持2分鐘然后用8分鐘執(zhí)行從15%到70%的B的線性梯度，在2分鐘內(nèi)達(dá)到初始狀態(tài)。獲取時間為24分鐘，以重新平衡色譜柱。使用的是ThermolEctron C8150xlmm柱。洗脫劑流速為100 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈和超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為2L/min?？梢钥吹剑ㄒ豢梢蕴綔y到MDE的技術(shù)是USIS (S/N:120)。使用MS/MS途徑所獲得的高靈敏度和選擇性使得可以清晰地識別MDE。
[0057]例2:精氨酸血漿樣品的分析
[0058]使用USIS電離源來分析血漿樣品中的精氨酸。在該情形中，同樣也觀察到相對于通常使用的技術(shù)(ESI和APCI)有靈敏度的提高。圖7a、b和c分別示出用a) APC1、b) ESI和c)USIS電離源來分析100ng/mL精氨酸標(biāo)準(zhǔn)溶液所獲得的全掃描直接注入譜。樣品用水溶解。直接注入樣品流量為20 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，0V和110°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。噴霧器氣流量為2L/min。在APCI譜中(圖7a)，未探測到精氨酸離子信號。在ESI情形中(圖7b)譜中存在高的化學(xué)噪聲，這一事實使得精氨酸的離子信號實際上在全掃描模式下所獲得的譜中無法探測到。使用USIS技術(shù)獲得全掃描譜，清晰地探測到m/zl75處的[M+ffllDE信號。特別地，使用USIS獲得了好的信噪比(3州:70)。
[0059]圖8a、b和c分別示出使用a) APC1、b)ESI和c)USIS電離源，并分裂m/zl75處的[M+H]+離子及其m/zl58處的產(chǎn)物離子所獲得的精氨酸的液相色譜-多次碰撞分析(LC-MS3)結(jié)果。采用兩種相進(jìn)行梯度操作:A) CH3OH/CH3CN+0.1%蟻酸+甲酸銨(20 μ mol/L)和Β)Η20+0.1%蟻酸+甲酸銨(20μπιΟ1/υ。使用基于以相A作為蛋白質(zhì)沉淀劑的蛋白質(zhì)沉淀方法從血漿中提取精氨酸。使用4%的B在等強(qiáng)度條件下進(jìn)行分析。獲取時間為6分鐘，以重新平衡色譜柱。使用水SAX100x4.1mm柱。洗脫劑流速為1000mL/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，OV和110°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。噴霧器氣流量為2L/min。同樣在該情形中，使用USIS獲得最高的信噪比(S/N: 100)。因此MS3途徑的高靈敏度和選擇性使得可能在使用USIS所獲得的色譜中(圖Sc)清晰地探測并識別精氨酸。
[0060]例3:肽的分析
[0061]肽P2 (PHGGGWGQPHGGGWGQ;PrPr 蛋白質(zhì)的部分序列)使用 a)APCI, b)ESI,和 c)USIS (圖9a，b，and c)進(jìn)行分析。肽的濃度為3 μ g/mL。樣品用水溶解。直接注入樣品流量為20yL/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，350V和50°C。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。噴霧器氣流量為2L/min。使用APCI (圖9a)未探測到信號。在ESI情形中，[M+H] +和[M+2H] +信號皆被探測到。獲得豐度最高峰處的S/N比80，每秒計數(shù)值為2*108。USIS技術(shù)給出豐度最高峰處的最好的S/N比(S/N: 180)，并給出每秒計數(shù)值為1*107，清晰的表明該電離技術(shù)產(chǎn)生更低的化學(xué)噪聲。
[0062]例4:寡核苷酸水溶液的分析
[0063]圖10a、b和c示出通過直接注入分子量為6138Da的寡核苷酸溶液所獲得的譜。該譜分別使用a)APCI，b)ESI和c)USIS電離技術(shù)而獲得。寡核苷酸的溶液濃度為10_7M。在樣品中加入1%的三乙胺以避免由于形成寡核苷酸陽離子絡(luò)合物所造成的信號抑制效應(yīng)?？梢钥吹?，使用APCI和ESI，在該濃度水平下未探測到寡核苷酸質(zhì)量離子信號(圖1Oa和b)。當(dāng)使用USIS電離技術(shù)時，情況發(fā)生驚人的改變(圖10c)。在該情形下，實際上，清晰地探測到寡核苷酸負(fù)多電荷離子。每秒計數(shù)值為107，豐度最高峰的S/N比為150。寡核苷酸離子的電荷分布范圍為-10到-4。UV燈被關(guān)閉，超聲被開啟。需要強(qiáng)調(diào)，使用USIS電離途徑，化學(xué)噪聲相當(dāng)?shù)?噪聲每秒計數(shù):5*105)。
[0064]例5:包含無機(jī)鹽(如NaCl)的寡核苷酸水溶液分析
[0065]圖11a、b和c分別示出使用a)APCI，b)ESI以及c)USIS電離源分析分子量為6138Da的寡核苷酸所獲得的譜。濃度為5*10_6M的NaCl被加入到樣品溶液中，以從靈敏度的角度評價其在有鹽存在時的性能。寡核苷酸的溶液濃度為10_7m。樣品溶液中加入1%的三乙胺以避免由于形成寡核苷酸陽離子絡(luò)合物所造成的信號抑制效應(yīng)?？梢钥吹剑谠撉樾沃?，使用APCI和ESI效應(yīng)也同樣未探測到寡核苷酸質(zhì)量離子信號(圖1la和b)。對于USIS的情形(圖lld)，清晰地探測到寡核苷酸多電荷離子信號。每秒計數(shù)值為106，豐度最高峰的S/N比為30。寡核苷酸離子的電荷分布范圍為-10到-4。需要強(qiáng)調(diào)，使用USIS電離途徑，化學(xué)噪聲相當(dāng)?shù)?噪聲每秒計數(shù):5*104)。
[0066]例6:在低濃度水平下使用ESI和APCI通過直接注入未探測到的低極性化合物(如:類固醇等)的分析
[0067]使用a)APCI，b)ESI和c)USIS分析了雌二醇。使用CH3OH和CH3CN作為溶劑，獲得了直接注入譜(圖12a、b和c示出使用CH3OH作為溶劑所獲得的譜，而圖13a、b和c示出使用CH3CN作為溶劑所獲得的譜)。雌二醇的濃度為50μ g/mL。樣品用水溶解。直接注入樣品流量為20 μ L/min。表面勢、電噴霧針尖電壓(13)以及表面溫度分別為50V，350V和50°C。UV燈被開啟，超聲被關(guān)閉。噴霧器氣流量為2L/min?？梢钥吹?，在該濃度水平下，使用ESI和APCI未獲得信號(圖12a和b;圖13a和b)，而使用USIS，清晰地探測到[M.]+和[M-H] +離子。使用CH3OH作為溶劑，[M.]+的S/N比為100，使用CH3CN作為溶劑的S/N比為102(012c和13c)。必須強(qiáng)調(diào)，在更高的雌二醇濃度水平下(1000 μ g/mL)并使用CH3OH作為溶劑，ESI軟電離源典型地產(chǎn)生被分析物的[M+H]+，但使用CH3CN作為溶劑時，該信號難以被觀察至IJ。對于USIS的情形，被分析物離子使用兩種溶劑(CH3OH和CH3CN)皆可被觀察到。這清晰地表明USIS的潛力。
【權(quán)利要求】
1.一種用于對液相被分析物進(jìn)行電離的電離源設(shè)備，包含: 入口組件，與電離腔液體相通，所述電離腔具有出孔，用于在所述電離腔和質(zhì)譜儀的分析器或過濾器之間相通；以及 盤，在所述電離腔內(nèi)，具有至少一個活性表面， 其中，被分析物溶劑液滴被設(shè)置為碰撞所述盤的所述活性表面，在此處被分析物的中性分子發(fā)生電離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電離源設(shè)備，還包含噴霧器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電離源設(shè)備，其中被分析物分子被設(shè)置為溶于溶劑分子以形成團(tuán)簇，并且其中當(dāng)團(tuán)簇與所述活性表面碰撞時，產(chǎn)生被分析物的負(fù)離子或正離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任一項的電離源設(shè)備，還包含:電力供應(yīng)，通過導(dǎo)電材料與所述表面相連接以對所述表面進(jìn)行電學(xué)充電或極化。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，還包含:電力供應(yīng)，與壓電裝置相連，用于在所述表面的范圍內(nèi)產(chǎn)生超聲。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，還包含=UV-VIS或IR激光或燈，與外部電力供應(yīng)相連，用于向所述表面照射光。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，還包含:外部電力供應(yīng)，通過連接器與法拉第盒相連，用于向所述電離腔施加微波。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，還包含:閉合管道，與所述活性表面以及泵相連，用于產(chǎn)生不同的壓強(qiáng)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，還包含:電力供應(yīng)，用于向插入在所述表面內(nèi)的電阻施加電勢以對所述表面進(jìn)行加熱。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，還包含:電力供應(yīng)，與位于所述表面上的玻爾帖裝置相連，用于對所述表面致冷。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，其中，被分析物的分子在所述活性表面上電離并被集中到質(zhì)譜儀分析器入口內(nèi)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，其中所述盤用不導(dǎo)電材料涂覆，以形成所述至少一個活性表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電離源設(shè)備，其中所述不導(dǎo)電材料包括選自玻璃或石英的硅石或硅化物衍生物，或選自PTFE、塑料、聚氯乙烯(PVC)、聚乙二醇(PET)的聚合材料。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，其中所述盤以一角度相對于所述入口組件的軸傾斜，并且其中所述盤的角度通過使用連接到外部電力供應(yīng)的計算機(jī)或手動控制的電子設(shè)備改變。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備，其中所述入口組件包含用于饋送被分析物溶液的入孔，和與所述入孔液體相通的內(nèi)部管道，所述內(nèi)部管道包括霧化區(qū)域和充電區(qū)域，并結(jié)束于所述電離腔內(nèi)部。
16.一種質(zhì)譜儀，包含根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的電離源設(shè)備。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的質(zhì)譜儀，還包含: 器件，優(yōu)選地為液相色譜儀，用于對樣品中包含的分子進(jìn)行分離或除鹽； 至少一個分析器或過濾器，根據(jù)離子的質(zhì)荷比對其進(jìn)行分離；對離子數(shù)量進(jìn)行計數(shù)的探測器；以及 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計算和繪制被分析物的質(zhì)譜。
18.—種對液相被分析物進(jìn)行電離的方法，該方法包含: 提供電離源設(shè)備，所述電離源設(shè)備包含入口組件，所述入口組件與電離腔液體相通，所述電離腔具有出孔，用于在所述電離腔和質(zhì)譜儀的分析器或過濾器之間相通； 在所述電離腔內(nèi)設(shè)置盤，所述盤具有至少一個活性表面；以及 使得被分析物溶劑液滴碰撞所述盤的所述活性表面，在此處被分析物的中性分子發(fā)生電離。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括: 將被分析物溶解于溶劑中；以及 將所述被分析物溶液注入所述電離源設(shè)備中。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述被分析物被溶于選自H20、醇、乙腈、氯仿、四氫呋喃的偶極溶劑中。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20的方法，還包括使得所述被分析物溶液被霧化。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的 方法，還包括使得所述霧化的被分析物溶液撞擊到所述活性表面上。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22中任一項的方法，還包括使得電離的被分析物被質(zhì)譜儀的分析器或過濾器所收集。
24.根據(jù)權(quán)利要求18-23中任一項的方法，還包括將所述表面的溫度保持于-100°C到700°C之間，優(yōu)選地為100°C到200°C之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求18-24中任一項的方法，還包括向所述活性表面施加介于O到15000V之間，優(yōu)選地為O到1000V之間，更優(yōu)選地為O到200V之間的電勢差。
【文檔編號】H01J49/04GK103456595SQ201310239167
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2006年5月11日
【發(fā)明者】S·克里斯托尼 申請人:I.S.B.- 離子源及生物技術(shù)有限公司