大气压兆伏静电场电离解吸（APME‑FID）的方法和系统与流程

本发明涉及基于在不同尺寸、形状和/或物理状态的样本上应用兆伏静电势以用于样本中的至少一种类型的分析物的电离和解吸的电离技术的方法和系统。

背景技术：

质谱法（MS）由于其检测灵敏性和特异性是现代化学分析中不可缺少的分析工具。电离方法的演变导致针对MS分析的应用的突破。电离技术的发展使得质谱法能够帮助不同领域的分析。经典的电子电离和化学电离帮助分析挥发性碳氢化合物和小的有机污染物。现在，电喷雾电离和基质辅助的激光解吸/电离使生物学MS的发展能够用于支持生命科学研究的各种方面（例如，蛋白质组学、代谢组学和药物发现）。最近，通过MS在大气压之下用于直接样本分析的解吸/电离技术正变得流行。便利且高效的大气解吸/电离技术的发展将使MS的应用扩展用于利用简单且快速的分析程序对日常生活样本（例如，食物、药用产品）的直接分析，并且可能地将MS从实验室带入现场。

可以将当前可用的大气解吸/电离技术分类为基于电喷雾、基于能量粒子、基于激光和耦合的技术。解吸电喷雾电离（DESI）是基于电喷雾的技术，其使用具有喷雾气体的溶剂离子和分子的喷射来撞击样本的表面以用于分析物分子的原位提取，以及分析物离子的电离和解吸。低温等离子体（LTP）探测和实时直接分析（DART）技术是基于能量粒子的解吸/电离技术。LTP探测利用从介质阻挡放电生成的氦气原子/离子/自由基的等离子体。通过LTP的热能从样本表面所解吸的分子然后将经由与LTP中的带电物种的电荷转移反应而电离。类似地，DART经由放电而生成被激发/亚稳态的氦原子。除被激发的原子/离子的轰击之外，由热学过程产生分析物分子的解吸。飞秒红外激光是被采用于来自固态样本的分析物的环境解吸/电离以用于MS分析的另一种类型的强能量源。分析物将经由热学解吸而被解吸，并且相信电离经由带电物种和中性分析物分子之间的电荷交换反应而发生。此外，耦合的技术采用两个解吸/电离技术来分别完成解吸和电离。例如，激光消融电喷雾电离（LAESI）是采用激光解吸和随后对中性分析物的电喷雾电离的耦合技术。最近，大气解吸/电离技术，也就是场致直接电离（使用3-5 kV的电势），已经被报道用于小的活生物体（诸如蝎子和蟾蜍）的次级代谢物的直接检测。尽管如此，所有这些所提及的技术都要求诸如溶剂和惰性气体之类的辅助反应物进行操作，这可能使问题变得复杂。可以通过当前可用的环境电离质谱方法来分析的样本类型还仅限于小尺寸的样本。

辅助反应物（例如，氦）的使用强加了附加反应物成本用于操作，并且还要求额外仪器装备（例如，溶剂供应系统、真空泵系统）以用于供应和移除这些反应物。此外，溶剂的使用使得技术变得与溶剂敏感的样本不兼容。另外，在这些辅助反应物的特性/组成方面的改变可能降低这些大气解吸/电离技术的分析性能。对于场致直接电离技术，类似于其它大气电离技术，其还由于低电离效率方面的限制而受限于小的生物体。此外，其限于小且尖锐的样本，因为相对低的电势用于分析物分子的电离。

因而，存在针对以下的需要：用于MS的大气解吸/电离方法和系统，其能够直接地从大尺寸（并且还有小尺寸）的样本生成离子，而没有使用辅助反应物（例如，溶剂、气体）。

技术实现要素：

下面呈现本发明的简化概要以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该发明内容不是本发明的广泛概述。意图既不是标识本发明的关键或必要要素，也不是描绘本发明的范围。相反，该发明内容的仅有目的是以简化形式呈现本发明的一些概念作为在此之后呈现的更详细描述的前序。

本文提供了用于MS的大气解吸/电离方法和系统，其能够直接从大尺寸（并且还有小尺寸）的样本生成离子，而没有使用辅助反应物（例如，溶剂、气体）。

本发明涉及用于质谱分析的完全新的电离方法，也就是大气压兆伏静电场电离解吸（APME-FID）。其允许从样本直接生成离子而没有使用辅助反应物（例如，溶剂、气体等）。因而，APME-FID技术可以节省样本分析的时间和成本。更重要地，APME-FID中的兆伏静电势的使用打破了对样本尺寸的目前限制，而现有大气解吸/电离技术（大多数在千伏电势或以下操作）限于小尺寸样本分析，APME-FID允许大尺寸样本和小尺寸样本二者上的分析物被电离以用于质谱分析。

为了完成前述以及相关目的，本发明包括在此之后完整描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性方面和实现方式。然而，这些仅仅指示其中可以采用本发明的原理的各种方式中的几个。本发明的其它目的、优点和新颖特征将在结合附图考虑时根据本发明的以下详细描述变得明显。

附图说明

附图图示了本发明的特征和其它目的，也就是大气压兆伏静电场电离解吸（APME-FID）技术的特征和其它目的。附图的部件未必成比例，特别地为了清楚描述而可能夸大某些尺度。

图1是用于电离和解吸并且然后由质谱仪检测的样本的兆伏静电带电的示意图。该样本可以包括但不限于人体、完整食物或草药样本、或者药用片。

图2是描绘了用于液体和气体样本的检测的APME-FID对接设备的配置的示意图。液体/气体样本可以分别包括但不限于易燃溶剂/人类呼吸气体。

具体实施方式

APME-FID技术采用兆伏静电势来电离样本上的分析物。使样本静电带电到兆伏静电势。该技术使得能够从连接到从10,000 V到兆伏条件（大于或等于100,000 V）的范围中的高静电势的样本直接地生成离子。通过场电离（或其它机制）在样本表面上生成的离子（例如，分子离子和/或碎片离子）从占有高密度的静电电荷的样本表面解吸（例如，通过电排斥）并且然后被指引到质谱分析仪的入口以用于检测、标识和定量。

该技术允许通过使用质谱仪直接分析所有尺寸（例如，范围从成年人到药物粉末）和类型（例如，固体、液体和气体）的样本。技术使得能够实现多种多样的质谱法应用，诸如从大的活生物体呼出的易挥发物质的实时化学/生物分析、草本植物样本的质量监控、以及人类皮肤上的违禁药物和爆炸物的法医/安全检查，而没有大量样本制备程序。本发明打破了质谱分析的当前约束和限制，并且将打开新的路径以将MS技术的应用领域拓宽到现场测试的不同方面，包括但不限于安全检查、法医分析、代谢轮廓以及其它日常生活样本分析。

本发明的一方面采用由范德格拉夫发电机或其它类似静电电荷生成设备所生成的高静电势，该设备使得能够在样本上逐渐累积高静电势。范德格拉夫静电发电机可以在兆伏电势处生成正或负电荷，以用于来自样本的正和负离子中的任一个或二者的场电离。在某些实施例中，兆伏静电势的幅度和极性可以在电离之前或期间变化。在某些实施例中，多于一个兆伏静电发电机可以连接到样本以用于电离和解吸。在某些实施例中，兆伏静电势的幅度和极性可以以电子方式来控制。

在某些实施例中，在样本上的兆伏静电势的累积可以通过样本与静电发电机的直接接触而完成（例如，以用于分析人体/呼吸）。在另一实施例中，样本经由由传导性（或介质）材料所制成的样本容器（例如，探针、管道、保持件、板等）而间接地连接到静电发电机，以用于任何固体、液体或气体样本的电离。在某些实施例中，在绝缘样本容器（例如，探针、管道、保持件、板等）内转移样本，其中仅绝缘样本容器的部分连接到静电发电机以用于样本容器中的分析物的电离和解吸。在某些实施例中，在没有电连接的情况下将样本容器放在静电发电机附近。在某些实施例中，自动样本输运和改变系统可以与静电发电机耦合。

在某些实施例中，将样本放置在质谱仪（或其它离子检测/分析设备）的入口附近以用于离子收集。在某些实施例中，可以采用转移设备（例如，毛细管等）将来自样本的离子和中性物质转移和/或引导到质谱仪（或其它离子检测/分析设备）的入口。

在某些实施例中，将样本放置在具有压力控制的外壳中。在某些实施例中，将样本放置在具有可变的大气组成（例如，湿度水平控制、氮水平控制、氧水平控制等）的外壳中。在某些实施例中，将样本放置在其中可以以气态、蒸汽或液体形式引入反应物的外壳中。

在某些实施例中，要分析的样本可以处于固体、液体或气体状态（或者这些状态的混合）。在某些实施例中，样本可以处于任何物理形状（例如，尖锐、圆角、钝头等）。在某些实施例中，样本可以具有不同物理尺寸（例如，成年人、行李、药品、生物细胞等）。在某些实施例中，样本可以是日用品（例如，农作物、肉类、蔬菜等）和工业产品（例如，药品、衣物等）。在某些实施例中，样本可以具有生物来源（origin）（例如，食物、生物流体等）。在某些实施例中，样本可以是活生物样本（例如，活人、活的植物、活生物细胞等）。在某些实施例中，样本（例如，血液、细胞质、流体等）将从活生物样本（例如，活的动物、植物、细胞等）被汲取以用于实时化学/生物化学监控。在某些实施例中，可以从仪器（例如，分离仪器）引入样本。

在某些实施例中，可以在样本的原始状态中分析样本。在某些实施例中，可以在环境温度处或者在温度控制下分析样本。在某些实施例中，可以使用附加反应物（例如，溶剂、惰性气体等）来增强检测灵敏性（例如，促进离子生成和/或离子收集等）。在某些实施例中，参考反应物（例如，气体、液体、粉末、溶液等）可以与样本一起或顺序地被分析以作为内部标准用于分析性能检查和定量测量应用。

在本发明的另一方面中，可以以多个层次（例如，在化学上、在空间上等）分析从样本解吸或生成的离子。例如，离子可以基于其质量、电荷、截面积、移动性、速度、动量等来表征，因而可以揭示来自样本的解吸的位置和离子特性。

在本发明的另一方面中，光子能量可以被指引或聚焦到样本的所选区域上以帮助至少一种类型的分析物（或离子）的电离和/或解吸。

在本发明的另一方面中，可以在多个阶段应用静电势，以帮助或控制所电离的分析物。在某些实施例中，所应用的静电势可以帮助从样本提取分析物（例如，破坏生物膜电势）。

在本发明的另一方面中，包含分析物（例如，以经净化的分析物、样本提取或原生样本等的形式）的可更换样本探针（例如，一次性尖端或吸附剂等）可以连接到静电发电机（直接地或者经由电连接）以用于分析物的电离和通过质谱仪（或者其它检测设备）的随后离子检测。可更换样本探针的使用允许一起执行采样、样本存储和化学分析的组合而没有进一步的样本提取。这将简化分析程序并且提高分析工作流的效率。在某些实施例中，可以改变样本探针的材料（例如，聚酯、聚乙烯、纤维素、经键合的硅石吸附剂等）以用于从样本提取不同类型的分析物。在某些实施例中，添加反应物（例如，溶剂、酸、碱）以增强某些分析物的检测或者抑制样本基质的推理（inference）影响。在某些实施例中，样本探针将在分析期间通过自动设备来更换。

本发明可以是用于从处于不同物理状态（例如，固体、液体、气体）的给定样本在环境压力和温度下电离和解吸分子（分析物）的方法和系统。系统包括用于生成和应用样本2上的兆伏静电势的静电发电机1。在实验中使用的兆伏静电发电机1在正离子模式中生成从+10,000 V到+1,000,000 V或者更宽的范围中的电势，并且在负离子模式中生成从-10,000 V到-1,000,000 V或者更宽的范围中的电势。系统还包括用于指引在样本2上的兆伏静电势的电连接设备（例如，样本保持件）。样本2以静电方式带电并且样本2上的分析物通过兆伏静电势来电离和解吸。所解吸的离子4被指引到任何适当的检测器，例如质谱仪5以用于检测、标识和定量。

图1示意性图示了用于实践本发明的系统的一个实施例。在该系统中，样本2电连接到兆伏静电发电机1。样本2处于环境条件下。由兆伏静电发电机1生成兆伏静电势，兆伏静电发电机1可以是范德格拉夫静电发电机。然后使样本2以静电方式带电。对于大尺寸的样本2，诸如成年人，使用绝缘块3以防止它电接地。绝缘盒3可以由诸如木头或塑料之类的绝缘材料制成。高静电荷的累积对于样本上的分析物的电离是关键的。可替换地，如果正分析小和中等尺寸的样本，则它们经由电传导性样本保持件而连接到兆伏静电发电机1而没有触到地，并且因而不要求绝缘块3。尽管在此处描述了范德格拉夫静电发电机，但是可以使用能够生成兆伏静电势的任何设备以用于样本的静电带电。

在正离子模式中，兆伏静电发电机1生成正兆伏静电势。因而，在样本2上累积正静电势。通过静电势电离样本2的表面上的分析物。阳离子和自由基阳离子4可以被形成和由于电排斥而从样本表面被解吸，因为样本2的表面带正电。所解吸的离子4可以被转移到质谱仪5的入口以用于质量分析和检测。所解吸的离子4直接地通过质谱仪5的入口被收集，或者在离子转移设备的帮助下被转移到质谱仪5的入口。尽管在此处描述了正离子的生成和检测，但是本发明还可以在负离子模式中来操作以用于阴离子和自由基阴离子的生成和检测。简要地，生成负兆伏静电势并将负兆伏静电势应用于样本，并且生成负离子并使用质谱仪对负离子进行检测。样本2可以是处于不同尺寸的活生物体，例如成年人，或者一些生物细胞。样本2也可以是非活体材料，包括但不限于草本植物组织切片、精细化学粉末、药用片、衣物中所吸收的易燃溶剂或者在桌面上放置的爆炸物（诸如处于固相的药用片、处于液相的易燃溶剂以及处于气相的人类呼吸）。

图2示意性图示了用于实践本发明的系统的另一实施例。在该系统中，绝缘样本转移管道6经由电传导材料8连接到静电发电机1。电传导材料8的选择包括但不限于金属或电传导塑料。从管道6的另一端注射气体或液体样本7。由兆伏静电发电机1生成兆伏静电势，兆伏静电发电机1可以是范德格拉夫静电发电机。样本7中的分析物分子通过兆伏静电势而从管道6的另一端来电离和解吸。管道6由绝缘材料制成，绝缘材料包括但不限于木头、塑料和玻璃。

在正离子模式中，兆伏静电发电机1生成被应用于样本转移管道6的正静电势。阳离子和自由基阳离子4可以被形成和由于电排斥从样本转移管道6被解吸，因为管道6带正电。通过将管道6的出口指向朝着质谱仪5的入口，将离子4的流指引到质谱仪5以用于质量分析和检测。尽管在此处描述了正离子的生成和检测，但是本发明也可以在负离子模式中操作以用于阴离子和自由基阴离子的生成和检测。样本7可以处于气态或液体状态中。气体样本可以包括但不限于人类呼吸气体、空气污染样本或者从气体色谱仪所输出的样本等；而液体样本可以包括但不限于水样本、饮料样本或者从液体色谱仪所洗提的样本等。

示例说明了主题发明。除非以其它方式在以下示例和说明书及权利要求中的其它地方中指示，否则所有份数（part）和百分比是以重量计的，所有温度是以摄氏温度计的，并且压力是在大气压处或附近。

关于针对给定特性的任何数字或数值范围，来自一个范围的参数或数字可以与来自用于相同特性的不同范围的另一数字或参数组合以生成数值范围。

除在操作示例中或以其它方式指示之外，在说明书和权利要求中使用的对成分、反应条件等引用的所有数、值和/或表达式（expression）要理解为在一切情况下由术语“大约”修饰。

尽管已经关于某些实施例解释了本发明，但是要理解到，通过阅读说明书，其各种修改将对于本领域技术人员变得明显。因此，要理解到，本文公开的发明意图涵盖如落在随附权利要求的范围内的这样的修改。