在电喷雾电离中用于去除微粒物质的偏轴通道的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气压下运行与一台质谱仪耦联的电喷雾电离(ESI)装置，特别是一种特殊的微电喷雾，其喷雾流速范围为每分钟0.1至100微升。
【背景技术】
[0002]可以使用LC/MS(液相色谱-质谱(liquid chromatography/massspectrometry))中使用的电喷雾电离装置来分离、识别、表征、和定量很大范围的样品分子，特别是尚分子量分子，例如多肽和蛋白。
[0003]在过去的二十年中，已经开发了一些LC/MS可使用的电喷雾装置和方法。当今，LC/MS检测主要采用每分钟50至5000微升的LC液流进入质谱仪中的ESI源。对于这些较高的LC液流流速，气动辅助电喷雾已成为一种优选技术。该技术使用一种加热的鞘气围绕ESI喷嘴共轴快速吹入，以辅助带电液滴形成、去溶剂化和最终汽化，以获得尽可能纯的分析物分子的离子流。这些离子部分高度带电(highly-charged)。虽然这种气体很大程度上帮助形成喷雾，并使电喷雾电离操作更容易和更稳定，但过多的气体会稀释样品离子，导致较低的样品转移效率和降低灵敏度。
[0004]在电喷雾电离中，高电场首先会将喷雾溶液的连续且高度带电的射流喷射出喷雾毛细管尖端的液面。喷雾溶液射流会在数十分之一毫米(millimeter)后衰减为大量的(每秒约17至10 8个液滴)细微而高度带电的液滴，其直径范围为1.0至2.0微米(micrometers) 0这些液滴会快速形成云雾，其会在空间电荷驱动下发生侧向延伸。在这种情况下，这些液滴会在多种效应下越来越小:带电溶剂分子(类似水合氢离子)和带电分析物分子抛射样汽化，电荷不平衡会排斥较小的高电荷液滴，或断裂液滴。所有这些过程会伴随液滴蒸汽冷却，其需要在加热的鞘气中由碰撞加热所补偿。在大多数情况下，液滴最终完全汽化，留下带电分子，包括带电的分析物分子。
[0005]但是，这一过程并不会总以完全汽化结束。如果开始时液滴过大，或者喷雾液体的液滴中重分子浓度过高，则液滴不会在与离子源直径可比的距离中完全汽化。由于液滴可能会过冷不适于进一步汽化，该汽化可能会停止。在一个液滴中的高浓度下，可能会形成分子的多聚物，其不会变成片状。在液滴内可能会形成凝胶样结构。一些液滴甚至可能会过饱和，会发生分子的突然结晶，这样不能再次削弱液滴。通过不要将喷雾导向该入口而是使之偏轴，可以让所有这些液滴进入但不穿过质谱仪。相对重的液滴的惯性会使其脱离。
[0006]大多数这类ESI源使用这种偏轴喷雾以使质谱仪受到包含在LC洗脱液中未完全汽化的小液滴的污染降至最低。虽然高度带电，高惯性液滴会脱离进入质谱仪的电吸引入口孔。一些ESI源使用特殊温控和气流来进一步降低质谱仪的污染，并增加LC/MS检测的稳定性，例如通过在喷雾束周围使用鞘气和保护进气口的气帘。
[0007]如果液滴只包含有最大数量的一种分子量较大的分子，那么任何LC/ES1-MS检测都能最佳运行。但这一规则通常会被打破，这是因为其限制了检测的最低水平。
[0008]虽然使用较大的样品量并结合当前高流量LC-ESI/MS系统可使检测限降低，但样品量会越来越受限，因为越来越多的检测需要在有限的患者生物体液上进行，例如血液、尿液、痰液等。随着这些检测所需灵敏度越来越高，研究者已尝试使用微ESI (microESI)(每分钟?0.1 至 100 微升(microliters per minute))或 nanoESI (每分钟?10 至 1000 纳升(nanoliters per minute))来实现所需的较低检测限，但这些尝试至少一定程度上是失败的，无法提供定量生物分析所需的精确度和稳定性。
[0009]对于最低流速的LC/MS，nano喷雾电离((nanoESI))已成为一种优选技术(M.S.Wilm and M.Mann,Int.J.Mass Spectrom.1on Processes，136-167，1994 ；and M.Mannand M.S.ffilm,U.S.Pat.N0.5，504，329]。nanoESI使用极低流速的液流，仅为每分钟10至1000纳升，以及非常窄的喷嘴出口，其距离质谱仪进气口非常近，这会导致形成非常小的喷雾液滴，直径仅在200纳米(nanometer)范围内。在大多数情况下，这些微小液滴会在质谱仪入口毛细管中完全汽化，无需额外气流的辅助。虽然nanoESI连接质谱仪所提供的离子信号基本与传统ESI质谱仪相同，但这是一种浓度敏感的检测技术，其可以使nanoESI成为高灵敏度应用的最佳技术。由于nanoESI中不使用额外气体，可实现高离子转移效率，但其代价为放弃了气动辅助电喷雾的简单易行性和稳定性。
[0010]使用nanoES1-MS时，液流流速、溶剂成分、喷嘴电压、喷嘴设计、喷嘴完整性和喷嘴出口相对质谱仪入口孔的位置都是好的喷雾稳定性的至关重要的因素，是液滴生成和液滴雾化以及稳定的离子转移效率的适宜电离所需要的。一般可通过拉伸和切割熔融的二氧化硅管路制作nanoESI喷嘴，使之成为每分钟纳升流速下稳定喷雾所需的非常小的ID/OD尖端，但这些尖端难于复制，并操作时易碎和容易堵塞。由于这些限制，很难设置和维持nanoESI，这样就不太适合于需要稳定操作的分析。由于一般会限制nanoESI流速低于I yL/min，贝Ij必须使用nanoLC来分离样品，因为其具有自身问题和限制。nano LC需要特殊的仪器和仔细操作来确保最佳性能。nanoLC柱(< 150ym ID)具有有限的样品容量，需要特殊的样品进样方案来加载大样品容量，其缺乏较大LC柱的稳定性。最后，nanoLC/nanoES1-MS所用的低流速通常会导致样品分析时间较长，这样这种技术不适用于高通量应用，例如生物标记物验证和药物开发。
[0011]人们已多次尝试开发商品化可用的微ESI源(有时称为微喷雾电离ySI)，以克服nanoESI的限制，但这些微ESI源并未获得很好的接受。这些微ESI源基本是气动辅助ESI的微缩版，其在每分钟0.1至100微升下操作。与nanoESI相比，其可提高稳定性，并能够在较高的LC液流流速下工作，但增加的气流会导致离子转移效率降低，并降低灵敏度，而这对大多数研究者而言是不可接受的。因此，申请人研发了一种特殊的微ESI/MS电喷雾仪器和方法，其克服了经典ES1、微ESI和nanoESI的局限，同时不降低对于高灵敏度应用而言至关重要的离子转移效率。本仪器详见美国专利编号8，227，750B1描述，其已上市，商品名为“CaptiveSprayTM”。CaptiveSprayTM离子源喷雾腔内的气流只由气流通过入口毛细管进入质谱仪真空系统产生的拉力控制；无任何附加的气栗。本仪器和方法提供简单稳定的操作，动态液流范围较宽，可维持较高的独立于LC液流的离子转移效率。本文件以引用方式完整引述了上述专利文件(US 8，227，750)。
[0012]图4出示美国专利编号8，227，750中截取的示意图，其中很明显，直接引导进入质谱仪真空段(未示)的喷雾毛细管401和转移毛细管407对齐共轴。
[0013]已证明CaptiveSprayTM离子源是nano ESI源很好的替代品，可用于高灵敏度的蛋白质组LC/MS应用，其中所有样品成分为待测成分。在许多LC/MS应用中，例如生物分析，待测成分通常仅以低浓度存在，并仅代表整个样品的一小部分。为检测极低浓度的成分，使用非常高浓度的样品溶液，较传统ESI高很多。喷雾液体中的高浓度会导致一些包含有许多主要成分的分子(有时称为“基质”组分)的液滴在平常的溶剂离子汽化、液滴分裂和最终汽化作用下并未完全消失。通过溶剂的汽化过程，液滴会变得过度饱和，可能会出现一种结晶。
[0014]LC/ES1-MS使用的质谱仪通常很容易受到微粒物质例如液滴的污染，其会削弱质谱仪的灵敏度。如果使用较高分析物浓度的喷雾液体，甚至CaptiveSprayTM离子源也会导致质谱仪污染。
【发明内容】
[0015]虽然样品的制备和LC分离可以从待测化合物中去除主要样品成分(“基质”成分)的大部分，经验表明，如果使用高浓度有机化合物的喷雾液体，会在质谱仪中形成沉淀。本发明描述了在ESI离子源中使用一种“偏轴”预进通道，S卩，其与离子源的主轴线不对齐。这会产生一种类似减速弯道的配置，可阻止具有较高惯性的微粒物质(例如液滴)进入质谱仪的进气口毛细管。微粒物质在预进通道的层流气体中通过Bernoulli聚集方式聚集，并被导向撞击在进入质谱仪的主要进气口毛细管入口旁的区域。消除微粒物质改善了 LC/MS生物检测的定量精确度、最小化质谱仪内的污染，并改善高通量检测的稳定性。
[0016]根据本发明的一种电喷雾离子源在基本为大气压下运行，并与一台质谱仪的入口毛细管耦联。该离子源具有基本密闭的喷雾腔，在其中，气体在通过进气口毛细管进入质谱仪真空中的气流吸引作用下被抽走。提供预进通道，其引导气载离子从密闭的喷雾腔进入进气口毛细管的入口，但预进通道相对该离子源的主轴线是偏轴的。预进通道导向至进气口毛细管的入口旁的碰撞区，液滴或其他微粒物质在此处沉淀，以避免其进入进气口毛细管。
[0017]在本发明的示意实施例中，碰撞区位于进气口毛细管的托架处，其可由金属制成，并可从离子源处移除。在本实施例的一个修改例中，该托架可相对于偏轴预通道的出口旋转，允许将沉淀有来自预通道材料的部分托架进行变换。碰撞区还可设置有沟槽或孔。本发明还可使用位于可旋转的材料块(例如金属)内的预通道。可以在进气口毛细管的托架上提供离子吸引电位，以便将离子沿曲线运动轨迹从预通道的出口引导至进气口毛细管的入口处。预通道还可相对水平轴线竖直向下。在本发明的一个版本中，该离子源具有喷雾毛细管，其传输待喷雾的样品液体，并导向至预通道的入口处，有利于基本完成喷雾气体辅助取样进入该预通道。
[0018]本发明解决的主要问题是降低进入质谱仪(MS)内的ESI离子源生成的液滴(或一般微粒物质)数量。消除离子源内的液滴，使质谱仪的污染最小化，改善质谱仪中断运转情况，并改善LC/MS试验的定量精确度。
[0019]通过在电喷雾电离中应用用于预进通道的偏轴设计，在不降低通量、稳定性或精确度的情况下，在