离子聚焦构件及使用离子聚焦构件的质谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种离子聚焦构件，包括一表面布满凹窝的球体。该离子聚焦构件用以设置于一质谱仪中，使该球体位于一分析物离子的喷洒路径上，并位于一金属毛细管与一质量分析器之间。当喷洒的分析物离子流经该球体时，分析物离子会被聚集至该球体与该质量分析器之间，再通过电位差而进入质量分析器中进行分析。从而，本发明的离子聚焦构件能够有效提高进入质量分析器的分析物离子的量，以提升离子传输效率，使得配备有本发明的离子聚焦构件的质谱仪能够具有信号强度增加、检测误差降低与检测极限降低等优势。
【专利说明】
离子聚焦构件及使用离子聚焦构件的质谱仪
技术领域
[0001]本发明关于一种离子聚焦构件，特别是指一种应用于质谱仪中，用以聚集分析物离子的离子聚焦构件。本发明还关于一种应用该离子聚焦构件的质谱仪。
【背景技术】
[0002]近年来，使用电喷洒游离(Electrospray 1nizat1n，以下简称ESI)装置的质谱仪，已经广泛地应用于合成化合物结构鉴定、环境有毒物质检测、能源成分分析、药物开发、生物或药物代谢体学、天然产物分析、食品成分分析等领域。
[0003]质谱仪主要包括一游离装置、一质量分析器以及一检测器。图1所示，即为商业化ESI装置10的游离机制示意图，ESI装置10主要具有一金属毛细管(metal capillary) 11，金属毛细管11的管口端111对应于该质量分析器20的进样口 21。进行检测时，该管口端111与该质量分析器20的进样口 21之间建立有约3,000至5,000伏特的电位差，使金属毛细管11内的待测样品溶液30朝该管口端111流动，位于该管口端111的样品溶液30会受到电场作用力与液体表面张力的影响，而形成布满电荷的泰勒锥(Taylor Cone)T，当电场作用力大于液体表面张力时，就会发生电喷洒现象，产生带有多价电荷的微液滴31，微液滴31内的溶剂会经一雾化气体40吹拂而逐渐挥发，形成分析物离子33，之后经进样口 21进入质量分析器20内进行分析，以获得质谱图。
[0004]如图1所示，由于传统ESI机制的金属毛细管11喷洒出的分析物离子33会呈现羽流状(plume)，也即分析物离子33的分散面积会远大于质量分析器20的进样口 21的截面积，导致至少有50%的分析物离子33无法进入质量分析器20中，造成配备有传统ESI装置的质谱仪的分析物信号强度明显降低以及检测极限无法降低等问题。
[0005]为改善前述问题，发展出许多通过控制电场的方式集中离子，再将离子传送至质谱仪的方法，例如电场不对称离子运动游离源(Field Asymmetric 1n MobilitySpectrometry ,以下简称FAIMS)。但前述方法会受到麦克斯韦方程式(Maxwe11' sequat1ns)的影响，使其集中离子的效果有限。同时，FAIMS的装置庞大、费用昂贵且无法适用于各种品牌及机型的质谱仪，使其应用性受限。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的一目的在于提供一种离子聚焦构件，其可直接应用于各种质谱仪，适用性好，且能够有效地提高进入质量分析器的分析物离子的量，以有效提高分析物的信号强度，降低质谱仪的检测极限。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种应用前述离子聚焦构件的质谱仪。
[0008]为达成前述目的，本发明所提供的一种离子聚焦构件，可应用于一质谱仪，该质谱仪包括有一金属毛细管以及一质量分析器，该金属毛细管用以喷洒出分析物离子，而该质量分析器具有一进样口。本发明的离子聚焦构件包括有一球体，其表面布满多个凹窝。当该离子聚焦构件设置于该质谱仪内时，该球体位于该分析物离子的喷洒路径上且邻近该质量分析器的进样口，使该球体具有分别朝向该金属毛细管以及该质量分析器的一前侧以及一后侧。从而，当金属毛细管喷出的分析物离子流经该球体时，该球体表面的该等凹窝会使分析物离子紧贴球体表面而聚集至该球体后侧的下游处，邻近该质量分析器的位置，使得该分析物离子经由电位差而进入质量分析器中。如此，相较于传统ESI装置，本发明可通过流体力学原理将呈羽流状喷洒的分析物离子聚集至该球体后侧的下游位置，而被该质量分析器所接收，以有效地提高进入质量分析器中的分析物离子的量，成功提升离子的传输(1ntransmiss1n)效率。因此，当本发明使用于质谱仪时，可使质谱仪具有分析物信号强度增强、检测误差降低以及检测极限降低等优点。
[0009]在本发明所提供的离子聚焦构件中，该球体表面的该凹窝的内径可为Inm至1mm。
[0010]在本发明所提供的离子聚焦构件中，该球体表面的该凹窝的深度可为Inm至小于该球体半径。
[0011]在本发明所提供的离子聚焦构件中，该球体最好由耐酸碱溶液、耐有机溶剂以及耐至少260°C以上高温的材质所制成，以避免球体损坏或是影响分析结果。
[0012]另一方面，本发明还提供一种使用前述离子聚焦构件的质谱仪，其包括有一质量分析器、一金属毛细管以及前述离子聚焦构件。该质量分析器具有一进样口，该金属毛细管用以供一分析物离子喷出，该离子聚焦构件设置于该质量分析器与该金属毛细管之间，使该球体位于该分析物离子的喷洒路径上。如此，当分析物离子喷洒至该球体前侧时，该分析物离子会沿该球体的表面移动而聚集至该球体后侧的下游位置，此时，通过该金属毛细管与该质量分析器之间的电位差，就能使聚集于该球体后侧的该分析物离子朝该质量分析器的进样口移动，以提高进入质量分析器的分析物离子的量。从而，本发明的质谱仪具有离子传输效率高、检测误差低以及检测极限低等优点。
[0013]有关本发明所提供的离子聚焦构件以及质谱仪的详细构造及其特征，以下将列举实施例并配合附图，在可使本领域技术人员能够简单实施本发明实施例的范围内进行说明。
【附图说明】
[0014]图1为商业化电喷洒游离装置的游离机制示意图；
[0015]图2为依据本发明一优选实施例的离子聚焦构件设置于质谱仪的游离腔室中的示意图；
[0016]图3为本发明的离子聚焦构件的球体的局部放大剖视图；
[0017]图4为利用本发明该优选实施例的离子聚焦构件聚集分析物离子的示意图；
[0018]图5为使用现有ESI装置的质谱仪以及使用现有ESI装置搭配本发明的离子聚焦构件的质谱仪，检测茶叶中氨基酸的信号强度比的图表；
[0019]图6类似图5，其是检测尿液中氨基酸的信号强度比的图表；
[0020]图7类似图5，其是检测血清中氨基酸的信号强度比的图表。
[0021]【符号说明】
[0022]10ESI装置11金属毛细管
[0023]111管口端20质量分析器
[0024]21进样口30样品溶液
[0025]31微液滴33分析物离子
[0026]40雾化气体50放电针
[0027]60离子聚焦构件 61球体
[0028]611表面613凹窝
[0029]A内径B后侧
[0030]D深度F前侧
[0031]I间距T泰勒锥
【具体实施方式】
[0032]
【申请人】首先在此说明，本发明的附图，为求能清晰说明，各组件的结构均被夸大描绘，并未按照实际比例绘制。此外，整篇说明书中，相同的组件均以相同的附图标记予以标不O
[0033]首先请参照图2，本发明第一实施例所提供的离子聚焦构件60，主要包括有一球体
61ο
[0034]该球体61，具有一表面611，其表面分布有多个凹窝613。该球体61优选由耐酸碱溶液、耐有机溶剂以及耐至少260°C以上高温的材质所制成，避免球体61受损或影响分析结果，该球体61的材质例如可为聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚酰亚胺(polyimide，PI)、陶瓷、玻璃，在本例中，该球体由聚酰亚胺材质所制成。该凹窝613的剖面可为(但不限于)圆形或椭圆形。实际制造时，该球体61可具有部分剖面为圆形的凹窝613以及部分剖面为椭圆形的凹窝613。此外，该凹窝613的内径A范围最好为Inm?Imm;该凹窝613的深度D最好为Inm?小于该球体61的半径;而该凹窝613之间的间距I则无特定限制，也即，该凹窝613可等距或是不等距地排列。如图3所示，本文中提及的“内径” A，是指该凹窝613于该表面611的开口的长度，即沿着最长轴的距离或是沿着最短轴的距离；“深度”D，是指该表面611至该凹窝613底部的距离；“间距” I，是指两个相邻凹窝613的两个相邻边缘之间的距离。
[0035]应用时，如图2所示，将本发明的离子聚焦构件60设置于一质谱仪的游离腔室内，前述质谱仪具有一金属毛细管11以及一具有一进样口 21的质量分析器20。将该离子聚焦构件60设置于该质谱仪的游离腔室内的方式并无特定限制，举例来说，可以透过将一杆件(图中未示)镶嵌于该球体61内，再将前述杆件的另一端固定于质谱仪的游离腔室的壁面，而将该球体61固定于该金属毛细管11与该质量分析器20的进样口 21之间，该球体61朝向该金属毛细管11的一侧定义为前侧F，该球体61朝向该质量分析器20的一侧定义为后侧B，该球体61的后侧B邻近该质量分析器20的进样口 21。
[0036]如图4所示，当该金属毛细管11朝向该球体61的前侧F喷洒出分析物离子33时，呈现羽流状分散的分析物离子33会流经该球体61，该球体61表面的该凹窝613会扰乱层流，使分析物离子33紧贴球体61表面，继而聚集至该球体61后侧B的下游位置，再通过电压差使分析物离子33进入质量分析器20中进行检测，以获得质谱图。通过此流体力学的原理，可将现有ESI呈现羽流状喷洒而流失的分析物离子33都聚集至球体61后侧B的下游位置，以增加进入质量分析器20中的分析物尚子33的量。
[0037]现将通过以下实验例进一步阐明本发明，然而该等实验例仅用以更加了解本发明，而非用以限制本发明的范围，凡是本领域技术人员，在不违反本发明创作精神下所为的各种变化与修饰均属本发明的范畴。
[0038]〔实验例I〕茶叶中氨基酸的检测
[0039]首先，将Img的乌龙茶茶叶研磨捣碎后与1mL超纯水(电阻值18.2MΩ.cm)混合，之后，于90°C水浴中进行隔水加热并搅拌，加热5分钟后冷却至室温。其后，于转速14，000rpm及温度4°C的条件下进行离心5分钟，取出上层澄清液。
[°04°] 检测时，利用三段四极矩质谱仪(购自Thermo Finnigan，型号Finnigan TSQUltra EMR)，仅以现有ESI装置以及使用本发明该优选实施例的离子聚焦构件于ESI接口下分析前述澄清液，所得结果显示于图5，各参数的设定如下:
[0041]离子源(1nsource)温度:270°C ;
[0042]雾化气体流速:50arb;
[0043]去溶剂气体流速:1arb;
[0044]毛细管电压:ESI正离子模式为4.5kV。
[0045]由图5所示结果可以清楚看出，使用本发明的离子聚焦构件于ESI接口下测得的氨基酸的信号明显均高于仅使用ESI装置的质谱仪所测得的信号。其次，仅使用ESI装置时，并无法测得半胱胺酸(Cysteine，缩写Cys)的信号，搭配使用本发明的离子聚焦构件后，就能够测得半胱胺酸的信号。而且，比较其他19种氨基酸，搭配本发明的离子聚焦构件于ESI界面检测，所测得的氨基酸的信号分别增强了约2?51倍，显见本发明的离子聚焦构件确实能够有效地提升进入质量分析器的分析物离子的量。
[0046]〔实验例2〕尿液中氨基酸的检测
[0047]将IyL待测尿液与超纯水混合至总体积为500yL，以超音波振荡I分钟后，使用装设有过滤薄膜的离心瓶于转速14，000rpm及温度4 °C的条件下进行离心10分钟，取出离心过滤后的液体。
[0048]检测时，利用上述三段四极矩质谱仪，仅以现有ESI装置以及使用本发明该优选实施例的离子聚焦构件于ESI接口下分析前述澄清液，所得结果显示于图6，各参数的设定如下:
[0049]离子源(1nsource)温度:270°C;
[0050]雾化气体流速:50arb;
[0051 ] 去溶剂气体流速:1arb;
[0052]毛细管电压:ESI正离子模式为4.5kV。
[0053]由图6所示结果可以清楚看出，使用本发明的离子聚焦构件于ESI接口下测得的氨基酸的信号明显均高于仅使用ESI装置的质谱仪所测得的信号。其次，仅使用ESI装置时，并无法测得半胱胺酸(Cys)的信号，搭配使用本发明的离子聚焦构件后，就能够测得半胱胺酸的信号。而且，比较其他19种氨基酸，搭配本发明的离子聚焦构件于ESI界面检测，所测得的氨基酸的信号分别增强了约11?2525倍。
[0054]〔实验例3〕血清中氨基酸的检测
[0055]将IyL待测血清与超纯水混合至总体积为500yL，以超音波振荡I分钟后，使用装设有过滤薄膜的离心瓶于转速14，000rpm及温度4 °C的条件下进行离心10分钟，取出离心过滤后的液体。
[0056]检测时，同样利用上述三段四极矩质谱仪，仅以现有ESI装置以及搭配使用本发明该优选实施例的离子聚焦构件于ESI接口下分析前述澄清液，所得结果显示于图7，各参数的设定如下:
[0057]离子源(1nsource)温度:27(TC;
[0058]雾化气体流速:50arb;
[0059]去溶剂气体流速:1arb;
[0060]毛细管电压:ESI正离子模式为4.5kV。
[0061]由图7所示结果可以清楚看出，使用本发明的离子聚焦构件于ESI接口下测得的氨基酸的信号明显均高于仅使用ESI装置的质谱仪所测得的信号。其次，仅使用ESI装置时，并无法测得甘胺酸(Glycine，缩写Gly)、丙胺酸(Alanine，缩写Ala)、半胱胺酸(Cys)、天冬酰胺酸(Asparagine，缩写Asn)、天门冬胺酸(Aspartate，缩写Asp)以及精胺酸(Arginine，缩写Arg)的信号，而搭配使用本发明的离子聚焦构件于ESI界面后，就能够测得前述氨基酸的信号。而且，比较其他14种氨基酸，搭配使用本发明的离子聚焦构件于ESI界面检测，所测得的氨基酸的信号分别增强了约31?1467倍。
[0062]由实验例I?3的结果可知，将本发明的离子聚焦构件应用于传统ESI界面下进行复杂基质中的氨基酸分析时，对于浓度低的待测样品，仍然可以测得氨基酸信号，此特点有助于微量生化样品的检测。
[0063]综上所述，由于本发明的离子聚焦构件能够有效地将呈羽流状散布的分析物离子聚集至邻近质量分析器进样口的位置，因此能够大幅提高进入质量分析器的分析物离子的量，以提升离子传输效率，使得配备有本发明的离子聚焦构件的质谱仪具有信号强度增加、检测误差降低与检测极限降低等优点。此外，由于本发明的离子聚焦构件能够直接结合于现有的质谱仪，因此还具有适用范围广的优势。
【主权项】
1.一种离子聚焦构件，其特征在于，用以设置于一质谱仪，该质谱仪包括有一用以喷洒分析物离子的金属毛细管，以及一具有一进样口的质量分析器，该离子聚焦构件包含有: 一球体，具有一布满多个凹窝的表面、一用以朝向该金属毛细管的前侧、以及一用以朝向且邻近该质量分析器的进样口的后侧； 其中该球体用以设置于该分析物离子的喷洒路径上，当该分析离子喷洒至该球体前侧时，该分析物离子会沿该球体的表面移动而聚集至该球体后侧的一下游位置，并通过该金属毛细管与该质量分析器之间的一电位差，使聚集至该球体后侧的下游位置的该分析物离子朝该质量分析器的进样口移动。2.如权利要求1所述的离子聚焦构件，其特征在于，其中球体表面的该凹窝的内径范围为Inm至Imm03.如权利要求1所述的离子聚焦构件，其特征在于，其中该球体表面的该凹窝的深度范围为I nm至小于该球体半径。4.如权利要求1所述的离子聚焦构件，其特征在于，其中该球体由耐酸碱溶液、耐有机溶剂以及耐至少260°C以上高温的材质所制成。5.如权利要求4所述的离子聚焦构件，其特征在于，其中该球体的材质为聚醚醚酮、聚酰亚胺、陶瓷或玻璃。6.一种质谱仪，其特征在于，包含有: 一质量分析器，具有一进样口； 一金属毛细管，用以供一分析物离子喷出；以及 一如权利要求1至5中任一项权利要求所述的离子聚焦构件，设置于该质量分析器的进样口与该金属毛细管之间并位于该分析物离子的喷洒路径上。
【文档编号】H01J49/04GK105938788SQ201610107619
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】李茂荣, 李妍娴
【申请人】薛富盛