Brevet FR2637735A1 — publié le 19900413

INTERFACE A MEMBRANE CAPILLAIRE POUR UN SPECTROMETRE DE MASSE La présente invention se rapporte de façon générale à des S spectromètres de masse et de façon plus particulière à un dispositif et à un procédé pour introduire un échantillon dans un spectromètre de masse qui emploie un tube capillaire semi- perméable. L'introduction sélective de composants d'un fluide dans un spectromètre de masse a été un problème longtemps en suspens. Une approche pour résoudre ce problème a été d'utiliser différents types de séparateurs moléculaires incluant des séparateurs à membrane. L'emploi de séparateurs à membrane est particulièrement avantageux lorsque l'on désire surveiller des produits organiques dans un milieu aqueux. Ces séparateurs à membrane ont permis l'analyse de solution et de gaz à l'état de trace ainsi que des -études in vivo pour des molécules organiques de faible poids moléculaire. Ils ont également été appliqués à la surveillance de réaction, y compris à l'analyse indirecte de composants particulaires par l'intermédiaire de la formulation de produits secondaires. Les publications et brevets suivants sont donnés à titre d'exemples de l'état de l'art dans ce domaine. "Novel Mass Spectromatric Sampling Device-Hollow Fiber Probe"(Nouvelle sonde en fibre creuse pour un dispositif de prise d'échantillon en spectrométrie de masse), par L. B. Westover, J. C. Tou, et J. H. Marc, Analytical Chemistry (1974), Volume 46, page 568; "Biochemical Assay By Immobilized Enzymes and A Mass Spectrometer"(Essai biochimique dans le cas des enzymes immo- bilisés et spectromètre de masse), par J.C. Weaver, M. K. Mason, J.A. Jarrel, et J. W. Peterson, Biochimica et Biophysica Acta, (1976&,volume 438, page 296; "Mass Spectrometer Polymer Membrane Sample Introduction Device "(Dispositif è membrane polymère pour l'introduction d'un échantillon dans un spectromètre de masse" par G.J. Kallos et N.H. Mahle, Analytical Chemistry (1983), Volume 55, page 813; Le brevet U.S. No. 3 429 105 (Llewellyn, et al.) délivré le 25 Février 1969; le brevet U.S. No. 3 925 561 (Lucero), délivré le 16 Décembre 1985; le brevet U.S. No. 3 638 401 (Kabler), délivré le ler Février 1972; le brevet U.S. No. 3 649 199 (Littlejohn), -délivré le 14 Mars 1972; et le brevet U.S. No. 3 662 520 (Sanders), délivré le 16 Mars 1972. De façon générale, ces interfaces à membrane de l'art antérieur ont été placées à l'extérieur de la source d'ions du spectromètre de masse. Ceci peut provoquer le long des lignes de transfert une condensation qui peut se traduire par de mauvais temps de réponse, des effets de mémoire et une dilution de l'échantillon à analyser pour ces configurations, qui par ailleurs sont utiles. En plus des problèmes causés par la distance que l'échantillon analysé doit parcourir pour atteindre la source d'ions du spectromètre de masse, les in- terfaces à température ambiante donnent souvent de mauvais temps de réponse et des effets de mémoire dus à l'effet d'abaissement des vitesses de perméation avec la température. D'autres inconvénients de l'art antérieur comprennent la confiance que l'on peut mettre en des volumes d'échantillon relativement importants et le fait qu'il n'a pas été prévu de pouvoir éliminer une solution en excès ou une solution à rejeter. Par conséquent, un but principal de la présente invention est de proposer, pour introduire un échantillon dans un spectro- mètre de masse, un nouveau dispositif qui emploie une membrane capillaire semiperméable. Un but plus spécifique de la présente invention est de proposer une interface de spectromètre de masse qui emploie un tube capillaire semiperméable à travers lequel un fluide contenant l'échantillon qui dcit être analysé peut s'écouler. Un autre but de la présente invention est de proposer, pour un spectromètre de masse, une interface à membrane capillaire que l'on peut disposer directement dans la source d'ions du spectromètre de masse. Un autre but de la présente invention est de proposer une sonde à membrane à insertion directe (DIMP) pour l'introduction sélective de molécules organiques, depuis une solution aqueuse, dans un spectromètre de masse. Un but supplémentaire de la présente invention est de proposer une sonde à membrane à insertion directe qui ne nécessite pas d'importants volumes d'échantillon et permette également de recycler la solution aqueuse à travers lamembrane capillaire. Un autre but encore de la présente invention est de proposer une sonde à membrane à insertion directe qui puisse s'utiliser avec toute une variété de spectromètres de masse, y compris des spectromètres de masse en tandem. Un autre but encore de la présente invention est de proposer une sonde à membrane à insertion directe qui soit chauffée pour améliorer la vitesse de perméation de l'échantillon analysé et diminuer tout effet de mémoire dans la membrane -capillaire. Un autre but encore de la présente invention est de proposer une sonde à membrane à insertion directe qui puisse s'utiliser pour surveiller des échantillons provenant d'un processus de réaction. Un autre but encore de la présente invention est de proposer une sonde à membrane à insertion directe qui soit de fabrication économique et qui présente une sensibilité élevée, en particulier pour des composants en solutions aqueuses. Pour atteindre les buts ci-dessus de la présente invention, on propose, pour introduire un échantillon dans un spectromètre de masse, un dispositif qui comporte de façon générale une sonde reliée au spectromètre de masse et un tube capillaire semi- perméable relié à l'extrémité de la sonde. La sonde présente des passages, sous forme de conduites, pour permettre un écoulement bidirectionnel du fluide à travers la sonde, et le tube capillaire est relié à l'extrémité de la sonde pour permettre l'écoulement, à travers la sonde et le tube capillaire, d'un fluide contenant l'échantillon à analyser.Cet écoule- mentde fluide à travers le tube capillaire va permettre à au moins une petite fraction de l'échantillon d'être transférée dans le spectromètre de masse par diffusion à travers le tube capillaire. Dans l'une des formes de la présente invention, la sonde est de préférence reliée au spectromètre de masse de façon telle que le tube capillaire soit disposé dans la source d'ions du spectromètre de masse. Cette extrême proximité entre le tube capillaire et la région d'ionisation du spectromètre de masse permet à la haute température de la source d'ions d'améliorer la vitesse de perméation de l'échantillon à analyser et donc de diminuer les effets de mémoire du tube capillaire. Bien que cette configuration tire avantage d'un transfert de chaleur en provenance de la source d'ions, on peut également utiliser d'autres sources convenables de chaleur. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la lecture de la description détaillée des réalisations préférées qui se réfèrent à l'ensemble suivant de dessins. La figure 1 est une vue schématique d'un spectromètre de masse utilisant une réalisation d'un dispositif d'interface à membrane conforme à la présente invention. La figure 2 est une autre vue schématique de l'interface du spectromètre de masse qui illustre particulièrement un dispositif d'interface à membrane conforme à la présente invention. La figure 3 est une vue en élévation latérale d'une sonde à membrane à insertion directe conforme à la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe, à échelle agrandie, d'une portion de la sonde à membrane à insertion directe représentée sur la figure 3. La figure 5 est une autre vue en coupe de la sonde à membrane à insertion directe de la figure 4, qui illustre en particulier sa mise en place dans la source d'ions d'un spectromètre de masse. En se référant à la figure I,il y estreprésenté schémati- quement un spectromètre de masse 10 utilisant un dispositif d'interface à membrane capillaire conforme à la présente invention. Le spectromètre de masse 10 est représenté sous la forme d'un spectromètre de masse à triple quadruple présentant une source d'ions désignée de façon générale par le chiffre de référence 12. Les quadruples 14 et 16 sont utilisés pour la séparation de masse et le quadruple 18 est utilisé pour la collision et la focalisation. Dans une réalisation conforme à la présente invention, le spectromètre de masse 10 est un spectromètre de masse à triple quadruple Finnigan MAT 4500 équipé d'un système de données Incos Data System 20. Toutefois, on se rendra compte de ce que ce spectromètre de masse n'est identifié qu'à titre d'exemple uniquement et que les principes de la présente invention peuvent également s'appliquer à de nombreux autres spectromètres de masse. C'est ainsi que par exemple, la source d'ions peut être basée soit sur une ionisation par impact d'électrons ou sur une ionisation chimique. Une mini- pompe 22 Milton Roy sert à pomper du fluide, provenant d'un -récipient de réaction ou d'un réservoir d'échantillon 24, à travers un dispositif 26 d'interface à membrane. Des conduites 28, 30 et 32 permettent au fluide contenant l'échantillon à analyser par le spectromètre de masse 10 d'être recyclé à travers la sonde 26 si on le désire. La figure 2 représente un dispositif 26' d'interface à membrane qui correspond de façon générale au dispositif 26 représenté sur la figure 1. Le dispositif 26' est relié au spectromètre de masse 10' de façon que l'une des extrémités du dispositif 26' s'étende dans une région 34 sous vide élevé du spectronètre de masse 10'. Cette région sous vide élevée conduit à la source d'ions qui va ioniser l'échantillon à analyser par le spectromètre de masse. Le dispositif 26' représente une forme antérieure de construction qui comporte de façon générale une longueur de tube capillaire semiperméable 36 qui a été mise en forme de boucle et disposée dans un tube d'acier inoxydable 38. Les branches d'entrée et de sortie 40-42 du tube 36 restent exposées a l'atmosphère, tandis que la boucle 44, en forme de U, du tube est contenu à l'intérieur de la région sous vide élevé 34 du spectromètre de masse 10'. Le tube capillaire 36 est rendu étanche, au moyen d'un ciment époxy, à l'extrémité exposée 46 du tube d'acier inoxydable 38 pour assurer une étanchéité au fluide entre l'atmosphère et la région sous vide élevé 34 du spectromètre de masse 10'. Un joint fileté 48 est prévu pour relier le dispositif 26' au spectromètre de masse 10'. Un joint torique en Viton est également, de préférence, interposé entre le dispositif 26' et le spectromètre de masse 10' au joint fileté 48 pour assurer une étanchéité au vide. On peut trouver la suite de la description de cette disposition, ainsi qu'une discussion des expériences effectuées en utilisant cette disposition, dans "An Exceedingly Simple Mass Spectrometer Interface With Appli- cation To Reaction Monitoring And Ernviromental Analysis" (Une interface excessivement simple pour spectromètre de masse avec application à la surveillance d'une réaction et à l'analyse de l'ernironnement) par J.S. Brobelt et R.G. Cooks, Analytical Chemistry (1985), volume 57, page 1153. Conformément au procédé opératoire de l'invention, on utilise une pompe, une seringue ou un autre moyen de transfert convenable pour introduire un fluide, contenant un échantillon à analyser, dans la branche d'entrée 40 du tube capillaire 36. Ce fluide s'écoule dans la branche d'entrée 40 du tube capillaire 36, passe par la portion de boucle en forme de U 44 du tube capillaire et revient par le tube capillaire pour sortir par la branche de sortie 42 du tube capillaire. Cet écoulement de fluide peut être continu ou discontinu comme cela peut convenir pour l'échantillon à analyser. En ce qui concerne particulièrement la portion de boucle en U 44 du tube capillaire 36, l'échantillon analysé va traverser par perméation le tube, ou diffuser à travers le tube (comme illustré par la zone ombrée qui entoure la portion en boucle 44) pour faciliter son intro- duction dans la région sous vide élevé 34 du spectromètre de lmasse 10'. QO peut utiliser différents fluides pour transporter l'échantil- lon qui doit être analysé à travers le tube capillaire 36. Par exemple, dans un procédé de surveillance de l'environnement, on peut utiliser l'eau provenant d'un flux d'eaux résiduelles industrielles conme fluide contenant un ou plusieurs produits toxiques à anal:yser. Des exemples de composés que l'on peut convenablement introduire dans les spectromètres de masse et analyser au moyen de ce spectromètre comprennent les naphtalènes, les hydrocarbures aromatiques, les hydrocarbures chlorés, le cyclohexanone, les cétones, les éthers et analogues. Il faut également noter que l'on peut utiliser les dispositifs d'interface et les sondes à membrane conformes & la présente invention pour fonctionner comme interface chromatographe en phase liquide/spectromètre de masse. Dans une telle application, il peut être souhaitable d'avoir deux membranes. De façon spécifique, l'une des membranes pourrait agir comme séparateur (sur la base de l'exclusion de par la dimension, de la diffusivité ou autres caractéristiques de la membrane), et la seconde membrane pourrait agir comme interface avec la région sous vide élevée du spectromètre de masse. En se reportant à la figure 3,on voit qu'elle représente une sonde à membrane à insertion directe (DIMPI) 50 conforme à lapré' sente invention. La sonde50 comporte de façon générale une portion 52 formant poignée, une portion cylindrique 54 et une portion en pointe 56. Bien que la sonde 50 soit représentée reliée à une seringue 58, d'autres moyens convenables d'injection pour introduire un échantillon liquide dans la sonde peuvent être prévus dans l'application appropriée. La portion formant poignée 52 et la portion cylindrique 54 de la sonde 50 ont été adaptées à partir d'un outil d'insertion volumique/rétraction volumique des ions Fimnnigan MAT. Toutefois, il faut comprendre que les principes de la présente invention ne sont pas limités à une configuration quelconque de la sonde et que d'autres construc- tions convenables de la sonde peuvent étre employées dans les applications appropriées. En se reportant à la figure 4,on voitqu'elle représenteune vue er. coupe, à échelle agrandie, de la section d'extrémité de la sonde 50. La sonde 50 comporte une paire de conduites allongées et 62 qui s'étendent à travers la portion formant poignée 52, à travers la portion cylindrique 54 et à travers la portion en pointe 56. Dans l'une des formes de la présente invention, les conduites 60 et 62 sont constituées de deux longueurs de cm de tubes d'acier inoxydable à microalésage (diamètre extérieur 0.51 mm x diamètre intérieur 0.13 mm). Toutefois, il faut se rendre compte de ce que l'on peut employer d'autres conduites convenables, comme des tubes en Téflon, des tubes capillaires en silice fondue ou des tubes en acier inoxydable gainés de verre. De préférence, les conduites 60 et 62 sont fixées à la base 64 de la portion en pointe 56 par une soudure 66. Cette liaison doit pouvoir assurer une étanchéité au fluide entre les conduites 60 et 62 et la base 64 de la portion en pointe 56. Il est important que les conduites 60 et 62 soient reliées à la base 64 de façon à laisser une portion de ces conduites s'étendre au-delà de la base 64 (par exemple, 1 cm) pour faciliter la liaison du tube capillaire semiperméable 68 avec les conduites. On relie la membrane 68, formant tube capillaire, aux conduites 60 et 62 en poussant chaque extrémité du tube sur l'une des conduites s'étendant à partir de la base 64 de la portion en pointe 66. Puis, on bobine un fil, ou un fil métallique 70 autour de chacune des extrémités du tube 68 que l'on a poussées sur les extrémités correspondantes des conduites et 62 pour fixer le tube aux conduites, de préférence le fil est un fil en polyfilament. On peut également bobiner un fil supplémentaire autour de tout l'ensemble constitué du tube recouvrant les extrémités des conduites 60 et 62 etd'un éperon 72 qui s'étend depuis la base 64 de la portion en pointe 56. L'éperon 72 sert à stabiliser davantage les extrémités des conduites 60 et 62 et le tube capillaire 68. Comme variante 8emézhode deliaison, on pourrait coller le tube 68 avec une résine époxy sur les extrémités des conduites 60-62. Comme autre variante, on pourrait d'abord faire gonfler le tube 68 dans un solvant, puis le glisser sur les extrémités des conduites 60-62 et le laisser rétrécir en place. Comme représenté sur la figure 4, le tube capillaire 68 forme un chemin de forme générale en U pour le fluide à trans- porter à travers la sonde 50. Toutefois, on se rendra compte de ce que l'on peut utiliser d'autres configurations convenables pour une membrane capillaire. Par exemple, pour augmenter la surface de la membrane capillaire, on pourrait bobiner ou enrouler le tube capillaire 68 autour de l'éperon 72. Dans l'une des formes de la présente invention, le tube capillaire 68 est constitué d'un tube capillaire en silicone polymère à radical diméthylvinyle (ASTM:VMQ, Dow Corning Corporation, Inc.). Toutefois, il faut se rendre compte de ce que le type de matériau choisi pour le tube capillaire pourrait être approprié aux composés ou échantillons à analyser qui doivent traverser par perméation, ou diffuser à travers, le tube au cours de l'opé- ration. Il est avantageux que la portion en pointe 56 soit fixée de façon amovible à la sonde 50 de façon à pouvoir facilement être échangée pour y mettre une membrane capillaire différente ou fraiche. Par conséquent, la portion en pointe 56 est usinée, ou formée autrement, pour donner une section filetée 74 qui sert à monter la portion en pointe 56 sur la portion cylindrique 54 de la sonde 50. Il faut se rendre compte de ce que l'on peut employer d'autres techniques convenables pour relier la portion en pointe 56 de la portion cylindrique 54 dans l'appli- cation appropriée. Il est également préférable qu'un joint torique Viton 76 soit interposé entre la portion cylindrique 54 et la portion en pointe 56 pour assurer une étanchéité étanche à l'air entre ces portions de la sonde 50. 0 En se reportant à la figure 5,on voit qu'elle représente une vue supplémentairede lasonde 50 reliée à une source d'ions 78 d'ur. spectromètre de masse. Telle que représentée sur la figure , la sonde 50 est reliée à la chambre d'ionisation 78 de façon que le tube capillaire 68 s'étende dans la chambre d'ionisation très près (par exemple 1 mm) du faisceau électronique 80 qui sert à ioniser l'échantillon. Les mocules de l'échantillon à analyser, qui sont passées par perméation à travers la membrane formant tube capillaire, peuvent également être ionisées par les ions réactifs générés par le gaz réactif entrant dans la chambre d'ionisation par l'orifice 82. Un avantage important de cette proximité entre la source d'ions et la sonde 50 est que la chaleur provenant de la chambre d'ionisation e st transmise par rayonnement et conduction, par l'intermédiaire des parties réalisant la liaison avec la sonde. Par conséquent, on peut utiliser la température élevée de la source d'ions pour améliorer la vitesse de passage, par perméation, de l'échantillon à analyser à travers le tube capillaire 68 et diminuer ainsi les effets de mémoire de cette membrane. Toutefois, on se rendra compte de ce que la sonde 50 ne doit pas être nécessairement disposée à l'intérieur de la chambre d'ionisation (par exemple, dans la région sous vide élevé comme représenté sur la figure 2), et que l'on peut prévoir une source de chaleur distincte qui permettra de commander indépendamment la température de la sonde. L'écoulement du fluide à travers la sonde 50 peut être continu pour donner des conditions d'état permanent ou segmenté- par un solvant (par exemple par de l'eau) comme dans l'analyse par injection d'écoulement (FIA). Le fluide ou la solution portant l'échantillon à analyser pénètre dans la sonde 50 par la conduite d'entrée 60 et s'écoule par cette conduite jusqu'à la membrane capillaire 68. Au fur et à mesure que le fluide s'écoule dans la membrane capillaire 68 pour revenir par la conduite de sortie 62, l'échantillon à analyser va passer, par perméation, ou diffuser, à travers les parois du tube 68 et va se vaporiser dans la chambre d'ionisation. En général, seule une très faible fraction du produit à analyser qui passe dans o le tube 68 entrera dans la chambre d'ionisation 78 par diffusion. La majeure partie du produit à analyser sera évacuéecomme rebut ou recueillie comme fraction d'échantillon pour être recyclée au renvoyée dans un récipient à réaction. On peut utiliser des vannes convenables ou autres dispositifs de commande semblables pour réguler le débit du fluide qui passe dans -la sonde 50. A partir de ce qui est dit ci-dessus, il faut se rendre compte de ce que la sonde 50 a un volume intérieur extrêmement faible (par exemple, moins de 50 pul) avec un volume mort qui est négligeable. Les différentes réalisations qui ont été énumérées ci-dessus l'ont été dans un but d'illustration et leur but n'est pas de limiter l'invention. L'homme de l'art se rendra compte de ce que différents changements et modifications peuvent être apportés à ces réalisations décrites dans cette spécification sans s'écarter de l'esprit et de l'objet de l'invention tels que définis dans les revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour introduire un échantillon dans un spectromètre de masse, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (50) pour relier, de façon amovible, ledit dispositif à un spectromètre de masse de façon telle qu'une portion cylindrique (54) de la sonde va s'étendre dans ledit Spectromètre de masse lorsque ladite sonde est reliée audit spectromètre de masse, ladite sonde présentant une conduite (60,62) pour permettre un écoulement bidirectionnel du fluide à travers ladite sonde. 2. Dispositif selon la revendication 1,.caractérisé en ce qu'il comporte également un tube semiperméable (68) relié à ladite conduite (60,62)pour conduirel'écoulementd'unfluide, contenant ledit échantillon, dans ledit tube de façon telle qu'au moinsune por- tion dudit échantillon soittransférée, parperméation, dans ledit spectromètre de masse en passant dans ledit tube. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite conduite comporte une paire de conduites (60,62) qui s'étendent depuis l'une des extrémités de ladite sonde (50) pour relier ledit tube semiperméable (68) à la dite conduite, ainsi qu'un moyen (58) pour transporter un fluide contenant l'échantillon à analyser vers, et depuis, ladite paire de conduites. 4. Dispositif selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les extrémités dudit tube semiperméable (68) sont ajustées sur les extrémités de ladite paire de conduites (60,62) et en ce qu'il comporte des moyens (70) pour fixer auxdites conduites les extrémités dudit tube qui ont été ajustées sur les extrémités de ladite paire de conduites. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite sonde (50) comporte une portion formant poignée (52), une portion cylindrique (54) et une portion en pointe (56), la portion en pointe étant fixée de façon amovible à la portion cylindrique, ainsi qu'une garniture d'étanchéité pour assurer une étanchéité au fluide entre ladite portion cylindrique et ladite portion en pointe. 6. Dispositif selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les conduites (60,62) de ladite paire sont fixées à la- dite portion en pointe (56) et s'étend a travers ladite portion cylindrique (54) de ladite sonde (50), l'une desdites conduites assurant un passage pour l'écoulement du fluide vers ledit tube et l'autre desdites conduites assurant un passage pour l'écoulement du fluide provenant dudit tube. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit tube (68) est constitué d'un tube capillaire fabriqué en un matériau polymère. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau polymère est un silicone polymère à radical diméthylvinyle. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite portion en pointe (56) comporte un éperon (72) qui s'étend entre les extrémités desdites conduites pour supporter lesdites conduites (60,62) et ledit tube (68). 10. Spectromètre de masse présentant une source d'ions pour ioniser un échantillon à analyser par ledit spectromètre de masse, un dispositif pour introduire un échantillon dans la source d'ions dudit spectromètre de masse, caractérisé en ce qu'il comporte: une sonde (50) reliée, de façon amovible, audit spectro- mètre de masse de façon que l'une des extrémités de la dite sonde s'étendent dans la chambre d'ionisation (78) dudit spectromètre de masse, ladite sonde comportant une conduite pour transporter le fluide à travers ladite sonde; et un tube capillaire semiperméable relié à ladite conduite pour transporter le fluide, contenant ledit échantillon, à travers ladite chambre d'ionisation de façon telle qu'au moins une portion dudit échantillon soit transférée dans la chambre d'ionisation dudit spectromètre de masse pour analyse par ledit spectromètre. 11. Spectromètreselonla revendication 10, caractérisé en ce que ledit tube est relié à ladite sonde de façon à former une boucle en forme de U; et en ce que le sommet de ladite boucle est disposé près du faisceau électronique (80) de ladite chambre d'ionisation (78). 12. Spectromètre selon les revendications 10 ou 11, caractérisé en, ce qu'il comporte un moyen de transport relié à ladite sonde pour faire que ledit fluide, contenant ledit échantillon, s'écoule dans ladite conduite de ladite sonde, dans ledit tube, et er. revenant par 1afite conduite. 13. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit tube (68) est relié à ladite sonde de façon à former une boucle en forme de U.