СПОСОБ СТАБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЯ РАСТВОРОВ В ИСТОЧНИКЕ ИОНОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
METHOD FOR STABLE ELECTROSPRAYING OF SOLUTIONS IN SOURCE OF IONS AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к источниками ионов с мягким методом ионизации с использованием электрораспыления анализируемых растворов в неоднородном постоянном электрическом поле при атмосферном давлении, и найдет широкое применение в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, проведении анализов в протеомике, метаболомике и криминалистике: исследовании белков, в том числе их триптических гидролизатов (получение пептидных карт, поиск кандидатов в лекарства по взаимодействию библиотеки лигандов, синтетических или природного происхождения, с белками мишенями), следового анализа биохимических маркеров, наркотиков и их метаболитов в биологических тканях и жидкостях.
В процессе электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов в неоднородном постоянном электрическом поле при атмосферном давлении для получения ионов исследуемых веществ из заряженных микрокапель используется горячий спутный газ.
Известный метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении [1] заключается в том, что на торце металлического капилляра, по которому поступает раствор вещества, под воздействием неоднородного постоянного электрического поля образуется мениск жидкости, из которого происходит эмиссия заряженных микрокапель, испаряющихся при нормальных условиях с образованием ионов, транспортируемых спутным газом в анализатор ионов. Это метод имеет много общего с другими спрэй-методами, в число которых входят: Aerospray [2], Electrospray [3], Ion Spray [4], Thermospray [5], Atmospheric Pressure Ionization (API) в сочетании с ультразвуковым распылением жидкости [6]. Развитие технологии электрораспыления жидкости для получения ионов растворенного вещества привело к созданию устройств, в которых электрораспыление играет вспомогательную роль, как способ зарядки микрокапель жидкости распыляемой либо ультразвуком, либо дополнительным потоком распыляющего газа, как правило азота. Для наибольшего извлечения заряженной компоненты из полученных микрокапель стали применять еще один вспомогательный поток горячего газа-испарителя. В качестве последних примеров в этом направлении развития источника ионов для лабильных веществ можно привести [7-8]. Таким образом в конструкции источника ионов «электроспрей» от самого метода осталась только зарядка распыляемых микрокапель, а получение микрокапель и их испарение происходит газодинамически в потоках газов.
Такой подход к реализации источников ионов «электроспрей» более менее подходит для масс-спектрометрии в силу ее особенностей - наличия транспортирующего интерфейса с дифференциальной откачкой газа из области с атмосферным давлением в область высокого вакуума масс-анализатора. Хотя полностью проблема неиспарившихся микрокапель не решена со всеми вытекающими последствиями: нестабильность ионного тока, загрязнение интерфейса. Применение источника ионов «электроспрей» в приборах, основанных на ион-дрейфовой подвижности, используемых в качестве детектора для жидкостного хроматографа, в существующем виде крайне неудобно, так как неиспарившиеся микрокапли оседают на электродах спектрометра и встречный дрейфовый газ, даже нагретый, не улучшает состояния дела и происходят электрические утечки между высоковольтными электродами ИДС. Не спасают ситуацию и малые потоки распыляемой жидкости 2-5 мкл/мин. В спектрах подвижности регистрируются случайные всплески, которые относятся к каплям достигающим коллектора [9, 10].
Недостатками этих методов являются малая стабильность ионного тока распыления, большой объем элюента, поступающий в анализатор, что существенно влияет на время непрерывной работы интерфейсов приборов.
Для решения задачи стыковки жидкостного хроматографа с ион-дрейфовым спектрометром, при нормальных условиях, разработан метод электрораспыления с динамическим делением потока жидкости, в диапазоне от 50 мкл/мин до 200 мкл/мин, подробно описанный в [9].
Наилучшие характеристики по стабильности ионного тока распыления в широком диапазоне объемной скорости анализируемого раствора от 20 мкл/мин до 200 мкл/мин при помощи электрораспыления получены в [9]. Способ электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ 50 мкл/мин - 200 мкл/мин, для источников ионов электроспрей, работающих в «оn line» режиме с жидкостным хроматографом, предложенный в [11], выбран в качестве прототипа в данном патенте.
Известный способ электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов с атмосферным давлением заключается в том, что мениск распыляемой жидкости ориентирован вертикально вверх, а нераспыленный раствор удаляется из области распыления противотоком окружающего газа через коаксиальный канал при нормальных условиях.
Целью предложенного способа является организация электрораспыления жидкости в источнике ионов для хроматографических потоков анализируемых растворов веществ, с длительным стабильным током заряженных частиц, основанная на вертикальной ориентации мениска жидкости в пространстве, из вершины которого происходит эмиссия заряженных частиц в неоднородном постоянном электрическом поле, а излишки нераспыленного раствора (жидкости) устраняются встречным коаксиальным потоком фонового газа при нормальных условиях. При этом для достижения долговременной стабильности тока расстояние от торца внутреннего капилляра, по которому подается раствор, до противоэлектрода составляет 6-9 мм, а длина внутреннего капилляра, выступающего из внешнего, составляет 3-4 внешних диаметра внутреннего капилляра, внутренний диаметр внешнего коаксиального капилляра в два раза больше внешнего диаметра внутреннего капилляра. Выполнение данных условий позволяет получить долговременную стабильность тока частиц при распылении потоков жидкости 50 мкл/мин (фигура 1), 100 мкл/мин (фигура 2), 200 мкл/мин (фигура 3), по оси абсцисс время распыления в минутах, по оси ординат величина тока распыления в относительных единицах. При этом форма мениска распыляемой жидкости имеет вид, представленный на фигуре 4. При не соблюдении требований форма мениска имеет либо вид, представленный на фигуре 5 - капельный режим распыления и соответственно в спектре присутствуют случайные сигналы - фигура 6 спектр ионной подвижности растворителя с наличием микрокапель. По оси абсцисс - время развертки спектра (0-6000 мкс), по оси ординат - величина сигнала в мВ, либо вид «мениска», представленный на фигуре 7, отличающийся крайней нестабильностью и широким разбросом размеров микрокапель, который на фигурах 1-3 характеризуется в начале и в конце токовых характеристик при переходных процессах. При расстояниях между капилляром с поступающим раствором и противоэлектродом меньше 6 мм  происходит срыв распыления и электрический пробой, а при расстоянии более 9 мм получить устойчивый режим распыления, представленный на фигуре 8, не удается во всех диапазонах регулировки режимов.
Указанная длина внутреннего капилляра относительно внешнего и соотношение диаметров: внешний диаметр внутреннего капилляра относительно внутреннего диаметра внешнего капилляра позволяют оперативно настраивать режим электрораспыления на долговременную стабильность. После получения режима долговременного стабильного распыления параметры настройки (напряжение на противоэлектроде и объем противотока окружающего газа через коаксиальный канал) имеют гистерезис в меньшую сторону значений параметров.
Из рисунков видно, что электрораспыление для больших (хроматографических) объемных скоростей растворов анализируемых веществ заявленным способом позволяет достигать долговременный стабильный ток заряженных частиц электрораспылением жидкости.
Источники информации
1. Александров М.Л., Галь Л.Н., Краснов Н.В., Николаев В.И., Павленко В.А., Шкуров В.А. ДАН Т. 277, №2. Физическая химия, с. 379-383 (1984).
2. Iribarne J.V., Thomson В.А. Int. J. Mass-spectrom. Ion Phys. V. 50, p. 331 (1982).
3. Fenn J.B., Whitehouse С.М., Dreyer R.N., Yamashita M. Anal. Chem. V. 57, p. 675 (1985).
4. Covey T.R., Bruins A.P., Henion J.D. Anal. Chem. V. 59, p. 2642 (1984).
5. Pilesot D., Kin H.Y., Diches D.F., Vestal M. Anal. Chem. V. 56, p. 1236 (1984).
6. Kambara H. Anal. Hem. V. 54., p. 143 (1982).
7. Shimadzu Corp. (www.Shimadzu.com).
8. Thermo Scientific (www.tectronica.com).
9. В.А. Самокиш, H.B. Краснов, М.З. Мурадымов. Электроспрей источник ионов с динамическим делителем потока жидкости. // Научное приборостроение. 2012 г., т. 22, №3, с. 5-12.
10. V.A. Samokish, N.V. Krasnov, M.Z. Muradymov. Electrospray ion souse with a dynamic liquid flow splitter. // Rapid Commun. mass spectrometry. 2013, N27(8), p. 904-908 DOI 10.1002/rcm 6524.
11. H.B. Краснов, М.З. Мурадымов, Самокиш В.А. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка №2011150299/28(075523) от 06.12.2011 г. Способ электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов.