УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО СТАБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЯ РАСТВОРОВ В ИСТОЧНИКЕ ИОНОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
DEVICE FOR CONTINUOUS STABLE ELECTRIC SPRAYING OF SOLUTIONS IN SOURCE OF IONS AT ATMOSPHERIC PRESSURE

Изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистики, протеомики, метаболомики, медицины, экологии и охраны окружающей среды при ионизации исследуемых лабильных веществ методом «электроспрей».
Метод «электроспрей» является одним из современных методов «мягкой» ионизации, который позволяет переводить в газовую фазу ионы исследуемых лабильных веществ, например, такие как пепетиды, белки, полинуклеотиды, лекарства, непосредственно из раствора. Однако у существующих устройств электрораспыления хроматографических потоков анализируемых веществ для источников ионов имеется ряд факторов, ограничивающих работоспособность источников ионов. Невозможность точного согласования потоков подаваемого в область распыления анализируемого раствора в широком диапазоне объемных скоростей (5 мкл/мин-2000 мкл/мин) и его полного распыления с образованием ионов анализируемых веществ без наличия неиспарившихся микрокапель, поступающих в парогазовом потоке в источник ионов в течение всего времени проведения эксперимента, приводят, как правило, к засорению и закупориванию входных диафрагм и транспортирующих систем из области атмосферного давления в высоковакуумную область анализатора ионов, зарядке их элементов, увеличению шумов и появлению ложных сигналов в регистрируемых спектрах, особенно в момент установления режима электрораспыления при переходных неуправляемых процессах.
Известны устройства электрораспыления анализируемых потоков растворов веществ [1, 2], где устройство электрораспыления, система транспортировки ионов источника и вход в анализатор ионов располагаются на одной оси. В этом случае в анализатор ионов попадают крупные капли, образующиеся из жидкости, скапливающейся на внешней стороне капилляра, с торца которого происходит эмиссия заряженных микрокапель, что связано, в конечном счете, как с несогласованностью потоков поступающего и распыляемого раствора, так и существованием переходных процессов при включении режима электрораспыления в связи с началом анализа каждой новой пробы (режим off-line). Попадание крупных капель в транспортирующую систему источника ионов и в анализатор усложняет функционирование прибора и проведение анализа. Также известны устройства ортогонального электрораспыления анализируемого раствора относительно оси ввода заряженных частиц в систему транспортировки анализатора [3]. Такая ориентировка устройства электрораспыления позволяет избежать засорения или закупоривания входной диафрагмы системы транспортировки заряженных частиц в анализатор, так как при использовании такой геометрии расположения узла электрораспыления раствора большие капли по инерции преимущественно пролетают мимо входа в анализатор. Тем не менее, несогласованность потоков поступающего и распыляемого раствора и переходные процессы при включении режима электрораспыления имеют место и в этом случае и приводят к нестабильности электрораспыления.
Это 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 [4-6]. Таким образом, в конструкции источника ионов «электроспрей» от самого метода осталась только зарядка распыляемых микрокапель, а получение микрокапель в виде «душа» и их испарение происходят 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 [7]. Для решения задачи стыковки жидкостного хроматографа с ион-дрейфовым спектрометром при нормальных условиях, т.е. при электрораспылении потока анализируемого раствора в диапазоне от 50 до 200 мкл/мин, разработано устройство электрораспыления с динамическим делением потока жидкости, подробно описанное в [8].
Устройство электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов [8] - ближайшее из известных, выбранное в качестве прототипа. В этом устройстве, содержащем ориентированный вертикально вверх капилляр, в торце которого расположен мениск распыляемого раствора и коаксиально которому расположен внешний капилляр большего диаметра, через коаксиальный зазор между капиллярами производится откачка газа воздушным насосом. А напротив торца капилляра с мениском жидкости расположен плоский противоэлектрод, электрически соединенный с входной диафрагмой системы транспортировки ионов анализатора. Работает устройство при нормальных условиях. Рассматриваемое устройство позволяет получать стабильное электрораспыление растворов во все время эксперимента после установки режима.
На фигуре 1 показана зависимость стабильности ионного тока при электрораспылении растворов от времени. Первые 1-2 минуты характеризуются нестабильным током, связанным с переходными процессами при установке режима распыления, последующие 34 минуты распыления отличаются высокой стабильностью. Последние минуты, - окончание подачи раствора, характеризуются вновь возникающей нестабильностью. Такой характер зависимости ионного тока при электрораспылении воспроизводим и соответствует различным величинам потоков подаваемого раствора. Аналогичные зависимости ионного тока возникают при замене анализируемого раствора, подаваемого непосредственно из жидкостного насоса. При установившемся режиме стабильного распыления происходит динамическое деление потока анализируемой жидкости в области распыления. Электрическое поле, с одной стороны, работает как насос, а с другой, под его воздействием, происходит распыление раствора. Излишки нераспыленного раствора через коаксиальный зазор в виде парогазовой смеси раствора и воздуха откачиваются воздушным насосом. Потоки распыленного раствора и откачанного в виде парогазовой смеси отличаются по величине на 2-3 порядка, при этом раствор, подаваемый в область распыления, в основном откачивается в виде парогазовой смеси. Непрерывность работы источника ионов в таком случае ограничивается попаданием раствора в воздушный насос.
Задачей изобретения является устранение условий, препятствующих непрерывному стабильному электрораспылению растворов в источнике ионов при атмосферном давлении после установления первых настроек распыления при анализе (эксперименте).
Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве электрораспыление хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов торец капилляра с мениском распыляемого раствора ориентирован вертикально вверх, напротив торца в горизонтальной плоскости с наклоном расположен плоский противоэлектрод, электрически соединенный с входной диафрагмой системы транспортировки ионов анализатора, а коаксиальный зазор между капиллярами подключен к воздушному откачивающему насосу, перед воздушным откачивающим насосом установлен осушитель, а в канал подачи раствора установлен инжектор после жидкостного насоса.
Заявляемое устройство непрерывного стабильного электрораспыления растворов в источнике ионов при атмосферном давлении схематично представлено на фигуре 2. По внутреннему металлическому капилляру (1) подается раствор от жидкостного микронасоса (2). К этому же капилляру прикладывается напряжение от высоковольтного источника питания (3). Торец внутреннего капилляра (1), с торца которого происходит электрораспыление, ориентирован вертикально вверх. Коаксиально к внутреннему капилляру (1) расположен внешний диэлектрический капилляр (4), внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра внутреннего капилляра (1). Излишки нераспыленного раствора, стекающие по внешней стенке внутреннего капилляра (1), вместе с лабораторным воздухом откачиваются воздушным насосом (5) через зазор между коаксиальными капиллярами (1), (4) и осушитель (6) расположенный перед воздушным насосом. Напротив торца внутреннего капилляра (1) в горизонтальной плоскости расположен плоский противоэлектрод (7), электрически соединенный с входной диафрагмой (8) системы транспортировки ионов анализатора. Для неразрывной подачи раствора с новой пробой в канал подачи раствора установлен инжектор (9) после жидкостного насоса (2). В качестве инжектора можно рассмотреть петлевой кран-дозатор.
Схема работы петлевого крана-дозатора приведена на фигуре 3. На фигуре 3а показан режим работы с петлевым краном-дозатором, когда через порты 2, 1 и 4, 3 в петлю вводится раствор анализируемого вещества, а через порты 5 и 6 прокачивается элюент из жидкостного насоса в область электрораспыления. На фигуре 3б показан режим работы с петлевым краном-дозатором после коммутации портов, в этом положении через порты 5, 4, 1, 6 элюент от жидкостного насоса продавливает раствор пробы из петли между портами 4-1 и подает его в область электрораспыления. Таким образом, достигается неразрывность распыляемого потока раствора и долговременная стабильность электрораспыления во все время эксперимента при последовательном анализе нескольких проб.
В целом отвод нераспыленного раствора из области распыления в виде парогазовой смеси при установившемся режиме распыления позволяет получить стабильный ионный ток во все время эксперимента, при этом отделение нераспыленного раствора при помощи осушителя из парогазовой смеси откачиваемой воздушным насосом и неразрывный ввод анализируемого раствора в канал подачи раствора к внутреннему распыляющему капилляру через инжектор позволяют поддерживать непрерыное стабильное электрораспыление растворов в источнике ионов при атмосферном давлении во все время эксперимента, избегая нестабильности переходных процессов при переключениях.
Источники информации
1. Александров М.Л., Галь Л.Н., Краснов Н.В., Николаев В.И., Павленко В.А., Шкуров В.А. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении - метод масс-спектрометрического анализа биоорганических веществ//ДАН, 1984, Т. 277, №2. Физическая химия, с. 379-383.
2. Tang X., Bruce J.E., Hill H.H. Characterizing electrospray ionization using atmospheric pressure ion mobility spectrometry// Anal. Chem., 2006, v. 78, p. 7751-7760.
3. Apffel J.A., Werlich M.H., Bertsch J.I., Goodly P.C. Ortogonal ion sampling for electrospray LC/MS. US patent: 5495108, date of patent Feb. 27, 1996.
4. Thermo Scientific (www.tectronica.com).
5. Shimadzu (www.Shimadzu.com).
6. Agilent (www.Agilent.com).
7. V.A. Samokish, N.V. Krasnov, M.Z. Muradymov. Electrospray ion souse with a dynamic liquid flow splitter//Rapid Commun. Mass Spectrometry. 2013 # 27(8) p. 904-908 DOI 10.1002/rcm6524.
8. Патент RU 2530783 C2. Устройство электрораспыления хроматографических потоков анализируемых растворов веществ для источников ионов. 15.08.2014. В.А. Самокиш, Н.В. Краснов, М.З. Мурадымов.