本發(fā)明涉及基于在不同尺寸、形狀和/或物理狀態(tài)的樣本上應(yīng)用兆伏靜電勢以用于樣本中的至少一種類型的分析物的電離和解吸的電離技術(shù)的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

質(zhì)譜法（MS）由于其檢測靈敏性和特異性是現(xiàn)代化學(xué)分析中不可缺少的分析工具。電離方法的演變導(dǎo)致針對(duì)MS分析的應(yīng)用的突破。電離技術(shù)的發(fā)展使得質(zhì)譜法能夠幫助不同領(lǐng)域的分析。經(jīng)典的電子電離和化學(xué)電離幫助分析揮發(fā)性碳?xì)浠衔锖托〉挠袡C(jī)污染物?，F(xiàn)在，電噴霧電離和基質(zhì)輔助的激光解吸/電離使生物學(xué)MS的發(fā)展能夠用于支持生命科學(xué)研究的各種方面（例如，蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)）。最近，通過MS在大氣壓之下用于直接樣本分析的解吸/電離技術(shù)正變得流行。便利且高效的大氣解吸/電離技術(shù)的發(fā)展將使MS的應(yīng)用擴(kuò)展用于利用簡單且快速的分析程序?qū)θ粘Ｉ顦颖荆ɡ?，食物、藥用產(chǎn)品）的直接分析，并且可能地將MS從實(shí)驗(yàn)室?guī)氍F(xiàn)場。

可以將當(dāng)前可用的大氣解吸/電離技術(shù)分類為基于電噴霧、基于能量粒子、基于激光和耦合的技術(shù)。解吸電噴霧電離（DESI）是基于電噴霧的技術(shù)，其使用具有噴霧氣體的溶劑離子和分子的噴射來撞擊樣本的表面以用于分析物分子的原位提取，以及分析物離子的電離和解吸。低溫等離子體（LTP）探測和實(shí)時(shí)直接分析（DART）技術(shù)是基于能量粒子的解吸/電離技術(shù)。LTP探測利用從介質(zhì)阻擋放電生成的氦氣原子/離子/自由基的等離子體。通過LTP的熱能從樣本表面所解吸的分子然后將經(jīng)由與LTP中的帶電物種的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)而電離。類似地，DART經(jīng)由放電而生成被激發(fā)/亞穩(wěn)態(tài)的氦原子。除被激發(fā)的原子/離子的轟擊之外，由熱學(xué)過程產(chǎn)生分析物分子的解吸。飛秒紅外激光是被采用于來自固態(tài)樣本的分析物的環(huán)境解吸/電離以用于MS分析的另一種類型的強(qiáng)能量源。分析物將經(jīng)由熱學(xué)解吸而被解吸，并且相信電離經(jīng)由帶電物種和中性分析物分子之間的電荷交換反應(yīng)而發(fā)生。此外，耦合的技術(shù)采用兩個(gè)解吸/電離技術(shù)來分別完成解吸和電離。例如，激光消融電噴霧電離（LAESI）是采用激光解吸和隨后對(duì)中性分析物的電噴霧電離的耦合技術(shù)。最近，大氣解吸/電離技術(shù)，也就是場致直接電離（使用3-5 kV的電勢），已經(jīng)被報(bào)道用于小的活生物體（諸如蝎子和蟾蜍）的次級(jí)代謝物的直接檢測。盡管如此，所有這些所提及的技術(shù)都要求諸如溶劑和惰性氣體之類的輔助反應(yīng)物進(jìn)行操作，這可能使問題變得復(fù)雜。可以通過當(dāng)前可用的環(huán)境電離質(zhì)譜方法來分析的樣本類型還僅限于小尺寸的樣本。

輔助反應(yīng)物（例如，氦）的使用強(qiáng)加了附加反應(yīng)物成本用于操作，并且還要求額外儀器裝備（例如，溶劑供應(yīng)系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)）以用于供應(yīng)和移除這些反應(yīng)物。此外，溶劑的使用使得技術(shù)變得與溶劑敏感的樣本不兼容。另外，在這些輔助反應(yīng)物的特性/組成方面的改變可能降低這些大氣解吸/電離技術(shù)的分析性能。對(duì)于場致直接電離技術(shù)，類似于其它大氣電離技術(shù)，其還由于低電離效率方面的限制而受限于小的生物體。此外，其限于小且尖銳的樣本，因?yàn)橄鄬?duì)低的電勢用于分析物分子的電離。

因而，存在針對(duì)以下的需要：用于MS的大氣解吸/電離方法和系統(tǒng)，其能夠直接地從大尺寸（并且還有小尺寸）的樣本生成離子，而沒有使用輔助反應(yīng)物（例如，溶劑、氣體）。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

下面呈現(xiàn)本發(fā)明的簡化概要以便提供對(duì)本發(fā)明的一些方面的基本理解。該發(fā)明內(nèi)容不是本發(fā)明的廣泛概述。意圖既不是標(biāo)識(shí)本發(fā)明的關(guān)鍵或必要要素，也不是描繪本發(fā)明的范圍。相反，該發(fā)明內(nèi)容的僅有目的是以簡化形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念作為在此之后呈現(xiàn)的更詳細(xì)描述的前序。

本文提供了用于MS的大氣解吸/電離方法和系統(tǒng)，其能夠直接從大尺寸（并且還有小尺寸）的樣本生成離子，而沒有使用輔助反應(yīng)物（例如，溶劑、氣體）。

本發(fā)明涉及用于質(zhì)譜分析的完全新的電離方法，也就是大氣壓兆伏靜電場電離解吸（APME-FID）。其允許從樣本直接生成離子而沒有使用輔助反應(yīng)物（例如，溶劑、氣體等）。因而，APME-FID技術(shù)可以節(jié)省樣本分析的時(shí)間和成本。更重要地，APME-FID中的兆伏靜電勢的使用打破了對(duì)樣本尺寸的目前限制，而現(xiàn)有大氣解吸/電離技術(shù)（大多數(shù)在千伏電勢或以下操作）限于小尺寸樣本分析，APME-FID允許大尺寸樣本和小尺寸樣本二者上的分析物被電離以用于質(zhì)譜分析。

為了完成前述以及相關(guān)目的，本發(fā)明包括在此之后完整描述并且在權(quán)利要求中特別指出的特征。以下描述和附圖詳細(xì)闡述了本發(fā)明的某些說明性方面和實(shí)現(xiàn)方式。然而，這些僅僅指示其中可以采用本發(fā)明的原理的各種方式中的幾個(gè)。本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將在結(jié)合附圖考慮時(shí)根據(jù)本發(fā)明的以下詳細(xì)描述變得明顯。

附圖說明

附圖圖示了本發(fā)明的特征和其它目的，也就是大氣壓兆伏靜電場電離解吸（APME-FID）技術(shù)的特征和其它目的。附圖的部件未必成比例，特別地為了清楚描述而可能夸大某些尺度。

圖1是用于電離和解吸并且然后由質(zhì)譜儀檢測的樣本的兆伏靜電帶電的示意圖。該樣本可以包括但不限于人體、完整食物或草藥樣本、或者藥用片。

圖2是描繪了用于液體和氣體樣本的檢測的APME-FID對(duì)接設(shè)備的配置的示意圖。液體/氣體樣本可以分別包括但不限于易燃溶劑/人類呼吸氣體。

具體實(shí)施方式

APME-FID技術(shù)采用兆伏靜電勢來電離樣本上的分析物。使樣本靜電帶電到兆伏靜電勢。該技術(shù)使得能夠從連接到從10,000 V到兆伏條件（大于或等于100,000 V）的范圍中的高靜電勢的樣本直接地生成離子。通過場電離（或其它機(jī)制）在樣本表面上生成的離子（例如，分子離子和/或碎片離子）從占有高密度的靜電電荷的樣本表面解吸（例如，通過電排斥）并且然后被指引到質(zhì)譜分析儀的入口以用于檢測、標(biāo)識(shí)和定量。

該技術(shù)允許通過使用質(zhì)譜儀直接分析所有尺寸（例如，范圍從成年人到藥物粉末）和類型（例如，固體、液體和氣體）的樣本。技術(shù)使得能夠?qū)崿F(xiàn)多種多樣的質(zhì)譜法應(yīng)用，諸如從大的活生物體呼出的易揮發(fā)物質(zhì)的實(shí)時(shí)化學(xué)/生物分析、草本植物樣本的質(zhì)量監(jiān)控、以及人類皮膚上的違禁藥物和爆炸物的法醫(yī)/安全檢查，而沒有大量樣本制備程序。本發(fā)明打破了質(zhì)譜分析的當(dāng)前約束和限制，并且將打開新的路徑以將MS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域拓寬到現(xiàn)場測試的不同方面，包括但不限于安全檢查、法醫(yī)分析、代謝輪廓以及其它日常生活樣本分析。

本發(fā)明的一方面采用由范德格拉夫發(fā)電機(jī)或其它類似靜電電荷生成設(shè)備所生成的高靜電勢，該設(shè)備使得能夠在樣本上逐漸累積高靜電勢。范德格拉夫靜電發(fā)電機(jī)可以在兆伏電勢處生成正或負(fù)電荷，以用于來自樣本的正和負(fù)離子中的任一個(gè)或二者的場電離。在某些實(shí)施例中，兆伏靜電勢的幅度和極性可以在電離之前或期間變化。在某些實(shí)施例中，多于一個(gè)兆伏靜電發(fā)電機(jī)可以連接到樣本以用于電離和解吸。在某些實(shí)施例中，兆伏靜電勢的幅度和極性可以以電子方式來控制。

在某些實(shí)施例中，在樣本上的兆伏靜電勢的累積可以通過樣本與靜電發(fā)電機(jī)的直接接觸而完成（例如，以用于分析人體/呼吸）。在另一實(shí)施例中，樣本經(jīng)由由傳導(dǎo)性（或介質(zhì)）材料所制成的樣本容器（例如，探針、管道、保持件、板等）而間接地連接到靜電發(fā)電機(jī)，以用于任何固體、液體或氣體樣本的電離。在某些實(shí)施例中，在絕緣樣本容器（例如，探針、管道、保持件、板等）內(nèi)轉(zhuǎn)移樣本，其中僅絕緣樣本容器的部分連接到靜電發(fā)電機(jī)以用于樣本容器中的分析物的電離和解吸。在某些實(shí)施例中，在沒有電連接的情況下將樣本容器放在靜電發(fā)電機(jī)附近。在某些實(shí)施例中，自動(dòng)樣本輸運(yùn)和改變系統(tǒng)可以與靜電發(fā)電機(jī)耦合。

在某些實(shí)施例中，將樣本放置在質(zhì)譜儀（或其它離子檢測/分析設(shè)備）的入口附近以用于離子收集。在某些實(shí)施例中，可以采用轉(zhuǎn)移設(shè)備（例如，毛細(xì)管等）將來自樣本的離子和中性物質(zhì)轉(zhuǎn)移和/或引導(dǎo)到質(zhì)譜儀（或其它離子檢測/分析設(shè)備）的入口。

在某些實(shí)施例中，將樣本放置在具有壓力控制的外殼中。在某些實(shí)施例中，將樣本放置在具有可變的大氣組成（例如，濕度水平控制、氮水平控制、氧水平控制等）的外殼中。在某些實(shí)施例中，將樣本放置在其中可以以氣態(tài)、蒸汽或液體形式引入反應(yīng)物的外殼中。

在某些實(shí)施例中，要分析的樣本可以處于固體、液體或氣體狀態(tài)（或者這些狀態(tài)的混合）。在某些實(shí)施例中，樣本可以處于任何物理形狀（例如，尖銳、圓角、鈍頭等）。在某些實(shí)施例中，樣本可以具有不同物理尺寸（例如，成年人、行李、藥品、生物細(xì)胞等）。在某些實(shí)施例中，樣本可以是日用品（例如，農(nóng)作物、肉類、蔬菜等）和工業(yè)產(chǎn)品（例如，藥品、衣物等）。在某些實(shí)施例中，樣本可以具有生物來源（origin）（例如，食物、生物流體等）。在某些實(shí)施例中，樣本可以是活生物樣本（例如，活人、活的植物、活生物細(xì)胞等）。在某些實(shí)施例中，樣本（例如，血液、細(xì)胞質(zhì)、流體等）將從活生物樣本（例如，活的動(dòng)物、植物、細(xì)胞等）被汲取以用于實(shí)時(shí)化學(xué)/生物化學(xué)監(jiān)控。在某些實(shí)施例中，可以從儀器（例如，分離儀器）引入樣本。

在某些實(shí)施例中，可以在樣本的原始狀態(tài)中分析樣本。在某些實(shí)施例中，可以在環(huán)境溫度處或者在溫度控制下分析樣本。在某些實(shí)施例中，可以使用附加反應(yīng)物（例如，溶劑、惰性氣體等）來增強(qiáng)檢測靈敏性（例如，促進(jìn)離子生成和/或離子收集等）。在某些實(shí)施例中，參考反應(yīng)物（例如，氣體、液體、粉末、溶液等）可以與樣本一起或順序地被分析以作為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)用于分析性能檢查和定量測量應(yīng)用。

在本發(fā)明的另一方面中，可以以多個(gè)層次（例如，在化學(xué)上、在空間上等）分析從樣本解吸或生成的離子。例如，離子可以基于其質(zhì)量、電荷、截面積、移動(dòng)性、速度、動(dòng)量等來表征，因而可以揭示來自樣本的解吸的位置和離子特性。

在本發(fā)明的另一方面中，光子能量可以被指引或聚焦到樣本的所選區(qū)域上以幫助至少一種類型的分析物（或離子）的電離和/或解吸。

在本發(fā)明的另一方面中，可以在多個(gè)階段應(yīng)用靜電勢，以幫助或控制所電離的分析物。在某些實(shí)施例中，所應(yīng)用的靜電勢可以幫助從樣本提取分析物（例如，破壞生物膜電勢）。

在本發(fā)明的另一方面中，包含分析物（例如，以經(jīng)凈化的分析物、樣本提取或原生樣本等的形式）的可更換樣本探針（例如，一次性尖端或吸附劑等）可以連接到靜電發(fā)電機(jī)（直接地或者經(jīng)由電連接）以用于分析物的電離和通過質(zhì)譜儀（或者其它檢測設(shè)備）的隨后離子檢測?？筛鼡Q樣本探針的使用允許一起執(zhí)行采樣、樣本存儲(chǔ)和化學(xué)分析的組合而沒有進(jìn)一步的樣本提取。這將簡化分析程序并且提高分析工作流的效率。在某些實(shí)施例中，可以改變樣本探針的材料（例如，聚酯、聚乙烯、纖維素、經(jīng)鍵合的硅石吸附劑等）以用于從樣本提取不同類型的分析物。在某些實(shí)施例中，添加反應(yīng)物（例如，溶劑、酸、堿）以增強(qiáng)某些分析物的檢測或者抑制樣本基質(zhì)的推理（inference）影響。在某些實(shí)施例中，樣本探針將在分析期間通過自動(dòng)設(shè)備來更換。

本發(fā)明可以是用于從處于不同物理狀態(tài)（例如，固體、液體、氣體）的給定樣本在環(huán)境壓力和溫度下電離和解吸分子（分析物）的方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)包括用于生成和應(yīng)用樣本2上的兆伏靜電勢的靜電發(fā)電機(jī)1。在實(shí)驗(yàn)中使用的兆伏靜電發(fā)電機(jī)1在正離子模式中生成從+10,000 V到+1,000,000 V或者更寬的范圍中的電勢，并且在負(fù)離子模式中生成從-10,000 V到-1,000,000 V或者更寬的范圍中的電勢。系統(tǒng)還包括用于指引在樣本2上的兆伏靜電勢的電連接設(shè)備（例如，樣本保持件）。樣本2以靜電方式帶電并且樣本2上的分析物通過兆伏靜電勢來電離和解吸。所解吸的離子4被指引到任何適當(dāng)?shù)臋z測器，例如質(zhì)譜儀5以用于檢測、標(biāo)識(shí)和定量。

圖1示意性圖示了用于實(shí)踐本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。在該系統(tǒng)中，樣本2電連接到兆伏靜電發(fā)電機(jī)1。樣本2處于環(huán)境條件下。由兆伏靜電發(fā)電機(jī)1生成兆伏靜電勢，兆伏靜電發(fā)電機(jī)1可以是范德格拉夫靜電發(fā)電機(jī)。然后使樣本2以靜電方式帶電。對(duì)于大尺寸的樣本2，諸如成年人，使用絕緣塊3以防止它電接地。絕緣盒3可以由諸如木頭或塑料之類的絕緣材料制成。高靜電荷的累積對(duì)于樣本上的分析物的電離是關(guān)鍵的。可替換地，如果正分析小和中等尺寸的樣本，則它們經(jīng)由電傳導(dǎo)性樣本保持件而連接到兆伏靜電發(fā)電機(jī)1而沒有觸到地，并且因而不要求絕緣塊3。盡管在此處描述了范德格拉夫靜電發(fā)電機(jī)，但是可以使用能夠生成兆伏靜電勢的任何設(shè)備以用于樣本的靜電帶電。

在正離子模式中，兆伏靜電發(fā)電機(jī)1生成正兆伏靜電勢。因而，在樣本2上累積正靜電勢。通過靜電勢電離樣本2的表面上的分析物。陽離子和自由基陽離子4可以被形成和由于電排斥而從樣本表面被解吸，因?yàn)闃颖?的表面帶正電。所解吸的離子4可以被轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜儀5的入口以用于質(zhì)量分析和檢測。所解吸的離子4直接地通過質(zhì)譜儀5的入口被收集，或者在離子轉(zhuǎn)移設(shè)備的幫助下被轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜儀5的入口。盡管在此處描述了正離子的生成和檢測，但是本發(fā)明還可以在負(fù)離子模式中來操作以用于陰離子和自由基陰離子的生成和檢測。簡要地，生成負(fù)兆伏靜電勢并將負(fù)兆伏靜電勢應(yīng)用于樣本，并且生成負(fù)離子并使用質(zhì)譜儀對(duì)負(fù)離子進(jìn)行檢測。樣本2可以是處于不同尺寸的活生物體，例如成年人，或者一些生物細(xì)胞。樣本2也可以是非活體材料，包括但不限于草本植物組織切片、精細(xì)化學(xué)粉末、藥用片、衣物中所吸收的易燃溶劑或者在桌面上放置的爆炸物（諸如處于固相的藥用片、處于液相的易燃溶劑以及處于氣相的人類呼吸）。

圖2示意性圖示了用于實(shí)踐本發(fā)明的系統(tǒng)的另一實(shí)施例。在該系統(tǒng)中，絕緣樣本轉(zhuǎn)移管道6經(jīng)由電傳導(dǎo)材料8連接到靜電發(fā)電機(jī)1。電傳導(dǎo)材料8的選擇包括但不限于金屬或電傳導(dǎo)塑料。從管道6的另一端注射氣體或液體樣本7。由兆伏靜電發(fā)電機(jī)1生成兆伏靜電勢，兆伏靜電發(fā)電機(jī)1可以是范德格拉夫靜電發(fā)電機(jī)。樣本7中的分析物分子通過兆伏靜電勢而從管道6的另一端來電離和解吸。管道6由絕緣材料制成，絕緣材料包括但不限于木頭、塑料和玻璃。

在正離子模式中，兆伏靜電發(fā)電機(jī)1生成被應(yīng)用于樣本轉(zhuǎn)移管道6的正靜電勢。陽離子和自由基陽離子4可以被形成和由于電排斥從樣本轉(zhuǎn)移管道6被解吸，因?yàn)楣艿?帶正電。通過將管道6的出口指向朝著質(zhì)譜儀5的入口，將離子4的流指引到質(zhì)譜儀5以用于質(zhì)量分析和檢測。盡管在此處描述了正離子的生成和檢測，但是本發(fā)明也可以在負(fù)離子模式中操作以用于陰離子和自由基陰離子的生成和檢測。樣本7可以處于氣態(tài)或液體狀態(tài)中。氣體樣本可以包括但不限于人類呼吸氣體、空氣污染樣本或者從氣體色譜儀所輸出的樣本等；而液體樣本可以包括但不限于水樣本、飲料樣本或者從液體色譜儀所洗提的樣本等。

示例說明了主題發(fā)明。除非以其它方式在以下示例和說明書及權(quán)利要求中的其它地方中指示，否則所有份數(shù)（part）和百分比是以重量計(jì)的，所有溫度是以攝氏溫度計(jì)的，并且壓力是在大氣壓處或附近。

關(guān)于針對(duì)給定特性的任何數(shù)字或數(shù)值范圍，來自一個(gè)范圍的參數(shù)或數(shù)字可以與來自用于相同特性的不同范圍的另一數(shù)字或參數(shù)組合以生成數(shù)值范圍。

除在操作示例中或以其它方式指示之外，在說明書和權(quán)利要求中使用的對(duì)成分、反應(yīng)條件等引用的所有數(shù)、值和/或表達(dá)式（expression）要理解為在一切情況下由術(shù)語“大約”修飾。

盡管已經(jīng)關(guān)于某些實(shí)施例解釋了本發(fā)明，但是要理解到，通過閱讀說明書，其各種修改將對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。因此，要理解到，本文公開的發(fā)明意圖涵蓋如落在隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的這樣的修改。