使用感应加热气体的用于光谱法的电喷雾离子源的制作方法

1.本发明涉及在质谱和/或离子迁移谱离子源中通过电喷雾产生去溶剂化离子。通过高电压从喷雾毛细管中吸引出的高度带电的液滴云通常被包围微小液滴云的一束惰性雾化气体聚焦和稳定。为了快速干燥液滴，将通常加热到高达几百摄氏度(诸如在300℃和500℃之间的温度)被称为去溶剂化气体的第二气体流吹入到喷雾云中。本发明特别涉及一种有助于产生去溶剂化离子的气体的加热方法。


背景技术：

2.在电喷雾离子源中，通过向喷雾毛细管施加四千伏量级的高电压，在毛细管的末端处形成对于液体的高电吸引场，来喷洒分析物质的溶液，由此产生分析物分子的离子。2002年，j.b.fenn因开发了这种离子源而被授予诺贝尔化学奖。主要将水与如甲醇或乙腈等有机液体的混合物用作溶剂。该方法形成由远离毛细管末端的场加速的高度带电的液滴(气雾剂)的云，从而由云内的空间电荷形成广角锥形束。溶剂从带电液滴中蒸发，直到达到其瑞利极限(rayleighlimit)时变得不稳定。此时，随着在不断减小的液滴尺寸中相同电荷的静电排斥变得比将液滴保持在一起的表面张力更占优势，液滴变形。液滴经历库仑分裂(coulomb fission)，由此原始液滴“爆炸”，从而产生许多更小的液滴。新的微滴经历去溶剂化，随后进一步经历库仑分裂。通过从液滴直接喷射或通过液滴的完全干燥，留下带电分子离子。可以通过质谱法、离子迁移谱法或两者的组合来研究这些离子。
3.为了减小喷雾锥的角度和稳定喷雾过程，平行于喷雾方向急剧地吹入化学惰性雾化气体(或“鞘气(sheath gas)”)，从而完全包围液滴云。在大多数情况下，氮气被用作雾化气体。雾化气体通常不被加热。它由管子引导到喷雾毛细管的末端，该管子通常围绕喷雾毛细管同心地布置。这种布置将喷雾毛细管内的包含分析物的溶液保持在低温，从而避免形成将对电喷雾器的功能有害的气泡。
4.喷雾云由微小液滴组成，微小液滴必须被蒸发直到分析物离子完全被去溶剂化。为了进行液滴的这种干燥，需要热能。热能可以由称为去溶剂化气体的另外的气体流来供应。这种惰性气体在大多数情况下是氮气，可以由喷嘴从侧面吹入到喷雾云中。该去溶剂化气体通常通过穿过加热块体内的微小通道被加热至高达几百摄氏度，通常通过使电阻加热器与加热块体紧密接触使加热块体达到一定温度。
5.由于喷雾过程使用高电压，所以，用于去溶剂化气体的这种类型的电阻加热不是非常令人满意。因此，需要一种用于分析光谱法的电喷雾离子源中的气体的更有效、易于安装的加热方法。
6.专利us6,681,998b2描述了一种气雾剂发生器，其包括感应加热装置，以使容纳在流体通路中的流体(诸如，液体或粉末)蒸发，
7.然而，该专利属于提供气雾化药用液体或粉末的领域，因此与分析研究领域无关。
8.国际申请wo2015/040391a1公开了一种用于质谱仪的设备，其包括离子源、用于加热通向离子源的气体流的加热器、用于监测加热器温度的温度传感器、以及通过监测供应
到加热器的功率和加热器温度来确定气体流的流量的控制系统。
9.申请公开us2016/0336156a1公开了一种将离子引入质谱仪的方法，其中，使用例如电喷雾离子源将样品电离以形成多个离子，该多个离子在气体中被运送经过可包括感应加热毛细管的通路并进入质谱仪的入口。然而，所述感应加热毛细管与离子源的功能无关。


技术实现要素：

10.本发明提供一种作为电喷雾过程的一部分对有助于产生去溶剂化离子的气体进行加热的方法，在加热电源与加热装置本身之间没有任何机械接触，而是使用了电磁感应。具有多个绕线的导电元件，诸如线圈或盘旋形件(spiral)(其可以被称为平的“薄饼”线圈)，被供应有千赫(kilohertz)至兆赫(megahertz)范围内的ac电流；具有多个绕线的导电元件内的电磁场通过生成涡电流(eddy current)而在用于气体加热装置的导电加热器中感应热量。感应加热的加热装置可以简单地是金属的或其他导电的块体，例如具有用于供气体通过的通道的包围喷雾毛细管的圆筒。替代地，它可以只是例如在非导电圆筒(诸如陶瓷圆筒)内通过感应被直接加热的一束金属的或其他导电的毛细管；或者，在另一变型中，它可以是在用于气体的非导电通道内的填充物，诸如多孔导电材料，例如成束的金属或其他导电绒棉(wool)。加热装置也可以是由具有多个绕线的相邻的平导电元件(诸如，盘旋形件)加热的具有气体通道的薄板，薄板包围喷雾毛细管，并且由于其短的同轴延伸长度，因此仅向毛细管和其中的分析物溶液传递很少的热量，通常不期望该分析物液体暴露于热量。
11.在第一方面，本发明提出一种用于产生待进行分析研究的去溶剂化离子的电喷雾离子源，该电喷雾离子源具有供应有喷雾溶液的喷雾毛细管、用于在喷雾毛细管的末端处产生电吸引场以建立用于电喷雾的条件的第一电源、以及有助于产生去溶剂化离子的气体供应装置，并且电喷雾离子源还包括用于将气体朝向喷雾溶液引导的加热装置、在加热装置附近的具有多个绕线的导电元件(诸如线圈或盘旋形件)以及第二电源，该第二电源连接到具有多个绕线的导电元件，以通过电磁感应在加热装置中产生热量，以使得气体在通向喷雾溶液的途中通过加热装置时被加热。
12.在各种实施例中，用于将气体朝向喷雾溶液引导的加热装置优选地被布置和构造成使得经加热的气体以射流的形式被引导向喷雾溶液，例如以便与喷雾溶液相交。
13.在各种实施例中，第二电源可以是输送频率在1千赫与1千兆赫(gigahertz)之间的交流电的低电压高电流ac电源。
14.在各种实施例中，具有多个绕线的导电元件可以被螺旋状地缠绕成例如线圈，并且加热装置可以位于这样的螺旋状缠绕的导电元件的内部宽度内。
15.在另外的实施例中，具有多个绕线的导电元件(诸如线圈或盘旋形件)可以被嵌套在中空筒状的加热装置的内部，以便促进和/或改进对杂散电磁辐射的遏制。对于喷雾毛细管和具有多个绕线的导电元件不是同轴和同心的实施例，可以想到这种变型。
16.在各种实施例中，具有多个绕线的导电元件可以具有在相反方向上彼此交错和/或缠结的绕线，诸如具有向前螺旋状盘旋然后翻转的第一段绕线、以及在第一段绕线之间的间隙之间向后螺旋状盘旋的第二段绕线。这种沿相同路径向前和向后的交错和/或缠结的绕线可以使电场消除长距离并且仅辐射到(双缠绕)导线附近。这种实现方式还将减少不
期望的杂散电磁辐射的影响。
17.在各种实施例中，加热装置可以是包围喷雾毛细管的中空圆筒。优选地，中空圆筒在靠近喷雾毛细管的末端的前端部处渐缩，使得排出的经加热的气体与喷雾溶液相交。可以将电喷雾离子源构造为使得中空圆筒(i)是导电的并且包含用于引导气体的直的或蜿蜒的通道，(ii)是不导电的并且包含埋设的金属的或其他导电的毛细管以传导气体，或(iii)包含用于气体的具有导电多孔填充物的非导电通道。特别优选的是，在非导电通道内的导电多孔填充物包括以下两项中的一种：(i)成束的金属或其他导电的绒棉；和(ii)成片的多孔烧结金属。绒棉用惰性金属来镀覆，以避免腐蚀。
18.在各种实施例中，加热装置可以是具有一个或多个通道以加热气体的金属薄板或其他导电板，该薄板具有包围喷雾毛细管的环的形式。优选地，具有多个绕线的导电元件具有盘旋形件的形式并且定位成与薄板相对，同样包围喷雾毛细管。电喷雾离子源还可以包括从薄板伸出的朝喷雾溶液的方向引导经加热的气体的至少一个毛细管。可以将电喷雾离子源构造成使得至少一个毛细管沿径向向内渐缩，使得经加热的气体被直接引导到喷雾溶液中。
19.在第二方面，本发明涉及一种用于分析研究去溶剂化离子的光谱仪，诸如质谱仪、离子迁移谱仪或两者的组合，光谱仪从电喷雾离子源接收去溶剂化离子，该电喷雾离子源具有供应有喷雾溶液的喷雾毛细管(该喷雾溶液可以从上游物质分离器接收，诸如液相色谱仪或电泳装置)、用于在喷雾毛细管的末端产生电吸引场以建立用于电喷雾的条件的第一电源、以及有助于产生去溶剂化离子的气体供应装置，并且该电喷雾离子源还包括用于将气体朝向喷雾溶液引导的加热装置、在加热装置附近的具有多个绕线的导电元件(诸如线圈或盘旋形件)以及第二电源，该第二电源连接到具有多个绕线的导电元件，以通过电磁感应在加热装置中产生热量，以使得气体在通向喷雾溶液的途中通过加热装置时被加热。
20.在第三方面，本发明涉及一种用于在电喷雾离子源中加热气体以进行分析研究样品的方法，该气体有助于产生去溶剂化离子作为分析物溶液的电喷雾的一部分，其中，气体通过加热装置并从加热装置接收热量，该加热装置是通过电磁感应在不接触的情况下被加热的。
21.在各种实施例中，气体可以是在被加热时被引导到喷雾羽流(plume)中的惰性去溶剂化气体。
22.在各种实施例中，方法还可以包括通过改变用于实现电磁感应的电源的操作条件来控制气体的温度。优选地，进行第二电源的操作条件的调节以适应待进行分析研究的分析物溶液的时间特性。特别优选的是，操作条件的调节遵循物质分离运行(诸如液相色谱运行或电泳分离运行)期间分析物溶液的时间特性，其中的洗脱液(eluent)作为分析物溶液被输送到电喷雾离子源。
附图说明
23.通过参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定是按比例的，重点在于说明本发明的原理(通常是示意性的)。在附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中表示相应的部件。
24.图1a示意性地示出本发明的基本原理；以千赫至千兆赫范围的ac电压进行工作的
具有多个绕线的导电元件(这里为线圈(14))在具有合适电导率的金属或其他导电圆筒(11)的表面内感应出热量；由此，对有助于产生去溶剂化离子并被挤压经过圆筒(11)的通道(12)的气体(诸如，去溶剂化气体)进行加热；气体(例如，氮气)朝向在喷雾毛细管(10)的末端(未示出)处产生的液滴羽流加速(未示出)，从而包围该羽流。
25.图1b所示与图1a的基本设计具有略微变化，其中，圆筒(11)的壁中的气体通道(12*)不是与圆筒(11)的纵向轴线平行地延伸，而是围绕圆筒(11)的纵向轴线蜿蜒，例如螺旋状(类似螺纹地)延伸；气体供给装置(24)向圆筒(11)的壁中的该蜿蜒通道(12*)供应气体，其中圆筒(11)由通过包围螺旋状多股缠绕的导电元件(这里为线圈(14))而在圆筒壁材料中感应出的涡电流进行加热，之后气体在圆筒(11)的底部前面中的一个或多个开口处从蜿蜒通道(12*)排出。
26.图2示出如下的实施例：其中埋设在陶瓷或其他非导电块体(15)中的一束金属或其他导电毛细管(16)通过来自具有多个绕线的围绕的导电元件(这里为线圈(14))的感应而被加热；有助于产生去溶剂化离子的气体被挤压经过金属毛细管(16)并由此被加热；排出的气体作为去溶剂化气体被吹入到在喷雾毛细管(10)的末端(11)处产生的液滴的喷雾羽流中；喷雾毛细管被朝向喷雾毛细管(10)的末端(11)输送雾化气体(17)的管子同心地包围。
27.图3示出本发明的略微不同的实施例；陶瓷或其他非导电块体(18)中的非导电气体通道(19)每个都容纳一束金属或其他导电绒棉(20)；绒棉被线圈(14)中的千赫至兆赫范围内的ac电流感应加热；绒棉，例如钢绒棉，可以被镀金以降低化学腐蚀的风险。
28.图4和图5以顶视图(图4)和侧视图(图5)示出薄板加热装置(21)，该装置具有通道(23)，用于将有助于产生去溶剂化离子的气体从位于背面的入口(24)经由板中的环状通道(22)输送到位于正面的出口毛细管(26)；气体通道可以通过在两个平板内进行光化学蚀刻或其他合适的技术然后将两个平板双面地结合在一起来形成，或者通过将金属或其他导电毛细管焊接或以其他方式结合到平的金属或其他导电板来形成；薄环形板包围喷雾毛细管(25)，并且由于其短的同轴延伸长度，因此仅向喷雾毛细管和在其中传输的分析物溶液传递很少的热量，通常不期望该分析物溶液暴露于热量。
29.图6示出导电的平的盘旋形件(27)，其可以定位成与薄板(21)的背面相对，并用于加热图4中的薄板(21)。
30.图7示出了在该情况中盘旋形件(27)、薄板(21)以及具有渐缩构造的出口毛细管(26)相对于喷雾毛细管(10，11)的布置，以使得从出口毛细管(26)排出的经加热的气体与从毛细管末端(11)刚刚喷出的喷雾溶液的喷雾羽流(未示出)直接相交。
31.图8示出具有多个绕线的导电元件(14)不是与喷雾毛细管同轴和同心布置而是相对于喷雾毛细管偏移并大致垂直的实施例。
32.图9示出另外的实施例，其中，同样定位成相对于包含喷雾毛细管(10)的组件偏移的具有多个绕线的多于一个的导电元件(14a，14b)，被用于加热经由多于一个的气体供给装置(24a，24b)供给的有助于产生去溶剂化离子(30)的多于一个的气体流；两个经加热的气体束(31a，31b)被导向成与从喷雾毛细管末端(11)喷出的喷雾羽流(32)相交。
具体实施方式
33.尽管已经参考本发明的多个不同实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在此进行形式和细节上的各种改变。
34.如上简述，本发明提供一种作为电喷雾过程的一部分对有助于产生去溶剂化离子的气体进行加热的方法，在加热电源与加热器(在本文中也称为“加热装置”)本身之间没有任何机械或电接触，而是使用了电磁感应。具有多个绕线的小的导电元件，诸如短线圈或仅具有几个绕线的平的盘旋形件，被供应从大约1千赫至1千兆赫的频率范围内的低电压高电流ac，从而对螺旋状缠绕的导电元件内的或具有多个绕线的平或平面的导电元件(例如，盘旋形件)附近的金属或其他导电加热装置进行加热。通过由交变电磁场感应的涡电流在加热装置的表面附近的材料内产生热量。涡电流同时使电磁场衰减，使得电磁场仅以短路径穿透到加热器材料中。金属加热器内部的场呈指数下降；直到该场下降到1/e(37％)时的穿透深度被称为“趋肤深度”或“有效深度”。作为实例，50千赫电磁场在铜表面中产生0.3毫米的趋肤深度。对于较高频率ω，趋肤深度以1/√ω(平方根ω分之一)变薄；对于具有其他电阻率ρ的其他材料，趋肤深度以√ρ(平方根ρ)变厚。在铁磁材料中，由于磁滞引起的损耗而额外地产生热量。
35.具有多个绕线的导电元件应该由具有低电阻率的材料制成。它可以由管子来制作，以具有通过诸如液体或气体等冷却流体的流动来冷却它的可能性。它还可以由李兹线(litz wire)制成，以减少线圈的阻抗损耗和不期望的过度加热。
36.加热装置可以布置在螺旋状多股缠绕的导电元件(诸如，线圈)内，并且可以同心地包围喷雾毛细管，然而没有任何机械接触(独立的)。加热装置可以包含用于待加热气体的通道。该气体应该是惰性气体，例如纯氮气。然后，经加热的气体可以作为去溶剂化气体被吹入到在喷雾毛细管的末端处产生的喷雾液滴的云中。去溶剂化气体应该有助于干燥液滴，以使得最终留下去溶剂化的带电分析物分子，在下游质谱仪、离子迁移谱仪或两者的组合中可以对带电分析物分子进行分析研究。
37.感应加热具有以下优点：加热非常高效，并且热量仅在需要的地方产生，损失最小。加热器可以被制造得非常紧凑，从而降低了对这种离子源的空间要求。这还意味着可以非常快速地加热或冷却的低热质量加热通道，使得加热温度可以在色谱分离的时间尺度内编程，以在洗脱时对每种化合物的去溶剂化进行选择性地优化。只有加热器的直到趋肤深度的表面才有效地暴露于交变电磁场。由此，可以大大简化在已知电喷雾离子源中使用的当前的加热装置。
38.对于加热器的形式，存在若干可能的实施例。
39.在第一实施例中，加热装置仅仅是螺旋状多股缠绕的导电元件的内部宽度内的金属或其他导电中空圆筒，如图1a所示。金属圆筒具有平行布置的直孔，用作气体通道。在特定实施例中，气体通道可以不是直的，而是盘绕或以其他方式，例如螺旋状地(图1b)蜿蜒通过圆筒壁。中空圆筒可以通过如下两个中空圆筒来制作：在已经在内部中空圆筒的外表面和/或外部中空圆筒的内表面中铣削出通道之后，将这两个中空圆筒同心地嵌套在一起。替代地或附加地，加热器可以通过增材制造(3
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d打印)来制作。中空圆筒的直径可以是渐缩的并将作为去溶剂化气体的气体直接吹入到液滴云中(图2和图3)，或者从圆筒的孔和通道排
出的经加热的气体可以通过渐缩的毛细管作为去溶剂化气体被引导到喷雾毛细管末端附近的液滴云中(图7)。
40.在第二实施例中，加热器可以缩减至用作气体通道的一束金属或其他导电毛细管。毛细管可以自由地穿过线圈(14)的内部宽度。在优选实施例中，毛细管(16)被埋设在陶瓷或其他非导电中空圆筒(15)中，如图2所示。经加热的气体作为去溶剂化气体被直接吹入到在喷雾毛细管的末端(11)处产生的具有液滴的喷雾羽流中。
41.在另外的实施例中，在陶瓷或其他非导电中空圆筒(18)中的非导电通道(19)内引导气体，并且由通道内的金属或其他导电材料(诸如导电多孔材料，例如成束的金属绒棉(20))来执行加热，如图3所示。通过用惰性材料镀覆，例如通过金或镍镀覆，可以保护绒棉(例如，钢绒棉)不受腐蚀。为了良好的加热效率，应该对绒棉的长丝的直径进行优化。
42.在另外的实施例中，加热装置是薄金属或其他导电板(21)，其具有气体通道(23)用于引导待加热的气体，如图4和图5所示，该待加热的气体由图6所示的相邻的导电的平的盘旋形件进行加热。薄加热装置(21)具有环的形式并且包围喷雾毛细管(25)，从而由于其短的同轴延伸长度，仅向喷雾毛细管和在其中传输的分析物溶液传递非常少的热量，通常不期望该分析物溶液暴露于热量。气体通道(23)可以在第一金属板中铣削、蚀刻或简单地压制而成，然后由双面结合到其上的第二金属薄板封闭，或者气体通道可以是焊接或以其他方式结合到金属薄板的一个面上的金属或其他导电毛细管。在图7中，示出了在该情况中，平的盘旋形件(27)、具有入口毛细管(24)的薄板(21)以及具有渐缩构造的出口毛细管(26)相对于喷雾毛细管(10)和末端(11)的布置。
43.该实施例具有由相邻的导电的平的盘旋形件加热的薄板，可以以这样的方式制作，即，加热装置由于低热质量而显示出极小的热容量。这样的装置可以非常快速地被加热和冷却；通过来自平的盘旋形件的感应进行加热，以及通过恒定供应的新鲜气体进行冷却。该装置允许根据由电喷雾产生的分析物离子的特性调节气体的温度。在洗脱液作为分析物溶液被输入电喷雾离子源的液相色谱运行中，或者在任何其他物质分离运行中，诸如电泳分离运行中，连续洗脱的分析物可能对热断裂或多或少敏感，并且气体的温度可以相应地控制以便尽可能地降低热应力。
44.图8所示的另外的可选实施例偏离了喷雾毛细管与对要被传导加热的气体提供引导的通道的同心对准。如图8所示，一组件包括具有指向下的末端(11)的喷雾毛细管并且可选地包括用于雾化气体的一个或多个同心导管，并且沿着在很大程度上竖直的方向延伸，而气体供给装置(24)在包含毛细管末端(11)的平面中大致垂直于喷雾轴线延伸并具有串联布置的两个端部段(28，29)。第一上游段(28)被螺旋状多股缠绕的导电元件(14)包围并且被感应加热，使得热量被传递到在内部流动的气体。第二下游段(29)用作经加热的气体的排放元件，并且在所示实施例中具有半环形形式，该环形或环的理论中心与喷雾毛细管末端(11)的位置大致重合。半环段内侧上的开口(未示出)将经加热的气体朝向被喷雾的溶液引导和导向，例如喷嘴状，从而帮助从末端(11)排出的电喷雾液产生去溶剂化离子。这种设计的修改是可能的，例如，部分环形或环状段(29)覆盖不同于180
°
的角度范围，诸如更小的角度范围，例如四分之一扇，或者更大的角度范围，直到几乎360
°
从而类似于字母c或项圈件形状。也可以将喷雾毛细管的末端(11)从图8所示的半环状段(29)的平面内的位置适度地向上或向下移位。
45.图9示出另外的实施例，其中，同样定位成相对于包含喷雾毛细管(10)的组件偏移的具有多个绕线的多于一个的导电元件(这里为线圈(14a，14b))被用于加热经由多于一个的气体供给装置(24a，24b)供给的有助于产生去溶剂化离子(30)的多于一个的气体流。两个经加热的气体束(31a，31b)被导向成与从喷雾毛细管末端(11)喷出的喷雾羽流(32)相交，以便帮助去溶剂化。气体供给装置(24a，24b)必须仅在它们被线圈(14a，14b)包围的位置处包括导电材料。此外，在上游，它们可以包括非导电材料。
46.已经参考本发明的多个不同实施例对本发明进行了说明和描述。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节，或者如果可行的话，可以容易地组合结合本发明的不同实施例公开的不同方面。此外，前面的描述仅用于说明的目的，而不是用于限制本发明的目的，本发明仅由所附权利要求限定，并且根据具体情况，意味着包括任何技术等同物。