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发明人解密:Nobel获奖技术ESI和AxION新质谱

2011.11.10

  发明人正解:Flexar SQ 300AxION 2 TOF MS

  TOF质谱在OEM时就很成功:先后用于半导体行业、和病毒细菌快速检测

  前文已述,AoB从90年代开始做ESI-TOF MS,第一代产品是Corsair。当时OEM给一家半导体公司,它装到半导体生产线上做样品检测,很快获得了成功。现代的集成芯片大都是在反应锅里做的,溶剂的纯度要很高才能得到高的产率。如果纯度达不到要求时,就要报废掉这一锅,这一锅的价值就是上百万美元。传统的做法是每一天把溶剂倒掉1/3,加1/3或者用几天后全部倒掉换新的。选择Corsair的那家公司很聪明,提供一个质谱解决方案,随时检测其中的杂质,这套方案很成功、卖得也不错。

  后来,Abbott那套Plex-ID更为成功。它主要能快速检测变异的病毒,首先在美国军方得到了很大支持。Plex-ID前端是一套脱盐装置,主要的检测仪器就是AxION TOF MS;他们的口号是:以最快的速度对流行性的病毒或细菌进行诊断。2009年,“猪流感”(后被WHO称为A/H1N1流感)事件中,Plex-ID最早对这种变异的病毒成功测序。

  Flexar SQ 300和AxION 2TOF-MS的特点

  在笔者问到“PerkinElmer推出的两种LC/MS有何特点”时,沈博士马上打开了话匣子,逐一介绍。

  1、两种质谱上都采用的离子源技术

  这其中又有几项ZL设计。

  (1)采用反吹干燥气CCDG(Counter current drying gas)

  CCDG干燥效果最好,这也是成就John Fenn获得Nobel奖的几项重要技术ZL之一。“Agilent、Bruker至今仍使用我们的ZL。”

  (2)采用玻璃毛细管传输ZL技术

  ESI难点之一是,需把在大气压下形成的离子从大气压传到高真空,传输效率很重要。虽然后来有公司为避开ZL采用了其它技术,但ZL的玻璃毛细管传输效率是最高的。玻璃不导电,表面可吸附离子直至饱和,在毫秒内可达到一个动态平衡。这时,只要有一个离子进去,就有一个离子出去,理论上传输效率是100%。“早期我在John Fenn实验室做,开始做短玻璃毛细管,然后做到一尺多长的,甚至加热把毛细管烧成弯曲90度的,全部离子都能传输过去,都能获得100%的传输率。” 采用玻璃毛细管传输的唯一缺点是,如果毛细管壁脏了、或漏电,就不能获得高的传输效率。所以要好好维护玻璃毛细管表面清洁度。

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  同时,用玻璃毛细管后,可以把离子源前面部分和后面部分分开(decouple),这样在做电喷雾时,前面的电喷雾优化条件就可以和后面的电子聚焦透镜优化条件完全分开,相互不干扰。

  (3)接地的离子源设计

  “另外,我们的ZL是,采用喷针接地,不仅使用安全而且使前面的聚焦过程和后面的聚焦过程没关系。同时,如果要用CE-MS,一个先决条件就是CE一定要接地。我们的技术很好满足了这一点。”

  接地的离子源设计,可以保证在调整源内CID电压时,不会影响其它参数的变化,从而可以得到稳定的、可重现的质谱图,这样用户不单得到分子离子峰,而且可 以得到相应的离子碎片,软件功能可以帮助用户计算离子碎片与分子离子峰的关系,这样可以帮助用户对所分离的化合物进行进一步的确认,提高定性能力。

  新型Separation Probe附件,不仅可以有效减小色谱柱和离子源的死体积,还可以减少交叉污染。实验者可以把Probe揣在兜里,做样品时就放上去,不做时就拿走。

  (4)场屏蔽APCI源

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  “场屏蔽的(Field-Free)APCI,是我们的又一ZL。”将电晕针的位置放置在喷针的内部,可以聚焦全部样品通过电晕针区域,从而保证在非常低的流动相流速下质谱依然可以在正、负模式下得到非常好的灵敏度,与传统APCI技术相比,灵敏度可以提高五倍。

  (5)Ultraspray™ 2 可调节的Dual-spray双喷针

  很早的时候,AoB就发明了双喷针技术,在做样时,可以一个喷针走样品,一个喷针走内标。大家知道,TOF使用内标能更好地提高测定的质量准确度。但内标如果和样品混合喷雾,会产生电荷竞争,使样品信号下降;而且样品和内标可能要求的pH不同。双喷针技术克服了上述问题,不仅方便地使用内标对样品实时标定保证高质量准确度,还可以防止交叉污染。(原来这项技术早被AoBZL了!——这可解释了笔者心中一直以来的疑惑。)

  而且,该喷针是斜喷,位置可以调节,针对不同的样品条件,可优化其离子化的效率,获得更高的灵敏度。祝立群博士补充说:“比如,在我们使用Flexar SQ 300 LC/MS时,获得了非常高的灵敏度。测定18种塑化剂都能获得20 ppb的高灵敏度检出;瘦肉精(克伦特罗)若按照饲料中瘦肉精的标准来做,也远远超出标准的检测要求。”

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       2、AxION 2 TOF-MS上采用的技术

  (1)多级离子通道技术multistage ion-guide

  离子从源区进入后,先通过一个六极杆,该六极杆区设计了3级真空压降,顺利引导离子从离子源到达脉冲区使其有可能成为一个二维的离子阱,达到最大的离子传输效率。其V形飞行路线,可获得高分辨率和高灵敏度。

  (2)ZL的捕集脉冲技术(Trapping Pulse Mode)

  ESI-TOF中,大家知道ESI产生连续离子流(ion beam),而TOF是脉冲式的,这时很多离子会损失。AxION采用了ZL的捕集脉冲技术来更好地利用离子、从而提高灵敏度。

  在离子透镜的出口处,提高出口透镜电压则形成一个门电压,这样就可以捕集(Trap)离子。事实上,这时形成了一个二维线性离子阱。然后降低门电压释放离子到TOF的脉冲区,控制延迟(delay)后,离子被脉冲地送到飞行管中分析。有效地控制离子透镜的出口门脉冲,可以把ESI产生的连续离子束转变为脉冲的离子束,从而减小占空比(duty cycle)损失。相比没有使用Trap模式的TOF,每个门脉冲都捕集更多的离子而释放少部分的离子,从而显著提高ESI-TOF的占空比,提高灵敏度。

  在门脉冲释放离子到TOF后,将延迟一段时间,被释放的离子成包地从离子出口透镜进入TOF的脉冲区,然后再把离子脉冲地送入飞行管。当选择足够短的门脉冲时间时,就可以分离出感兴趣的m/z离子(小的质量在前,大的质量在后)再进行TOF分离。利用这种分离m/z的功能,设置门脉冲和垂直TOF脉冲之间的延迟时间,就可选择不同m/z范围/窗口的离子,再送入TOF分析。选择m/z窗口的功能,可减少TOF检测器的通道死时间,降低TOF脉冲间的化学噪音和交叉污染。

  短的门脉冲时间,短的TOF延迟时间,将提高低m/z离子的信号;增加门脉冲的时间和延迟时间,将提高更宽范围m/z离子的信号。对于某段m/z离子(尤其是小分子),最高可提高20倍的灵敏度,一般情况下,都能提高3~5倍的灵敏度。今年BCEIA上,沈博士的poster中介绍了用捕集脉冲技术检测药物杂质的工作,用AxION分析非处方药Melatonin(褪黑素,俗称为脑白金)中的杂质时,用Trap模式(下图)比Pulse模式(上图)提高3~5倍的灵敏度,更容易检测到杂质。

  相比三维离子阱,使用多杆透镜的二维离子阱模式,在脉冲地释放离子到TOF脉冲区时,可以连续地充满到来的离子束。

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用AxION分析非处方药Melatonin(褪黑素,俗称为脑白金)中的杂质时,用Trap模式(下图)比Pulse模式(上图)提高3~5倍的灵敏度,更容易检测到杂质

  

  (3)使用更好的探测器Magnetic Channeltron Detector

  AxION上使用了最新型的磁电子倍增管作为它的检测器,而不是常用的微通道板MCP式的。该检测器虽然比MCP式的价格贵很多,但其脉冲宽度很小,响应更快。因为“在TOF中,时间就是分辨率,MCP大概可以做到1.2个纳秒响应,而磁电子倍增管可以做到0.6纳秒的响应,以获得更高的谱图质量和更高的分辨率。”

  PerkinElmer未来在质谱上的潜力

  谈到PerkinElmer未来在质谱上可能的优势,沈博士认为,“我们的技术力量比较雄厚,原AoB有个特点,公司上层都是来自耶鲁的知识分子。大家对做科研的兴趣比赚钱更大,所以在前沿和ZL等领域会占据优势。另外,原AoB生产制造的质谱有个特色,就是在控制价格上做得不错这个优势会继续保持下去。”

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