关注公众号

关注公众号

手机扫码查看

手机查看

喜欢作者

打赏方式

微信支付微信支付
支付宝支付支付宝支付
×

HPIMS:离子迁移谱的新品类 开创高效分离检测新时代

2013.4.02

  【导语】上世纪70年代,离子迁移谱(IMS,Ion Mobility Spectrometry)技术曾风靡一时,在分离领域可与气相色谱媲美,在定性测量领域又可作为无需真空、成本更低的质谱仪使用;后来离子迁移谱技术渐渐淡出分离分析领域,主要是由于这项横跨色谱和质谱界的技术,分离效率无法实现突破性提高。“911”事件后,离子迁移谱在快检应用方面迅猛发展,但若想应用于更多领域,离子迁移谱必须克服“无法高效”这个“硬伤”。

  所幸的是,华裔科学家吴青博士在博士期间就对突破离子迁移谱的“高效”难题做了大量研究,为使研究成果得到广泛应用,吴博士创建了EXCELLIMS公司,推出了多款商品化的高效离子迁移谱(HPIMS)。近日小编有幸访问到吴青博士和绿绵科技有限公司欧阳伟民总经理,他们将为我们详解高效离子迁移谱的技术奥秘和应用前景,希望对所有关注分离检测新技术的科技工作者们有帮助……

8585_201304021701301.jpg

“高效离子迁移谱之父”、美国Excellims公司执行总裁 吴青博士(左),高效离子迁移谱中国代理商 绿绵科技有限公司 欧阳伟民 总经理(右)

高效离子迁移谱(HPIMS):克服传统IMS“无法高效”的“硬伤”

  谈到高效离子迁移谱(HPIMS)的发展历程,首先吴博士回顾了传统离子迁移谱(IMS)的发展史。

传统离子迁移谱(Conventional IMS)的发展简史:

色谱-质谱-色谱检测器-快检技术-与质谱联用的另一种分离手段

  20世纪70年代:离子迁移谱以“和气相色谱分离效率相媲美”的分离技术出现,当时被称为Plasma chromatography(等离子色谱);且离子迁移谱性价比高、分析速度快,在当时被主要应用于气体测量领域。

  作为一种无需真空的质谱技术被大量研究。由于离子迁移谱不需要昂贵的真空系统,根据质量数和分子大小的关系便可估算被测物的质量数;而当时质谱的价格很高,所以离子迁移谱被作为一种无需真空、低成本的质谱。但同期,色谱技术分辨率大幅提高,离子迁移谱在分离应用方面被远远抛在了色谱技术的后面。

  20世纪80年代:离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometer,IMS)作为色谱仪的检测器来使用。由于其便携、牢固和适用现场检测等特点,离子迁移谱被应用到军工、化学武器的检测等领域。

  20世纪90年代至21世纪初:离子迁移谱被用在麻药、毒品和爆炸物的检测领域,尤其在“911事件”以后,爆炸物检测更加重要了,离子迁移谱的需求量也越来越大。目前在全球,这种用于现场快速检测的离子迁移谱仪器已销售20万台以上,被誉为“快速检测有毒有害物的十大技术”之首。

  同时,离子迁移谱还可以加在现有质谱仪的前端,增加一种维度的分离,比如Waters的Synapt MS,Thermo Scientific的FAIMS,AB SCIEX的SelexION,都是离子迁移谱的应用。

  不过,所有上述离子迁移谱仪器,分离效率都比较低,性能与传统的离子迁移谱类似。

高效离子迁移谱(HPIMS)的“诞生”

  谈到高效离子迁移谱的由来,吴博士说:“提高迁移谱的效率始终是市场的需求。起源是从我以前在华盛顿州立大学做博士论文的研究中,发现可以把离子迁移谱做得效率很高,于是我发表了很多相关的文章。虽然世界上有几家实验室在应用高效离子迁移谱,但市场上缺乏商品化的产品,限制了高效离子迁移谱的应用推广。所以我们创办了Excellims这家公司,希望通过我们的努力,使高效离子迁移谱真正成为一种应用广泛的分析手段。”

  笔者发现,Excellims公司成立之初,就得到众多权威部门的支持。比如正是在美国本土保护部(DHS),国立卫生研究院(NIH)及美国食品和药物管理局(FDA)的支持下,Excellims公司推出了世界上第一台商品化的高分辨率离子迁移谱,其分辨效率已可和液相色谱技术媲美,且分离速度极快、无需溶剂、绿色环保。日前,Excellims还获得美国EPA等部门的支持,来研发针对水质监测的高效离子迁移谱。


高效离子迁移谱的原理

8585_201304021701543.jpg

  离子迁移谱的基本原理是:当离子源将样品转化为离子后,在电场的驱使下,这些离子通过周期性开启的离子门(Ion gate)进入弱电场漂移区(Drift region)。在与逆流的中性漂移气体分子(Drift gas)不断碰撞的过程中,由于这些离子在电场中各自迁移速率不同,使得不同的离子得到分离,先后达到检测器(Ion detector)被检测。根据离子所用的漂移时间可以计算出离子的迁移率(迁移率的定义是指在单位电场强度作用下离子的漂移速度)。由于在一定的条件下,各种物质离子的迁移率互不相同,因而也就导致不同的离子通过电场的漂移时间各不相同。因此可根据漂移时间的测量对样品进行分离和定性,记录离子检测器检测到的离子数量即可用于定量。离子迁移谱技术和飞行时间质谱分析技术有些类似,不过,飞行时间质谱必须在高真空下工作,而离子迁移谱工作在大气压条件下。

  Excellims公司推出的高效离子迁移谱,在样品引入方式、离子源、漂移管、检测器的设计等方面都进行了一系列的改进,并同时在全球(包括中国)申请了ZL(详见:http://ip.com/patfam/zh/38372074)。特别应该提到的是,目前80%以上的有机物检测更适合于用液相色谱进样方式,而传统的离子迁移谱都使用气相色谱进样方式,Excellims因为推出了具有ESI电喷雾源的离子迁移谱而倍受青睐。

8585_201304021708211.jpg

Excellims公司推出的GA 2100 ESI-HPIMS示意图

  在Excellims公司推出的GA 2100 ESI-HPIMS中(如上图所示),使用电喷雾源进样,待测物首先在脱溶剂区进行离子化,然后送入离子门,在大气压下,待测物通过几十毫秒达到迁移和分离。整个分离过程不消耗有机溶剂。待测物的迁移时间与其大小和结构有关。离子迁移谱能分离同分异构体,如顺反异构、位置异构体等。


高效离子迁移谱的特点

与传统离子迁移谱、(U)HPLC、GC的比较

  与传统的离子迁移谱相比,高效离子迁移谱在分辨率(分离能力)、灵敏度、前处理方法、线性范围和精密度等方面均有提高。


传统的离子迁移谱 高效离子迁移谱
分辨率(分离能力) 12-40 60-90
灵敏度(最低检测限) pg-ng水平 pg-ng水平
进样及离子化方式 固体样品使用热解析方式,Ni63 放射离子源 固体样品使用热解析方式,电晕放电源; 液体样品使用电喷雾源;气体样品也可直接进样
分析速度 5-10秒 5-10秒
线性范围 1-2个数量级 2-4个数量级
精密度 10-15% RSD 1-5% RSD

8585_201304021712491.jpg

辅酶Q10不同分析方法下分离度和分析时间的比较,从谱图中可以看出,HPIMS的分辨率比传统IMS的分辨率大幅提高,分辨率介于(U)HPLC和GC之间,同时分离时间比(U)HPLC和GC大大缩短

增加了电喷雾离子源——ESI 及Directspray

  传统的离子迁移谱多用热解析放射源(如Ni63)离子化,只能用来分析挥发性物质、极性较小物质、以及重量比较小的分子,即适合于气相色谱(GC)分离的分子。高效离子迁移谱,使用电喷雾源并增加了ZL的Directspray电喷雾源技术,使用时,将取样后的针头直接放进离子迁移谱里边,几秒钟后便能读出结果。Directspray技术不但简化了进样和分析的方法,还可以分析大分子、有机分子、强极性分子,甚至是无机的小分子和离子等物质。

  当然,Excellims的高效离子迁移谱,仍然可以使用热解析放射源;或通过自动进样器,连接连续流动的ESI源。

强大的数据库

  高效离子迁移谱具有强大的数据库,为客户节省更多的时间。数据库保留了目标化学物分析时间的数据,每天用5-10秒的时间标定一下仪器,数据库就可以使用了。

绿色环保,节省成本

  高效离子迁移谱不需要大量的溶剂,不但绿色环保,也节约了使用成本。假如液相色谱一天工作8小时,在美国一年的操作费用约需两万五千美元,如果使用高效离子迁移谱代替液相色谱,一年用可以节省九十以上的操作费用。

  高效离子迁移谱使用空气代替了真空系统,比质谱仪的造价更低,不但不需要维护和维修,而且携带方便。


高效离子迁移谱的应用领域

天生的现场检测仪器:独立的分离检测仪器

  “离子迁移谱天生就是现场检测的仪器”,吴博士说到。高效离子迁移谱检测速度快,仪器结实耐用,尤其适用于现场检测。在制药过程的监测和爆炸物的现场检测中,高效离子迁移谱能够代替液相色谱,省去了检测时试剂的携带、稳定性不好和污染的问题。

在液质联用或独立的质谱使用时,增加一个维度的分离

  比如在液质联用中,或独立使用质谱时,Excellims的模块化的高效离子迁移谱(Research Tool Kit),就像Synapt MS或SelexIon中使用的离子迁移谱一样,可被加到质谱前边,增加一个维度的分离。这时,离子可按照分子的形状、体积进行分离,尤为适用于同分异构体的检测。

作为液相的检测器使用

  如产品AIMS 2100和刚推出的IA3100,可以作为一个检测器与液相联用,代替灵敏度较低的紫外检测器,不但提高了灵敏度,而且可以检测到不吸收紫外的分子。而且,高效离子迁移谱与液相联用,还能够实现两维的分离效果。

本文相关厂商
本文相关产品
推荐
关闭