纳流电喷雾喷雾优化


获得最佳电喷雾是纳流电喷雾质谱应用的一大挑战。羽毛形状的喷雾特征与以下几个实验参数有直接关系。参数包括:

  • 流动相流速
  • 喷针和喷嘴内径
  • 流动相组成成分
  • 电压大小

针对喷雾形态和质量的影响,人们研究了这些实验参数,分析了获得高质量电喷雾的影响因素,进而获得纳喷雾分析的理想喷雾。

深入了解电喷雾

Anatomy of nanospray
图1

电喷雾是通过施加电压于喷针喷嘴或液接位产生。在喷针喷嘴后(如图1A所示是锥形状流体,称之泰勒锥 (如图1B所示)。Taylor Cone然后逐渐成为一种极细射流体,最后发散成一种扇子形状的气溶胶,称之为羽毛状雾团。喷雾团被质谱仪入口的真空吸引带入仪器进而下一步分析。

影响喷雾效果的因素

Graph showing the relationship between tip size, flow rate, and clogging liklihood
图2

喷针和喷嘴内径

喷针喷嘴内径直接关联流速大小。选择纳喷雾分析喷针的合适喷嘴内径有两方面考虑,对样品体积小、流速低的情况的样品,应使用较小尺寸的喷嘴,但同时堵塞的机会也会增加。如图2所示,选择合适的喷针喷嘴尺寸是困难单重要的决定。

流动相流速

在加电压之前,让流动相流动并检查喷针喷嘴确保流体出口无堵塞。如果喷嘴成像系统未能观察到液滴形成,或在LC系统中的反压高,意味着管路内有堵塞。因为实验室的去离子水可能含颗粒物造成堵塞,所有应用建议使用HPLC级的水。为确保最理想性能,内置过滤器有助于防止堵塞。

技术报告PT-7介绍一种精确的流速测定方法“在线纳流LC-MS实验流速的设定和测定”[PDF]。很多LC泵适应的流速范围在µL/min ,少数泵是专门为nL/min 流速设计的。在LC泵和色谱柱之间使用一个分流器(如图表3所示)可获得低流速以进行纳流LC实验。一个分流器形似T字,熔融石英管连接在LC管路的反方向(出口 1所示)将流动相送往柱,第三根熔融石英管垂直接入流路,提供第二个流动相出口(出口2)。


图 3

一般来说,出口 2使用的熔融石英管越短,分流到喷针的流速就越低。为获得理想的流速,可以通过以下步骤着手:准备一根较长石英管连接于Outlet 2,在柱出口端测流速,按比例的缩短出口2管路的长度以达到预期流速,可用合适工具(金刚石笔或蓝宝石切割刀)切割毛细管。在分流器前装一个在线微过滤器,并在分流器和色谱柱之间装一个在线纳过滤器以减少堵塞。

流动相组成

根据经验,使用30%有机相和70%水相组成的流动相进行喷雾优化;水相和有机相中加入改性剂使之为含有0.1%甲酸或0.5-1%乙酸。在有机相比例低的情况下,产生的喷雾团稀薄,即使在高倍放大下也难以看清。增加有机相比例就能在高倍放大下观察到清晰的喷雾。

电压施加

为产生初始喷雾,建议从较低的初始电压0.9kV开始。因为稳定的喷雾经常需要更高的电压,流动相在喷嘴口可能会出现脉动或闪跃。以0.1kV增量逐渐提高电压,并观察喷雾形态的改变,这是有效获得理想喷雾的方法。

在低电压时,滴液(约5µm)流看上去像一条线,在喷雾团中心摇摆。这是轴喷雾形态的特征行为 (如图4B所示)。随着电压的慢慢增加,液滴缩小至1µm ,随后轴喷雾形态消失。接下来是称为脉冲锥射流模式的喷雾,从喷嘴发出的射流成梯形喷雾团,勉强可见(如图4C所示)。逐渐增加电压获得理想稳定的锥射流雾雾状,泰勒锥清晰可见,单股射流被吹成圆形稍不透明的雾团(如图4D所示)。

随着电压继续增加,喷雾团分裂为一个或更多个稳定的射流,喷射到多个方向。这种喷雾形态被形象地称为多射流喷雾模式(如图4E所示)。在更高的电压下,喷雾呈现为混乱或纵横交错的射流,它的形状和分叉不断发生着变化,在这种喷雾模式下发生的多喷雾射流的形成,消失和再现是不足为怪的(如图表4F所示)。

为了明确说明问题,图片是在50%有机相(甲醇),1%乙酸,流速250nL/min的情况下拍摄的。

液滴 射流轴
脉冲喷雾+大液滴(5 µm)
脉冲锥射流
脉冲喷雾+小液滴(1 µm)
稳定锥射流 多射流喷雾
脉冲混沌状喷雾
多冲压式射流
混沌状喷雾
图4

为探索在线纳流电喷雾的最佳实验条件,在提高乙腈比例时,观察流速和电压的改变对最佳喷雾的影响。该实验使用了一根PicoFrit 柱(PFC7515-PP2-10),360 µm OD、50 µm ID 的熔融石英管,分流器,改装的UpChurch Scientific液接位电压微型三通,在线微过滤器,在线纳过滤器和HPLC级水和乙腈(各含0.1%甲酸)组成的洗脱液。所有熔融毛细管使用金刚石刀片切割。所用的仪器是Thermo Finnigan LCQ Deca质谱仪,New Objective PicoView 150纳喷离子源和Agilent 1100系列毛细液相泵。

流动相流速v和乙腈比例百分比C的关系用以下方程描述:

v = -kC + vo

截距vo是乙腈/流动相B比例为0时的流速,k是常数。如图5所示,在设定的条件下,流速随乙腈比例增加线性降低与CAN浓度有关。

Chart: Mobile phase flow as a function on organic modifier

观察的流速范围从318 nL/min,2% ACN到46 nL/min,90% ACN。纳流电喷雾实验的典型流速范围是100-500 nL/min。

流动相含有高比例水性会产生线状轴式喷雾,稀薄且难以观察。为获得高比例水相时理想的喷雾效果,电压必须要高于常规的设定。而当有机相比例增加时,喷雾效果和质量提高,降低电压即可得到理想的锥射流模式。前述讨论的在30%有机相和70%水相组成的流动相条件下进行喷雾优化,电压一般在1.8-2.5kV之间。

参考文献:

  • Lee, M.S.; Valaskovic, G.A.; Murphy, J.A. “LC-MS流速变化梯度:喷雾模式信号的影响和操控”,论文发表于美国质谱协会,Montréal, Québec, 2003
  • Murphy, J.P.; Valaskovic, G.A..; Hahnenberger, K.M.; Neyer, D.W. “自动化ESI操控纳流LC-MS流速变化梯度”,论文发表于美国质谱协会,Nashville, TN, 2004
  • Valaskovic, G.A.; Murphy, J.P.; Lee, M.S. 电喷雾离子自动化正交控制系统J. Am. Soc. 质谱技术2004, 15, 1201-1215


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