IONIZATION SOURCE FOR MASS SPECTROMETER

SOURCE D'IONISATION POUR SPECTROMETRE DE MASSE

Description

CA 02480549 2004-09-15
SOURCE D'IONISATION POUR SPECTROM~TRE DE MASSE
L'invention porte sur une source d'ionisation avec procédé de désorption laser
destiné au domaine
général de la spectrométrie de masse, et ayant notamment comme domaines
d'application
particuliers le pharmaceutique, l'environnement et la protéomique.
De nos jours, un grand nombre d'analyses sont effectuées par la combinaison
d'une technique de
séparation avec la spectrométrie de masse. Cette combinaison d'appareils
scientifiques est un
outil de choix dans plusieurs domaines dont ceux qui imposent une quantité
remarquable
d'analyses en raison des développements importants de nouvelles molécules.
De nombreux progrès au niveau des performances d'analyse sont attribuables à
la pratique de la
chromatographie et à la spectrométrie de masse. Une de ces technologies
d'interface imputable
au couplage de la chromatographie en phase liquide et de la spectrométrie de
masse est l'APCI
(Atmospheric Pressure Chemical Ionization ou électrospray et ionisation
chimique à pression
atmosphérique). Le mode d'ionisation chimique de cette technique s'effectue
par l'intermédiaire
d'une décharge couronne à pression atmosphérique.
Une autre technologie d'ionisation existante sur le marché est le MALDI
(Matrix Assisted Laser
Desorption Ionization ou désorption ionisation laser assistée par matrice).
Dans ce cas, la
désorption et l'ionisation sont induites par laser. De plus, l'ionisation
s'effectue via
l'intermédiaire d'une matrice à pression atmosphérïque ou sous vide.
Ces deux techniques présentent toutefois certains désavantages. Parmi ces
désavantages, les
temps de préparation de l'échantillon et de l'analyse sont longs et complexes.
La diminution de
ces paramètres critiques a un impact direct sur les coûts associés aux
diverses analyses, d'où
l'intérêt porté par l'industrie.
Afm de répondre à cette demande bien réelle de la part de l'industrie, il est
proposé une nouvelle
source d'ionisation à pression atmosphérique pouvant être couplée à la
spectrométrie de masse.
Cette nouvelle source d'ionisation appelée LDTD (Laser Diode Thermal
Desorption) permet une
désorption thermique par laser sans matrice (contrairement au MALDI) et une
ionisation induite
par décharge couronne sans phase mobile (contrairement à l'APCI). L'absence de
matrice et de
phase mobile élimine les interférences croisées possibles avec l'échantillon.
L'invention porte notamment sur le design de la nouvelle source avec procédé
de désorption
laser. Grâce à l'invention, les échantillons sont analysés dans un délai plus
court car la
vaporisation de l'échantillon se fait dans un laps de temps de l'ordre de la
seconde
comparativement à environ 60 secondes sur une colonne chromatographique
usuelle en phase
liquide (facteur approximatif de 60) (unité de temps). L'autre avantage
concerne l'absence de
solvant. Cela permet de diriger le jet d'échantillon désorbé directement dans
l'orifice de
l'interface et ce, à une distance minimale de l'entrée du spectromètre de
masse (facteur
approximatif de 100) (unité de concentration).
Les principales étapes caractérisant le processus conforme à
1°invention sont les suivantes. La
préparation des échantillons peut se faire par différentes techniques comme
l'extraction en phase
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solide (SPE), la chromatographie ou l'électrophorèse capillaire. Les
échantillons sont déposés
dans un support à échantillons spécifique pouvant contenir un nombre variable
de puits. Le
faisceau de la diode laser est dirigé séquentiellement sur chacun des puits.
L' énergie du
rayonnement est alors absorbée par le fond du puits métallique produisant une
augmentation de la
température et par conséquent la désorption de l'échantillon et ce à ou près
de la pression
atmosphérique. L'échantillon désorbë est emporté par le gaz d'entraînement au
niveau de la buse,
ionisé par la décharge couronne et injecté directement dans le spectromètre de
masse.
Les utilisateurs actuels de support à échantillons peuvent utiliser leur
modèle spécifique puisqu'il
répond aux critères de standardisation (9 mm entre chaque puits, 8 mm de
diamètre). Ils peuvent
ainsi conserver leurs systèmes de préparation actuels. Quant à la nouvelle
source d'ionisation,
elle demande un minimum de modifications au niveau de l'arrimage mécanique
pour s'installer
sur les différents spectromètres de masse du marché.
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera
donnée ci-après en
référence avec les dessins suivants:
Figure 1 est un schéma d'une source d'ionisation selon l'invention.
Figures 2A, 2B et 2C sont des schéma illustrant différents modèles de support
à échantillons
selon l'invention.
Figure 3 est un schéma illustrant un entraînement moléculaire survenant durant
l'opération de la
source d'ionisation selon l'invention.
Figure 4 est un schéma illustrant un circuit électronique de contrôle selon
l'invention.
Figure 5 est un schéma illustrant une autre source d'ionisation selon
l'invention.
Figures 6A et 6B sont des graphiques illustrant respectivement des exemples
d'un spectre LDTD
MS et un graphique du signal en fonction du temps (XIC) par un spectromètre de
masse doté
d'une source d'ionisation selon l'invention.
La figure 1 schématise une source d'ionisation LDTD (Laser Diode Thermal
Desorption) (2)
conformément à l'invention. La source est composée d'un boîtier laser (4)
comprenant un réseau
de diodes laser (6) (e.g. "Laser Diode Array", Infra-rouge, 1-50 W) et deux
lentilles cylindriques
(12) (e.g. "Piano Convex Cyl Lens", "B coating" : "Wavelength'° 650-
1050 nm). Les lentilles
cylindriques (12) sont disposées face au réseau de diodes laser (6) et servent
à faire converger le
faisceau laser (10) sur le fond du support à échantillons (16) contenant les
échantillons déposés
au fond des puits.
Les figures 2A, 2B et 2C présentent trois différents prototypes du support à
échantillons (16). La
figure 2A représente le fond d'un cupule (42) inséré par un procédé mécanique
dans le fond d'un
puits. La figure 2B représente un cupule (44) en forme de cartouche inséré par
un procédé
mécanique dans le fond d'un puits et dont le rebord atteint la même hauteur
que le support à
échantillons. La figure 2C est un support à échantillons constitué d'une
feuille métallique (46)
imbriquée entre deux plaques de polypropylène copolymère (48 et 50). La forme
adaptée pour le
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design du cupule permet l'auto centrage de l'échantillon lors de sa
préparation. Dans tous les
cas, cette forme est optimisée pour l'obtention d'un signal maximum. Plusieurs
matériaux
constituant le cupule ou la feuille métallique peuvent être utilisés à
condition d'être inerte. ä titre
d'exemple, l'acier inoxydable ou encore l'aluminium recouvert (du coté du
faisceau laser) d'une
substance absorbant l'énergie du faisceau laser peuvent être employés. Tous
les prototypes sont
étanches. Les prototypes peuvent contenir 96, 384 puits ou tout autre modéle
de puits disponible
sur le marché.
En référence à nouveau à la figure l, le réseau de diodes laser (6) est de
préférence refroidi par un
élément Peltier (8) et est contrôlé par un circuit électronique situé dans le
boîtier d'électronique
de contrôle (40). Un systéme de translation X-Y (18) assure le déplacement du
support à
échantillons (16) de préférence avec une précision de 0.01 mm/cm dans les deux
axes.
L'alignement est assuré par deux moteurs pas à pas (51200 pas/tour, pas de vis
de 1 mm)
contrôlés par le logiciel d'opération qui peut être exécuté par un ordinateur
auquel l'appareil est
connecté. De cette façon, la reproductibilité obtenue est de 0.1 mm pour 100
mm de déplacement
successif.
La source d'ionisation comprend également un boîtier d'arrimage (32) qui est
constamment
purgé à l'aide d'un gaz inerte. L'arrivée du gaz d'entraînement (14) se fait
au niveau de la buse
(30). Le piston (20) enfonce séquentiellement le tube de transport (22) dans
le support à
échantillons (16) pour recueillir l'échantillon désorbé (28). L'entraînement
moléculaire à ou près
de la pression atmosphérique, schématisé à la figure 3, se fait selon une
dynamique des gaz qui
maximise le transport jusqu'à la pointe ionisante (24) et jusqu'à l'orifice
d'entrée (26) du
spectromètre de masse (34). La pointe ionisante (24) peut être faite par
exemple d'acier
inoxydable ou de tungstène et est placée perpendiculairement à l'écoulement.
La décharge
couronne (0-10 kV) s'effectue à travers cette pointe (24). L'ionisation se
produit par cascade
électronique. La pointe ionisante (24) peut être contrôlée par le spectrométre
de masse (34) ou
par le boîtier de l'électronique de contrôle (40). La pointe ionisante (24)
peut être contrôlée en
mode courant constant ou en mode tension constante. Au gaz d'entraînement peut
être ajouté un
gaz réactif pour favoriser l'ionisation.
La source d'ionisation est contrôlée par le logiciel d'opération de
l'appareil, qui permet de définir
certains paramètres tels que le courant et la température d'opération du
réseau de diodes laser, la
position du support à échantillons, le délai de pré-désorption, la durée de la
désorption et le délai
de post-désorption.
Le logiciel d'opération permet d'importer les paramètres (séquence et position
des échantillons)
du logiciel du spectromètre de masse afm de synchroniser l'acquisition des
données avec la
désorption laser. Cela permet de séquencer l'exécution en série des
échantillons, ce qui assure la
répétabilité des conditions d'opération des analyses. De plus, le logiciel
diminue grandement les
interventions de l'opérateur.
La séquence d'analyse se fait généralement dans l'ordre suivant:
1. déplacement du support à échantillons vers le puits désiré
2. introduction du piston dans le puits
3. attente du signal de départ du spectromètre de masse (MS Ready ou MS prêt)
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4. démarrage de l'acquisition
5. délai pré-désorption
6. désorption (ionisation simultanée)
7. délai post-désorption
8. relèvement du piston
Quant au boîtier d'électronique de contrôle (40), il contient l'électronique
nécessaire au contrôle
en temps réel du réseau de diodes laser, le bloc d'alimentation ainsi que
l'ensemble des
périphériques et sécurités. Il gère une boucle de rétroaction du courant du
réseau de diodes laser,
une boucle de rétroaction de la température du réseau de diodes laser (élément
Peltier), les
communications avec les autres instruments (e.g. spectromètre de masse,
ordinateur), une boucle
de rétroaction de la pointe ionisante, des fonctions périphériques et des
sécurités pour, par
exemples, une température trop élevée, un courant de réseau de diodes laser
trop élevé, une
ouverture du boîtier (40) et la présence du support à échantillon (16).
L'électronique de contrôle
est commandée par le logiciel d'opération. Le boîtier de l'électronique de
contrôle (40) est
représenté à la figure 4.
La figure 5 représente une variante (36) de la source d'ionisation illustrée à
la figure 1. Le mode
d'ionisation de cette variante est induit par une source LJV (38) placée
perpendiculairement au
sens de l'écoulement. L'ionisation se produit par photo-absorption et non par
décharge couronne.
La source IJV peut venir en option sur l'appareil selon l'invention et permet
l'ionisation sélective
de certains composés.
La figure 6A représente un spectre LDTD MS avec 500 pg d'alprazolam déposé au
fond du puits.
Le signal de l'ion moléculaire situé à 309,3 daltons et ceux de ses isotopes
sont très intenses pour
ces quantités. Pour l'analyse de très faibles quantités d'échantillons telle
que présentée à la figure
6B, le graphique XIC (extrat ion chromatogram) du signal à la masse de 309,3
daltons en
fonction du temps pour une quantité de 5 fg d'alprazolam dans le plasma, se
distingue nettement
du blanc. L'échantillon et le blanc ont été préparés par extraction en phase
solide (SPE). La
quantité analysée est 500 fois inférieure à la limite de détection des
appareils actuellement offerts
sur le marché (limite de détection de 2,5 pg pour un signal sur bruit de 3 et
une limite de
quantification de 5 pg pour un signal sur bruit de 7) et le résultat du
rapport signal sur bruit de
l'échantillon est de 14, ce qui est exceptionnel.
Bien que des réalisations de l'invention aient été illustrées dans les dessins
ci joints et décrites ci-
dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées dans l'art que des
changements et des
modifications peuvent être apportés à ces réalisations sans s'écarter de
l'essence de l'invention.
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Representative Drawing