详情

原文传递纳米尖端离子源和方法

专利名称：	纳米尖端离子源和方法
摘要：	本公开内容在某些实施方案中一般地涉及电离分子的产生，例如用于在质谱仪中的检测，或者用于诸如光刻、溅射机、推进等的其他用途中的电离分子的产生。一些实施方案包括包括有毛细管尖端的离子源，所述毛细管尖端可以允许样品在施加电场下的直接离子蒸发。在一些情况下，尖端可以具有截面小于100nm的开口。此外，某些方面涉及使用允许检测样品(例如氨基酸)的毛细管尖端，并且在一些情况下允许进行测序。例如，一些实施方案涉及允许单个离子和离子簇在质谱仪中直接从含水样品中以高速率蒸发。其他方面涉及用于制造或使用这样的电离分子的方法，制造或使用用于产生这样的电离分子的装置的方法等。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	布朗大学
发明人：	德雷克·M·斯泰因;玛蒂尔德·莱波伊特文;尼古拉斯·德拉克曼
专利状态：	有效
申请日期：	2021-04-23T00:00:00+0800
发布日期：	2023-01-31T00:00:00+0800
申请号：	CN202180037657.3
公开号：	CN115667937A
代理机构：	北京集佳知识产权代理有限公司
代理人：	梁笑;孙雅雯
分类号：	G01N33/68;H01J49/04;H01J49/10;H01J49/16;G;H;G01;H01;G01N;H01J;G01N33;H01J49;G01N33/68;H01J49/04;H01J49/10;H01J49/16
申请人地址：	美国罗得岛州
主权项：	1.一种离子源，包括：限定开口的毛细管，所述开口的截面尺寸小于100nm；和定位在下游方向上邻近所述毛细管的所述开口的电极。 2.根据权利要求1所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的截面尺寸小于65nm。 3.根据权利要求1或2中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的截面尺寸小于50nm。 4.根据权利要求1至3中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的截面尺寸小于30nm。 5.根据权利要求1至4中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的截面尺寸小于2nm。 6.根据权利要求1至5中任一项所述的离子源，其中所述毛细管在所述开口处逐渐变细。 7.根据权利要求6所述的离子源，其中所述逐渐变细以小于10°的角度形成。 8.根据权利要求6或7中任一项所述的离子源，其中所述逐渐变细以小于5°的角度形成。 9.根据权利要求1至8中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含石英。 10.根据权利要求1至9中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含玻璃。 11.根据权利要求1至10中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含硼硅酸盐玻璃。 12.根据权利要求1至11中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含塑料。 13.根据权利要求1至12中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含金属。 14.根据权利要求1至13中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含半导体。 15.根据权利要求1至14中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含碳纳米管。 16.根据权利要求1至15中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含氮化硼纳米管。 17.根据权利要求1至16中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的长度与截面尺寸的纵横比大于或等于100。 18.根据权利要求1至17中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的长度与截面尺寸的纵横比大于或等于1,000。 19.根据权利要求1至18中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的长度与截面尺寸的纵横比大于或等于10,000。 20.根据权利要求1至19中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的截面尺寸小于100nm。 21.根据权利要求1至20中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的截面尺寸小于60nm。 22.根据权利要求1至21中任一项所述的离子源，其中所述电极限定中心开口。 23.根据权利要求22所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口的截面尺寸小于5cm。 24.根据权利要求22或23中任一项所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口的截面尺寸小于1cm。 25.根据权利要求22至24中任一项所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口大于所述毛细管的所述开口。 26.根据权利要求22至25中任一项所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口为所述毛细管的所述开口的至少5倍大。 27.根据权利要求22至26中任一项所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口为所述毛细管的所述开口的至少10倍大。 28.根据权利要求1至27中任一项所述的离子源，其中所述电极包含钢。 29.根据权利要求1至28中任一项所述的离子源，其中所述电极为环形的。 30.根据权利要求1至29中任一项所述的离子源，其中所述电极的截面尺寸小于5cm。 31.根据权利要求1至30中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管的所述开口的10mm内。 32.根据权利要求1至31中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管的所述开口的5mm内。 33.根据权利要求1至32中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管的所述开口的2mm内。 34.根据权利要求1至33中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管周围。 35.根据权利要求1至34中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管的所述开口的前面。 36.根据权利要求1至35中任一项所述的离子源，其中穿过所述毛细管的截面的中心的虚线穿过所述电极的所述中心开口。 37.根据权利要求1至36中任一项所述的离子源，其中所述电极和所述毛细管具有连接至电压源的内部。 38.根据权利要求37所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间小于400V的电压。 39.根据权利要求37或38中任一项所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间小于360V的电压。 40.根据权利要求37至39中任一项所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间至少80V的电压。 41.根据权利要求37至40中任一项所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间最大值小于或等于4V/nm的电场。 42.根据权利要求37至41中任一项所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间最大值小于或等于3V/nm的电场。 43.根据权利要求37至42中任一项所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间最大值至少1.5V/nm的电场。 44.根据权利要求1至43中任一项所述的离子源，其中使所述开口暴露于压强不大于100mPa的环境中。 45.根据权利要求1至44中任一项所述的离子源，其中使所述开口暴露于压强不大于10mPa的环境中。 46.一种质谱仪，包括根据权利要求1至45中任一项所述的离子源。 47.根据权利要求46所述的质谱仪，还包括：在所述离子源下游的离子光学器件；在所述离子光学器件下游的滤质器；和在所述滤质器下游的检测器。 48.根据权利要求47所述的质谱仪，其中所述离子光学器件包括至少一个单透镜。 49.根据权利要求47或48中任一项所述的质谱仪，其中所述滤质器包括四极滤质器。 50.根据权利要求47至49中任一项所述的质谱仪，其中所述滤质器包括扇形磁场滤质器。 51.根据权利要求47至50中任一项所述的质谱仪，还包括被配置成使离开所述滤质器的离子偏转至所述检测器的离子弯曲器。 52.一种离子推进装置，包括根据权利要求1至45中任一项所述的离子源。 53.一种离子源，包括：限定开口的毛细管；和定位成以产生邻近所述毛细管的所述开口具有电场最大值的电场的电极，其中所述毛细管的所述开口的尺寸被定成使得当施加所述电场时，所述毛细管内的流体形成带电弯液面并且物质离开所述带电弯液面，其中至少50％的离开物质经由离子蒸发离开所述带电弯液面。 54.根据权利要求53所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的截面尺寸小于125nm。 55.根据权利要求53或54中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的尺寸被定成使得当施加所述电场时，至少80％的所述离开物质经由离子蒸发离开所述带电弯液面。 56.根据权利要求53至55中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的所述开口的尺寸被定成使得当施加所述电场时，至少90％的所述离开物质经由离子蒸发离开所述带电弯液面。 57.根据权利要求53至56中任一项所述的离子源，其中所述毛细管在所述开口处逐渐变细。 58.根据权利要求57所述的离子源，其中所述逐渐变细以小于10°的角度形成。 59.根据权利要求53至57中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的长度与截面尺寸的纵横比大于或等于100。 60.根据权利要求53至58中任一项所述的离子源，其中所述毛细管的长度与截面尺寸的纵横比大于或等于10,000。 61.根据权利要求53至59中任一项所述的离子源，其中所述毛细管包含石英。 62.根据权利要求53至60中任一项所述的离子源，其中所述电极限定中心开口。 63.根据权利要求62所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口大于所述毛细管的所述开口。 64.根据权利要求62或63中任一项所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口为所述毛细管的所述开口的至少5倍大。 65.根据权利要求62至64中任一项所述的离子源，其中所述电极的所述中心开口为所述毛细管的所述开口的至少10倍大。 66.根据权利要求53至65中任一项所述的离子源，其中所述电极包含钢。 67.根据权利要求53至66中任一项所述的离子源，其中所述电极为环形的。 68.根据权利要求53至67中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管的所述开口的10mm内。 69.根据权利要求53至68中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管周围。 70.根据权利要求53至69中任一项所述的离子源，其中所述电极定位在所述毛细管的所述开口的前面。 71.根据权利要求53至70中任一项所述的离子源，其中所述电极和所述毛细管具有连接至电压源的内部。 72.根据权利要求71所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间小于400V的电压。 73.根据权利要求71或72中任一项所述的离子源，其中所述电压源能够产生在所述电极与所述毛细管之间至少80V的电压。 74.一种质谱仪，包括根据权利要求53至73中任一项所述的离子源。 75.一种方法，包括：使流体进入限定开口的毛细管；以及施加至少足以使所述流体内的分子离开所述流体的电场，其中所述开口的尺寸被定成使至少50％的所述分子作为离子或离子簇离开。 76.根据权利要求75所述的方法，还包括确定所述离子或离子簇。 77.根据权利要求75或76中任一项所述的方法，其中所述流体包含溶剂。 78.根据权利要求77所述的方法，其中所述溶剂是挥发性的。 79.根据权利要求77或78中任一项所述的方法，其中所述溶剂包括水。 80.根据权利要求77至79中任一项所述的方法，其中所述溶剂包括盐浓度小于或等于1M的水溶液。 81.根据权利要求76至80中任一项所述的方法，其中所述离子簇包含平均数不大于7个的溶剂分子。 82.根据权利要求76至81中任一项所述的方法，其中所述离子簇包含平均数不大于5个的溶剂分子。 83.根据权利要求76至82中任一项所述的方法，其中所述离子簇包含平均数不大于2个的溶剂分子。 84.根据权利要求75至83中任一项所述的方法，其中所述毛细管的所述开口的截面尺寸小于125nm。 85.根据权利要求75至84中任一项所述的方法，其中所述毛细管的所述开口的尺寸被定成使得当施加所述电场时，至少50％的离开物质经由离子蒸发离开带电弯液面。 86.根据权利要求75至85中任一项所述的方法，其中所述毛细管的所述开口的尺寸被定成使得当施加所述电场时，至少90％的所述离开物质经由离子蒸发离开所述带电弯液面。 87.根据权利要求75至86中任一项所述的方法，其中所述电场的最大值小于或等于4V/nm。 88.根据权利要求75至87中任一项所述的方法，其中所述电场的最大值为至少1.5V/nm。 89.根据权利要求75至88中任一项所述的方法，其中所述毛细管的所述开口的尺寸被定成使得所述分子电离以形成按顺序次序离开的离子或离子簇。 90.根据权利要求75至89中任一项所述的方法，还包括对所述离子或离子簇进行测序以确定所述分子。 91.根据权利要求90所述的方法，其中确定所述分子包括确定所述分子的结构。 92.根据权利要求90或91中任一项所述的方法，其中确定所述分子包括确定所述分子的序列。 93.根据权利要求75至92中任一项所述的方法，其中所述流体内的所述分子包括生物分子。 94.根据权利要求75至93中任一项所述的方法，其中所述流体内的所述分子包括聚合物。 95.根据权利要求75至94中任一项所述的方法，其中所述流体内的所述分子包括肽或蛋白质。 96.根据权利要求75至95中任一项所述的方法，其中所述流体内的所述分子包括核酸。 97.根据权利要求75至96中任一项所述的方法，其中作为离子或离子簇离开的所述分子以大于0.1的总离子传输效率离开。 98.根据权利要求75至97中任一项所述的方法，还包括使所述离子或离子簇直接进入压强不大于100mPa的环境中。 99.根据权利要求98所述的方法，其中所述环境的压强不大于10mPa。 100.根据权利要求98或99中任一项所述的方法，其中所述环境的压强不大于1mPa。 101.根据权利要求98至100中任一项所述的方法，其中所述环境的压强不大于0.1mPa。 102.一种方法，包括：使流体进入限定开口的毛细管，所述开口的截面尺寸小于125nm；施加电场以使邻近所述开口的分子电离从而产生离子或离子簇；以及使来自所述流体的所述离子或离子簇直接进入压强不大于100mPa的环境中。 103.一种对生物聚合物进行测序的方法，包括：使包含生物聚合物的流体进入限定开口的毛细管，所述开口的截面尺寸小于125nm；施加电场以使邻近所述开口的所述生物聚合物电离从而产生离子或离子簇；将所述离子或离子簇引导至检测器；以及通过用所述检测器确定所述离子或离子簇来确定所述生物聚合物的序列。 104.根据权利要求103所述的对生物聚合物进行测序的方法，其中所述生物聚合物包括氨基酸。 105.根据权利要求103至104中任一项所述的对生物聚合物进行测序的方法，其中所述生物聚合物包括核酸。 106.一种对生物聚合物进行测序的方法，包括：使包含生物聚合物的流体进入限定开口的毛细管；施加电场以使邻近所述开口的所述生物聚合物电离从而产生离子或离子簇；使所述离子或离子簇直接进入压强不大于100mPa的环境；将所述离子或离子簇引导至检测器；以及通过用所述检测器确定所述离子或离子簇来确定所述生物聚合物的序列。 107.一种纳米孔质谱仪，包括：离子源，所述离子源包括毛细管和邻近所述毛细管的电极，其中所述毛细管包括截面尺寸小于125nm的开口；容纳所述离子源的真空室；在所述离子源下游的离子光学器件；在所述离子光学器件下游的滤质器；和进一步在所述滤质器下游的检测器。