Heated Nebulizer Microchips for Mass Spectrometry

Abstract

Miniaturized analytical devices, such as heated nebulizer (HN) microchips studied in this work, are of increasing interest owing to benefits like faster operation, better performance, and lower cost relative to conventional systems. HN microchips are microfabricated devices that vaporize liquid and mix it with gas. They are used with low liquid flow rates, typically a few µL/min, and have previously been utilized as ion sources for mass spectrometry (MS). Conventional ion sources are seldom feasible at such low flow rates. In this work HN chips were developed further and new applications were introduced.

First, a new method for thermal and fluidic characterization of the HN microchips was developed and used to study the chips. Thermal behavior of the chips was also studied by temperature measurements and infrared imaging.

An HN chip was applied to the analysis of crude oil – an extremely complex sample – by microchip atmospheric pressure photoionization (APPI) high resolution mass spectrometry. With the chip, the sample flow rate could be reduced significantly without loss of performance and with greatly reduced contamination of the MS instrument. Thanks to its suitability to high temperature, microchip APPI provided efficient vaporization of nonvolatile compounds in crude oil.

The first microchip version of sonic spray ionization (SSI) was presented. Ionization was achieved by applying only high (sonic) speed nebulizer gas to an HN microchip. SSI significantly broadens the range of analytes ionizable with the HN chips, from small stable molecules to labile biomolecules. The analytical performance of the microchip SSI source was confirmed to be acceptable.

The HN microchips were also used to connect gas chromatography (GC) and capillary liquid chromatography (LC) to MS, using APPI for ionization. Microchip APPI allows efficient ionization of both polar and nonpolar compounds whereas with the most popular electrospray ionization (ESI) only polar and ionic molecules are ionized efficiently. The combination of GC with MS showed that, with HN microchips, GCs can easily be used with MS instruments designed for LC-MS. The presented analytical methods showed good performance.

The first integrated LC–HN microchip was developed and presented. In a single microdevice, there were structures for a packed LC column and a heated nebulizer. Nonpolar and polar analytes were efficiently ionized by APPI. Ionization of nonpolar and polar analytes is not possible with previously presented chips for LC–MS since they rely on ESI. Preliminary quantitative performance of the new chip was evaluated and the chip was also demonstrated with optical detection.

A new ambient ionization technique for mass spectrometry, desorption atmospheric pressure photoionization (DAPPI), was presented. The DAPPI technique is based on an HN microchip providing desorption of analytes from a surface. Photons from a photoionization lamp ionize the analytes via gas-phase chemical reactions, and the ions are directed into an MS. Rapid analysis of pharmaceuticals from tablets was successfully demonstrated as an application of DAPPI.

Nestekromatografia-massaspektrometria (LC-MS) ja kaasukromatografia-massaspektrometria (GC-MS) ovat laajasti tutkimuslaitoksissa ja teollisuudessa käytettyjä analyyttisiä tutkimusmenetelmiä, joilla voidaan erottaa näytteestä kymmeniä erilaisia yhdisteitä ja mitata niiden määrät. Erityisesti LC-MS on lääkeaineiden tutkimuksessa ja kehittämisessä sekä yleisesti biotieteissä käytetty erittäin suorituskykyinen menetelmä. Ilmanpaine-fotoionisaatio (APPI) on ionisaatiomenetelmä, jolla massaspektrometri voidaan kytkeä nestekromatografin detektoriksi. Yleisimmin nestekromatografian kanssa käytetty ionisaatiomenetelmä on sähkösumutusionisaatio, mutta sillä on rajoituksia, kuten huono tai olematon ionisaatiotehokkuus heikosti poolisille ja poolittomille yhdisteille. APPI mahdollistaa poolittomien yhdisteiden ionisaation ja laajentaa siten analyyttisten menetelmien sovellusalueita.

Kemian analyysilaitteistojen miniatyriointi on jatkuvasti kasvava ja kiinnostusta keräävä ala, sillä miniatyrisoiduilla laitteilla on useita etuja kuten nopeampi toiminta, parempi suorituskyky ja pienemmät valmistus- ja käyttökustannukset perinteisiin laitteisiin verrattuna. Tässä työssä on tutkittu kuumasumutus-mikrosiruja, joita käytetään ionilähteinä massaspektrometriassa mm. APPI-menetelmää soveltaen. Kuumasumutus-mikrosiruja käytetään erittäin pienillä virtausnopeuksilla, joten ne mahdollistavat mikrofluidististen analyysitekniikoiden, kuten kapillaari-nestekromatografian, yhdistämisen massaspektrometreihin. Kuumasumutus-sirujen liittäminen massaspektrometriin ei ole riippuvaista massaspektrometrin merkistä tai mallista kuten kaupallisilla ionilähteillä, joten siruja voidaan käyttää minkä tahansa ilmanpaineionisaatio-massaspektrometrin kanssa. Lisäksi sirut mahdollistavat kaasukromatografien yhdistämisen korkean suorituskyvyn massaspektrometreihin, joita käytetään normaalisti vain nestekromatografien kanssa. Tämä ei ole mahdollista kaupallisilla laitteilla, sillä LC-MS ja GC-MS ovat normaalisti täysin erillisiä laitteistoja.

Työssä käsitellyt mikrosirut on valmistettu piistä ja lasista mikrovalmistusmenetelmillä, joilla voidaan valmistaa kymmeniä tai satoja samanlaisia siruja yhtä aikaa, mikä laskee sirujen kappalehintaa. Tutkimuksessa on tutkittu kuumasumutus-mikrosirujen fysikaalisia ominaisuuksia uudella lämpökuvantamismenetelmällä, kehitetty sirujen toimintaa sekä parannettu niiden käytettävyyttä ja kehitetty siruille uusia analyyttisiä sovelluksia. Lisäksi on kehitetty uusi integroitu nestekromatografia-kuumasumutus-mikrosiru, jossa yhdistyvät näytteen erotus ja ionisaatio ja uusi ionisaatiomenetelmä, joka mahdollistaa näytteiden analysoinnin suoraan erilaisilta pinnoilta ilman näytteen esikäsittelyä.