Устройство для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность при нормальных условиях Российский патент 2020 года по МПК H01J27/00 B82B1/00 

Настоящее предполагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к устройствам для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность при нормальных условиях при пробоподготовки биологических образцов и объектов окружающей среды для их анализа с использованием мягких методов ионизации - ESI (электроспрей) [1, 2] и MALDI (матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация) [3] и найдет широкое применение при решении аналитических задач в органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, проведения анализов в протеомике, метаболомике для целей фосфопротеомики и аддуктомики, следового анализа биохимических маркеров.

Анализ биологических образцов требует чувствительного метода обнаружения и тщательной подготовки образца, так как образец представляет собой сложную матрицу, а аналит, как правило, присутствует в низких концентрациях. Одним из специфичных и селективных методов, применяемых для пробоподготовки биологических образцов является металл-аффинная хроматография. Сорбенты, применяемые в этом методе состоят из наночастиц оксидов различных металлов. Как известно, ионы переходных металлов могут взаимодействовать с различными функциональными группами органических и биоорганических молекул с разной эффективностью [4].

Металл-аффинную хроматографию проводят в микроколонках различных форматов, заполненных сорбентом, затем разделенные фракции анализируют инструментальными методами. Например, используют высокоэффективную жидкостную хроматографию или же методы масс-спектрометрии.

Пробоподготовку некоторых образцов проводят непосредственно на поверхности стальной мишени для MALDI-масс-спектрометрии и в первую очередь аффинное концентрирование аналитов для целей фосфопротеомики и аддуктомики.

Известно устройство для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность [5] для предварительного концентирования аналита на поверхности стальной мишени. Рассматриваемое устройство представляет собой совокупность деталей и приборов необходимых для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность. Устройство включает в себя: мельницу для размола наночастиц, ультразвуковую ванну, высокотемпературную печь (400°С), трафарет при помощи которого наносятся локализованные на металлической поверхности отпечатки специально приготовленных чернил, содержащих наночастицы оксидов металлов.

Недостатком известного устройства при применении перечисленных деталей и приборов, входящих в его состав является большое время более 12 часов на получение устойчивого покрытия из оксидов металлов на металлической подложке. Кроме того, при отжиге выделяются пары токсичных растворителей и существует опасность термических ожогов при высоких температурах металлической подложки.

Известное устройство [6] для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность представляет собой совокупность приборов и деталей состоящую из: ультразвуковой ванны, плазменного реактора с пониженным давлением кислорода, высоковольтного источника питания, металлического капилляра, шприцевого жидкостного насоса, мишени, нагревателя с контролем температуры до 200°С.

Недостатком известного устройства является капельное в широком диапазоне размеров электрораспыление раствора (суспензии) наночастиц, нагрев мишени до 200°C с целью до испарения капель с наночастицами перед их осаждением на мишень. Невозможность одновременной обработки кислородной плазмой поверхности мишени с целью ее очистки и нанесения наночастиц оксидов металлов с использованием электрораспыления раствора (суспензии).

Ближайшим из известных технических решений аналогичного назначения выбранного в качестве прототипа является устройство ионного источника с электроспылением растворов для получения бескапельного стабильного потока заряженных частиц в течение длительного времени [7], содержащее электрораспылитель растворов, состоящий из центрального металлического капилляра, и коаксиального ему внешнего капилляра, образующих коаксиальный канал, центральный металлический капилляр электрически соединенный с регулируемым источником высоковольтного напряжения, противоэлектрод, коаксиальный внешний капилляр выполнен из диэлектрика, коаксиальный канал подключен к осушителю, за которым расположен измеритель потока газа, подключенный к управляемому воздушному микронасосу, а металлический капилляр подключен к инжектору, вход которого подключен к устройству подачи раствора, перпендикулярно

оси распылителя расположена оптическая увеличивающая система, фокус которой находится на вершине мениска раствора на торце металлического капилляра, а на окуляре оптической увеличивающей системы расположена видеокамера, изображение с которой поступает на систему отображения (планшет).

Недостатком известного устройства является откачка не распыленной суспензии (парогазовой смеси - воды, ацетонитрила и наночастиц) по коаксиальному каналу в отдельную не изолированную емкость, что затрудняет обслуживание устройства в процессе работы из-за паров ацетонитрила, так же к недостаткам можно отнести малый внутренний диаметр металлического капилляра (100 мкм) при широком разбросе размеров наночастиц в растворе, что приводит к засорению капилляра и прерыванию процесса нанесения наночастиц.

Целью предложенного устройства является устранение вышеописанных недостатков, формирование пятна напыленных наночастиц на поверхности металлической мишени без подогрева диаметром не более 5 мм, что соответствует лунке на мишени применяемой в MALDI масс-спектрометрии без применения масок и трафаретов, механическая прочность напыленного слоя наночастиц для проведения с ним манипуляций при предварительном концентировании биоорганического образца. Предподготовка поверхности, на которую будет произведено напыление, подвергается однократной промывкой растворителем. В процессе напыления поверхность мишени остается сухой.

Указанные задачи решаются за счет того, что известное устройство, содержащее электрораспылитель растворов, состоящий из центрального металлического капилляра, и коаксиального ему внешнего капилляра выполненного из диэлектрика, образующих коаксиальный канал, центрального металлического капилляра электрически соединенного с регулируемым источником высоковольтного напряжения, противоэлектрода - мишени MALDI, коаксиальный канал подключен к осушителю, за которым расположен управляемый воздушный микронасос, а центральный металлический капилляр подключен к устройству подачи раствора, перпендикулярно оси распылителя расположена оптическая увеличивающая система, фокус которой находится на вершине мениска раствора на торце.

Заявляемое устройство для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность при нормальных условия схематично представлено на фигуре 1. По внутреннему металлическому капилляру (1) подается раствор (суспензия) от устройства подачи раствора (2). К этому же капилляру прикладывается напряжение от высоковольтного источника питания (3). Торец капилляра (1), с которого происходит электрораспыление, ориентирован вертикально вниз. Коаксиально к капилляру (1) расположен внешний диэлектрический капилляр (4) с внутренним диаметром большим внешнего диаметра капилляра (1). Излишки не распыленного раствора, смачивающие внешнюю стенку капилляра (1), вместе с лабораторным воздухом откачиваются воздушным насосом (5) через зазор между коаксиальными капиллярами (1) и (4). Перед насосом установлена система фильтрации (6) отделяющая воздух от растворителей. Напротив торца внутреннего капилляра (1) в горизонтальной плоскости расположен плоский противоэлектрод (мишень MALDI) (7), электрически соединенный с землей. Для визуального наблюдения мениска и процесса десорбции используется микроскоп (8) с расположенной на нем цифровой видеокамерой (9). Изображение с видеокамеры поступает на компьютер (10). Для освещения непосредственно области мениска раствора и участка противоэлектрода, на который производится напыление используется светодиодный узел (11) с источником питания (12). На фигуре 2 показано фото формы мениска в режиме бескапельного электрораспыления раствора. На фигуре 3 предсталено фото пятна наночастиц на основе оксида железа (III) на подложке при электрораспылении суспензии в бескапельном режиме с динамическим делением потока. Диаметр пятна ~4 мм. На фигуре 4 показано фото фрагмента MALDI-мишени, поверхность которой модифицирована наночастицами на основе оксида железа (III) при бескапельном электрораспылении, а на фигуре 5ипоказана микрофотография поверхности стальной пластинки, поверхность которой модифицированна наночастицами на основе оксида железа (III).

Источники информации

1. Александров М.Л., Галь Л.Н., Краснов Н.В., Николаев В.И., Павленко В.А., Шкуров В.А. Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении - новый метод масс-спектрометрического анализа. ДАН СССР Т. 277, №2. Физическая химия, 1984, С. 379-383.

2. М. Yamashita, J.B. Fenn Electrospray ion source. Another variation on the free-jet theme J. Phys. Chem. 1984. V.88, N20, P. 4451-4459. DOI 10.1021/j150664a002.

3. Karas, M.; Bachmann, D.; Bahr, U.; Hillenkamp, F., Matrix-Assisted Ultraviolet-Laser Desorption of Nonvolatile Compounds. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1987, V. 78, P. 53-68. Doi.org/10,1016/0168-1176(87) 87041-6.

4. Кельциева O.A., Гладилович В.Д., Подольская Е.П. Металл-аффинная хроматография. Основы и применение // Научное приборостроение. 2013. Т. 23, №1. С. 74-85. URL: http://iairas.ru/mag/2013/abst1.php#abst9.

5. Hongyan Bi, Liang Qiao, Jean-Marc Busnel, Valerie Devaud, Baohong Liu, and Hubert H. Girault. TiO₂ Printed Aluminum Foil: Single-Use Film for a Laser Desorption/Ionization Target Plate. J. American Chemical Society. 2009, V.81, N3, P. 1177-1183. DOI: 10.1021/ac8024448.

6. Grady R. Blacken, Michael Volny, Matthew Diener, Karl E. Jackson, Pratistha Ranjitkar, Dustin J. Maly, and Frantisek Turecek. Reactive Landing of Gas-Phase Ions as Tool for the Fabrication of Metal Oxide Surfaces for In Situ Phosphopeptide Enrichment. J. American Society for Mass Spectrometry. 2009, N 20, P. 915-926. DOI: 10.1016/j.jasms.2009.01.006.

7. Патент РФ №169146 приоритет 09.12.2015. «Устройство источника ионов - электроспрей для получения бескапельного стабильного ионного тока анализируемых веществ из растворов в течение длительного времени». Краснов Н.В., Краснов М.Н.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистике, протеомике, метаболомике и медицины, метабономики и посттрансляционной модификации. Устройство для нанесения наночастиц оксидов металлов на металлическую поверхность при нормальных условиях выполнено в виде коаксиально расположенных капилляров ориентированных вертикально. По внутреннему металлическому капилляру подается раствор, (суспензия наночастиц) к этому же капилляру прикладывается напряжение от высоковольтного источника питания. С торца этого капилляра происходит бескапельное электрораспыление наночастиц при нормальных условиях. Коаксиальный внешний капилляр имеет внутренний диаметр больше внешнего диаметра внутреннего капилляра. Излишки не распыленного раствора, смачивающие внешнюю стенку внутреннего капилляра, вместе с лабораторным воздухом откачиваются воздушным насосом через зазор между коаксиальными капиллярами. Технический результат - металлическая поверхность мишени MALDI находится при комнатной температуре, пары растворителя эффективно удаляются из области нанесения наночастиц на мишень, пятна наночастиц на мишени требуемых размеров получаются без применения трафаретов и их границы строго ограничены, диаметр капилляра по которому поступает раствор увеличен, что позволяет использовать наночастицы с широким распределением по размерам. Отсутствие микрокапель раствора в процессе распыления позволяет получить механически устойчивые к истиранию покрытия наносимых оксидов металлов, что позволят проводить многократные эксперименты с мишенью. 5 ил.

Устройство для нанесения наночастиц оксидов металлов из растворов способом электроспрей в бескапельном режиме на металлическую поверхность при нормальных условиях, содержащее электрораспылитель растворов, состоящий из центрального металлического капилляра, и коаксиального ему внешнего капилляра, образующих коаксиальный канал, центральный металлический капилляр электрически соединенный с регулируемым источником высоковольтного напряжения, коаксиальный внешний капилляр выполнен из диэлектрика, коаксиальный канал подключен к осушителю, за которым последовательно расположены измеритель потока газа, управляемый воздушный микронасос, а металлический капилляр подключен к инжектору, вход которого подключен к устройству подачи элюента, перпендикулярно оси распылителя расположена оптическая увеличивающая система, фокус которой находится на вершине мениска жидкости на торце металлического капилляра, а на окуляре оптической увеличивающей системы расположена видеокамера, отличающееся тем, что диаметр центрального металлического капилляра не менее 0,4 мм, расстояние от вершины мениска жидкости до металлической поверхности составляет 10 мм, свободный торец коаксиального внешнего капилляра выполнен в виде конуса, а металлическая поверхность мишени является противоэлектродом.