CN101113970A

CN101113970A - 一种无外部高压的质谱离子源及其离子化分析方法

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Publication number: CN101113970A
Application number: CNA2007101208740A
Authority: CN
Inventors: 赵孟夏; 张新忠; 张四纯; 韩昊; 马晓东; 李重九; 张新荣
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CN101113970B

Abstract

本发明公开了属于食品安全检测技术领域的一种无外部高压的质谱离子源及其离子化分析方法。本发明所提供的离子化源包括电喷雾器，毛细管，蠕动泵，惰性气体源，离子化源组成，其中电喷雾器和被分析样品组成喷雾系统，毛细管固定在电喷雾器管的中心，进气管和电喷雾器管的侧面联通，并与惰性气体源以不锈钢管路相连；质谱的采样口为离子采集分析装置，质谱的采样口放置在被分析样品的上面。整个电喷雾系统的任何部位均不加高压。使用过程中可以被分析人员直接手持并进行食品表面的粗略扫描。该装置杜绝了由电喷雾器施加的高电场这一危险因素，且其设计简单，易于拆卸，独立并且由标准件构建的喷雾系统不易被污染，可应用于多种食品安全的监控场所。

Description

一种无外部高压的质谱离子源及其离子化分析方法

技术领域

本发明属于食品安全检测技术领域，特别涉及专用离子源及直接在固体表面安全离子化的一种无外部高压的质谱离子源及其离子化分析方法。

背景技术

在食品安全领域，尤其是各类食品表面的农药残留分析是关乎国计民生的重要领域。目前，该领域迫切需要灵敏，快速，能够不需要任何预处理直接从样品表面获取农药残留信息的无损、高通量分析方法。这种分析方法还要求分析仪器必须结构简单，易于拆卸，难于污染且可以对固体表面进行各种精度条件下的扫描。

质谱仪器是目前已知最灵敏且应用范围最广的分析仪器之一，在科学研究和生产等方面都发挥着重要的作用。质谱仪器包含了两个基本的结构单元——离子源和质量分析器，质谱仪器的进步实质上就是这两个基本结构单元的进步。而这其中，发展新型的离子源是质谱分析方法进步的重要组成部分之一，事实上目前已经有了多种不同的离子源如电子轰击离子源(EI)、化学电离源(CI)、场致电离/场解吸电离源(FI/FD)、快原子轰击源(FAB)、电喷雾电离源(ESI)、激光解析源(LD)、大气压化学电离源(APCI)。这些不同性质的离子源可以按照不同的要求，针对不同的样品得到各种形式的离子及其碎片。然而这些已经成熟发展了的离子源都不能在大气压下针对固体表面的样品直接分析，通常都需要步骤繁琐的联用和预处理过程。近年来，电喷雾解析离子化(DESI)和实时直接分析(DART)技术都是可以直接在常压条件下对固体表面的有机物电离并解吸附。这类新兴离子源提供了不经任何预处理，在各种样品表面实现常压下直接快速分析的可能性。

这其中的电喷雾解析离子源(DESI)利用电喷雾产生的小液滴在固体表面发生二次溶解和电荷交换使有机分子电离，并且在气流和压力的作用下被引入质谱分析。目前该方法已经被应用于多种不同物质的直接快速分析，且有着灵敏度高，装置简单，及适合化学衍生的多种优势。但是由于传统的DESI离子源需要一个外部的高压电源来构建和零电势的质谱采样锥间的高压静电场，导致了仪器设计的复杂。更重要的是由于外部高压源的存在，使得电喷雾毛细管前端容易发生电晕放电，同时高压的危险也限制了将离子源发展为手持并且直接对人体皮肤表面作无损快速分析的可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种无外部高压的质谱离子源及其离子化分析方法，能够不经样品预处理而快速扫描获取各种食品表面农残的定性与定量信息。

本发明所提供的用于分析样品离子化的离子化源，包括电喷雾器，毛细管，蠕动泵，惰性气体源，离子化源组成，其中电喷雾器1和被分析样品4组成喷雾系统，毛细管2固定在电喷雾器管1的中心，进气管3和电喷雾器管1的侧面联通；质谱的采样口5为离子采集分析装置，质谱的采样口5放置在被分析样品4的上面，电喷雾毛细管2与样品4的表面的夹角可以任意角度，二者距离在1-8mm之间；其中毛细管2的一头与蠕动泵相接。所述毛细管采用市售标准毛细管，内径为0.1mm；外径为0.15mm；

所述无外部高压的质谱离子源离子化分析方法，包括如下步骤：

1)将被分析样品4的表面直接置于电喷雾器1的下方，并且调节二者的距离和角度；

2)在采样口5与样品4之间经软件控制被施加以-2500V到-6000V的高压；

3)喷雾溶剂在1～6μL/min流量下从毛细管2的进入，喷雾气体在5～60psi压力下由进气管3进入；

4)打开喷雾气、蠕动泵和质谱仪，对样品表面物质进行电离并分析。

所述对样品表面物质进行电离并分析的分析参数为：采样口负压为4500V，质谱的采样口5温度为250℃，喷雾气体压力为15psi，液体流速为4μL/min，电喷雾毛细管2与样品4的距离在4mm、与样品4表面的夹角为60°，并且整套系统与质谱借口的距离在2cm之内。

所述若将样品4的表面置于可调节的三维移动平台上，并由步进电机控制其有规律的移动，即可实现对固体表面某一区域的精细成像分析。

所述电喷雾溶剂为乙腈∶水＝1∶1(v/v)、甲醇∶水＝1∶1(v/v)，

所述在电喷雾溶剂中加入化学衍生试剂：甲酸、乙酸、甲酸铵、乙酸铵、HCl、乙二醇、氨水和有机胺中一种，使在分析过程中提高分析的灵敏度。

本发明的有益效果是应用本发明的离子化方法可以对各种固体表面上的化合物进行分析，其中既包括了科研中常用的载物平面如玻璃、石英和聚合物，又包括了食品安全中常见的各种植物的表面。利用本发明进行固体表面的离子化时，由于电喷雾器本身不带任何电压，故而可以被分析人员简单手持进行固体表面上的手动扫描。传统基于电喷雾离子化的固体解析源在对皮肤表面分析时，考虑到喷雾头和人体皮肤之间存在着高电场，因而对被分析者可能造成高压电击，而本发明中不存在这一问题，可以安全的应用于食品安全监控等领域。所述若利用各种多级质谱方法如碰撞诱导解析(CID)，选择性反应监控模式(SRM)和多重反应监控模式(MRM)可以有效地在复杂基体中不经分离地选择出感兴趣的化合物。

附图说明

图1为本发明离子化源的结构示意图。

图2为八种三嗪类除草剂混合物样品在氢氟酸腐蚀的玻璃板上1250pg/mm²的质谱分析图。

图3为特丁津([M+H]⁺m/z 230)在玻璃载玻片上的MS(A)及MS/MS(B)图。

图4为毒死蜱([M+H]⁺m/z 350.28)在氢氟酸腐蚀的玻璃板上625pg/mm²的质谱分析图。

图5为含0.1％甲酸的乙腈∶水(1∶1，v/v)作为喷雾溶剂时，毒蝇磷([M+H]⁺m/z 363.32)在氢氟酸腐蚀的玻璃板上625pg/mm²的质谱分析图。

图6为对硫磷([M+H]⁺m/z 292.15)在氢氟酸腐蚀的玻璃板上625pg/mm²的MS(A)及MS/MS(B)质谱分析图。

图7为除草剂混合样品在氢氟酸腐蚀的玻璃板上的质谱分析图，

图8为莠去津([M+H]⁺m/z 216)在氢氟酸腐蚀的玻璃板上625pg/mm²的质谱分析图。

图9为6种有机磷类杀虫剂在氢氟酸腐蚀的玻璃板上1250pg/mm²的质谱分析图。

图10为6种有机磷类杀虫剂在苹果皮上的MRM分析图，及提取离子色谱图及化合物结构。6种有机磷分别为甲胺磷、乙酰甲胺磷、氧乐果、敌敌畏、乐果、磷胺。

图11为5种三嗪类除草剂在小白菜叶片上78.125pg/mm²的MRM分析图，及提取离子色谱图及化合物结构。

图12为小白菜叶片空白测定MS及MS/MS图谱(A)、定点喷洒莠去津5天后测定的MS及MS/MS谱图(B)。

图13为小白菜实际喷洒莠去津样品125pg/mm²三次测定提取子离子色谱图。

具体实施方式

本发明提供一种无外部高压的质谱离子源及其离子化分析方法，能够不经样品预处理而快速扫描获取各种食品表面农残的定性与定量信息。

如图1所示为本发明所提供的用于分析样品离子化的离子化源，包括电喷雾器，毛细管，蠕动泵，惰性气体源，离子化源组成，其中电喷雾器1和被分析样品4组成喷雾系统，毛细管2固定在电喷雾器管1的中心，进气管3和电喷雾器管1的侧面联通；质谱的采样口5为离子采集分析装置，质谱的采样口5放置在被分析样品4的上面，电喷雾毛细管2与样品4的表面的夹角可以任意角度，二者距离在1-8mm之间；其中毛细管2的一头与蠕动泵相接。所述毛细管2采用市售标准硅胶毛细管，内径为0.1mm；外径为0.15mm；惰性辅助气通过1/16英寸的不锈钢管引入电喷雾器管1之中，电喷雾器管1也采用硅胶毛细管，内径为0.25mm。

1)将被分析样品4的表面直接置于电喷雾器1的下方，并且调节二者的距离为4mm和角度为60°。

4)打开喷雾气体、蠕动泵和质谱仪，对样品表面物质进行电离并分析。

本离子化源可以替换现有质谱仪中的离子化源，直接应用到质谱仪中，经软件控制被施加以-2500V到-6000V的高压，喷雾溶剂在一定流量下由毛细管2进入，喷雾气在一定压力下由进气管3进入，到达被分析表面4，通过分子-离子反应，将分析样品4表面的化合物解吸附下来，并发生电离，进入质谱采样口5后进行检测。被分析样品4表面可以是任何实验室常用的载物表面如玻璃，聚合物和薄层色谱板，被分析样品4表面(被测物)也可以是任何植物的各种表面，包括茎、叶和果实等。到达被分析样品4的表面，硅胶毛细液流管，对所产生离子进行分析的质谱采样口由商品质谱仪(Brucker-Daltonics，esquire 6000)自带的功能调节其电势为-2500V到-6000V，并与零电势的喷雾器形成高压静电场本发明的所有装置都采用通行的标准接口和管路，易于维修和与各种商品仪器联用。独立可拆卸的电喷雾器可以在大样品量的分析工作中快速更换，又由于电喷雾系统并不与待测物表面直接接触，故整套液路系统可以有效地避免受样品的污染。

若将样品4的表面置于可调节的三维移动平台上，并由步进电机控制其有规律的移动，即可实现对固体表面某一区域的精细成像分析。

喷雾气气源既可以是独立的气体钢瓶或气泵，也可以直接利用商品质谱自带的气源，阀门和流量控制软件，更进一步地简化仪器结构。气体出口的压力一般设置为，惰性气体的种类对分析方法不造成影响。

以下实施例是在本发明的离子化源下，在上述条件下，通过商业用的离子阱质谱计(Bruker-Daltonics esquire 6000)进行采集分析的，可以实现对各类化合物的原位分析测定。

实施例1：

以含0.1％甲酸的乙腈∶水＝1∶1(v/v)为喷雾溶剂，流量4μL/min，载气(喷雾气)为N₂，出口压力为15psi，取10μg/mL的8种三嗪类除草剂混合物样品溶液2μL滴在氢氟酸腐蚀后的玻璃板上，面积约为16mm²(相当于有1250pg/mm²)，将玻璃板放干，然后放在喷雾针下，质谱入口毛细管端加上-4000v的电压，质谱的采样口温度为250℃，进行测定，得到如图2所示的质谱图。从图中可以看到化合物能得到很好的[M+H]⁺峰，证明此离子化源可很好的鉴定混合物。该八种三嗪类除草剂分别为：西玛通[M+H]⁺m/z 198.33；莠去津[M+H]⁺m/z216.35；扑灭通[M+H]⁺m/z 226.36；莠灭净[M+H]⁺m/z 228.33；氰草津[M+H]⁺m/z241.31；扑灭净[M+H]⁺m/z 242.27；特丁草净[M+H]⁺m/z 242.26；甲氧丙净[M+H]⁺m/z 272.30

实施例2：

以含0.1％甲酸的甲醇∶水＝1∶1(v/v)为喷雾溶剂，流量4μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，将特丁津(Mw 229)溶液涂在玻璃载玻片上，然后将载玻片放在载物台上，对准喷雾针头，质谱入口毛细管端加上-4500v的电压，质谱的采样口温度控制为250℃，进行测定，其MS及MS/MS谱图见图3，从图谱上可看到明显的[M+H]⁺m/z 230和[M+Na]⁺m/z 252峰，以及同位素峰簇，通过MS/MS可确认，由此可见，一定浓度下，待测化合物可电离有明显的[M+H]⁺和[M+Na]⁺峰。

实施例3：

以含0.1％甲酸的乙腈∶水(1∶1，v/v)作为喷雾溶剂，流量4μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，对氢氟酸腐蚀的玻璃板上含625pg/mm²的毒死蜱(Mw 349)进行测定，质谱分析图见图4，化合物中含有3个氯，在质谱图中可明显见到同位素峰簇响应m/z350∶m/z352∶m/z354∶m/z356＝27∶27∶9∶1，即证明确实为所测化合物。

实施例4：

以含0.1％甲酸的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂，流量4μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，对氢氟酸腐蚀的玻璃板上含625pg/mm²毒蝇磷(Mw 362)进行测定，质谱分析图见图5，待测化合物含1个氯，可明显见到同位素峰簇响应m/z363∶m/z365＝3∶1，同时在合适的二级裂解能量下，得到MS/MS质谱图。

实施例5：

以含0.05％HCl的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂时，流量4μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V质谱的采样口温度控制为250℃，对氢氟酸腐蚀的玻璃板上625pg/mm²的对硫磷(Mw 391)进行测定，见图6，从谱图可见到[M+H]⁺m/z 292.15峰，而在之前的流动相下，同样浓度的样品未见到对硫磷有明显的[M+H]⁺，可见改变喷雾流动相，可以提高某些化合物的离子化效率，MS/MS对其进行了确证。

实施例6：

以含0.05％二甲基胺的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂时，流量2μL/min，载气为N₂，出口压力为10psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，对在氢氟酸腐蚀的玻璃板上的除草剂混合样品进行测定分析，可见到相应的[M+H]⁺，见图7，可见以掺杂有机胺的流动相进行喷雾时，亦可得到很好的结果。除剂分别为：西玛通[M+H]⁺m/z 198.47；敌草净[M+H]⁺m/z 214.47；扑灭通[M+H]⁺m/z 226.53；莠灭净[M+H]⁺m/z 228.47；扑灭津[M+H]⁺m/z 230.53；扑灭净[M+H]⁺m/z 242.47；草二甲丙净[M+H]⁺m/z 256.46；甲氧丙净[M+H]⁺m/z272.44。

实施例7：

以含0.1％甲酸的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂，流量2μL/min，载气为N₂，出口压力为10psi，质谱端电压为-4500V质谱的采样口温度控制为250℃，对氢氟酸腐蚀的玻璃板上含625pg/mm²莠去津(Mw 215)进行测定，得到图8，从图中可见到明显的[M+H]⁺m/z 216以及同位素峰m/z218。

实施例8：

以含0.1％HCl的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂，流量4μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，6种有机磷类杀虫剂在氢氟酸腐蚀的玻璃板上1250pg/mm²的质谱分析图见图9。6种有机磷杀虫剂分别为：甲胺磷[M+H]⁺m/z 142.05；乙酰甲胺磷[M+H]⁺m/z 184.02；氧乐果[M+H]⁺m/z214.01；敌敌畏[M+H]⁺m/z 221.03；乐果[M+H]⁺m/z229.97；磷胺[M+H]⁺m/z 300.04。

实施例9：

以含0.1％甲酸的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂，流量3μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，6种有机磷类杀虫剂(甲胺磷、乙酰甲胺磷、氧乐果、敌敌畏、乐果、磷胺)混合溶液涂抹在苹果皮上，进行测定的MRM分析图，及提取离子色谱图及化合物结构见图9。

实施例10：

以含0.1％甲酸的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂，流量2μL/min，载气为N₂，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，5种三嗪类除草剂混合溶液涂抹在小白菜叶片上(78.125pg/mm²)的MRM分析图，及提取离子色谱图及化合物结构见图11。5种三嗪类除草剂分别为敌草净[M+H]⁺m/z 214、莠去津[M+H]⁺m/z216、莠灭净[M+H]⁺m/z228、氰草津[M+H]⁺m/z 241、甲氧丙净[M+H]⁺m/z 272。

实施例11：

将莠去津水溶液定点喷洒在小白菜叶片上，生长5天后，以含0.1％乙酸的乙腈∶水＝1∶1(v/v)作为喷雾溶剂，流量2μL/min，载气为N2，出口压力为15psi，质谱端电压为-4500V，质谱的采样口温度控制为250℃，将小白菜叶片空白及喷药叶片放在载物台上，对准喷雾针头进行测定，见图12，125pg/mm2浓度下三测重复的莠去津MS/MS m/z216的提取子离子m/z 174的色谱图见图13，可见有很好的重复性。

Claims

1.一种无外部高压的质谱离子源，其特征在于，所述离子化的离子化源，包括电喷雾器，毛细管，蠕动泵，惰性气体源，离子化源组成，其中电喷雾器(1)和被分析样品(4)组成喷雾系统，毛细管(2)固定在电喷雾器管(1)的中心，进气管(3)和电喷雾器管(1)的侧面联通；质谱的采样口(5)为离子采集分析装置，质谱的采样口(5)放置在被分析样品(4)的上面。

2.根据权利要求1所述无外部高压的质谱离子源，其特征在于，所述电喷雾毛细管(2)与样品(4)的表面的夹角为任意角度，二者距离在1-8mm之间；其中毛细管(2)的一头与蠕动泵相接。

3.根据权利要求1所述无外部高压的质谱离子源，其特征在于，所述毛细管内径为为0.01-0.5mm；外径为0.03-0.7mm。

4.一种无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将被分析样品(4的表面直接置于电喷雾器(1的下方，并且调节二者的距离和角度；

2)在采样口(5)与样品(4)之间经软件控制被施加以-2500V到-6000V的高压；

3)喷雾溶剂在1～6μL/min流量下从毛细管(2)的进入，喷雾气体在5～60psi压力下由进气管(3)进入；

5.根据权利要求4所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于，所述对样品表面物质进行电离并分析的分析参数为：采样口负压为4500V，质谱的采样口(5)温度为250℃，喷雾气体压力为15psi，电喷雾溶剂流速为4μL/min，电喷雾毛细管(2)与样品(4)的距离在4mm、与样品(4)表面的夹角为60°，并且整套系统与质谱的采样口(5)的距离在2cm之内。

6.根据权利要求4所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于，所述电喷雾溶剂为乙腈∶水＝1∶1(v/v)、甲醇∶水＝1∶1(v/v)。

7.根据权利要求4所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于，所述在电喷雾溶剂中加入化学衍生试剂：甲酸、乙酸、甲酸铵、乙酸铵、HCl、乙二醇、氨水和有机胺中一种，使在分析过程中提高分析的灵敏度。

8.根据权利要求4或5所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于，所述喷雾气体为氮气、氦气、氩气和空气中一种或几种混合气。

9.根据权利要求4所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于，所述样品4的表面置于可调节的三维移动平台上，并由步进电机控制其有规律的移动，即可实现对固体表面某一区域的精细成像分析。

10.根据权利要求4所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于所述被测样品可以是实验室常用载物表面：玻璃，聚合物和薄层色谱板，被测物也可以是任何植物的茎、叶和果实的表面。

11.根据权利要求4、5、9或10所述无外部高压的质谱离子源的离子化分析方法，其特征在于：所述复杂被测样品基体里的目标化合物，选用多级质谱方式来获得较好的信噪比，包括碰撞诱导解析(CID)，选择性反应监控模式(SRM)或多重反应监控模式(MRM)。