CN101201335A - 表面解吸常压化学电离源及表面解吸常压化学电离质谱分析方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种质谱仪表面解吸常压化学电离源，主要由一毛细管和置于其中的一放电针组成试剂离子发生系统，由毛细管导入的试剂在毛细管一端喷出时由于放电极电晕放电使试剂离子化而产生试剂离子，试剂离子碰撞样品盘中的样品而发生样品离子化，并被引入质谱仪入口毛细管中用于检测。本发明电离源配有活动接口，可与常见的质谱仪如LCQ、LTQ、TSQ等联接，使其能升级、强大，以表面解吸常压化学电离质谱技术实现样品在无需样品预处理的条件下对复杂基体样品的快速、灵敏测定，并可用于工业或环境过程中的原位、实时、在线、非破坏性分析。本离子源与相关质谱仪联接，可根据样品性质实现正离子检测、负离子检测及自由基离子检测等不同检测模式。

Description

表面解吸常压化学电离源及表面解吸常压化学电离质谱分析方法

技术领域

本发明涉及分析化学领域，特别涉及质谱仪的离子源，具体为表面解吸常压化学电离源及使用该电离源进行表面解吸常压化学电离质谱分析的技术。

背景技术

质谱学是广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的专门科学和技术。质谱仪是质谱学研究与应用的基础。质谱仪一般包括样品引入系统、离子源、离子光学系统、质量分析器、检测器、数据采集与控制系统、真空系统等。国际著名质谱大师如R.Graham Cooks教授等普遍认为无论是对有机质谱还是无机质谱，质谱仪器的心脏是离子源。因此，人们围绕电离源做出了多种设计，如电子轰击电离源(EI)、化学电离源(CI)、场解吸电离源(FD)、快原子轰击电离源(FAB)、电喷雾电离源(ESI)、大气压化学电离源(APCI)、基体辅助激光解吸电离源(MALDI)等。其中，美国科学家John B.Fenn等正因为在发展电喷雾电离(ESI)这一软电离源方面做出了重大贡献而获得了2002年诺贝尔化学奖。因此，新离子源的开发对现代科学、国计民生均具有重要意义。

目前已披露的用于有机质谱分析的各种电离源主要有EI、ESI、APCI、MALDI、PI等。在这些常见电离源如APCI中，待测物质必须转化成为不含基体的溶液后才能够被引入APCI进行电离。分析时，样品溶液从套有雾化气套管的毛细管引入，然后从毛细管末端喷出并被氮气流雾化，形成的细小液滴在加热蒸发器中被汽化，形成气态的中性分子。加热管末端有电晕放电针(参见图15)，电晕放电把溶剂分子离子化产生大量的试剂离子。试剂离子与气态中性样品分子碰撞，发生化学电离。由于试剂离子密度比样品分子密度大很多，常压下碰撞频率很高，而样品分子在电离区域停留的时间又较长(1-10μs)，样品分子基本被完全电离，大大提高了电离效率，从而提高了灵敏度。

APCI是一种软电离源，形成的是单电荷准分子离子，如[M+H]⁺、[M+Na]⁺、[M+K]⁺和[M+NH₄]⁺等(这与加入试剂溶液中的添加剂或缓冲剂有关)，不同添加剂或缓冲剂可与不同的物质形成特定离子。所以，除了具有比ESI更高的灵敏度外，APCI还具有很好的选择性。但是，APCI汽化室的温度一般为450℃左右，不利于分析热稳定性差的样品。另一方面，这些电离源虽然各有特点和应用针对性，但均需要将样品去除各种复杂基体转化为特定形态方能进行离子化。这种预处理一则费时费事，二则难以实现实时在线监测。

2004年，Cooks教授在Science杂志上发表了关于电喷雾解吸电离(desorptionelectrospray ionization，DESI)的文章，引起了广泛的关注。DESI源具有双层毛细管结构的雾化器(参见图16)，其中要加+5kV的高压，同时需将合适的溶剂(通常是含有少量水的甲醇，而且甲醇具有较大毒性。)通过注射泵压入内层毛细管中，在氮气(150psi)作用下形成带电的小液滴，这些带电的液滴在气流和电场的共同作用下冲击样品的表面，从而将吸附在表面上的待测物分子进行电离。DESI最主要优点是将表面低蒸汽压的物质解吸出来再进行电离，所以不需要样品预处理就可以直接对固态表面上的物质进行测定，为复杂样品的实时在线检测提供了思路。随着研究的不断深入，人们逐渐认识到DESI也具有一些不足之处，如灵敏度不高，需要使用笨重的高压钢瓶提供较大流速的氮气，因此不能够直接分析粉末样品，没有大气压化学电离源所具备的选择性，而且和ESI、APCI一样需要使用有害试剂(如甲醇)来产生试剂离子喷射到样品表面，在进行实时检测时会将受检产品污染，从而难以在药品、食品等相关领域得到实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需要样品预处理，并不需使用有害试剂，不会对解吸样品构成污染和人员身体健康危害，具有良好化学选择性，而且易于在小型质谱仪中应用的新颖的表面解吸常压化学电离源(surface desorption atomosphericpressure chemical ionization，SDAPCI)。

该电离源中，试剂离子发生系统为核心，其包括一毛细管和置于毛细管中外加高压的一电晕放电针，放电针一端延伸至毛细管的喷嘴端之外。

所述的试剂离子发生系统中，所述毛细管的另一端连通化学电离试剂气流。

所述的试剂离子发生系统中，所述毛细管外设有加热装置。

本发明的质谱仪表面解吸常压化学电离源，用于向质谱仪的进样管提供样品离子流，至少包括前述试剂离子发生系统和一进样系统，所述进样系统配备一样品承载盘，所述毛细管喷嘴端指向样品承载盘，且与质谱仪进样管端距离2-80mm，夹角90-180°。

所述质谱仪表面解吸常压化学电离源中，所述样品承载盘具有多个分隔样品空间的载槽。

所述质谱仪表面解吸常压化学电离源，还包括多维调节系统，设多个三维调节架和角度调节器，所述毛细管、样品承载盘和质谱仪进样管均安装在多维调节系统中被精确调节距离及角度。

所述质谱仪表面解吸常压化学电离源，还包括显示与控制系统，包括数字显示系统和由单片机构成的智能控制系统，所述试剂离子产生系统工作中用到的高压发生装置、试剂输入与调节装置以及高压保护装置与所述控制系统电连接，所述高通量进样系统设有的驱动装置和步进电机与所述控制系统电连接，所述多维调节系统设有的调节电机与所述控制系统电连接，通过控制系统控制所述质谱仪表面解吸常压化学电离源整体工作，以实现自动化检测。

所述质谱仪表面解吸常压化学电离源，还设有联接支撑系统，主要包括支架以及与质谱仪的接口。支架用于固定或安装上述各系统中的部件，接口的功能主要是将SDAPCI固定到质谱仪面板上合适的位置上。

本发明另一目的，在于提供一种表面解吸常压化学电离质谱分析方法。

该方法包括以下步骤：

步骤一：将以上所述质谱仪表面解吸常压化学电离源与质谱仪连接；

步骤二：向电离源毛细管中的电晕放电针施以3～6KV高压，调节好质谱仪参数；

步骤三：取得的样品直接置于样品盘中；

步骤四：开质谱仪扫描系统，获取检测结果。

所述质谱分析方法中，步骤三还包括常压或20psi或更高流速下向电离源毛细管中通入化学电离试剂气流的过程，所述化学电离试剂选自为水、乙酸、氨气、甲烷、氩气、氮气、氦气、空气、正丁烷、乙烷、乙醇等无害溶液或气体。

所述样品为液体、块状固体或固体粉末。在分析液体或粉末样品时，一般将试剂气流(如甲烷等)减小或关闭，而直接采用空气作为试剂进行工作。

当采用惰性气体如氩气、氮气、氦气作为试剂气体进行工作时，能够方便地在常压下获得多种物质甚至极性物质(如多肽等)的自由基离子。此特性为本发明所具有的专有特性之一，将在生命科学，如蛋白质组学，代谢组学，药物开发等领域中得到重要应用。

采用以上设计，本发明是集DESI、APCI的理论与技术于一身，综合APCI和DESI优点而设计的一种新型的表面解吸常压化学电离源，并结合相关接口技术和现代控制技术，重新装备现有质谱仪，从而实现基于表面解吸常压化学电离质谱分析技术(SDAPCI-MS)。使用该技术在无须样品预处理的前提下可以对各种不同表面吸附的痕量非挥发性物质进行常压解吸化学电离，大幅度提高了灵敏度。同时，由于不使用有毒试剂和钢瓶等笨重设备，不会对解吸样品构成污染，不会对操作人员造成身体健康危害；可利用空气中水分作为电离试剂，能够直接对粉末样品进行分析，有利于在小型质谱仪上进行复杂物质的现场快速质谱分析。该技术可用于在线分析食品、药品活性成份(含粉末)、服装和皮肤等表面物质的痕量组分之中，非常适合现场、活体、在线分析。

附图说明

图1为本发明表面解吸常压化学电离源的主要结构及工作原理示意图；

图2为本发明表面解吸常压化学电离源的构成图；

图3为本发明表面解吸常压化学电离源中样品承载盘的结构示意图；

图4为本发明表面解吸常压化学电离源中控制系统控制程序框图；

图5为实例一使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对Claritin药片有效成分测定的MS谱图；

图5A为实例一使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对Claritin药片m/z383的CID谱图；

图6为实例一中距离对信号强度的影响曲线；

图7为实例一中反应气体压力对信号强度的影响曲线；

图8为实例一中放电电压优化曲线；

图9为实例二使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对TNT测定的MS谱图；

图9A为实例二本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对TNT m/z226的CID谱图；

图9B为实例二本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对TNT m/z227的CID谱图；

图10为实例三使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对测定乙酰基酚的自由基阳离子质谱图；

图10A为实例三使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术对乙酰基酚的自由基阳离子m/z150的CID谱图；

图11为肽I-7的自由基阳离子质谱图；

图12为实例四使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术检测卷烟中尼古丁的自由基阳离子质谱图；

图12A为实例四本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术检测卷烟中尼古丁的自由基阳离子m/z163的CID谱图；

图13为实例六使用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术直接检测混合样品中氯雷他定和对乙酰氨基酚的自由基阳离子质谱图；

图13A为实例六本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术直接检测混合样品中的对乙酰氨基酚自由基阳离子m/z152的CID谱图；

图14为实例七用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术直接检测庐山云雾茶的SDAPCI-MS总离子流图；

图14A为实例七用本发明表面解吸常压化学电离质谱分析技术直接检测庐山云雾茶的MS化学指纹谱图；

图15为现有APCI源主要结构及工作原理图；

图16为现有DESI源主要结构及工作原理图。

具体实施方式

表面解吸常压化学电离源(SDAPCI)是一种结合了APCI和DESI各自优点的新型离子源，其中重要的改变是离子发生系统，其由一毛细管和置于其中的一直径200微米的电晕放电针组成，图1显示了SDAPCI的主要结构和工作原理。

SDAPCI技术原理

表面解吸常压化学电离源(SDAPCI)是一种结合了APCI和DESI各自优点的新型离子源。与APCI类似，在SDAPCI中，试剂离子采用电晕放电产生；而产生的初级离子与固体表面作用，这与APCI显著不同而与DESI类似；而SDAPCI与DESI不同的是初级电离采用电晕放电而非电喷雾进行，因此能够获得比DESI更高的灵敏度。因此SDAPCI与APCI和DESI均有显著区别，它们之间的异同归纳在表1。在SDAPCI离子源中，可以根据不同的实验目的选择相应的电离试剂(如水，乙酸，氨气，甲烷等)，然后将它们在常压下方便地引入内嵌放电针(铼合金)的毛细管中(参见图1)。在正/负高电压的作用下，放电针开始电晕放电，在毛细管的开口处产生大量的正/负试剂离子。这些试剂离子在电场的作用下获得能量，将迅速地碰撞到固体样品的表面，发生解吸电离过程，从而获得固体表面待测物的离子。待测物的离子在电场的作用下将被引入到离子光学系统中，从而进入线性离子阱中进行质量分析和结构鉴定。

显然，SDAPCI在常压下工作，不同的试剂或样品都可以方便地在常压下进行更换，适合进行高通量分析。如果利用潮湿的空气(相对湿度60％)作为试剂，则能够在电晕放电中产生大量H₃O⁺离子，可避免使用任何可能对样品产生污染的物质，也不需要DESI的喷雾系统和钢瓶等笨重设备，有利于在小型质谱仪中进行现场快速分析。

表1 SDAPCI与APCI和DESI的比较

	SDAPCI	APCI	DESI
				所用试剂Reactive reagents试剂离子的产生Generation ofreagent ions待测物离子的产生Generation of ionsof analytes样品形态Sample introduction样品处理Sample pretreatment电离环境Ionization condition分析对象Analytes电离模式Ion detection model载气流速Carrier gas flow选择性Selectivity	气体(如空气，甲烷)或液体(氨水等)Gas(air，methane)/liquid电晕放电Corona discharge常压表面解吸化学电离Desorption+chemicalionization固体，含粉末Solid，including powders不需要样品预处理No sample pretreatment常压，室温Atmospheric pressure，room temperature极性和非极性物质Polar and non-polarchemicals具备正、负离子模式Positive and negative低速气流(0～0.2MPa)Low velocity选择气体试剂实现对不同物质的选择性测定Selective reagent	液体(甲醇/水)等各种有机溶剂 Liquid，e.g.organic solvent电晕放电Corona discharge常压气相化学电离Chemical ionization液体，稀溶液Liquid，no matrix需样品预处理，只分析不含基体的稀溶液样品。Yes，dilute sample solution常压，一般450℃左右Atmospheric pressure，450℃极性和弱极性物质Polar and weak polarchemicals具备正、负离子模式Positive and negative高速气流(0.3～0.8MPa)High velocity通过选择溶剂实现对不同物质的选择性测定Selective solvent	液体(甲醇/水)溶液Liquid(methanol/water)电喷雾电离Electrospray常压表面电喷雾解吸电离Desorption+ESI块状固体，非粉末solid surface，no powder不需要样品预处理No sample pretreatment常压，室温Atmospheric pressure，room temperature强极性物质Polar chemicals具备正、负离子模式Positive and negative高速气流(≥1.5MPa)High velocity一般不具有选择性，但可通过表面修饰获得Selective surface

电晕放电是一个复杂的物理化学过程。首先给放电电极施加高电压(一般为3000V，与放电介质、电极尖端尺寸等相关)，当放电尖端(直径为200μm左右)的电场强度足够高时，电极周围的易电离物质首先被部分电离，产生部分正离子和电子。此时正电荷和电子的数量基本相等，而且分布在接近电极表面的狭窄空间内，以至电极周围的介质整体呈电中性。但是，这些带电粒子在电场的作用下迅速获得能量，继续与其他中性分子碰撞，发生碰撞电离反应，生产更多的带电粒子。而这些新产生的带电粒子继续从电场中获得能量，然后和周围中性分子再次发生碰撞电离反应，最终形成形成雪崩放电，从而获得大量的高密度初级离子，即试剂离子。以空气中的电晕放电为例，当湿度为45-60％的空气从毛细管喷口喷出，电晕放电中发生的主要物理化学过程由以下反应式表示：

N₂+e^-→N₂ ^·++2e^-

N₂ ^·++2N₂→N₄ ^·++N₂

N₄ ^·++H₂O→H₂O^·+2N₂

H₂O^·++H₂O→H₃O⁺+HO^·+

可见，在水蒸气存在的正离子模式下，H₃O⁺是主要的初级离子，大量的该离子将直接与样品表面的物质发生解吸电离反应：

M+H₃O⁺→[M+H]⁺+H₂O

除了主要生成[M+H]⁺外，还视物质表面性质不同，可能会产生一些络合物离子和簇离子。

如果载气中添加其它质子亲和势(PA)较大的气体如NH₃(PA＝204.2kcal/mol)作为反应气体，则主要形成NH₄ ⁺初级离子，该离子仅与复杂表面中含有的质子亲和势更大的物质(M)反应，形成质子化的(M+H)⁺离子。因此，在SDAPCI离子源中可以通过调换试剂种类来选择性地测定复杂基体样品中的某些成分，进一步减少了基体的干扰。

SDAPCI结构

以下结合附图详细说明本发明的表面解吸常压化学电离源。参见图2所示，SDAPCI主要由高通量进样系统、试剂离子发生系统、联接支撑系统、多维调节系统和显示控制系统等组成。整个离子源通过离子发生系统产生试剂离子流，通过进样系统将试剂离子流撞击样品表面得到的样品离子流引入质谱仪中，通过调节系统调节电晕放电针和样品的位置，通过联接支撑系统组合成为一个整体，在控制系统的指挥下进行协调工作。

试剂离子发生系统：

离子发生系统是SDAPCI的核心，图1为该离子发生系统的结构和工作原理示意图。该离子发生系统，包括一毛细管11和置于其中的一直径200微米的电晕放电针12，放电针12由铼合金或不锈钢材料制成，大部分针体封装在毛细管11中，针头指向样品电离区A方向并延伸至毛细管11喷嘴端之外约1mm，放电针12外加高压(2-6KV，DC)，形成电晕放电，放电电流约0.1～20mA。放电针12所用高压由12V直流电源、电位器、高压模块组成外加提供，亦可直接从质谱仪中取用。毛细管11的另一端连通一化学试剂引入及调节装置(如洗气瓶或气瓶，图中略去)，化学电离试剂(如水，乙酸，氨气，甲烷或空气等)气流G进入毛细管11；该系统通过获得的电晕放电将引入的试剂进行电离，产生大量试剂离子，该试剂离子撞击被测固体样品表面，从而可对表面吸附的痕量物质进行解吸化学电离。其中通入的化学试剂可以为液体，装载在洗气瓶中由载气引入，也可以为气体化学试剂，无需载气直接通入毛细管11。气流压力可在0～140KPa范围内调节。离子发生系统中还可设高压保护装置(如放电电压的开关)，在控制系统的协调指挥下，化学试剂及其载气的引入、放电电压的开关等都可以在合适的时机正确地开关，不但提高了系统的自动化程度，而且增加了安全性，既保护了仪器不受高电压的破坏也避免了工作人员触电的危险。

该离子发生系统的另一种实施方式，可在毛细管11的外层设有加热装置14，参见图1所示，从而能得到更好的电离效果并可辅助去溶。

高通量进样系统：

高通量进样系统主要由电源、步进电机、样品承载盘及其驱动装置组成。为配合快速分析的需要，通过驱动装置和步进电机，进样系统可以自动输送样品，输送速率为0.1-24样品/秒，单个样品分析时间(即解吸电离时间)可以在(10ms-30min)之间任意设置。参见图3，样品承载盘2外观可呈光碟形，直径为12cm，厚度为0.6cm，由轻质绝缘材料加工而成，其上设样品承载槽22，样品承载槽22一般为椭圆形或圆形，体积一般为600mm³，可以放置如片状、粉末状等不同形态的固体样品。承载槽的体积和数量视实际需要而定，可以分别在10-1000mm³和12-96之间选择。样品承载盘2上还可设样品位置识别区23，能够识别、比较和记忆样品的位置(即样品的ID)。为了便于系统校正，可在样品承载盘上设置一个参考样品，如标准的Claritin药片等。当实际样品分析时，系统初始化并自动将参考样品放置在离子源中，如果获得的信号与标准信号一致则进行下一步操作，否则将重新初始化，并对相关参数进行调整。

多维调节系统：

多维调节系统主要由多个三维调节架(在X，Y，Z三个方向调节，量程分别为13mm)和角度调节器(调节范围0-360°)构成。在SDAPCI离子源中，电晕放电针和样品的位置都可以通过三维调节架来精确调节，而放电针与质谱仪毛细管的距离及角度、放电针与样品之间的位置和角度也可以通过三维调节架来调节。因此，整个系统具有良好的可调节性，对不同形状的样品具有很好的适用性。三维调节架可设计成手动调节方式，也可以在其上装设调节电机，通过程序来自动控制调节，增加了系统的灵活性。通过该调节系统，可以调整电晕放电针与样品盘的角度和距离，还可以调整电晕放电针与质谱仪入口毛细管端距离，如在2-80mm，夹角在90-180°范围。

显示与控制系统：

显示与控制系统主要包括数字显示系统和由单片机构成的智能控制系统。其分别与试剂离子产生系统中的高压发生装置、试剂输入与调节装置以及高压保护装置电连接，与高通量进样系统的驱动装置和步进电机电连接，与多维调节系统的调节电机电连接，并可连接至质谱仪的控制系统之中。整个SDAPCI离子源在控制系统的智能控制下进行协调工作，而且通过数字显示系统将离子源的工作状态进行实时显示。实施中，显示面板可采用低成本的八位数码管阵列显示器构成，分别显示样品序号和分析停留时间等信息。离子源正常工作所需要的一些参数，如样品数量，时间等可以通过显示面板上的输入键进行设置，具有较方便的人机对话功能。

SDAPCI离子源的主要控制程序固化在单片机中，其程序框图参见图4。当电源接通的情况下，程序自动咨询分析样品的种类，如果是粉末样品，则指示将化学试剂载气关闭，此时实际上是以空气中的水蒸气等作为电离试剂。如果是非粉末固体样品，则启动合适的试剂气体及载气，然后检测高压保护是否完善。如果保护不当(如接地不妥或绝缘欠佳)，则自动回到待机状态，同时发出警告信号，提示用户进行相应检查。如果检查通过则进行电晕放电的电压设置，如正负极性和数值等。此过程完成后在将多维调节系统初始化，将参考样品放置在离子源中进行检测，如获得的信号与标准信号一致则开始实际样品的分析工作。当完成所有的样品分析后则首先切断高压电源和气体，然后等待下一个分析任务。如果10min内没有任务，则系统自动复位，然后关机。

联接支撑系统：

主要包括支架以及离子源与质谱仪的物理接口。支架用于固定或安装上述各系统中的部件，接口的功能主要是将SDAPCI固定到质谱仪(如LTQ)面板上合适的位置上，代替原来的商品化ESI/APCI电离源。

表面解吸常压化学电离源的工作过程

本发明的表面解吸常压化学电离源使用时，当向毛细管中通入电离试剂时，放电针产生的电晕放电而使试剂电离，形成试剂离子流进入到样品电离区A；某些情况(如在较为潮湿的环境中分析粉末样品时)也可以不通入电离试剂，放电极产生的电晕放电可使空气中含有的水分发生电离形成离子流，该离子流碰撞样品，样品被离子化，该样品离子在电场和负压作用下形成样品离子流通过质谱仪入口毛细管3被引入质谱仪的质量分析器中。

本发明表面解吸常压化学电离源(或称SDAPCI)使用中，尽可能保持采集样品的原始状态而省去样品预处理，简化了样品处理或对样品不做处理，并最终能简化检测过程。本发明的表面解吸常压化学电离源还设计了不同的活动接口装置，可与普通质谱仪(如：LCQ、LTQ、TSQ等)联接，使普通质谱仪具有了表面解吸常压化学电离质谱分析功能。

以下用具体检测实例说明利用本发明的离子源进行表面解吸常压化学电离质谱分析的特点。

实例一、正离子模式下测定Claritin药片中的活性成分氯雷他定(Loratadine，FW 382)

将本发明离子源联接到LTQ质谱仪上。实验时，将检测样品Claritin药片放置在样品盘上，调整好离子源喷嘴与样品盘的夹角为45-80°，质谱仪上的入口毛细管与样品盘的夹角为5-10°，喷嘴到质谱仪入口毛细管距离为50mm，调节好LTQ质谱仪参数。通入化学电离试剂为水蒸汽(含水量为45～60％，氮气作为载气)，压力为20psi，放电极加高压为3～6KV，对样品进行检测，结果见图5。图5中显示了药片中的活性成分氯雷他定(FW382)强度很高(1.16×10⁶)的质子化分子离子峰(m/z 383)，同时获得了它的同位素峰(m/z 385)。说明该方法能够有效检测到Claritin药片中有效成分的准分子离子峰(m/z 383)，并且二级质谱对m/z 383的CID图(参见图5A)给出明显的m/z 337峰[M+H-CH₃CH₂OH]⁺，对(m/z 338)结构进行了确认，从而证明使用本发明表面解吸常压化学电离源进行测定的准确性。

另外，从图5中还可以看出，本方法检测所获得的信号强度为1.16×10⁶，而在Science上报道的同样药片在同样条件下由DESI-MS电离源检测的信号强度为5×10⁴。可见使用本发明电离源进行检测信号强度将大幅提高。显示使用本发明电离源不仅可以对固体样品可以直接检测，而且具有较高的灵敏度，同时由于试剂无毒性，还对于药品和食品等实现在线质谱检测具有重大意义，本发明也将对环保、化工、公共安全和生命科学等领域产生积极的影响。

为进一步提高信号强度，提高质谱分析灵敏度，可以在检测中进一步优化影响信号强度的主要因素。

以下以Claritin药片检测为例说明优化方法，对其余样品的检测优化数值不限于以下所列数值。

1、放电针尖至质谱入口毛细管的距离：在5～60mm之间选择放置，检测信号强度随距离的变化如图6。显示，当距离超过20mm后，信号强度已达最大值，与距离的相关度已很小。所以放电针尖至质谱入口毛细管的距离在20mm之上均可，结合样品的位置，可选择50mm的距离。

2、化学电离试剂气流的压力：在0.1～200psi范围内按图7点的数值改变化学电离试剂气流的压力，结果显示：信号强度随气流气压增加而增加，当气压超过一固定值后信号强度达到最大水平。SDPACI信号强度变化符合这一趋势(如图8所示)，当气压超过20psi后，信号强度达到最大值(1.16×10⁶)，而且再不随压力增加而变化。这种小气流压力亦有高灵敏度，适宜于粉末样品分析。该压力远比DESI源(大于300psi)所需要的压力小得多，这就是DESI源不能对固体粉末进行直接分析，而本发明离子源可以对固体粉末进行分析的原因。由于无须使用高压钢瓶等笨重设备，也有利于将SDAPCI用于小型质谱仪进行现场分析。

3、放电针尖电压选择：针尖放电电压直接决定气态反应离子数的多少，放电电压越高，产生的带电离子数越多，对样品的离子化效率越高。分别采用氦气和氮气两种载气(化学电离试剂)对电压进行了优化，如图8所示，氮气作为反应气体较氦气可在较低电压下产生更高的信号强度。因此，选择20psi的氮气，4KV放电电压可作为测定Claritin药片时的最佳仪器条件。另外，由于空气的80％为氮气，采用空气作为SDAPCI-MS的反应气体也可以，并且这样可以大大节省费用。

实例二、负离子检测模式

SDAPCI也可以在负离子模式下工作，从而对复杂基体中的某些组分转变成负离子后进行质谱分析。实验时按下表电离源参数选择了TNT(MW 227)为代表，考察了SDAPCI对普通信封表面的TNT(10pg/cm²)的检测能力。检测时调整参数如下：

质量范围放电电压(KV)毛细管温度(℃)毛细管电压(V)试剂气体线性流速(m/s)离子透镜电压(V)质谱入口与样品表面距离(mm)放电针尖与样品表面距离(mm)放电针尖与质谱入口距离(mm)放电针与样品表面角度(α)样品表面与质谱入口毛细管角度(β)

50～600-3.00150-22.003.5-35-60.0042635°10°

结果参见图9，显示：在负离子模式下，TNT一级质谱的谱图中清楚的显示了去质子化后的负离子峰m/z 226，同时得到了少量的自由基负离子(m/z 227)。m/z226、227二级质谱结果(参见图9A和图9B)表明，m/z 226主要丢失NO得到碎片m/z 196，也可以直接丢失NO2而得到碎片m/z 180。在这些碎片离子中，所有离子的丰度都比母离子(m/z 226)要小，表面母离子能量较低，难以裂解。与m/z 226相比，TNT的自由基负离子m/z 227具有更丰富的碎片，再次表明自由基离子具有较高的能量，能够在串联质谱中提供更丰富的信息。

实例三、自由基阳离子分析

在SDAPCI中，由于在常压下进行操作，能够方便地进行试剂的更换和样品的添加等操作。因此，针对不同的实验目的，可以方便地更换试剂，以便能更好地对复杂集体样品中的待测物进行检测。实验说明，如果将空气换成氩气，也可以进行SDAPCI-MS检测。当氩气中不含有水分子等活泼试剂时，还可以获得相当丰度的自由基阳离子。

实验采用对乙酰基酚样品在氩气氛围中获得了相应的质谱谱图(如图10)。对乙酰基酚主要表现的自由基阳离子(m/z 151)。由于自由基阳离子具有很高的能量，所以非常活泼，能够迅速裂解为更小的碎片。因此，在MS谱图中，除了基峰m/z 151外，还具有很多低风度的小峰。通过CID进行串联质谱分析后发现，在二级质谱(参见图10A)中，m/z 151主要丢失CO而得到碎片离子m/z 123，该碎片再次丢失苯环中的CO基团得到碎片m/z 95，而碎片m/z 109为丢失CH2＝C＝O后的的产物，m/z 135则是丢失O后的产物。这些离子的丰度不高，表明该碎裂方式也不占主导地位，产生的产物离子也可能不稳定。比较空气做试剂时获得的谱图发现，m/z 151的信号强度下降到原来的百分之一。这可能与氩气中离子化效率不高而且产物离子易于分裂有关。

由于自由基阳离子具有较高的能量，在蛋白质组学等方面具有重要应用。因此利用氩气作为反应气体，对棉布表面上的多肽I-7(Peptide I-7，MW757)(1ng/mm2)进行SDAPCI-MS分析，结果表明，即使对多肽等常规方法不能获得自由基阳离子的物质，也可以获得具有相当丰度的多肽自由基阳离子(m/z 757)(如图11)。相对于乙酰基酚等小分子而言，多肽I-7的MS图比较复杂，获得了许多丰度约为20％的小峰。这可能是因为多肽自由基阳离子能量较高，在质谱分析过程中迅速裂解所致。MS中部分大离子如m/z 780应该是多肽与Na+结合形成的产物。如果选择m/z 757进行CID-，虽然在低能量(10％CE左右)下，多肽离子m/z 757也能够给出明显的碎片离子，如丢失水、HCOOH、CO、CO2后的产物m/z 739、m/z 660等碎片离子，具有较丰富的碎片，尤其是在CID的能量较高时更是如此。

实例四、直接电离空气产生离子流对烟丝中尼古丁的检测实例

在不通入试剂的条件下用正离子模式(其它检测条件参考实例一)对红双喜卷烟进行检测，结果参见图12。烟丝中尼古丁(m/z163)信号强度很高，其CID图见图12A。该实例说明本发明表面解吸常压化学电离源在不通入电离试剂的情况下，可以直接电离被测样品周围的空气而产生离子流，从而对样品进行测定。

实例五、粉末样品的直接检测

APCI-MS分析需要在较高的温度下雾化样品溶液后才能将目标分析物电离，对难挥发，热不稳定化合物(如糖类)的电离效果差。SDPACI-MS不同APCI-MS，无须较高温度来雾化样品溶液，可直接对粉末样品进行表面解吸/电离。为考察难挥发、极性大物质的SDPACI-MS分析行为，对棉布表面1ng/cm²甘油醛溶液进行SDAPCI-MS检测，一级全谱上给出m/z 91的基峰。由于是复杂基体，需要通过串联质谱来排除假阳性，因此选择该母离子进行CID，在MS²谱图中主要获得了丢失水后的碎片离子(m/z 73)，同时还可以丢失HCHO得到碎片离子m/z 61，表明在一级质谱中观测到的m/z 91确为质子化的甘油醛的分子。

为考察SDAPCI对氨基酸等常见粉末样品的检测能力，分别对棉布表面五种氨基酸(如丝氨酸、缬氨酸、赖氨酸、甘氨酸、脯氨酸)进行检测，均得到经典的分子离子峰，并且通过CID获得了相关的碎片离子峰，归纳在表2中。表2表明SDAPCI能够在不需要样品预处理的情况下直接对不同氨基酸(包括酸性、碱性、不同旋光构型的氨基酸)等粉末样品进行分析。

表2  氨基酸样品的结构式和相关质谱数据

Table2 Chemical structures and MS date of amino acids

实例六、混合样品的直接检测

为考察SDPACI-MS对混合样品的分析能力，制备Claritin和对乙酰氨基酚混合样品(50mg)，以与实例一同样的条件进行了检测，结果如图13所示。显然，在一级谱图中可清晰地获得高强度的氯雷他定(m/z 383)和对乙酰氨基酚(m/z 152)的质子化分子离子峰，并且可以得到少量的氯雷他定碎片离子(m/z 337)，丰度约10％。分别选择m/z 152和m/z 383进行二级质谱分析，m/z 383二级质谱分析图参见图5A，m/z 152二级质谱分析图参见图13A，获得了与单组分分析时完全一致的二级质谱。因此，图13表明SDAPCI能够对混合样品中的多组分样品进行同时检测。实际上，该混合样品中氯雷他定等活性组分的含量很低(0.1％)，而其它组分则为药品中的淀粉等辅料。虽然这些辅料占药品主要成分，但是从图13获得质谱图来看，即使不采用任何的样品分离富集等预处理手续，仍然可以对混合样品中的痕量组分进行检测，并通过串联质谱进行鉴定。

实例七、茶叶样品的直接检测

仪器和试剂：LTQ-XL型线性离子阱质谱仪(美国Finnigan公司)；表面解吸常压化学电离(SDAPCI)源；庐山云雾茶，当年新茶，购买后室温密闭存放，实验前未作任何处理。

实验条件：放电针电压+2.50kV，放电针尖至质谱入口毛细管的距离为5.0mm，以湿度为60％的空气作为反应气体，空气流速0.1L/min。质谱仪采用正离子检测模式，离子透镜及检测系统由LTQ Tune功能自动优化，其他条件为LTQ缺省条件。所获得的一级质谱图经过背景扣除，而二级质谱通过碰撞诱导解离反应(CID)获得，CID碰撞能量20％～30％。

茶叶样品放置在擦镜纸上，平铺成1cm²厚度为3～5 mm，茶叶表面离放电针尖端距离为2～5mm，进样时间以为0.1～0.6min为宜。

实验结果：对茶叶样品进行SDAPCI-MS检测，结果参见图14，其中，庐山云雾茶的总离子流图如线(a)所示；(b)线为选择离子m/z 212的离子流图，(c)线为选择离子m/z 186的离子流图，(d)线为选择离子m/z为144的离子流图。

由图14中(a)线可见，以质谱仪开始记录数据时为0min计算，进样时间从0.5min到1.0min约0.5min，进样前总离子流基线较平稳，进样后表现为信号强度的快速增大，然后稳定在一定水平，进样结束时信号强度回到基线水平，信号强度与进样有较好的相关性。图14中(b)、(c)和(d)反映了所选择的3种离子m/z 212、186和144信号强度与进样的相关性，与(a)总离子流相比，其基线更稳定，说明未进样时背景中这两种离子含量较低。

图14A为所测茶叶样品的MS化学指纹谱图，其中有较明显的m/z 212、186、172、144、118和92等信号，而m/z 195、149信号较弱，甚至未见明显的m/z 135信号；6次重复测定，结果上述特征都能很好地重复，说明SDAPCI-MS谱图能在一定程度上反应茶叶的化学指纹特征。SDAPCI-MS可以在无需样品预处理的条件下快速测定茶叶的化学指纹图谱，从而避免了色谱指纹图谱烦琐的提取、分离步骤，这对于茶叶的快速鉴别及质量分析有一定的实际应用价值。

该实例还验证了使用本发明技术的分析速度：LTQ线性离子阱质谱仪全谱扫描的最短时间为0.001ms，为提高检测灵敏度和信号稳定性，实验设定扫描时间为100ms，CID碰撞解离时间为30～50ms，即使对每个样品进行串联质谱研究，单个样品的测定时间也小于1s，因此SDAPCI-MS特别适合对批量样品进行快速检测。另一方面，由于SDAPCI电离源不需要使用高压气体，非常适合在小型质谱仪上使用。

以上大量实验证明，SDAPCI代替DESI和APCI作为表面分析质谱的新型离子源，很好地克服了DESI和APCI两种离子源的缺点。正离子模式下，电晕放电产生的H3O+被加速轰击样品表面，与表面待测物发生分子离子反应，进行质子和能量的转移，接受了能量和质子的待测物质子[M+H]⁺发生解吸，再被引入质谱进行分析。负离子模式下，主要利用放电产生的反应离子如OH(H₂O)-等与样品表面待测物发生去质子反应和能量转移，去质子待测物离子[M-H]^-再从样品表面解吸出来进入质谱分析。自由基阳离子主要是通过Ar^+·为反应离子的电荷转移反应产生，而大量氩气的存在保护了这些活泼的自由基阳离子不与其它质子化试剂反应，从而能够被检测。SDAPCI-MS分析过程无须样品预处理、无须使用有毒溶剂、无须使用高压气体，可直接利用空气作为反应气体且装置简单、易于操作，成功用于纸张、棉布表面痕量爆炸物、氨基酸、糖类等物质以及对乙酰氨基酚等片剂药物中活性成分的快速分析，对爆炸物等物质的检出限不高于1pg/cm²。表明该方法更适合于样品的非破坏、无污染、实时在线分析，尤其适合于与生命科学领域相关的活体、在线分析，还可能在小型质谱仪上进行复杂基体物质的快速现场分析。

Claims (10)

1.一种试剂离子发生系统，其特征在于，用于质谱仪表面解吸常压化学电离源中，包括一毛细管和置于毛细管中外加高压的一电晕放电针，放电针一端延伸至毛细管的喷嘴端之外。

2.根据权利要求1所述的试剂离子发生系统，其特征在于，所述毛细管的另一端连通化学电离试剂气流。

3.根据权利要求2所述的试剂离子发生系统，其特征在于，所述毛细管外设有加热装置。

4.一种质谱仪表面解吸常压化学电离源，用于向质谱仪的进样管提供样品离子流，其特征在于，包括前述任一权利要求所述试剂离子发生系统和一进样系统，所述进样系统配备一样品承载盘，所述毛细管喷嘴端指向样品承载盘，且与质谱仪进样管端距离2-80mm，夹角90-180°。

5.根据权利要求4所述质谱仪表面解吸常压化学电离源，其特征在于，所述样品承载盘具有多个分隔样品空间的载槽。

6.根据权利要求4所述质谱仪表面解吸常压化学电离源，其特征在于，还包括多维调节系统，设多个三维调节架和角度调节器，所述毛细管、样品承载盘和质谱仪进样管均安装在多维调节系统中被精确调节距离及角度。

7.根据权利要求4或5或6所述质谱仪表面解吸常压化学电离源，其特征在于，还包括显示与控制系统，包括数字显示系统和由单片机构成的智能控制系统，所述试剂离子产生系统工作中用到的高压发生装置、试剂输入与调节装置以及高压保护装置与所述控制系统电连接，所述高通量进样系统设有的驱动装置和步进电机与所述控制系统电连接，所述多维调节系统设有的调节电机与所述控制系统电连接，通过控制系统控制所述质谱仪表面解吸常压化学电离源整体工作。

8.一种表面解吸常压化学电离质谱分析方法，包括以下步骤：

步骤一：将权利要求4至7任一所述质谱仪表面解吸常压化学电离源与质谱仪连接；

步骤二：向电离源毛细管中的电晕放电针施以3～6KV高压，调节好质谱仪参数；

步骤三：取得的样品直接置于样品盘中；

步骤四：开质谱仪扫描系统，获取检测结果。

9.根据权利要求8所述质谱分析方法，其特征在于，步骤三中还包括常压或以20psi或更高流速向电离源毛细管中通入化学电离试剂气流的过程，所述化学电离试剂选自为水、乙酸、氨气、甲烷、氩气、氮气、氦气、空气、正丁烷、乙烷、乙醇等无害溶液或气体。

10.根据权利要求8或9所述质谱分析方法，其特征在于，所述样品为液体、块状固体或固体粉末；样品为液体或粉末时，将电离试剂气流减小或关闭，并直接采用空气作为电离试剂进行工作。

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