CN102208323A

CN102208323A - 一种电化学与电喷雾电离质谱联用的装置和方法

Info

Publication number: CN102208323A
Application number: CN2011101065870A
Authority: CN
Inventors: 凌星; 丁传凡
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: CN102208323B

Abstract

本发明属于分析技术领域，具体为一种电化学与电喷雾电离质谱联用的装置和方法。本发明装置由一个电化学反应器和一个电喷雾电离离子源组成。电化学反应器包括一个工作电极室及一个辅助电极室，工作电极室与辅助电极室通过一个隔膜隔离，隔膜具有阻止或延缓中性物质在两个电极室之间交换并允许离子或某种电性的离子交换的作用。溶液样品流入工作电极室时受到加载在工作电极与辅助电极之间电化学电压的作用发生电化学反应。电化学反应的产物被隔膜保护，随后在电喷雾电离工作电压的作用下形成气相离子进入质谱仪进行分析。本发明同时具有电化学反应效率较高，电化学反应产物简单，响应速度快，适于定量分析和质谱分析的快速、准确和高灵敏等优点。

Description

一种电化学与电喷雾电离质谱联用的装置和方法

技术领域

本发明属于分析技术领域，具体涉及电化学与电喷雾电离质谱两种分析技术联用的装置和方法。

技术背景

基于电化学与电喷雾电离质谱的分析技术被广泛应用于科学研究、医疗卫生、环境监测和食品安全等各个领域。这两种技术的互补性非常强：电化学具有快速、灵敏和定量等优点，可以有效区分电活性差异较大的物种，但不具备结构分析能力。而质谱具有很强的结构分析能力。因此，将这两种技术联用，不仅可以有效提高分析的效率和准确性，而且可以产生显著的协同效应，完成这两种分析技术各自无法单独完成的分析任务。例如利用电活性的不同来区分质荷比相同的物种，或者利用质谱的结构分析能力研究电化学反应过程中的中间体和产物，为研究电化学反应机理，更好地利用电化学手段来进行分析和合成提供重要的帮助。

常规电化学需要以溶液形式存在的样品，而上世纪九十年代左右发展起来的电喷雾电离离子源可以很方便地将溶液形式存在的样品离子化，产生可供质谱仪进行分析的气相离子。因此在电喷雾电离离子源诞生后不久，电化学与电喷雾电离质谱联用的装置就已经被研制出来，成功地用于多环芳烃及金属有机化合物等其它常规电喷雾电离离子源不适用的非极性或弱极性物质的分析（Zhou, F. M. and G. J. Vanberkel (1995). "Electrochemistry combined online with electrospray mass-spectrometry." Analytical Chemistry 67(20): 3643-3649）。目前提出的电化学电喷雾装置通常包括一个独立的电化学反应器，与电喷雾针尖同处于溶液样品的流路内，溶液样品先流经这个独立的微型电化学反应器，再流入电喷雾针尖被喷出产生气相离子。已经报道的电化学反应器有薄层、多孔或管式反应器，采用两电极或三电极体系，并根据分析物和溶剂的类型选择适当的电极材料（Permentier, H. P., A. P. Bruins, et al. (2008). "Electrochemistry-mass spectrometry in drug metabolism and protein research." Mini-Reviews in Medicinal Chemistry 8(1): 46-56）。为提高系统的响应速度，减小电化学反应至电喷雾之间的延迟，通常将电化学反应器设计得非常靠近于电喷雾针尖，甚至为追求极限响应速度，设计出集成到电喷雾针尖内的微型电化学反应器(美国专利US5879949)。

通常电化学电喷雾溶液样品的用量和流速都很低，同时由于电喷雾条件的限制，溶液的电导率或者说支持电解质的浓度不能太高。因此，为获得可观的电化学电流，工作电极与辅助电极必须互相靠近同时电极面积应满足一定的要求。由于目前提出的电化学电喷雾装置的工作电极与辅助电极均位于溶液样品的流路内，之间未加任何隔膜对电化学反应的产物进行适当的保护，因此在工作电极表面发生电化学反应的产物可以很容易地扩散到辅助电极的表面并发生逆向的电化学反应，反之亦然，这不仅导致电化学电流效率大为降低，同时在多次氧化/还原的过程中，耦合进来的化学反应比如自由基聚合和溶剂的亲电或亲核加成，也将导致电化学反应产物的复杂化，降低了分析的准确性。除少数体系外，大部分体系都将无法进行定量分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够避免电化学反应产物在工作电极和辅助电极之间反复氧化还原等弊端，提高电化学反应的电流效率，降低电化学反应产物的复杂度，简化分析过程并提高分析结果的准确性和定量程度的电化学电喷雾装置，以实现电化学与电喷雾电离质谱分析技术的联用。

本发明所采用的技术方案是：在电喷雾电离质谱仪的进样管路内串入一个电化学反应器，电化学反应器包括一个工作电极室及一个辅助电极室，工作电极室与辅助电极室通过一个隔膜隔离，溶液样品通过工作电极室的入口流入工作电极室，同时在辅助电极室内注入辅助电极液。溶液样品流过工作电极时，受到加载在工作电极与辅助电极之间电压的作用发生电化学反应。受隔膜的保护，溶液样品在工作电极表面发生电化学反应的产物不会迁移到辅助电极室内并在辅助电极表面发生逆向的电化学反应；同时在辅助电极表面发生电化学反应的产物亦不会迁移到工作电极室内干扰溶液样品的电化学反应。发生电化学反应之后，溶液样品流至工作电极室的出口处，受到加载在工作电极与质谱仪之间电压的作用形成电喷雾，进而得到气相离子进入质谱仪被分析。

具体来说，本发明设计的电化学与电喷雾电离质谱联用的装置，由一个电化学反应器和一个电喷雾电离离子源组成。所述电化学反应器包括一个工作电极室及一个辅助电极室，工作电极室内和辅助电极室内分别包括工作电极与辅助电极；工作电极室包括一个入口和一个出口供溶液样品流入和流出；工作电极室与辅助电极室通过一个隔膜隔离；工作电极与辅助电极之间施加电化学电压，同时工作电极与质谱仪之间施加电喷雾电离工作电压。

本发明装置中，工作电极室与隔膜均可为管状，工作电极室分为两段，中间通过隔膜衔接。

本发明装置中，工作电极室穿过辅助电极室，工作电极室用隔膜衔接的部分位于辅助电极室内。

本发明装置中，工作电极的形状可为丝状，一端位于工作电极室内，另一端位于工作电极室外以提供电连接的位点。

本发明装置中，辅助电极一端形状可为丝状、管状、螺线管状或箔状，靠近或套在管状隔膜的外侧，另一端位于辅助电极室外以提供电连接的位点。

本发明装置中，隔膜的材质可为烧结玻璃、多孔陶瓷等多孔材料或离子交换膜，具有阻止或延缓中性物质在两个电极室之间交换并允许离子或某种电性的离子交换的作用。

本发明装置中，辅助电极室进一步包括供辅助电极液流入和流出的入口和出口以便补充或更新辅助电极液。

本发明装置中，进一步包括一个参比电极，用于精确测量和控制工作电极的电化学电位。

本发明装置中，进一步包括加热和雾化装置，用于辅助电喷雾过程的发生及改善离子的去溶剂化效率。

本发明提供的电化学与电喷雾电离质谱联用的方法，其步骤是：溶液样品先流过一个电化学反应器发生电化学反应，再通过电喷雾电离过程形成气相离子进入质谱仪进行分析；溶液样品通过电化学反应器工作电极室的入口流入，在工作电极表面受到加载在工作电极与辅助电极之间电化学电压的作用发生电化学反应，电化学反应的产物被隔离工作电极室与辅助电极室的隔膜保护，不会迁移到辅助电极的表面发生逆向的电化学反应；同时在辅助电极表面发生电化学反应的产物亦不会迁移到工作电极的表面干扰溶液样品的电化学反应。溶液样品发生电化学反应的产物在流出工作电极室时，受到加载在工作电极与质谱仪之间电压的作用形成电喷雾，进而得到气相离子进入质谱仪进行分析。

本发明方法中，隔膜的材质和辅助电极液的组成依据溶液样品的性质进行选择。如果溶液样品的电化学反应产物为中性分子，则隔膜可使用烧结玻璃、多孔陶瓷或离子交换膜中的任意一种；如果溶液样品的电化学反应产物为电正性，例如样品在工作电极表面发生的是氧化反应，则隔膜使用阴离子交换膜，同时辅助电极液选择阴离子非常稳定的支持电解质，并确保在辅助电极表面发生还原反应的产物为中性或电正性，如此便不会对溶液样品在工作电极表面的电化学反应造成干扰；如果溶液样品的电化学产物为电负性，比如样品在工作电极表面发生的是还原反应，则隔膜使用阳离子交换膜，同时辅助电极液选择阳离子非常稳定的支持电解质，并确保在辅助电极表面发生氧化反应的产物为中性或电负性，如此便不会对溶液样品在工作电极表面的电化学反应造成干扰。

本发明方法中，当辅助电极表面发生电化学反应的反应物由溶液样品内通过隔膜迁移进来的离子提供时，则辅助电极液在工作时无需补充或更新，辅助电极室采用敞开结构。当辅助电极表面发生电化学反应的反应物由辅助电极液自身提供时，为维持正常工作时电化学反应的稳定发生，辅助电极室采用封闭结构，此时，辅助电极室设有一个入口和一个出口，以便于在反应过程中补充或更新辅助电极液。

本发明方法中，为精确测量和控制工作电极的电位，整个装置可以进一步包括一个参比电极。参比电极的设置方式与辅助电极相同，或为简单起见也可以与辅助电极共享一个电极室。

本发明方法中，为形成电喷雾，工作电极与质谱仪之间需要施加一个电喷雾电离工作电压，一般为几千伏。在质谱仪接地的条件下，工作电极、辅助电极以及可能包括的参比电极都将工作在对地几千伏的高电位，因此电化学反应器的控制系统必须采用隔离电源供电的方式。此外，控制系统与外界的交互也必须采用隔离的方式，比如无线通信或其它可隔离几千伏的通信方式。

电喷雾技术除可电离溶液样品产生供质谱仪分析的气相离子外，也可应用于其它场合，如利用电喷雾沉积法制备薄膜材料或具有其它介观结构的材料。可以预计将这些应用与电化学结合也将产生新颖有益的效果。将本发明应用于其它这些场合也应视为本发明的涵盖范围。

本发明的优点是：通过在电喷雾电离质谱的进样管路内串入一个电化学反应器，实现电化学与电喷雾电离质谱分析技术的联用，综合了电化学灵敏和定量的优势与质谱的结构分析能力，提高了分析效率和准确度。在电化学反应器中引入隔膜将工作电极与辅助电极隔离，避免了电化学反应产物的互相窜扰，对于溶液样品的定量分析至关重要，同时降低了电化学反应的复杂程度，有利于简化分析过程。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明第一个实施例的结构示意图（立体）。

图3是本发明第一个实施例的结构示意图（剖视）。

图4是本发明第二个实施例的结构示意图（立体）。

图5是本发明第二个实施例的结构示意图（剖视）。

图中标号：1.工作电极，2.工作电极室入口端毛细管，3.工作电极室出口端毛细管，4.管状隔膜，5.辅助电极，6.辅助电极室，7.工作电极引出端密封套管，8.三通入口端毛细管，9.三通螺母，10.三通，11.参比电极，12.辅助电极室入口端毛细管，13.辅助电极室出口端毛细管，14.辅助电极室密封盖，15.质谱仪离子入口，16.电化学电压，17.电喷雾电离工作电压。

具体实施方式

实施例1

图2和图3是本发明第一个实施例的结构示意图。溶液样品通过一根毛细管8注入PEEK^TM微型三通的入口端，毛细管的外径为1/16in，内径一般为几百微米，也可以使用其它材质和尺寸的毛细管，如熔融石英毛细管等。工作电极1为直径0.5mm的铂丝，其引出端套上密封套管7后穿过三通螺母9，密封套管7的外径为1/16in，内径为0.5mm，螺母的孔径为1/16in，与套管的外径匹配。螺母的外螺纹与三通的内螺纹匹配，套管与螺母的材质均为PEEK^TM，拧入三通后起到一个夹紧密封的作用。电化学电压通过此引出端加载到工作电极上。由于此端密封，流入三通的溶液样品将被导入电化学反应器工作电极室入口端毛细管2，在工作电极室入口端毛细管2与出口端毛细管3之间有一段阳离子交换膜NAFION^TM管4用于衔接两段毛细管。毛细管2和3的材质为PEEK^TM或TEFLON^TM等惰性绝缘材料，外径为1/16in，内径为0.03in，稍大于工作电极1铂丝的直径0.5mm，NAFION^TM管4的内径为0.052in，壁厚0.006in，安装时需要先浸泡在乙醇中溶胀，再套在毛细管上，乙醇挥发后收缩并套紧在毛细管2和3上。NAFION^TM管4与毛细管2和3连接的部位通过环氧树脂胶密封。毛细管2，NAFION^TM管4与毛细管3连接在一起组成管状工作电极室，各个部分的尺寸与工作电极的外径根据实验条件灵活选取。选择的依据是在确保一定的电解效率的前提下尽可能减小由空隙造成的死体积，以提高系统的响应速度。辅助电极5为一小段铂管或铂丝绕成的螺线管，与一根铂丝点焊后引出辅助电极室6，铂管或螺线管的内径为3mm。辅助电极室6为敞开结构，由耐化学腐蚀的TEFLON^TM制作，两侧钻有直径2mm的通孔，安装时将组装好的管状工作电极室先后穿过两侧的通孔，工作电极室与通孔的间隙通过环氧树脂胶密封，也可制作为可拆卸的密封结构。质谱仪的离子入口15靠近毛细管3的出口。

工作条件如下：工作电极1为阳极，辅助电极5为阴极，溶液样品使用的溶剂为乙腈，支持电解质为高氯酸银，浓度为10mM，辅助电极液同样使用10mM高氯酸银的乙腈溶液。溶液样品流经工作电极室时，受加载在工作电极1与辅助电极5之间的电化学电压16的作用发生电化学反应，中性或电负性的电化学反应产物被NAFION^TM管4限制并保护在工作电极室内。同时溶液样品中作为支持电解质的银离子在电场的作用通过NAFION^TM管4扩散到辅助电极室6并在辅助电极5的表面发生还原反应，生成中性的金属银，沉积或附着在辅助电极5的表面。由于反应过程中在辅助电极5表面发生电化学反应所需的离子由溶液样品提供，辅助电极液无需添加或补充，因此辅助电极室被设计为敞开结构。溶液样品的电化学反应产物在随后排出工作电极室的过程中，受加载在工作电极1与质谱仪离子入口15之间的电喷雾电离工作电压17的作用，形成电喷雾进而得到气相离子进入质谱仪被分析。

实施例2

图4和图5是本发明第二个实施例的结构示意图。与第一个实施例的不同点在于，辅助电极室6增加一个密封盖14形成密闭结构，同时辅助电极室6增加了一个电极液的入口12和一个电极液的出口13，便于在电化学反应过程中随时补充或更新辅助电极液。这样的结构适应性更广，因为在辅助电极表面发生电化学反应的反应物由辅助电极液自身提供，所以溶液样品选择支持电解质的自由度更大。代价是在工作过程，需要随时补充或更新辅助电极液，以维持电化学反应过程中在辅助电极5上消耗掉的物质。一个例子是使用高氯酸钠作为溶液样品的支持电解质，同时辅助电极液仍然使用高氯酸银作为支持电解质。

另为了精确测量和控制工作电极的电化学电位，在辅助电极室6内增加了一个参比电极11。图中参比电极的材料和结构与辅助电极类似，实际应用中应根据需要选择。

Claims

1.一种电化学与电喷雾电离质谱联用的装置，其特征是：由一个电化学反应器和一个电喷雾电离离子源组成；所述电化学反应器包括一个工作电极室及一个辅助电极室，工作电极室内和辅助电极室内分别包括工作电极与辅助电极；工作电极室包括一个入口和一个出口供溶液样品流入和流出；工作电极室与辅助电极室通过一个隔膜隔离；工作电极与辅助电极之间施加电化学电压，同时工作电极与质谱仪之间施加电喷雾电离工作电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：工作电极室与隔膜均为管状，工作电极室分为两段，中间通过隔膜衔接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是：工作电极室穿过辅助电极室，工作电极室用隔膜衔接的部分位于辅助电极室内。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是：所述工作电极的形状为丝状，一端位于工作电极室内，另一端位于工作电极室外以提供电连接的位点；所述辅助电极一端形状为丝状、管状、螺线管状或箔状，靠近或套在管状隔膜的外侧，另一端位于辅助电极室外以提供电连接的位点。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是：隔膜的材质为烧结玻璃或多孔陶瓷，或者为离子交换膜，用于阻止或延缓中性物质在两个电极室之间交换并允许离子或某种电性的离子交换。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征是：辅助电极室进一步包括供辅助电极液流入和流出的入口和出口，以便补充或更新辅助电极液。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征是：进一步包括一个参比电极，用于精确测量和控制工作电极的电化学电位。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征是：进一步包括加热和雾化装置，用于辅助电喷雾过程的发生及改善离子的去溶剂化效率。

9.一种电化学与电喷雾电离质谱联用的方法，其特征在于具体步骤为：溶液样品先流过一个电化学反应器发生电化学反应，再通过电喷雾电离过程形成气相离子进入质谱仪进行分析；溶液样品通过电化学反应器工作电极室的入口流入，在工作电极表面受到加载在工作电极与辅助电极之间电化学电压的作用发生电化学反应，电化学反应的产物被隔离工作电极室与辅助电极室的隔膜保护，不会迁移到辅助电极的表面发生逆向的电化学反应；同时在辅助电极表面发生电化学反应的产物亦不会迁移到工作电极的表面干扰溶液样品的电化学反应；溶液样品发生电化学反应的产物在流出工作电极室时，受到加载在工作电极与质谱仪之间电压的作用形成电喷雾，进而得到气相离子进入质谱仪进行分析。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是：所述辅助电极室为敞开结构，辅助电极液在工作过程中无需补充或更新，在辅助电极表面上发生电化学反应的物质由溶液样品提供；或者，所述辅助电极室为封闭结构，辅助电极液在工作过程中需要通过辅助电极室的入口和出口随时补充或更新，在辅助电极表面上发生电化学反应的物质由辅助电极液自身提供。