CN102354649A - 表面萃取化学电离源以及一种表面萃取化学电离质谱分析方法 - Google Patents

Abstract

表面萃取化学电离源及一种表面萃取化学电离质谱分析方法，该电离源包括电离管和样品承载台，电离管内设有放电针，放电针外是喷液管，喷液管外是载气管，且放电针、喷液管、载气管同轴放置；放电针的针尖伸出喷液管前端，喷液管前端伸出载气管前端，放电针针尖、液体管前端管口、载气管前端管口之间的距离可调。载气管中导入载气，喷液管中加入萃取试剂，放电针连接高压电，待测物品置于承载台表面上，通过载气雾化萃取剂萃取物品表面上的待测物并且解吸，同时，放电针放电电离试剂并促使待测物离子化而得以进行质谱分析。本发明特别适合对复杂的生物样品、食品、药品、环境样品等进行实时快速分析。

Description

表面萃取化学电离源以及一种表面萃取化学电离质谱分析方法

技术领域

本发明属于质谱分析领域，涉及质谱仪的常压质谱电离源，具体说是一种表面萃取化学电离源装置及其应用方法。

背景技术

质谱法是分析领域最重要的方法之一，随着科技的发展，质谱不仅在常规化学分析中占有重要地位，而且逐渐成为生命科学、国土安全、食品安全、临床医学检测和空间技术等热门领域的主要方法之一。随之而来，质谱所用的电离源也得到了飞速的发展，各种新型的离子源、新技术也不断的涌现。原位、实时、在线、非破坏、高通量、低耗损的质谱分析方法一直是人们追求的目标之一，是质谱技术发展的一个重要趋势。

质谱仪本身一般由样品引入系统、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、真空系统等部分组成。质谱学和质谱仪发展历史表明，新的离子源的研制与开发具有特别重要的意义。质谱学家普遍认为无论是对有机质谱还是无机质谱，质谱仪器的心脏均是电离源。美国科学家约翰·芬恩(John B.Fenn)等正是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。然而，在近百年中研制与开发的质谱的电离源，都要求将样品转化为特定的形态后才能够进行离子化。因此，在这些常规的电离源中，在对样品进行测定之前必须进行样品的预处理。实际上，从进样到获得数据，质谱法测量过程本身所需要的时间不超过数秒，但是样品预处理的时间则可能长达数小时甚至数天。在一些重要的应用场合，如制药工业中药片的现场在线测定，行李上痕量爆炸物的监测，食品的品质鉴定，进出口贸易中的商品检验，活体药物代谢动力学研究等，均希望能够在无须样品预处理的情况下对样品进行非破坏性的快速测定。

进入21世纪，人们对于复杂基体样品的质谱快速分析进行了大胆的探索，取得了重要的进展。2004年，Purdue大学的Cooks教授等在Science上发表了第一篇关于电喷雾解吸电离(DESI)的文章，在无须进行样品预处理的情况下，成功地获得了不同表面上痕量物质的质谱，为实现无须样品预处理的质谱分析方法打开了一个窗口。DESI技术立即在全球范围内引起了热烈反响，国际上许多团体随即开始了这方面的研究。一年后，我国学者开发的与DESI类似的另外一种新型电离源(EESI)技术发表在英国Chem.Commun.杂志上，在生物样品监测及代谢分析研究、食品药品的分析监测、环境监测和分析等复杂样品具有重要应用。研究表明，DESI和EESI是分析非极性分子的重要工具，在很多场合甚至是首选方案。考虑到DESI和EESI在非极性分子检测和分析的不足，2005年发明人等开发了表面解吸化学电离源(DAPCI)，可在无需样品预处理直接测表面中的复杂样品中的非极性分子，该技术已获得专利ZL200710307112.1。该技术对于表面中复杂基体物质的快速质谱分析方面具有良好的发展前景，然而应用中，发明人也发现DAPCI装置还存在缺憾，由于采用气流解吸表面，对于在复杂基体表面上结合牢固的物质(如蛋白质等生物大分子)很难解吸电离。

发明内容

本发明解决的技术问题是，解决表面化学电离源不能解吸电离表明样品上粘附牢固的物质和表面生物大分子样品的问题，提供一种装配简单，制造成本低，离子化效率高，解吸效率高，检测灵敏度高的表面萃取化学电离源。

本发明的表面萃取化学电离源，包括电离管和样品承载台，电离管前端以一定角度指向承载台，所述电离管内设有放电针，放电针外是喷液管，喷液管外是载气管，且放电针、喷液管、载气管同轴放置。

其中：放电针的针尖伸出喷液管前端，喷液管前端伸出载气管前端。

所述的电离管的放电针针尖、液体管前端管口、载气管前端管口之间的距离可调。

放电管设高压电接口，放电针后端通过该高压电接口连接高压电。

喷液管设液体通道接口，通过液体通道接口向喷液管中导入试剂；载气管设载气通道接口，通过载气通道接口向载气管中导入载气。

所说的电离管内的放电针有绝缘层。

所述电离管与承载台的距离和角度可调。

本发明另一目的，在于提供一种表面萃取电离质谱分析方法。

本发明表面萃取化学电离质谱分析方法，使用前述表面萃取化学电离源作为质谱仪的样品引入系统和电离系统，电离管喷出的试剂离子流对直接放置于承载台表面的待检物品实施碰撞并萃取与解吸其中待测物，形成样品离子束并进入质谱仪进行质谱分析。

该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将待检物品置于承载台上，调整好电离管与承载台的角度与距离，承载台与质谱仪进样口的角度与距离；将载气管接通气体，流速为15～300psi；将液体管接通试剂，流速为0.1～50μL/min；对放电针施以3～5kV高压使气雾电离；

步骤二：开质谱仪扫描系统，获取检测结果。

其中，所述试剂为水、甲醇水混合物、醋酸水溶液、氨水等液体，所述载气为水蒸气、氮气、空气等无害气体。

采用以上设计，本发明表面萃取化学电离源通过采用放电针对试剂电晕放电产生离子流束与样品流在表面碰撞，从而将样品中的待测物进行萃取电离从而使待测物发生离子化，产生待测物的离子流。由于采用放电针电晕放电具有很高的电离能力，可以将非极性分子甚至生物大分子电离。本发明的表面萃取化学，结构紧凑，设计巧妙，使用方便，可对各种检测样品进行电离分析；此方法特别适合于对复杂的生物样品、食品、药品、环境样品等进行实时快速分析。

附图说明

图1为本发明表面萃取化学电离源的基本构成及工作原理示意图；

图1A为图1中放电管端部结构放大图；

图2为表面萃取化学电离质谱测定苯的质谱图；

图3为表面萃取化学电离质谱测定萘的质谱图；

图4为表面萃取化学电离质谱测定胰岛素的质谱图；

图5为表面萃取化学电离质谱测定溶菌酶的质谱图；

图6为表面萃取化学电离质谱测定唾液中的溶菌酶的质谱图；

图7为表面萃取化学电离质谱测定牛奶中的溶菌酶的质谱图；

图8为表面萃取化学电离质谱测定血液中的血红蛋白的质谱图；

图9a为表面萃取化学电离质谱测定血液中的苯丙氨酸的质谱图；

图9b为表面萃取化学电离质谱测定检测血液中的苯丙氨酸(m/z 166)的二级质谱图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明表面萃取化学电离源的构成与工作原理。

图1显示本发明表面萃取化学电离源的基本构成和工作原理。在质谱分析中，本发明表面萃取化学电离源同时作为样品引入和电离系统使用，其包括放电管、样品承载台以及框架，样品引入由样品(待测物品)放置在样品承载台6表面或样品槽内，样品承载台6固定于框架(图中未显示框架)中，样品承载台可以进行左右、上下、前后等方位的移动并定位；可用的样品承载台以及框架等可参考ZL200710307112.1中介绍的内容。本发明中，放电管是经过特殊设计的，其包括放电针1、喷液管2和载气管3，喷液管2和载气管3为毛细管，参见图1A，喷液管2套装在载气管3内，放电针1套装在喷液管2内，放电针1针体有绝缘层以与喷液管内的液体隔离，放电针1、喷液管2、载气管3同轴放置；放电针1的针尖伸出喷液管2前端(距离d)，喷液管2前端伸出载气管3前端(距离c)；放电管设高压电接口、与喷液管2连通的液体通道接口4、与载气管3连通的载气通道接口5，放电针1后端连接该高压电接口，通过液体通道接口4向喷液管2中导入试剂，通过载气通道接口5向载气管3中导入载气；两毛细管口的距离c和放电针针尖与喷液管2毛细管口的距离d可以调节，放电管也固定在框架中并可调。喷液管2与样品承载台6倾斜的角度α和距离a以及样品承载台6与质谱进样口7的角度β和距离b可通过框架调节。

本发明表面萃取化学电离源使用时，样品电离过程中，从载气管3前端射出高速气体，从喷液管2前端流出液体，该高速气体使液体雾化形成大量小液滴，同时施以高压使放电针1放电时小液滴带电而形成喷射的离子束，离子束直接与由样品承载台6上的样品进行碰撞，与样品表面上的物质发生融合萃取和解吸电离反应，这样在电离源高速气流和高压电的作用下对样品中的待测物质进行解吸电离，并且受到气体的吹扫干燥作用，样品中的待测物被电离并且引入到质谱仪进行分析检测。

表面萃取化学电离源使用中，载气管中导入载气，喷液管中加入萃取试剂，放电针连接高压电，待测物品置于承载台表面上，通过载气雾化萃取剂萃取物品表面上的待测物并且解吸，同时，放电针放电电离试剂并促使待测物离子化而得以进行质谱分析。因此，本发明还建立一种表面萃取化学电离质谱分析方法，使用前述表面萃取化学电离源作为质谱仪的样品引入系统和电离系统，电离管喷出的试剂离子流对直接放置于承载台表面的待检物品实施碰撞并萃取与解吸其中待测物，形成样品离子束并进入质谱仪进行质谱分析。

该方法包括以下步骤：

步骤一：将载气管接通气体，流速为15～300psi；

步骤二：将液体管接通试剂，流速为0.1～50μL/min；

步骤三：在放电针施以3～5kV高压使气雾电离；

步骤四：将样品置于承载台上；

步骤五：开质谱仪扫描系统，获取检测结果。

该方法中，试剂可选用水、甲醇水混合物、醋酸水溶液、氨水等液体，载气可选用水蒸气、氮气、空气等无害气体。

以下结合具体检测实例详细说明本发明的应用，通过表面萃取化学电离质谱分析，对非极性分子苯、萘的直接检测，对大分子蛋白溶菌酶、胰岛素的解吸电离，复杂基体生物样品中检测和分析：唾液中溶菌酶的检测、牛奶中溶菌酶的检测，血液中血红蛋白的检测以及血液中苯丙氨酸的检测，获得了良好效果。

实例一：对非极性分子的检测

检测物品：苯和萘的标准品，液态，直接加在承载台表面的凹槽内。

检测物：苯和萘

检测过程：将本发明表面萃取化学电离源按图1示意安装好，调整参数：a＝3mm，b＝2mm，c＝0.5mm，d＝0.5mm，α＝30°，β＝15°；通入试剂为甲醇水混合物(1∶1，体积比)，流速0.5μL/min；载气为氮气，流速为15psi；高压为正电压3.5kV；与LTQ质谱仪联用。

检测结果见图2和图3，显示了典型的非极性分子的苯和萘的质谱图，其中图2显示了苯的自由基阳离子(m/z78)，质子化苯离子(m/z 79)以及伯奇还原产生的自由基阳离子(m/z 80)，图3显示了萘的质谱图，其中m/z 128为苯的自由阳离子，m/z 130为萘的伯奇还原的自由基阳离子。说明该方法能够有效检测到样品中的非极性分子。

对照：对同样的检测物品使用电喷雾解吸电离(DESI)技术进行检测，不能获得苯和萘的质谱图。

讨论：电喷雾技术的电喷雾解吸电离(DESI)技术，能够将表面吸附的低蒸汽压物质直接进行解吸电离，从而可以在无须样品预处理的情况下对复杂基体样品进行快速质谱分析。但是，DESI由于采用电喷雾产生带电液滴为初级离子，不能够直接电离非极性的分子样品。而本发明采用电晕放电电离，同时采用喷雾萃取，具有很高的电离效率，可以检测非极性分子，这将为复杂基体中非极性物质的分析方法提供新的解决方案。

实例二：对生物大分子的检测

检测物品：滴加有胰岛素或溶菌酶水溶液的牛皮纸；

检测物：胰岛素、溶菌酶

检测过程：将本发明表面萃取化学电离源按图1示意安装好，检测物品直接放置在承载台表面，调整参数：a＝3mm，b＝2mm，c＝0.5mm，d＝0.5mm，α＝30°，β＝15°；通入试剂为甲醇水乙酸混合物(1∶1∶0.1％，体积比)，流速0.5μL/min；载气为氮气，流速为20psi；高压为正电压3.5kV，与LTQ质谱仪联用。

对照：对同样的检测物品使用表面解吸化学电离源(DAPCI)技术进行检测，不能获得胰岛素和溶菌酶的质谱图。

讨论：质谱技术在生命科学领域的应用非常广泛，质谱技术具有检测灵敏度高、分析速度快等有点，对于表面样品上的生物大分子的检测过程通常需要样品采集、分离富集等通过液质联用进行分析。本发明通过表面样品直接进样，喷雾液滴溶解表面上的样品，通过高压气流吹扫解吸可以直接进行质谱分析，如图4和图5所示，胰岛素和溶菌酶的质谱图。本发明提供了一种快速、便捷的质谱分析方法。

对复杂基体的样品的检测

检测物品1：带唾液的牛皮纸；检测物：唾液中的溶菌酶；

检测物品2：带牛奶的牛皮纸；检测物：牛奶中的溶菌酶；

检测物品3：带血迹的纸片；检测物：血红蛋白及添加的苯丙氨酸

检测过程：同实例二。

对照：对同样的检测物品使用表面解吸化学电离源(DAPCI)技术进行检测，显示信号较弱，灵敏度不够。

检测结果：图6和图7分别为检测唾液和牛奶中的溶菌酶的质谱图，显示了较高的电离能力。图8为采用本发明表面萃取化学电离质谱直接纸片上的血迹，可以清晰看到质谱中血红蛋白的α链和β链的质谱峰。图9a为血样中的添加的苯丙氨酸的质谱图，通过二级质谱鉴定了质谱峰m/z166为苯丙氨酸，如图9b所示。

讨论：无需样品预处理的条件下直接对各种复杂基体样品进行快速分析的新兴质谱技术，进行快速质谱分析的关键是的离子化技术。尤其是对复杂生物样品中痕量物质的原位、直接、快速、灵敏、高选择性、在线、无损检测技术的需求更加迫切。同时，生物样品中的生物物质对生物样品的生理病理的研究非常重要，常规的检测方法对生物样品如唾液、牛奶、血样等的检测通常需要分离富集等复杂过程。在采用质谱检测方法中，常用的电喷雾电离(ESI)质谱也需要比较烦琐的样品预处理，然后才能用GC-MS和LC-MS检测。使用表面解吸化学电离(DAPCI)质谱无需样品预处理，但检测灵敏度不够，而使用本发明表面萃取化学电离质谱既可以完全避免样品预处理，又通过表面萃取电离实现直接检测，灵敏度高，检测效果好。

以上检测实例说明，本发明具有离子化效率高，解吸效率高，检测灵敏度高的特点，由于表面萃取化学电离质谱分析方法是载气雾化萃取剂萃取表面上的样品并且解吸，同时，放电针放电电离样品进行质谱分析，相较于现有的质谱检测技术，甚至于目前较为先进的DAPCI技术都更为先进，可以将非极性分子甚至生物大分子电离而进行检测，本发明特别适合对复杂的生物样品、食品、药品、环境样品等进行实时快速分析。

Claims (10)

1.一种表面萃取化学电离源，包括电离管和样品承载台，电离管前端以一角度指向承载台，其特征在于，所述电离管内设有放电针，放电针外是喷液管，喷液管外是载气管，且放电针、喷液管、载气管同轴放置。

2.根据权利要求1所述的表面萃取化学电离源，其特征是：放电针的针尖伸出喷液管前端，喷液管前端伸出载气管前端。

3.根据权利要求1或2所述的表面萃取化学电离源，其特征是：放电管设高压电接口，放电针后端通过该高压电接口连接高压电。

4.根据权利要求1或2所述的表面萃取化学电离源，其特征是：喷液管设液体通道接口，通过液体通道接口向喷液管中导入试剂；载气管设载气通道接口，通过载气通道接口向载气管中导入载气。

5.根据权利要求1至4任一所述的表面萃取化学电离源，其特征是：所说的电离管内的放电针有绝缘层。

6.根据权利要求1至4任一所述的表面萃取化学电离源，其特征是：所述的电离管的放电针针尖、液体管前端管口、载气管前端管口之间的距离可调。

7.根据权利要求1至4任一所述的表面萃取化学电离源，其特征是：所述电离管与承载台的距离和角度可调。

8.一种表面萃取化学电离质谱分析方法，其特征在于，使用权利要求1至7任一所述表面萃取化学电离源作为质谱仪的样品引入系统和电离系统，电离管喷出的试剂离子流对直接放置于承载台表面的待检物品实施碰撞并萃取与解吸其中待测物，形成样品离子束并进入质谱仪进行质谱分析。

9.根据权利要求8所述表面萃取化学电离质谱分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：将待检物品置于承载台上，调整好电离管与承载台的角度与距离，承载台与质谱仪进样口的角度与距离；将载气管接通气体，流速为15～300psi；将液体管接通试剂，流速为0.1～50μL/min；对放电针施以3～5kV高压使气雾电离；

步骤二：开质谱仪扫描系统，获取检测结果。

10.根据权利要求8或9所述表面萃取化学电离质谱分析方法，其特征在于，所述试剂为水、甲醇水混合物、醋酸水溶液、氨水等液体，所述载气为水蒸气、氮气、空气等无害气体。

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