CN103558076A - 萃取电离凝聚态样品内部物质的装置 - Google Patents

Abstract

一种萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，由初级带电粒子发生器、萃取液输送器、凝聚态样品承载器、凝聚态样品萃取液雾化器、各部分支撑体及其与质谱仪器的联接接口组合而成。通过萃取剂来萃取凝聚态样品，并将萃取液雾化成样品萃取物气溶胶，初级带电粒子发生器产生的带电试剂粒子进入到离子源空间，初级带电试剂粒子与样品萃取物气溶胶在离子源空间中发生碰撞，实现目标分析物分子的离子化，离子化的样品分子通过质谱仪入口进入质谱仪进行分析与检测。本发明特别适合在不需要样品粉碎、研磨、匀浆、分离等预处理手段的前提下直接获取固体、胶体、粉末、非均相液态混合物、植物组织、动物组织等凝聚态样品内部物质带电粒子。

Description

萃取电离凝聚态样品内部物质的装置

技术领域

本发明涉及一种萃取电离凝聚态样品内部物质的装置。

背景技术

凝聚态样品的原位质谱分析在分析化学、物理化学、生物化学等领域都具有巨大的挑战性，样品中大量复杂基体物质的干扰对现有分析手段的速度、灵敏度、选择性都造成很大的影响，甚至无法满足对复杂基体中目标物质的分析要求。近十年来新兴起来的质谱分析技术对复杂基体的分析已经在自然科学的各个领域得到运用与发展，如质谱分析法对痕量有毒化学物质的检测、对生命大分子形态和结构的解析具有其独特的优势。质谱法具有特异性好、灵敏度高、快速、高通量、耗样品量少的特点，因此，质谱技术的开发与应用是当今科学所研究的一个重要的课题。

质谱仪仅对带电粒子产生响应，中性分子只有转变成带一定电荷的离子才能被质谱仪检测到。在质谱技术开发与研究中，离子源作为质谱分析的核心部件，对质谱分析的发展起到了决定性的作用。在不会破坏目标分析物分子的前提下，如何将复杂基体样品中的目标分子高效、快速、高通量地离子化，是一个亟待解决的难题。

传统质谱电离技术对复杂样品的处理一般需要复杂耗时的样品预处理过程，复杂基体样品要经过粉碎、研磨、匀浆、分离、提取、纯化等预处理，得到除去复杂基体的目标分析物纯化样品才能进行质谱分析。这些繁琐、耗时的样品预处理过程无疑不符合当今对快速、在线、高通量分析方法的要求。此外，多次的提取与不同化学试剂的处理，对目标分析物产生了破坏与污染，特别是一些生物活性大分子在预处理过程中的破坏与失活都是无法避免的。

在无需复杂样品预处理的前提下，实现复杂基体样品中目标物的分析的电离技术已经有了快速的发展，国内外科研工作者在该方向研究开发出了一系列的离子化源。电喷雾解吸电离（DESI）、常压基质辅助激光解吸电离（APMALDI）、电喷雾萃取电离（EESI）、表面解吸常压化学电离（DAPCI）等一系列常压离子化技术对复杂样品的直接快速分析已经取得了丰富的科研成果。但上述所列举的离子化方法具有各自缺点，一个最显著的不足就是，这些离子化技术只能对样品的表面进行分析，在不进行任何样品预处理的前提下对凝聚态样品的内部无法进行有效的分析。因此，在无需对复杂样品进行预处理的前提下，找到一种软电离技术，特别是依赖于简单的实验装置就能实现对复杂凝聚态样品内部物质的快速质谱分析技术具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种在不需要样品粉碎、研磨、匀浆、分离等预处理手段的前提下，直接获取固体、胶体、粉末、非均相液态混合物、植物组织、动物组织等凝聚态样品内部物质带电粒子的萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，该装置与质谱仪器联接能够实现对凝聚态样品内部化学物质的快速质谱分析。

本发明的萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，包括样品萃取物气溶胶产生通道和初级带电试剂粒子产生通道，样品萃取物气溶胶产生通道、初级带电粒子产生通道均与质谱仪器离子入口成夹角安装，三者处于同一平面上，样品萃取物气溶胶产生通道与初级带电粒子产生通道的夹角为30-120度，质谱仪器离子入口处于两个通道的中轴线上，其与样品萃取物气溶胶产生通道端口、初级带电粒子产生通道端口水平距离是5-15mm。 

样品萃取物气溶胶产生通道的构成：萃取液输送器通过输入连接管（石英毛细管或PEEK管）与凝聚态样品承载器相连，凝聚态样品承载器的另一端通过输出连接管与凝聚态样品萃取液雾化器相连，凝聚态样品放置在凝聚态样品承载器中，凝聚态样品萃取液雾化器上设有载气入口。

初级带电粒子产生通道由初级带电粒子发生器构成。

所述萃取液输送器为注射器，注射泵、色谱泵等的任意一种或多种任意组成；输送液体的方式是利用色谱仪或注射泵控制将萃取液以一定的流速注入到凝聚态样品承载器中的样品内部。萃取剂在液体压力下通过样品，将凝聚态样品内部物质萃取出来得到凝聚态样品萃取液。萃取液输送器中的萃取液的组成和极性可以人为的选择与控制，针对不同性质的凝聚态样品，选取相应的萃取液，从而萃取分离得到目标化学物质。凝聚态样品承载器同时也充当样品萃取器，凝聚态样品就是在凝聚态样品承载器的管腔中被注入的萃取液萃取的。凝聚态样品萃取液通过管道承接部件输送到凝聚态样品萃取液雾化器中，凝聚态样品萃取液雾化器将萃取液雾化，得到样品萃取物气溶胶，样品萃取物气溶胶进入到离子源空间中。

初级带电粒子发生器可以是由各种简单的带电粒子产生器构成，产生带电粒子的形式可以为电喷雾、电晕放电、等离子体等，初级带电粒子发生器产生大量的初级带电试剂粒子，并进入到离子源空间中。

在气流、电场的作用下，进入到离子源空间中的样品萃取物气溶胶和初级带电试剂粒子发生碰撞，初级带电试剂粒子将电荷传递给目标分析物分子而使目标分析物分子带上电荷（离子化）。离子源空间中的带电目标分析物分子在电场和气流的辅助作用下通过质谱仪器入口进入质谱仪进行后续的定性结构分析和定量测量。

本发明的萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，应用领域广泛，突破了当前质谱离子化技术只能分析复杂基体凝聚态样品表面的技术瓶颈，深入到分析凝聚态样品的内部化学物质；萃取电离凝聚态样品内部物质装置与直接引入质谱仪器连接进行后续的定性结构分析和定量测量，对复杂基体凝聚态样品的分析具有高通量、特异性强、灵敏度高的特点，可以实现对复杂基体凝聚态样品的直接快速分析，本装置是一种适用性广、装置结构简单、离子化效率高、制造成本低的质谱分析离子化装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为以电喷雾作为初级带电粒子产生通道图；

图3为以低温等离子体作为初级带电粒子产生通道图；

图4为以微波等离子体作为初级带电粒子产生通道图；

图5为以介质阻挡放电作为初级带电粒子产生通道图；

图6为以电晕放电作为初级带电粒子产生通道图；

图7为在正离子模式下大蒜的质谱指纹谱图。

具体实施方式

如图1所示，一种萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，包括萃取液输送器1、输入连接管2、进密闭螺塞3、凝聚态样品承载器4、凝聚态样品5、出密闭螺塞6、输出连接管7、载气入口8、凝聚态样品萃取液雾化器9、离子源空间10、质谱仪器离子入口接口11、电粒子输出连接管12、初级带电粒子发生器13、高电压接口14，萃取液输送器1通过输入连接管2与凝聚态样品承载器4相连，凝聚态样品5填充在凝聚态样品承载器4的内管腔中，输入连接管2穿过进密闭螺塞3伸入到凝聚态样品承载器4的内管腔中并插入到凝聚态样品5的内部，输出连接管道7穿过出密闭螺塞6与凝聚态样品承载器4连接，输出连接管道7的另一端与凝聚态样品萃取液雾化器9相连，输出连接管道7直接将样品萃取液导入到凝聚态样品萃取液雾化器9中，载气通过载气入口8引入到凝聚态样品萃取液雾化器9中，气体辅助使样品萃取液雾化。

凝聚态样品萃取液雾化器9、初级带电粒子发生器13、质谱仪器离子入口接口11三者在承接部件的支撑下以，三者处于同一平面上，凝聚态样品萃取液雾化器9与初级带电粒子发生器13的夹角为30-120度，质谱仪器离子入口接口11处于两者的中轴线上，其与样品萃取物气溶胶产生通道端口、初级带电粒子产生通道端口水平距离是5-15mm，在质谱仪器离子入口接口11前形成离子源空间10（萃取电离凝聚态样品内部物质装置示意图中虚线部分，水平距离是5-15mm），凝聚态样品萃取液雾化器9产生的样品萃取物气溶胶和初级带电粒子发生器13产生的初级带电试剂粒子在电场与气流的作用下进入到离子源空间10。进入到离子源空间10中的样品萃取物气溶胶和初级带电试剂粒子发生碰撞，初级带电试剂粒子将电荷传递给目标分析物分子而使目标分析物分子带上电荷（离子化）。离子源空间中的带电目标分析物分子通过质谱仪器入口接口11进入质谱仪进行后续的定性结构分析和定量测量。

下面对由电粒子输出连接管12、初级带电粒子发生器13、高电压接口14这三个结构组成的初级带电粒子产生通道的进行详细的说明。

图2所示的初级带电粒子产生通道为电喷雾发生器，产生电喷雾的结构包括：萃取剂注入管15、高电压输入接口16、气体喷管17。

图3所示的初级带电粒子产生通道为低温等离子体发生器，产生等离子体的结构包括：接地电极18、气体导入管19、绝缘管20、电极21、高频交流电输入接口22。

图4所示的初级带电粒子产生通道为微波激发等离子体发生器，产生等离子体的结构包括：载气导入管23、工作气导入管24、金属外管25、微波接口26。

图5所示的初级带电粒子产生通道为介质阻当放电，产生带电粒子的结构包括：针尖电极27、载气管28、环形金属圈29、交流电压输入接口30、接地线31。

图6所示的初级带电粒子产生通道为电晕放电，产生带电粒子的结构包括： 绝缘套管33、高电压输入接口32、放电金属针34。

实施例1：

以新鲜大蒜样品为例来说明萃取电离凝聚态样品内部物质的装置与质谱仪联用来分析大蒜组织中的化学物质的操作步骤：

1、利用支撑与承接部件（如铁架台、金属固定螺圈、石英毛细管、PEEK管等）将萃取电离凝聚态样品内部物质装置搭好；

2、在萃取液输送器1（如注射器，注射泵、色谱泵等）中加入一定量合适的萃取液，如环己烷、甲醇、水、甲醇水混合液等，本实验以甲醇为萃取液，设置流速为0.002-0.010 mL/min，萃取液输送器1通过输入连接管2（PEEK管）与凝聚态样品承载器4连接。将大蒜样品填充到凝聚态样品承载器4的管腔中，并利用进密闭螺塞3、出密闭螺塞6将输入连接管2、输出连接管7锁住卡紧，这样大蒜样品就固定密封在凝聚态样品承载器4的管腔中。以N₂作为载气，控制载气压力0.6-1.0 Mpa并通过PEEK管导入到载气入口8中，载气进入到凝聚态萃取液雾化器9中。在载气流的辅助下，进入到凝聚态样品萃取液雾化器9的凝聚态样品萃取液发生雾化，形成样品萃取物气溶胶进入到离子源空间10中。

3、本实验中初级带电粒子发生器13为电喷雾(结构如图2所示)，电喷雾载气载力为0.5 Mpa，以甲醇为初级电喷雾试剂。用注射泵以0.002-0.010 mL/min的流速将电喷雾试剂推入到电喷雾发生器中，在高电压接口处加上+4.5kV的高电压，这样在气体喷管的管口处产生带电粒子（液滴）。初级带电粒子发生器13产生大量的初级带电试剂粒子，并进入到离子源空间10中。

4、在气流、电场的作用下，进入到离子源空间10中的样品萃取物气溶胶和初级带电试剂粒子发生碰撞，初级带电试剂粒子将电荷传递给目标分析物分子而使目标分析物分子带上电荷（离子化）。离子源空间10中的带电目标分析物分子在电场和气流的辅助作用下通过质谱仪器离子入口接口11进入质谱仪（LTQ-MS）进行后续的定性结构分析和定量测量。

5、质谱条件：设置LTQ-MS为正离子检测模式，离子传输管温度150℃，电离电压+5 kV，质谱仪器的质量扫描范围m/z 50-1000 Da，其他质谱参数由LTQ-MS系统自动优化。

在优化后的质谱条件下对大蒜样品进行直接质谱分析，得到大蒜样品的指纹谱图（图7）。由图7可知，萃取电离凝聚态样品内部物质装置可以很好地将大蒜组织中的化学成分萃取出来并离子化，得到大蒜样品内部丰富的分子信息，如m/z 180和m/z 185分别为蒜素与NH₄ ⁺和N-a⁺结合的信号。

实施例2：

以上实验结果是用电喷雾作为初级带电粒子产生通道，下面分别介绍以等离子体、电晕放电作为初级带电粒子产生通道的实际操作。参照实施例一搭建样品萃取物气溶胶产生通道，根据不同的初级带电粒子产生方式（等离子体、电晕放电）搭建不同形式的初级带电粒子通道。

如图3所示，以低温等离子体作为初级带电粒子通道，低温等离子体的产生主要是靠交流电压（3 kVpp, 2.5 kHz, 1W）将导入的气体受激发成为带电的气体分子；如图4所示，以微波激发等离子体作为初级带电粒子通道，输入一定的微波能量(微波功率为10W)将导入的气体激发电离；如图5所示，以介质阻挡放电作为初级带电粒子通道，介质阻挡放电产生带电气体是依靠加在环形金属圈中的高频交流电压将能量加到导入的气体分子上，使气体分子带上电荷；如图6所示，以电晕放电的形式作为初级带电粒子通道，在放电金属针上加上3-5 kV的直流电压，放电金属针的针尖在高电压的作用下发生放电现象，放电金属针与样品萃取物气溶胶产生的气态样品接触，使样品分子发生电离，带上电荷。由初级带电粒子通道产生的带电试剂分子，进入离子源空间与样品萃取物气溶胶发生碰撞，使样品萃取物分子带上电荷，并进入到质谱仪器进行检测。

Claims (3)

1.一种萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，包括样品萃取物气溶胶产生通道和初级带电试剂粒子产生通道，其特征在于：样品萃取物气溶胶产生通道、初级带电粒子产生通道均与质谱仪器离子入口成夹角安装，三者处于同一平面上，样品萃取物气溶胶产生通道与初级带电粒子产生通道的夹角为30-120度，质谱仪器离子入口处于两个通道的中轴线上，其与样品萃取物气溶胶产生通道端口、初级带电粒子产生通道端口水平距离是5-15mm， 样品萃取物气溶胶产生通道的构成：萃取液输送器（1）通过输入连接管（2）与凝聚态样品承载器（4）相连，凝聚态样品承载器（4）的另一端通过输出连接管（7）与凝聚态样品萃取液雾化器（9）相连，凝聚态样品（5）放置在凝聚态样品承载器（4）中，凝聚态样品萃取液雾化器（9）上设有载气入口（8），初级带电粒子产生通道由初级带电粒子发生器构成。

2.根据权利要求1所述的萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，其特征在于：

输入连接管（2）穿过进密闭螺塞（3）伸入到凝聚态样品承载器（4）的内管腔中并插入到凝聚态样品（5）的内部，输出连接管道（7）穿过出密闭螺塞（6）与凝聚态样品承载器（4）连接。

3.根据权利要求1所述的萃取电离凝聚态样品内部物质的装置，其特征在于：所述萃取液输送器（1）为注射器，注射泵、色谱泵等的任意一种或多种任意组成。

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