CN104966659A - 质谱仪离子源及原样样品中痕量成分的质谱分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质谱仪离子源及原样样品中痕量成分的质谱分析方法，该离子源包括至少一个通道、一个用于固定并调节各通道以及质谱仪入口毛细管的三维或四维可调的安装架和一个放置固态、液态或胶态样品的样品盘，由第一通道射出的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进行质谱分析。本发明的多通道离子源，可与常见的质谱仪如LCQ、LTQ、TSQ等联接，使普通质谱仪功能升级、强大，无需样品预处理可对液、固态、胶体原样样品中成分进行快速、灵敏的质谱分析，可用于工业或环境过程中的原位、实时、在线、非破坏性分析。

Description

质谱仪离子源及原样样品中痕量成分的质谱分析方法

本发明为分案申请。原申请的申请日为2006年12月28日，申请号为200610170311.8，发明名称为“质谱仪多功能多通道离子源”。

技术领域

本发明涉及分析化学领域，特别涉及一种质谱仪的离子源及其应用。

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R.Graham Cooks教授认为无论是对有机质谱还是无机质谱，质谱仪器的心脏是电离源。因此，人们围绕电离源作出了多种设计，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，虽然各有特点和应用针对性，但均需要将样品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教授等提出的DESI源，很好解决了无须样品预处理的情况下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。但该法灵敏度不高，难以对液态和粉末样品进行直接分析，并使用有害试剂来产生试剂离子。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新颖的产生不同物质离子的多功能多通道离子源，使用该离子源，可以在无需进行复杂的预处理的情况下直接对液、固、胶体、悬浊液、粉末样品等进行质谱方法的快速灵敏测定和实时在线监测，具有良好的分子-离子，离子-离子反应性能，是较理想的分子-离子、离子-离子反应研究工具。

本发明提供的一种质谱仪离子源，用于向质谱仪入口毛细管中引入样品离子，其包括至少一个通道、一个用于固定并调节各通道以及质谱仪入口毛细管的三维或四维可调的安装架和一个放置固态、液态或胶态样品的样品盘；其中：

所述至少一个通道为第一通道，其为具有放电针的SDAPCI源，由第一毛细管和置于其中的外加高压电源的一放电极组成，放电极的端头伸出至第一毛细管之外且指向位于样品盘上端的样品电离区，该第一毛细管中导入化学电离试剂，化学电离试剂被放电极电晕放电得到的试剂离子进入样品电离区；

所述样品盘水平设置，所述第一通道与样品盘不在一水平面上，而是在样品盘上方并以一角度指向样品盘，放电极的端头与样品盘有一距离；所述质谱仪入口毛细管与样品盘不在一水平面上，而是在样品盘上方并与样品盘有一角度，质谱仪入口毛细管端头与样品盘有一距离；

所述安装架分别固定第一通道和质谱仪入口毛细管，用于分别调整它们与样品盘的角度和距离。

以上所述质谱仪离子源，第一通道放电极的端头与质谱仪入口毛细管端距离在20～80mm，并互成90～160°的角度。

以上所述质谱仪离子源，第一通道与样品盘的夹角为45-80°，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角为5-10°。

以上所述质谱仪离子源，第一通道中第一毛细管中导入的化学电离试剂为氩气、氮气或空气。

以上所述质谱仪离子源，第一毛细管中导入的化学电离试剂为含水量40-60％的氮气。

以上所述质谱仪离子源，安装架上还固定有第二通道，第二通道由鞘气毛细管和置于其中的喷嘴组成，喷嘴为试剂毛细管，其喷射口延伸至鞘气毛细管之外且指向样品电离区，鞘气毛细管具有载气，试剂毛细管中载入辅助试剂，由第二通道形成辅助试剂流进入样品电离区。

以上所述质谱仪离子源，所述第一通道和第二通道外层分别设有加热装置。

以上所述质谱仪多通道离子源中，所述被检样品为液体、固体或胶体。

本发明提供的质谱仪多功能多通道离子源，带有相应的接口，可以和具备ESI/APCI源的质谱仪便捷地进行离子源切换、联接，在一台普通质谱仪上配置该电离源后将可以实现DESI、ESI、SSI、ESSI、SDAPCI、EESI、EAPCI等众多离子源的功能。

另一方面，本发明另一目的在于提供一种针对液体、固体或胶体样品原样中痕量成分的质谱分析方法，检测中，样品无需预处理直接置于样品盘上进行质谱分析。

本发明提出的一种原样样品中痕量成分的质谱分析方法，在质谱仪中使用前述的质谱仪离子源，将检测样品放置在样品盘上，调整好第一通道与样品盘的夹角，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角，调节好质谱仪参数；向第一通道中通入一定压力的化学电离试剂，调整放电极外加高压，对样品进行检测；该分析方法中由第一通道所产生的试剂离子碰撞样品盘中样品，使样品中待测成分脱离样品与试剂离子作用完成离子化，所形成的样品离子流通过质谱仪入口毛细管被引入质谱仪进行检测，得到该成分在样品中的含量并由质谱仪输出检测样品中该成分的质谱分析结果。

该质谱分析方法中，所述检测样品无需样品预处理，为液态、固态或胶态样品。

特别的，所述检测样品为药片，第一通道与样品盘的夹角为45-80°，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角为5-10°，第一通道中通入压力为0.1～20psi含水量为40-60％的氮气，放电极加高压为3～6KV。

以上技术方案显示，本发明是集DESI、APCI、SDAPCI源的理论与技术于一身而提出的一种多功能、多通道离子源及相关接口技术。由于采用多通道设计且各通道及其喷嘴均为三～四维可调并指向样品电离区。同时，还设有可供放置固态、液态或胶态样品的样品盘。因此，液态、固态、胶态、粉末样品均可直接分析而无须样品预处理。第一通道的喷嘴为ESSI/SSI/ESI/APCI源模式，它是一个采用氩气(或空气或氮气)进行工作的基于电晕放电的表面解吸常压化学电离源，在这个装置中能够产生丰度很高的试剂离子(如Ar⁺离子或水合质子)，这些试剂离子具有很高的电离能(15.7eV)，能够对大部分物质进行化学电离。当固、液态试样置于样品盘时，高能试剂离子撞击样品使待测物离子化。这些待测物离子通过质谱仪入口毛细管被引入到质谱仪中，进行质谱分析。由于样品的喷雾方向与质谱仪入口毛细管不在一直线上，互成一定角度，而且距离比较大，所以不会造成质谱毛细管堵塞的现象。因此，将从根本上保证质谱技术在实时在线监测中得到成功的应用。

第二通道和第三通道的喷嘴为DESI源模式，既可以用于试样或辅助试剂的引入，也可以作为DESI单独使用。要实现DESI功能时其中心石英毛细管要加高压，若只为引入试液(或者试剂)用时则不加高压。

附图说明

图1为本发明双通道离子源的结构及工作原理图；

图2为本发明带加热装置的双通道离子源的结构示意图；

图3为本发明三通道离子源的结构及工作原理图；

图4为本发明加载样品盘的双通道离子源的结构示意图；

图5为使用本发明电离源对Claritin药片有效成分测定的MS谱图；

图5A为使用本发明电离源对Claritin药片m/z383的CID谱图；

图6为使用本发明电离源对天然水样中痕量TNT的实时监测一级谱图；

图6A为使用本发明电离源对天然水样中1pptTNT的CID谱图。

具体实施方式

与已有单一通道的离子源不同，本发明提供的为一种多通道离子源。已有的单一通道的离子源，待测液体样品需被气化，再和载气一起在通过单一通道(毛细管)并被电离，然后离子流从通道中的喷嘴出口喷出，离子流以一定的速度向四周扩散的同时在电场的作用下向离子流毛细管方向运动，通过离子流毛细管的引导进入质量分析器。

本发明的离子源包括至少两个通道，其中第一通道(毛细管)中载入化学电离试剂(氩气、氮气或空气)，该气体在高压作用下从喷嘴喷出时，由于其中央的放电极产生电晕放电，而产生试剂的离子化，并进入电离区间，而另外通道(如第二通道、第三通道)中载入待测样品或辅助试剂，样品或辅助试剂从各自通道出口喷出至该电离区间，在电离区间中与第一通道喷出的试剂离子发生碰撞，进而将样品中待测物离子化，待测物离子在电场和负压作用下，通过质谱仪入口毛细管引入质量分析器。

以下结合附图详细说明本发明的多通道离子源。参见图1，以两个通道为例说明多通道离子源的结构和工作原理。该例离子源具有：第一通道(SDAPCI喷嘴)Ⅰ、第二通道(DESI喷嘴)Ⅱ，并且第一通道Ⅰ出口、第二通道Ⅱ出口以及质谱仪入口毛细管Ⅳ之间形成一样品电离区A；其中，第一通道Ⅰ出口端与质谱仪入口毛细管Ⅳ端距离在20～80mm，并互成一定角度(90～160°)。

第一通道(SDAPCI喷嘴)Ⅰ由第一毛细管11和置于其中的一放电极12组成，放电极12的针头向样品电离区A方向延伸至第一毛细管11之外约1mm，放电极12外加高压电源，化学电离试剂(氩气、氮气或空气)气流G通过该第一通道Ⅰ放电极12产生的电晕放电而电离，形成试剂离子流进入到样品电离区A；

第二通道(DESI喷嘴)Ⅱ由鞘气(或称载气)毛细管21和置于其中的样品毛细管22组成的，样品毛细管22是比鞘气毛细管21更细的石英毛细管，且样品毛细管22的喷射口向样品电离区A方向延伸至鞘气毛细管21之外，鞘气毛细管21连接氮气，样品毛细管22连接样品(气态、液态)；液态样品难挥发时，第二通道Ⅱ外接加热装置24可实施加热(参见图2)。样品通过样品毛细管22形成样品流喷射到样品电离区A；

在样品电离区A内，样品流在与试剂离子流碰撞的过程中被离子化，该样品离子形成离子流I在电场和负压作用下通过质谱仪入口毛细管Ⅳ被引入质谱仪的质量分析器中。

本发明中，高压电源由12V直流电源、电位器、高压模块组成提供，亦可直接从质谱仪中取用。

本发明另一实施方式是在第一通道I和第二通道Ⅱ的外层分别设有加热装置14和24，参见图2，从而得到更好的电离效果并可辅助去溶。

本发明另一实施方式，在上述实施方式的基础上，通道数量可增加至三个，参见图3，第三通道Ⅲ与第一通道I和第二通道Ⅱ呈三维放置，其喷射口全部朝向样品电离区A。第三通道Ⅲ结构和功能可以与第二通道Ⅱ相同，与第二通道Ⅱ组合使用时，可用于输送辅助试剂；同样，经第二通道Ⅱ射出的样品流和第三通道Ⅲ射出的辅助试剂(如去溶剂)流与从第一通道I射出的试剂离子流在样品电离区A内碰撞使样品离子化，该样品离子在外加电场作用下通过质谱仪入口毛细管Ⅳ被引入质谱仪质量分析器中。同样，第三通道Ⅲ外层也可设有加热装置。

本发明另一实施方式，在上述实施方式的基础上，加设一样品盘。参见图4所示，样品盘4水平放置，样品装载于样品盘内，第一通道I与样品盘4具有一夹角，同样，所述质谱仪入口毛细管Ⅳ在样品盘另一侧与样品盘4有一夹角。这样从第一通道I射出的试剂离子流碰撞样品盘4中样品形成样品流而进入电离区A中，此时第二通道Ⅱ射出辅助试剂流，在电离区A中与样品流接触或反应，在电场和负压作用下通过质谱仪入口毛细管Ⅳ被引入质谱仪质量分析器中。在不需要加入辅助试剂的情况下，该实施例也可以不使用第二通道。

可以理解，在以上多种变化的实施例中，为固定并调节第一通道I、第二通道Ⅱ和第三通道Ⅲ的位置，需要设安装架，该安装架为三维或四维可调，以调整通道之间及通道与样品、质谱仪入口毛细管的距离和角度，以适应不同样品的检测需要。

本发明的多通道离子源，可与常见的质谱仪(如：LCQ、LTQ、TSQ等)联接，使普通质谱功能升级、强大，以实现对气、液、固态、胶体样品进行质谱分析方法的快速、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。

以下用具体检测实例说明本发明多通道离子源的使用过程以及检测效果。

检测例一：正离子模式下测定药片中的活性成分氯雷他定(Loratadine，FW 382)

本例中可以只使用第一通道和样品盘。将离子源联接到LTQ质谱仪上。实验时，将检测样品药片放置在样品盘上，调整好第一通道与样品盘的夹角为45-80°，联接到LTQ质谱仪上的入口毛细管与样品盘的夹角为5-10°，调节好LTQ质谱仪参数。第一通道中通入化学电离试剂为氮气(含水量为45～60％)，压力为0.1～20psi，放电极加高压为3～6KV，对样品进行检测，结果见图5和图5A。图5中显示了强度很高的分子离子峰m/z 383，说明该方法能够有效检测到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多通道离子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4.86×10⁷，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，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。

检测例二：对天然水样中的痕量TNT的检测。

检测中，第一通道中通入化学电离试剂为氩气，放电极外加高压为5KV，将被检测水样通过第二通道喷射到电离区。样品中待测物在该区域离子化，引入质谱仪进行检测，结果参见图6和图6A。结果显示，当水样中的TNT含量为1ppt时，还能够进行TNT的二级质谱研究。该检测结果显示，使用本发明电离源可以提高检测灵敏度，实现对痕量物质的快速灵敏测定和实时在线检测。

以上例举了两个检测实例，除此之外，本发明还可以通过调整外加电压的极性和大小、各通道的距离和角度，根据样品的性质、状态灵活改变工作模式，可方便于进行各种不同样品的质谱测定，大大拓宽了现有质谱仪器的应用领域。

Claims (10)

1.一种质谱仪离子源，用于向质谱仪入口毛细管中引入样品离子，其特征在于，包括至少一个通道、一个用于固定并调节各通道以及质谱仪入口毛细管的三维或四维可调的安装架和一个放置固态、液态或胶态样品的样品盘；其中：

所述至少一个通道为第一通道，其为具有放电针的SDAPCI源，由第一毛细管和置于其中的外加高压电源的一放电极组成，放电极的端头伸出至第一毛细管之外且指向位于样品盘上端的样品电离区，该第一毛细管中导入化学电离试剂，化学电离试剂被放电极电晕放电得到的试剂离子进入样品电离区；

所述样品盘水平设置，所述第一通道与样品盘不在一水平面上，而是在样品盘上方并以一角度指向样品盘，放电极的端头与样品盘有一距离；所述质谱仪入口毛细管与样品盘不在一水平面上，而是在样品盘上方并与样品盘有一角度，质谱仪入口毛细管端头与样品盘有一距离；

所述安装架分别固定第一通道和质谱仪入口毛细管，用于分别调整它们与样品盘的角度和距离。

2.根据权利要求1所述质谱仪离子源，其特征在于，第一通道放电极的端头与质谱仪入口毛细管端距离在20～80mm，并互成90～160°的角度。

3.根据权利要求1或2所述质谱仪离子源，其特征在于，第一通道与样品盘的夹角为45-80°，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角为5-10°。

4.根据权利要求3所述质谱仪离子源，其特征在于，第一通道中第一毛细管中导入的化学电离试剂为氩气、氮气或空气。

5.根据权利要求4所述质谱仪离子源，其特征在于，第一毛细管中导入的化学电离试剂为含水量40-60％的氮气。

6.根据权利要求1至5任一所述质谱仪离子源，其特征在于，安装架上还固定有第二通道，第二通道由鞘气毛细管和置于其中的喷嘴组成，喷嘴为试剂毛细管，其喷射口延伸至鞘气毛细管之外且指向样品电离区，鞘气毛细管具有载气，试剂毛细管中载入辅助试剂，由第二通道形成辅助试剂流进入样品电离区。

7.根据权利要求6所述质谱仪离子源，其特征在于，所述第一通道和第二通道外层分别设有加热装置。

8.一种原样样品中痕量成分的质谱分析方法，其特征在于，在质谱仪中使用权利要求1至7任一所述的质谱仪离子源，将检测样品放置在样品盘上，调整好第一通道与样品盘的夹角，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角，调节好质谱仪参数；向第一通道中通入一定压力的化学电离试剂，调整放电极外加高压，对样品进行检测；该分析方法中由第一通道所产生的试剂离子碰撞样品盘中样品，使样品中待测成分脱离样品并离子化，所形成的样品离子流通过质谱仪入口毛细管被引入质谱仪进行检测，得到该成分在样品中的含量并由质谱仪输出检测样品中该成分的质谱分析结果。

9.根据权利要求8所述的质谱分析方法，其特征在于，所述检测样品无需样品预处理，为液态、固态或胶态样品。

10.根据权利要求9所述的质谱分析方法，其特征在于，所述检测样品为药片，第一通道与样品盘的夹角，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角为45-80°，质谱仪入口毛细管与样品盘的夹角为5-10°，第一通道中通入压力为0.1～20psi含水量为40-60％的氮气，放电极加高压为3～6KV。