CN105470095A - 一种热冲击气化电喷雾电离源及质谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热冲击气化电喷雾电离源及质谱分析系统，属于常压质谱离子化技术领域。本发明的质谱电离源包括电喷雾发生装置、加热装置和进样装置，其中，加热装置包括气化室和为气化室提供热量的加热器，进样装置的样品管喷口对着气化室底部设置。电喷雾发生装置的喷雾毛细管的出口端与质谱仪入口相对且有一定距离，气化室和样品喷口位于所述距离的下方。本发明所提供的电离源采用热冲击方式气化样品，通过缩短加热时间，提高了样品加热效率。由于样品受热时间短，热能没有转化为样品分子内能，仅提供给样品用以克服分子间作用力，样品分子不会受热分解，从而可以检测热不稳定、不易挥发化合物及生物样品，解决了传统热解吸技术的难题。

Description

一种热冲击气化电喷雾电离源及质谱分析系统

技术领域

本发明涉及一种热冲击气化电喷雾电离源及质谱分析系统，属于常压质谱离子化技术领域。

背景技术

通过质谱(Massspectrometry,MS)分析技术可以探知待分析物分子在分析过程中的所带电荷与其质量的比值(质荷比)，从而可以获取该分子或其碎片的分子量信息。作为一种重要的分析技术，质谱仪具有灵敏度高、高通量、定量线性好等优点。第一台质谱仪是于1919年制成的，自此以后质谱技术在分析化学领域得到迅速发展，目前已经成为化学、药物、材料、生物、医学、环境、能源、食品、刑事鉴证等多个领域常用的检测手段。一个质谱系统通常包括电离源、质量分析器、检测器、电子系统及真空系统等5个部分。其中电离源的作用就是将待测物气化并电离，形成气态离子，使之能够通过分析器到达检测器被检测。目前最常用的电离源包括电子轰击电离源(EI)、化学电离源(CI)、电喷雾电离源(ESI)、大气压化学电离源(APCI)、基质辅助激光解吸电离源(MALDI)、电感耦合等离子体电离源(ICPI)。这些传统的电离源通常都需要复杂的前处理才能进样，人们为了突破这种状况，自2004年以来发明了一系列常压电离技术(ambientMS)。这种电离方法是指不通过前处理(或仅仅很少的前处理)在常压下直接将样品解吸附成气态并电离，解吸和电离可以同时发生，也可以分步进行。将样品解吸附需要施加能量，常见的有动能、电能和光能，例如，解吸电喷雾电离(DESI)和电喷雾萃取电离(EESI)使用的是动能；介质阻挡放电电离(DBDI)、流动大气压余辉电离(FAPA)、探针电喷雾电离(PESI)等采用的是电能；电喷雾辅助激光解吸电离(ELDI)、激光消融电喷雾电离(LAESI)等采用的是光能。

电喷雾电离法(Electrosprayionization,ESI)是上世纪80年代末发展起来的软电离技术。目前，在法医鉴证、食品安全分析、药物分析、生物大分子分析等多个领域得到广泛应用，成为目前最常用的质谱技术之一。该电离源工作原理是指在输送样品溶液的毛细管的喷口和质谱仪入口之间加上高电压，当样品溶液通过毛细管移动到喷口的时候，由于电场与液体表面张力作用在喷口处形成泰勒锥(Taylorcone)，泰勒锥液体表面带有多个电荷，当电场作用力大于液体表面张力的时候就脱离喷口形成喷雾，样品溶液变成表面带电荷的液滴，这些液滴在电场作用下向质谱仪入口移动，液滴中的溶剂不断蒸发，液滴体积逐渐变小，表面的电荷密度也逐渐增加，当达到瑞利极限的时候液滴发生爆裂，形成更小的液滴。该过程不断发生，直至形成游离的单个离子通过质谱仪入口进入质量分析器被检测。由于电喷雾电离效率很高，所得到的质谱图质量非常好，在常压质谱技术(ambientMS)的研究中常常被用作辅助电离手段。

除了前述几种常见的解吸方式外，也可以使用施加热能解吸的方法，即热解吸电喷雾电离法。该方法是指将样品加热使之解吸附成气体，气体样品再与一束电喷雾流溶合，形成带电荷的样品离子，进入质谱仪被检测。

目前热解吸方式主要有2种，其中之一是将样品装在容器里，通过加热容器对样品施加热能，当样品溶液的温度达到沸点时使样品蒸发出来，与电喷雾流溶合，带电，被质谱检测。这种方法适合沸点低，热稳定性好的小分子。相关技术请参阅以下论文：FrancoBasile.etal.Analyst,2010,135,797–803。其二为探针法，使用探针沾取少量样品，将样品置于加热装置内加热使之气化，再使用氮气流将气体样品吹出来，使之与电喷雾流溶合，带电，被质谱检测。也有报道使用热探针直接加热样品使之解吸附，将气体样品与电喷雾流融合，带电，使之被质谱检测。该方法简单、快速，灵敏度高，使用起来十分方便(Min-ZongHuang.etal.，AnalyticalChemistry，2013,85,8956-8963；OlgaS.Ovchinnikova.etal.，Rapidcommunicationinmassspectrometry.2010：24:1721-1729)。

与施加动能、电能、光能解吸方法相比，热解吸电喷雾电离法具有结构简单，造价低廉、操作简便等优点。但是目前这种热解吸的方式对样品施加热能的效率较低，导致样品分子受热易分解，只适合热稳定、易挥发的小分子的分析，并且难以和色谱系统联用，从而限制了这种技术的应用。因此，开发一种能克服此类问题、并保持原有技术优点的电离源具有重大意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种基于热冲击气化的热冲击气化电喷雾离子源，以及由其构成的质谱分析系统，所采取的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种热冲击气化电喷雾电离源，包括电喷雾发生装置、加热装置和进样装置。其中，电喷雾发生装置包括喷雾毛细管11，喷雾毛细管11的入口端设有金属电极12和溶剂引入接头13，出口端为与质谱仪入口4相对且有一定距离的电喷雾喷口14；所述加热装置位于电喷雾喷口14和质谱仪入口4对应距离的下方，包括设有朝上出口的气化室32和为气化室32提供热量的加热器31；所述进样装置包括样品管21，样品管21的入口端设有样品接头22和气体接头23，出口端设有样品喷口24，样品喷口24穿过气化室32指向气化室的受热部位。

优选地，所述质谱仪入口4与电喷雾喷口14之间的一定距离是3-20cm。

优选地，所述加热器31位于气化室32的下部，所述气化室的受热部位是气化室底部33，样品喷口24距离气化室底部33的距离为1-20mm。

优选地，所述喷雾毛细管11为内径为25-100μm的玻璃或金属管。

优选地，所述气化室32由导热良好的铁、铜、铝、不锈钢金属材料或陶瓷材料制成；所述样品管21由玻璃或金属制成。

优选地，所述加热器31的加热范围为60-1000℃。

优选地，所述电喷雾喷口14和质谱仪入口4的连线与气化室32的轴线相交。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述热冲击气化电喷雾电离源的质谱分析系统。该质谱分析系统还包括质谱仪和质谱数据处理系统，其中，所述溶剂引入接头13与peek管连接引入流速为1-5μL/min的喷雾溶剂；所述气体接头23中通有流速为0～3L/min的辅助气体；所述金属电极12工作电压为1-6kV可调节的直流电压，通电时使电喷雾喷口14和质谱仪入口4形成通路；所述质谱仪与质谱数据处理系统连接。其中，所述直流电压可以是正压，也可以是负压。质谱分析仪在使用时，通过样品管21将样品施加到气化室底部，样品瞬间受热气化离开气化室，与电喷雾融合被电离，离子再进入质谱仪被分析。

优选地，所述质谱分析系统还包括三维组合位移台和垂直旋转台，电喷雾发生装置和加热装置分别固定在三维组合位移台上，进样装置安装在垂直面可在0-90度范围旋转的垂直旋转台上，垂直旋转台安装在三维组合位移台上，以便于调节它们的相对位置。

优选地，所述辅助气体，是氮气、氩气、二氧化碳或空气中的一种。

本发明获得的有益效果如下：

1)本发明采用热冲击方式气化样品，通过缩短加热时间，提高了热能的施加效率。在样品受热的瞬间产生形变，由液态转化为气态。由于样品受热时间短，热能没有转化为样品分子内能，只是提供给样品用以克服分子间作用力，因此样品分子不会受热分解，使用本发明电离方法可以检测热不稳定及生物样品，解决了传统热解吸技术的难题。

2)本发明所提供的取样装置与传统热解吸取样不同，既可以通过注射器手动进样，也可以将其与色谱系统相连，实现连续自动进样，解决了目前的常压电离技术不能与色谱联用的难题。

3)本发明提供的取样装置可以采用辅助气，从而避免样品溶液在样品管喷口由于表面张力形成较大液滴。因为较大的液滴落到样品板上可能不能及时被气化，从而增加了样品受热时间。另外，还可能形成进样脉冲，导致信号不稳。另外，比较粘稠的样品或者比较“脏”的样品也可以使用这种方法吹出样品管。

4)本发明采用电喷雾作为辅助电离方式，电离效率高，电离过程中没有碎片产生，所得质谱图与电喷雾质谱图一样有很好的质量。

5)本方面所提供的加热装置采用气化室，样品溶液气化后通过气化室出口离开气化室，起到使样品气体聚焦的作用，避免了气化样品受环境气流扰动的影响，从而提高了电离效率。

6)通过调整电喷雾溶剂的组成，可以增加对样品气体溶解的选择性。通常质谱系统不耐盐，进入质谱系统的含盐样品都需要先进行除盐处理，但是液相色谱系统常常使用缓冲盐流动相，这就导致色谱与质谱不能兼容。使用本发明所提供的热冲击气化电喷雾电离技术，通过调整电喷雾溶剂组成，使气体样品中的盐不溶于该电喷雾溶剂，将盐排除在质谱系统之外，从而拓宽了液相色谱质谱联用的使用范围。

7)使用本发明所提供的热冲击电喷雾电离方法，可以很方便地进行反应研究。比如，在电喷雾溶剂中加入某些化学物质，使之与样品气体中的某些物质发生反应，反应产物能够快速被质谱系统检测；

8)本发明所提供的热冲击电喷雾电离源，可以与具有大气压接口的质谱仪直接连接，且拆装容易；

9)本发明所提供的热冲击电喷雾电离源，装置简单，材料易得，制作方便，制作成本低。操作简便，不需要样品前处理，需要优化的参数较少，可实现高通量的在线分析，取样装置清洗方便。

附图说明

图1为本发明质谱系统的实施例的结构示意图。

图2为本发明质谱系统的实施例的结构俯视图。

图3为中乌头碱甲醇溶液的热冲击气化电喷雾电离质谱图。

图4为细胞色素C水溶液的热冲击气化电喷雾电离质谱图。

图5为甜菜碱甲醇溶液的热冲击气化电喷雾电离质谱图。

图6为使用热冲击气化电喷雾电离质谱对农业污水中除草剂莠去津进行分析所得到的质谱图。

图7为使用热冲击气化电喷雾电离质谱对黄瓜中的杀菌剂多菌灵进行分析所得到的质谱图。

图中：4，质谱仪入口；11，喷雾毛细管；12，金属电极；13，溶剂引入接头；14，电喷雾喷口；21，样品管；22，样品接头；23，气体接头；24，样品喷口；31，加热器；32，气化室；33，气化室底部。

具体实施方式

以下结合附图1和附图2及实施例对本发明进行详细说明。有必要指出的是，以下实施例仅对发明做进一步说明，本发明的范围不受所举实施例的限制，熟悉所属领域的技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍应属本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明热冲击气化电喷雾电离质谱系统的具体实施例，该质谱系统包含2个部分，即质谱仪部分和电离源部分。质谱仪的种类繁多，应用十分广泛，本发明提供的电离源可以与具有大气压接口的任何质谱仪联接，如离子阱质谱、四级杆质谱、飞行时间质谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱、磁质谱、轨道阱质谱等。本发明所述质谱仪包含一个质谱仪入口4，通过该入口可以将电离源所产生的离子引入质量分析器进行质谱分析。电离源部分即为本发明热冲击气化电喷雾电离源，该电离源包含一个电喷雾产生单元、一个加热单元和一个取样单元。

本发明提供的热冲击气化电喷雾电离源，其电喷雾产生单元，包括一个喷雾毛细管11，在该喷雾毛细管末端连有一个溶剂引入接头13和一个金属电极12。该喷雾毛细管11的内径为25～100μm，喷雾毛细管11通常可由玻璃或金属制成。溶剂引入接头13能够与标准的peek管相连，通过peek管引入喷雾溶剂，喷雾溶剂的流速为1～5μL/min。该金属电极12与喷雾溶剂接触，在该金属电极12上施加一个高电压，就能够将高电压施加到所引入的溶剂上，在该金属电极和质谱仪入口4之间形成回路，电压为1～6KV，可以为正电压，也可以为负电压。

本发明提供的热冲击气化电喷雾电离源，其取样单元为一个样品管，该样品管21由玻璃或金属制成，样品管的前端为样品喷口24，样品管的尾部有两个连接接头，一个为样品接头22，能够和注射器针头以及色谱系统通用的peek管连接，通过注射器或peek管导入液体样品；另一个为气体接头23，能够导入辅助气，该辅助气体的目的是将样品吹出样品管。辅助气可以采用氮气、氩气、二氧化碳或空气等其中的一种，辅助气的流速为0～3L/min。

本发明提供的热冲击气化电喷雾电离源，其加热单元包括一个设有朝上出口的气化室32，以及一个能向气化室32提供热量的加热器31，该气化室32用于承载并加热气化样品。该气化室32用导热良好的铁、铜、铝、不锈钢金属或陶瓷材料制成，该气化室设计成圆筒形，内径为0.5-2cm，高度为1-4cm。该加热器31使用电阻加热，加热温度范围在60～1000℃之间。

该电喷雾产生单元设置于质谱仪入口附近，其电喷雾喷口14与质谱仪入口4相对，其水平距离为3～20cm。能够产生带电荷的雾化的溶剂液滴。该气化室32位于质谱仪入口4和电喷雾喷口14之间，并且位置要低于质谱仪入口4和电喷雾喷口14。气化室的出口朝上放置，气化室的出口轴线与电喷雾喷口14和质谱仪入口4的连线相交。样品管通过气化室壁上的入口插入气化室24，样品管的出口24在气化室内部，与气化室的底部33之间的距离为1～20mm。电喷雾产生装置、加热装置和样品引入装置分别固定在三维组合位移台上，以便于调节它们的相对位置。

本发明分析方法实施例，使用本发明的质谱系统装置如附图1和附图2，该分析方法包括一个取样步骤、一个样品气化步骤、一个电离步骤，以及一个分析步骤。具体操作方法如下：

1)打开质谱仪，扫描质谱信号；

2)通入喷雾溶剂并且加上高电压，电喷雾喷口14喷出带电荷的气溶胶，调整电喷雾装置的位置，使信号达到最强；

3)将气化室32的温度提高到所需要的温度。注意：气化室32的温度由加热器31控制，温度要根据待分析化合物的性质以及样品溶液的组成进行调节。因为热不稳定化合物和生物样品受热容易分解或变性，分析此类样品时要尽量减少样品与热源的接触时间，气化室底部33的温度要以样品溶液在接触气化室底部33的瞬间被气化为宜。

4)使用注射器吸取样品，将注射器的针头通过样品接头22插入样品管21，使用螺丝将注射器固定在样品管上，用手推动注射器，将样品注入样品管，同时开启辅助气，将样品均匀地吹落在气化室的底部33。也可以不开辅助气，使样品自由滴落到气化室底部上。另外，样品接头22也可以和标准peek管连接，将色谱系统的流出液导入样品管21。样品在接触气化室底部33的瞬间被气化，离开气化室，与电喷雾液滴接触，溶入电喷雾液滴，从而使样品分子带电变成离子，样品离子进入质谱仪被检测。

5)记录扫描数据，即得到样品离子的质谱图。

实施例2

利用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离质谱系统分析热不稳定的化合物，以中乌头碱(mesaconitine)为检测对象。将10mg/L中乌头碱甲醇溶液100μL滴加到没有加热的气化室底部，同时打开电喷雾，记录质谱数据，在2分钟内对气化室底部加热到320℃，使之逐渐气化，但是所采集到的质谱数据除了电喷雾溶剂的背景信号(谱图没有列出)，没有看到和中乌头碱有关的信号，说明中乌头碱在加热的过程中完全分解。改用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离方法，首先将气化室底部加热到320℃，之后将中乌头碱甲醇溶液施加到热的气化室底部，使之快速气化，所得到的质谱图如图3所示，m/z632处的峰为中乌头碱的[M+H]⁺峰，背景信号很弱，没有看到中乌头碱热降解的现象，说明使用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离与传统的热解吸电离有本质不同，完全适合热不稳定化合物的分析。

实施例3

利用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离质谱系统分析生物大分子，以马心(horseheart)细胞色素C(cytochromec)为检测对象。电喷雾溶剂选用含有0.1％甲酸的甲醇/水(1:1)混合溶液，将0.31mg/ml细胞色素C水溶液100μL滴加到没有加热的气化室底部，同时打开电喷雾，记录质谱数据，之后在2分钟内对气化室加热到400℃，使之逐渐气化，但是所采集到的质谱数据除了电喷雾溶剂的背景信号(谱图没有列出)，没有看到和细胞色素C有关的信号，说明细胞色素C在加热的过程中变性，没有进入质谱系统。

改用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离方法，首先将气化室加热到400℃，之后将细胞色素C水溶液施加到热的样品板上，使之快速气化，所得到质谱数据如图4所示，在200—2000Da范围内可以检测到细胞色素C的一系列带多电荷的质谱信号，每个质谱峰所带电荷数目如图4所示，从带7个电荷到15个电荷。经过去卷积计算，每个质谱峰给出的分子量均接近或等于12230Da，这些质谱数据非常准确，和电喷雾质谱所得数据一致。说明使用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离与传统的热解吸电离有本质不同，因为传统的热解吸质谱不能用来分析分子量如此大的生物分子。

实施例4

利用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离质谱系统分析不易挥发、热不稳定的化合物，以甜菜碱(betaine)为检测对象。将0.1mg/L甜菜碱甲醇溶液施加到大约900℃的气化室底部，图5为甜菜碱热冲击气化电喷雾电离质谱图，m/z118处的峰为甜菜碱的[M+H]+峰，尽管浓度较低，信号强度仍然很高。甜菜碱不易气化，在不衍生化的情况下不能使用气相色谱分析，本发明所述的热冲击气化电喷雾电离保持传统的电喷雾电离方法的优点，适合分析极性大、不易挥发的样品。

实施例5

利用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离质谱系统分析复杂体系中的化合物，以农业污水中的除草剂莠去津(atrazine)为检测对象。取田间的污水，加入莠去津，配制成10mg/L莠去津水溶液，取100μL施加到700℃的气化室底部用于热冲击气化电喷雾电离质谱分析，所得质谱图如图6所示，尽管水质很差，浑浊，没有经过前处理，甚至没有过滤，仍然可以得到非常好的信号，图中的m/z216处的质谱峰即为莠去津[M+H]+峰，说明本发明所述的热冲击电喷雾电离质谱在完全没有样品前处理的情况下，也可以分析复杂体系中的化合物，能够用于土壤中除草剂残留的快速分析。

实施例6

利用本发明所述的热冲击气化电喷雾电离质谱系统分析复杂体系中的化合物，以农业污水中的杀菌剂多菌灵(carbendazim)为检测对象。称取黄瓜5克加入匀浆机，加入乙腈50ml,匀浆2min，过滤，滤液放入到含有氯化钠的具塞量筒中，震荡1min，静止30分钟，上下分层，取上清液配制成1mg/L的多菌灵溶液，将多菌灵溶液施加到500℃的气化室底部用于热冲击气化电喷雾电离质谱分析，如图7所示，m/z192处的峰即为多菌灵[M+H]+峰。说明热冲击气化电喷雾电离质谱可以用于成分复杂的农产品提取液的分析，可以用于农药残留分析领域，比传统的液相色谱法和液质联用法更方便快捷。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种热冲击气化电喷雾电离源，包括电喷雾发生装置、加热装置和进样装置，其特征在于，所述电喷雾发生装置的电喷雾喷口(14)与质谱仪入口(4)相对且有一定距离；所述加热装置位于电喷雾喷口(14)和质谱仪入口(4)对应距离的下方，包括设有朝上出口的气化室(32)和为气化室(32)提供热量的加热器(31)；所述进样装置包括样品管(21)，样品管(21)的入口端设有样品接头(22)和气体接头(23)，出口端设有样品喷口(24)，样品喷口(24)穿过气化室(32)指向气化室的受热部位。

2.根据权利要求1所述热冲击气化电喷雾质谱电离源，其特征在于，所述一定距离是3-20cm。

3.根据权利要求1所述热冲击气化电喷雾质谱电离源，其特征在于，所述加热器(31)位于气化室(32)的下部，所述气化室的受热部位是气化室底部(33)，样品喷口(24)距离气化室底部(33)的距离为1-20mm。

4.根据权利要求1所述热冲击气化电喷雾质谱电离源，其特征在于，所述气化室(32)由铁、铜、铝、不锈钢金属材料或陶瓷材料制成；所述样品管(21)由玻璃或金属制成。

5.根据权利要求1所述热冲击气化电喷雾质谱电离源，其特征在于，所述加热器(31)的加热范围为60-1000℃。

6.根据权利要求1所述热冲击气化电喷雾质谱电离源，其特征在于，所述电喷雾喷口(14)和质谱仪入口(4)的连线与气化室(32)的轴线相交。

7.一种包含权利要求1-6任一所述热冲击气化电喷雾质谱电离源的质谱分析系统，其特征在于，还包括质谱仪和质谱数据处理系统，其中，所述溶剂引入接头(13)与peek管连接引入流速为1-5μL/min的喷雾溶剂；所述气体接头(23)中通有流速为0～3L/min的辅助气体；所述质谱仪与质谱数据处理系统连接。

8.根据权利要求7所述质谱分析系统，其特征在于，还包括三维组合位移台和垂直旋转台电喷雾发生装置和加热装置分别固定在三维组合位移台上，进样装置安装在垂直面可在0-90度范围旋转的垂直旋转台上，垂直旋转台安装在三维组合位移台上。

9.根据权利要求7所述质谱分析系统，其特征在于，所述辅助气体，是氮气、氩气、二氧化碳或空气中的一种。