CN105470097B - 一种夹层喷雾离子源装置及离子化方法 - Google Patents

一种夹层喷雾离子源装置及离子化方法 Download PDF

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Abstract

一种夹层喷雾离子源装置及离子化方法，属于质谱分析领域。本离子源装置包括高压电源和至少两个叠层布置的夹片，每两个相邻夹片之间形成样品承载区，用于承载液体样品；相邻夹片与其两夹片之间的液体样品组成一组半封闭式的夹层结构；对于每组夹层结构中的夹片分为形状相同的上夹片和下夹片；上夹片和下夹片朝向质谱仪进样口方向的一端带有一个尖角或呈阵列布置的多个尖角；将高压加到液体样品上，在夹片尖端部位形成电喷雾，此喷雾可使样品离子化，进而实现离子检测。此技术适合于检测微量低浓度液体样品和物体表面残留物。本发明的装置和方法可在敞开式环境中应用，具有搭建方便、体积小、价格低廉、低能耗等优点。

Description

一种夹层喷雾离子源装置及离子化方法
技术领域
本发明涉及一种敞开式的离子化方法及离子源装置，具体地说，涉及一种基于夹层喷雾的质谱离子化方法及离子源装置，属于质谱分析技术领域。
背景技术
质谱分析技术是目前最灵敏、最强大、最通用的生化分析技术之一，它的主要功能是通过分离和鉴定样品离子的质荷比(质量与电荷的比值，m/z)来分析样品物质的组成成分。其基本原理是利用电离源将样品中的分子进行电离，产生带电荷的离子，选择性的经过加速电场、聚焦电场的作用后进入质量分析器。质量分析器利用电场或磁场对不同质荷比离子的作用不同将离子分开，并分别被检测器检测到，形成质谱谱图，进而分析样品中的成分。
离子源是将被分析样品的分子进行电离的装置，是质谱检测及应用中最重要的环节，直接影响了质谱能够分析检测的物质种类和灵敏度等性能。离子化技术是离子源装置的关键，其种类繁多。近年来对于现场原位检测的需求越来越多，简便化常压敞开式离子化技术也随之成为离子源研究的热点。这类离子化技术往往不需要对样品进行前处理，并且能够仅用极少量样品就完成快速分析，大大扩展了质谱技术在现场检测中的应用。
根据电离机理，常压敞开式离子源主要可以分为基于电喷雾离子化和基于等离子体离子化的两大类离子源。基于电喷雾的离子源包括电喷雾离子源(ESI)、电喷雾解析离子源(DESI)、电喷雾萃取离子源(EESI)、中性解析电喷雾萃取离子化(ND-EESI)等。基于等离子体的离子源主要包括大气压化学电离源(APCI)、直接实时分析电离源(DART)、介质阻挡放电电离源(DBDI)、低温等离子体探针(LTP)、微波等离子体炬(MPT)等。其中ESI和APCI是LC/MS设备中最常配备的两种离子源，这两类离子源应用范围较广，比较稳定，属于软离子源。最值得注意的是ESI使人类首次可以完整无损的测定蛋白质大分子，为生命科学带来了革命，它的发明人John Fenn也因此获得了2002年诺贝尔化学奖。但是这两种离子源需要将所测样品溶入特定溶剂，样品前处理程序较为复杂，待测样品种类受到一定限制。
ESI主要适用于液体样品分析，衍生出的DESI可对液体或固体样品表面进行解析和电离，扩展了电喷雾类电离源的应用。然而ESI和DESI得到离子源结构都较为复杂，尤其需要较高速的鞘气作用以降低样品离子扩散或提高解析能力，并且需要的液体试剂量也相对较大(一般在数uL/min到数十uL/min范围)，这些工作条件并不适用于不同应用场合的现场原位检测。从ESI衍生出的纳喷雾电离源(NanoESI)仅使用高压电场作用使纳喷管尖端处的液体样品聚集电荷后形成喷雾而实现离子化，这一发明大大简化了喷雾型离子源的基本结构，仅用纳喷管或毛细管装载被测液体样品后加以直流高压即可形成稳定、低流速的喷雾(一般在数nL/min到数十nL/min范围)，非常适合于少量样品的长时间分析。然而纳喷管尖端极容易损坏或堵塞、其内径太细不容易加载样品等问题也限制了其现场检测的应用。不过纳喷雾离子源给出了一个启示在于液体形成电喷雾的关键在于在液体形成尖端的位置有大量电荷积累，就可以在该点产生电喷雾。2009年Z.Ouyang教授课题组提出了纸喷雾离子源(PSI)，只需要简单的将液体样品滴在三角形的纸上，在一侧加以直流高压，就可在另一侧尖端形成电喷雾。纸喷雾离子源只需要简单的纸片和一个高压电源即可完成样品离子化，样品加载方式简单，并且纸基可以很低成本的一次性使用，杜绝样品间的交叉污染，很适合与要求简单、快速的现场检测要求。然而，由于纸喷雾一般需要加溶剂辅助润湿纸基质而稀释了样品浓度，并且在工作时完全敞开于空间中，液体样品挥发速度快，限制了纸喷雾离子源的有效分析时间，纸基质中也存在会与多肽等成分相互作用的基团或，会对分析结果造成干扰。
发明内容
为了实现现场痕量液相样品检测或表面残留物检测，本发明旨在提供一种夹层喷雾的质谱离子化方法及离子源装置，以解决现有分析方法复杂或稳定性差等问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的一种夹层喷雾离子源装置，其特征在于：该离子源装置包括高压电源和至少两个叠层布置的夹片，每两个相邻夹片之间形成样品承载区，用于承载液体样品；相邻夹片与其两夹片之间的液体样品组成一组半封闭式的夹层结构；对于每组夹层结构中的夹片分为形状相同的上夹片和下夹片；所述上夹片和下夹片朝向质谱仪进样口方向的一端带有一个尖角或呈阵列布置的多个尖角；所述高压电源的输出端与液体样品连接。
所述一种夹层喷雾的质谱离子源装置，其特征在于：所述的每个尖端的角度为大于0°，且小于180°。
优选地，所述的上夹片或下夹片还包含电极连接端，所述的高压电源的输出端通过电极连接端与液体样品连接。
所述的一种夹层喷雾的离子源装置，其特征在于：所述的上夹片和下夹片的材料采用不吸水材料。
优选地，所述的不吸水材料采用塑料、玻璃、不锈钢或硅片。
优选地，所述的上夹片和下夹片的形状为矩形或三角形。
本发明提供的一种基于夹层喷雾的离子源装置的检测液体样品的质谱离子化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将液体样品滴在下夹片上；
2)将上夹片覆盖于下夹片上，并上下对齐，使液体样品的厚度大于0，且小于10mm；
3)将夹片尖端朝向质谱仪进样口，与质谱仪进样口的距离为0～500mm；
4)将高压电压的输出端与液体样品连通；启动高压电源，使夹片尖端产生电喷雾，将样品离子化；所述的高压电压源施加的电压为正的或负的直流高压，或者为正的或负的脉冲高压，电压幅值在10V～100kV范围内，功率在0.01W～100W范围内。
本发明提供另一种基于夹层喷雾的质谱离子源装置的检测物体表面残留物的质谱离子化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)用上夹片的下表面或下夹片的上表面擦拭物体表面；
2)将溶剂滴在下夹片上；
3)将上夹片覆盖于下夹片上，并上下对齐，使液体样品的厚度大于0，且小于10mm；放置0～10分钟；
4)将夹片尖端朝向质谱仪进样口，与质谱仪进样口的距离为0～500mm；
5)将高压电压的输出端与液体样品连通，启动高压电源，使夹片尖端产生电喷雾，将样品离子化；所述的高压电压源施加的电压为正的或负的直流高压，或者为正的或负的脉冲高压，电压幅值在10V～100kV范围内，功率在0.01W～100W范围内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本方法基于电喷雾离子源的基本原理，涉及到的离子化方法是在大气压敞开式环境中实现的，不需要样品的前处理，大大简化了分析流程，是一种简便的离子化方法；在样品采集装在过程中，装置极其简单，操作简便易行；在分析过程中，所需要调节的参数很少，大大降低了工作人员的工作量。适用于非常痕量的样品分析，尤其对大分子样品的信号抑制较弱。与现有的离子源装置相比，搭建的离子源装置具有成本低、使用方便、能耗小、一次性使用避免污染等优点，有利于质谱类分析仪器的现场原位直接分析方法的发展。
附图说明
图1是本发明的夹层喷雾离子源的总体结构示意图。
图2是本发明中离子源用于液体样品快速检测的方法流程图。
图3是本发明中离子源用于检测物体表面残留物的方法流程图。
图4a是本发明的带有一个尖角、仅一组夹层结构的离子源结构示意图；图4b是本发明的带有多个尖角阵列、仅一组夹层结构的离子源结构示意图；图4c是本发明的带有一个尖角、包含多组夹层结构的离子源结构示意图；图4d是本发明的带有多个尖角阵列、包含多组夹层结构的离子源结构示意图。
图5为实施实例的实验中用于检测液体样品的夹片结构示意图。
图6为实施实例1中将离子源与质谱联用检测罗红霉素溶液得到的质谱图。
图7为实施实例2中将离子源与质谱联用实现微量液体样品成分快速检测鉴定手指表面是否含有目标物质所得到的质谱谱图。
图中：1-上夹片；2-下夹片；3-高压电源；4-质谱进样口；5-液体样品；6-电极连接端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，是本发明中离子源装置的主体结构，它包括高压电源3和至少两个叠层布置的夹片，每两个相邻夹片之间形成样品承载区，用于承载液体样品5；相邻夹片与其两夹片之间的液体样品5组成一组半封闭式的夹层结构；对于每组夹层结构中的夹片分为形状相同的上夹片1和下夹片2；所述上夹片和下夹片朝向质谱仪进样口4方向的一端带有一个尖角或呈阵列布置的多个尖角；所述高压电源3的输出端与液体样品5连接。所述的每个尖端的角度为大于0°，且小于180°。所述的上夹片1或下夹片2还包含电极连接端6，所述的高压电源3的输出端通过电极连接端6与液体样品5连接。所述的上夹片1和下夹片2的材料采用不吸水材料。所述的不吸水材料优选采用塑料、玻璃、不锈钢或硅片。所述的上夹片1和下夹片2的形状优选为矩形或三角形。
在与质谱仪联用时，可根据样品种类采用图2或图3所示两种方式。当样品为液体物质时，可采用如图2所示的离子化方法进行检测。首先将液体样品5滴在下夹片2上；将上夹片1覆盖于下夹片2上，并上下对齐，使液体样品5的厚度大于0，且小于10mm。将夹片尖端朝向质谱仪进样口4，与质谱仪进样口4的距离为0～500mm；将高压电压3的输出端与液体样品5连通；启动高压电源3，使夹片尖端产生电喷雾，将样品离子化；所述的高压电压源3施加的电压为正的或负的直流高压，或者为正的或负的脉冲高压，电压幅值在10V～100kV范围内，功率在0.01W～100W范围内。微调高压电源的电压和喷嘴到质谱进样口的距离，使得到最优的质谱信号。
当检测物体表面残留物时，可采用如图3所示的离子化方法进行检测。首先用上夹片1的下表面或下夹片2的上表面擦拭物体表面。将溶剂滴在下夹片2上。将上夹片1覆盖于下夹片2上，并上下对齐，使液体样品5的厚度大于0，且小于10mm；放置0～10分钟。将夹片尖端朝向质谱仪进样口4，与质谱仪进样口4的距离为0～500mm；将高压电压3的输出端与液体样品5连通；启动高压电源3，使夹片尖端产生电喷雾，将样品离子化；所述的高压电压源3施加的电压为正的或负的直流高压，或者为正的或负的脉冲高压，电压幅值在10V～100kV范围内，功率在0.01W～100W范围内。微调高压电源的电压和喷嘴到质谱进样口的距离，使得到最优的质谱信号。
图4a所示为上夹片1和下夹片2的形状均包含一个尖端，组成一组夹层结构的夹层喷雾离子源。图4b所示为上夹片1和下夹片2的形状均包含多个尖端，组成横向夹层喷雾阵列离子源。图4c所示为多层夹片组成纵向夹层喷雾阵列离子源。图4d所示为同时具有横向阵列和纵向阵列结构的夹层喷雾离子源。夹层喷雾采用多个尖端组成阵列，可以提高信号灵敏度，或用于多种样品同时分析、多种样品反应等应用。
下面再举几种实施实例对本发明的效果予以进一步说明。
实施实例1、微量液体样品中的成分快速检测
采用图2所示方式，将夹层喷雾离子源与质谱仪联用检测浓度为10ppb的罗红霉素(Mw，837.05)溶液中的成分。实验所使用的离子源中夹层材料为塑料片，如图5所示，其中H＝3mm，W＝5mm，L＝5mm，S＝3mm，具有单一尖端，角度为α＝90°，厚度为0.1mm，通过下夹片2的尾部引出电极连接端6，在其上蒸镀Pt电极为液体样品5引入电源电压。实验时，首先取2μL液体样品滴在下夹片2上，将上夹片1覆盖于下夹片2上，并上下对齐。液体样品5受夹片限制，其形状延展成和夹片一致。将夹层尖端对准质谱仪进样口4，与进样口4距离5mm。将高压电源连接到下夹片2的电极连接端6，并调整高压电源电压至4.5kV，几秒内就可以得到样品的质谱图。图6为实验所得到的一级质谱和对838质量数做二级质谱的谱图，显示了很强的[M+H]+峰(m/z 837.9)，说明该方法能够有效监测液体样品中的成分。此方法可用于污水检测等环节卫生领域。
实施实例2、手指表面残留物的快速检测
采用图3所示方式，将夹层喷雾离子源与质谱仪联用，用于鉴定手指表面是否含有目标物质。实验所使用的离子源与实施实例1中相同。实验时，取2μL浓度为1ppm的利血平溶液滴于手指，并均匀涂抹至大约50mm2面积，等待溶剂完全挥发，以模拟手指残留物，其利血平总量为2ng，面积浓度为40pg/mm2。在下夹层2上滴2μL溶剂，用上夹层1的下表面擦拭手指涂有利血平的部位后覆盖于下夹层2上，并上下对齐。放置约1min后，调整高压电源电压至4.5kV，在质谱仪中采用目标物质质荷比的串级质谱模式进行检测，图7为得到的含有目标物质一级和二级质谱的谱图。对没有涂利血平溶液的手指进行相同检测，无法得到该谱图，因此说明该方法能够实现固体物质表面残留物检测。可将此方法用于国家安全检查等领域。

Claims (7)

1.一种夹层喷雾离子源装置，其特征在于：该离子源装置包括高压电源(3)和至少两个叠层布置的夹片，每两个相邻夹片之间形成样品承载区，用于承载液体样品(5)，上夹片(1)和下夹片(2)的材料采用不吸水材料；相邻夹片与其两夹片之间的液体样品(5)组成一组半封闭式的夹层结构；对于每组夹层结构中的夹片分为形状相同的上夹片(1)和下夹片(2)；所述上夹片和下夹片朝向质谱仪进样口(4)方向的一端带有一个尖角或呈阵列布置的多个尖角；所述高压电源(3)的输出端与液体样品(5)连接。
2.如权利要求1所述一种夹层喷雾离子源装置，其特征在于：每个尖角的角度为大于0°，且小于180°。
3.如权利要求1或2所述的一种夹层喷雾离子源装置，其特征在于：所述的上夹片(1)或下夹片(2)还包含电极连接端(6)，所述的高压电源(3)的输出端通过电极连接端(6)与液体样品(5)连接。
4.如权利要求1所述的一种夹层喷雾离子源装置，其特征在于：所述的不吸水材料采用塑料、玻璃、不锈钢或硅片。
5.如权利要求1或2所述的一种夹层喷雾离子源装置，其特征在于：所述的上夹片(1)和下夹片(2)的形状为矩形或三角形。
6.采用如权利要求1所述的夹层喷雾离子源装置的一种检测液体样品的质谱离子化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将液体样品(5)滴在下夹片(2)上；
2)将上夹片(1)覆盖于下夹片(2)上，并上下对齐，使液体样品(5)的厚度大于0，且小于10mm；
3)将夹片尖角朝向质谱仪进样口(4)，与质谱仪进样口(4)的距离为0～500mm；
4)将高压电源(3)的输出端与液体样品(5)连通；启动高压电源(3)，使夹片尖角产生电喷雾，将样品离子化；所述的高压电源(3)施加的电压为正的或负的直流高压，或者为正的或负的脉冲高压，电压幅值在10V～100kV范围内，功率在0.01W～100W范围内。
7.采用如权利要求1所述的夹层喷雾离子源装置的一种检测物体表面残留物的质谱离子化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)用上夹片(1)的下表面或下夹片(2)的上表面擦拭物体表面；
2)将溶剂滴在下夹片(2)上；
3)将上夹片(1)覆盖于下夹片(2)上，并上下对齐，使液体样品(5)的厚度大于0，且小于10mm；放置0～10分钟；
4)将夹片尖角朝向质谱仪进样口(4)，与质谱仪进样口(4)的距离为0～500mm；
5)将高压电源(3)的输出端与液体样品(5)连通，启动高压电源(3)，使夹片尖角产生电喷雾，将样品离子化；所述的高压电源(3)施加的电压为正的或负的直流高压，或者为正的或负的脉冲高压，电压幅值在10V～100kV范围内，功率在0.01W～100W范围内。
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