CN106920735B - 可检测活性中间体的方法、电喷雾离子源装置及质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可检测活性中间体的方法、电喷雾离子源装置及质谱仪。其中，所述电喷雾离子源装置包括用于进样的进样装置，用于将进样装置中的第一部分样品以电喷雾的形式喷出的电喷雾装置，以及曲面化学反应器，所述曲面化学反应器的曲面设置在电喷雾的喷射路径上。本发明将曲面化学反应器设置在电喷雾离子源装置的电喷雾的喷射路径上，使得化学反应发生在离子源内部，可实时监测化学反应过程和检测存在时间短的反应活性中间体；而且避免了电喷雾高电压对化学反应的干扰，使电喷雾质谱的检测更加精确，更能反映待检测体系的真实状况。

Description

可检测活性中间体的方法、电喷雾离子源装置及质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱领域，具体涉及可检测活性中间体的方法、电喷雾离子源装置及质谱仪。

背景技术

有机化学是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科，是化学中极重要的一个分支。有机化学反应机理的研究能帮助我们更好的理解化学反应，总结规律，并有可能对化学反应进行与否以及产物结构性质等进行预测，因此是有机化学学科一项重要的内容，在有机化学发展中占有重要的地位。

有机化学反应机理研究主要包括计算化学方法和化学实验方法。计算化学方法基于量子化学原理，利用计算机模拟分子结构，反应历程，能量等重要信息，模拟化学反应的整体过程，以加深对反应的理解。

试验方法主要是利用核磁、质谱、红外等仪器监测反应过程或检测、分析实验结果。进而得到反应速率、产物、副产物、中间体等重要信息，帮助科学家们窥探反应历程，知晓反应原理。

实验方法是研究化学反应机理的基础，但是由于实验仪器灵敏度、分辨率、时间尺度等的限制，很难实时监测反应过程，另外对理解反应机理很有帮助的高活性反应中间物种也很难监测。因此开发能够实时监测反应过程，捕捉反应活性中间物种的仪器显得尤为重要，对有机反应机理的研究具有战略指导意义。

质谱(又叫质谱法)是一种与光谱并列的谱学方法，通常意义上是指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一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。

质谱分析是一种测量离子质荷比(质量-电荷比)的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同质荷比的带电离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场或磁场使不同质荷比的离子在空间上或时间上分离，或是透过过滤的方式，将它们分别聚焦到检测器而得到质谱图，进而分析确定其质量、结构信息。

电喷雾质谱采用电喷雾离子源装置。电喷雾电离是一种软电离方法，相较于传统质谱电离方式，它能较完整地保留待分析分子结构，因此在生物大分子的分析上有很大的优势。另外，由于其软电离特点，能在一定程度上保留不稳定分子、高活性物种等分子结构，为有机化学反应机理的研究提供了一种强有力的工具。但是很多化学反应的活性中间体存在时间极短，在毫秒级甚至微秒级。而电喷雾质谱进样管路较长，进样时间一般在秒级别以上，难以检测存在时间短的活性中间体。

另外电喷雾过程存在高电压，会有电化学反应发生，而电化学反应有可能对体系造成干扰，很多反应中间活性物种在管路中有可能进一步发生反应，因此检测结果很难反应真实的体系，这给反应机理研究带来了较大的困难。

因此，开发出能够检测存在时间短的活性中间物种并且可以有效避免电化学反应干扰的电喷雾质谱检测方法是利用电喷雾质谱进行化学反应机理研究急需解决的问题。

发明内容

本申请提供一种可检测活性中间体的方法、电喷雾离子源装置及质谱仪，以检测存在时间短的化学反应活性中间体。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种电喷雾离子源装置，包括用于进样的进样装置，用于将进样装置中的第一部分样品以电喷雾的形式喷出的电喷雾装置，以及曲面化学反应器，所述曲面化学反应器的曲面位于电喷雾的喷射路径上。

所述的电喷雾离子源装置，其中，所述曲面化学反应器与电喷雾接触的曲面用于装载第二部分样品，所述第二部分样品可与所述第一部分样品发生化学反应。

所述的电喷雾离子源装置，其中，所述电喷雾入射到所述曲面上的角度为100°～150°。

所述的电喷雾离子源装置，其中，所述电喷雾离子源装置还包括反应器底座，所述曲面化学反应器设置在所述反应器底座上，所述反应器底座可调节曲面化学反应器在预定方向上的位移，所述预定方向包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向中的一种或多种。

所述的电喷雾离子源装置，其中，所述进样装置包括进样泵、进样口和进样管，所述电喷雾装置包括毛细管喷雾针和直流电压产生装置，所述进样口通过进样管与毛细管喷雾针连通；所述进样泵用于输送进样管中的第一部分样品，使其从毛细管喷雾针中喷出，直流电压产生装置对毛细管喷雾针施加高压电场，使第一部分样品经过毛细管喷雾针后，雾化成细小的带有电荷的雾滴并喷出，形成电喷雾。

所述的电喷雾离子源装置，其中，所述第一部分样品为包含第一部分反应物的溶液，第二部分样品包含可与第一部分反应物反应的第二部分反应物。

所述的电喷雾离子源装置，其中，所述反应器底座包括：固定在电喷雾离子源装置腔体内壁上的基座，竖直设置在所述基座上的竖直导向件，以能够移动的方式设置在所述竖直导向件上的支撑件，以及反应器支撑杆；所述支撑件上水平设置有导向槽，所述反应器支撑杆以能够移动的方式设置在导向槽内。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种可检测活性中间体的质谱仪，包括：质量分析器、离子检测器和如上所述的电喷雾离子源装置；所述质量分析器将第一部分样品与第二部分样品反应的混合物按质荷比分开，所述离子检测器对经过质量分析器分开后的离子进行检测。

根据本发明的第三方面，本发明提供一种可检测活性中间体的方法，所述方法包括：

进样装置进样；

电喷雾装置将进样装置进入的第一部分样品以电喷雾的形式喷射到曲面化学反应器的曲面上；所述曲面化学反应器与电喷雾接触的曲面上设置有可与所述第一部分样品发生化学反应的第二部分样品；

所述电喷雾将第二部分样品解离出来并进一步发生反应；

对反应的生成物进行质谱检测。

所述的可检测活性中间体的方法，其中，所述“对反应的生成物进行质谱检测”的步骤包括：

质量分析器将第一部分样品与第二部分样品反应后的混合物按质荷比分开；

离子检测器对经过质量分析器分开的离子进行检测。

本发明的有益效果：将曲面化学反应器设置在电喷雾离子源装置的电喷雾的喷射路径上，由于化学反应发生在离子源内部，可实时监测化学反应过程和检测存在时间短的反应活性中间体；而且避免了高电压对化学反应的干扰，使电喷雾质谱的检测更加精确，更能反映待检测体系的真实状况。

附图说明

图1为本发明提供的电喷雾离子源装置一实施例的工作示意图；

图2为本发明提供的电喷雾离子源装置一实施例中，反应器底座的立体图；

图3为本发明提供的电喷雾离子源装置一实施例中，反应器底座的组成图；

图4为本发明提供的可检测活性中间体的方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

本发明中用到的术语定义：

电喷雾—溶剂带着离子型或极性试样分子流过毛细管，在毛细管的出口处加一高压电场，在库仑力的作用下，试样在毛细管的出口处会发生喷雾，雾化成细小的带有电荷的雾滴，这一现象称为电喷雾。

电喷雾离子源装置—利用电喷雾原理实现物质分子电离的离子源，是电喷雾质谱的重要组件。

电喷雾质谱—配有电喷雾离子源装置的质谱被称为电喷雾质谱。

反应机理—反应机理是化学中用来描述某一化学变化所经由的全部基元反应。虽然整个化学变化所发生的物质转变可能很明显，但为了探明这一过程的反应机理，常常需要其它手段来验证。

有机化学反应中间体—在部分有机化学反应中，反应物并不是直接生成产物，而是经过若干个中间结构生成产物，这些中间结构就是有机反应中间体，它们通常活性很高很不稳定，也很难检测或测定，但是是理解有机反应机理的重要依据。

本发明将曲面化学反应器引入电喷雾离子源装置，在化学反应进行的同时，反应体系混合物的液滴立即进入质谱分析仪被检测。缩短了反应发生到被检测的时间，从而能检测存在时间尺度短的反应活性中间体。

本发明实施例一中，请参阅图1，本发明提供一种电喷雾离子源装置，包括壳体(图中未示出)、进样装置(图中未示出)、电喷雾装置10和曲面化学反应器30。曲面化学反应器30的曲面位于(设置在)电喷雾20的喷射路径上。

进样装置用于进样，具体包括进样泵、进样口和进样管。

电喷雾装置10用于将进样装置中的第一部分样品以电喷雾的形式喷出；其包括毛细管喷雾针和直流电压产生装置，进样口通过进样管与毛细管喷雾针连通；进样泵用于泵送进样管中的第一部分样品，使其从毛细管喷雾针中喷出；直流电压产生装置对毛细管喷雾针施加高压电场，使第一部分样品110经过毛细管喷雾针后，雾化成细小的带有电荷的雾滴并喷出，形成电喷雾20。

曲面化学反应器30与电喷雾20接触的曲面310用于装载第二部分样品320，第二部分样品320可与第一部分样品110发生化学反应。

壳体内部设置有腔体，毛细管喷雾针的喷口和曲面化学反应器30均设置在腔体内。

本发明将曲面化学反应器30设置在电喷雾离子源装置内部，第一部分样品与第二部分样品混合后发生化学反应，从反应发生到被检测的时间大大缩短，质谱可以检测到存在时间尺度短的反应活性物种，并且反应发生和检测同步进行，可以实时监测化学反应的进行；另外，反应发生在曲面化学反应器30附近，远离了喷雾毛细管高压电场区域，避免了电化学反应的发生。因此，该方法能够实时监测化学反应，捕捉反应过程中各种活性中间体，从而为有机化学机理研究提供了一种强有力的分析工具。

进一步的，曲面化学反应器30与电喷雾20接触的面310为内凹曲面。采用内凹曲面有以下几个优点：相对于水平表面(平面)或凸面，内凹曲面表面的负载样品(第二部分样品320)更不容易被冲刷掉，能提供较长时间的监测；另外，由于离子信号强度和喷雾与曲面接触的角度有关，而曲面有更大的可调节范围，更容易进行角度方面的参数优化。优选的，电喷雾入射到所述曲面上的角度与反应体系有关，最佳的入射角度优选在100°～150°之间，换而言之，所述曲面化学反应器30的曲面310上与喷射路径重合的点的切线和喷射路径所成的夹角为100°～150°。

进一步的，曲面310对应的圆心角优选为30°-90°；即保障了第二部分样品320的放置，又能使反应的混合物进入质量分析器入口。

曲面310上距离出口端(图1中的右边缘)0-6mm位置处放置第二部分样品320最佳。此段位置即能使第一部分样品和第二部分样品320反应，又能最大限度的减小反应后留在离子源腔体内的时间，提高了质谱信号强度。

毛细管喷雾针的出口端到曲面310的垂直距离优选为2-10mm，即毛细管喷雾针的出口端到第二部分样品320的垂直距离优选为2-10mm，这个距离段的质谱信号强度和检测限最佳。

请参阅图2，电喷雾离子源装置还包括反应器底座，反应器底座固定在腔体内。曲面化学反应器30设置在反应器底座上，反应器底座可调节曲面化学反应器30在预定方向上的位移，预定方向包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向中的一种或多种，当然，还可以包括曲面化学反应器30旋转的顺时针方向、逆时针方向等。通过反应器底座来调节曲面化学反应器30的位置，给检测提供了便利。

具体的，反应器底座包括：固定在电喷雾离子源装置腔体内壁上的基座410，竖直设置在基座410上的竖直导向件420，以能够移动的方式设置在竖直导向件420上的支撑件430，以及反应器支撑杆440；支撑件430上水平设置有导向槽431，反应器支撑杆440的一端以能够移动的方式设置在导向槽431内。由此，本实施例通过竖直导向件420与支撑件430的配合，实现曲面化学反应器30在竖直方向上的移动(Z轴)，通过反应器支撑杆440在导向槽431内的水平移动实现曲面化学反应器30在水平方向上的位置调整(X轴)，曲面化学反应器30沿着反应器支撑杆440轴向方向移动可实现Y轴方向的位置调整，便于优化曲面化学反应器30的位置。

请参阅图3，基座410可固定在离子源腔体内的侧壁轴上。竖直导向件420设置有凹槽导轨421，支撑件430一端与凹槽导轨421适配，从而能在凹槽导轨421内竖直滑动。导向槽431设置在支撑件430另一端，本实施例为矩形槽。反应器支撑杆440包括杆件441、依次固定在杆件441上的挡块442和滑块443。滑块443与导向槽431适配，在导向槽431内滑动。挡块442防止反应器支撑杆440穿过导向槽431掉落。

曲面化学反应器30设置有与杆件441适配的安装孔。优选的，曲面化学反应器30为柱状体，其侧面设置一个内凹的曲面。曲面化学反应器30的材质可选不锈钢，有机玻璃，聚四氟乙烯等。优选的，质谱正离子模式(电喷雾20为正离子)时，曲面310材料为有机玻璃的曲面化学反应器30较佳；负离子模式(电喷雾20为负离子)时，曲面310材料为聚四氟乙烯的曲面化学反应器30较佳。

由于曲面化学反应器30固定在反应器底座上，可以自动调节角度，方便更换。曲面化学反应器30在反应器底座上调整好位置后，可通过螺栓、螺柱、卡合中的一种或多种固定方式进行固定。

当然，上述的竖直、水平、X轴、Y轴、Z轴等是根据图2所示的摆放位置或者说是坐标系来定的，是为了便于描述反应器底座的具体结构。实际上反应器底座在腔体内并不一定处于图2所示的摆放位置。

进一步的，第一部分样品为包含第一部分反应物的溶液，第二部分样品包含可与第一部分反应物反应的第二部分反应物。第二部分样品可以是固体或液体等，其涂覆在曲面310上。第一部分反应物可以只包含一种反应物，也可包含多种反应物；包含多种反应物时，多种反应物之间不发生反应。当然，第二部分反应物可以只包含一种反应物，也可包含多种反应物；包含多种反应物时，多种反应物之间不发生反应。即，本发明通过将待检测化学反应的反应物分成两部分，这两部分反应物在曲面化学反应器上接触后反应，随即进入质谱仪进行检测，实现了化学反应的实时检测。

应用到有机化学反应实时监测和检测高活性不稳定化学反应中间体时，以两种反应物的反应为例，即第一部分反应物含一种反应物，第二部分反应物包含一种反应物。将其中一种反应物涂覆在曲面化学反应器30的曲面上；另一种反应物溶于溶剂，从进样口注入，然后以喷雾形式喷到曲面化学反应器30的曲面上，将曲面上的反应物解离出来并进一步发生反应，最后反应混合物被质谱检测。若是三种反应物的反应则可以将其中不发生反应的两种反应物混合作为一个整体，放入溶剂或者放置在曲面上，测试方法同上。

本发明提供的电喷雾离子源装置，还可以对物质表面样品，生物组织样品直接分析。在质谱分析中，有时需要对某些表面进行分析(比如爆炸性物质检测，农药检测等)，而传统方法必须预先对表面进行处理，将表面物质转移到溶剂中进行检测。传统检测手段效率低不方便，而且溶剂具有稀释作用，导致离子信号强度降低。

而采用本发明提供的电喷雾离子源装置可以方便的直接对表面进行检测，不需要样品预处理，为检测提供了便利。实验过程为取待分析的一小块表面(例如0.5*0.5cm)固定在曲面化学反应器30的曲面上，然后用合适的溶剂进行检测。

同理，还可以将生物组织小块直接固定在反应器表面进行检测，不用预处理，极大地为生物组织分析提供了方便。

由此可知，通过将化学反应装置引入电喷雾离子源装置技术方案实现了利用电喷雾质谱实时监测化学反应过程和检测存在时间短的反应活性中间体；通过将曲面化学反应器引入电喷雾离子源装置技术方案实现了去除质谱分析技术中电化学反应对待检测体系的干扰，使电喷雾质谱的检测更加精确，更能反映待检测体系的真实状况。

本发明第二实施例中，还提供一种可检测活性中间体的质谱仪，其包括：质量分析器、离子检测器和如上的电喷雾离子源装置。第一部分样品与第二部分样品化学反应的活性中间体等直接进入质量分析器入口510；质量分析器将第一部分样品与第二部分样品反应的混合物按质荷比分开，离子检测器对经过质量分析器分开后的离子进行检测。

进一步的，曲面310的出口端与质量分析器入口510的距离为2-5mm，曲面310的出口端比质量分析器入口510高出0-3mm，如此设置，质谱信号强度和检测限最优。

可见，本发明为质谱仪的电喷雾离子源装置内置了曲面化学反应器，利用该曲面化学反应器可以实现有机化学反应实时监测和检测高活性不稳定化学反应中间体；并且可以不用样品预处理直接对物质表面样品，生物组织样品进行分析。曲面化学反应器通过与之相连的底座，可以实现曲面化学反应器的三维调节和角度改变；曲面化学反应器的形状以及材质可以方便更换以应对各种不同反应体系。

第三实施例中，基于上述实施例提供的可检测活性中间体的质谱仪，本发明还提供一种可检测活性中间体的方法，请参阅图4，方法包括如下步骤：

S10、进样装置进样，即进样口输入由第一部分反应物与溶剂混合形成的溶液(第一部分样品)。

S20、电喷雾装置将进样装置进入的第一部分样品以电喷雾的形式喷射到曲面化学反应器的曲面上；曲面化学反应器与电喷雾接触的曲面上设置有可与第一部分样品发生化学反应的第二部分样品。

S30、电喷雾将第二部分样品解离出来并进一步发生化学反应。

S40、对化学反应的生成物进行质谱检测。

其中，“对反应的生成物进行质谱检测”的步骤包括：

S410、质量分析器将第一部分样品与第二部分样品反应后的混合物按质荷比分开；

S420、离子检测器对经过质量分析器分开的离子进行检测。

由于可检测活性中间体的方法的具体检测原理、结构在上述实施例中已详细阐述，在此不作赘述。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (9)

1.一种电喷雾离子源装置，其特征在于，包括：用于进样的进样装置，用于将进样装置中的第一部分样品以电喷雾的形式喷出的电喷雾装置，曲面化学反应器以及反应器底座；所述曲面化学反应器的曲面位于电喷雾的喷射路径上；所述曲面化学反应器设置在所述反应器底座上，所述反应器底座可调节曲面化学反应器在预定方向上的位移，所述预定方向包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的电喷雾离子源装置，其特征在于，所述曲面化学反应器与电喷雾接触的曲面用于装载第二部分样品，所述第二部分样品可与所述第一部分样品发生化学反应。

3.根据权利要求1或2所述的电喷雾离子源装置，其特征在于，所述电喷雾入射到所述曲面上的角度为100°～150°。

4.根据权利要求1或2所述的电喷雾离子源装置，其特征在于，所述进样装置包括进样泵、进样口和进样管，所述电喷雾装置包括毛细管喷雾针和直流电压产生装置，所述进样口通过进样管与毛细管喷雾针连通；所述进样泵用于输送进样管中的第一部分样品，使其从毛细管喷雾针中喷出，直流电压产生装置对毛细管喷雾针施加高压电场，使第一部分样品经过毛细管喷雾针后，雾化成细小的带有电荷的雾滴并喷出，形成电喷雾。

5.根据权利要求2所述的电喷雾离子源装置，其特征在于，所述第一部分样品为包含第一部分反应物的溶液，第二部分样品包含可与第一部分反应物反应的第二部分反应物；曲面化学反应器与电喷雾接触的面为内凹曲面。

6.根据权利要求1所述的电喷雾离子源装置，其特征在于，所述反应器底座包括：固定在电喷雾离子源装置腔体内壁上的基座，竖直设置在所述基座上的竖直导向件，以能够移动的方式设置在所述竖直导向件上的支撑件，以及反应器支撑杆；所述支撑件上水平设置有导向槽，所述反应器支撑杆以能够移动的方式设置在导向槽内。

7.一种可检测活性中间体的质谱仪，其特征在于，包括：质量分析器、离子检测器和如权利要求1-6任意一项所述的电喷雾离子源装置；所述质量分析器将第一部分样品与第二部分样品反应的混合物按质荷比分开，所述离子检测器对经过质量分析器分开后的离子进行检测。

8.一种可检测活性中间体的方法，其特征在于，所述方法包括：

进样装置进样；

电喷雾装置将进样装置进入的第一部分样品以电喷雾的形式喷射到曲面化学反应器的曲面上；所述曲面化学反应器与电喷雾接触的曲面上设置有可与所述第一部分样品发生化学反应的第二部分样品；其中，所述曲面化学反应器设置在反应器底座上，所述反应器底座可调节曲面化学反应器在预定方向上的位移，所述预定方向包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向中的一种或多种；

所述电喷雾将第二部分样品解离出来并进一步发生反应；

对反应的生成物进行质谱检测。

9.根据权利要求8所述的可检测活性中间体的方法，其特征在于，所述对反应的生成物进行质谱检测的步骤包括：

质量分析器将第一部分样品与第二部分样品反应后的混合物按质荷比分开；

离子检测器对经过质量分析器分开的离子进行检测。