CN108604529A - 离子化质谱法及利用其的质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明的质谱仪及质谱法具有如下的效果：通过利用超声波将样品转换为液状粒子并施加等离子体，从而能够检测各种样品的成分，在不受场所的影响的情况下能够在各种现场中进行样品的检测。

Description

离子化质谱法及利用其的质谱仪

技术领域

本发明涉及一种离子化质谱法及利用其的质谱仪。

背景技术

随着在食品安全、医药品品质管理、医疗诊断、环境分析、法医学、爆炸物探测或化学/生物制剂的快速检测等现场中，用于快速直接分析包含在样品中的成分的分析法的需求不断增加，正在开发用于进行各种现场检测的质谱法(Mass spectrometry，MS)。

例如，利用原位(Ambient)离子化法的质谱法由于不会进行样品的预处理或只通过简单的样品准备而能够在现场中直接分析样品，因此具有适合开发成移动型设备的特性。在开发解吸电喷雾离子化法(Desorption elcctrospary ionization，DESI)和DART(Direct analysis in real time，实时直接分析)离子化法以后，开发了利用结合更多种原理而成的离子化法的质谱仪。原位离子化法大致可划分为基于喷雾的离子化(spray-based ionization)和基于等离子体的离子化(plasma-based ionization)这两个组。

基于喷雾的离子化法的离子化特性与电喷雾离子化(Elctrospray ionization，ESI)的离子化特性相似，DESI为代表性的离子化法。基于喷雾的离子化法由于容易形成多价离子，因此具有能够进行从分子量小的低分子至如蛋白质等的生物高分子的各种物质的分析的优点，但使用溶剂将该各种物质以液状粒子的形态注入到质谱仪的导入部，从而无法排除导入部的污染及在离子化时因基质效应(Matrix effect)导致的离子信号减小的可能性。

基于等离子体的离子化的离子化特性与大气压化学离子化(atmosphericpressure chemical ionization，APCI)的离子化特性相似，DART离子化法为代表性的基于等离子体的离子化法。具体而言，通过由等离子体生成的亚稳定化学物种或初级离子制备用于使物质离子化的气态试剂离子，该气态试剂离子使表面具有或者汽化的物质离子化。基于等离子体的离子化法主要生成一价离子并有利于易气化的物质的离子化。由于基于等离子体的离子化法不使用溶剂或最小限度地使用溶剂，因此虽然作为在未对样品进行预处理的情况下直接分析的现场检测用设备的离子化法具有优点，但还具有限制可离子化成分的缺点。特别是，由于难以检测挥发性低的成分，因此能够通过开发用于加热样品表面的多种方法来拓宽检测范围，但处于无法克服本质局限的状态。基于等离子体的离子化法除DART以外还具有PADI(Plasma assisted desorption ionization，等离子体辅助解吸离子化)、DBDI(Dielectric barrier discharge ionization，介质阻挡放电离子化)、FAPA(Flowing atmospheric-pressure afterglow，流动大气压余辉)及LTP(Low temperatureplasma，低温等离子体)等。基于等离子体的离子化法虽然根据是否使用直流或交流等离子体电源、放电电源的电压及频率、电极和等离子体装置的设计、等离子体气体的种类和流速而呈现不同的特性，但只具有由呈现局部相对高的温度的等离子体带来的部分加热效果，难以进行关于挥发性低的成分的分析。

发明内容

技术问题

本发明的目的在于提供一种质谱仪，该质谱仪能够检测各种样品的成分并不受场所的影响，能够在各种现场中进行样品的检测。

具体而言，本发明的目的是用于改善利用以往开发的等离子体离子化方法的质谱仪的离子化特性和效率，提供一种如下的质谱仪，该质谱仪具有在阳离子和阴离子模式下均易离子化的特性，也能够利用阴离子来分析以往主要只在阳离子模式下检测出的成分。

此外，本发明的目的是提供一种扩大了能够检测挥发性更小的成分的范围的质谱仪。

技术方案

本发明提供一种质谱仪，包括：样品安置部，其包括形成有通孔的超声波振动子，在所述通孔中通过超声波振动子从包含样品及溶剂的吸附材料形成液状粒子并排出，所述吸附材料安置在所述超声波振动子上；反应部，其通过使从所述通孔排出的所述液状粒子与等离子体或由等离子体生成的离子化介质接触而形成离子化物质；导入部，其用于排出所述离子化物质并将所述离子化物质导入检测部；以及检测部，其用于分析由所述导入部排出的所述离子化物质。

在本发明的一例中，本发明的质谱仪在能够实现本发明的目的的范围内并不受限制，但可通过所述超声波振动子的振动从所述吸附材料通过所述通孔形成液状粒子并使该液状粒子流入到所述反应部。

在本发明的一例中，本发明的质谱仪在能够实现本发明的目的的范围内并不受限制，但可进一步包括：等离子体供给部，其用于将等离子体或由等离子体生成的离子化介质供给到所述反应部；以及连接部，其用于连接所述反应部和所述供给部。

此外，本发明提供一种质谱法，包括：步骤a)：通过对包含样品及溶剂的混合物或者吸收所述混合物的吸收材料施加超声波而形成液状粒子；步骤b)：通过使等离子体或由等离子体生成的离子化介质与所述液状粒子接触而生成离子化物质；以及步骤c)：分析所述离子化物质。

在本发明的一例中，所述步骤a)通过超声波振动子从所述混合物或者吸收所述混合物的吸收材料形成所述液状粒子，并且通过所述超声波振动子上的通孔排出所述液状粒子，并且所述步骤b)的液状粒子是从所述通孔排出的。

在本发明的一例中，可随时间的推移依次进行分析，对于所述步骤a)的包含样品及溶剂的混合物或者吸收所述混合物的吸附材料而言，能够实现本发明的目的的范围内并不受限制，但随分析时间的推移而改变所述溶剂的种类或者附加其他种类的溶剂。

有益效果

本发明的质谱仪具有如下的效果：通过利用超声波将样品转换为液状粒子并施加等离子体，从而能够检测各种样品的成分，并且在不受场所的影响的情况下能够在各种现场中进行样品的检测。

具体而言，由于本发明的质谱仪具有在阳离子和阴离子模式下均易离子化的特性，因此具有也可以利用阴离子来分析以往主要只在阳离子模式下检测出的成分的效果。

此外，本发明的质谱仪具有扩大了能够检测挥发性更小的成分的范围的效果。

此外，本发明的质谱仪由于也可以利用USB电源程度的电压5V来将样品转换为液状粒子，因此具有能够与等离子体离子化一同用作不受小型化及场所的影响的现场检测用装置的效果。

附图说明

图1是图示本发明的质谱仪的基本的一例的图。

图2是图示包含双重管结构的探针的本发明的质谱仪的一例的图。

图3是图示具有通过等离子体气体的流动而使液状粒子及等离子体接触的结构的本发明的质谱仪的一例的图。

图4是具有真空抽吸结构的本发明的质谱仪的一例的图。

图5是图示与样品溶液提取量相关的液状粒子生成维持时间的数据。

图6是利用比较例1所涉及的现有的LTP离子化方法(装置)来检测样品的数据。

图7至图9是利用实施例1所涉及的本发明的质谱法(质谱仪)来检测样品的数据。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的离子化质谱法及利用它的质谱仪进行详细说明。

本发明中记载的附图是为了能够向本领域技术人员充分传递本发明的思想而作为例提供的。因此，本发明并不限定于提供的附图，而是也可以被具体化为其他形式，并且为了明确本发明的思想，可以夸大图示所述附图。

此外，如果没有其他定义，本发明中所使用的技术用语和科学用语具有本发明所属技术领域的技术人员普遍理解的含义，在下述的说明及附图中省略关于有可能会不必要地导致本发明要点不清楚的公知功能及结构的说明。

此外，在本发明没有特别提到的情况下不清楚地使用的％单位是指重量％。

此外，本发明中所提到的液状粒子是指样品或包含样品及溶剂的混合物因超声波而转换为液状粒子的液状粒子，优选可指微细液状粒子。

此外，本发明所提到的样品是指通常的样品，优选可指能够通过超声波转换为液状粒子的样品。具体而言，所述样品是指普通的液状样品或固体样品，进一步也可以包括沾上溶剂的样品表面、含有擦拭样品表面后的溶剂的滑动材料或者将所述滑动材料浸湿在溶剂而成的样品等。

本发明提供一种质谱仪及质谱法，其通过对样品施加超声波，利用非常微细的振动使样品转换为液状粒子(微细液状粒子)，从而利用液状粒子与等离子体或由等离子体生成的离子化介质之间的相互作用(接触)来形成离子化物质，并且利用质谱仪等来分析该离子化物质。即，具有如下的效果：通过将样品转换为液状粒子并分析该液状粒子，从而能够检测各种样品的成分，并且在不受场所的影响的情况下能够在各种现场中检测样品。

下面，对本发明进行详细说明。

本发明提供一种质谱仪，包括：样品安置部，其包括形成有通孔的超声波振动子，在所述通孔中通过超声波振动子从包含样品及溶剂的吸附材料(Adsorbent sheet soakedwith solvent)形成液状粒子并排出，所述吸附材料安置在所述超声波振动子上；反应部，其通过使从所述通孔排出的所述液状粒子与等离子体(Plasma)或由等离子体生成的离子化介质接触而形成离子化物质；导入部(MS inlet)，其用于排出所述离子化物质并将所述离子化物质导入检测部；以及检测部，其用于分析由所述导入部排出的所述离子化物质。

在本发明的一例中，所述超声波振动子可以是能够通过由超声波发生器(Ultrasonic resonator，超声波谐振器)等产生的超声波来引起振动的振动子，如图1至图4所示，所述振动子可具有能够安置所述吸附材料的结构。

在本发明的一例中，只要所述吸附材料为能够吸附样品的材料则并不受限，可包含选自天然纤维及合成纤维等中的任一种或两种以上。例如，可列举过滤纸等。

在本发明的一例中，本发明的质谱仪在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，但可以是利用所述超声波振动子的振动从所述吸附材料经由所述通孔形成液状粒子并使该液状粒子流入到所述反应部的质谱仪。

在本发明的一例中，所述吸附材料在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，但如图1至图4所示，可以是安置在所述振动子的形成有通孔的位置上的吸附材料。作为具体例，通过如此在形成有通孔的位置上安置吸附材料，从而能够更有效地形成液状粒子。

在本发明的一例中，只要所述通孔的数量为能够生成液状粒子的程度则并不受限。

在本发明的一例中，所述通孔的直径为能够生成液状粒子的程度则并不受限，可以是0.01至5mm，优选为0.1至2mm。在满足上述范围的情况下，因更有效地形成液状粒子而能够检测各种样品的成分，在不受场所的影响的情况下能够在各种现场中进行样品的检测。

在本发明的一例中，本发明的质谱仪可进一步包括：等离子体供给部，其用于将等离子体或由等离子体生成的离子化介质供给到所述反应部；以及连接部，其用于连接所述反应部和所述供给部。

作为具体的一例，所述连接部在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，所述连接部可以是管结构的探针，只要具有能够使所述离子化物质流动的结构则并不受限。

在本发明的一例中，所述等离子体离子化装置并不受限，可列举FAPA、LTP及DBDI或它们的复合模块等。

在本发明的一例中，所述等离子体离子化装置并不受限，可以是使用交流、直流或交流及直流电源的多种装置。

在本发明的一例中，本发明的质谱仪在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，可以是通过等离子体或由等离子体生成的离子化介质的流动而使液状粒子从所述样品安置部向所述反应部移动的质谱仪。在图1至图3中图示了该质谱仪。

在本发明的一例中，所述反应部在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，所述液状粒子的行进方向和等离子体或由等离子体生成的离子化介质的行进方向所形成的所述反应部中的接触角可以是90至180度。在图1至图4中图示了该接触角。

在本发明的一例中，所述反应部在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，由所述反应部形成的离子化物质的行进方向和等离子体或由等离子体生成的离子化介质的行进方向(等离子体的行进方向)所形成的所述反应部中的接触角可以是0至180度。在图1至图4中图示了该接触角。

作为具体的一例，在由所述反应部形成的离子化物质的行进方向和等离子体或由等离子体生成的离子化介质的行进方向所形成的接触角为接近180度的120至180度的情况下，包含所述等离子体离子化装置的连接部例如可制造为如图2所示那样的双重管结构的探针，并且可以是如下的创意结构：通过借助在等离子体气体(Plasma gas)流动的探针内产生的等离子体来对从超声波振动子的通孔中排出的液状粒子进行离子化，并且以与液状粒子的行进方向或等离子体的行进方向相同的方式导入到所述检测部。

作为具体的一例，在由所述反应部形成的离子化物质的行进方向和等离子体或由等离子体生成的离子化介质的行进方向(等离子体的行进方向)所形成的接触角为接近90度的30至90度的情况下，包含所述等离子体离子化装置的连接部可以是如下的结构：如图3所示那样通过使液状粒子因等离子体气体的流动(等离子体的行进方向)而经过产生等离子体的管内部，从而使该液状粒子离子化。在这种结构的情况下，由于未完全汽化的液状粒子经过等离子体发生装置的内部，因此通常有可能会需要更多的能量，根据情况有可能在LTP中要求比一般使用的装置更大的功率。

在本发明的一例中，本发明的质谱仪在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，可以是通过真空减压(vacuum suction，真空抽吸)而使液状粒子从所述样品安置部向所述反应部移动的质谱仪。如图4所示，本发明的质谱仪为如下的结构：通过检测部导入部的真空抽吸效果制作反应部内的空气流动并在此直接产生等离子体，从而不需要另行供给等离子体气体。在这种结构的情况下，由于在产生等离子体的附近设置有具备通孔的安置部，因此能够通过使在反应部或安置部部分发生空气流动的液状粒子导入到等离子体管内，从而借助所述等离子体使该液状粒子离子化。

在本发明的一例中，由质谱仪分析的离子信号可根据超声波振动子及LTP探针相对于质谱仪的离子导入部的相对位置而改变。

此外，本发明可提供一种质谱法，其在将包含有机物成分的液状样品转换为液状粒子并利用多种等离子体离子化方法使之离子化之后，通过质谱法进行定性或定量分析。

具体而言，本发明的质谱法可包括：步骤a)：通过对包含样品及溶剂的混合物或者吸收所述混合物的吸附材料施加超声波而形成液状粒子；步骤b)：通过使等离子体或由等离子体生成的离子化介质与所述液状粒子接触而生成离子化物质；以及步骤c)：分析所述离子化物质。

作为具体的一例，本发明的质谱法为如下的方法：通过在利用超声波将样品制作为微细的液状粒子之后，使其与等离子体(例如，1,000℃以下的等离子体)发生相互作用，从而使包含在微细的液状粒子中的成分(优选有机物成分)进行离子化并利用质谱仪检测该成分。利用这种方法的本发明的质谱法能够更有效地进行各种成分的定性及定量分析。具体而言，也能够进行关于现有的等离子体离子化方法中难以离子化的挥发性低的成分的分析，只对硝基化合物等极其一部分成分观察阴离子，与主要离子化为阳离子的现有等离子体离子化法不同，能够检测有机酸及简单的脂肪酸的阴离子。由于阴离子检测能够使由其他成分引起的化学杂音最小化，因此具有对未进行简单的样品预处理或预处理的而需要在复杂环境下执行分析的现场检测更有效的优点。

在本发明的一例中，所述步骤a)在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，但所述步骤a)可以是通过超声波振动子从所述混合物或者吸收所述混合物的吸附材料形成所述液状粒子并向所述超声波振动子上的通孔排出所述液状粒子的步骤，并且可以从所述通孔排出所述步骤b)的液状粒子。在如此通过利用超声波产生的振动来使样品通过通孔的情况下样品转换为液状粒子，之后通过在步骤b)中使该液状粒子与等离子体或由等离子体生成的离子化介质接触(相互作用)而生成离子化物质。具有在分析如此生成的离子化物质时，与现有的单纯使样品自身离子化的情况相比能够显著地使各种成分离子化并检测该成分的效果。特别是，具有如下的效果：由于也能够分析挥发性更低的成分，并且还能够利用化学杂音小的阴离子模式进行分析，因此在处理复杂样品的现场检测等中，也通过优异的离子化特性来进一步提高精密度，大幅扩大可分析物质范围。

在本发明的一例中，所述液状粒子的生成维持时间在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，可根据样品量(样品溶液提取量)来调节所述液状粒子的生成维持时间。在图5中作为一例图示了与样品量有关的液状粒子生成维持时间。

在本发明的一例中，所述溶剂在能够实现本发明的目的的范围内并不受限，可包含选自水、甲醇、乙醇、己烷及氯仿等中的任一种或两种以上。由于能够根据样品成分的溶解度及离子化来适当选择这种溶剂，因此这种溶剂并不受限。

在本发明的一例中，关于所述步骤a)的包含样品及溶剂的混合物或者吸收所述混合物的吸附材料，可随着分析时间的推移改变所述溶剂的种类或者附加其他种类的溶剂。即，可随着时间的推移利用其他溶剂对相同的样品依次进行分析。具体而言，由于溶解度及适合离子化的溶剂有可能会根据样品而不同，因此为了更有效地进行分析，可更换溶剂的种类或进一步附加其他种类的溶剂。此时，能够在非连续分析过程中更换溶剂种类或附加其他种类的溶剂，并且也能够在连续分析过程中实时进行分析。

对用于执行本发明的质谱法的一例进行说明则如下所述。

以能够在LC-MS用质谱仪的导入部附近生成由超声波振动子制作的微细液状粒子的方式设置超声波振动子。然后，以从LTP等离子体离子源射出的等离子体或由所述等离子体产生的亚稳态原子通过由超声波振动子产生的微细液状粒子并朝向质谱仪的导入部的方式设置等离子体装置。然后，在将经浸湿液状样品及液状试料而准备的过滤纸放置在所述超声波振动子上之后，在所述等离子体离子源中产生等离子体，通过运转所述超声波振动子而从样品形成微细液状粒子并使之离子化。利用质谱仪等来对如此形成的离子化物质进行定性或定量分析。

在本发明的一例中，在分析其他种类的样品或新样品的情况下，为了更精密地分析，优选通过清洗超声波振动子或将吸附材料更换为新的吸附材料而使用，但这只是优选的一例，本发明并不限于此。

下面，通过实施例对本发明进行更详细说明，但这只是为了更详细地说明本发明，本发明的权利范围并非由下述的实施例来限定。

[实施例1]

将用2W驱动的超声波振动子设置在与质谱仪的真空导入部入口隔开1cm左右的位置上。然后，如图1所示，以由超声波振动子产生的微细液状粒子和LTP离子化装置的等离子体能够相互作用的方式配置LTP离子化装置。然后，将吸收样品及乙醇的直径1cm以下的圆形过滤纸放置在超声波振动子的液体样品安置部分。在图5中图示了与样品溶液提取量有关的微细液状粒子生成维持时间。

接着，对LTP离子化装置施加数kHz及数kV的AC电压，作为等离子体气体流入He的同时产生等离子体，并且以向通过超声波振动子制作出微细液状粒子的部分照射等离子体的方式调整位置。然后，通过开启超声波振动子的电源以产生微细液状粒子并使其与等离子体相互作用，从而使包含在液状粒子中的分析对象成分进行离子化。

接着，利用质谱仪(LTQ线性离子阱，Thermo公司)及通常的电喷雾离子化装置来分析经离子化的所述对象成分(离子化物质)。具体而言，以在m/z50-1000范围内按扫描模式获取质谱的方式设定检测方法。在下述表1及图7至图9中图示了该结果。

[表1]

如上述表1所示，可知应用超声波生成微细液状粒子且利用等离子体离子化的实施例1所涉及的质谱仪或质谱法还能够分析挥发性更小的成分(与如比较例1那样利用LTP离子化的现有的情况相比)并扩大了可分析对象物质的范围，并且还大幅扩大了阴离子可分析成分。

具体而言，在比较例1所涉及的现有的LTP离子化方法的情况下，可知容易检测包含未离子化的氨基酸的有机酸，还能够利用阴离子观察有机酸。

此外，对于脂肪酸类而言，只有在酯化的情况下利用阳离子进行检测，在挥发性低且未加热样品的情况下甚至还无法好好地观察脂肪酸。但是，在应用实施例1所涉及的微细液状粒子生成且利用等离子体离子化的情况下，能够利用阴离子容易地观察脂肪酸而无需其他处理。

[比较例1]

利用并非使由超声波振动子产生的微细液状粒子与等离子体接触(相互作用)的普通的LTP离子化方法，对与实施例1相同的样品进行了分析。在图6中图示了关于该分析的结果。具体而言，代替超声波振动子使用在载玻片上放置溶液并使其干燥而准备的样品。

如图6所示，可确认在棕榈酸乙酯的情况下，实施例1的情况利用与比较例1相比高10倍以上的灵敏度来进行检测。

如图7至图9所示，可确认在实施例1的情况下也利用阴离子很好地观察到利用比较例1的现有的LTP方法未检测到的有机酸、脂肪酸和氨基酸类。

如上述，本发明具有如下的效果：通过等离子体使由超声波产生(由振动子产生)的微细液状粒子离子化，从而能够进行与现有的单纯使样品自身离子化的情况相比更多样的化学成分的离子化及检测。特别是，具有如下的效果：在质谱分析时也能够分析挥发性更低的成分，并且还能够利用化学杂音低的阴离子模式进行分析，因此在处理复杂样品的现场检测等中，也通过优异的离子化特性来进一步提高精密度，大幅扩大可分析物质的范围。

本发明的思想并不局限并确定于所说明的实施例，不仅所附的权利要求书属于本发明思想的范畴内，而且具有与该权利要求书等同或等价的变形的所有内容也属于本发明思想的范畴内。

[附图标记的说明]

10：安置部

11：吸附材料

12：超声波振动子

13：通孔

14：离子化物质

20：反应部

30：连接部

40：导入部

50：等离子体供给部。

Claims (9)

1.一种质谱仪，包括：

样品安置部，其包括形成有通孔的超声波振动子，在所述通孔中通过超声波振动子从包含样品及溶剂的吸附材料形成液状粒子并排出，所述吸附材料安置在所述超声波振动子上；

反应部，其通过使从所述通孔排出的所述液状粒子与等离子体或由等离子体生成的离子化介质接触而形成离子化物质；

导入部，其用于排出所述离子化物质并将所述离子化物质导入检测部；以及

检测部，其用于分析由所述导入部排出的所述离子化物质。

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，

通过所述超声波振动子的振动从所述吸附材料通过所述通孔形成液状粒子并使所述液状粒子流入到所述反应部。

3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，

所述通孔的直径为0.1mm至2mm。

4.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，还包括：

等离子体供给部，其用于将等离子体或由等离子体生成的离子化介质供给到所述反应部；以及

连接部，其用于连接所述反应部和所述供给部。

5.根据权利要求4所述的质谱仪，其中，

通过真空减压而使液状粒子从所述样品安置部向所述反应部移动。

6.根据权利要求4所述的质谱仪，其中，

通过等离子体或由等离子体生成的离子化介质的流动而使液状粒子从所述样品安置部向所述反应部移动。

7.一种质谱法，包括：

步骤a)：通过对包含样品及溶剂的混合物或者吸收所述混合物的吸收材料施加超声波而形成液状粒子；

步骤b)：通过使等离子体或由等离子体生成的离子化介质与所述液状粒子接触而生成离子化物质；以及

步骤c)：分析所述离子化物质。

8.根据权利要求7所述的质谱法，其中，

所述步骤a)通过超声波振动子从所述混合物或者吸收所述混合物的吸收材料形成所述液状粒子，并且通过所述超声波振动子上的通孔排出所述液状粒子，并且所述步骤b)的液状粒子是从所述通孔排出的。

9.根据权利要求7所述的质谱法，其中，

所述质谱法随时间的推移依次进行分析，对于所述步骤a)的包含样品及溶剂的混合物或者吸收所述混合物的吸附材料而言，随分析时间的推移而改变所述溶剂的种类或者附加其他种类的溶剂。