CN109632454B - 一种快速蒸发电喷雾离子源及分析方法 - Google Patents

一种快速蒸发电喷雾离子源及分析方法 Download PDF

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Abstract

一种快速蒸发电喷雾离子源及分析方法，本发明涉及一种快速蒸发电喷雾离子源及分析方法，属于常压质谱离子化技术领域。电离源由电喷雾发生单元、加热单元、气化室和进样单元等四部分组成。将气化室放入加热单元中加热，加热至TB‑TL之间某个温度；使用进样单元将样品溶液滴入气化室；当样品蒸汽上升到质谱仪入口处，将样品蒸汽使用电喷雾电离单元转化成样品离子，再将这些离子引入质谱仪进行检测。操作简单，不需要对样品进行预处理，能实现高通量在线检测。

Description

一种快速蒸发电喷雾离子源及分析方法
技术领域
本发明涉及一种快速蒸发电喷雾离子源及分析方法，属于常压质谱离子化技术领域。
背景技术
我们开发了一种热冲击气化电喷雾电离源及质谱分析系统（专利号：ZL201610018823.6），该方法将样品溶液施加在热源上，样品在接触热源的瞬间发生形变，由液态转化气态。由于样品溶液与热源的接触时间很短，样品溶液所吸收的热量仅仅用于克服分子间力，没有转化为分子内能，不会导致样品中的化合物降解，因此该方法第一次成功地将加热技术应用于热不稳定以及生物大分子的质谱分析，尤其在含复杂基质和高盐含量样品的分析方面具有很好的技术效果。
但是在实际应用中还是发现了一些不足之处，集中体现在：
问题1：样品液滴的受热面积较小，传热效率较差。该装置的气化室部分只有底部被加热，墙壁部分没有被加热，液体滴加到气化室后，只有与气化室底部接触的部分即液滴的下部被加热，没有与底部接触的部分如液滴上部以及液滴的中间部分没有被加热，因此加热效率很低。
问题2：热冲击方法导致样品液滴与热源的接触时间过短，减少了热量的传导。为了降低热不稳定和生物样品的热分解，该方法采用热冲击的方式气化，即把样品放到热的气化室底部，液体样品在接触热板的瞬间发生形变，由液态转化为气态。这样虽然有效避免了热能转化为分子内能，从而避免了热降解，但是由于液体样品与热板接触时间极短，进入气化室的液滴只有一小部分，即与热板接触的部分被气化，并产生的急剧膨胀，这使得液滴没有受热的部分也被推出气化室，但是这部分样品并没有被气化或雾化，不能用来电离并进入质谱进行检测。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种快速蒸发电喷雾质谱分析方法，本发明的技术构思具有如下特点：
特点一：通过提高液滴的受热面积来提高传热效率。气化室为只有上部敞开的圆筒，气化室整体被置于加热装置中，使圆筒的底部和墙壁都被加热，气化室的直径尽可能小。样品被滴入气化室后除了液滴上部，其他部分均和气化室接触，液滴的内部不能和热源接触，通过降低气化室的直径以及减少滴加的样品量，可以有效降低液滴内部的样品量，从而大大提高了液滴受热的比表面，从而提高了传热效率。
特点二：采用快速蒸发方式使样品气化。控制气化室的温度在合适的范围内，使气化室的液滴快速蒸发，形成均匀雾化的小液滴。合适的温度范围是关键，因为温度过低，会使蒸发速度变慢，检测灵敏度降低，并且可能导致样品中的热不稳定化合物和生物样品分解，而温度太高，会导致液滴瞬间从气化室冲出来，液滴与热源接触时间太短，不能有效吸收热量，导致大液滴出现，使气化效果变差。合适的温度应该高于溶液的沸点温度（TB），低于使溶液产生Leidenfrost现象时的温度（TL）。
也就是通过改进装置提高受热面积，改进操作方法优化传热时间来提高传热效率，从而达到提高检测灵敏度和样品的使用效率。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
步骤1：将气化室（3）放入加热单元（2）中加热，加热至TB- TL之间某个温度;
步骤2：使用进样单元（5）将样品溶液滴入气化室（3）；
步骤3：当样品蒸汽上升到质谱仪入口（1）处，将样品蒸汽使用电喷雾电离单元（4）转化成样品离子，再将这些离子引入质谱仪进行检测。
为了实现本发明提供的一种快速蒸发电喷雾质谱分析方法，本发明提供一种快速蒸发电喷雾离子源装置（如图1所示）：
该装置由电喷雾发生单元（4）、加热单元（2）、气化室（3）和进样单元（5）等四部分组成。
质谱仪入口（1）位于最右端；最左端为电喷雾发生单元（4），电喷雾发生单元的尖端（41）位于质谱仪入口（1）轴线上，与质谱仪入口（1）的距离大约为3-10cm；气化室（3）放置在加热单元（2）内部，气化室（3）出口位于质谱仪入口（1）轴线的下方, 与质谱仪入口（1）的水平距离为0-5cm，与质谱仪入口（1）轴线垂直距离为0-5cm，并且位于电喷雾发生单元（4）的尖端（41）和质谱仪入口（1）之间；进样单元（5）位于气化室（3）出口的正上方。气化室（3）由传热良好的金属或陶瓷制成，气化室（3）为圆筒形，内径为2-5mm,高度为3-20mm。所述的进样单元（5）具有对样品溶液吸取、储存、滴加功能，可采用滴管、移液器、注射器等装置。
具体测试分析过程：
1) 打开质谱仪，扫描质谱信号；
2) 打开电喷雾电离单元（4），调整电喷雾尖端（41）的位置，使信号达到最强；
3) 将气化室（3）加热到所需要的温度，使用进样单元（5）向气化室（3）注入样品溶液，调整气化室出口的位置，使样品信号最强；
4) 记录扫描数据，即得到样品离子的质谱图。
技术说明
说明1：步骤1将气化室（3）整体放入加热单元（2），除了上面的出口外，气化室各个部分都被加热，这样可以最大限度地增加气化室（3）的加热面积。气化室（3）是一个顶端开口，底部封闭的圆筒，圆筒的内径对于样品的气化效率十分重要，圆筒内径过小，在进样时，由于表面张力，溶液停留在气化室入口处，无法进入圆筒内部。圆筒内径过大，溶液进入气化室后不能和圆筒内壁充分接触，减少了受热面积，影响传热效率。圆筒的高度对气化也有影响，圆筒越高，样品的受热时间也就越长，气化效果也就越好，但是对于热不稳定和生物样品加热时间长可能导致热降解，因此降低圆筒的高度可以使样品蒸汽快速离开热源，减少降解。
所谓Leidenfrost现象，是指当热板达到或超过某温度（TL）时，将液体置于热板上，液滴的下部与热板之间形成蒸汽，蒸汽将液滴托起，使之不能直接与热板接触，蒸汽相当于热的绝缘层，隔在液滴和热板之间，降低了热传导，反而使液体蒸发速度变慢。我们研究发现，Leidenfrost现象是无法通过增加液滴受热面积去克服的。即使将热板改成热的圆筒，在温度达到TL以上时，将液体放入气化室，液滴迅速从气化室溅出，只有一小部分被气化，其它部分形成较大的液滴，这种大液滴不能提供给质谱检测使用。因此步骤1中的气化室温度必须设定在沸点温度（TB）与Leidenfrost温度（TL）之间。并且我们发现，在该温度范围内，仍然需要优化温度范围，比如对于水溶液，150-250℃效果较好，对于甲醇溶液100-150℃效果较好。对于温度的优化，要看样品溶液的气化要快速、产生的蒸汽液滴要均匀，其次要看质谱信号越强越好。而蒸发速度越快，在短时间内形成的样品蒸汽数量越多，检测信号也就随之提高，并且提高蒸发速度可以非常有效地减少甚至完全避免热不稳定化合物和生物样品的降解，这一点对于提高灵敏度，避免谱图复杂化十分有利，但是蒸发速度太快也会导致受热时间短，产生较大液滴，反而降低检测灵敏度，因此气化室的温度对检测效果有很大影响。
说明2：步骤2样品的用量很少，仅用1滴（5-20μL）就可以得到很好的检测信号。这是因为样品溶液的受热方式由平面改进为立体后，受热面积大大增加，传热效率大幅度增加。另外，在控制合适的温度的情况下，样品液滴快速蒸发，形成均匀的雾状细小液滴，样品全部气化，因此样品的使用效率远远高于热冲击气化（ZL201610018823.6）。因此，尽管进样量很少，但是由于样品利用率高，蒸发速度快，在很短的时间内形成大量的样品气体，因此灵敏度大幅度提高。
说明3：步骤三中的电喷雾单元产生电喷雾气流，电喷雾气流是由一些带电的小液滴组成的，这些带电的小液滴与样品小液滴在质谱仪入口处相遇、融合，形成含有样品溶液的新的带电小液滴，从而使样品中的化合物被电离，进入质谱被分析。电喷雾气流除了电离作用，还有降低样品小液滴温度的作用，这种作用可以减少甚至完全避免样品中的热不稳定化合物和生物大分子降解。
有益效果：
1.热冲击气化技术（ZL201610018823.6）采用热冲击方式提高气化速度，本发明的设计思路是通过提高传热效率的方式提高样品的气化速度，从而保持了专利（ZL201610018823.6）快速气化的优点。
2. 与热冲击气化技术（ZL201610018823.6）相比本发明气化室整体被加热，这种由平面加热方式到立体加热方式的改进，提高了加热面积，从而提高了传热效率；
3. 与热冲击气化技术（ZL201610018823.6）相比，本发明所采用的气化室严格限定了内径，样品液滴进入在这种尺寸的气化室后，液滴周围和底部都和热源接触，并且液滴内部不与热源接触的部分很少，大大了提高液滴中液体受热的比面积，从而提高了传热效率。
4. 热冲击气化技术（ZL201610018823.6）采用的是热冲击方式气化，样品气化瞬间完成，从而降低甚至完全避免了热不稳定化合物和生物样品的分解，但是也导致样品溶液只有部分气化，样品利用率不高。本发明采用控制合理的温度范围，样品利用率可以达到100%，因此本发明即使样品用量很少，也可以得到非常强的质谱信号。
附图说明
图1为一种快速蒸发电喷雾离子源装置的结构示意图。
图中:1-质谱仪入口；2-加热单元；3-气化室；4-电喷雾发生单元；41-电喷雾发生单元喷口；5-进样单元。
图2为中乌头碱甲醇溶液的快速蒸发电喷雾电离质谱图；
图3为肌红蛋白水溶液的快速蒸发电喷雾电离质谱图；
图4为细胞色素C水溶液的快速蒸发电喷雾电离质谱图；
图5为小鼠尿液的快速蒸发电喷雾电离质谱图；
图6为小鼠尿液的电喷雾电离质谱图；
具体实施方式
实施例1
一种快速蒸发电喷雾离子源装置（如图1所示）：由电喷雾发生单元（4）、加热单元（2）、气化室（3）和进样单元（5）等四部分组成。
质谱仪入口（1）位于最右端；最左端为电喷雾发生单元（4），电喷雾发生单元的尖端（41）位于质谱仪入口（1）轴线上，与质谱仪入口（1）的距离大约为3-10cm；气化室（3）放置在加热单元（2）内部，气化室（3）出口位于质谱仪入口（1）轴线的下方, 与质谱仪入口（1）的水平距离为0-5cm，与质谱仪入口（1）轴线垂直距离为0-5cm，并且位于电喷雾发生单元的尖端和质谱仪入口之间；进样单元（5）位于气化室（3）出口的正上方。气化室由传热良好的金属或陶瓷制成，气化室为圆筒形，内径为2-5mm,高度为3-20mm。所述的进样单元（5）具有对样品溶液吸取、储存、滴加功能，可采用滴管、移液器、注射器等装置。
具体操作方法如下：
1) 打开质谱仪，扫描质谱信号；
2) 打开电喷雾电离单元（4），调整电喷雾尖端（41）的位置，使信号达到最强；
3) 将气化室（3）加热到所需要的温度，使用进样单元（5）向气化室（3）注入样品溶液，调整气化室（3）出口的位置，使样品信号最强；
4) 记录扫描数据，即得到样品离子的质谱图。
实施例2
本实施例采用实施例1所述的快速蒸发电喷雾离子源装置（图1）并结合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。电喷雾电压为3 KV，喷雾溶剂为甲醇，喷雾溶剂流速为3μL/min。气化室内径3mm，高度3mm，温度设定为125℃。
操作方法与实施例1相同。使用移液器吸取6.5μL浓度为6mg/L的中乌头碱甲醇溶液滴加到热的气化室中，样品快速蒸发，样品蒸汽在质谱入口（1）被电喷雾电离，形成离子进入质谱被检测。在正谱模式下得到谱图如图2所示，与热冲击气化技术（ZL201610018823.6）相比，最强峰（m/z 632）相同，本方法虽然也产生少量裂解产物（m/z572），但是整体信号强度要比专利（ZL201610018823.6）高一个数量级，并且样品用量也比专利（ZL201610018823.6）少的多。由于分析的是热不稳定化合物，所以气化室的内径和高度要小一些，以便样品溶液快速气化后能快速离开气化室，减少降解。
实施例3
本实施例采用实施例1所述的快速蒸发电喷雾离子源装置（图1）并结合质谱系统分析生物大分子，以肌红蛋白和细胞色素C为例。电喷雾电压为4 KV，喷雾溶剂为含0.1%(v)乙酸的甲醇：水（30:70，v/v）溶液，喷雾溶剂流速为5μL/min。气化室内径5mm，高度5mm，温度设定为200℃。将肌红蛋白和细胞色素C溶解于水，分别配制成59μM和100μM的水溶液。
操作方法与实施例1相同。使用移液器吸取6.5μL肌红蛋白和细胞色素C水溶液滴加在气化室中，扫描质谱数据，结果如图3、4所示，肌红蛋白和细胞色素C均产生带多电荷的质谱峰，所得质谱图与电喷雾质谱图完全相同，没有发生热降解现象，并且和热冲击气化技术（ZL201610018823.6）相比，蛋白质浓度更低，样品用量更少，说明灵敏度更高。由于样品为水溶液，所以气化室温度比用甲醇溶液要高，气化室的内径要大一些。
实施例4
本实施例采用实施例1所述的快速蒸发电喷雾离子源装置（图1）并结合质谱系统分析复杂样品，以没有经过处理的小鼠尿液为样品。电喷雾电压为3.5 KV，喷雾溶剂为甲醇，喷雾溶剂流速为5μL/min。气化室内径5mm，高度20mm，温度设定为200℃。小鼠为随机抽取，以此来检测此本发明对复杂样品的检测效果。
操作方法与实施例1相同。用移液器吸取10μL样品溶液滴加在气化室中，扫描质谱数据，结果如图5所示。作为对比，将样品不经过任何处理，直接使用电喷雾质谱检测，结果如图6所示，只得到m/z 121、181峰，分别对应尿素的二聚体和三聚体，其它均为噪音峰，信号强度很弱，这是因为尿液中含有大量的盐，众所周知，电喷雾质谱是不耐盐溶液的，因此信号很弱，得不到有价值的成分信息。然而使用本发明所述的快速蒸发电喷雾质谱，信号强度可以提高一个数量级（图5），不仅可以检测到尿素（m/z 121、181、241），而且还检测到了大量的固醇类化合物，质谱信息十分丰富。由于使用的尿液可以视为盐溶液，因此气化室温度要高一些，气化室的内径也要大一些，加长气化室的高度也有利于尿液样品充分受热气化。

Claims (5)

1.一种快速蒸发电喷雾离子源装置，其中所述装置由电喷雾发生单元(4)、加热单元(2)、气化室(3)和进样单元(5)四部分组成；
质谱仪入口(1)位于最右端；最左端为电喷雾发生单元(4)，电喷雾发生单元的尖端(41)位于质谱仪入口(1)轴线上，与质谱仪入口(1)的距离为3-10cm；气化室(3)放置在加热单元(2)内部，气化室(3)出口位于质谱仪入口(1)轴线的下方,与质谱仪入口(1)的水平距离为0-5cm，与质谱仪入口(1)轴线垂直距离为0-5cm，并且位于电喷雾发生单元的尖端和质谱仪入口之间；进样单元(5)位于气化室(3)出口的正上方；
其中，气化室由传热良好的金属或陶瓷制成，气化室为圆筒形，内径为2-5mm,高度为3-20mm；加热器控制气化室的温度在样品溶液沸点TB温度和产生Leidenfrost现象温度TL之间。
2.如权利要求1所述一种快速蒸发电喷雾离子源装置，其特征为：所述进样单元(5)具有对样品溶液吸取、储存、滴加功能，采用滴管、移液器、注射器装置。
3.一种快速蒸发电喷雾质谱分析方法，所述方法包括利用权利要求1或2所述的装置进行以下步骤：
步骤1：将气化室(3)放入加热单元(2)进行加热；
步骤2：使用进样单元(5)将样品溶液滴入气化室(3)；
步骤3：当样品蒸汽上升到质谱仪入口(1)处，将样品蒸汽使用电喷雾电离单元(4)转化成样品离子，再将这些离子引入质谱仪进行检测。
4.如权利要求3所述的快速蒸发电喷雾质谱分析方法，其特征为：步骤1中加热温度在样品溶液沸点TB温度和产生Leidenfrost现象温度TL之间。
5.如权利要求3所述的快速蒸发电喷雾质谱分析方法，其特征为：步骤2中液体样品的用量为5-20微升。
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