CN110398532A - 一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置及使用该装置实现离子化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置及使用该装置实现离子化的方法，所述装置包括碳纤维离子源和质谱进样通道，碳纤维离子源的采样和离子化端位于质谱进样通道的端口前方，在碳纤维离子源的采样和离子化端的附近设有超声萃取雾化装置。使用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置实现离子化的方法，包括如下操作：将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置上，然后超声萃取雾化装置对样品先后进行萃取、雾化，接着雾化后的样品被碳纤维离子源离子化。本发明提供的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，对多肽类化合物具有良好的离子化效果，且待测样品无需进行前处理，即可对复杂样品进行定性定量分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置及使用该装置实现离子化的方法，属于质谱分析技术领域。
背景技术
质谱(MS)具有分析速度快、专属性强和灵敏度高的特点，是一种分析复杂混合物，提供有关分子信息、重量和被分析物的化学结构的强大工具。近年来，随着相关技术的不断改进与创新，质谱已成为发展最迅速的分析技术之一，同时也为推动其他学科，尤其是生命科学的快速发展发挥了决定性的作用，并开辟了诸多新兴或交叉学科领域。目前，质谱技术在化学与化工、生物学与生命科学、医学、药学、材料科学、环境保护等领域的应用越来越广泛，并在蛋白质组学、代谢组学等新兴研究领域成为最强有力的分析手段及关键技术平台之一。
自2004年Cooks课题组首次提出解吸电喷雾电离(desorption electrosprayionization,DESI)以来，各类敞开式离子化质谱(Ambient ionization massspectrometry,AI-MS)技术不断涌现。目前已经报道的有30多种，这种新兴的在敞开的大气压环境中可直接对物体表面物质进行离子化的质谱分析技术，无需或者只需很少的样品制备过程，便可实现对样品的分析，具有实时、高通量、简便快速等一系列优点，并且保持了传统MS的高分析速度、高灵敏度等特点，因此AI-MS得到了迅猛的发展。
碳纤维离子质谱是一种新型的敞开式离子化质谱，目前被广泛应用于各种化合物的分析。但是，现有的碳纤维离子质谱中使用的碳纤维离子源对多肽类化合物的离子化效率不高甚至无法离子化，导致碳纤维离子质谱还无法实现对多肽类化合物的特异性分析，此外，目前的碳纤维离子质谱在进行复杂样品定量分析时，基质效应高，会造成定量分析的准确性差，为此，需要对样品进行前处理，无法做到快速直接原位分析。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置及使用该装置实现离子化的方法。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，包括碳纤维离子源和质谱进样通道，所述碳纤维离子源的采样和离子化端位于质谱进样通道的端口前方，在碳纤维离子源的采样和离子化端的附近设有超声萃取雾化装置。
作为一种实施方案，所述碳纤维离子源包括高压电源和碳纤维，所述碳纤维的前端为采样和离子化端。
作为优选方案，所述采样和离子化端、超声萃取雾化装置均位于质谱进样通道的端口前方。
作为优选方案，所述高压电源的电压为500～8000V，优选为2000～5000V。
作为一种实施方案，所述超声萃取雾化装置包括但不限于超声雾化片、超声雾化器，优选超声雾化片。
作为一种实施方案，所述采样和离子化端、超声萃取雾化装置、质谱进样通道三者之间为分离状态，且三者之间的相互位置可以调节。
作为优选方案，所述超声萃取雾化装置位于采样和离子化端的上方(以正上方为佳)，超声萃取雾化装置的喷雾端口向下。
作为进一步优选方案，采样和离子化端与超声萃取雾化装置的喷雾端口之间的距离为6～9cm。
作为优选方案，采样和离子化端的轴线与质谱进样通道的轴线处于同一水平线上。
作为优选方案，采样和离子化端的端口与质谱进样通道的端口间的距离为0.3～18mm。
作为一种实施方案，还包括金属中空管，所述高压电源与金属中空管连接，所述碳纤维的后端穿入金属中空管内。
作为优选方案，所述金属中空管内设有辅助溶剂引入通道，或金属中空管的后端连接有辅助溶剂引入通道。
一种使用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置实现离子化的方法，包括如下操作：将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置上，然后超声萃取雾化装置对样品先后进行萃取、雾化，接着雾化后的样品被碳纤维离子源离子化。
作为优选方案，采用以下任意一种方式将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置上：
1)先将样品放置于超声萃取雾化装置上，然后将适宜的萃取溶剂加入超声萃取雾化装置上的样品中；
2)将样品溶于萃取溶剂中配成样品溶液，然后将样品溶液直接放置于超声萃取雾化装置上。
作为优选方案，在碳纤维离子源对样品离子化之前，引入辅助溶剂并使辅助溶剂流到碳纤维离子源的采样和离子化端。
作为进一步优选方案，辅助溶剂的流速为0.1～200微升/分钟，以0.5～10微升/分钟为佳。
作为优选方案，离子化时，碳纤维的工作电压为500～8000V，优选为2000～5000V。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，对待测样品的选择性低，可测试样品对象范围广泛，不仅可满足常规化合物的离子化要求，对复杂样品、大分子量化合物(分子量高于1000)也具有良好的离子化效果，尤其是对多肽类化合物具有良好的离子化效果，适用性强；另外，本发明的离子化装置无需对样品前处理且采样方便，可以直接对固体样品、复杂样本进行原位实时分析，尤其是待测样品无需进行前处理，即可对复杂样品进行定性定量分析，操作简便，成本低廉，环保清洁，易于实现，普适性强，样品在超声萃取雾化装置上不会残留，不会造成连续进样的相互干扰，具有高通量的特性等优点，与常见的质谱仪(如：三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪等)相兼容，应用范围广，实用性强，具有推广应用价值，相对于现有技术，具有显著性进步和实用价值。
附图说明
图1为本发明提供的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置的原理示意图；
图2为本发明提供的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置中碳纤维离子源的采样和离子化端、超声萃取雾化装置和质谱进样通道之间的相对位置关系图；
图3为本发明实施例1中得到的谷胱甘肽的质谱分析图；
图4为本发明实施例1中得到的血管紧张素II的质谱分析图；
图5为本发明实施例2中得到的对中药肉桂片直接分析的质谱分析图；
图6为本发明实施例2中得到的对中药白芷粉直接分析的质谱分析图；
图7为本发明实施例2中得到的对复方磺胺甲恶唑片直接分析的质谱分析图；
图8为本发明实施例3在正离子模式下得到的使用正己烷快速提取中药黄柏得到的质谱图；
图9为本发明实施例3在负离子模式下得到的使用正己烷快速提取中药黄柏得到的质谱图；
图10为本发明实施例3在正离子模式下得到的使用石油醚快速提取中药丹参得到的质谱图；
图11为本发明实施例3在负离子模式下得到的使用石油醚快速提取中药丹参得到的质谱图；
图12为本发明实施例4中得到的格列齐特标准曲线图；
图中标号示意如下：1、质谱进样通道；2、超声萃取雾化装置；3、高压电源；4、碳纤维；5、样品；6、金属中空管；7、辅助溶剂引入通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。
如图1和2所示：本发明提供的一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，包括碳纤维离子源和质谱进样通道1，所述碳纤维离子源的采样和离子化端位于质谱进样通道1的端口前方，在碳纤维离子源的采样和离子化端的附近设有超声萃取雾化装置2。
本发明中，所述碳纤维离子源包括高压电源3和碳纤维4，所述碳纤维4的前端为采样和离子化端。
如图1所示，所述采样和离子化端、超声萃取雾化装置2均位于质谱进样通道1的端口前方。使用的时候，样品5经超声萃取雾化装置2萃取、雾化及采样和离子化端离子化后经质谱进样通道1进入质谱进行质谱分析。碳纤维4包括但不限于碳纤维棒、碳纤维束。
所述高压电源3的电压为500～8000V，优选为2000～5000V。
所述超声萃取雾化装置2只要能够对负载于其上的样品进行萃取、雾化即可，包括但不限于超声雾化片、超声雾化器。例如，本实施例中，所述超声萃取雾化装置2为超声雾化片，所述超声雾化片直接采用市售的超声波雾化片(又名超声波雾化换能片、超声波雾化震荡片等)即可。使用的时候，样品和萃取溶剂一同放置于超声雾化片上，超声雾化片可利用对人体无害的高频震荡，在高频机械波的作用下，以溶剂为介质，通过超声震荡将能量传递给萃取溶剂，在液面下产生空化效应，样品即可同时被空化效应和气溶胶的浸入作用影响进而导致样品被气溶胶所包裹形成了样品小颗粒，在空化效应和气溶胶以及超声波的持续作用下，产生的高压冲击力冲向样品外表面，样品外壁被破坏，气溶胶内的样品颗粒不断更新，样品中的有效成分被提取出来，随着超声的不断进行，表面张力波的能量也随之不断加强，当其能量达到一定值时，其波峰处就会有液体雾粒飞出，使得样品被雾化，从而实现了样品的萃取、雾化。设备简单、操作方便、无噪音污染，所需溶剂量和样品量极少，另外与其他加热雾化的方式相比，能源节约了90％。
超声雾化片的直径大小影响着样品雾化后得到的雾粒数量和雾粒大小，本发明中，所述超声雾化片选用直径为16±0.5mm的超声雾化片。
如图1和图2所示，所述采样和离子化端、超声萃取雾化装置2、质谱进样通道1三者之间为分离状态，且三者之间的相互位置可以调节。具体的，所述超声萃取雾化装置2位于采样和离子化端的上方(以正上方为佳)，超声萃取雾化装置2的喷雾端口向下(以正对着采样和离子化端为佳)，样品5被超声萃取雾化装置2萃取、雾化，雾化后的样品落入下方，被位于下方的采样和离子化采样及离子化。
如图2所示，采样和离子化端与超声萃取雾化装置2的喷雾端口之间的距离H为6～9cm。
如图2所示，使用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置进行质谱分析时，需要使所述装置的采样和离子化端的轴线(即碳纤维4前端的轴线)与质谱进样通道1的轴线处于同一水平线上。
如图2所示，采样和离子化端的端口与质谱进样通道1的端口间的距离D为0.3～18mm。
本发明的核心在于可以对样品进行萃取和雾化的超声萃取雾化装置2辅助碳纤维离子源，使样品5先经超声萃取雾化装置2萃取、雾化后再被碳纤维离子源离子化，置于采样和离子化端、超声萃取雾化装置2、质谱进样通道1三者之间的相互位置只要在上述范围内且方便操作即可。
如图1和图2所示，所述离子化装置包括金属中空管6，所述高压电源3与金属中空管6连接，所述碳纤维4的后端穿入金属中空管6内。金属中空管6具有导电作用，高压电源3通过金属中空管6将电压传导给碳纤维4，使碳纤维4前端采样的样品发生离子化。
上述离子化装置与质谱联用，对样品进行分析时，用溶剂(例如：甲醇、去离子水等)润湿碳纤维，随后即可用于质谱分析。
当然，也可以引入辅助溶剂将碳纤维4润湿，需要引入辅助溶剂时，可以直接以金属中空管6自身内部的中空部分作为溶剂引入通道，辅助溶剂经过金属中空管6流到碳纤维4的前端(即碳纤维离子源的采样和离子化端)；此外，也可以直接在金属中空管6内设有辅助溶剂引入通道7，或者在金属中空管6的后端连接有辅助溶剂引入通道7，通过辅助溶剂引入通道7将辅助溶剂引至碳纤维4的前端。
辅助溶剂的选择根据实际分析样品自行选择即可，包括但不限于水、甲醇、乙醇、丙二醇、丙三醇、乙腈、二氯甲烷、氯仿、己烷、石油醚的单一溶剂或者混合溶剂。
本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置可与常见的质谱仪(如：三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪等)相兼容，也可推广应用到其它质谱分析中，用于质谱分析时，与常见的质谱仪联用即可，应用范围广，实用性强。
使用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置实现离子化的方法，包括如下操作：
将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置2上，然后超声萃取雾化装置2对样品先后进行萃取、雾化，接着雾化后的样品被碳纤维离子源离子化。
本发明中，可采用以下任意一种方式将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置2上：
1)先将样品放置于超声萃取雾化装置2上，然后将适宜的萃取溶剂加入超声萃取雾化装置2上的样品中；简单、快速、无需样品前处理，可以直接实时原位分析；
2)将样品溶于萃取溶剂中配成样品溶液，然后将样品溶液直接放置于超声萃取雾化装置2上。
所述样品可以为固态、半固态，也可以为液态，也可以为挥发性化合物，也可以为低(非)挥发性化合物，可以为具体的化合物也可以为复杂成分的实际样本。
本发明中，采用方式1)时，所述离子化装置可以包括萃取溶剂引入装置(未显示)，萃取溶剂引入装置的出口端位于超声萃取雾化装置2的上方。所述萃取溶剂引入装置采用通用溶剂引入装置即可，可以为人工引入装置也可以为自动引入装置，人工引入装置例如可以为滴管，人工将适宜的萃取溶剂滴入超声萃取雾化装置2上的样品中。自动引入装置置包括但不限于液相色谱、注射泵、毛细管电泳，所述液相色谱包括但不限于正相液相色谱和反向液相色谱。
本发明中，需要使用辅助溶剂时，在碳纤维离子源对样品离子化之前，引入辅助溶剂并使辅助溶剂流到碳纤维离子源的采样和离子化端(碳纤维4的前端)。
辅助溶剂的流速为0.1～200微升/分钟，以0.5～10微升/分钟为佳。
萃取溶剂选择根据实际分析样品的性质自行选择即可，包括极性溶剂(ESI良好溶剂)和非极性溶剂(ESI不良溶剂)，所述ESI不良溶剂是指使用ESI(电喷雾)离子源无法实现离子化的溶剂，通俗来说就是：若使用这些溶剂，使用ESI离子源的质谱仪无法检测到任何信号，因为这些溶剂无法被ESI离子化。萃取溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、丙二醇、丙三醇、乙腈、二氯甲烷、氯仿、己烷、石油醚的单一溶剂或者混合溶剂。
离子化时，碳纤维的工作电压为500～8000V，优选为2000～5000V。
下面结合具体应用实施例进一步说明本发明所能实现的技术效果。
实施例1
采用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对多肽(谷胱甘肽)和大分子化合物(血管紧张素II)进行质谱分析：
将固体谷胱甘肽、血管紧张素II分别溶解在萃取溶剂甲醇溶液中，分别制成浓度为10μg/mL的样品溶液备用；通过金属中空管6引入辅助溶剂甲醇(流速5μL/min)，接通高压电源3，对碳纤维4施加+3000V的高电压；分别取3μL的10μg/mL样品溶液，滴加到超声萃取雾化装置2(超声雾化片)上，超声萃取雾化装置2对样品溶液先萃取后雾化，雾化后的样品被碳纤维4的采样和离子化端采集并离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道1进入质谱仪进行质谱分析，分析结果分别如图3至图4所示。
图3为得到的谷胱甘肽的质谱分析图，图中出现谷胱甘肽的特征质谱信号峰：m/z308；图4为得到的血管紧张素II的质谱分析图，图中出现了血管紧张素II的特征质谱信号峰：m/z 1047；并且图3和图4中，除了上述化合物的相关离子峰外，没有其它杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述装置对多肽以及生物大分子均具有良好的离子化效率，而采用现有的碳纤维离子化装置进行质谱分析则捕获不到这类化合物的相关特征质谱信号峰。
实施例2
采用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对未经任何前处理的实际样本：中药肉桂片、中药白芷粉和复方磺胺甲恶唑片进行质谱分析：
将从市场上购买得到的中药肉桂片、中药白芷粉和复方磺胺甲恶唑片作为备用样品；通过金属中空管6引入辅助溶剂甲醇(流速5μL/min)，接通高压电源3，对碳纤维4施加+3000V的高电压；分别将未经任何前处理的中药肉桂片、中药白芷粉和复方磺胺甲恶唑片直接放置在超声萃取雾化装置2(超声雾化片)上，然后滴加适量的萃取溶剂甲醇，超声萃取雾化装置2分别对中药肉桂、中药白芷和复方磺胺甲恶唑片先萃取(将中药肉桂、中药白芷和复方磺胺甲恶唑片中的有效成分提取出来)后雾化，雾化后的样品被碳纤维4的采样和离子化端采集并离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道1进入质谱仪进行质谱分析，分析结果分别如图5至图7所示。
图5为得到的中药肉桂片的质谱分析图，图中出现了中药肉桂中的特征质谱信号峰：m/z 133(肉桂醛)、m/z 163(肉桂酸甲酯)等；图6为得到的中药白芷粉质谱分析图，图中也出现了白芷的特征质谱信号峰：m/z 203(花椒毒酚)、m/z233(4-羟基异虎耳草素)、m/z271(欧前胡素)、m/z 287(氧化前胡素)、m/z317(白当归脑)；图7得到的复方磺胺甲恶唑片的质谱分析图，图中出现了复方磺胺甲恶唑片的特征质谱信号峰：m/z254(磺胺甲恶唑)、m/z291(甲氧苄啶)；说明采用本发明所述装置对未经任何前处理的、成分复杂的、实际样本具有良好的离子化效率，尤其是对未经前处理的中药实际样品中有效成分具有快速提取和良好的离子化效率以及对药品的快速定性分析具有很大的优势。
实施例3
采用本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)使用ESI不良溶剂正己烷和石油醚对中药黄柏和丹参进行质谱分析：
将从市场上购买得到的中药黄柏和中药丹参作为备用样品；通过金属中空管6引入辅助溶剂正己烷或石油醚(流速5μL/min)，接通高压电源3，对碳纤维4施加+3000V的高电压；分别将中药黄柏、中药丹参直接放置在超声萃取雾化装置2(超声雾化片)上，然后滴加适量的ESI不良溶剂正己烷或石油醚，超声萃取雾化装置2分别对中药黄柏、中药丹参先萃取后雾化，雾化后的样品被碳纤维4的采样和离子化端采集并离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道1进入质谱仪进行质谱分析，分析结果分别如图8至图11所示。
图8为正离子模式下使用正己烷快速提取中药黄柏得到的质谱图；图9为负离子模式下使用正己烷快速提取中药黄柏得到的质谱图；图10为正离子模式下使用石油醚快速提取中药丹参得到的质谱图；图11为负离子模式下使用石油醚快速提取中药丹参得到的质谱图；图8至图11均中出现了黄柏和丹参的特征质谱信号峰，说明采用本发明所述装置对一些ESI不良溶剂(包含但不限于正己烷和石油醚)都具有较好的离子化能力，对于一些无法被ESI有效电离的样品提供了优越的分析途径。
实施例4
对本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置的定量分析的可行性考察：
以格列齐特为研究对象，将格列齐特溶于甲醇中，配制成浓度分别为5ng/ml、10ng/ml、20ng/ml、50ng/ml、100ng/ml、200ng/ml、500ng/ml的格列齐特标准溶液，备用；通过金属中空管6引入辅助溶剂甲醇(流速5μL/min)，接通高压电源3，对碳纤维4施加+3000V的高电压；分别取6μL的不同浓度的格列齐特标准溶液，滴加到超声萃取雾化装置2(超声雾化片)上，样品溶液被萃取、雾化，雾化后的样品被碳纤维4的采样和离子化端采集并离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道1进入质谱仪进行质谱分析，以浓度为横坐标、以峰面积为纵坐标，绘制标准曲线，结果如图12所示
图12为本实施例中得到的格列齐特标准曲线图，由图12可知，线性关系良好，表明本发明所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置具有准确定量分析的潜力。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：包括碳纤维离子源和质谱进样通道，所述碳纤维离子源的采样和离子化端位于质谱进样通道的端口前方，在碳纤维离子源的采样和离子化端的附近设有超声萃取雾化装置。
2.根据权利要求1所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：所述碳纤维离子源包括高压电源和碳纤维，所述碳纤维的前端为采样和离子化端。
3.根据权利要求1所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：所述超声萃取雾化装置位于采样和离子化端的上方，超声萃取雾化装置的喷雾端口向下。
4.根据权利要求2或3所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：采样和离子化端与超声萃取雾化装置的喷雾端口之间的距离为6～9cm。
5.根据权利要求2或3所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：采样和离子化端的端口与质谱进样通道的端口间的距离为0.3～18mm。
6.根据权利要求2或3所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：采样和离子化端的轴线与质谱进样通道的轴线处于同一水平线上。
7.根据权利要求2所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置，其特征在于：还包括金属中空管，所述高压电源与金属中空管连接，所述碳纤维的后端穿入金属中空管内。
8.一种使用权利要求1所述的超声萃取雾化辅助碳纤维离子化装置实现离子化的方法，其特征在于，包括如下操作：将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置上，然后超声萃取雾化装置对样品先后进行萃取、雾化，接着雾化后的样品被碳纤维离子源离子化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，采用以下任意一种方式将含有萃取溶剂的样品放置于超声萃取雾化装置上：
1)先将样品放置于超声萃取雾化装置上，然后将适宜的萃取溶剂加入超声萃取雾化装置上的样品中；
2)将样品溶于萃取溶剂中配成样品溶液，然后将样品溶液直接放置于超声萃取雾化装置上。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：离子化时，碳纤维的工作电压为500～8000V。
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