CN111380743B - 一种混杂样品顺次软电离装置 - Google Patents

一种混杂样品顺次软电离装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混杂样品顺次软电离装置，包括试剂定量添加与混配系统、微量液体布局输送系统、显微形貌分析系统、微型电解池与接口系统、场能量耦合与调控系统、特殊高效电离系统、时序触发与智能控制系统、支撑联接系统，试剂定量添加与混配系统、微量液体布局输送系统、显微形貌分析系统、微型电解池与接口系统、场能量耦合与调控系统、特殊高效电离系统科学地布局、紧凑地安装在支撑联接系统上，并在时序触发与智能控制系统的控制下进行工作，使各系统在时空上实现协助。本发明能够在无需复杂样品预处理条件下，实现在分子层次获得某一特定混杂样品中不同组分的分子结构(M)、丰度含量(A)以及空间分布(D)。

Description

一种混杂样品顺次软电离装置
技术领域
本发明涉及分析设备技术领域，特别是涉及一种混杂样品顺次软电离装置。
背景技术
混杂样品泛指各种除生物样品外的复杂基体样品，一般由多种组分通过强弱不同的物理和/或化学作用混杂交互叠积在一起，广泛存在于日常生活、工业产生和科学研究等领域。例如，日常生活中常见的药膏、牙膏、PM2.5、废旧机油、尘土沙粒等都是由多种有机物、无机物、金属或其氧化物颗粒等理化性质各异、含量丰度不等、赋存状态不同的组分构成的混杂样品。在能源工业中常见的原油、煤、铀矿石，甚至核电站退役的铀燃料棒等，都是典型混杂样品。类似地，在其它生产和研究领域常见的由不同元素组成的各种合金、纳米材料、有机固体、催化剂、岩石矿物，甚至化石、骨骼等也属于混杂样品。
如果能方便地在分子层次获得某一特定混杂样品中不同组分的分子结构(M)、丰度含量(A)以及空间分布(D)，对深入理解该样品本身的理化性状、形成机理、构效关系等有帮助，还可以为材料科学、能源科学、地球科学、环境科学、生命科学等领域中的重要科学与技术问题的深入研究提供前所未有的丰富信息。
由于混杂样品的特殊复杂性，从策略上看，目前的分析手段一般都需要针对特定的检测对象而采用与之相适应的样品预处理步骤，将样品中的特定组分与其它物质分离或富集后再进行检测。显然，该过程不但增加了分析时间，更重要的是可能会丢失相关的关键信息，还可能因繁杂的样品处理过程而增加结果的不确定性。
此外，目前为止，直接质谱分析技术仍然以有机组分的快速检测为主，对复杂基体样品中存在的无机组分，尤其是无机盐、金属氧化物、金属单质或合金颗粒的分析显得力不从心。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种混杂样品顺次软电离装置，以在无需复杂的样品预处理的条件下，实现在分子层次获得某一特定混杂样品中不同组分的分子结构(M)、丰度含量(A)以及空间分布(D)等信息。
本发明提供一种混杂样品顺次软电离装置，包括试剂定量添加与混配系统、微量液体布局输送系统、显微形貌分析系统、微型电解池与接口系统、场能量耦合与调控系统、特殊高效电离系统、时序触发与智能控制系统、支撑联接系统，所述试剂定量添加与混配系统、所述微量液体布局输送系统、所述显微形貌分析系统、所述微型电解池与接口系统、所述场能量耦合与调控系统、所述特殊高效电离系统科学地布局、紧凑地安装在支撑联接系统上，并在时序触发与智能控制系统的控制下进行工作，通过所述时序触发与智能控制系统对各系统进行有序的控制，使各系统在时空上实现协助；
所述微型电解池与接口系统通过所述微量液体布局输送系统实现所述试剂定量添加与混配系统和所述特殊高效电离系统之间的连接，所述场能量耦合与调控系统用于在所述时序触发与智能控制系统的控制下，对所述微型电解池与接口系统进行加热或冷却处理，所述显微形貌分析系统用于在所述时序触发与智能控制系统的控制下对微型电解池中发生的反应过程进行全程监控，获取微型电解池中样品的形貌与尺寸变化信息。
另外，根据本发明上述的混杂样品顺次软电离装置，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述场能量耦合与调控系统使用的场能量包括温度、超声波、微波。
进一步地，所述特殊高效电离系统包含极性调节、能荷调理子系统。
进一步地，所述混杂样品顺次软电离装置具有与质谱仪器联用的接口。
进一步地，所述混杂样品顺次软电离装置的工作流程为：
将待测混杂样品装载进入到所述微型电解池与接口系统中，先用所述显微形貌分析系统观测其形貌并获得尺寸形貌信息S1，将该尺寸形貌信息S1存储备用；
其次，根据需要通过所述试剂定量添加与混配系统制备所需的非极性、弱极性、中等极性、强极性、酸、碱、螯合剂或其组合形成的已知试剂，选择一种试剂，将该试剂作为选定的载体试剂；
接着通过所述场能量耦合与调控系统将特定形式的能量转移耦合到选定的载体试剂中，获得携带有能量或电荷的能荷载体分子；
采用所述微量液体布局输送系统，将能荷载体输送到电解池中，与含有不同组分的混杂样品进行作用，通过载体试剂如环己烷选择性地与样品中非极性组分作用，将混杂样品中非极性组分P1溶解，溶解的组分P1随着载体试剂进入溶液相而与混杂样品母体分离；残余的混杂样品将再次通过所述显微形貌分析系统进行尺寸及形貌观测，获得尺寸形貌信息S2；
将所述尺寸形貌信息S1与所述尺寸形貌信息S2的结果进行对照，以获得所移除的组分在混杂样品中所处的位置及相关空间分布信息；
已溶解组分P1将在所述特殊高效电离系统中，再次经过极性调节、能荷调理，确保电离效率，形成所溶解组分P1的离子供后续质谱分析；如果获得了所溶解的组分P1的质谱信号，则从质谱分析结果中获得该组分中物质分子的种类、相关性、相对丰度及含量信息；当电离条件正确时，如果仍没有获得相应组分的质谱信号，重新选择合适的试剂如极性更大的溶剂分别进行后续的分析，获得相应的信号；
当混杂样品的形貌或尺寸都发生变化时，增加能量调节，以将混杂样品逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测，反复进行，以将对混杂样品进行各组分的顺次电离，获得该组分在混杂样品中的物质分子结构、丰度含量、空间分布信息。
进一步地，所述极性调节包括添加硝酸银或酸。
进一步地，所述能荷调理包括调节电离方式、电离电压、温度、雾化气压中的至少一种。
根据本发明提供的混杂样品顺次软电离装置，以实现典型混杂样品各组分顺次软电离、高灵敏质谱分析检测为特征，离子源是质谱仪器的心脏，制备待测物的离子是质谱分析的前提，本装置能够实现混杂样品各组分顺次软电离，可与质谱仪器的联用，实现高灵敏度质谱分析。利用该装置能够将混杂样品中各组分逐步转移进入溶液相，在无需样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测，对复杂基体样品中存在的无机组分，尤其是无机盐、金属氧化物、金属单质或合金颗粒能够进行有效分析，采用该装置能够最终实现在最低样品耗量、最短分析时间情况下获得混杂样品中不同组分物质的分子结构(M)、丰度含量(A)、空间分布(D)及其相关性信息，有助于开展在材料科学、能源科学、地球科学、环境科学、生命科学等领域典型混杂样品的实际分析，不但对深入了解该样品本身的理化性状、形成机理、构效关系等有帮助，还可望为相关领域某些重要关键科学与技术问题的深入研究提供前所未有的分析工具。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一实施例的混杂样品顺次软电离装置的结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的混杂样品顺次软电离装置的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的混杂样品顺次软电离装置以实现典型混杂样品各组分顺次软电离、高灵敏质谱分析检测为特征。离子源是质谱仪器的心脏，制备待测物的离子是质谱分析的前提。该装置与常见串联质谱仪器的联用和高灵敏度质谱分析；在此基础上，以新研制的混杂样品各组分顺次电离质谱分析平台为基础，据此分析混杂样品中物质的分子结构(M)、丰度含量(A)、空间分布(D)信息。
从上述工作原理及流程看，混杂样品必须时刻暴露在显微形貌分析视野内，保证形貌尺寸的实时在线观测；同时，混杂样品必须与微电极直接接触，而所溶解的组分必须能可控地进入液体载流系统，从而传输到质谱电离系统中，否则不能产生离子供质谱检测。
基于上述内容，请参阅图1，本发明一实施例提供的混杂样品顺次软电离装置，包括试剂定量添加与混配系统10、微量液体布局输送系统20、显微形貌分析系统30、微型电解池与接口系统40、场能量耦合与调控系统50、特殊高效电离系统60、时序触发与智能控制系统70、支撑联接系统80，所述试剂定量添加与混配系统10、所述微量液体布局输送系统20、所述显微形貌分析系统30、所述微型电解池与接口系统40、所述场能量耦合与调控系统50、所述特殊高效电离系统60科学地布局、紧凑地安装在支撑联接系统上80，并在时序触发与智能控制系统70的控制下进行工作，通过所述时序触发与智能控制系统70对各系统进行有序的控制，使各系统在时空上实现协助。
该装置采用模块化设计，具体的，支撑联接系统80作为骨架，决定了该仪器的最大体积及空间排布，同时需要考虑使用的便捷性、各个模块和子系统的磁电兼容性等重要问题。所述试剂定量添加与混配系统10、所述微量液体布局输送系统20、所述显微形貌分析系统30、所述微型电解池与接口系统40、所述场能量耦合与调控系统50、所述特殊高效电离系统60安装在所述支撑联接系统80上。时序触发与智能控制系统70是装置的神经和大脑，通过软件及线路对其余各系统按指令进行有序的控制，使各系统间在时空上实现协助；同时兼具输入、显示功能，通过电脑可以对仪器发送指令，并实时显示显微系统光学影像信息。
其中，所述微型电解池与接口系统40通过所述微量液体布局输送系统20实现所述试剂定量添加与混配系统10和所述特殊高效电离系统60之间的连接，所述场能量耦合与调控系统50用于在所述时序触发与智能控制系统70的控制下，对所述微型电解池与接口系统40进行加热或冷却处理，所述显微形貌分析系统30用于在所述时序触发与智能控制系统70的控制下对顺次软电离装置进行全程监控，获取顺次软电离装置中样品的形貌与尺寸变化信息。
所述场能量耦合与调控系统50使用的场能量包括温度、超声波、微波。所述特殊高效电离系统60包含极性调节、能荷调理子系统，用于实现极性调节和能荷调理。
所述混杂样品顺次软电离装置具有与质谱仪器联用的接口能够直接与LTQ等主流质谱仪器联用。
请参阅图2，上述混杂样品顺次软电离装置的工作流程为：
将待测混杂样品装载进入到微型电解池与接口系统40中，先用显微形貌分析系统30观测其形貌并获得尺寸形貌信息S1；将该信息存储备用；其次，根据需要，通过试剂定量添加与混配系统10，制备所需的非极性、弱极性、中等极性、强极性、酸、碱、螯合剂或其组合形成的已知试剂，选择一种试剂(如环己烷)，将该试剂作为选定的载体试剂；接着通过场能量耦合与调控系统50，将特定形式的能量(如电场、温度、微波、超声波)转移耦合到选定载体试剂中，获得携带有能量甚至电荷的能荷载体分子；采用微量液体布局输送系统20，将能荷载体输送到电解池中，与含有不同组分的混杂样品进行作用，由于载体试剂(如环己烷)选择性地与样品中非极性组分作用，将把混杂样品中非极性组分(P1)溶解，而合适的温度、超声波、微波辐照等条件将有利于该过程的进行，溶解的组分(P1)将随着载体试剂进入溶液相而与混杂样品母体分离；残余的混杂样品将再次通过显微形貌分析系统进行尺寸及形貌观测，获得尺寸形貌信息(S2)；
两次观测的结果进行对照(即S1～S2)可以获得所移除的组分在混杂样品中所处的位置及相关空间分布信息；已溶解组分(P1)将在特殊高效电离系统中，再次经过极性调节(如添加硝酸银、酸等Ag+或H+供体)、能荷调理(例如选择合适的电离方式、电离电压、温度、雾化气压等)，确保电离效率，形成所溶解组分(P1)的离子供后续质谱分析；如果获得了所溶解的组分(P1)的质谱信号，则可以从质谱分析结果中获得该组分中物质分子的种类、相关性、相对丰度及含量等信息；当电离条件正确时，如果仍没有获得相应组分的质谱信号，则说明该混杂样品的组分不能被所选择的非极性溶剂(如环己烷)所溶解。因此，需要重新选择合适的试剂如极性更大的溶剂(如醇、水、酸、螯合剂等)分别进行后续的分析，获得相应的信号。当混杂样品的形貌或尺寸都发生变化时，该样品必然有部分物质进入了溶液；反之，则可能选择的溶剂不适合溶解该样品的组分，故其形貌和尺寸均无变化。
此时，除了选择新的化学试剂外，需要增加能量调节，比如在电场作用下，即使是合金，也能够在一定电压(0～3kV)、一定温度和一定能量场(微波、超声波等)作用下发生溶解，从而将混杂样品逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测。如此反复进行，则将对混杂样品进行各组分的顺次电离，获得该组分在混杂样品中的物质分子结构(M)、丰度含量(A)、空间分布(D)信息，需要指出的时，以上过程均通过时序触发与智能控制系统70进行控制调节。
根据本实施例提供的混杂样品顺次软电离装置，以实现典型混杂样品各组分顺次软电离、高灵敏质谱分析检测为特征，离子源是质谱仪器的心脏，制备待测物的离子是质谱分析的前提，本装置能够实现混杂样品各组分顺次软电离，可与质谱仪器的联用，实现高灵敏度质谱分析。利用该装置能够将混杂样品逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测，对复杂基体样品中存在的无机组分，尤其是无机盐、金属氧化物、金属单质或合金颗粒能够进行有效分析，采用该装置能够最终实现在最低样品耗量、最短分析时间情况下获得混杂样品中不同组分物质的分子结构(M)、丰度含量(A)、空间分布(D)及其相关性信息，有助于开展在材料科学、能源科学、地球科学、环境科学、生命科学等领域典型混杂样品的实际分析，不但对深入了解该样品本身的理化性状、形成机理、构效关系等有帮助，还可望为相关领域某些重要关键科学与技术问题的深入研究提供前所未有的分析工具。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种混杂样品顺次软电离装置，其特征在于，包括试剂定量添加与混配系统、微量液体布局输送系统、显微形貌分析系统、微型电解池与接口系统、场能量耦合与调控系统、特殊高效电离系统、时序触发与智能控制系统、支撑联接系统，所述试剂定量添加与混配系统、所述微量液体布局输送系统、所述显微形貌分析系统、所述微型电解池与接口系统、所述场能量耦合与调控系统、所述特殊高效电离系统紧凑地安装在所述支撑联接系统上，并在时序触发与智能控制系统的控制下进行工作，通过所述时序触发与智能控制系统对各系统进行有序的控制，使各系统在时空上实现协助；
所述特殊高效电离系统包含极性调节和能荷调理子系统；
所述微型电解池与接口系统通过所述微量液体布局输送系统实现所述试剂定量添加与混配系统和所述特殊高效电离系统之间的连接，所述场能量耦合与调控系统用于在所述时序触发与智能控制系统的控制下，对所述微型电解池与接口系统进行加热或冷却处理，所述显微形貌分析系统用于在所述时序触发与智能控制系统的控制下对微型电解池中发生的反应过程进行全程监控，获取微型电解池中样品的形貌与尺寸变化信息。
2.根据权利要求1所述的混杂样品顺次软电离装置，其特征在于，所述场能量耦合与调控系统使用的场能量包括温度和超声波和微波。
3.根据权利要求1所述的混杂样品顺次软电离装置，其特征在于，所述混杂样品顺次软电离装置具有与质谱仪器联用的接口。
4.根据权利要求1所述的混杂样品顺次软电离装置，其特征在于，所述混杂样品顺次软电离装置的工作流程为：
将待测混杂样品装载进入到所述微型电解池与接口系统中，先用所述显微形貌分析系统观测其形貌并获得尺寸形貌信息S1，将该尺寸形貌信息S1存储备用；
其次，根据需要通过所述试剂定量添加与混配系统制备所需的非极性、弱极性、中等极性、强极性、酸、碱、螯合剂或其组合形成的已知试剂，选择一种试剂，将该试剂作为选定的载体试剂；
接着通过所述场能量耦合与调控系统将特定形式的能量转移耦合到选定的载体试剂中，获得携带有能量或电荷的能荷载体分子；
采用所述微量液体布局输送系统，将能荷载体输送到电解池中，与含有不同组分的混杂样品进行作用，通过载体试剂如环己烷选择性地与样品中非极性组分作用，将混杂样品中非极性组分P1溶解，溶解的组分P1随着载体试剂进入溶液相而与混杂样品母体分离；残余的混杂样品将再次通过所述显微形貌分析系统进行尺寸及形貌观测，获得尺寸形貌信息S2；
将所述尺寸形貌信息S1与所述尺寸形貌信息S2的结果进行对照，以获得所移除的组分在混杂样品中所处的位置及相关空间分布信息；
已溶解组分P1将在所述特殊高效电离系统中，再次经过极性调节、能荷调理，确保电离效率，形成所溶解组分P1的离子供后续质谱分析；如果获得了所溶解的组分P1的质谱信号，则从质谱分析结果中获得该组分中物质分子的种类、相关性、相对丰度及含量信息；当电离条件正确时，如果仍没有获得相应组分的质谱信号，重新选择合适的试剂如极性更大的溶剂分别进行后续的分析，获得相应的信号；
当混杂样品的形貌或尺寸都发生变化时，增加能量调节，以将混杂样品逐步转移进入溶液相，在无需其它样品预处理的条件下直接供质谱进行分析检测，反复进行，以将对混杂样品进行各组分的顺次电离，获得该组分在混杂样品中的物质分子结构、丰度含量、空间分布信息。
5.根据权利要求4所述的混杂样品顺次软电离装置，其特征在于，所述极性调节包括添加硝酸银或酸。
6.根据权利要求4所述的混杂样品顺次软电离装置，其特征在于，所述能荷调理包括调节电离方式、电离电压、温度、雾化气压中的至少一种。
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