CN111739781B - 一种差分离子迁移谱-质谱联用装置及应用 - Google Patents

一种差分离子迁移谱-质谱联用装置及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于接地极板串接的差分离子迁移谱‑质谱联用装置及应用，属于分析测试领域，包括：进样系统、差分离子迁移谱系统、质谱仪；所述差分离子迁移谱系统包括：第一电极板和第二电极板；所述第一电极板或第二电极板前端与接地极板采用绝缘方式连接。采用前置接地极板能够降低气体射流，减少速度色散效应，在使用掺杂剂的情况下，提高差分离子迁移‑质谱联用整体性能。

Description

一种差分离子迁移谱-质谱联用装置及应用
技术领域
本发明属于分析检测领域，具体涉及一种接地极板串接性能提升差分离子迁移谱-质谱联用装置及其应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
离子迁移谱是一种基于气相快速分离的检测技术。原理上是通过测定气相离子在电场中的迁移率实现对目标物质的定性和定量分析。近年来，离子迁移谱技术在食品、环境污染物、生物和药物分子、以及医疗分析领域获得了广泛的关注和应用，已经逐步成为痕量化合物快速分析的技术工具之一。差分离子迁移谱，属于离子迁移谱中的一种重要的结构类型，其具有结构体积小、便携、灵敏度高、检测速度快等技术特点。差分离子迁移谱可以持续导入和分离离子，因此，可以作为多种质谱系统的离子预滤装置。目前，制约差分离子迁移谱的主要技术问题是其分辨能力和离子传输效率。
电喷雾离子化方法是目前常用的离子化技术之一，通常采用开放式进样模式，但是由于外界环境的影响，喷雾会出现波动，信号稳定性受影响。采用封闭式或囚禁式电喷雾离子源可以通过喷阵和进样系统间的低压空间，获得更加稳定的信号，同时通过添加辅助剂的方式会提高生物分子的离子化效率，增加系统的灵敏度。对于差分离子迁移-质谱联用系统，差分系统载气内添加有机掺杂剂可以提升系统的分辨率。有机掺杂剂在气相条件下，会目标离子发生相互作用，发生成簇和去簇的现象，虽然分辨率得到提升，但是信号强度有时会出现明显的下降，显著影响系统的灵敏度；离子源-差分离子迁移接口空气动力学设计能够提升信号强度和补偿离子损失。在差分离子迁移池前面设计微型开口能够产生较强的气体射流，可以减缓差分离子迁移池的射频弥散场和离子扩散损失。但是研究表明，该设计会明显降低系统分辨率。因此，需要开发平衡分辨率和离子传输效率的离子化及系统传输装置，提升差分离子迁移系统的综合性能。
发明内容
为了克服上述问题，本发明目的在于提供一种基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置。本装置进样系统采用封闭式电喷雾，在离子源后，开发了一组串接接地极板，通过绝缘方式连接一级或者二级离子迁移谱和质谱仪。本发明对于单级和串联差分离子迁移谱系统都适用。对于串联装置，迁移谱系统内修饰气类型和流速的单独调控，两级之间通过分流设计，其修饰剂和载气干扰少，避免了一级载气和修饰剂对于二级分离的影响，提高了系统的分离性能。本发明的前置接地极板能够降低气体射流，减少速度色散效应，在使用掺杂剂的情况下，提高差分离子迁移-质谱联用整体性能。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置，包括：进样系统、差分离子迁移谱系统、质谱仪；所述差分离子迁移谱系统包括：第一电极板和第二电极板；所述第一电极板或第二电极板前端与接地极板采用绝缘方式连接。
本发明的前置接地极板能够降低气体射流，减少速度色散效应，在使用掺杂剂的情况下，提高差分离子迁移-质谱联用整体性能。
本发明的第二个方面，提供一种基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置的运行方法，包括：
样品进样采用蠕动泵进样，
封闭源和辅助气流速设置为600mL/min，进样流速为30微升每小时，正离子模式；
传输毛细管电压设置为0V或者-10V，氮气作为干燥气，温度设置为200-220℃，流速为1.3L/min；
六极杆离子累计时间为0.5秒，平均谱图设置为4个扫描；
质量范围设置为m/z 150-2000；化学掺杂剂添加入封闭离子源和辅助气，浓度为0.5％或者1.0％。
本发明有效地平衡了分辨率和离子传输效率的离子化及系统传输装置，提升差分离子迁移系统的综合性能。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置在食品、环境污染物、生物和药物分子、以及医疗分析领域中的应用。
由于本发明制备的基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置具有较优的综合性能，因此，有望在食品、环境污染物、生物和药物分子、以及医疗分析领域中得到广泛推广。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过在差分离子迁移-质谱联用中增加接地极板，一级和二级差分离子迁移系统的半峰宽分别下降23.8％和25.2％，分辨率得到了明显的提升。
(2)本发明的装置结构简单、操作方便、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中差分离子迁移-质谱联用装置；其中，1-纳电喷雾离子源进样装置；2-封闭离子源腔体；3-离子源辅助气接口Ⅰ；4-气瓶；5-掺杂剂添加装置；6-离子源辅助气接口Ⅱ；7-迁移外腔Ⅰ；8-第一电极板；9-迁移外腔Ⅱ；10-第二电极；11-绝缘体；12-质谱传输毛细管；13-辅助气；14-接地极板。
图2为本发明实施例2中串联差分离子迁移-质谱联用装置；其中，1-纳电喷雾离子源进样装置；2-封闭离子源腔体；3-离子源辅助气接口Ⅰ；4-气瓶；5-第一级掺杂剂添加装置；6-第二级掺杂剂添加装置；7-一级迁移外腔Ⅰ；8-一级迁移第一电极板；9-两级接口；10-二级迁移第一电极板；11-二级迁移外腔Ⅰ；12-质谱传输毛细管；13-第一级辅助气；14-第二级辅助气；15-离子源辅助气接口Ⅱ；16-缓冲气出口；17-二级迁移外腔Ⅱ；18-二级迁移第二电极；19-一级迁移外腔Ⅱ；20-一级迁移第二电极；21-绝缘环体；22-接地极板。
图3为本发明实施例2中串联差分离子迁移-质谱联用电路系统示意图。
图4为本发明实施例3中β-酪蛋白胰蛋白酶解多肽(带单点荷，m/z 780.4978)串联差分离子迁移-质谱联用补偿电压和信号强度比较。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置，包括：进样系统、差分离子迁移谱系统、质谱仪；所述差分离子迁移谱系统包括：第一电极板和第二电极板；所述第一电极板或第二电极板前端与接地极板采用绝缘方式连接。
在一些实施例中，所述进样系统采用封闭式电喷雾。可以通过相对简单的方式使非挥发性溶液相离子转入到气相，便于质谱仪后续的直接检测。
在一些实施例中，所述差分离子迁移谱系统为单级或串联差分离子迁移谱系统。本装置进样系统采用封闭式电喷雾，在离子源后，开发了一组串接接地极板，通过绝缘方式连接一级或者二级离子迁移谱和质谱仪。本发明对于单级和串联差分离子迁移谱系统都适用。
在一些实施例中，所述系统还包括：离子源辅助气供气管道、掺杂剂添加装置、气瓶。对于差分离子迁移-质谱联用系统，差分系统载气内添加有机掺杂剂可以提升系统的分辨率。
在一些实施例中，所述离子源辅助气供气管道分别与气瓶和掺杂剂添加装置相连。以便于调控迁移谱系统内修饰气类型和流速。
在一些实施例中，所述第一电极板和第二电极板平行设置，其外侧设置有迁移外腔。以保差分离子迁移谱可以持续导入和分离离子，对进入质谱系统的离子进行预滤。
在一些实施例中，所述串联差分离子迁移-质谱联用装置中分别设置有第一级掺杂剂添加装置、6-第二级掺杂剂添加装置，二者相对于气瓶并联设置。对于串联装置，迁移谱系统内修饰气类型和流速的单独调控，两级之间通过分流设计，其修饰剂和载气干扰少，避免了一级载气和修饰剂对于二级分离的影响，提高了系统的分离性能。
在一些实施例中，所述串联差分离子迁移-质谱联用装置中还设置有波形发生器、线性放大器，所述波形发生器与线性放大器相连，所述线性放大器分别与第一谐振放大电路、第二谐振放大电路相连，所述第一谐振放大电路与第二谐振放大电路并联设置，所述第一谐振放大电路与一级差分系统相连，所述第二谐振放大电路与二级差分系统相连。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
以下实施例中，质谱系统工作条件如下：
采用傅立叶变换离子回旋共振质谱或者其他高分辨率质谱，封闭式电喷雾系统电压3.0-3.5kV，样品进样采用蠕动泵(LEGATO 110syringe pump(Kd Scientific Inc,USA))进样，封闭源和辅助气流速设置为600mL/min，进样流速为30微升每小时，正离子模式。传输毛细管电压设置为0V或者-10V，氮气作为干燥气，温度设置为200-220℃，流速为1.3L/min。六极杆离子累计时间为0.5秒，平均谱图设置为4个扫描。质量范围设置为m/z 150-2000。化学掺杂剂添加入封闭离子源和辅助气，浓度为0.5％或者1.0％。
试剂及来源：
聚乙二醇600(PEG-600)标准品由德国默克公司购买，β-酪蛋白，胰蛋白酶，正丙醇，甲醇和纯水购自Sigma-Aldrich公司。碳酸氢铵，醋酸钠购自德国Fluka公司。首先将β-酪蛋白溶解于100mM的碳酸氢铵溶液中，胰蛋白酶溶于50mM的乙酸溶液。将蛋白质和酶溶液按照蛋白质：酶为1：30的比例混合后，在37度孵育14小时。最终的溶液在分析前置于-20摄氏度保存。
实施例1：
单级离子迁移-质谱联用装置如图1所示，接地极板的长度分别为20mm和40mm，差分迁移谱通道尺寸为40～80mm×20mm×1.4mm(长×宽×通道宽度)，迁移外腔的材料为聚醚醚酮，电极的材料为C316不锈钢材料，两级接口宽度5mm，其中，1-纳电喷雾离子源进样装置；2-封闭离子源腔体；3-离子源辅助气接口Ⅰ；4-气瓶；5-掺杂剂添加装置；6-离子源辅助气接口Ⅱ；7-迁移外腔Ⅰ；8-第一电极板；9-迁移外腔Ⅱ；10-第二电极；11-绝缘体；12-质谱传输毛细管；13-辅助气；14-接地极板。载气的为氮气，纯度(99.999％)。封闭式喷雾离子源气体、辅助气1和辅助气2默认的流速为800，300和500毫升/分钟。
电路系统：
单级差分离子迁移系统色散电压(DV)值设置为5.66kV，补偿电压(CoV)扫描范围从-10V到+30V，步长为0.25V。
实施例2：
串联差分离子迁移-质谱联用装置设计如图2所示，串联差分迁移谱通道尺寸为40mm×20mm×1.4mm(长×宽×通道宽度)，迁移外腔的材料为聚醚醚酮，电极的材料为C316不锈钢材料，两级接口宽度5mm，其中，1-纳电喷雾离子源进样装置；2-封闭离子源腔体；3-离子源辅助气接口Ⅰ；4-气瓶；5-第一级掺杂剂添加装置；6-第二级掺杂剂添加装置；7-一级迁移外腔Ⅰ；8-一级迁移第一电极板；9-两级接口；10-二级迁移第一电极板；11-二级迁移外腔Ⅰ；12-质谱传输毛细管；13-第一级辅助气；14-第二级辅助气；15-离子源辅助气接口Ⅱ；16-缓冲气出口；17-二级迁移外腔Ⅱ；18-二级迁移第二电极；19-一级迁移外腔Ⅱ；20-一级迁移第二电极；21-绝缘环体；22-接地极板。载气的为氮气，纯度(99.999％)。封闭式喷雾离子源气体、辅助气1和辅助气2默认的流速为800，300和500毫升/分钟。
电路系统：
串联差分离子迁移装置电路系统如3所示，电路系统有一个波形发生器，首先连接一个线性放大器，输出的波形进一步的连接到两个并联谐振放大电路。最后射频波形电压分别连接到一级和二级差分迁移的第二电极上。一级迁移谱第二电极板上加载高场不对称波形高频电压模块产生的高场不对称波形高频电压，电压波形为双正弦波形，分离电压为4-8千伏，频率为750kHz-3MHz；所述一级迁移谱第二电极板还被加上一个直流补偿电压；所述一级迁移谱第一电极板通过电线接地；所述二级迁移谱第二电极板被加上高场不对称波形高频电压模块产生的高场不对称波形高频电压，电压波形为双正弦波形，分离电压(Vp-p)为1-8千伏，频率为750kHz-3MHz；二级迁移谱第二电极板还被加上另一个直流补偿电压；二级迁移谱第一电极板通过电线接地。
实施例3：
本实验采用PEG来评估不同的接地极板长度及差分离子迁移极板对信号强度、半峰宽、补偿电压和分辨率的影响，具体结果见表1-3。如表1所示，对于60mm长的极板的差分离子迁移系统，在不添加掺杂剂的情况下，难以实现分离，PEG7-PEG12的信号强度1.42E+08～3.17E+09之间，补偿电压在-3.21～-1.63V之间。半峰宽范围为0.64～0.90V之间，分辨率为2.42～4.05。在添加0.5％浓度的正丙醇作为掺杂剂后，PEG7-PEG12的信号强度1.13E+07～3.09E+08之间，补偿电压在-1.18～17.05V之间。半峰宽范围为0.61～0.96V之间，分辨率为0.26～26.24。对于PEG7-9的分辨率显著提升。进一步的提高正丙醇掺杂剂的浓度到1.0％后，信号强度进一步的下降为1.83E+06～1.81E+08之间，半峰宽为0.68～0.91V，补偿电压为0.87～25.81，系统的分辨率显著提升为0.96～37.96。有以上数据可见，基于现有的装置系统，掺杂剂的使用，显著提高了系统的分辨率，随着掺杂剂浓度的增加，分辨率获得提升，但是目标分子的信号强度剧烈下降。在40mm长度的差分离子迁移板前串接20mm的接地极板，构建了一种基于接地极板串接的差分离子迁移-质谱联用装置。利用该系统对PEG-600进行分析，结果如表2所示。在掺杂剂浓度为1.0％的情况下，信号强度相对无接地极板条件下明显增强，为3.06E+06～4.89E+08之间，半峰宽为0.73～1.08V，补偿电压为0.24～24.44，系统的分辨率为0.27～31.65。由此可见，接地极板区域能够降低气体射流，减少速度色散效应，在使用掺杂剂的情况下，提高差分离子迁移-质谱联用整体性能。表3为保持总体长度的情况下，继续增加接地极板的长度，系统的性能出现了显著的改变，在掺杂剂浓度为1.0％的情况下，信号强度会持续增加，但是半峰宽增大到1.5V以上，系统的分辨率则下降为同等条件下的30％左右。表4为保持带电极板长度为40mm，接地长度为40mm的系统性能，在添加掺杂剂浓度为1.0％的工作条件下，对比于20mm接地极板长度的系统，信号强度存在显著的下降，最低下降40％，分辨率提升8％，可见增长接地极板的长度，由于接地极板造成的离子扩散时间较长，传输效率会产生明显的下降。因此，本系统最优的条件为20mm接地极板与40mm差分离子接电极板组合。图4为β-酪蛋白质胰蛋白酶解多肽(带单点荷，m/z780.4978)的串联差分离子迁移-质谱联用补偿电压和信号强度比较。可见通过增加接地极板，一级和二级差分离子迁移系统的半峰宽分别下降23.8％和25.2％，分辨率得到了明显的提升。
表1差分离子迁移系统(60mm)对PEG 600的分离性能
Figure GDA0004127269420000101
表2差分离子迁移系统(20+40mm)对PEG 600的分离性能
Figure GDA0004127269420000111
表3差分离子迁移系统(40+20mm)对PEG 600的分离性能
Figure GDA0004127269420000121
表4差分离子迁移系统(40+40mm)对PEG 600的分离性能
Figure GDA0004127269420000131
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置，其特征在于，包括：依次相连的进样系统、差分离子迁移谱系统和质谱仪；所述进样系统采用纳电喷雾离子源进样装置；所述差分离子迁移谱系统包括：封闭离子源腔体、一组接地极板、第一电极板和第二电极板，所述接地极板、第一电极板和第二电极板均位于迁移外腔内侧，所述接地极板接地；所述第一电极板和第二电极板平行设置；所述第一电极板或第二电极板靠近进样系统的前端以绝缘体串接接地极板，所述第一电极板或第二电极板的另一端与质谱仪的质谱传输毛细管相连；所述差分离子迁移谱系统为单级或串联差分离子迁移谱系统；
所述差分离子迁移-质谱联用装置还包括离子源辅助气供气管道、掺杂剂添加装置和气瓶；所述离子源辅助气供气管道一端与气瓶连接，所述离子源辅助气供气管道的另一端分成第一管道和第二管道，所述第一管道连接封闭离子源腔体，所述第二管道连接迁移外腔内部；所述第二管道还与掺杂剂添加装置相连。
2.如权利要求1所述的基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置，其特征在于，所述串联差分离子迁移-质谱联用装置中分别设置有第一级掺杂剂添加装置和第二级掺杂剂添加装置，所述第一级掺杂剂添加装置和第二级掺杂剂添加装置相对于气瓶并联设置。
3.如权利要求1所述的基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置，其特征在于，所述串联差分离子迁移-质谱联用装置中还设置有波形发生器和线性放大器，所述波形发生器与线性放大器相连，所述线性放大器分别与第一谐振放大电路和第二谐振放大电路相连，所述第一谐振放大电路与第二谐振放大电路并联设置，所述第一谐振放大电路与一级差分系统相连，所述第二谐振放大电路与二级差分系统相连。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置的分析方法，其特征在于，包括：
样品进样采用蠕动泵进样，
封闭离子源和离子源辅助气流速分别设置为600mL/min，样品进样流速为30微升每小时，样品进样选择正离子模式；
传输毛细管电压设置为0V或者-10V，氮气作为干燥气，氮气温度设置为200-220℃，氮气流速为1.3L/min；
质谱仪的六极杆离子累计时间为0.5秒，平均谱图设置为4个扫描；
质谱仪的质量范围设置为m/z 150-2000；所述掺杂剂添加装置将掺杂剂添加入离子源辅助气，所述掺杂剂的浓度为0.5％或者1.0％。
5.权利要求1-3任一项所述的基于接地极板串接性能提升差分离子迁移-质谱联用装置在食品、环境污染物、生物和药物分子或医疗分析领域中的应用。
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