CN112630289B - 环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-fticr-ms分析方法及装置 - Google Patents

环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-fticr-ms分析方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾‑FTICR‑MS分析方法及装置，包括纳升喷雾装置和傅立叶变换离子回旋共振质谱；纳升喷雾装置包括玻璃喷头、导电针、转接橡胶头、双联加压球和气体储存袋，玻璃喷头装载的样品溶液为间隙水和有机溶剂组成的混合溶液，喷嘴对准傅立叶变换离子回旋共振质谱的进样口。本发明采用纳升喷雾装置与傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICR‑MS)联用，不通过固相萃取纯化和富集样品，而是通过改变基质的配方和纳升喷雾提高离子化效率并减少离子选择性抑制，可实现环境固体样品中间隙水的直接分析，解决了目前技术需通过固相萃取前处理损失生物活性分子信号以及普通电喷雾源选择性信号抑制的关键问题。

Description

环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法及 装置
技术领域
本发明涉及自然溶解有机物(DOM)分析技术领域，具体涉及一种纳升喷雾和傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)共用的分析方法及装置。
背景技术
土壤和沉积物是地球陆地系统最大的碳库，大部分的碳包覆在矿物中或经长期矿化稳化以固相形式存在，固相中包含有少量的间隙水，其中的溶解有机物具有高度活性，对土壤及沉积物团聚体形成、碳储存、全球碳循环具有关键性的作用，同时还是微生物能量和植物营养元素氮、磷的来源。此外，由于溶解有机物的高度可迁移性和种类多样性，已有研究证实它对金属离子和有机物污染物的传输也具有关键性的作用，由于它对环境与有机物来源的快速响应，土壤、沉积物中的溶解有机物还可指示着土地利用、植被类型的变迁。因此在地球化学、环境科学等方面的研究都是一个新兴的、重要的参数。但是，溶解有机物的种类十分复杂，已有报道显示能被人类在分子水平上认识的数量不到5％(JeffreyA.Hawkes,Pamela E.Rossel,Aron Stubbins,David Butterfield,Douglas P.Connelly,Eric P.Achterberg,and others,Efficient Removal of Recalcitrant Deep-OceanDissolved Organic Matter during Hydrothermal Circulation,Nature Geoscience,8(2015),856–60)。
目前，土壤溶解有机物的测试可以通过傅立叶变换离子回旋共振质谱进行测试，这是目前分辨率最高的质谱之一，样品需要预先进行固相萃取前处理纯化和富集，但该测试方法存在以下技术问题：
(1)目前通用的前处理方法是通过PPL柱萃取有机物(Thorsten Dittmar,BorisKoch,Norbert Hertkorn,and Gerhard Kattner,A Simple and Efficient Method forthe Solid-Phase Extraction of Dissolved Organic Matter(SPE-DOM)from Seawater,Limnology and Oceanography,6(2008),230–35)，由于溶解有机物种类可能达10万种之多，包括多肽、糖类、以及无法确认结构的无定型多聚物腐殖酸等，柱萃取前处理方法导致特征有机物信号选择性损失(Raeke Julia,Lechtenfeld Oliver J,Wagner Martin,etal.Selectivity of solid phase extraction of freshwater dissolved organicmatter and its effect on ultrahigh resolution mass spectra.EnvironmentalScience Processes&Impacts，2016,18(7):918-27.)，尤其是生物来源和生物可利用的分子、以及黑碳、脂质、多酚类物质等，这些损失的信号对于认识溶解有机物的生物地球化学过程十分重要，它们代表的是可能被土壤生物利用、可能转化为营养元素的成分，以及可能影响污染物在土壤中的存留和迁移。根据样品来源差异，萃取损失约10％-90％(Yan Li,Mourad Harir,Jenny Uhl,Basem Kanawati,Marianna Lucio,Kirill S.Smirnov,et al.,How Representative Are Dissolved Organic Matter(DOM)Extracts？A ComprehensiveStudy of Sorbent Selectivity for DOM Isolation,Water Research,116(2017),316–23)，可能高达90％萃取损失也使得方法的定量意义减弱，不同样品间的差异因同样的萃取选择性而降低。
(2)前处理完成后，目前国际上通用的质谱检测方法是经通过一般电喷雾源进行离子化再进入傅立叶变换离子回旋共振质谱检测，但是由于电喷雾源存在明显的选择性抑制问题，该方法对于表面活性较低的强极性化合物，在离子化过程中可能受到具有表面活性高的物质的抑制，尤其含有氨基酸或糖类、极性较强的物质的离子化效率显著低于具有表面活性的物质。
(3)此外，固相萃取分析自然溶解有机物所需水样一般大于20mL，这土壤来说取样十分困难，因此传统的方式是通过外加超纯水或添加了无机盐的水洗脱获得溶解有机物，但该方法不能代表实际土壤中的溶解有机物，而只是潜在的可能溶出的物质，且实际洗脱出的溶解有机物与洗脱方法、加入的水的量和无机盐有关，导致同一样品的结果具有不确定性。
综上三点所述，目前已有的方法技术存在前处理信号损失、检测过程离子化抑制和样品采集量限制三方面亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供无需固相萃取、针对环境固体样品中微量间隙水的分析检测方法和装置。
第一方面，本发明提供了一种环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-FTICR-MS分析装置，包括纳升喷雾装置和傅立叶变换离子回旋共振质谱；
纳升喷雾装置包括玻璃喷头、导电针、转接橡胶头、双联加压球和气体储存袋；转接橡胶头为中空管腔结构，一端套接在玻璃喷头远离喷嘴的一端，另一端通过管道与气体储存袋一端相连，气体储存袋另一端通过单向阀一与双联加压球一端相连，双联加压球另一端通过单向阀二与外界空气相连，按压双联加压球时，单向阀一打开，单向阀二关闭，松开双联加压球时，单向阀一关闭，单向阀二打开；
导电针设置在玻璃喷头轴心，一端靠近玻璃喷头喷嘴，另一端伸入转接橡胶头与穿过转接橡胶头侧壁的金属导电夹一端相连，金属导电夹另一端接地；
玻璃喷头装载的样品溶液为间隙水和有机溶剂组成的混合溶液，喷嘴对准傅立叶变换离子回旋共振质谱的进样口。
优选的，所述的导电针为镀金钢针或银针。
优选的，所述的样品溶液通过微量注射器直接从转接橡胶头注射进入玻璃喷头。
优选的，所述的间隙水与有机溶剂的配比范围为1:1至1:100，
优选的，所述的有机溶剂包括醇类，醇与其他有机溶剂的配比为1:0至1:10。
优选的，所述的气体储存袋上设置有压力计。
第二方面，本发明提供了一种环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，采用上述的分析装置，包括以下步骤：
(1)将配置好的样品溶液装入玻璃喷头中，样品溶液为间隙水、甲醇、异丙醇组成的混合溶液；
(2)调节玻璃喷头对准傅立叶变换离子回旋共振质谱进样口，傅立叶变换离子回旋共振质谱离子源加压开启，通过双联加压球吸入空气玻璃喷头开始加压，库伦爆炸实现喷雾；
(3)傅立叶变换离子回旋共振质谱开始扫描并累积谱图，获得溶解有机物的准分子离子峰并进行解谱后得到分子式。
进一步地，所述溶解有机物的分子离子峰包含多种有机物类型，包括脂质区、蛋白质或多肽区、氨基糖区、黑碳类区、木质素类区、单宁类/多酚区。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)待检测样品的配方为间隙水溶液、甲醇、异丙醇的混合溶液，可大大提高溶解有机物的离子化效率，减少选择性抑制。
(2)纳升喷雾装置采用镀金钢针，具有高度的化学惰性和导电性，装置配备加压球，可在离子源较低电压状态实现稳定喷雾。
(3)由于使用了纳升喷雾，对盐的耐受性增加，适用于淡水体系的大部分土壤样品，从而实现免固相萃取前处理这一步骤，因此，完全避免了前处理过程中关键信号的选择性丢失问题。
(4)由于不需要固相萃取前处理，间隙水损耗量减少，且使用的纳升喷雾样品流速极低，因此大大减少的间隙水采集量，避免了需要外加纯水或含盐的水进行洗脱溶解有机物，所得到的是完全符合现场的真实溶解态有机物。
附图说明
图1是本发明公开的纳升喷雾装置的结构示意图。
图2是本发明公开的纳升喷雾装置与傅立叶变换离子回旋共振质谱联用示意图。
图中：1-玻璃喷头；2-镀金钢针；3-固定架；4-转接橡胶管；5-双联加压球；6-气体储存袋；7-球间阀门；8-大气阀门；9-库伦爆炸实现喷雾；10-金属导电夹；11-压力计；12-进样口；13-样品溶液。
图3是国际腐殖酸协会标准物(自然溶解有机碳)的不同方法对比图，其中：
(a)为采用传统方法的经过固相萃取和电喷雾源获得的有机物范克里弗伦分布图(Van Krevelen)；
(b)为采用本发明的纳升喷雾离子化源获得的有机物范克里弗伦分布图(VanKrevelen)，
(c)为采用传统方法的经过固相萃取和电喷雾源获得的有机物分子量分布图；
(d)为采用本发明的纳升喷雾离子化源获得的有机物分子量分布图；
(e)为检出分子数量差异图，白色为传统方法，灰色为本发明的纳升喷雾离子化源方法，重叠为共享部分。
图4是国际腐殖酸协会标准物(自然溶解有机碳)10倍稀释后的采用本发明的纳升喷雾离子化源获得的有机物范克里弗伦分布图(Van Krevelen)。
图5是森林土壤间隙水的溶解有机物(DOM)的不同方法对比图，其中：
(a)为采用传统方法的经过固相萃取和电喷雾源获得的有机物范克里弗伦分布图(Van Krevelen)；
(b)为采用本发明的纳升喷雾离子化源获得的有机物范克里弗伦分布图(VanKrevelen)。
图6是两种方法测得的水体溶解有机物的种类差异图，其中，虚线方框内为本发明方法和装置测试得溶解有机物信号分布，虚线圆框内为传统方法测得溶解有机物信号分布。
图中：14-脂质区；15-蛋白质或多肽区；16-氨基糖区；17-黑碳类区；18-木质素类区；19-单宁类/多酚区。
具体实施方式
下面结合参考附图和实施例，对本发明的技术方案进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以通过调整或相互组合，形成最优技术方案。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-FTICR-MS分析装置，包括纳升喷雾装置和傅立叶变换离子回旋共振质谱。
纳升喷雾装置整体安装在固定架3上，主要包括玻璃喷头1、导电针2、转接橡胶头4、双联加压球5、气体储存袋6、单向阀一7、单向阀二8、金属导电夹10和压力计11。
转接橡胶头4为中空管腔结构，一端套接在玻璃喷头1远离喷嘴的一端，另一端通过管道与气体储存袋6一端相连，气体储存袋6另一端通过单向阀一7与双联加压球5一端相连，双联加压球5另一端通过单向阀二8与外界空气相连，压力计11连接在气体储存袋6上。
单向阀一7和单向阀二8的设置方式为：按压双联加压球5时，单向阀一7打开，单向阀二8关闭，双联加压球5内的空气被挤压进入到气体储存袋6；松开双联加压球5时，单向阀一7关闭，单向阀二8打开，外界空气补充到双联加压球5内，以便下一次加压。
导电针2设置在玻璃喷头1轴心，一端靠近玻璃喷头1喷嘴，另一端伸入转接橡胶头4与穿过转接橡胶头4侧壁的金属导电夹10一端相连，金属导电夹10另一端接地。优选的，导电针2采用具有高度化学惰性和导电性的镀金钢针或银针，可在离子源较低电压状态实现稳定喷雾。
玻璃喷头1装载的样品溶液13为间隙水和有机溶剂组成的混合溶液，喷嘴对准傅立叶变换离子回旋共振质谱的进样口12。优选的，间隙水与有机溶剂的配比范围为1:1至1:100，有机溶剂至少包括甲醇，也可以包括异丙醇等其他有机溶剂，且甲醇与其他有机溶剂的配比为1:0至1:10。
使用时，先将配置好的样品溶液13装入玻璃喷头1中，调节玻璃喷头1对准傅立叶变换离子回旋共振质谱进样口12，傅立叶变换离子回旋共振质谱离子源加压开启，通过双联加压球5吸入空气玻璃喷头1开始加压，库伦爆炸实现喷雾，傅立叶变换离子回旋共振质谱开始扫描并累积谱图，即可获得溶解有机物的准分子离子峰并进行解谱后得到分子式。
实施例2
本实施例提供一种环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，采用实施例1所述的分析装置，具体包括：
首先，取1μL样品间隙水，加入甲醇配制成间隙水与有机溶剂1：10配比的样品溶液13，取5μL装入玻璃喷头1；然后连接橡胶转接头4，将导电针2插入玻璃喷头1至尖端处，连接双联加压球5、气体储存袋6与橡胶转接头4，在气体储存袋6处接入压力计11；将如上装载了样品溶液13的装置固定在固定架3上，调节玻璃喷头1的方向与位置对准傅立叶变换离子回旋共振质谱的进样口12；确保金属导电夹10接地，升高傅立叶变换离子回旋共振质谱离子源电压，通过双联加压球5吸入空气玻璃喷头1开始加压，库伦爆炸实现喷雾，傅立叶变换离子回旋共振质谱开始测试并累积扫描张数得到质谱图。
如图3所示来自国际腐殖酸协会的自然溶解有机物标准的分子分布图，分子量的分布比较类似(图3的c，d)。通过解谱后发现，传统测试方法所得分子式所得分子式主要分布在H/C比0.5-1.5之间，O/C比在0.1-0.9之间(图3的a)，主要是类木质素类物质和部分多酚类物质，实际检出分子数量1827个，远小于本发明方法所测得分子数量2636个(图3的e)，且分子类型的分布也较窄，本发明方法所测得分子的多样性明显较多(图3的b)，涵盖了脂质区14、蛋白质或多肽区15、氨基糖区16、黑碳类区17、木质素类区18、单宁类/多酚区19(图6)。
可见，在同样的样品浓度下，本发明的分析方法有效地增加了可测得溶解有机物的类型和数量。
实施实例3：
图4所示的是同实施实例2的流程和方法，样品溶液十倍稀释后测得的分子类型分布图，可以看到，十倍稀释的样品溶液采用本方法仍能够获得比传统方法(图3a)更丰富和全面的分子式。
实施实例4：
图5显示的是将本方法应用于森林土壤的溶解有机物分布图，采用的是同实施实例2的流程和方法，样品溶液为间隙水十倍稀释后测得的分子类型分布图，可以看到出现了和实施实例1相同的效果，也就是本方法检测到森林土壤的间隙水中更多样的有机物类型，涵盖了脂质区14、蛋白质或多肽区15、氨基糖区16、黑碳类区17、木质素类区18、单宁类/多酚区19(图6)，且观察所测得的有机物组成发现，本方法测得更多的含氮有机物，以及可能更高的生物可利用性。这说明了土壤溶解有机碳在土壤碳循环和氮循环中发挥的作用比以往认识到的更大。
由于该方法适用的样品量(<1μL)是以往传统方法(>10mL)的万分之一或者低于万分之一，对于难以获取间隙水的土壤样品来说，大大拓展了可测得的溶解有机物组成。对于认识溶解有机碳在间隙水中发挥的地球化学作用、土壤营养元素循环以及对土壤环境污染物的迁移和转化都具有重要的作用。
此外，尤其是对于根系微区相关的研究，本方法所需的样品量远低于传统方法，且可检测到的类蛋白和类多糖物质正是植物根系微区相关研究所需检测的关键目标物，因此尤其适用于需要高度分辨率的有机物组成剖面的土壤、沉积物样品，除土壤外，亦可拓展于具有相近浓度范围和基质特征的其他环境样品类型。
综上，本发明的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法及装置，采用纳升喷雾装置与傅立叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)联用，不通过固相萃取纯化和富集样品，而是通过改变基质的配方和纳升喷雾提高离子化效率并减少离子选择性抑制，可实现环境固体样品中间隙水的直接分析，一次获得数千个准分子离子峰，解谱后在有机物范克里弗伦分布图(vanKrevelen)显示，可获得除传统方法主要测试范围类木质素区外，脂质区、蛋白质或多肽区、氨基糖区、黑碳类区、单宁类/多酚区的有机物分子，解决了目前技术需通过固相萃取前处理损失生物活性分子信号以及普通电喷雾源选择性信号抑制的关键问题，而且，样品量是传统方法的万分之一，可满足环境固体样品(如土壤、沉积物等)这类难以获得间隙水样品的原位溶解有机物的分析，解决了以往使用不能反应真实环境的洗脱/水可萃取溶解有机物的问题。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种环境固体样品溶解有机物的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，基于纳升喷雾-FTICR-MS分析装置实现，其特征在于：所述纳升喷雾-FTICR-MS分析装置包括纳升喷雾装置和傅立叶变换离子回旋共振质谱；
纳升喷雾装置包括玻璃喷头、导电针、转接橡胶头、双联加压球和气体储存袋；转接橡胶头为中空管腔结构，一端套接在玻璃喷头远离喷嘴的一端，另一端通过管道与气体储存袋一端相连，气体储存袋另一端通过单向阀一与双联加压球一端相连，双联加压球另一端通过单向阀二与外界空气相连，按压双联加压球时，单向阀一打开，单向阀二关闭，松开双联加压球时，单向阀一关闭，单向阀二打开；
导电针设置在玻璃喷头轴心，一端靠近玻璃喷头喷嘴，另一端伸入转接橡胶头与穿过转接橡胶头侧壁的金属导电夹一端相连，金属导电夹另一端接地；
玻璃喷头装载的样品溶液为间隙水和有机溶剂组成的混合溶液，喷嘴对准傅立叶变换离子回旋共振质谱的进样口；
所述纳升喷雾-FTICR-MS分析方法包括以下步骤：
(1)将配置好的样品溶液装入玻璃喷头中，样品溶液为间隙水、甲醇、异丙醇组成的混合溶液；
(2)调节玻璃喷头对准傅立叶变换离子回旋共振质谱进样口，傅立叶变换离子回旋共振质谱离子源加压开启，通过双联加压球吸入空气玻璃喷头开始加压，库伦爆炸实现喷雾；
(3)傅立叶变换离子回旋共振质谱开始扫描并累积谱图，获得溶解有机物的准分子离子峰并进行解谱后得到分子式，其中，准分子离子峰包含多种有机物类型，包括脂质区、蛋白质或多肽区、氨基糖区、黑碳类区、木质素类区、单宁类/多酚区。
2.根据权利要求1所述的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，其特征在于：所述的导电针(2)为镀金钢针或银针。
3.根据权利要求1所述的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，其特征在于：所述的样品溶液(13)通过微量注射器直接从转接橡胶头(4)注射进入玻璃喷头(1)。
4.根据权利要求1所述的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，其特征在于：所述的间隙水与有机溶剂的配比范围为1:1至1:100。
5.根据权利要求1所述的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，其特征在于：所述的有机溶剂包括醇类，醇与其他有机溶剂的配比为1:0至1:10。
6.根据权利要求1所述的纳升喷雾-FTICR-MS分析方法，其特征在于：所述的气体储存袋(6)上设置有压力计(11)。
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电喷雾质谱在医药领域应用进展;李玫;《现代仪器与医疗》;20131231;第15-20页 *

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