CN114839254A - 一种原位电离质谱系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分析化学领域，具体涉及一种原位电离质谱系统及分析方法。该原位电离质谱系统包括电离装置、质谱装置以及设置在二者之间的样品平台，该样品平台包括样品板和固定装置，样品板用于承托待测样品，固定装置用于固定样品板并能使样品板在水平方向上移动。本发明的原位电离质谱系统不仅能够连续多次测样，而且还可适用于不同形状和大小的样品，具有检测效率高、普适性好的优点。并且本发明通过在电离装置的气流出口处设置限流件，可将电离装置产生的亚稳态粒子流集中引到待测样品表面，提高样品表面分析的分辨率；通过将质谱装置的入口传输管设置成具有不同角度的弯管，由此可将离子化后的待测化合物高效传输到质谱装置中进行实时分析。

Description

一种原位电离质谱系统及分析方法

技术领域

本发明属于分析化学技术领域，具体涉及一种用于样品表面直接分析的原位电离质谱系统及分析方法。

背景技术

样品表面含有许多化学信息，例如水果、蔬菜、中草药等表面是否含有营养成分和农药残留，包装材料、塑料制品、纤维制品等表面是否含有毒性成分等。探索样品表面的物质成分信息对于人类的生产和生活都十分重要。

传统基于质谱的方法，例如气相色谱-质谱联用和液相色谱-质谱联用，无法直接分析原始的样品表面。这些分析需要萃取、离心、纯化等样品预处理过程，步骤繁琐、复杂、耗时长，且提供的是样品内部和表面的平均信号，不能很好地反映样品表面的有效成分信息。

而近年来不断发展的基质辅助激光解吸电离(MALDI)技术，可以对样品表面进行物质分析，并可视化生物组织内分子的定位，具有精准成像、灵敏度高等特点。但使用该方法分析样品时需要特定的基质、激光，且样品处理步骤多、对样品形态要求高，并且还无法实现在大气压环境下直接分析。

为此，原位电离质谱(Ambient ionization mass spectrometry,AIMS)技术应运而生，该技术可在大气压条件下对目标样品进行电离和分析，不需要样品制备过程即可直接对样品进行快速的表面分析。原位电离质谱技术的主要特点是通过常压离子源与质谱的连接，在敞开的大气压环境下直接进样和电离，促进了质谱分析的简易化。

实时直接分析电离源(Direct analysis in real time,DART)是近年来发展起来的一种常压离子化方法。其工作原理为：大气压条件下，中性或惰性气体(如氮气或氦气)经放电产生激发态原子，使待测样品表面的待测化合物解吸并瞬间离子化，从而实现样品的实时直接分析。DART离子源可与不同类型的质谱兼容，称为实时直接分析质谱(Directanalysis in real time mass spectrometry,DART-MS)。DART-MS能在几秒钟内分析存在于气体、液体、固体或材料表面的化合物，无需或只需简单样品预处理，且分析时间短，操作简单，并对极性和非极性物质都有较高的离子化效率。如今，DART-MS已经在多个领域的分析中展现了独特的优势，应用范围日益增多。

但现有的DART-MS装置不能对样品表面进行连续分析，检测效率低，并且对样品形状和大小的要求较高，普适性较差，导致在直接分析固体表面时存在一定的不足。因此，开发一种高效的、快速的、连续的、自动的、可用于不同形状样品表面直接分析的原位电离质谱装置和方法具有重要意义。

发明内容

鉴于此，本发明要解决的技术问题是现有的DART-MS装置不能对样品表面进行连续分析，检测效率低，并且对样品形状和大小的要求较高，普适性差。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种原位电离质谱系统，包括：

电离装置，用于对样品表面的待测化合物进行电离；

质谱装置，用于对电离后的待测化合物进行检测分析；以及

样品平台，设置在所述电离装置与所述质谱装置之间，用于放置所述样品；所述样品平台包括样品板和固定装置，所述所述样品板用于承托所述样品，所述固定装置用于固定所述样品板并能使所述样品板在水平方向上移动。

可选地，所述水平方向包括X轴方向和/或Y轴方向，所述X轴方向为靠近所述电离装置的气流出口和所述质谱装置的气流入口的方向，所述Y轴方向为靠近所述电离装置的气流出口且远离所述质谱装置的气流出口的方向。

通过设置可在水平方向上沿X轴、Y轴方向移动的样品平台，使得本发明不仅能够连续多次测样，而且还可适用于不同形状和大小的样品，具有检测效率高、普适性好的优点。

可选地，所述电离装置为DART离子源，该离子源以反射模式安装以使之与样品表面成一定倾斜角度，DART离子源相对于样品的水平和垂直距离均可调节。

可选地，所述固定装置包括水平设置的第一支架和竖直设置的第二支架，在所述第一支架上设置有导轨，所述第二支架上设置有滑块，所述滑块与所述导轨配合以使所述第二支架能沿所述导轨移动，所述样品板固定在所述第二支架上，由此可实现样品板在X轴方向上的移动。

可选地，所述第二支架上设置有多个凸起，所述样品板的一端设置有开孔，所述开孔可套设在所述凸起上。进一步地，所述开孔的尺寸略大于所述凸起的尺寸，以使样品板上的开孔与第二支架上的凸起紧密连接，从而保证二者的搭接。

可选地，所述多个凸起沿垂直与所述导轨的方向呈线型排列。进一步地，多个所述凸起之间的距离为2～4mm，通过改变开孔与凸起的连接位置，实现样品板在Y轴方向上的移动。

可选地，所述样品板的长度和/或宽度方向上设置有刻度。

可选地，所述样品板的材质为不锈钢。与塑料材质相比，不锈钢材质更干净，易清洁，并且不会像塑料等材质一样挥发出杂质，影响检测结果。

可选地，所述电离装置的气流出口处设置有限流件，所述限流件具有供气流流通的通道，所述通道的出口孔径小于所述电离装置的气流出口孔径。限流件的作用在于将电离装置产生的热的亚稳态粒子流集中引到待测样品表面。

进一步地，所述限流件有多个，将其通道的出口孔径分别设计成不同的尺寸，例如可以是2.5mm、1.0mm、0.5mm，通过改变限流件的出口孔径，提高样品表面分析的分辨率。

可选地，所述限流件为陶瓷材质，通过其内部的螺纹与所述电离装置的气流出口处紧密连接。

可选地，所述质谱装置具有入口传输管，用于将电离后的待测化合物吸入所述质谱装置中，所述入口传输管可以是直管，也可以是弯管，弯曲角度为120°～150°。

进一步地，所述质谱装置具有接口部，所述接口部设置有入口传输管和负压发生件，样品表面的待测化合物经电离装置离子化处理后，被负压发生件产生的负压经由入口传输管吸入质谱装置中进行分析检测。入口传输管通过螺母和垫片与接口部紧密连接。

另一方面，本发明还提供了一种原位电离质谱分析方法，包括如下步骤：

将若干样品等距放置在样品板上，利用本发明所述的原位电离质谱系统依次对所述样品表面的待测化合物进行实时直接分析。

可选地，所述样品板的移动速度为0.2mm/s～7.0mm/s。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

1、本发明提供的原位电离质谱系统，包括电离装置、质谱装置以及设置在电离装置与质谱装置之间的样品平台，该样品平台包括样品板和固定装置，样品板用于承托待测样品，固定装置用于固定样品板并能使样品板在水平方向上移动。由此使得本发明的质谱系统不仅能够连续多次测样，而且还可适用于不同形状和大小的样品，具有检测效率高、普适性好的优点。

2、本发明提供的原位电离质谱系统，通过在电离装置的气流出口处设置限流件，且限流件的气流通道的出口孔径小于电离装置的气流出口孔径，由此可将电离装置产生的热的亚稳态粒子流集中引到待测样品表面，从而提高样品表面分析的分辨率。

3、本发明提供的原位电离质谱系统，通过将其质谱装置的入口传输管设置成具有不同角度的弯管，由此可将离子化后的待测化合物高效传输到质谱装置中进行实时分析。

4、本发明提供的原位电离质谱系统，通过配置不同孔径的限流件、不同弯曲角度的入口传输管，且限流件和入口传输管都易于搭建和拆卸简单，可灵活更换，再加之样品平台可在水平的二维方向上移动，使得本发明能够适用于不同形状和大小的样品表面化学成分的直接、高效、连续分析。

5、本发明提供的原位电离质谱系统，其中样品板和入口传输管等部件均采用不锈钢材质，易清洁、容易获取，可重复使用。

6、本发明提供的原位电离质谱系统，不需要溶剂提取、萃取、浓缩、离心、纯化等样品前处理过程，可直接快速分析样品表面的化学成分，分析步骤简单、快速、结果准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中的原位电离质谱系统的结构示意图；

图2为实施例1中的样品平台的结构示意图；

图3为不同孔径陶瓷帽及采用各陶瓷帽在不同温度下的电离效果比较图；

图4为采用不同形状入口传输管的质谱信号比较图；

图5为人参片直接表面分析的总离子流图；

图6为人参片的质谱图。

其中，附图标记说明如下：

1-电离装置；11-限流件；2-质谱装置；21-入口传输管；22-负压发生件；3-样品平台；31-样品板；32-固定装置；321-第一支架；322-第二支架；323-导轨；324-凸起；4-样品；5-安装架。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的原位电离质谱系统包括：

电离装置1，用于对样品4表面的待测化合物进行解吸附和离子化。该电离装置1具体为DART离子源，该离子源以反射模式安装在安装架5上，以使之与样品4的表面成一定倾斜角度，离子源相对于样品4的水平和垂直距离均可调节。在DART离子源的气流出口处还设置有限流件11，所述限流件11具有供气流流通的通道，所述通道的出口孔径小于所述DART离子源的气流出口孔径，由此可将DART离子源产生的热的亚稳态粒子流集中引到待测样品表面。本实施例中的限流件11具体为陶瓷帽，通过其内部的螺纹与DART离子源的气流出口处紧密连接，陶瓷帽的个数可以有多个，将其通道的出口孔径分别设计成不同的尺寸，例如可以是2.5mm、1.0mm、0.5mm，当然出口孔径大小不局限于这几个尺寸，可在工艺允许的范围内更改和变化，通过改变出口孔径，提高样品表面分析的分辨率。

质谱装置2，具有接口部，所述接口部设置有入口传输管21和负压发生件22，样品表面的待测化合物经DART离子源离子化处理后，被负压发生件产生的负压经由入口传输管21吸入质谱装置2中进行分析检测。所述入口传输管21通过螺母和垫片与接口部紧密连接，本实施例中入口传输管21可以是直管，也可以是不锈钢材质的弯管，其弯曲角度例如可以是120°或者150°。

样品平台3，设置在所述电离装置1与所述质谱装置之2间，用于放置所述样品4。所述样品平台3包括样品板31和固定装置32，所述样品板31用于承托所述样品4，所述样品板31的尺寸例如是12cm×5.5cm，当然样品板31的尺寸可根据实际需求更改，在所述样品板31的长度和宽度方向上均设置有刻度标识，以便于将多个待测样品4等距放置在样品板31上，样品板31为不锈钢材质，与塑料材质相比，不锈钢材质更干净，易清洁，且不会像塑料等材质一样挥发出杂质，影响检测结果。所述固定装置32用于固定所述样品板31并能使所述样品板31在水平方向上移动，本实施例中的水平方向包括X轴方向和Y轴方向，其中，X轴方向为靠近所述电离装置1的气流出口和所述质谱装置2的气流入口的方向，所述Y轴方向为靠近所述电离装置1的气流出口且远离所述质谱装置2的气流出口的方向。

请参见图2，本实施例中的固定装置32包括水平设置的第一支架321和竖直设置的第二支架322，在所述第一支架321上设置有导轨323，所述第二支架322上设置有滑块(图中未示出)，所述滑块与所述导轨323配合以使所述第二支架322能沿所述导轨323移动，所述样品板31固定在所述第二支架322上，由此可实现样品板31在X轴方向上的移动。另外，所述第二支架322上还设置有多个凸起324，例如5个凸起，这些凸起沿垂直与所述导轨323的方向呈线型排列，且相邻两个凸起之间的距离为2～4mm，例如可以是3mm，同时所述样品板31的一端设置有开孔，所述开孔的尺寸略大于所述凸起324的尺寸，以使样品板31上的开孔可与第二支架上322的凸起324紧密连接，从而保证二者的搭接。通过改变开孔与凸起324的连接位置，可以实现样品板31在Y轴方向上的移动。

本实施例通过设置可在水平方向上沿X轴、Y轴方向移动的样品平台，使得整个系统不仅能够连续多次测样，而且还可适用于不同形状和大小的样品，具有检测效率高、普适性好的优点。

利用本实施例中的原位电离质谱系统进行质谱分析的方法，包括如下步骤：

测试前，将陶瓷帽安装在DART离子源的气流出口处，将入口传输管固定在质谱装置接口部的离子入口处，之后将样品板安装在固定装置上，再将待分析样品固定在样品板上，当分析多个样品时，可将样品按相同间隔顺序放置在样品板上，最后调节DART离子源的位置，以使陶瓷帽的气流出口正对待分析样品。

测试过程中，设置DART离子源、质谱装置的相关工作参数，通过控制滑块在导轨中的移动，使得样品板上的待分析样品按照设定的移动速度例如可以是0.2mm/s～7.0mm/s，自动到达DART电离区域。样品表面物质被DART离子源电离，然后由质谱装置产生的负压经入口传输管进入质谱装置中进行分析检测，从而得到质谱分析信号。

测试例1

选择人参片、黄芪片作为待分析样品，采用实施例1中的原位电离质谱系统，根据样品表面直接分析的优化参数条件，设定DART离子源温度为350℃、400℃、泵压为-65MPa，进行分析检测。

人参片和黄芪片不需任何预处理，使用双面胶将其固定在样品板上，该样品板能够实现连续、自动进样。DART-MS每次分析四个样品，使用人参片和黄芪片分别优化陶瓷帽和质谱入口传输管。优化陶瓷帽孔径时选用质谱入口传输管为150°弯管，控制其他实验参数不变，改变陶瓷帽的孔径，分别为2.5mm、1.0mm、0.5mm。优化质谱入口传输管时选用1.0mm孔径的陶瓷帽，控制其他实验参数不变，更换质谱入口传输管，分别为直管、不锈钢弯管120°、不锈钢弯管150°。连续操作后记录得到人参片和黄芪片的质谱数据，分析处理质谱数据。

不同孔径陶瓷帽及其在不同温度下的电离效果情况参见图3，根据图3可知，不同孔径的陶瓷帽，分辨率不同，且陶瓷帽孔径越小，分辨率越高。不同形状入口传输管的质谱信号如图4所示，由图4可知，改进后的入口传输管的弯管形式对离子传输效率更好，可提高质谱检测的信号响应。

测试例2

采用实施例1中的原位电离质谱系统，选定人参片为待分析样品进行分析检测。设定DART离子源的温度为350℃、泵压为-65MPa，DART持续工作，质谱处于持续记录状态，一次可对四块人参片进样分析。

图5为人参片直接表面分析的总离子流图(TIC)，并可得到丰富的物质信号，如图6所示。通过对物质信号分析可得人参中含有很多活性小分子信号，例如质量数为104.07与116.07分别为γ-氨基丁酸和脯氨酸的物质信号。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种原位电离质谱系统，包括：

电离装置(1)，用于对样品表面的待测化合物进行电离；

质谱装置(2)，用于对电离后的待测化合物进行检测分析；以及

样品平台(3)，设置在所述电离装置(1)与所述质谱装置(2)之间，用于放置所述样品；

其特征在于，所述样品平台(3)包括样品板(31)和固定装置(32)，所述所述样品板(31)用于承托所述样品，所述固定装置(32)用于固定所述样品板(31)并能使所述样品板(31)在水平方向上移动。

2.根据权利要求1所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述固定装置(32)包括水平设置的第一支架(321)和竖直设置的第二支架(322)，在所述第一支架(321)上设置有导轨(323)，所述第二支架(322)上设置有滑块，所述滑块与所述导轨(323)配合以使所述第二支架(322)能沿所述导轨(323)移动，所述样品板(31)固定在所述第二支架(321)上。

3.根据权利要求2所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述第二支架(322)上设置有多个凸起(324)，所述样品板(31)的一端设置有开孔，所述开孔可套设在所述凸起(324)上。

4.根据权利要求3所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述多个凸起(324)沿垂直与所述导轨(323)的方向呈线型排列。

5.根据权利要求1-4任一项所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述样品板(31)的长度和/或宽度方向上设置有刻度。

6.根据权利要求1-5任一项所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述样品板(31)的材质为不锈钢。

7.根据权利要求1-6任一项所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述电离装置(1)的气流出口处设置有限流件(11)，所述限流件(11)具有供气流流通的通道，所述通道的出口孔径小于所述电离装置(1)的气流出口孔径。

8.根据权利要求1-7任一项所述的原位电离质谱系统，其特征在于，所述质谱装置(2)具有入口传输管(21)，用于将电离后的待测化合物吸入所述质谱装置(2)中，所述入口传输管(21)为弯管，弯曲角度为120°～150°。

9.一种原位电离质谱分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

将若干样品等距放置在样品板上，利用权利要求1-8任一项所述的原位电离质谱系统依次对所述样品表面的待测化合物进行实时直接分析。

10.根据权利要求9所述的原位电离质谱分析方法，其特征在于，所述样品板的移动速度为0.2mm/s～7.0mm/s。

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