CN201348623Y - 中性解吸装置及中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中性解吸装置及中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统(ND－EESI－MS)，中性解吸装置主要包括斜对放置的一进气管和一样品管，被固定于一框架中，且进气管的出口与样品管的入口靠近并伸出框架之外，其中进气管的入口连通向其中输送中性气体的气泵，样品管的出口连通EESI的进样管，进气管的外层设有加热套，并可另设一加液管，加液管出口与进气管的出口和样品管的入口靠近。ND－EESI－MS分析系统是用中性解吸装置采集样品并通过样品管的出口将样品流引入电喷雾萃取电离源。本实用新型特别适合于对复杂的生物样品、食品、药品、环境样品等进行实时快速分析。

Description

中性解吸装置及中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统

技术领域

本实用新型涉及分析化学领域，特别涉及质谱分析方法中与质谱仪离子源配套使用的样品引入系统，具体为将高压电场或带电粒子等与被检测对象从时间和空间上进行隔离的中性解吸装置，以及使用该中性解吸装置和电喷雾萃取电离源的质谱分析系统。

背景技术

现代社会经济和科学技术的发展对分析化学提出了新的挑战。原位、实时、在线、非破坏、高通量、高灵敏度、高选择性、低耗损分析测试方法的开发是现代分析科学的热点和追求的目标。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。因此，原位、实时、在线、非破坏、高通量、低耗损的质谱学方法一直是人们追求的目标之一，是质谱技术发展的一个重要趋势。

质谱仪本身一般由样品引入系统、离子源、离子光学系统、质量分析器、检测器、数据采集与控制系统、真空系统等部分组成。质谱学和质谱仪发展历史表明，新的离子源的研制与开发具有特别重要的意义。质谱学家普遍认为无论是对有机质谱还是无机质谱，质谱仪器的心脏均是电离源。美国科学家约翰·芬恩(John B.Fenn)等正是因为在发展电喷雾电离(ESI)这一软电离源方面做出了重大贡献而获得了2002年诺贝尔化学奖。然而，在近百年中研制与开发的质谱的电离源，都要求将样品转化为特定的形态后才能够进行离子化。因此，在这些常规的电离源中，在对样品进行测定之前必须进行样品的预处理。实际上，从进样到获得数据，质谱法测量过程本身所需要的时间不超过数秒，但是样品预处理的时间则可能长达数小时甚至数天。在一些重要的应用场合，如制药工业中药片的现场在线测定，行李上痕量爆炸物的监测，食品的品质鉴定，进出口贸易中的商品检验，活体药物代谢动力学研究等，均希望能够在无须样品预处理的情况下对样品进行非破坏性的快速测定。

进入21世纪，人们对于复杂基体样品的质谱快速分析进行了大胆的探索，取得了重要的进展。2004年，Purdue大学的Cooks教授等在Science上发表了第一篇关于电喷雾解吸电离(DESI)的文章，在无须进行样品预处理的情况下，成功地获得了不同表面上痕量物质的质谱，为实现无须样品预处理的质谱分析方法打开了一个窗口。DESI技术立即在全球范围内引起了热烈反响，国际上许多团体随即开始了这方面的研究。一年后，日本学者开发的与DESI类似的另外一种新型电离源(DART)技术发表在美国Anal.Chem.杂志上，而且获得了同一年度的匹兹堡金奖。研究表明，DESI和DART是表面分析的重要工具，在很多场合甚至是首选方案。2005年秋，DESI和DART技术都成功地在北美推向市场，单个离子源在美国的市场价格不低于10万美金。到目前为止，此两项技术仍然对中国禁售。

针对国内难以买到相应设备的情况，并考虑到DESI和DART源的某些不足，2005年以来发明人开发了电喷雾萃取电离源(EESI)，可在无需样品预处理直接测定未稀释的人尿、牛奶等复杂样品(H.W.Chen，A.Venter，and R.G.Cooks，Extractiveelectrospray ionization for direct analysis of undiluted urine，milk and other complexmixtures without sample preparation，Chem.Commun，2006，2042-2044)和快速检测呼吸气体非挥发性化合物(H.Chen，A.Wortmann，W.H.Zhang，R.Zenobi.Rapid in vivofingerprinting of nonvolatile compounds in breath by extractive electrospray ionizationquadrupole time-of-flight mass spectrometry.Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，580-583；H.Chen，S.Yang，A.Wortmann，R.Zenobi.Neutral Desorption Sampling of LivingObjects for Rapid Analysis by Extractive Electrospray Ionization Mass Spectrometry，Angew.Chem.Int.Ed.2007，119，7735-7738)，在复杂基体物质的快速质谱分析方面具有良好的发展前景。EESI的原理和结构如图8，中性样品(如人的呼出气体)从垂直于ESI电离源的另一个进样管引入，人体并未接近ESI的高压静电场和接触甲醇等有机萃取剂，实现了样品与电场的分离，避免了电击和受有毒试剂污染、损伤的危险；EESI也无须样品预处理，且能够对DESI不能测定的气体、气溶胶、液体、胶体等各种难挥发、高粘度的环境样品进行直接快速的实时在线质谱测定；而且由于进样管垂直于质谱仪进样锥口，即使是复杂基体的环境样品也不易堵塞离子传输管或污染质谱仪，如尿样的直接快速分析，连续进样数小时也不会造成质谱信号总离子流下降，因此特别适合复杂机体的无样品预处理的直接质谱分析。此项技术的前期研究成果在Chem.Commun.，Angew.Chem.Int.Ed.发表后受到国际数家媒体的广泛关注，得到ESI实用新型人约翰·芬恩、DESI实用新型人R.G.Cooks等人的高度评价。然而应用中，单纯的EESI也存在缺憾，就是由于没有表面解吸装置，其不能用来直接测定固体表面的物质，因此也不能对活体表面复杂样品进行直接实时在线分析。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可与电喷雾萃取电离源配套使用的中性解吸装置，在将高压电场或带电粒子等与被检测对象从时间和空间上进行隔离的前提下，实现对固体样品的原位无损实时在线质谱分析，从而扩展EESI的应用范围。

本实用新型的中性解吸装置，主要包括斜对放置的一进气管和一样品输出管，被固定于一框架中，且进气管的出口与样品输出管的入口靠近并伸出框架之外。

其中，进气管和样品输出管均为毛细管。

其中，所述进气管的入口连通向其中输送中性气体的气泵，样品输出管的出口连通EESI的进样管。

所述进气管和样品输出管呈45～150°夹角。

以上中性解吸装置中，所述进气管的外层还可以设有加热套。

以上中性解吸装置中，可另设一加液管，加液管出口与进气管的出口和样品输出管的入口靠近。，

本实用新型另一目的，在于提供一种中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统，该分析系统中，用前述中性解吸装置引入样品。

具体的，该中性解吸装置的样品管出口与电喷雾萃取电离源的进样管相连，电喷雾萃取电离源再与质谱仪连接。

采用以上设计，本实用新型中性解吸创造性地运用中性试剂(如空气、氮气、水蒸气等)分子束直接撞击待测物样品表面，从而将吸附在该样品表面的物质解吸出来。由于受到流体的冲击，解吸出来的待测物随着气流被带入到EESI离子源中，从而发生离子化，产生待测物的离子。由于将高压电场或带电粒子等与被检测对象从时间和空间上进行隔离，所以待测样品表面不会受到外来电场的干扰。本实用新型的中性解吸装置，结构紧凑，设计巧妙，使用方便，可灵活针对各种检测样品进行样品采集；本实用新型提供的中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统，不但具有高灵敏度和高特异性的优点，而且不改变待测样品(如生物体)的生理病理状态，也不对样品造成污染或损害。因此，本实用新型特别适合于对复杂的生物样品、食品、药品、环境样品等进行实时快速分析，尤其是可以对生物体进行原位活体分析。

另外本实用新型中性解吸装置还可以作为气相色谱或气质联用仪的样品采集和引入系统，以大大简化气相色谱的样品预处理过程，实现原位快速分析。

附图说明

图1为本实用新型中性解吸装置原理示意图；

图2为本实用新型一种中性解吸装置图结构示意。

图3为本实用新型可加溶剂的中性解吸装置的的构成及工作原理示意图；

图4为使用本实用新型中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统测定人体皮肤表面的TNT和RDX的MS谱图；

图4A为图4中TNT的二级MS谱图；

图4B为图4中RDX的二级MS谱图；

图5为三种不同成熟度草莓的ND-EESI-MS主成分分析(PCA)结果的三维图；

图6为中性解吸萃取电喷雾质谱分析系统(ND-EESI-MS)测定不同新鲜度鱼肉的质谱图：a：没有暴露在室温下的冷冻鱼肉；b：暴露在室温下1天后的冷冻鱼肉；c：暴露在室温下2天后的冷冻鱼肉；

图7A为中性解吸电喷雾萃取电离质谱测定人体皮肤表面的咖啡因(m/z195)和尼古丁(m/z163)的一级质谱图；

图7B为咖啡因m/z195的二级质谱图；

图8为EESI源主要结构及工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本实用新型中性解吸装置的构成与工作原理。

图1、图2显示有本实用新型中性解吸装置系统的基本构成和工作原理。在质谱分析中，所述中性解吸装置作为样品引入系统使用，它主要包括一进气管I和样品输出管II，进气管I和样品输出管II均为毛细管，两毛细管斜向放置被固定于框架1中，进气管I的出口与样品输出管II的入口靠近并伸出框架之外，进气管I和样品输出管II之间呈45～150°夹角，两毛细管放置的位置和角度，可通过框架1中设置的弹簧11和螺栓12进行调整；进气管I的入口连通可向其中输送中性气体的气泵，样品输出管II的出口连通EESI的进样管(图中未示)。

采集样品过程中，请结合图1所示，将进气管I的出口与样品输出管II的入口靠近待测固体样品表面，从进气管I射出的中性试剂(如空气、氮气、水蒸气等)分子束直接撞击待测物样品表面，从而将吸附在该样品表面的物质解吸出来；由于受到流体的冲击，解吸出来的待测物随着气流通过样品输出管II被带入到EESI离子源中。待测物进而在EESI离子源中发生离子化，产生待测物的离子进入质谱仪进行检测。

为使待测物质更容易从表面解吸出来，可在进气管I的外层设有加热套13，参见图1所示。

该中性解吸装置的另一种实施方式参见图3所示，是在上述构成的基础上再加一加液管III，其出口与进气管I的出口和样品输出管II的入口靠近，其中可通入溶剂如水、甲醇等，目的是溶解表面中待测物，使待测物更容易从表面解吸出来。

应用上述中性解吸装置，结合电喷雾萃取电离源便可形成中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统(ND-EESI-MS)。具体的，中性解吸装置的样品管出口与电喷雾萃取电离源的进样管相连，电喷雾萃取电离源再与质谱仪连接。

使用该中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统(ND-EESI-MS)可实现对固体样品的无损在线检测。检测方法包括以下步骤：

步骤一：将中性解吸装置的样品输出管II入口对准待检固体样品表面，距离5～12mm；

步骤二：向中性解吸装置的进气管I输入中性气体，气体流速为15～40psi；

步骤三：同时向电喷雾萃取电离源施以3～6KV高压使样品电离；

步骤四：开质谱仪扫描系统，获取检测结果。

当使用带有加液管III的中性解吸装置时，步骤二中同时开启加液管将加液管中溶剂喷向样品。

以上方法中提到的进气管中的中性气体，为选自水蒸汽、氮气、空气等无害气体。加液管中溶剂，为选自水、甲醇等。

以下结合具体检测实例详细说明本实用新型的应用，通过中性解吸电喷雾萃取电离质谱(ND-EESI-MS)分析，对复杂基体样品爆炸物、水果的成熟度，蔬菜水产品的新鲜度等检验，获得了良好效果。

对复杂基体样品爆炸物的检测

近年来，世界范围内，恐怖分子利用爆炸物进行的恐怖活动呈递增趋势。目前，世界各国对新型爆炸物检测技术的需求越来越大，尤其是对复杂样品中痕量爆炸物的原位、直接、快速、灵敏、高选择性、在线、无损检测的需求更加迫切。同时，爆炸物可以通过呼吸系统、消化系统及皮肤进入体内，从而对生物体产生多种毒性(如导致神经衰弱、血相改变等)而成为重要的环境污染物。因此，对爆炸物的原位快速检测研究具有重大的意义。常规的检测方法无法对非硝基类爆炸物(如TATP，HMTD等)进行在线检测。在采用质谱检测方法中，常用的电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)质谱也需要比较烦琐的样品预处理，然后才能用GC-MS和LC-MS检测。而使用本实用新型中性解吸萃取电喷雾电离质谱(ND-EESI-MS)检测不同表面上的爆炸物可完全避免样品预处理，实现实时在线检测。

实验中，首先利用中性解吸萃取电喷雾电离质谱(ND-EESI-MS)对七种爆炸物(TNT、RDX、HMX、TNB、TATP、HMTD、NG等，为粉末状标准品)分别进行快速质谱分析，获得这几种爆炸物的质谱图；为了排除测定结果的假阳性，进而对这些爆炸物进行了串连质谱分析获得二级谱图。根据这些二级谱图的特征峰，验证性的评估了方法的可重复性，数据表明ND-EESI-MS可以在无须样品预处理情况下对不同爆炸物进行快速无损检测。

随后又利用ND-EESI-MS对沾染有爆炸物的衣物、皮肤等各种表面进行爆炸物TNT、RDX的检测。方法是：将中性解吸装置的样品管入口在距离衣物或皮肤上的样品5～8mm处，开启ND-EESI-MS系统，获取样品检测谱图(图4)，表明ND-EESI-MS系统检测到了对应爆炸物。二级谱图图4A表明检测物中有TNT，图4B表明检测物中有RDX。

对于常规检查，可采取使用中性解吸装置对检测物(如衣物或皮肤)扫描的方式，连续获取检测谱图，并与标准品谱图对照，则可准确筛选出对应谱图，从而确定是否有爆炸物、有何种爆炸物以及在何处有爆炸物，这将为机场、火车站等反恐安检的快速在线分析方法提供新的解决方案。

水果成熟度的检测

对于大多数水果和蔬菜来说，成熟度是决定储存时间和最终品质的关键因素，因此对于水果收割后处理和品质管理来说，成熟度的检测就显得尤为重要，理想的成熟度检测的分析要求高的灵敏度，专属性，高通量，而且要能够无损、无毒、无污染检测，对于水果等成熟度、新鲜度的检测，除感官检测外，还有许多分析化学方法，但均难满足上述要求。本实用新型将中性解吸装置的样品管入口在距离待测水果样品5～12mm处，利用中性解吸萃取电喷雾电离质谱(ND-EESI-MS)对各种水果散发出的味道进行快速指纹图谱分析，利用获得的水果MS指纹图谱进行多变量统计分析的主成分分析(PCA)，可区分不同成熟期的香蕉，葡萄和草莓。根据PCA丛图，验证性地评估了方法的可重复性，数据表明EESI-MS可以在无须样品预处理情况下对水果的质量和成熟度进行快速无损检测。图5为3种不同成熟度(ripe，unripe，over mature)草莓的ND-EESI-MS谱图经主成分分析(PCA)结果的三维图，从中可以看出，1、2、3、4、5、6号是没有成熟(unripe)的草莓，7、8、9、10、12是成熟(ripe)的草莓，13、14、15、16、17、18是过熟(over mature)的草莓，说明ND-EESI-MS分析对于草莓成熟度的识别是成功的。

鱼肉新鲜度的检测

与水果成熟度检测类似，将中性解吸装置的样品管入口在距离待测鱼肉样品3～8mm处，应用ND-EESI-MS可对鱼肉新鲜度进行检测。图6显示了中性解吸萃取电喷雾质谱(ND-EESI-MS)测定不同新鲜度鱼肉的质谱图，其中：a显示没有暴露在室温下的冷冻鱼肉(-20℃)；b显示暴露在室温下(22℃)1天后的冷冻鱼肉；c显示暴露在室温下2天后的冷冻鱼肉。从谱图间比较看出，不同新鲜度的鱼肉有明显的区分，(a)图中谱图表明鲜肉已有少量的微生物入侵了，检测到有低强度的二甲基乙酰胺(m/z 73)以及(m/z 122)和(m/z 88)等少量指纹谱峰；(b)暴露一天的冷冻鱼肉检测出组胺(m/z 112)和腐胺(m/z 89)等微生物代谢产物；(c)中指纹图谱数量增加，检测到质子化的酪胺(m/z 137)，色胺(m/z 160)和精胺(m/z 202)等，表明有新的微生物代谢物质产生的生物胺，为不新鲜的鱼肉。表明随着暴露时间推移，杂质物质产生的越多，新鲜度也更差。

人体表面咖啡因、尼古丁的检测

针对中性解吸取样不改变待测样品(如生物体)的生理病理状态，也不对样品造成污染或损害的特点，本实用新型利用中性解吸萃取电喷雾质谱(ND-EESI-MS)可测定人体皮肤表面的咖啡因、尼古丁等成分，检测谱图参见图7所示，开创了快速非破坏性在线活体分析的新方法。

以上大量实验证明，本实用新型利用中性解吸萃取电喷雾质谱(ND-EESI-MS)检测技术，由于使用中性解吸装置取样，将高压电场或带电粒子等与被检测对象从时间和空间上进行隔离，大大扩宽了质谱分析的应用范围，不仅保留了原有质谱分析灵敏、快速、实时在线检测的优点，还实现了对样品的原位无损质谱分析，并可将该方法应用到非破坏性在线活体分析；另一方面，本实用新型方法特别适于对固体样品的检测而无需对检测物做任何预处理，从技术上突破了原有众多质谱分析遭遇的瓶颈，本实用新型特别适合于对复杂的生物样品、食品、药品、环境样品等进行实时快速分析，尤其是可以对生物体进行原位活体分析。

Claims (9)

1、一种中性解吸装置，其特征在于，主要包括斜对放置的一进气管和一样品输出管，被固定于一框架中，且进气管的出口与样品输出管的入口靠近并伸出框架之外。

2、根据权利要求1所述中性解吸装置，其特征在于，进气管和样品输出管为毛细管。

3、根据权利要求1所述中性解吸装置，其特征在于，所述进气管的入口连通向其中输送中性气体的气泵，样品输出管的出口用于连通电离源的进样管。

4、根据权利要求1所述中性解吸装置，其特征在于，所述进气管和样品输出管呈45～150°夹角。

5、根据权利要求1或2或3或4所述中性解吸装置，其特征在于，所述进气管的外层设有加热套。

6、根据权利要求1或2或3或4所述中性解吸装置，其特征在于，另设一加液管，加液管出口与进气管的出口和样品输出管的入口靠近。

7、根据权利要求5所述中性解吸装置，其特征在于，另设一加液管，加液管出口与进气管的出口和样品输出管的入口靠近。

8、一种中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统，包括样品引入系统、电离源和质谱仪，其特征在于，使用权利要求1至7任一所述中性解吸装置为样品引入系统。

9、根据权利要求8所述中性解吸电喷雾萃取电离质谱分析系统，其特征在于，所述电离源为电喷雾萃取电离源，所述中性解吸装置的样品输出管出口与电喷雾萃取电离源的进样管相连，电喷雾萃取电离源与质谱仪连接。

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