专利名称：微波等离子体常压解析电离源及其在质谱分析中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及分析化学领域，特别涉及质谱仪的离子源，具体为以利用微波能产生微波 等离子体的微波器件做为微波等离子体常压解析电离源及应用该电离源进行常压表面解 析电离质谱的分析方法。
背景技术：
在分析化学领域，质谱技术拥有着非常广泛的应用。质谱仪通常由进样系统、离子源、 离子传输系统、质量分析器、检测器、数据采集与控制系统等组成，离子源作为其中重要的 组成部分，历来受到人们的高度重视。目前已经开发出许多种不同的离子源如电子轰击电 离源(EI)、化学电离源(Cl)、场致电离/场解析电离源(FI/FD)、快原子轰击电离源(FAB)、 电喷雾电离源(ESI)、基体辅助激光解析电离源(MALDI)、大气压化学电离源(APCI)等，这 些电离源对于不同的样品进行分析时，都有各自的优势，但是它们都要求对样品做必要的 预处理，这个过程往往繁琐耗时，有时需要几个小时甚至数天的时间，在一定程度上削弱了 质谱法快速分析的能力。随着经济与技术的发展，日常化学分析工作往往要求质谱分析法可以在常压下直 接进样，并要求减少甚至不进行样品预处理，以实现质谱法可以进行原位、实时、在线分析 的目标。在这种形势下，几种离子源应运而生。2004年，Purdue大学的Cooks教授发表 了电喷雾解析电离(DESI)的文章，该方法基于电喷雾技术，不需要样品预处理，可在常压 下直接对表面的痕量样品进行解析电离(Z. Takats, J. M. Wiseman, B. Gologan, R. G. Cooks, Mass Spectrometry Sampling Under Ambient Conditions with Desorption Electrospray Ionization, Science, 2004，306，471-473)。随后，基于电喷雾技术 的另外两种方法，电喷雾辅助激光解析/电离(ELDI)和萃取电喷雾电离(EESI)，分别于 2005年和2006年被提出，前者能够直接应用于固态样品的快速分析，后者可以直接应用 于液态样品的分析(J. Shiea, Μ. -Z. Huang, H. - J. HSu, C. - Y. Lee, C. - H. Yuan, I. Beech, J. Sunner, Electrospray-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry for Direct Ambient Analysis of Solids, Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2005, 19，3701-3704; H. W. Chen, A. Venter, and R. G. Cooks, Extractive Electrospray Ionization for Direct Analysis of Undiluted Urine, Milk and Other Complex Mixtures without Sample Preparation, Chemical Communications, 2006，19，2042-2044 )。2005年，另外一种新型电离源，实时直接分析(DART)技术由日 本学者提出，该电离源也可以不需要样品预处理而直接在常压下进行分析(R. B. Cody, J. A. Larameej H. D. Durst, Versatile New Ion Source for the Analysis of Materials in Open Air under Ambient Conditions, Analytical Chemistry, 2005， 77， 2297-2302)。但是，上述几种电离源都有一定的缺点基于电喷雾技术的离子源需要电喷雾 试剂，这些试剂往往具有毒性，会对环境造成污染，同时需要高电压及高速气流，或是额外 的激光器，这对使用的安全性及成本的控制都有一定的影响，且需要高压气瓶，不利于原位 分析。DART虽然不需要溶剂，但是需要高电压、高流速气体及加热装置，结构复杂，市场售价也过高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用微波能产生等离子体的微波等离子体常压解析 电离源(microwave plasma ambient desorption ionization source，MWPADI )，该电离源 可以在常压环境下直接对样品进行解析电离，不需要样品预处理，不需使用有害试剂，不会 对样品造成污染，不需要高电压，不需要高速气流，可与多种质谱仪联用。本发明的微波等离子体常压解析电离源装置，由能够产生常压微波等离子体的微 波器件、微波功率源、同轴电缆组成。微波器件由外管、中管、内管及调节活塞组成，外管内 径为20 25 mm，内管半径为1 2 mm，外管与中管内径比在4 5之间，外管、中管、内管 具有三管同轴结构，材料选择金属铜；工作气体入口有两个，中管入口连接中管，内管入口 连接内管；微波功率源采用的是2450 MHz民用功率的固态微波源；同轴电缆的特性阻抗为 50 Ω，一端连接微波功率源，另一端耦合至中管。本发明的微波等离子体常压解析电离源形成等离子体的放电形式采用的是微波 放电，微波能由微波功率源提供，经同轴电缆传输至微波器件，并通过电导耦合方式耦合至 中管。微波等离子体在中管形成，等离子体朝向外部大气空间，并不与炬管接触，可以避免 炬管的腐蚀及污染。微波功率源采用的是2450 MHz民用功率的固态微波源。该电离源的核心部分是可产生等离子体的微波器件，该微波器件为微波等离子体 炬。此外，可用于产生微波等离子体的器件还有表面波器件、圆柱形TM-谐振腔、3/4 λ波 长同轴腔、1/4 λ波长同轴腔等。该电离源有两个工作气体入口，分别与中管和内管连通，产生微波等离子体的工 作气体由内管和中管引入。产生等离子体的气体种类可以为He、Ar、N2或空气。内管和中 管的工作气体流速可以相同，也可以不同，二者的流速具有调节等离子体形状的作用。内管 和中管的工作气体可以是同一种，也可以选择不同的工作气体。该电离源中，微波等离子体在中管形成，呈丝状，长度5 20mm，其长度可通过调 谐气体流速及功率大小来调整，等离子体具有细小的尖端，有利于解析样品时对准样品。该电离源用以点燃等离子体的点火装置为高压脉冲点火装置，脉冲电压为10KV。 也可用导体将中管和内管进行短路的方式激发产生等离子体。该电离源所用的微波频率是2450 MHz的民用频率，微波功率源则宜选用全固态微 波源。本发明的另一个目的是提供一种利用微波等离子体常压解析电离源进行的质谱 分析法，即微波等离子体常压解析电离质谱分析方法。应用本发明的质谱分析方法通过以下步骤实现
1)连接并调整好微波等离子体常压解析电离源装置的气路和电路；
2)将微波等离子体常压解析电离源装置中的等离子体产生器件与质谱仪相连接，确定 该离子源、样品、质谱仪样品入口三者的相对位置，保证获得的产物离子能够顺利的进入质 谱仪样品入口；
3)开启微波功率源，包括其附属的水冷装置(如含有)，保证微波能平稳的输送至等离 子体产生器件，激发产生等离子体；4)将样品置于等离子体下；
5)开启质谱仪扫描系统，获取并保存检测结果。本发明微波等离子体常压解析电离质谱法测定固态、液态样品时，样品需要与等 离子体接触，而气态样品则不需要与等离子体发光部分直接接触。等离子体与样品接触的 角度即等离子体与表面的角度呈5 90°，样品与质谱仪样品入口的水平距离约3 10 mm,垂直距离约1 5 mm。该微波等离子体常压解析质谱分析法中，产生等离子体的工作气体种类可以为 He、Ar、N2或空气。工作气体流速 1000 mL/min，或更高流速，根据实际使用情况进行调整。测定的样品状态可为液体、固体、或气体，样品不需要预处理。在测定固态、液态样 品时，样品需要与等离子体接触，在测定气态样品则不需要与等离子体接触。样品来源可分为生物样品、工业制品、制药产品、食品、毒品、违禁药品、爆炸物等。微波功率可调节。样品与质谱仪样品入口的距离要尽可能的近，通常水平距离约3 10 mm，垂直距 离约1 5 mm，使得有尽可能多的产物离子进入质谱仪，提高检测灵敏度。样品中被测物的产物离子在工作气流、电场及质谱仪样品入口处的真空负压的共 同作用下被引入质谱仪而被分析并得到分析结果。样品在等离子体的作用下可形成分子离子，也可产生碎片离子。通过调节微波功 率源的输出功率及工作气体流速，可以控制产生的分子离子与碎片离子的比例。要获得更 多的分子离子，可施加较低的微波功率，这可在3 10 W间优选。若要增加热解析作用或 需要得到更多的碎片离子信息，可根据实际需要施加更高的微波功率。为促进微波等离子体对样品的解析，可在工作气体中加入试剂气(如水蒸汽)，产 生的试剂离子与被测物作用，促进被测物分子的解析，也可以在样品附近的空气中或载有 样品的表面上加入试剂(水蒸汽)，使得产生的试剂离子与被测物作用，促进被测物分子的 解析。承载样品的表面可以是刚性表面或柔性表面，表面种类可以为玻璃、金属板、聚四 氟乙烯、纸张、布料等。本发明的创新点是首次提出了应用可产生微波等离子体的器件作为质谱仪的电 离源，利用微波器件产生的等离子体在常压下对样品进行解析电离并完成检测，该方法不 需要样品预处理，缩短样品分析时间，可以对待测物进行实时、在线、非破坏性检测。本发明 不需要高速气流、不需要有毒试剂，节约检测成本，并对环境友好。得到的产物离子多为分 子离子，获得的谱图简明清晰。
图1为本发明微波等离子体常压解析电离源的主要结构示意图。图2为利用本发明测定固态、液态样品的工作原理示意图。图3为利用本发明测定气态样品的工作原理示意图。图4为使用本发明测定药片布洛芬中有效成分的谱图。图5为使用本发明测定药物氨加黄敏胶囊内容物水溶液所得的谱图。图6为使用本发明测定大蒜中主要风味物质蒜素的谱图。
图7为使用本发明测定液体中氨基酸的谱图。图8为使用本发明测定烟气中主要成分的谱图。图9为使用本发明测定吸烟后呼出气体成分的谱图。图10为使用表面波器件作为微波等离子体常压解析电离源测定水溶液中三聚氰 胺的谱图。
具体实施例方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明。实施例1本发明微波等离子体常压解析电离源的主要结构
参见图1，本发明的微波等离子体常压解析电离源，由能够产生常压微波等离子体的微 波器件1、微波功率源2、同轴电缆3组成。微波器件1由外管4、中管5、内管6及调节活塞 7组成，外管4内径为20 25 mm,内管6半径为1 2 mm，外管4与中管5内径比在4 5之间，外管4、中管5、内管6具有三管同轴结构，材料选择金属铜。工作气体入口有两个， 中管入口 8连接中管，内管入口 9连接内管6。微波功率源2采用的是2450 MHz民用功率 的固态微波源。同轴电缆3的特性阻抗为50 Ω，一端连接微波功率源2，另一端耦合至中 管5。本发明的微波等离子体常压解析电离源形成等离子体的放电形式采用的是微波 放电，微波能由微波功率源2提供，经同轴电缆3传输至微波器件1，并通过电导耦合方式耦 合至中管5。微波等离子体在中管5形成，等离子体朝向外部大气空间，并不与炬管接触，可 以避免炬管的腐蚀及污染。微波功率源2采用的是2450 MHz民用功率的固态微波源。承载样品的表面可以是刚性表面或柔性表面，表面种类可以为玻璃、金属板、聚四 氟乙烯、纸张、布料等。实施例2本发明微波等离子体常压解析电离源解析电离机理
本发明微波等离子体常压解析电离源可以测定不同状态的样品(参见图2、图3)，其对 样品解析电离的机理如下
常压解析电离技术的最大优点是可将凝聚态的样品转变为气态的产物离子，并直接引 进质谱仪进行质谱分析，不需要复杂的样品预处理，省时省力。微波等离子体对被分析物 (固态和液态)进行解析电离时也是将凝聚态的样品转变为气态的产物离子，在被分析物由 凝聚态转变为气态的过程中可能发生电离也可能没有电离。要解释微波等离子体对被分析 物解析电离的机理，需从微波等离子体的粒子组成入手，微波等离子体中含有高能电子、正 离子、自由基粒子及亚稳态粒子等。根据微波等离子体中含有的主要离子，微波等离子体与 被测物间可能发生如下反应
M + s ~^Mm++2e(快电子，电子碰撞电离)
M+ s ^Mm-(慢电子，电子捕获电离)
M+ B'*+B (电荷转移)
M+ BH* -^MH+ +B (质子转移反应) ^f++B+e (潘宁电离)
被测物在等离子体作用下被解析并电离形成产物离子的过程中，上述几种反应是参与 该过程的主要反应途径。
上述几种反应也可以作用于被分析样品周围空气或溶剂中的形成//力+，若被 测物解析过程中没有被电离，而是以中性分子的形式释放出来，那么质子亲和势大于/^的 被测物将通过与//的质子转移反应而形成产物离子MT。针对本发明微波等离子体常压 解析电离质谱法测定气体样品(装置如图3)时，上述的质子转移反应过程是获得气态样品 被测物产物离子的重要途径。微波等离子体常压解析是一个复杂的物理化学过程，微波等离子体中亚稳态粒 子、电子的轰击作用及自由基_表面相互作用时伴随的能量转移被认为会参与被测物的解 析。此外，热解析作用也不可忽视。微波等离子体有一定温度，在与样品接触的过程中，会 将热量转移至被测物，促进其解析。实施例3微波等离子体常压解析电离质谱法对固态、液态样品的检测方式
应用本发明微波等离子体常压解析电离质谱法检测固态及液态样品时，可采用图2显 示的装置结构，取固态或液态样品置于表面上，表面可以为玻璃、金属板、聚四氟乙烯、纸 张、布料等，液态样品也可以直接盛装于器皿中。本发明微波等离子体常压解析电离源产生 的等离子体尖端与样品接触，接触的角度即等离子体与表面的角度可在5 90°间优选， 样品与质谱仪样品入口的水平距离约3 10 mm，垂直距离约1 5 mm，样品与质谱仪样品 入口保持较近的距离，有利于质谱仪引入更多的被测物产物离子，提高整个方法的检测灵 敏度。实施例4微波等离子体常压解析电离质谱法对气态样品的检测方式
应用本发明微波等离子体常压解析电离质谱法检测气态样品时，可采用图3显示的装 置结构，微波等离子体常压解析电离源与质谱仪样品入口保持在同一水平线上，该电离源 产生的等离子体尖端恰好对准质谱仪样品入口的中轴线，也可以稍微偏离。采集的气体样 品可以通过进样针直接注入，或进样针与一导管相连，导管的出口对准等离子体尖端与质 谱样品入口的连线上，也可以通过此方法直接将被分析气体泵送至此处进行质谱分析，气 体样品的注入方向与等离子体与质谱仪样品入口的连线呈垂直交叉。测定气体样品时，该 电离源产生的等离子体尖端与质谱仪样品入口的水平距离为5 30 mm，待分析的气体样 品注入时，不需要直接与等离子体发光部分接触，气体样品注入位置可以选择等离子体尖 端与质谱仪样品入口连线中间位置，也可以偏向等离子体端或质谱仪样品入口端。气体进 样针针尖位置(直接用进样针进气体样品时)或导管气体出口位置可置于等离子体尖端与 质谱仪样品入口连线下方垂直距离的1 5 mm处，具体位置的选择为使气体样品与初级离 子碰撞效率最大的位置为最佳。应用本发明微波等离子体质谱法测定固态样品、液态样品及气态样品的具体步骤 如下
1)连接并调整好微波等离子体常压解析电离源的气路和电路；
2)根据所测样品状态的不同，按照图2或图3的装置结构进行调整，将微波等离子体常 压解析电离源的等离子体产生器件、样品及质谱仪的相对位置调到适当位置，保证获得的 产物离子能够顺利的进入质谱仪进样口；
3)开启微波功率源，包括其附属的水冷装置(如含有)，保证微波能平稳的输送至等离 子体产生器件，激发产生等离子体；
4)将样品置于等离子体下，固态或液态样品与等离子体尖端接触，气态样品不需要与等离子体发光部分直接接触。5)开启质谱仪扫描系统，获取并保存检测结果。以下结合具体实例说明利用本发明电离源进行的微波等离子体常压表面解析电 离质谱法的应用。实施例5、药品中活性成分的测定
药品用于治疗疾病，与百姓的生活密不可分，甚至是性命攸关的大事，因此药物监督管 理部门必须严格控制药品的质量，为保障用药安全，需要加大检验量、扩大检验范围，这势 必要求大幅提高药品检验速度。同时，药品活性成分的检测在制药工业中也有着非常重要 的作用。利用本发明电离源进行的微波等离子体常压解析电离质谱分析为药品活性成分 的快速分析提供了一种有力的工具。选择的待检验药品为布洛芬片，是一种退热止痛的常 用药，成白色片状。其主要成分是布洛芬(IbUpr0fen，MW 206)。实验时，先开启质谱仪(与 本发明微波等离子体常压解析电离源相连接的是TOF质谱仪)，设置好质谱仪的参数，然后 调整好离子源、药片及质谱仪样品入口的相对位置，离子源与质谱仪样品入口的水平方向 夹角呈20 80°，保证产生的微波等离子体尖端距质谱仪样品入口的水平距离约5 8 mm。接下来，打开工作气体气路，开启微波功率源，激发产生等离子体，并将药片置于质谱仪 样品入口下方1 2 mm处，保证微波等离子体尖端与药片接触，记录产生的谱图(图4)。获 取谱图的速度很快，1 s至数秒就可以获得谱图，甚至只需将药片在等离子体尖端处轻轻扫 过即可得到谱图。谱图中既有布洛芬准分子离子[Μ+Η20] ‘+ (m/z 224)及[M+H+H20] + (m/ ζ 225)，还可以看到它们的二聚体离子，分别为[2M+H20] .+ (m/z 430)及[2M+H+H20] + (m/ ζ 431)。得到的产物离子[Μ+Η20] ‘+是使用本发明微波等离子体常压解析电离源进行质谱 法分析时的一个特点。该类产物离子也常可在其它样品检测中出现(如图7中的m/z 93及 图6中的m/z 180)。该产物离子的形成途径可能如下首先大气或样品中的H2O在微波等 离子体的作用下形成初级离子H2O'+及H20‘+(H2O)n (n^ 1 )，随后，这些初级离子再与被 测物发生反应
权利要求
1.一种微波等离子体常压解析电离源，微波器件(1)、微波功率源(2)、同轴电缆(3)组 成，微波器件(1)由外管(4)、中管(5)、内管(6)及调节活塞(7)组成，外管(4)内径为20 25 mm，内管(6)半径为1 2 mm，外管(4)与中管(5)内径比在4 5，外管(4)、中管(5)、 内管(6)具有三管同轴结构，有两个工作气体入口，分别是中管入口(8)和内管入口(9)，微 波功率源(2)采用的是M50 MHz民用功率的固态微波源，同轴电缆(3)的特性阻抗为50 Ω，一端连接微波功率源(2 )，另一端耦合至中管(5 )。
2.根据权利要求1所述的一种微波等离子体常压解析电离源，其特征在于，外管(4)、 中管(5)、内管(6)的制备材料选择金属铜。
3.根据权利要求1所述的一种微波等离子体常压解析电离源，其特征在于，微波器件 (1)为微波等离子体炬，或微波器件(1)选用表面波器件、圆柱形ΤΜ_谐振腔、3/4 λ波长同 轴腔、1/4 λ波长同轴腔。
4.根据权利要求1所述的一种微波等离子体常压解析电离源，其特征在于，微波功率 源(2)选用全固态微波源。
5.根据权利要求1所述的一种微波等离子体常压解析电离源，其特征在于，产生等离 子体的工作气体选用He、Ar、N2或空气，中管(5)和内管(6)的工作气体流速相同或不同， 两管中的工作气体种类相同或不同。
6.权利要求1所述的一种微波等离子体常压解析电离源在质谱分析中的应用，其特征 在于，通过以下步骤实现(1)连接并调整好微波等离子体常压解析电离源的气路和电路；(2)将微波等离子体常压解析电离源中的器件(1)与质谱仪相连接，确定该电离源、样 品、质谱仪样品入口三者的相对位置，保证获得的产物离子能够顺利的进入质谱仪样品入 Π ；(3)开启微波功率源，并激发产生等离子体；(4)将样品置于等离子体下；(5)开启质谱仪扫描系统，获取并保存检测结果。
7.根据权利要求6所述的一种微波等离子体常压解析电离源在质谱分析中的应用，其 特征在于，步骤(2)中等离子体与样品接触的角度呈5 90°，样品与质谱仪样品入口的水 平距离3 10 mm，垂直距离1 5 mm。
8.根据权利要求6所述的一种微波等离子体常压解析电离源在质谱分析中的应用，其 特征在于，步骤(3)调节微波功率在3 10 W间，或根据实际需要施加更高的微波功率。
9.根据权利要求6所述的一种微波等离子体常压解析电离源在质谱分析中的应用，其 特征在于，步骤(4)中，样品状态为固态、液态或气态，样品不需要预处理。
10.根据权利要求6所述的一种微波等离子体常压解析电离源在质谱分析中的应用， 其特征在于，步骤(4)中，在测定固态、液态样品时，样品需要与等离子体接触，在测定气态 样品则不需要与等离子体接触。
全文摘要
本发明提供一种应用微波能产生等离子体的微波等离子体常压解析电离源，它由一种能够产生等离子体的新型微波器件、微波功率源、同轴电缆组成。该微波器件由外管、中管、内管及调节活塞组成，外管、中管、内管呈三管同轴结构，有两个工作气体入口，同轴电缆的一端连接微波功率源，另一端耦合至中管。该电离源可与多种具有大气压接口的质谱仪联用，可在常压环境下直接对固态、液态、气态样品进行解析电离，无需样品预处理，不需要有毒化学试剂，也不需要高电压及高速气流，可缩短样品的检测时间，能够实现对样品进行实时、在线、非破坏性检测，节约检测成本，不会污染样品，并对环境友好，得到的产物离子多为分子离子，获得的谱图简明清晰。
文档编号H01J49/10GK102129950SQ20111003121
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者张体强, 金伟, 金钦汉 申请人:浙江大学