一种普适型离子化装置及其应用的制作方法

本发明是涉及一种离子化装置及其应用，具体说，是涉及一种普适型离子化装置及其应用，属于质谱分析技术领域。

背景技术：

质谱(ms)是目前最为有力的化学分析手段之一，同时也因为其在提供待分析物分子质量，化学结构方面的高灵敏度、选择性和准确性，在越来越多的领域发挥着重要作用。尤其是，敞开式离子化质谱，可使样品在其本身状态下得到检测而不需要复杂的前处理过程，因而在实时、体内分析等领域发挥了非常重要作用。自从解吸电喷雾离子化(desi)以及实时直接分析(dart)技术发明之后，已有超过40种不同的敞开式离子化方法被报道。然而，敞开式离子化的应用还在很多方面被限制，原因包括待测化合物种类和溶剂的限制，因为非极性溶剂以及气相中的低极性化合物难以实现离子化；缺少与质谱相连的直接进样接口，以及较难直接分析大的表面和溶剂中的化合物。

另外，超临界流体色谱(sfc)是20世纪80年代发展和完善起来的一种新技术，是以超临界流体做流动相，依靠流动相的溶剂化能力来进行分离、分析的色谱过程，兼有气相色谱和液相色谱的特点，既可分析气相色谱不适应的高沸点、低挥发性样品，又比高效液相色谱有更快的分析速度和条件，可与现有任何液相或气相检测器相连接，在定性、定量方面有较大的选择范围。但是，目前还没有一种质谱离子源可以实现与超临界流体的较好适配，因为常用的esi离子源对低极性样品的离子化效率较低，而改性剂的加入不仅使分析操作繁琐，同时使得样品的离子化受到较大影响。

总之，目前还没有一种离子化装置既能适用于极性溶剂的离子化，又能适用于非极性溶剂的离子化，因此，至今还不能实现气相色谱和超临界流体色谱与质谱分析的结合，以及目前还不能实现对人体呼出气体这种复杂的实际样本进行直接质谱分析的相关报道。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种既能适用于极性溶剂的离子化，又能适用于非极性溶剂的离子化，尤其可实现气相色谱和超临界流体色谱与质谱分析相结合的普适型离子化装置及其应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种普适型离子化装置，包括高压电源和碳纤维束，所述碳纤维束的前端为采样端和离子化端，所述碳纤维束的尾部套设有固定装置，所述固定装置的后端连接有用于流动相或/和样品的引入通道，所述碳纤维束的尾部同时穿入所述的引入通道内；并且，所述固定装置和所述引入通道中至少一者能导电，所述高压电源与能导电的固定装置或/和引入通道电连接。

作为优选方案，所述碳纤维束是由至少100根直径为5～10μm的碳纤维丝组成。

作为进一步优选方案，所述碳纤维束是由至少1000根直径为5～10μm的碳纤维丝组成。

作为更进一步优选方案，所述碳纤维束是由至少3000根直径为5～10μm的碳纤维丝组成。

作为优选方案，所述碳纤维束的前端突出于所述固定装置的前端的长度为0.5～2cm。

作为优选方案，所述固定装置是内径与所述碳纤维束和引入通道均相适配的peek管接头、导电金属转接头或导电金属管。

作为优选方案，所述引入通道为peek管或导电金属管。

作为进一步优选方案，所述导电金属为不锈钢。

作为优选方案，所述固定装置与所述引入通道之间为可拆卸式连接。

作为优选方案，在所述引入通道的尾端套设有用于与流动相或/和样品流出管相连接的转接头。

作为优选方案，所述普适型离子化装置的工作电压为500～4000v。

作为优选方案，所述碳纤维束的前端与质谱进样通道的轴线处于同一水平线或呈钝角。

作为优选方案，所述碳纤维束的前端端口与质谱进样通道的端口距离为2～10mm。

实验证明：采用本发明所述离子化装置，不仅对极性溶剂、非极性溶剂均能实现离子化，而且对固态样品、气态样品、液态样品及介于液态和气态之间的超临界流体均能实现高效率的离子化，尤其可对多环芳烃(pah)，毒品，磷酸酯，甾体化合物，倍半萜以及金属有机化合物等各类化合物均具有良好的离子化效果，可实现超临界流体色谱(sfc)、凝胶渗透色谱(gpc)、正向色谱(nplc)、液相色谱等分析手段与质谱分析的联用；另外，本发明所述离子化装置无需对样品进行前处理且采样方便：对于液体样品可以采用沾取或滴加方式直接采样，对固态样品可直接轻扫收集采样，不仅可用于微量待测样品的质谱分析，而且可用于对人体呼出气体成分进行直接质谱分析，具有很强的普适性，并且还具有结构简单，操作简便，成本低廉，环保易清洁(可以通过火烧方法得到完全清洁和再次利用)等优点，可以与常见的质谱仪(如：三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪等)相兼容，应用范围广，实用性强，具有明显的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种离子化装置的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的另一种离子化装置的结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的离子化装置用于质谱分析时的安装结构示意图；

图3-a为本发明实施例3中水杨酸甲酯的质谱分析图；

图3-b为本发明实施例3中罗勒烯的质谱分析图；

图3-c为本发明实施例3中2-环戊酮的质谱分析图；

图3-d为本发明实施例3中二苯基亚砜的质谱分析图；

图4-a为本发明实施例4中氯胺酮的质谱分析图；

图4-b为本发明实施例4中哌替啶的质谱分析图；

图5为本发明实施例5的质谱分析图；

图6为本发明实施例6的质谱分析图；

图7-a为本发明实施例7中芘的质谱分析图；

图7-b为本发明实施例7中蒽的质谱分析图；

图8为本发明实施例8的质谱分析图；

图9-a为本发明实施例9中柚皮素的质谱分析图；

图9-b为本发明实施例9中2-氯苯甲酸的质谱分析图；

图9-c为本发明实施例9中3-氟苯甲酸的质谱分析图；

图10-a为本发明实施例10中赖氨酸的质谱分析图；

图10-b为本发明实施例10中酪氨酸的质谱分析图；

图11为本发明实施例11的质谱分析图；

图12-a为本发明实施例12中志愿者a所呼出气体的质谱分析图；

图12-b为本发明实施例12中志愿者b所呼出气体的质谱分析图；

图12-c为本发明实施例12中志愿者c所呼出气体的质谱分析图；

图13-a为本发明实施例13中罗勒烯的质谱分析图；

图13-b为本发明实施例13中大蒜素的质谱分析图；

图中：1、高压电源；2、碳纤维束；3、固定装置；4、引入通道；5、转接头；6-质谱进样通道。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。

实施例1

如图1所示：本发明提供的一种普适型离子化装置，包括高压电源1和碳纤维束2，所述碳纤维束2的前端为采样端和离子化端，所述碳纤维束2的尾部套设有固定装置3，所述固定装置3的后端连接有用于流动相或/和样品的引入通道4，所述碳纤维束2的尾部同时穿入所述的引入通道4内；并且，所述固定装置3和所述引入通道4中至少一者能导电，本实施例中是所述流动相或/和样品的引入通道4为导电金属管(例如：不锈钢金属管)，所述高压电源1与所述引入通道4电连接，通过导电的引入通道4将电压传导给碳纤维束2，从而使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化。

本实施例中所述固定装置3可以是内径与所述碳纤维束2和引入通道4均相适配的peek管接头、导电金属转接头或导电金属管。

当在所述流动相或/和样品的引入通道4的后端套设有转接头5时，可通过转接头5实现流动相或/和样品的流出管与引入通道4相连接，从而实现与其它分析仪器的联用。

实施例2

如图2所示：本发明提供的另一种普适型离子化装置，包括高压电源1和碳纤维束2，所述碳纤维束2的前端为采样端和离子化端，所述碳纤维束2的尾部套设有固定装置3，所述固定装置3的后端连接有用于流动相或/和样品的引入通道4，所述碳纤维束2的尾部同时穿入所述的引入通道4内；并且，所述固定装置3和所述引入通道4中至少一者能导电，本实施例中是所述固定装置3为导电金属转接头或导电金属管，所述高压电源1与所述固定装置3电连接，通过导电的固定装置3将电压传导给碳纤维束2，从而使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化。

本实施例中所述引入通道4可以是peek管或导电金属管(例如：不锈钢金属管)。

当在所述流动相或/和样品的引入通道4的后端套设有转接头5时，可通过转接头5实现流动相或/和样品的流出管与引入通道4相连接，从而实现与其它分析仪器的联用。

实施例3

如图3所示，本发明提供的普适型离子化装置包括高压电源1和碳纤维束2，所述碳纤维束2的前端为采样端和离子化端，所述碳纤维束2的尾部套设有固定装置3，所述固定装置3的后端连接有用于流动相或/和样品的引入通道4，所述碳纤维束2的尾部同时穿入所述的引入通道4内；在所述流动相或/和样品的引入通道4的后端还套设有转接头5。所述碳纤维束2的前端与质谱进样通道6的轴线处于同一水平线或呈钝角(即：90°＜α≤180°)，所述碳纤维束2的前端端口与质谱进样通道6的端口距离d为2～10mm。

所述固定装置3可以是内径与所述碳纤维束2和引入通道4均相适配的peek管接头、导电金属转接头或导电金属管，所述引入通道4可以为peek管或导电金属管，但所述固定装置3和所述引入通道4中至少一者能导电，所述高压电源1与能导电的固定装置3或/和引入通道4电连接；所述导电金属可以为不锈钢。

所述碳纤维束2是由至少100根直径为5～10μm的碳纤维丝组成，以至少1000根直径为5～10μm的碳纤维丝组成较佳，以至少3000根直径为5～10μm的碳纤维丝组成为最佳。

所述碳纤维束2的前端突出于所述固定装置3的前端的长度优选为0.5～2cm。

所述固定装置3与所述引入通道4之间为可拆卸式连接，以方便拆卸下碳纤维束2进行采样或清洁处理。

采用上述的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对如下化合物溶液的超临界流体色谱的流出物进行质谱分析：

分别按表中的溶剂将对应的化合物配置成浓度为0.1mg/ml的待测样品溶液；

将超临界流体色谱的流出管与所述离子化装置中的转接头5相连接，使超临界流体色谱的流出物进入所述的引入通道4进而到达碳纤维束2的前端；

以二氧化碳为超临界流体色谱的流动相，流速为0.2～1ml/min，同时加入甲醇溶剂，甲醇相占总流动相体积的百分比为2～10％，进样量为1～5μl；接通电源，使电压逐渐升至2.5kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图3-a为得到的水杨酸甲酯的质谱分析图(图中在m/z＝153处出现了[m+h]⁺离子峰)，图3-b为得到的罗勒烯的质谱分析图(图中在m/z＝137处出现了[m+h]⁺离子峰)，图3-c为得到的2-环戊酮的质谱分析图(图中在m/z＝99处出现了[m+h]⁺离子峰)，图3-d为得到的二苯基亚砜的质谱分析图(图中在m/z＝203处出现了[m+h]⁺离子峰)，且图中均没有太多杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置可以与超临界流体色谱联合使用，而上述4种化合物，在现有的esi条件下只有二苯基亚砜能实现离子化，其它3种化合物均不能实现离子化，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例4

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对物质表面固态样品进行轻扫收集和进行质谱分析：

在一个模拟犯罪现场，我们在表面上暴露有极微量的毒品样品：氯胺酮和哌替啶使用2μl甲醇溶解50ng样品并涂布在1cm²的固体表面；将整个碳纤维束取出，并使用其前端进行进行轻扫收集固体表面以采样；

采样后，安装好所述的离子化装置，然后通过引入通道4通入辅助溶剂甲醇(极性溶剂)；接通电源，使电压逐渐升至1.8kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图4-a为得到的氯胺酮的质谱分析图(图中在m/z＝238处出现了[m+h]⁺离子峰)，图4-b为得到的哌替啶的质谱分析图(图中在m/z＝248处出现了[m+h]⁺离子峰)，并且图中均没有其它明显杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置对于在固态物质表面的固态样品也具有良好的富集效果和离子化效率，这种便捷、多样化的采样手段也为刑侦、医学等过程中的固态样本的质谱分析提供了便利，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例5

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对实际样本：人体尿液中的毒品(甲基苯丙胺)进行质谱分析：

在未经稀释的人尿样本1ml中加入很少的甲基苯丙胺(0.1μg·ml^-1)，将整个碳纤维束取出，并使其前端直接浸入到尿液样品溶液中进行采样；

采样后，安装好所述的离子化装置，然后接通电源，使电压逐渐升至1.8kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图5为得到的质谱分析图，由图5可见：除了一些内源性物质如尿素和肌酸酐的离子峰以外，图中出现了甲基苯丙胺在m/z＝150处的[m+h]⁺离子峰，说明采用本发明所述的离子化装置对于生物体液等实际样品也具有良好的离子化效率，并且分析非常简便有效，无需进行样品前处理，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例6

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对磷脂化合物二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱：进行质谱分析：

使用甲醇：水(体积比为1:1)的混合溶剂将二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱配置成约10μg/ml的待测样品溶液；使用移液器移取2μl滴加到碳纤维束2的前端；然后接通电源，使电压逐渐升至3.0kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图6为得到的质谱分析图，由图6可见：图中出现了与所述化合物相关的离子峰[m+h]⁺＝674，几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置对于较大的分子磷脂化合物也具有良好的离子化效率，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例7

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对多环芳烃芘：和蒽：进行质谱分析：

使用甲苯为溶剂将芘和蒽分别配置成约10μg/ml的待测样品溶液；

使用移液器分别移取2μl滴加到碳纤维束2的前端；然后接通电源，使电压逐渐升至1.5kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图7-a为得到的芘的质谱分析图(图中在m/z＝202处出现了[m]^+.离子峰)，图7-b为得到的蒽的质谱分析图(图中在m/z＝178处出现了[m]^+.离子峰)，并且图中均几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置对于现有esi难以电离的多环芳烃类化合物也具有良好的离子化效率，同时电离所选用的辅助溶剂可以为甲苯这样的低极性溶剂，而不需要像esi那样限制于极性溶剂，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例8

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对金属有机化合物二茂铁进行质谱分析：

使用甲苯为溶剂将二茂铁配置成约10μg/ml的待测样品溶液；

使用移液器移取2μl滴加到碳纤维束2的前端；然后接通电源，使电压逐渐升至2.5kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图8为得到的质谱分析图，图中在m/z＝186处出现了[m]^+.离子峰，并且图中几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置对于现有esi难以电离的金属有机化合物也具有良好的离子化效率，同时电离所选用的辅助溶剂可以为甲苯这样的低极性溶剂，而不需要像esi那样限制于极性溶剂，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例9

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对如下表格中的化合物进行在负高压条件下的负离子质谱分析：

分别按表中的溶剂将对应的化合物配置成浓度为10μg/ml的待测样品溶液；

通过进样泵将样品溶液分别以2～15μl/min的流速由引入通道4引到碳纤维束2的前端；然后接通电源，使电压逐渐升至2.5kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图9-a为得到的柚皮素的质谱分析图(图中在m/z＝271处出现了[m-h]^-离子峰)，图9-b为得到的2-氯苯甲酸的质谱分析图(图中在m/z＝155处出现了[m-h]^-离子峰)，图9-c为得到的3-氟苯甲酸的质谱分析图(图中在m/z＝139处出现了[m-h]^-离子峰)，并且图中均几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置在连接负高压电源时对待测化合物也具有良好的离子化效率，可以得到其负离子的质谱图；另外，样品的引入方式除了可以以微样加样器滴加外，还可以通过蠕动泵由引入通道4引到碳纤维束2的前端，从而可以与液相色谱相联用，实现对样品的连续性检测分析，进一步说明本发明相对于现有技术取得了显著性进步。

实施例10

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对赖氨酸和酪氨酸进行质谱分析：

使用甲醇：水(体积比为1:1)的混合溶剂将以上两种氨基酸分别配置成约10μg/ml的待测样品溶液；

使用移液器分别移取2μl滴加到碳纤维束2的前端；然后接通电源，使电压逐渐升至1.5kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图10-a为得到的赖氨酸的质谱分析图(图中在m/z＝147处出现了[m+h]⁺离子峰)，图10-b为得到的酪氨酸的质谱分析图(图中在m/z＝182处出现了[m+h]⁺离子峰)，并且图中均几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置对于氨基酸也具有良好的离子化效率。

实施例11

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对小分子物质丙酮:进行质谱分析：

通过进样泵将丙酮以2～15μl/min的流速由引入通道4引到碳纤维束2的前端；然后接通电源，使电压逐渐升至1.0kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图11为得到的质谱分析图，图中在m/z＝59处出现了[m+h]⁺离子峰，并且图中几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置对于m/z小于100的小分子化合物也具有良好的离子化效率。

实施例12

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对人体呼出气体成分进行直接质谱分析：

先通过微量注射器或移液器直接在碳纤维束2前端滴加2～10μl水或乙腈或任意其它不易挥发的溶剂以润湿碳纤维束2前端；

使引入通道4尾端的转接头5与导气管相连接，然后对着导气管进行直接呼气；

接通电源，使电压逐渐升至3.0kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图12-a、12-b和12-c分别为不同的志愿者a，b，c所呼出气体中化合物的质谱分析图，说明采用本发明所述的离子化装置对于人体呼出气体这种复杂样品中的极性，挥发性/非挥发性成分，且在气相流动相条件下，也具有良好的离子化效率，具有广阔的应用前景。

实施例13

采用图3所示的离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对以氮气为流动相的挥发性化合物进行质谱分析：

通过微量注射器或移液器直接在碳纤维束2前端滴加2～10μl水或乙腈或任意其它不易挥发的溶剂以润湿碳纤维束2前端；

使引入通道4尾端的转接头5与一中空软管相连接，然后在一个气相瓶中放入待测化合物：(a)挥发油成分罗勒烯的乙醇溶液(10μg/ml)、(b)新鲜大蒜切片；将一路氮气直接通入气相瓶，另一跟导气管收集待测样品的顶空，通过氮气帮助排除，并直接导入软管中；

接通电源，使电压逐渐升至2.0kv，致使碳纤维束2前端采集的样品发生离子化，通过质谱进样通道6进入质谱仪进行质谱分析。

图13-a为得到的罗勒烯的质谱分析图(图中在m/z＝137处出现了[m+h]⁺离子峰)，图13-b为得到的大蒜素的质谱分析图(图中在m/z＝163处出现了[m+h]⁺离子峰)，并且图中均几乎没有其它的杂质峰干扰，说明采用本发明所述的离子化装置在以氮气为载气时，可对挥发油成分和实际样品的顶空直接进行质谱分析，并且具有良好的离子化效率。

上述实验证明：采用本发明所述离子化装置，不仅对极性溶剂、非极性溶剂均能实现离子化，而且对固态样品、气态样品、液态样品及介于液态和气态之间的超临界流体均能实现高效率的离子化，尤其可对多环芳烃(pah)，毒品，磷酸酯，甾体化合物，倍半萜以及金属有机化合物等各类化合物均具有良好的离子化效果，可实现超临界流体色谱(sfc)、凝胶渗透色谱(gpc)、正向色谱(nplc)、液相色谱等分析手段与质谱分析的联用；另外，本发明所述离子化装置无需对样品进行前处理且采样方便：对于液体样品可以采用沾取或滴加方式直接采样，对固态样品可直接轻扫收集采样，不仅可用于微量待测样品的质谱分析，而且可用于对人体呼出气体成分进行直接质谱分析，具有很强的普适性，并且还具有结构简单，操作简便，成本低廉，环保易清洁(可以通过火烧方法得到完全清洁和再次利用)等优点，可以与常见的质谱仪(如：三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪等)相兼容，应用范围广，实用性强，具有明显的推广应用价值。

最后有必要在此说明的是：以上内容只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。