一种热解吸电离机制验证装置及其应用

本发明涉及质谱分析技术领域，更具体的说是涉及一种热解吸电离机制验证装置及其应用。

背景技术：

质谱是通过对待测样品质荷比(m/z)的测定来实现分析的一种分析方法，具有分析效率高、灵敏度高、可用于复杂体系等特点。质谱分析的基本原理是待测样品在离子源中电离，形成不同质荷比的气相离子，经电场作用形成离子束进入质量分析器，利用质量分析器中电场或者磁场的作用，使不同质荷比的离子分离，将它们分别聚焦到质量检测器从而得到质谱图。质谱可用于判断化合物的分子量及结构，并且可以实现定量分析。

目前，常规的电喷雾离子源(esi)和轰击离子源(ei)只能满足一定极性化合物的分析，许多质谱研究学者都在尝试着发明一种敞开式电离技术(aims)，以满足更广泛、更高效的离子化技术。目前常用的基于热解吸离子化的技术有解吸电喷雾电离(desi)、基质辅助激光解吸电离(maldi)、电喷雾辅助激光解吸电离(eldi)、直接实时分析(dart)、激光消融电喷雾电离(laesi)、介质阻挡放电离子化(dbdi)、敞开式火焰离子化(afi)、碳纤维电离(cfi)、快速爆发解吸电离(fedi)等，这些离子化技术具有实时、高效、高灵敏度等特点且无需或仅需很少的样品制备过程。

aims在食品安全监测、医学诊断、药物分析、生化分析、环境污染物监测，聚合物识别、分子成像等方面得到了广泛的应用。这些aims离子化技术在取得相对较好的检测效果的同时，也存在机理阐释不明确的缺点，大多数机理着重研究其热解吸电离的应用场景及其机理，而对热解吸电离中的热解吸和离子化界限不明确，缺少相关方面的深入研究，因此，从根源上实现热解吸电离机理的阐明有助于常规实验室对基于指导热解吸离子源的快速搭建，为质谱实验室提供理论指导和研究便利。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热解吸电离机制验证装置及其应用，离子源为热电子离子源，使待测样品离子化产生碎片离子，经质谱仪的质量分析器便可得强烈的质子加合峰及与铵离子、钠离子和钾离子的加合峰，能够很好的满足低极性化合物、多类型化合物及复杂基质主要成分的分析；该方法具有成本低廉、操作简便、离子化效率高、无基质干扰、常压即可操作等特点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种热解吸电离机制验证装置，包括：

热源，所述热源的前端具有导电性能；

电子发生器，所述电子发生器串联在热源的前端；

质谱仪，所述质谱仪的入口与热源的前端位于同一水平线上。

电子发生器和热源结合在一起形成热电子离子源，热电子离子源具有相对较高的离子化效率，操作简单仅需一个热源及一个任意形式的电子发生器；待测样品在分析前无需复杂的预处理，其在分析科学领域的适用性通过对实际样品的复杂基质样品进行直接、方便的分析得到证明，例如以喷雾、口服液、软(乳)膏等不同剂型的西药中的主要成分，以及多种类型化合物为对象进行了离子化分析。

有效实现待测样品的解吸与离子化一直是质谱学重要的科学问题和研究领域，基于热解吸的质谱方法已经证明了适用价值并得到了广泛应用，此类技术对样品预处理没有要求，灵敏度较高，能实现不同待测样品中不同类型有机分子的快速检测。但报告的绝大多数方法中热解吸与离子化的界限不明显，目前尚无关于其根源上作用机理的研究。

进一步的，所述热源的前端与质量分析器的入口的距离为0.5mm～20mm。

进一步的，所述热源包括电烙铁、热胶枪、电吹风，也可以是燃气炉、燃油炉、热泵、太阳能、打火机、等离子体作为产热部分，再配合一个导电的导体组成。

进一步的，所述热源的前端形状为马蹄头、尖头、弯尖头、扁头、圆头、弯圆头、k刀头、圆尖头及一字头。

进一步的，所述电子发生器产生的电子由交流电提供或由直流电提供或由等离子体接触提供。所述等离子体包括电弧放电、电晕放电、辉光放电、射频放电、介质阻挡放电、微波诱导放电等。

进一步的，所述质谱仪的质量分析器为单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、四极杆质量分析器、离子阱质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振或飞行时间质量分析器。

进一步的，电子发生器与热源的前端串联位置与热源的前端头部的距离大于2cm。

本发明还提供了一种热解吸电离机制验证装置的应用，包括以下步骤：

(1)接通热源电源，待温度升至设定值并保持稳定；

(2)用样品施加器蘸取少量待测样品置于热源的前端，开启电子发生器；

(3)待测样品发生热解吸并与空气中水分子的质子发生加合，形成样品离子，依次进入质谱仪的质量分析器和质量检测器。

所述样品施加器的中轴线与质谱仪的入口中心线之间的角度可为任意角度。所述样品施加器为耐高温的玻璃毛细管、石英毛细管、微量注射器等。所述样品施加器为实心，也可以是中空结构。

所述步骤(1)中，温度的设定值为20℃-900℃。

所述步骤(2)中，所述待测样品的物质形态为半固体、液体或固体(熔点低于热源温度)。待测样品为半固体或液体时，样品体积为0.01～1000μl。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1、对于极性低溶剂中的化合物，使用本发明装置可直接实现主要成分的离子化分析，无需其他前处理或使用复杂仪器。

2、与常规的热解吸电离技术相比，本发明装置结构简单，从根源上阐明了热源和电子的不可分割性，可实现膏(乳)状、喷雾、滴眼液等复杂基质样品的原位分析。

3、本发明装置与常见的质谱仪如飞行时间质谱仪、三重四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换离子回旋共振质谱仪、磁质谱、轨道阱质谱仪等相兼容，因此可方便地推广到不同类型的质谱仪器上，应用范围广，实用性强。

附图说明

图1均是本发明提供的一种热解吸电离机制验证装置的示意图；

图2是实施例1分析二茂铁甲醇溶液的质谱图。

图3是实施例2分析山柰酚甲醇溶液的质谱图：(a)正离子模式，(b)负离子模式，(c)正离子模式下二级分离质谱图。

图4是实施例3分析甲氢睾酮甲醇溶液的质谱图。

图5是实施例4分析苊烯甲醇溶液的质谱图。

图6是实施例5分析peg1000甲醇溶液的质谱图。

图7是实施例6分析全氟辛酸甲醇溶液的质谱图。

图8是实施例7分析维生素d3甲醇溶液的质谱图。

图9是实施例8分析福美斯坦甲醇溶液的质谱图：(a)为正离子模式下质谱图，(b)为正离子模式下二级分离质谱图。

图10是实施例9分析雄酮丙酮溶液的质谱图。

图11是实施例10分析苯甲酸雌二醇甲醇溶液的质谱图。

图12是实施例11分析睾酮甲醇溶液的质谱图。

图13是实施例12分析1-硝基芘甲醇溶液质谱图。

图14是实施例13分析左氧氟沙星滴眼液的质谱图。

图中标记：1-质谱仪，2-电子发生器，3-热源，4-样品施加器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1:

如图1所示，本发明提供的一种热解吸电离机制验证装置，包括：热源3，所述热源3的前端具有导电性能；电子发生器2，所述电子发生器2串联在热源3的前端；质谱仪1，所述质谱仪1的入口与热源3的前端位于同一水平线上。

样品施加器4为玻璃毛细管、微量注射器等耐高温样品转移探针；所述样品施加器4为实心或空心，所述样品施加器4头部或钝或锐。

电子发生器2与热源3的前端头部的距离大于2cm，以避免电场和等离子体对样品的直接作用和影响；热源3的前端与质谱仪1的入口之间的距离d为0.5mm-20mm。

一种热解吸电离机制验证装置检测有机离子的方法，包括以下步骤：

(1)接通热源3电源，待温度升至设定值并保持稳定；

(2)用样品施加器4蘸取少量待测样品置于热源3的前端，开启电子发生器2；

(3)待测样品发生热解吸并与空气中水分子的质子发生加合，形成样品离子，依次进入质谱仪1的质量分析器和质量检测器。

待测样品为液体或半固体可以直接蘸取，也可以定量加载一定体积的样品。

待测样品为固体时，可以直接蘸取，高温熔化，从而实现固体样品中化合物的离子化分析。

作为一种优选方案，样品溶液的浓度为0.05～100μg/ml；定量加载的样品溶液体积为0.01～1000μl。

实施例1

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现二茂铁(ferrocene)的离子化分析，样品施加器4为内径1.2mm的玻璃点样毛细管，电烙铁热源3前端(扁头)与质谱入口距离为4mm，5a电流施加于距热源3前端距离为2cm处，热源3温度为400℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实施例中，所选择的待测化合物是二茂铁，试剂为甲醇，浓度为15μg/ml。图3是使用本发明装置获得的本实例所述二茂铁甲醇溶液(0.5μl)的质谱图。质谱结果显示二茂铁与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为187。这与常规解吸电离结果不同，由于二茂铁具有较低的电离能，其电离结果往往为分子离子峰。

实施例2

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现山柰酚(kaempferol)的离子化分析，样品施加器4为内径1.2mm的玻璃点样毛细管，电烙铁热源3前端(圆头)与质谱入口距离为5mm，4a电流施加于距热源3前端3cm处，热源3温度为350℃，四极杆质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，分别于正离子模式和负离子模式条件下采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物是山柰酚甲醇溶液，溶剂为甲醇，浓度为10μg/ml，图2是使用本发明方法获得的本实例所述山柰酚甲醇溶液(0.1μl)的质谱图。其中图3a为正离子模式下的质谱图，m/z为287；图3b为负离子模式下的质谱图，m/z为285；图3c为正离子模式下的二级质谱图，其主要碎片峰有269、258、241、231、213、165及153，根据现有文献报道符合其裂解特征，且与图3a质谱图中的一级谱图存在重合，说明热电子离子源不仅有软电离，也同时存在一定程度的硬电离特征。

实施例3

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现甲氢睾酮(mesterlone)的离子化分析，样品施加器4为0.5μl微量注射器，电烙铁热源3前端(弯尖头)与质谱入口距离为3mm，6a电流施加于距热源3前端3.5cm处，热源3温度450℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物是甲氢睾酮正己烷溶液，溶剂为正己烷，浓度为20μg/ml，图4是使用本发明方法获得的本实例所述甲氢睾酮正己烷溶液(0.5μl)的质谱图。质谱分析结果显示甲氢睾酮与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为305。

实施例4

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现苊烯(acenaphthylene)的离子化分析，样品施加器4为10μlhamilton微量注射器。电烙铁热源3前(尖头)与质谱入口距离为6mm，电弧等离子体施加于距热源3前端4cm处，热源3温度为200℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为苊烯甲醇溶液，溶剂为甲醇溶液，浓度为10μg/ml，图5是使用本发明方法获得的本实例所述苊烯甲醇溶液(3μl)的质谱图。质谱分析结果显示苊烯与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为153，说明该方法可用于多环芳烃等低极性化合物的离子化分析，具有较强的质子加合能力。

实施例5

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现peg1000的离子化分析，样品施加器4为内径1.2mm的玻璃点样毛细管，电烙铁热源3前端(弯圆头)与质谱入口距离为5mm，介质阻挡放电等离子体加于距热源3前端4cm处，热源3温度为250℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为聚合物peg1000，溶剂为甲醇，浓度为5μg/ml，图6是使用本发明方法获得的本实例所述peg1000甲醇溶液(1.0μl)的质谱图。质谱分析结果显示peg1000这种聚合物的典型质谱图。

实施例6

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现全氟辛酸(pentadecafluorooctanoicacid)的离子化分析，样品施加器4为2.0μl注射器，电烙铁热源3与质谱入口距离为5mm，电弧等离子体施加于距热源3前端5cm处，热源3温度为60℃，四极杆质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，负离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为全氟辛酸的甲醇溶液，溶剂为甲醇，浓度为10μg/ml，图7是使用本发明方法获得的本实例所述全氟辛酸甲醇溶液(1.0μl)的质谱图。质谱分析结果显示全氟辛酸的[m–h]^–，m/z为413，说明该装置可以实现全氟类污染物的离子化分析。

实施例7

热解吸电离机制验证装置结合热源3与电子发生器2实现维生素d3(vitamind3)的离子化分析，样品施加器4为内径1.2mm的玻璃点样毛细管，电烙铁热源3前端(扁头)与质谱入口距离为4mm，6a电流施加于距热源3前端8cm处，热源3温度为150℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为维生素d3，试剂为甲醇，浓度为30μg/ml，图8是使用本发明方法获得的本实例所述维生素d3甲醇溶液(1μl)的质谱图。质谱分析结果显示维生素d3与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为385，未发现脱水峰，进一步验证了热电子电离源的软电离特性。

实施例8

热解吸电离验证装置结合热源3与电子发生器2实现福美斯坦(formestane)的离子化分析，样品施加器4为0.5μl注射器。电吹风热源3前端与质谱入口距离为2mm，80ma电流施加于距热源3前端6cm处，热源3温度为400℃，四极杆质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为福美斯坦的乙酸乙酯溶液，溶剂为乙酸乙酯，浓度为50μg/ml，图9是使用本发明方法获得的本实例所述福美斯坦乙酸乙酯溶液(2μl)的质谱图，图9a正离子模式下的质谱图，其m/z为303，图9b是正离子模式下m/z303的二级质谱图，其特征碎片有285、267、249和173，据现有文献报道，符合其裂解特征。

实施例9

热解吸电离验证装置结合热源3与电子发生器2实现雄酮(androsterone)的离子化分析，样品施加器4为10μlhamilton微量注射器，电烙铁热源3前端(尖头)与质谱入口距离为5mm，5a电流施加于距热源3前端距离为4cm，热源3温度为350℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为雄酮，溶剂为丙酮，浓度为20μg/ml，图10是使用本发明方法获得的本实例所述雄酮丙酮溶液(0.5μl)的质谱图，质谱分析结果其m/z为291。这与常规分析甾醇类激素存在明显的差异，其它热解吸电离技术所测得结果往往为雄酮的[m–2h2o+h]⁺结果，而热电子离子源测得质谱结果没有脱水峰，这体现出了热电子离子源的软电离特性要优于常规的热解吸电离源。

实施例10

热解吸电离验证装置结合热源3与电子发生器2实现苯甲酸二雌醇(estradiolbenzoate)的离子化分析，样品施加器4为内径1.2mm的玻璃点样毛细管，电烙铁热源3前端(圆头)与质谱入口距离为3mm，1a直流电(锂电池)施加于距离热源3前端2cm处，热源3温度为550℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，上述条件正离子模式下采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为苯甲酸二雌醇，溶剂为水，浓度为20μg/ml，图11是使用本发明方法获得的本实例所述苯甲酸二雌醇水溶液(2.5μl)的质谱图。质谱分析结果显示苯甲酸二雌醇与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为377。

实施例11

热解吸电离验证装置结合热源3和电子发生器2实现睾酮(testosterone)的离子化分析，样品施加器4为10μlhamilton微量注射器。电烙铁热源3前端(弯尖头)与质谱入口距离为4mm，电子发生器2与热源3前端距离为3cm，热源3温度为450℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物为睾酮的丙酮溶液，所用溶剂为丙酮，浓度为15μg/ml，图12是使用本发明方法获得的本实例所述睾酮丙酮溶液(0.4μl)的质谱图。质谱分析结果显示睾酮与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为289。

实施例12

热解吸电离验证装置结合热源3与电子发生器2实现1-硝基芘(1-nitropyrene)的离子化分析，样品施加器4为10μlhamilton微量注射器。电烙铁热源3前端(马蹄头)与质谱入口距离为2mm，3a电流施加于距离热源3前端2cm处，热源3温度为400℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的待测化合物1-硝基芘的甲醇溶液，溶剂为甲醇，浓度为15μg/ml，图13是使用本发明方法获得的本实例所述1-硝基芘(1μl)的质谱图。质谱分析结果显示1-硝基芘与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为248，而常规热解吸电离结果为分子离子峰。

实施例13

热解吸电离验证装置结合热源3与电子发生器2实现左氧氟沙星滴眼液中主要成分左氧氟沙星(levofloxacin)的离子化分析。样品施加器4为内径1.2mm的玻璃点样毛细管，电烙铁热源3前端(马蹄头)与质谱入口距离为5mm，电子发生器2与热源3前端距离为2cm，热源3温度为400℃，离子阱质量分析器，毛细管电压为30v，毛细管温度为300℃，管透镜电压为100v，正离子模式采集数据。

本实例中，所选择的为含有磷酸缓冲盐的左氧氟沙星滴眼液中，其主要成分左氧氟沙星，图14是使用本发明方法获得的本实例所获得的左氧氟沙星滴眼液直接离子化的质谱图。质谱分析结果显示左氧氟沙星与质子的加合峰[m+h]⁺，其m/z为362，说明本发明的离子源具有良好的复杂基质耐受性和耐盐性。

上述实施例表明，因为本发明采用的热源3、电子发生器2为多种形式，热解吸电离机制验证装置使离子化效率极大改善，可以使溶解于多种不同极性溶剂中的化合物离子化，以及实现复杂基质样品中主要成分的离子化分析。本装置可以与常见的质量分析器(如：轨道离子阱、三重四极杆、飞行时间、磁质谱、傅里叶离子回旋共振、轨道阱等)相兼容，推广到其它的质谱分析中，应用范围广，实用性强。此外，本装置充分阐明了热解吸电离中热源3与电子的不可分割性，为各个实验室在构建新型离子源方面提供理论指导。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。