一种用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置及方法与流程

本发明涉及质谱成像技术领域，尤其涉及一种用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置及方法。

背景技术：

质谱成像技术是一种免标记、高灵敏的成像分析方法。分析过程中，样品平台按照一定的规律移动，解吸电离得到的离子或碎片离子进入质谱仪，按质荷比(m/z)的不同进行测定，再由成像软件将测得的质谱数据转化成相应像素点并重构出目标化合物在样品表面的空间分布图像。解吸电离是质谱成像的关键步骤，其根据解吸电离方式的不同，已发展出基质辅助激光解吸电离(matrixassistedlaserdesorptionandionization，maldi)、解吸电喷雾电离(desorptionelectrosprayionization，desi)和二次离子质谱(secondaryionmassspectrometry，sims)等主流质谱成像技术。

desi是2004年由普渡大学cooks教授课题组首次提出的一种常压敞开式电离技术，具有里程碑意义。desi的解吸电离过程分为以下三步：1)在雾化气和直流高压作用下产生电喷雾羽束；2)电喷雾羽束轰击样品表面，形成一层液膜，并萃取样品表面目标物质；3)后续到来的喷雾液滴继续轰击液膜并溅射起含有待测物质的小液滴，同时发生电荷转移，完成解吸电离过程。desi在成像分析时，既不需要严苛的真空条件也不需要基质喷涂等前处理过程，可以在常压敞开式条件下直接对样品进行分析，迅速发展成一种备受欢迎的质谱成像技术，广泛应用在病理学、药物代谢以及组学分析等领域，同时也在临床医学以及疾病诊断中展现出巨大的应用潜力。

但在实际应用中发现，现有的解吸电喷雾电离技术应用于成像分析时仍存在一些局限：1)电喷雾羽束是发散的，相较于激光解吸电离来说，解吸斑点较大，直接导致成像空间分辨率较差；2)受电喷雾电离原理限制，多使用介电常数较大的甲醇、乙腈、水(或其混合溶液)等作为喷雾溶剂，仅适用于极性分子的解吸和电离，然而对中等极性或弱极性物质检测灵敏度较差。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置及方法，可以使电喷雾羽束更加汇聚，并提高解吸电喷雾电离质谱成像的空间分辨率和对中等或弱极性物质的检测灵敏度，拓展其应用范围。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置，包括依次连接的载液毛细管、金属两通接头和电喷雾喷针、套设于所述电喷雾喷针外围的雾化气套管、冷却装置、连通所述雾化气套管以提供雾化气的载气主管以及为所述金属两通接头提供直流高压的高压源；所述电喷雾喷针的头部至少部分伸出所述雾化气套管外，所述冷却装置用于对所述载气主管内的雾化气进行冷却降温，冷却后的雾化气从所述雾化气套管喷出形成电喷雾，溶剂经过所述金属两通接头后在所述雾化气套管内被雾化气冷却，并从所述电喷雾喷针的头部形成泰勒锥喷出。

作为其中一种实施方式，所述冷却装置还用于在溶剂进入金属两通接头前，对所述载液毛细管内的溶剂进行预冷降温。

作为其中一种实施方式，所述载气主管的一部分设于所述冷却装置内。

作为其中一种实施方式，所述用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置还包括支管，所述支管连接所述载气主管的中部，所述载液毛细管部分穿设于所述支管内。

作为其中一种实施方式，所述冷却装置为液氮储藏罐，所述载气主管的一部分浸没于所述液氮内。

作为其中一种实施方式，所述用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置还包括第一气压调节阀和第二气压调节阀，所述第一气压调节阀设于所述载气主管上连接所述支管的部位与所述雾化气套管之间，用于调节所述雾化气套管的压力和流量；所述第二气压调节阀设于所述支管上，用于调节所述支管的压力和流量。

作为其中一种实施方式，所述用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置还包括第一三通接头，所述第一三通接头包括第一进口端、第二进口端和出口端，所述电喷雾喷针的两端分别穿出所述第一进口端和所述出口端，且在所述第一进口端与所述第一三通接头之间密封设置，所述雾化气套管自所述出口端伸出并与所述出口端之间密封设置，所述载气主管连接所述第二进口端。

本发明的另一目的在于提供一种用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离方法，包括：

对载气主管内的雾化气进行冷却降温，冷却后的雾化气从雾化气套管喷出形成电喷雾；

为金属两通接头提供直流高压；

溶剂自载液毛细管经过金属两通接头后，在雾化气套管内被雾化气冷却，并从电喷雾喷针的头部形成泰勒锥喷出。

作为其中一种实施方式，所述用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离方法还包括：在溶剂进入金属两通接头前，对载液毛细管内的溶剂进行预冷降温。

作为其中一种实施方式，所述用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离方法还包括：调节雾化气套管的压力和流量，并调节载液毛细管的降温速率。

本发明首次将低温条件应用到用于成像的解吸电喷雾电离技术中，减缓了解吸电喷雾的溶剂蒸发和库伦爆炸速率，使喷雾羽束更加汇聚，增加了其对样本表面的轰击动量，提高了解吸效率，即提高了质谱成像的检测灵敏度，从而提高了质谱成像的空间分辨率。另外，通过低温气体对毛细管内的溶剂进行低温冷却，增大了解吸电喷雾溶剂的介电常数，也提高了其对中等极性或弱极性物质的电离能力，从而提高了解吸电喷雾电离用于质谱成像时的检测覆盖范围，气体管路的设计也实现了对系统温度的精确调控。

附图说明

图1为本发明实施例的低温解吸电喷雾电离装置的结构示意图；

图2为解吸电喷雾电离-质谱分析实验中，常规解吸电喷雾电离技术与本发明实施例的低温解吸电喷雾电离方式在不同喷雾溶剂流速时的解吸扫略轨迹的光学照片对比图，其中，(a1)、(a2)对应常规解吸电喷雾电离技术，(b1)、(b2)对应本发明实施例；

图3为解吸电喷雾电离-质谱分析实验中，常规解吸电喷雾电离技术与本发明实施例的低温解吸电喷雾电离方式的一级全扫质谱图的对比图，其中，(c)对应常规解吸电喷雾电离技术，(d)对应本发明实施例。

具体实施方式

在本发明中，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，本发明实施例的用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离装置主要包括载液毛细管20、金属两通接头30和电喷雾喷针40、雾化气套管50、冷却装置60、载气主管70以及高压源80，作为解吸电喷雾溶剂的运输通路，载液毛细管20、金属两通接头30和电喷雾喷针40依次连接，载液毛细管20可以连接注射泵，为装置提供溶剂。而作为雾化气的运输通路，载气主管70、雾化气套管50依次连通，雾化气套管50套设于电喷雾喷针40的外围，使得电喷雾喷针40的头部至少部分伸出雾化气套管50外，载气主管70可以通过连接外部的高压雾化气源为装置提供雾化气。高压源80可以通过与金属两通接头30连接而导通，为金属两通接头30提供直流高压，冷却装置60可以对载气主管70内的雾化气进行冷却降温，载气主管70输送的冷却后的雾化气从雾化气套管50喷出形成电喷雾，溶剂经过金属两通接头30后在雾化气套管50内被雾化气冷却，并从电喷雾喷针40的头部形成泰勒锥喷出。

优选地，冷却装置60还在溶剂进入金属两通接头30前，对载液毛细管20内的溶剂进行预冷降温。通过冷却装置60对流经的雾化气进行降温冷却，并对载液毛细管20内的溶剂进行预冷处理，预冷处理后的溶剂在经过金属两通接头30处与直流高压(3-5kv)接触，再被降温冷却后的低温雾化气再次冷却，在电喷雾喷针40的尖端形成泰勒锥喷出。低温雾化气和低温溶剂减缓了解吸电喷雾的溶剂蒸发和库伦爆炸速率，使喷雾羽束更加汇聚，增加了其对样本表面的轰击动量，提高了解吸效率，即提高了质谱成像的检测灵敏度，从而提高了质谱成像的空间分辨率。而低温雾化气可以对毛细管内的溶剂进行低温冷却，增大了解吸电喷雾溶剂的介电常数，提高了其对中等极性或弱极性物质的电离能力，从而也提高了解吸电喷雾电离用于质谱成像时的检测覆盖范围。电喷雾喷针40的头部伸出雾化气套管50外的长度优选不大于2mm。

例如，载气主管70的一部分设于冷却装置60内，冷却装置60可以为液氮储藏罐，载气主管70的一部分浸没于液氮内，载气主管70的浸没于液氮内的部分可以为钛合金管。载气主管70可以具体包括连接冷却装置60的入口的第一主管71、连通冷却装置60的出口与雾化气套管50的第二主管72以及连接在第一主管71、第二主管72之间的第三主管73，自第一主管71通入的雾化气经过冷却装置60后温度降低，并从第二主管72输出，第三主管73为钛合金管。

为了实现在溶剂进入金属两通接头30前，利用冷却装置60对载液毛细管20内的溶剂进行预冷降温，可以采取的一种方式是，在载气主管70的中部引出支管80，将载液毛细管20穿过支管80，使其一部分穿设于支管80内。一路降温冷却后的雾化气由载气主管70经支管80流出，利用低温的雾化气对载液毛细管20内的溶剂进行冷却，从而增大了解吸电喷雾溶剂的介电常数，提高了其对中等极性或弱极性物质的电离能力。

在载气主管70和支管80上，还可以分别设置第一气压调节阀k1(规格如40-100psi)和第二气压调节阀k2(规格如20-80psi)，将第一气压调节阀k1设于载气主管70上连接支管80的部位与雾化气套管50之间，可以调节雾化气套管50的压力和流量，低温雾化气经电喷雾喷针40喷出，保证形成稳定的电喷雾；将第二气压调节阀k2设于支管80上，可以调节支管80的压力和流量，也就是调整第一主管71、第二主管72的压力和流量，改变热交换介质的流动速率和交换热量，从而调控系统的低温温度。

本实施例中，低温解吸电喷雾电离装置还具有第一三通接头10，第一三通接头10包括第一进口端11、第二进口端12和出口端13，电喷雾喷针40的两端分别穿出第一进口端11和出口端13，且在第一进口端11与第一三通接头10之间密封设置，雾化气套管50自出口端13伸出并与出口端13之间密封设置，载气主管70连接第二进口端12。第一三通接头10的第一进口端11、出口端13分别与电喷雾喷针40的上端、雾化气套管50密封连接，第一三通接头10内部呈中空的腔体状，雾化气套管50部分伸出于第一三通接头10外、部分位于第一三通接头10内，第二进口端12、雾化气套管50分别与腔体连通，但第二进口端12、雾化气套管50又不是直接连接在一起，电喷雾喷针40的两端均伸出于第一三通接头10的轴向的两端，自第二主管72进入的冷却雾化气由第二进口端12进入腔体内并快速充满该腔体，可以对电喷雾喷针40及其内部的溶剂进行再次冷却，提高其对中等极性或弱极性物质的电离能力。

其中，第一主管71、第二主管72、支管80均可以是软管，第二主管72与支管80连接的部位可以设置第二三通接头90，第二三通接头90的入口端连接第二主管72，其第一出口端和第二出口端分别连接支管80和第四主管74，第四主管74则连接第一三通接头10的第二进口端12，第四主管74也可以是软管，第一三通接头10可以与第二三通接头90的材料相同，都可以是不锈钢材质。

此外，本发明实施例还提供一种用于质谱成像的低温解吸电喷雾电离方法，包括：

对载气主管70内的雾化气进行冷却降温，冷却后的雾化气从雾化气套管50喷出形成电喷雾；

为金属两通接头30提供直流高压；

溶剂自载液毛细管20经过金属两通接头30后，在雾化气套管50内被雾化气冷却，并从电喷雾喷针40的头部形成泰勒锥喷出。

其中，在溶剂进入金属两通接头30前，优选还包括对载液毛细管20内的溶剂进行预冷降温的步骤。

在上述步骤s03的过程中，还可以实时调节雾化气套管50的压力和流量，并调节载液毛细管20的降温速率。具体可以是，首先调整第一气压调节阀k1，控制进入第一三通接头10的压力和流量，低温雾化气进入第一三通接头10的腔体内，经雾化气套管50喷出，可以保证形成稳定的电喷雾；然后调整第二气压调节阀k2，可以改变载液毛细管20的压力和流量，也即调整第二主管72的压力和流量，改变热交换介质的流动速率和交换热量，从而调控系统的低温温度。

具体的低温解吸电喷雾电离过程可以是：

首先，向液氮储藏罐中装入适量液氮，使液氮浸泡第三主管73(钛合金管)；

雾化气经第三主管73入口进入，在第三主管73内部进行快速的热交换(降温)，低温雾化气经第三主管73的出口流出；

低温雾化气经第二主管72流入第二三通接头90后，被分流为两部分，一部分进入支管80，一部分进入第四主管74；

解吸电喷雾溶剂经注射泵泵入载液毛细管20，流经金属两通接头30而与直流高压(3-5kv)接触，在电喷雾喷针40的尖端形成泰勒锥喷出；

第四主管74、载液毛细管20中的载气压力和流量可以通过第一气压调节阀k1、第二气压调节阀k2控制。首先调整第一气压调节阀k1，控制第四主管74的压力和流量，低温雾化气进入第一三通接头10，经雾化气套管50喷出，保证形成稳定的电喷雾；然后调整第二气压调节阀k2，可以改变载液毛细管20的压力和流量，从而调控系统的低温温度；

在此期间，通过调整电喷雾喷针40伸出雾化气套管50的距离、调整第一三通接头10的角度及其到样本1表面和质谱仪进样管2的距离，可以达到最佳低温解吸电喷雾电离效果，从而进行试验。

本实施例进行了对玻璃片上罗丹明6g涂层进行低温解吸电喷雾电离-质谱分析实验，该实验为此类技术标准表征方案，证明了方案可行。实验过程为：(1)将罗丹明6g均匀涂覆在玻璃片上作为待测样本；(2)开启装置，调整好参数，进行低温解吸电喷雾电离质谱分析。

如图2所示，为对玻璃片上罗丹明6g涂层进行解吸电喷雾电离-质谱分析实验中，常规解吸电喷雾电离技术与本发明实施例的低温解吸电喷雾电离方式在不同喷雾溶剂流速时的解吸扫略轨迹的光学照片对比图，其中，(a1)、(a2)对应常规解吸电喷雾电离技术，(b1)、(b2)对应本发明实施例，可以明显看出，采用本实施例的装置和方法，解吸划痕在不同喷雾溶剂流速时均变得更窄，即本实施例的技术方案可以提高质谱成像分辨率。

图3为对玻璃片上罗丹明6g涂层进行解吸电喷雾电离-质谱分析实验中，常规解吸电喷雾电离技术与本发明实施例的低温解吸电喷雾电离方式的一级全扫质谱图的对比图，其中，(c)对应常规解吸电喷雾电离技术，(d)对应本发明实施例。可以明显看出，采用本实施例的装置和方法，目标物质(m/z666.0331)质谱信号强度增强了10倍左右，即本实施例的技术方案可以提高质谱成像检测灵敏度。

综上所述，本发明首次将低温条件应用到用于成像的解吸电喷雾电离技术中，减缓了解吸电喷雾的溶剂蒸发和库伦爆炸速率，使喷雾羽束更加汇聚，增加了其对样本表面的轰击动量，提高了解吸效率，即提高了质谱成像的检测灵敏度，从而提高了质谱成像的空间分辨率。另外，通过低温气体对毛细管内的溶剂进行低温冷却，增大了解吸电喷雾溶剂的介电常数，也提高了其对中等极性或弱极性物质的电离能力，从而提高了解吸电喷雾电离用于质谱成像时的检测覆盖范围，气体管路的设计也实现了对系统温度的精确调控。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。