本发明涉及一种纳流色谱分离和等离子体质谱检测的联用系统。
背景技术
环境和生物样品中的元素形态信息有助于人们了解它的毒性、迁移性和生物可利用性。原子光谱分析技术，特别是等离子体质谱技术，是目前痕量元素总量分析的强有力工具，但难以对环境、生物和食品等复杂基体中痕量元素的存在形态及其含量进行分析。色谱分析模式种类多样，适用范围广，是分析复杂基体中痕量元素的不同形态物种的高效手段。纳流液相色谱和毛细管电泳都是分离效率高、速度快和样品消耗小的色谱技术，而纳流液相色谱的分离选择性更高。将等离子体质谱作为毛细管电泳和纳流液相色谱的检测器，兼具高分离效率与高灵敏度与高元素选择性的检测，是一种具有很大潜力的形态分析技术。
但是，纳流液相色谱与等离子体质谱联用必先设计一个有效的接口，这个接口必须兼容两者的流量，使色谱流出物高效传输到等离子体质谱，接口的死体积要尽量小，以减少色谱展宽效应。而毛细管电泳与等离子体质谱联用也需要先设计一个有效的接口，这个接口除了上述要求之外，还要解决的一个问题是如何降低等离子体质谱仪所使用的气动雾化器的自吸效应，雾化器的自吸效应会在分离毛细管中产生层流，干扰不同物种的电泳分离甚至导致分离失败。因此从接口的加工难度和分离选择性考虑，纳流液相色谱与等离子体质谱联用比毛细管电泳与等离子体质谱联用更好。尽管如此，纳流液相色谱与等离子体质谱联用的接口仍需解决流量匹配、高效样品传输和接口死体积等问题。
等离子体质谱所用的常规雾化器的进样流量一般为0.5-2ml/min，采用微量雾化器的进样流量一般为5-100μl/min，这都远远超过纳流液相色谱的流速(数十nl/min至数μl/min水平)，因此绝大部分的接口使用大流量的鞘流液来平衡两者的流量差。然而鞘流液会大量稀释分析物的浓度，使联用接口的灵敏度显著下降。另一种方案是使用纳流雾化器作为直连接口，消除鞘流液的使用。所使用的纳流雾化器要求在纳流水平具有较高的雾化效率和稳定性。
纳流液相色谱与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的死体积。接口的死体积越大，分析物在此停留的时间越长，电泳峰的扩宽越严重，降低分离效率和检测灵敏度。现有的毛细管电泳与等离子体质谱联用接口一般采用两通、三通或者四通来连接毛细管色谱柱、鞘流液管路及雾化器，它们的死体积少则数十纳升，多则数微升，易导致电泳峰的扩宽。而且使用的纳流雾化器也有不小的死体积(少则数纳升，多则数百纳升)。此外，联用接口的制作难度和成本都是需要考虑的问题。
除了联用接口，纳流液相色谱与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题毛细管色谱柱的制备。毛细管色谱柱按柱床结构可分为填充柱、开管柱和整体柱。其中，填充柱因柱容量大、制作重现性好、柱材料丰富而应用广泛。但是填充柱需要制作柱塞，常用烧结法、溶胶凝胶法、整体柱塞法、颗粒柱塞法和磁固定法等方法来制作柱塞。但这些方法要么制备费时、要么柱塞材料欠缺，或者柱塞制作重现性差，或者制作的柱塞引起谱峰展宽。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种纳流色谱分离和等离子体质谱检测的联用系统。
为实现上述目的，本发明的一个实施例采用如下技术方案：
一种纳流色谱分离和等离子体质谱检测的联用系统，包括用于连通纳流色谱分离部和等离子体质谱检测部的连接部；
所述连接部包括支撑体和纳流色谱柱，纳流色谱柱气密贯穿支撑体的内腔，则纳流色谱柱外露于支撑体的两端分别构成连通纳流色谱分离部的第一接口和用于连通等离子体质谱检测部的第二接口；
所述纳流色谱柱靠近第二接口的一段上套设有外管，外管的内壁与纳流色谱柱之间具有间隙；所述外管的外端位于支撑体的内腔外，且外管外端的管口与纳流色谱柱的第二接口平齐且对准；外管的外端和纳流色谱柱的第二接口所在的一端均为尖头，外管的外端形成雾化气喷嘴，第二接口形成样品喷嘴；
外管的内端位于支撑体的内腔内并与支撑体的内腔连通；支撑体上开设有进气口，进气口的一端与雾化气的气源连通，一端与支撑体的内腔连通；
第二接口通过雾化室与离子体质谱检测部连通，外管的外端和第二接口均气密延伸至雾化室的内腔内，且雾化室的内腔与等离子体质谱检测部连通；所述雾化室上还设有加热装置和传输气管；所述传输气管的出口与雾化室内腔连通，所述传输气的入口与传输气气源连通。
进一步，还包括纳流色谱分离部和等离子体质谱检测部。
进一步，所述纳流色谱分离部包括进样管，进样管的进口端与样品源和流动相源依次连通，且流动相源经过高压输液泵与进样管连通；进样管的出口端通过三通与第一接口、分流管分别连通，且纳流色谱柱位于所述三通水平的一侧，分流管位于所述三通的下方，进样管位于所述三通的上方。
进一步，所述等离子体质谱检测部为等离子体质谱仪。
进一步，所述纳流色谱柱与外管同轴设置。
进一步，所述加热装置为缠绕在雾化室外的加热电丝，所述加热电丝的两端分别与电压调节器的两电压输出端相连。
进一步，所述加热电丝是镍铬丝。
本发明的有益效果是：雾化和传输效率高，雾化气和传输气独立优化，外管和用于制作纳流色谱柱的内管可快速更换，制作成本和重现性较好，接口的死体积极低，色谱展宽少，无须柱塞制作，色谱柱制备简单快速且无柱塞导致的色谱展宽。具有灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉的特点。
附图说明
图1是一个实施例中本发明的结构示意图；
图2是图1中纳流色谱柱和外管的示意图；
图3是图1中所述的本发明的灵敏度与雾化气背压和传输气流量的关系图；
图4是本图1中所述的本发明的灵敏度与进样流速的关系图；
图5是微流雾化器、d-nn纳流雾化器和图1中所述的本发明分离汞形态的色谱图；其中：色谱图a表示以d-nn为直连接口采集纳升液相色谱和等离子体质谱分离检测四种汞形态的色谱图；色谱图b表示以微量雾化器为鞘液接口采集纳升液相色谱和等离子体质谱分离检测四种汞形态的色谱图；色谱图c表示利用图1中所述的本发明采集纳升液相色谱和等离子体质谱分离检测四种汞形态的色谱图；
图6是图1中所述的本发明的6次分离汞形态的色谱图。
图中：1－纳流色谱柱，2－外管，3－支撑体，4－雾化气管道，5—peek接头，6－雾化气，7－密封塞，8－雾化室，9－加热电丝，10－传输气管，11－传输气，12－电压调节器，13－高压输液泵，14－微升注射阀，15－三通，16－分流管，17－等离子体质谱仪。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1、图2，本发明提供了一种纳流色谱分离和等离子体质谱检测的联用系统，包括纳流色谱分离部和等离子体质谱检测部，还包括用于连通纳流色谱分离部和等离子体质谱检测部的连接部；
所述连接部包括支撑体3和纳流色谱柱1，纳流色谱柱1气密贯穿支撑体3的内腔，纳流色谱柱1外露于支撑体的两端分别构成连通纳流色谱分离部的第一接口和用于连通等离子体质谱检测部的第二接口；
在一些实施方式中，支撑体3采用三通管件充当；纳流色谱柱1水平贯穿三通管件两个相对的管口，且纳流色谱柱1通过密封塞气密固定在三通管件的两个管口内，其中，所述密封塞可采用peek管，充当密封塞的所述peek管位于三通管件外的端头可通过peek接头5密封。
所述纳流色谱柱1靠近第二接口的一段上套设有外管2，外管2的内壁与纳流色谱柱1之间具有间隙，以允许雾化气通过；所述外管2的外端位于支撑体3的内腔外，且外管2外端的管口与纳流色谱柱1的第二接口平齐且对准(指的是外管2外端的管口所在的横截面与第二接口所在的横截面重合)；外管2的外端和纳流色谱柱1的第二接口所在的一端均为尖头，外管的外端形成雾化气喷嘴，第二接口形成样品喷嘴；
在一些实施方式中，所述外管2和所述纳流色谱柱1均为石英毛细管，外管2和所述纳流色谱柱1的尖头均可自制，例如可采用火焰加热两步拉伸法制作，具体步骤如下：
(1)截取8cm长、规格为0.53mmi.d.×0.69mmo.d.的商品石英毛细管用于制作外管2，截取20cm长、规格为0.1mmi.d.×0.365mmo.d.(其中i.d.表示内径、o.d.表示外径)的商品石英毛细管用于制作内管(所述纳流色谱柱1包括内管和固定填充在内管内由色谱填料形成的色谱柱床)；
(2)先烧去石英毛细管一端(距端口约3cm的部位)的聚酰亚胺外涂层，然后于丁烷火焰中加热软化，同时水平反方向手动缓慢拉拽毛细管两端使加热部位变细成为细化段，外管2细化段最细处的外径约150μm，内管细化段最细处的外径约75μm；
(3)再将细化段放在酒精火焰上加热，同时水平反方向手动快速拉拽毛细管两端，使细化段断为两段即成尖头；外管2尖头端口(即外管外端的管口)尺寸为52.4±0.9μmi.d.×61.5±1.4μmo.d.，内管尖头端口(即第二接口)尺寸为13.8±0.5μmi.d.×16.5±0.6μmo.d.。
(4)按照步骤(2)(3)处理8cm长的毛细管后得到外管2；
(5)按步骤(2)(3)处理20cm长的毛细管后得到内管；然后采用匀浆压力填充法制作纳流色谱柱1，过程为：将色谱填料(本实施例中的色谱填料可采用直径为3μm的c18球形硅胶，且可选用产自浙江月旭科技有限公司的c18球形硅胶)均匀分散在盛装有甲醇(质量浓度为20mg/ml)的容器中，然后将容器与规格为4.6mmi.d.×5cm(其中5cm指的是长度)的进样管的一端连通，进样管的另一端通过高压输液泵13和内管未拉尖的一端连通；在超声振荡下，高压输液泵(恒压模式，40mpa)输送色谱填料进入内管内，且色谱填料在内管的尖头内因锲石效应而固定，逐渐形成色谱柱床；当色谱柱床到达预定长度如15cm后停止填充，待背压降至0后，分开内管和高压输液泵，并用1μl/min的甲醇冲洗内管4h，内管和填充在内管内的填充柱形成所述的纳流色谱柱1。
外管2的内端位于支撑体3的内腔内并与支撑体3的内腔连通；支撑体3上开设有进气口，进气口的一端与雾化气6的气源连通，一端与支撑体3的内腔连通；雾化气依次经所述进气口、支撑体的内腔、外管的内壁与纳流色谱柱之间的间隙、雾化气喷嘴喷出；
在一些实施方式中，所述进气口通过雾化气管道4与雾化气6的气源连通，所述雾化气管道4气密插设在进气口内，且雾化气管道4的一端通过支撑体3的内腔与外管2连通，另一端与雾化气6的气源连通。所述雾化气管道4可采用多种材质制作，例如所述雾化气管道4可为peek管，且在该实施例中所述雾化气6为高压氩气，所述雾化气6的气源为高压氩气钢瓶，且高压氩气钢瓶带有压力调节阀，所述压力调节阀的输出压力为0.0～1.5mpa。
第二接口通过雾化室8与离子体质谱检测部连通，外管2的外端和第二接口均气密延伸至雾化室的内腔内，且雾化室8的内腔与等离子体质谱检测部连通，所述雾化室8上还设有加热装置和传输气管10；所述传输气管10的出口与雾化室8内腔连通，所述传输气管10的入口与传输气11气源连通。
在一些实施方式中，传输气管10垂直设置在雾化室8的一侧，且传输气管10的中轴线与雾化室8的中轴线相垂直；所述雾化室和传输气管10可均为玻璃材质，传输气管10的规格可为4mmi.d.×6mmo.d.。
外管2的外端和纳流色谱柱1的第二接口的一端需要气密贯穿雾化室8的入口端，例如，雾化室8的入口设有密封塞7，密封塞7为聚四氟密封塞，且密封塞7上设有可供外管2气密贯穿的通孔；雾化室8的出口与等离子体质谱检测部连通。
在一些实施方式中，所述纳流色谱分离部包括进样管，进样管的进口端与样品源和流动相源依次连通，且流动相源经过高压输液泵13与进样管连通；进样管的出口端通过三通15与第一接口、分流管16分别连通，且纳流色谱柱位于所述三通15水平的一侧，分流管16位于所述三通15的下方，进样管位于所述三通15的上方。
高压输液泵13输送的流动相经三通15分流成色谱柱1内的纳流流动相和分流管16内的微流流动相，微升注射阀14的微升样品带也经三通15分流成流入色谱柱1内的纳升样品带和分流管16内的微升样品废液。纳升样品带在纳流色谱柱1内分离成不同的分析物，流出后经外管2通入的高压氩气6雾化成细小气溶胶，在高压氩气6和传输气11的联合输送下，经加热的雾化室8载入等离子体质谱17进行检测。
在一些实施方式中，所述等离子体质谱检测部为等离子体质谱仪17，所述三通15可采用多种具有一定强度要求的材料制作，例如不锈钢材质。
在一些实施方式中，所述纳流色谱柱1与外管2同轴设置。
在一些实施方式中，所述加热装置为缠绕在雾化室8外的加热电丝，所述加热电丝的两端分别与充当电源的电压调节器12的两电压输出端相连，以便于调节加热功率。
在一些实施方式中，所述加热电丝是镍铬丝，镍铬丝的电阻为100～200ω。镍铬丝的两端接电压调节器12的电压输出端，电压调节器12的电压输出范围为0～100v，例如，可控制电压调节器12的输出电压使镍铬丝的加热功率为10w。
在一些实施方式中，传输气管10的进气端与等离子体质谱仪17的雾化气管连通，由等离子体质谱仪17提供传输气11。
本发明所使用的两根拉尖的纳流色谱柱1和外管，喷嘴处的气缝截面积(雾化气喷嘴)和液体截面积(样品喷嘴)均大幅降低，内管的壁厚低于5μm，结合高背压的氩气(高达1.0mpa)，可在纳流水平提供较高的雾化效率，避免了鞘流液的使用。同时将等离子体质谱仪17的原雾化气改为传输气11，实现了雾化气6与传输气11的独立优化，获得更好的灵敏度。
本发明将雾化器的进样管与纳流色谱柱合二为一，不仅降低接口的死体积至零，改善了色谱展宽，同时避免了填充色谱柱的柱塞制备，简化了色谱柱的制备。
本发明用加热的单通道的雾化室8来传输样品气溶胶，雾化室8死体积小，可减小色谱峰的展宽，雾化室8加热则加快气溶胶去溶，提高了传输效率，同时有利于气溶胶在等离子体的原子化过程，从而提高了灵敏度。
对本发明的纳流色谱柱1的气溶胶粒径分布按以下方式进行检测：
拆下本发明的雾化室8，使得纳流色谱柱1的样品碰嘴外露。使用1％硝酸溶液为流动相，采用60cm长、规格为0.05mmi.d.×0.365mmo.d.的石英毛细管为分流管16；高压输液泵13以0.175ml/min的流速输送流动相，此时纳流色谱柱1内流动相的流速为510nl/min；打开高压氩气钢瓶。依次调节压力调节阀的输出压力为0.2mpa、0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa、0.6mpa、0.7mpa和0.8mpa，同时在距离雾化器喷嘴2cm的同心位置放置4cm×4cm的ph试纸(ph试纸的ph变色范围为1.4-3.0)收集产生的气溶胶，每个背压下收集10min。同时用相同的ph试纸收集d-nn在相同条件下(即进样流速为510nl/min、背压为0.2mpa、收集时间为10min)产生的气溶胶，通过观察采集的ph试纸上气溶胶形成的阴影的面积大小和色度深浅来检测气溶胶粒径分布，阴影的面积大小可以反映气溶胶的分布范围，阴影面积越大，则气溶胶的分布越广，反之则气溶胶的分布越窄；阴影的色度深浅可以反映气溶胶粒的分布密度，阴影的色度越深，则气溶胶的分布越集中，反之则气溶胶的分布越稀疏。本发明产生的气溶胶粒径明显小于d-nn纳流雾化器产生的气溶胶。
本发明的分析过程包括平衡、进样、分离和检测四个阶段：
a、在平衡阶段，高压输液泵13输送纳流量的流动相(包含内标元素)到纳流色谱柱1，并设置电压调节器12的输出压电为50～70v，逐渐增加雾化气的背压(调节氩气钢瓶的压力调节阀输出压力)，并在每个雾化气背压下改变传输气11流量，使内标元素的信号最强并稳定；
b、在进样阶段，将微升注射阀14置于load状态，手动用注射器吸取一定体积的待分析样品注射到微升注射阀14的定量环内，然后立即旋转微升注射阀14将阀位切换为inject状态；
c、在分离检测阶段，当微升注射阀14切换为inject状态，立即启动等离子体质谱仪17的数据采集程序开始采集信号；样品区带在流动相的压力流驱动下，经三通15分流后进入纳流色谱柱1，样品中各组分因其与固定相相互作用的差异而实现分离。
d、在检测阶段，分离后的样品分子流出纳流色谱柱1后，立即被高压雾化气6雾化形成气溶胶，并通过加热雾化室8部分去溶，最后进入等离子体质谱仪17进行分析检测。
按照上述分析过程利用本实施例中的纳流色谱分离和等离子体质谱检测的联用系统进行分析实验：
实验1
使用500μg/l的多元素混合标液为流动相，60cm长、规格为0.05mmi.d.×0.365mmo.d.的石英毛细管为分流管16。启动电压调节器12使输出电压为60v，开启等离子体质谱仪17使其从“vacuum”状态切换为“operate”状态，打开高压氩气钢瓶，依次调节压力调节阀的输出压力为0.2mpa、0.3mpa、0.4mpa、0.5mpa、0.6mpa、0.7mpa和0.8mpa，再启动高压输液泵13以0.175ml/min的流速输送流动相，此时纳流色谱柱1内流动相流速为510nl/min，同时更改等离子体质谱仪17的原雾化气流速使各检测元素的质谱信号最大。采集6li、7li、55mn、59co、89y、111cd、115in、159tb、205tl、208pb、209bi和238u质量数的质谱信号，如图3所示，结果表明0.6mpa背压可获得最佳的雾化效率。
更进一步，固定调节压力调节阀的输出压力为0.6mpa，固定等离子体质谱仪17的雾化气流速为0.58l/min。依次更改高压输液泵13的输液流速为0.05-0.30ml/min(0.05ml/min的增量)，此时纳流色谱柱1内流动相流速分别为59-910nl/min。采集6li、7li、55mn、59co、89y、111cd、115in、159tb、205tl、208pb、209bi和238u质量数的质谱信号，如图4所示，结果表明高压雾化器在纳流量至微流量水平均可产生很好的气溶胶。
实验2
使用50μg/l的四种汞形态混合标液样品，以10mm的半胱氨酸为流动相，采用60cm长、规格为0.05mmi.d.×0.365mmo.d.的石英毛细管作为分流管16。启动电压调节器12使输出电压为60v，开启等离子体质谱仪17使其从“vacuum”状态切换为“operate”状态，固定调节压力调节阀的输出压力为0.6mpa，固定等离子体质谱仪17的雾化气流速为0.58l/min，再启动高压泵以0.175ml/min的流速输送流动相，此时纳流色谱柱1内流动相的流速为510nl/min。注射5μl的汞形态混标到微升注射阀14的样品环内，然后切换阀位从“load”到“inject”，同时开始采集202hg质量数的质谱信号10min，如图5中的色谱图c所示。同时以d-nn为直连接口以及微量雾化器为鞘液接口采集纳升液相色谱和等离子体质谱分离检测四种汞形态，分别如图5中的色谱图a和b所示。结果表明本发明的高压雾化器作为接口灵敏度最高，色谱展宽最少。
更进一步，6次重复注射5μl的汞形态混标到微升注射阀14的样品环内，然后切换阀位从“load”到“inject”，同时开始采集202hg质量数的质谱信号8min，如图6所示，结果表明本发明的联用系统具有很好的重现性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。