一种复杂样品实时在线分析系统及方法

1.本发明涉及有机分析化学技术领域，尤其涉及一种复杂样品实时在线分析系统及方法。


背景技术：

2.质谱技术由于其分析速度快，准确度高，灵敏度好，多种物质同时分析的特点，已经被广泛地应用在了混合物分析鉴定领域。对于较为复杂的实际样品，例如分析疾病和代谢物之间的关系时用到的人的体液，分析河水污染情况时直接采集的河水，为分析其成分而采集的石油，需要做许多复杂的前处理，并采用色谱-质谱联用技术进行分离和鉴定。根据样品的实际情况，这些前处理一般包括过滤，稀释，离心，萃取，降解等操作，这些操作耗时耗力，且容易引入误差，导致测量情况与实际相差较大。而对于色谱-质谱分析，需要检测实验室或者检测机构配备合适的色谱仪，根据情况选择高效液相色谱或者气相色谱，即气质联用或液质联用。色谱仪造价不菲，对于很多条件一般的实验室，很难拥有两台质谱仪，并分别于气相色谱和高效液相色谱联用。气相色谱分辨率高，分离效果好，但要求必须在高温下将待测样品加热至完全气化，对于高沸点难气化的样品必须使用液相色谱。对于高效液相色谱，每分析一个样品，需要进行一次甚至多次色谱柱的清洗，以免影响后续样品的测定。另外，对于不同的样品，还需要选择和更换合适的色谱柱。样品的前处理和色谱柱的清洗大大影响了复杂实际样品的检测效率。
3.因此，目前在分析复杂样品的过程中普遍存在前处理流程复杂，并且严重依赖造价不菲的气相和液相色谱仪与质谱组成气质联用设备和液质联用设备，同时需要经过复杂的色谱柱的清洗和更换，分离和检测效率低。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种复杂样品在线分析系统及使用方法，至少解决下列技术问题之一：(1)分析前处理复杂；(2)严重依赖造价不菲的色谱仪；(3)色谱分析频繁清洗和更换色谱柱；(4)分离和检测效率低下。
5.一方面本发明提供一种复杂样品实时在线分析系统，包括负载单元、温度控制单元、电离单元和检测单元；
6.所述负载单元为一次性多孔介质，用于负载样品；
7.所述温度控制单元用于控制负载于负载单元的样品的温度；
8.所述电离单元，用于将从一次性多孔介质中逸散挥发出来的样品电离；
9.所述检测单元为质谱。
10.进一步地，所述一次性多孔介质为玻璃砂芯片，平放于温度控制单元上表面。
11.进一步地，所述一次性多孔介质为圆柱形。
12.进一步地，所述电离单元放置于负载单元上方，电离单元末端距离质谱进样口中轴线2-5mm。
13.进一步地，所述电离单元为等离子体放电离子源。
14.进一步地，所述等离子体放电离子源为辉光放电离子源。
15.进一步地，所述等离子体放电离子源与水平面呈40-50
°
夹角。
16.另一方面，本发明提供一种复杂样品实时在线分析方法，使用上述的复杂样品实时在线分析系统，包括以下步骤：
17.步骤1.检测单元开机自检，进入待进样状态；
18.步骤2.将样品直接加载到负载单元；
19.步骤3.将负载有样品的负载单元置于温度控制单元的平台上；
20.步骤4.电离单元开启，同时温度控制单元升温；
21.步骤5.打开检测单元进样口，样品中各组分从负载单元中逸散挥发，被电离单元电离后进入检测单元进行检测。
22.进一步地，所述步骤4中，温度控制单元升温速率为1.0-100.0℃/min。
23.进一步地，所述步骤5中，通过样品质谱图进行定性分析，通过绘制提取离子流色谱图对样品进行定量分析。
24.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
25.(1)本发明采用一次性多孔介质(例如玻璃砂芯片)负载样品。每次测量后直接做丢弃和再回收处理，避免了现有技术依赖气谱柱和液谱柱的反复使用，有效避免了样品之间的干扰。也无需像现有的色谱-质谱联用技术在每个样品分析前都对色谱柱进行选择更换和清洗，大大节省了分离程序，提高了分析效率。
26.(2)相比现有技术需要在色谱分析前对样品进行复杂的过滤、离心、反渗透等液固分离操作，本发明采用的一次性多孔介质可直接用于负载实际样品，如河水，体液，石油等，无需进行任何前处理。多孔介质可以过滤去除实际样品中的大部分悬浮颗粒和较粘稠、难以电离的物质。
27.(3)本发明的多孔介质放置于温度控制单元上，通过缓慢或快速升高温度，使得暂存于介质内部小孔内的样品按照挥发性顺序，依次从介质中解吸出来，摆脱了现有分析技术中对价格不菲的气相色谱仪和高效液相色谱仪的依赖，同时由于避免了使用气质联用技术和液质联用技术，摆脱了对气质联用设备和液质联用设备的依赖。为普通实验室方便高效的在线分析复杂样品提供了解决方案。
28.(4)本发明采用等离子体放电离子源(如辉光放电离子源)将从多孔介质中解吸出来的样品电离，可实现复杂样品的实时在线分析。
29.(5)本发明在线分析的复杂样品为液体分散系，复杂样品实时在线分析系统可适用于含有气化温度低于500℃的多种组分的复杂样品进行实时在线检测。
30.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
31.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图
中，相同的参考符号表示相同的部件。
32.图1为实施例1中复杂样品实时在线分析系统示意图；
33.图2为实施例2中复杂样品实时在线分析系统用于健康成人尿液样品的分析所得各化合物的提取离子流色谱图；
34.图3为实施例2中复杂样品实时在线分析系统用于健康成人尿液样品的分析所得平均质谱图；
35.附图标记：
36.1-质谱进样口；2-辉光放电离子源；3-玻璃砂芯片；4-铝制温度控制单元；5-热电阻连接孔；6-交流电源；7-热电偶连接孔；8-万用表；9-氩气；10高压电源接口。
具体实施方式
37.本发明提供一种复杂样品实时在线分析系统，包括：等离子体放电离子源；温度控制单元；一次性多孔介质；检测仪器为质谱。
38.一次性多孔介质在分析系统中负载样品，并在温度控制单元的加热下，样品的组分以不同的速度从一次性多孔介质中逸散和挥发，使其逐步进入检测仪器进样口接受检测。一次性多孔介质首先具有价格便宜的特点。一次性使用的特性，每次使用完直接丢弃处理即可，有效避免了样品之间的干扰，也无需像色谱-质谱联用技术那样每个样品分析结束后都对色谱柱进行清洗。大大节省了步骤和流程，提高了分析检测的便捷。
39.同时，经研究发现，一次性多孔介质具有良好的滤过性，液体可以在一次性多孔介质上逸散和渗透，但固体直接附着于多孔介质的孔内，不会发生逸散，避免了含有固体杂质的悬浊液、乳浊液测量前的预处理流程，提高了分析检测的便捷。需要特别说明的是，一次性多孔介质具有表面积大的特点，对液体具有吸附的作用，同时，液体在多孔介质里液体表面张力大，存在毛细作用，由于不同分子的吸附作用强度和毛细作用强度大小不一，可以实现各分子的依次扩散至多孔介质表面，依次实现电离，依次进入质谱进样器被检测。
40.具体地，温度控制单元为铝制圆柱形，直径17-23mm，厚度6-10mm，水平放置于质谱进样口中轴线下方3-7mm处。
41.温度控制单元直径不宜过大(不超过23mm)，过大会对质谱进样口和离子源产生热影响；由于温度控制单元为多孔介质提供加热，直径过小的温度控制单元，会造成自身加热不均匀，同时也会使多孔介质周围的环境温度不均衡，不利于测量。因此温度控制单元直径17-23mm。
42.需要说明的是，温度控制单元与进样口的位置需要严格控制：温度控制单元水平放置于质谱进样口中轴线下方3-7mm；若距离过大，则多孔介质逸散挥发的物质由于距离质谱进样口过远电离后无法进入质谱进行测量，或因距离过远电离后只有少部分进入，影响测量的准确；若距离过小，则会造成多孔介质上表面高于质谱进样口中轴线，使样品未经电离直接从多孔介质侧边逸散挥发，直接进入质谱，造成质谱对其无法检测。
43.具体地，一次性多孔介质为玻璃砂芯片，用于负载样品。
44.玻璃砂芯采用优良硬质高硼玻璃组成，具有较高的理化性能，玻璃砂芯根据孔径不同分为g1-g6六种规格，不同孔径的砂芯可附着和透过的颗粒大小不同，因此根据待测样品中性状(如悬浊液、乳浊液、胶体)、不溶物质颗粒大小进行选择。
45.具体地，一次性多孔介质为圆柱形，直径为4-6mm，厚度为3-5mm，放置于温度控制单元的平台上表面。温度控制单元为圆柱形时，圆柱形的一次性多孔介质的一端面置于温度控制单元上，即二者轴线平行放置。
46.如前所述，多孔介质具有吸附作用和毛细作用，为了防止吸附作用和毛细作用的不均匀，造成样品中不同吸附能力的物质同时挥发逸散至多孔介质表面，因此必须选用圆柱形的多孔介质。同时多孔介质的直径也需进行严格控制，直径为4-6mm；若多孔介质直径过小毛细和吸附作用少，可能会造成不同物质难以因毛细和吸附作用的差别而依次挥发逸散至多孔介质表面，多孔介质直径过大，则会造成部分挥发逸散的物质电离后没有全部进入质谱进样口，造成测量的不准确。多孔介质的厚度受两方面限制：第一，受温度控制单元与进样口的位置影响，若厚度过小，则多孔介质逸散挥发的物质由于距离质谱进样口过远电离后无法进入质谱进行测量，或因距离过远电离后只有少部分进入，影响测量的准确，若厚度过大，则会造成多孔介质上表面高于质谱进样口中轴线，使样品未经电离直接从多孔介质侧边逸散挥发，直接进入质谱，造成质谱对其无法检测；第二，若多孔介质厚度过小，则多孔介质与样品各组分毛细和吸附作用少，可能会造成不同物质难以因毛细和吸附作用的差别而依次挥发逸散至多孔介质表面，多孔介质厚度过大，则会造成部分挥发逸散的物质电离后没有全部进入质谱进样口，造成测量的不准确。
47.具体地，温度控制单元的侧面，设有两个小孔，分别用于放置加热部件(如与交流电源相连的热电阻)和测温元件(如与万用表相连的热电偶)。具体地，等离子体放电离子源为辉光放电离子源，放置于温度控制单元上方，与水平面呈40-50
°
夹角，离子源末端距离质谱进样口中轴线2-5mm，离子源末端为辉光放电离子源等离子发生处。温度控制单元为铝制圆柱形时，圆柱上端面作为温度控制单元的承载平台，一次性多孔介质放置于温度控制单元的承载平台上，圆柱上端面与水平面平行，此时，等离子体放电离子源的中轴线与承载平台同样呈40-50
°
夹角，当一次性多孔介质为圆柱形时，等离子体放电离子源的中轴线与圆柱形的一次性多孔介质的上端面同样呈40-50
°
夹角。
48.由于质谱开机自检进入待进样状态后，其进样器内为真空状态，在温度控制单元加热开始时，质谱进样口打开，在加热和电离过程中电离源电离的样品分子被不断吸入质谱进行测量。考虑到等离子体放电离子源与温度控制单元承载平台的夹角过大，会因气流作用电离不充分，过小会由于接近平行于温度控制单元的承载平台也会造成电离的不匀均，经过试验发现合理的角度范围为40-50
°
，优选地为45
°
。
49.需要说明的是，离子源末端距离质谱进样口中轴线应控制在2-5mm，离子源末端距离质谱进样口中轴线越近，离子源末端距离多孔介质上表面就越近，过近会造成电离源将多孔介质上表面未挥发逸散出的样品分子一并电离造成测试数据的错误，同时电离源末端具有一定的温度，也会对多孔介质从上表面进行点加热，改变多孔介质的受热，造成样品挥发逸散顺序的改变，造成测量结果的错误。离子源末端距离质谱进样口中轴线越远，离子源末端距离多孔介质上表面就越远，过远会造成电离源无法将多孔介质上表面挥发逸散的样品全部电离，造成测量数据的不准确。
50.具体地，辉光放电离子源，使用氩气作为放电气体，直流高压电源提供高压，放电电压和电流可通过电源调节，放电气体大小可通过气体转子流量计调节。
51.本发明还提供了一种复杂样品实时在线分析系统方法，使用上述复杂样品实时在
线分析系统，包括以下步骤：
52.步骤1.检测单元开机自检，进入待进样状态；
53.步骤2.将样品直接加载(如滴加)到负载单元；
54.步骤3.将负载有样品的负载单元置于温度控制单元的平台上；
55.步骤4.电离单元开启，同时温度控制单元升温；
56.步骤5.打开检测单元进样口，样品中各组分从负载单元中逸散挥发，被电离单元电离后进入检测单元进行检测。
57.质谱开机自检，进入待进样状态后，用注射器或移液器将未经处理的实际液体样品滴加到多孔介质表面；由于吸附作用、毛细作用和重力作用，多孔介质表面的液体样品迅速浸润到多孔介质内部的曲折的小孔中暂存。温度控制单元开始升温，多孔介质及其内部的液体样品被加热。液体样品受蒸腾作用，按照挥发性顺序开始向多孔介质上表面逸散。与此同时，多孔介质内部的这些小液滴还受到小孔的毛细作用力，液滴和小孔内壁的吸附作用，曲折的孔道对液滴向上逸散的阻力作用。这些作用共同影响下，最终导致混合物中的不同物质到达多孔介质表面的时间不同，各物质依次挥发逸散至多孔介质表面。但是原液体样品中的悬浮颗粒物、胶体等停留在多孔介质内的小孔里，不会逸散到多孔介质外面。脱离多孔介质表面的雾状小液滴在质谱进样口附近被等离子体放电离子源电离，形成离子，在负压和电场的作用下，依次进入到质谱中被检测。
58.具体地，步骤4中，温度控制单元升温速率为1.0-100.0℃/min。
59.如前所述样品受到加热的蒸腾作用，在多孔介质内部毛细作用、吸附作用，曲折的孔道的阻力作用。这些作用共同影响下，最终导致混合物中的不同物质到达多孔介质表面的时间不同，各物质依次挥发逸散至多孔介质表面。因此加热速度越慢，多种作用力作用越充分，不同物质到达多孔介质表面的时间差越大，越利于依次进行电离和测量。考虑到为实现实时在线分析，因此升温速率亦不宜过慢，因此控制温度控制单元升温速率为-1.0-100.0℃/min。
60.具体地，步骤4中，通过样品质谱图进行定性分析，通过绘制提取离子流色谱图对样品进行定量分析。
61.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
62.实施例1
63.本实施例提供了一种复杂样品实时在线分析系统。
64.如图1所示，采用玻璃砂芯片3作为多孔介质。玻璃砂芯片3的直径为5mm，厚度为3mm，平放于直径为20mm,厚度为8mm的铝制圆柱形温度控制单元4。温度控制单元水平放置于质谱进样口中轴线下方5mm处。在铝制温度控制单元4的侧面，开设有两个直径为2mm的小孔，分别用于放置与交流电源6相连的热电阻(用于加热)和与万用表8相连的热电偶(用于测量温度)。在温度控制单元上方放置有辉光放电离子源2。该离子源与水平面呈45
°
角，离子源末端(等离子产生处)距离质谱进样口中轴线3mm。使用氩气9作为放电气体，直流高压电源为辉光放电离子源提供高压。放电电压和电流可通过电源调节，放电气体大小可通过气体转子流量计调节。将样品滴加到玻璃砂芯片3上，由于毛细作用，液体立刻浸润进入曲折多孔的玻璃砂芯片内部的小孔内。随后打开交流电源，对温控平台进行加热。由于混合物
样品内部各组分挥发性存在差异，各组分与砂芯片内部小孔的非共价作用力大小不同，随着温度的升高，混合物内各组分依次从玻璃砂芯片表面逸散出来，实现分离。在打开交流电源进行加热的同时，打开辉光放电离子源2，对从玻璃砂芯片表面逸散出来的样品进行电离。随后在负压和电场的作用下，这些样品进入到质谱中被依次检测到。由于玻璃砂芯片3价格便宜，因此很适合一次性使用。而一次性使用的砂芯片一方面避免了样品之间的干扰，另一方面提供了对同一样品的不同组分之间的一定的分离能力。
65.实施例2
66.本实施例提供一种复杂样品实时在线分析方法用于健康成人尿液样品的分析。
67.本实施例使用实施1所述的复杂样品实时在线分析系统。
68.尿液样品中含有大约四千多种不同的化合物，其中尿素，肌酐等化合物的含量相对较高，并且常常会掩盖掉其他低含量的组分的信号。我们在这里用基于质谱的复杂样品实时在线分析系统对健康成人尿液样品进行分析。取10微升未经任何前处理的尿液样品，直接滴加在玻璃砂芯片表面。然后打开加热电源和辉光放电离子源，开始对尿液中的化合物进行依次分析。在总计5分钟的分析时间和m/z 50-500的范围内，总共检测到100多个峰。图2展示了尿液中常见的几种化合物的提取离子流色谱图，可以看到尿素，肌酐等化合物呈现出了明显的集中出峰的情况。例如尿素在0.9min出峰，紫苏酸在1.4min附近出峰。肌酸，半胱氨酸，精氨酸，肌酐等化合物分别在2.0min,2.2min,2.8min和3.7min左右出峰。含量较高的化合物的集中出峰，避免了对其他含量较少的化合物测定的干扰。而含量较少的化合物的集中出峰，则相当于一次富集过程，使得他们更容易被检测到。图3展示了检测到的尿液样品的质谱图，并对其中峰强度最高的几个峰进行了归属(为提高离子化效率，在尿液样品中添加了衍生试剂dmed，这里检测到的峰多是[m+dmed]+的峰)。
[0069]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。