一种离子诱导喷雾离子化方法和装置与流程

本发明涉及一种离子诱导喷雾离子化方法和装置，属于质谱分析技术领域。

背景技术：

质谱(ms)是一种能分析复杂混合物，提供有关分子量信息、元素组成和被分析物化学结构的重要分析工具，具有高度的专属性和灵敏度。质谱分析的基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，然后在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。因此，离子化技术对质谱分析结果具有重要影响。近年来，随着化合物解吸与离子化技术和质量分析器的不断创新与改进，质谱成为发展最迅速的分析技术之一，目前质谱技术在化学与化工、生物学与生命科学、医学、药学、材料科学、环境保护等领域的应用越来越广泛。

目前质谱常用的离子化方法主要包括电喷雾离子化(electrosprayionization，esi)，以及大气压化学电离离子化(atmosphericpressurechemicalionization，apci)和基质辅助激光解吸附离子化(matrixassistedlaserdesorptionionization,maldi)。其中，应用范围最为广泛的当属esi。

电喷雾离子化(esi)是由美国科学家约翰·芬恩提出的一种离子化方法，因其能够电离强极性、难挥发性和热不稳定的化合物并能保持其完整性以及能够得到多电荷离子的特性，已成为质谱分析领域应用最广泛的离子化方法，约翰·芬恩也因此获得了2002年的诺贝尔化学奖。esi是一种基于“能量突爆”的软电离技术，其过程可简述为：将溶于极性溶剂的待测物引入末端加上3-4kv高压的毛细管，在高电场及雾化气的作用下，发生气溶胶喷雾，产生带电液滴，并在去溶剂化的过程中逐渐形成离子。

随着质谱分析朝着微量、痕量检测方向发展，esi技术也在不断地与时俱进。nano-esi，感应esi等新型离子化方法相继出现。这些离子化方法主要是基于esi原理，采用极细的毛细管，去除雾化气，使得其可以分析nl甚至pl级的样品。

但是，上述的电喷雾类离子化技术还存在许多缺陷，例如：esi过程中，样品易发生源内氧化，一些易于发生氧化还原的样品容易发生氧化还原反应，难以得到样品原本的离子信号；可兼容的溶剂范围很窄，只能兼容少数的几种极性溶剂(如甲醇和乙腈)，对于极性较低的化合物基本没有信号，对极性较低或是在极性溶剂中溶解性能不好的化合物无法顺利离子化。

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离子诱导喷雾离子化方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种离子诱导喷雾离子化方法，是先通过高压使辅助溶剂产生带电的诱导离子，然后使诱导离子在毛细管中与样品进行电荷交换，使样品离子化。

作为优选方案，所述离子诱导喷雾离子化方法，包括如下步骤：

a)将样品引入毛细管；

b)将辅助溶剂引入辅助溶剂通道中，通过高压发生装置施加高压，使辅助溶剂产生带电的诱导离子；

c)诱导离子被传递至毛细管中与样品进行电荷交换，使样品离子化。

作为进一步优选方案，高压发生装置施加的高压为1000～6000v的电压。

一种离子诱导喷雾离子化装置，包括诱导离子产生装置、毛细管和质谱进样通道，所述诱导离子产生装置包括用于引入辅助溶剂的辅助溶剂通道，辅助溶剂通道连接有高压发生装置，辅助溶剂通道的出口端与毛细管的末端相通，毛细管的尖端位于质谱进样通道的轴线上，且毛细管不导电。

作为优选方案，所述高压发生装置提供的电压为1000～6000v。

作为进一步优选方案，所述高压发生装置为感应电压发生装置。

作为优选方案，辅助溶剂通道的外部固定有导电金属箔，所述高压发生装置通过导电金属箔与辅助溶剂通道相连接。

作为优选方案，辅助溶剂通道中辅助溶剂为极性或非极性溶剂，所述极性溶剂包括但不限于甲醇、乙腈，所述非极性溶剂包括但不限于二氯甲烷、甲苯。

作为优选方案，辅助溶剂通道中辅助溶剂的流速为0.1～3微升/分钟。

作为优选方案，辅助溶剂通道的材质为绝缘材质，所述绝缘材质包括但不限于玻璃、peek。

作为优选方案，毛细管的轴线与质谱进样通道的轴线处于同一水平线上。

作为优选方案，辅助溶剂通道的轴线与毛细管的轴线处于同一水平线上。

作为优选方案，毛细管的尖端出口与质谱进样通道的端口间的距离为1～15mm。

作为优选方案，毛细管的尖端出口的直径为1～20微米。

作为优选方案，所述诱导离子产生装置包括辅助电极，所述辅助电极设于辅助溶剂通道内。

作为进一步优选方案，所述辅助电极为导体或半导体。

作为进一步优选方案，辅助电极可拆卸。

作为优选方案，毛细管的外部套设有毛细管固定装置。

作为优选方案，还包括样品引入通道，所述样品引入通道与毛细管的末端相通。

作为进一步优选方案，样品引入通道中的液体流速为50纳升～5微升/分钟。

作为进一步优选方案，还包括三通式固定装置，所述辅助溶剂通道、毛细管、样品引入通道分别固定于三通式固定装置内。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

本发明创造性地利用高压电离辅助溶剂产生的带电的诱导离子与样品进行电荷交换，从而使样品离子化，不仅易于实现，操作简单，成本低廉，且可有效解决传统esi所存在的样品易发生源内氧化、离子化溶剂兼容性差的问题，对极性较低的化合物、易于发生氧化还原反应的化合物均具有良好的离子化效果，且对离子化溶剂兼容性好，对待测样品、样品溶剂、辅助溶剂的选择性低，可测试样品对象、样品溶剂、辅助溶剂范围广泛，且可用于痕量分析检测，适用性强，相对于现有技术，具有显著性进步。

附图说明

图1为本发明提供的离子诱导喷雾离子化装置的结构示意图；

图2为图1中离子化装置设有辅助电极时的结构示意图；

图3为图1中离子化装置设有样品引入通道和三通式固定装置时的结构示意图；

图4为图1中离子化装置设有辅助电极、样品引入通道和三通式固定装置时的结构示意图；

图5为发明实施例1中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的100ppm敌草快样品的质谱分析图；

图6为本发明实施例1中采用nano-esi得到的100ppm敌草快样品的质谱分析图；

图7为本发明实施例1中采用esi得到的100ppm敌草快样品的质谱分析图；

图8为本发明实施例2中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的10ppm蒽样品的质谱分析图；

图9为本发明实施例2中采用nano-esi得到的10ppm蒽样品的质谱分析图；

图10为本发明实施例2中采用esi得到的10ppm蒽样品的质谱分析图；

图11为本发明实施例3中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的pl级单hela细胞甲醇萃取液的质谱分析图；

图12为本发明实施例4中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的单hela细胞二氯甲烷提取液的质谱分析图；

图13为本发明实施例4中采用nano-esi得到的单hela细胞二氯甲烷提取液的质谱分析图；

图中标号示意如下：1、诱导离子产生装置；11、辅助溶剂通道；12、高压发生装置；13、导电金属箔；14、辅助电极；2、毛细管；3、质谱进样通道；4、毛细管固定装置；5、样品引入通道；6、三通；7、三通紧接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。

如图1至图4所示：本发明提供的一种离子诱导喷雾离子化装置，包括诱导离子产生装置1、毛细管2和质谱进样通道3，所述诱导离子产生装置1包括用于引入辅助溶剂的辅助溶剂通道11，辅助溶剂通道11连接有高压发生装置12，辅助溶剂通道11的出口端与毛细管2的末端相通，毛细管2的尖端位于质谱进样通道3的轴线上，且毛细管2不导电。

本发明所述的离子化装置可与常见的质谱仪(如：三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换离子回旋共振等)相兼容，也可推广应用到其它质谱分析中，用于质谱分析时，与常见的质谱仪联用即可，应用范围广，实用性强。

采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化装置实现离子化的方法，是先通过高压使辅助溶剂产生带电的诱导离子，然后使诱导离子在毛细管中与样品进行电荷交换，使样品离子化。具体的，包括如下步骤：

a)将样品引入毛细管2；

b)将辅助溶剂引入辅助溶剂通道11中，通过高压发生装置12施加高压，使辅助溶剂产生带电的诱导离子；

c)诱导离子被传递至毛细管2中与样品进行电荷交换，使样品离子化。

由上述可见，本申请所述的离子诱导喷雾离子化装置是采用非接触式高压设计，即样品与高压分开，不是利用高压直接电离样品使样品离子化，而是先利用高压电离辅助溶剂产生带电的诱导离子，然后通过诱导离子与样品进行电荷交换以使样品离子化，因而可有效抑制样品发生源内氧化，可最大限度地减少待测样品氧化还原反应的发生，使得该离子化装置对易于发生氧化还原的样品也具有良好的离子化效果；另外，也由于本发明是通过诱导离子使样品离子化，因此离子化溶剂兼容性好，对样品和样品溶剂的选择性较低，可兼容的样品和样品溶剂范围较大，样品可以为极性较低或极性较大的化合物，样品溶剂可以灵活的选择极性或非极性溶剂，进而使得该离子化装置对极性较低或是在极性溶剂中溶解性能不好的化合物也具有良好的离子化效果；此外，由于辅助溶剂与样品不是同时被高压电离，因此对辅助溶剂的选择性较低，可兼容的辅助溶剂范围较大，辅助溶剂可以灵活的选择极性或非极性溶剂(所述极性溶剂包括但不限于甲醇、乙腈，所述非极性溶剂包括但不限于二氯甲烷、甲苯)；此外，高压诱导的诱导离子被传递至毛细管2中与样品进行电荷交换，使样品离子化，因此离子化后的样品无需氮气等辅助气体即可以雾化状态从毛细管2尖端喷出并进入后续的质谱进样通道3中进行质谱分析，成本低廉，易于实现，且毛细管2的设定使该离子化装置对样品的消耗量小，最低仅需几pl体积的样品，可适用于痕量分析检测工作。

本申请中，所述高压发生装置12提供的电压为1000～6000v。所述高压发生装置12为感应电压发生装置，产生的是1000～6000v的感应电压。感应电压相较于常规的高压，可以更好的减少样品氧化还原的发生，进一步增强了该离子化装置对易于发生氧化还原的、不稳定的样品的离子化效果。

再参见图1至图4所示：

辅助溶剂通道11的外部固定有导电金属箔13，所述高压发生装置12通过导电金属箔13与辅助溶剂通道11相连接，增强了高压的电导率，进一步增强了高压对辅助溶剂的诱导效果。具体的，导电金属箔13通过包裹方式固定在辅助溶剂通道11的外部。

辅助溶剂通道11中辅助溶剂的流速为0.1～3微升/分钟。

辅助溶剂通道11的材质可以为绝缘材质也可以为非绝缘材质，本申请中，辅助溶剂通道11的材质为绝缘材质，所述绝缘材质包括但不限于玻璃、peek，以进一步保证非接触式高压设计的效果。

毛细管2的轴线与质谱进样通道3的轴线处于同一水平线上，辅助溶剂通道11的轴线与毛细管2的轴线处于同一水平线上，以便于诱导离子进入毛细管2中与样品进行电荷交换使样品离子化及便于离子化的样品进入质谱进样通道3中进行后续的质谱分析。

毛细管2的尖端出口与质谱进样通道3的端口间的距离d优选为1～15mm。由于高压发生装置12设在辅助溶剂通道11，这样可使得高压与质谱进样通道3之间的距离较大，对质谱仪影响较小，进一步保障了质谱分析效果。

毛细管2的尖端出口的直径为1～20微米。本申请中，毛细管2的前端设计为尖端，可以保障样品的雾化效果，以便于产生样品喷雾，使离子化的样品以雾化状态从毛细管2中喷出。

毛细管2的外部套设有毛细管固定装置4，用于固定毛细管2，保证了装置整体的稳固性。

再参见图2和图4所示，所述诱导离子产生装置1包括辅助电极14，所述辅助电极14设于辅助溶剂通道11内。辅助电极14可以配合高压辅助诱导离子生成，进一步提高了离子化效果。所述辅助电极14为导体或半导体。其中，导体可以为细钢针，半导体可以为碳纤维。本申请中，辅助电极14可拆卸，可以从辅助溶剂通道11中移除，可以根据需要选择是否使用辅助电极14。

本申请中，可以直接采用毛细管2吸取样品溶液，也可以通过其他方式将样品溶液引入毛细管2中(具体的引入毛细管尖端处)，参见图3和图4所示，所述离子化装置还包括样品引入通道5，所述样品引入通道5与毛细管2的末端相通，进行离子化的时候，可以通过样品引入通道5将样品溶液引入毛细管2中。样品引入通道5中的液体(即样品溶液)流速为50纳升～5微升/分钟。实际使用的时候，样品引入通道5可以外接进样装置(未显示)，进样装置包括但不限于液相色谱、气相色谱、注射泵、毛细管电泳等连续进样装置，使得离子化装置，可以连续进样，信号稳定。本申请中，样品引入通道5可以为peek管。为了使离子化装置具有较好的平衡性和稳固性，所述离子化装置还包括三通式固定装置，所述辅助溶剂通道11、毛细管2、样品引入通道5分别固定于三通式固定装置内。三通式固定装置采用通用固定装置即可，例如，本申请中，所述三通式固定装置包括三通6(可以为液相三通)和三通紧接头7，辅助溶剂通道11、毛细管2、样品引入通道5分别固定于三通6的三个不同通道内，三通6用于固定和连接辅助溶剂通道11、毛细管2、样品引入通道5，三通紧接头7用于保证整个装置的液密性。本申请中，三通6、三通紧接头7的材质为peek。

下面结合具体应用实施例进一步说明本发明所能实现的技术效果。

实施例1

采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对易于发生氧化还原反应的、不稳定的敌草快(cas.2764-72-9)：进行质谱分析：

实验装置如图3所示。

以甲醇为样品溶剂，将敌草快溶于甲醇，配制成100ppm的样品溶液，通过样品引入通道5将样品溶液引入毛细管2中，样品引入通道5中样品溶液的流速为5微升/分钟，毛细管2的尖端出口与质谱进样通道3的端口间的距离d为5mm；以甲醇为辅助溶剂，将甲醇引入辅助溶剂通道11中，甲醇的流速为2微升/分钟，接通高压发生装置12，通过高压发生装置12施加2500v的高压，高压电离甲醇，使甲醇产生带电的诱导离子；诱导离子被传递至毛细管2中与样品进行电荷交换，使样品离子化；样品离子经质谱进样通道3进入质谱即可进行后续的质谱分析，分析结果如图5所示。此外，在相同的条件下，分别采用传统的nano-esi和esi与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对敌草快进行质谱分析，分析结果如图6和图7所示。

图5为本实施例中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的100ppm敌草快样品的质谱分析图(正离子模式)；图6为本实施例中采用nano-esi得到的100ppm敌草快样品的质谱分析图(正离子模式)；图7为本实施例中采用esi得到的100ppm敌草快样品的质谱分析图(正离子模式)；由图5可见，谱图中除了与所述化合物相关的离子峰(m/z92)外，没有其他杂质离子峰的干扰，谱图易于解析，且谱图中没有出现图6和图7中因样品发生了不同程度的氧化还原反应而导致的干扰离子峰(m/z为157、183)，说明采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化方法和装置可以有效降低化合物氧化还原反应的产生，对易于发生氧化还原反应的、不稳定的化合物能实现良好的离子化效果。

实施例2

采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化装置与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对极性较低的蒽：进行质谱分析：

实验装置如图4所示。

以甲苯为样品溶剂，将蒽溶于甲苯，配制10ppm的样品溶液，通过样品引入通道5将样品溶液引入毛细管2中，样品引入通道5中样品溶液的流速为5微升/分钟，毛细管2的尖端出口与质谱进样通道3的端口间的距离d为5mm；以甲苯为辅助溶剂，将甲苯引入辅助溶剂通道11中，甲苯的流速为2微升/分钟，接通高压发生装置12，通过高压发生装置12施加2500v的高压，同时配合辅助电极14(碳纤维)，使甲苯产生带电的诱导离子；诱导离子被传递至毛细管2中与样品进行电荷交换，使样品离子化；样品离子经质谱进样通道3进入质谱即可进行后续的质谱分析，分析结果如图8所示。此外，在相同的条件下，分别采用传统的nano-esi和esi与质谱仪(质量分析器为三重四极杆)对蒽进行质谱分析，分析结果如图9和图10所示。

图8为本实施例中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的10ppm蒽样品的质谱分析图(正离子模式)；图9为本实施例中采用nano-esi得到的10ppm蒽样品的质谱分析图(正离子模式)；图10为本实施例中采用esi得到的10ppm蒽样品的质谱分析图(正离子模式)；由图8可见，谱图中除了与所述化合物相关的离子峰(m/z179)外，没有其他杂质离子峰的干扰，谱图易于解析；而图9和图10中均没有检测到有效信号，说明采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化方法和装置对极性较低的化合物能实现良好的离子化效果。

实施例3

采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化装置与质谱仪(质量分析器为q-tof)对单hela细胞甲醇萃取液进行质谱分析：

实验装置如图1所示。

以甲醇为样品溶剂，hela细胞按照常规的细胞生物学培养流程培养在60mm的标准细胞培养皿中，毛细管2中预先充入15pl的甲醇，在三维移动平台的操控下刺入hela细胞，萃取hela细胞，得到单hela细胞甲醇萃取液(样品溶液)，然后固定毛细管2，毛细管2的尖端出口与质谱进样通道3的端口间的距离d为3mm；以甲醇为辅助溶剂，将甲醇引入辅助溶剂通道11中，甲醇的流速为0.5微升/分钟，接通高压发生装置12，通过高压发生装置12施加2000v的高压，高压电离甲醇，使甲醇产生带电的诱导离子；诱导离子被传递至毛细管2中与样品进行电荷交换，使样品离子化；样品离子经质谱进样通道3进入质谱即可进行后续的质谱分析，分析结果如图11所示。

图11为实施例中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的pl级单hela细胞甲醇萃取液的质谱分析图(正离子模式)；由图11可见，谱图中出现了很多细胞代谢物的峰，尤其是在m/z600-900出现了很高的信号，主要是hela细胞中的磷脂成分，说明采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化方法和装置可以对痕量样品进行监测分析。

实施例4

采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化装置与质谱仪(质量分析器为q-tof)对单hela细胞二氯甲烷萃取液进行质谱分析：

实验装置如图2所示。

以二氯甲烷为样品溶剂，hela细胞按照常规的细胞生物学培养流程培养在60mm的标准细胞培养皿中，毛细管预先充入15pl的二氯甲烷，在三维移动平台的操控下刺入hela细胞，萃取hela细胞，得到单hela细胞二氯甲烷萃取液(样品溶液)，然后固定毛细管2，毛细管2的尖端出口与质谱进样通道3的端口间的距离d为3mm；以二氯甲烷为辅助溶剂，将二氯甲烷引入辅助溶剂通道11中，二氯甲烷的流速为0.5微升/分钟，接通高压发生装置12，通过高压发生装置12施加2000v的高压，同时配合辅助电极14(碳纤维)使二氯甲烷产生带电的诱导离子；诱导离子被传递至毛细管2中与样品进行电荷交换，使样品离子化；样品离子经质谱进样通道3进入质谱即可进行后续的质谱分析，分析结果如图12所示。此外，在相同的条件下，采用传统的nano-esi与质谱仪(质量分析器为q-tof)对单hela细胞二氯甲烷萃取液进行质谱分析，分析结果如图13所示。

图12为实施例中采用本发明的离子诱导喷雾离子化装置得到的单hela细胞二氯甲烷提取液的质谱分析图(正离子模式)；图13为实施例中采用nano-esi得到的单hela细胞二氯甲烷提取液的质谱分析图(正离子模式)；由图12可见，谱图中在m/z600-900出现了很高的hela细胞中的磷脂的信号，并且出现了图13中没有检测到的胆固醇(m/z369)的信号峰；而图13中所得的有效信号峰较少，且谱图较为复杂；说明采用本发明所述的离子诱导喷雾离子化方法和装置可以兼容的溶剂极性范围较宽。

综上所述：采用本发明的离子诱导喷雾离子化方法和装置，可有效解决传统esi所存在的样品易发生源内氧化、离子化溶剂兼容性差的问题，对极性较低的化合物、易于发生氧化还原反应的化合物均具有良好的离子化效果；对离子化溶剂兼容性好，因此对待测样品、样品溶剂、辅助溶剂的选择性低，可测试样品对象、样品溶剂、辅助溶剂范围广泛；另外，不仅可用于常规分析检测，还可用于痕量分析检测，适用性强，相对于现有技术，具有显著性进步和实用价值。

最后有必要在此指出的是：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。