专利名称：一种灵敏的辉光放电直接离子化方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种灵敏的辉光放电直接离子化方法及其装置。
背景技术：
常压解吸电离质谱法可以在样品不经预处理或经极少的预处理后，大气压常态下直接、快速进行离子化，从而实现高通量、高特异性的质谱定性或定量分析。经过近几年的大量研究，已发展出约三十种常压解吸电离技术，广泛应用在食品安全、药物分析、环境分析、过程分析、生物成像、活体分析、代谢组学分析、蛋白质组学分析、法庭侦查等等。代表性的常压解吸电离技术主要分为两类，即以溶液电喷雾为特征的电离源如解吸电喷雾电离源(DESI, Desorption Electrospray 1nization),以等离子体放电为特征的电离源如解吸常压化学电离源(DAPCI, Desorption Atmospheric PressureChemical 1nization)和实时直接分析(DART, Direct Analysis in Real Time)技术。基于等离子体放电原理的常压解吸电离技术有共同的特点，即可以不使用有机溶齐U，对一定极性的小分子有非常好的离子化性能，特别能检测DESI无法电离的弱极性小分子。DAPCI源利用商品化APCI探针在3kV-6kV的直流高电压下电晕放电，高压氮气被加热到约450°C从APCI探头喷出，解吸出的样品分子经过大气压下等离子体区域从而被离子化。DAPCI虽然放电功率很小，但是所需要的大的氮气流和多部件复杂结构无疑降低了装置的简易便捷性。DART源将两电极和加热装置一起纳入放电腔体，通入氦气或氮气进行电晕放电，利用充满亚稳离子的等离子体尾焰解吸电离样品分子进入质谱仪检测，得到被分析物的性质和含量信息。相对于DAPCI源，集成后的DART源只有一个可动部件，灵活性提高，但同时使得装置体积偏大，仍需至少lL/min的载气流速。而且，DAPCI和DART均需要载气加热装置来提高其分析灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏的辉光放电直接离子化方法及其专用针-套装置。该装置产生的等离子体将气体或物体表面的待测物分子离子化，从而实现大气压下不同状态的样品不经预处理，直接进行灵敏的质谱分析。本发明所提供的辉光放电直接离子化装置(即针-套装置)，包括锥套电极和对其放电的辉光放电等离子体产生装置；所述锥套电极的一端内部设有用于套插质谱仪中离子传输管的插槽，并在其端口外侧设置用于密封所述锥套电极与离子传输管的绝缘垫片；所述锥套电极的另一端为喇叭口状，其端口内部为空心锥，所述空心锥通过内锥孔与所述离子传输管相连通；所述锥套电极设有用于接地的接线杆；所述辉光放电等离子体产生装置包括封闭的管状腔体和贯穿所述管状腔体的针电极，所述针电极从所述管状腔体的两端伸出，所述管状腔体一端外侧的针电极上套设有细管，所述细管与所述管状腔体为密封连接，所述细管与所述针电极之间设有环腔，所述环腔与所述管状腔体的内腔连通，所述管状腔体的侧壁上设有载气入口，所述针电极上套设的所述细管的端口为载气出口。上述装置中，所述锥套电极的材质可为不锈钢、铜、铝等导电金属或其合金。上述装置中，所述绝缘垫片的材质可为聚四氟乙烯、陶瓷、电木或树脂等。上述装置中，所述针电极的材质可为不锈钢、钨、钼或其合金。上述装置中，所述管状腔体的材质可为聚四氟乙烯(PTFE)及其改性物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、PEEK塑胶、POM共聚甲醛、聚氯乙烯(PVC)等。上述装置中，所述锥套电极的外锥口(即喇叭口)内径可为5.0mm-15.0mm，内锥孔及套孔的内径随离子传输管的内径及外径而变化。所述锥套电极的外形具体可为圆柱体，该圆柱体外径可为长可为6mm-100mm。上述装置中，所述管状腔体可为T型三通管，其中，位于侧壁的端口可作为载气入□。所述针电极的直径可为0.25mm-0.75mm ;所述细管的内径可为0.5mm-1.0mm,外径可为 1.0mm-1.5mmο本发明还提供了利用上述针-套装置产生等离子体的方法。所述方法包括下述步骤:将所述辉光放电直接离子化装置中的锥套电极套接在质谱仪的离子传输管上，并使所述锥套电极的接线杆可靠接地；将所述辉光放电等离子体产生装置中的针电极套设有细管的一端对准所述辉光放电直接离子化装置中的锥套电极，另一端与电源相连；将载气从所述载气入口通至所述管状腔体内；接通所述电源，所述针电极对所述锥套电极辉光放电产生等离子体。本发明还提供了一种利用上述针-套装置进行离子化分析的方法。所述方法包括如下步骤:采用上述产生等离子体的方法得到等离子体，然后将待测样品置于所述辉光放电等离子体产生装置中的针电极与所述锥套电极之间，通过物理和化学变化解吸样品表面生成气态的待测物分子；并进一步与待测物分子发生化学反应使其离子化；利用源内初级真空和加温，通过锥套电极的汇集作用，进行高灵敏高特异性的质谱检测。上述方法中，待测样品通常可贴放于锥套电极喇叭口的内侧面。上述方法中，所述载气的流速可为30mL/min-3.0L/min,具体可为100mL/min或300mL/min。载气流速使用流量阀来控制，转子流量计来测量。上述方法中，所述电源的电压可为2kV_5kV，具体可为2kV或3kV。上述方法中,所述载气具体可为氦气、氖气、氩气和氮气及其混合气体。上述方法中，所述针电极的针尖与所述锥套电极的间距可为3mm-30mm，具体可为4mm或IOmm;所述针电极与所述锥套电极中轴线的夹角可为0-70°，具体可为35°。上述方法中，所述针电极的针尖越细会使解吸待测样品的区域越小、分辨率越高。μ m级的针尖可达到10 μ m级的样品分辨率，加上mA级的放电电流和低功率不致对生物体造成电击，可以用于活体微区质谱成像。上述方法中，等离子体稳定放电才能保证待测样品的解吸电离顺利进行。待测样品或其基体材料应有一定导电性，或者经简单处理可有一定导电性，或者取样部位进入等离子体中不致辉光放电中断。
本发明提供的常压辉光放电直接离子化装置结构简单，体积小，只有三通针电极(即辉光放电等离子体产生装置)一个活动部件，有利于实现质谱仪的小型化JgDAPC1、DART等传统的等离子源相比，不依靠辅助加热方式，利用该装置产生等离子体和自产试剂离子电离样品，功率小，可以节省能源；载气流量小，可以节省资源；不需要真空设备和除水装置，在大气压下即可工作，直接进样，操作简单；所测样品可以是固态、液态、气态，通过调节电气、空间参数改变新离子源的电离软硬度，实现对多状态样品的多功能检测，比如可以对极弱极性分子进行检测；特别突出的是，由于所述锥套电极的特殊的流体力学、电动力学和反应动力学效应，使得新电离源的灵敏度比常规的针板辉光放电源大大提高。本发明可应用于复杂物质的直接快速质谱分析。
图1为本发明实施例1的辉光放电直接离子化装置的结构示意图；图中各标记如下:1锥套电极、2绝缘片、3离子传输管、4地线接线杆、5针电极、6载气入口、7细管、8被测样品，MS 质谱仪。图2为克伦特罗(瘦肉精)在本发明提供的电离源与常规针板放电源上的色谱图和质谱图；图中RT保留时间，AA峰面积，S/N信噪比。图3为植物样品在本发明提供的电离源上的质谱图。图4为弱极性样品TOPO在本发明提供的电离源上的质谱图；其中，插图为TOPO的二级质谱图。
具体实施例方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。下述实施例2-4中所用的质量分析器的类型为线型离子阱，型号为LTQ-XL。实施例1、灵敏的辉光放电直接离子化装置本实施例的辉光放电直接离子化装置(即针-套装置)包括带聚四氟乙烯绝缘垫片2的不锈钢锥套电极I和对其放电的聚四氟乙烯三通钨针电极5-7。锥套电极I的外形为一圆柱体，其一端套插在质谱仪的离子传输管3上，并在所述锥套电极与离子传输管之间设置密封的绝缘垫片2 ;锥套电极I的另一端为喇叭口状，即圆柱体内部为空心锥，其外锥口内径为9.0mm，锥套电极I设有接线杆4可接地；针电极5连接直流电源，贯穿聚四氟乙烯三通和不锈钢细管7 ;不锈钢细管7的内径为0.76mm,外径为1.6mm ;聚四氟乙烯三通中位于侧壁的惰性载气入口 6通入载气；针电极5对准锥套电极I放电，被测样品8为水果或纸片放置其间。上述针-套装置中，锥套电极I的材质还可为铜、铝等导电金属及其合金，其外锥口内径可在5.0mm-15.0mm内进行调节；绝缘垫片2的材质还可为陶瓷、电木或树脂等；针电极5的材质还可为不锈钢、钼及其合金，其直径可以在0.25mm-0.75mm内进行调节，其针尖可细至亚μ m级、与被测样品间距可近至10 μ m级，以方便进行活体微区质谱成像；载气还可为氦气、氖气和氮气及其混合气体。
实施例2、克伦特罗(瘦肉精)在本发明提供的新电离源与常规针板放电源上的色谱图和质谱图比较利用实施例1的辉光放电直接离子化装置产生等离子体，解吸电离β兴奋剂药物克伦特罗(俗称瘦肉精)，进行质谱检测。具体方法如下:利用实施例1的辉光放电直接离子化装置产生等离子体，其中，针电极5连接2.2kV直流电源，载气(氩气)的流速为300mL/min，针电极5对准锥套电极I放电，针电极5的针尖与锥套电极I的间距为4mm ;针电极5与所述锥套电极I中轴线的夹角度为35°。滴加ImM克伦特罗的甲醇水溶液(甲醇/水=1/1, ν/ν)3μ L于0.12cm2滤纸片上，待IOs后将待测物滤纸片贴放于锥套电极锥口的一侧面，在等离子体中解吸电离，约12s后检测完成；平行三次，取代表性结果进行数据处理和性能比较。结果如图2所示。解吸电离纸片上的β兴奋剂药物克伦特罗(俗称瘦肉精)，得到提取离子流图2b和克伦特罗的质谱图2d，并与常规的针板放电源的谱图2a和2c比较解吸电离效果。同样处理的样品，新电离源上提取277离子流的峰面积和信噪比提高了约两个数量级，从质谱峰277的增强也可以明显看出来。实施例3、植物样品在本发明提供的新电离源上的质谱检测利用实施例1的辉光放电直接离子化装置产生等离子体，然后对包括植物活体在内的生物样品在电离源上质谱检测，具体样品包括烟丝a、市售的新鲜辣椒b、洋葱c和大蒜d等。这些样品的标志性成分在质谱图中明显可见，主要形成加质子的分子离子，像烟丝a中的尼古丁 163、b中的辣椒素306、洋葱c中的丙硫醛91和d中蒜素163 ;而且后两者还易形成+18的铵加合离子。具体方法如下:利用实施例1的辉光放电直接离子化装置产生等离子体，其中，针电极5连接3kV直流电源，载气(氦气)的流速为0.6mL/min，针电极5对准锥套电极I放电，针电极5的针尖与锥套电极I的间距为6mm ;针电极5与所述锥套电极I中轴线的夹角为 35。。烟丝a为翻盖白沙卷烟丝，辣椒b为市售新鲜小米椒的椒丝肉，洋葱c和大蒜d分别为市售鲜品的切片。结果如图3所示。实施例4、弱极性样品在本发明提供的电离源上的质谱检测利用实施例1的辉光放电直接离子化装置产生等离子体，解吸电离的三辛基氧膦(TOPO)，进行质谱检测。具体方法如下:利用实施例1的辉光放电直接离子化装置产生等离子体，其中，针电极5连接2.2kV直流电源，载气(氩气)的流速为300mL/min，针电极5对准锥套电极I放电，针电极5的针尖与锥套电极I的间距为4mm ;针电极5与所述锥套电极I中轴线的夹角为35°。滴加0.0lM三辛基氧膦的甲醇水溶液(甲醇/水=1/1, ν/ν)3μ L于0.12cm2滤纸片上，待IOs后将待测物滤纸片贴放于锥套电极锥口的一侧面，在等离子体中解吸电离，约12s后检测完成，其质谱图如图4a所示。TOPO是一种极弱极性物质，LTQ XL质谱仪标配的ESI源和DESI源都无法检测出其质谱信号，而在本发明提供的新电离源上，明显可见加质子化的分子离子峰。
权利要求
1.一种辉光放电直接离子化装置，包括锥套电极和对其放电的辉光放电等离子体产生装置； 所述锥套电极的一端内部设有用于套插质谱仪中离子传输管的插槽，并在其端口外侧设置用于密封所述锥套电极与离子传输管的绝缘垫片；所述锥套电极的另一端为喇叭口状，其端口内部为空心锥，所述空心锥通过内锥孔与所述离子传输管相连通；所述锥套电极设有用于接地的接线杆； 所述辉光放电等离子体产生装置包括封闭的管状腔体和贯穿所述管状腔体的针电极，所述针电极从所述管状腔体的两端伸出，所述管状腔体一端外侧的针电极上套设有细管，所述细管与所述管状腔体为密封连接，所述细管与所述针电极之间设有环腔，所述环腔与所述管状腔体的内腔连通，所述管状腔体的侧壁上设有载气入口，所述针电极上套设的所述细管的端口为载气出口。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述锥套电极的材质为导电金属或其合金；所述绝缘垫片的材质为聚四氟乙烯、陶瓷、电木或树脂；所述针电极的材质为不锈钢、钨、钼或其合金；所述管状腔体的材质为聚四氟乙烯及其改性物、聚偏二氟乙烯、PEEK塑胶、共聚甲醛或聚氯乙烯。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于:所述针电极的直径为0.2Smm-Q.75mm ;所述细管的内径为 0.5mm-1.0mm,外径为 1.0mm-1.5mm。
4.根据权要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于:所述锥套电极中所述空心锥的外维口内径为5.0mm-1 5.0mm。
5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的装置产生等离子体的方法，包括下述步骤:将权利要求1-4中任一项所述的辉光放电直接离子化装置中的锥套电极套接在质谱仪的离子传输管上，并使所述锥套电极的接线杆可靠接地；将所述辉光放电等离子体产生装置中的针电极套设有细管的一端对准所述辉光放电直接离子化装置中的锥套电极，针电极另一端与电源相连；将载气从所述载气入口通至所述管状腔体内；接通所述电源，所述针电极对所述锥套电极辉光放电产生等离子体。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述载气的流速为30mL/min-3.0L/min ；所述载气选自下述至少一种气体:氦气、氖气、氩气和氮气。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于:所述电源的电压为2kV-5kV。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于:所述针电极的针尖与所述锥套电极的间距为3mm-30mm ;所述针电极与所述锥套电极中轴线的夹角为0-70°。
9.一种利用权利要求1-4中任一项所述的装置进行离子化分析的方法，包括下述步骤:采用权利要求5-8中任一项所述的方法产生等离子体，然后将待测样品置于权利要求1-4中任一项所述辉光放电直接离子化装置中的针电极与锥套电极之间进行解吸电离，在质谱仪中得到待测样品的质谱信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于:所述待测样品贴放于所述锥套电极中喇叭口的内侧面；所述待测样品或其基体材料具有导电性。
全文摘要
本发明公开了一种辉光放电直接离子化方法及其装置。所述装置包括锥套电极和对其放电的辉光放电等离子体产生装置；锥套电极的一端内部设有用于套插质谱仪中离子传输管的插槽，并在其端口外侧设置密封锥套电极与离子传输管的绝缘垫片；其另一端为喇叭口状空心锥形，并通过内锥孔与离子传输管相连通；锥套电极设有用于接地的接线杆；所述辉光放电等离子体产生装置包括封闭的管状腔体和贯穿管状腔体的针电极，所述针电极从管状腔体的两端伸出，管状腔体一端外侧的针电极上套设有细管，细管与管状腔体为密封连接，细管与针电极之间设有环腔，环腔与管状腔体的内腔连通，管状腔体的侧壁上设有载气入口，针电极上套设的所述细管的端口为载气出口。
文档编号H05H1/24GK103094050SQ20131000702
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者聂宗秀, 周跃明, 张宁, 熊彩侨 申请人:中国科学院化学研究所