敞開式噴霧場解吸離子化方法及離子化裝置的製作方法

2023-07-06 08:47:36

專利名稱：：敞開式噴霧場解吸離子化方法及離子化裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及的離子化(電離)方法和離子化裝置(離子源)應用於質譜分析領域，屬於敞開環境下使用的質譜儀器的相關技術。這種離子化方法也可以推廣應用到其它電離分析領域。
背景技術：
：傳統的離子化方法可以概括為電子轟擊離子化方法(EI)、化學電離離子化方法(CI)、場解吸離子化方法(FD/FI)、快原子轟擊電離方法(FAB)等。傳統的離子化技術要求將樣品引入高真空系統，裝置及操作複雜、容易導致離子源及分析器汙染等問題。另外，這些離子化方法由於能量傳遞過程激烈，在電離過程中有破壞生物大分子結構的可能而不適用於生命科學等研究領域。上世紀八十年代末，美國的J.B.芬恩(J.B.Fenn)和日本的田中耕一等人分別開發出的電噴霧電離方法(ESI)和基質輔助雷射解吸離子化方法(MALDI)，使得對蛋白質等生物大分子進行質譜分析成為可能。目前，大氣壓電離方法(API)包括大氣壓化學電離方法(APCI)、電噴霧電離方法(ESI)以及基質輔助雷射解吸離子化方法(MALDI)是質譜分析領域應用最廣泛的離子化方法。其中，ESI等大氣壓電離方法可以在大氣壓下實現離子化，但由於離子化過程需要電暈放電、高壓等因素，離子源仍然需要封閉的結構設計。電噴霧電離方法(ESI)在噴嘴上施加電壓使噴嘴和質譜儀真空接口之間形成靜電場，樣品溶液從噴嘴噴出形成噴霧，一般採用輔助氣的辦法實現噴霧，也有使用納米級毛細管直接形成噴霧(nano-ESI)。電噴霧離子源工作時典型的電場強度在3xl4r/m左右，相應地噴嘴上施加的電壓也較高，一般為35kV。此外，為了脫去溶劑分子改善離子化效果(脫溶劑過程)，一般工作在高溫條件下。基質輔助雷射解吸離子化方法(MALDI)是在真空條件下通過大功率雷射對樣品與基質的混合物(晶體或固溶體)進行照射，解吸出樣品離子的電離方法。這種離子化方法需要真空條件和大功率的雷射，還需要選擇合適的基質，並將樣品分子溶入基質中製備成均勻的固溶體等比較複雜的前處理，這些條件限制了這種方法的應用。場致液滴離子化方法(FIDI)是在真空條件下，在高強度的電場中，單個液滴在電場作用下電離產生離子的方法。其電場強度為^6K/^量級，液滴的粒徑在102/^7量級。由於離子化方法需要真空條件，所以需要封閉的結構設計。在敞開環境(AmbientEnvironment)下實現離子化的質譜技術已成為質譜學領域的國際前沿。這種新型離子化技術使用敞開式的離子源結構，不需要真空工作條件、無需複雜的樣品前處理，在樣品的原始環境下進行分析，有利於質譜儀器的小型化並在野外環境中使用。這種技術在醫藥、國家及公共安全、法庭醫學、商檢及海關檢驗等諸多領域具有廣泛的應用前景。2004年美國R.G.Cooks教授研究小組和2005年日本電子(美國)公司分別開發出解吸電噴霧技術(DesorptionElectrosprayIonization,DESI)和實時直接分析技術(DirectAnalysisonRealTime,DART)離子源。這兩項離子化技術的離子源為敞開式的結構設計，避免了複雜的前處理過程。實時直接分析技術(DART)的關鍵在於使用亞穩態氣體與樣品分子作用產生離子，而亞穩態氣體的產生需要多個封閉空腔結構和複雜的電極結構，使用時需要氦氣或者氮氣。採用DART離子源更適合用於較低極性分子，而且靈敏度不及DESI離子源。解吸電噴霧離子化方法(DESI)由電噴霧離子化方法發展而來，區別在於樣品無需溶於輔助溶劑中，而是置於開放環境下的載物板上。在噴嘴上施加電壓使噴嘴和質譜儀真空接口之間形成靜電場，採用輔助氣的辦法首先使溶劑在電噴霧作用下產生氣相離子或者形成帶電荷的噴霧液滴從噴嘴噴出，並噴向置於載物板上的樣品，通過液滴捕捉和電荷交換過程實現樣品分子的離子化。但是與ES湘似的是DESI方法工作時典型的電場強度在3xl0V/w左右，在噴嘴上施加的電壓達到3~5kV。解吸電噴霧離子化裝置(DESI)實現了敞開式的結構設計，但是存在的主要問題是①離子化效率有待提高，樣品性質對離子化效率影響較大。②離子傳輸系統有待改進，不具備離子聚焦功能。③離子化裝置對載物板的尺寸有嚴格限制，離子化效果對噴霧角度較為敏感，正常離子化需要嚴格要求噴霧角度。本發明涉及的離子化方法稱之為噴霧場解吸離子化方法(SprayFieldDesorptionIonization,SFDI)。這種離子源為敞開式的結構設計，屬於在敞開環境(AmbientEnvironment)下實現離子化的電離方法，可以在常壓條件下實現不同類型被測樣品的分析檢測。
發明內容本發明的目的在於提出一種敞開式噴霧場解吸離子化方法及離子化裝置，該方法提高離子採集效率，不需要真空工作條件、無需複雜的樣品前處理，可以在常壓條件下實現不同類型被測樣品的分析檢測，滿足在野外環境中使用的需求；該離子化裝置實現小型化並有利於兼容現有質譜分析器。本發明的技術方案如下一種敞開式的噴霧場解吸離子化方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行1)含有樣品的輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，通過噴霧形成含有樣品的噴霧液滴；或將樣品附於載物體上，不含有樣品的溶劑輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，通過噴霧形成不含有樣品的噴霧液滴，該噴霧液滴將載物體上的樣品吸附於其中，形成含有樣品的噴霧液滴；2)在開放環境下，含有樣品的噴霧液滴進入離子化電場中；在該電場的作用下，所述噴霧液滴發生極化，形成帶電液滴；該帶電液滴在離子化電場的作用下向採集錐運動，形成樣品離子。本發明所述的離子化電場採用具有離子聚焦作用的電場，該離子化電場強度在104廠/附105廠/附之間。本發明還提供了一種實施上述方法的敞開式噴霧場解吸離子化裝置，其特徵在於該裝置包括噴嘴和布置於採集錐前方的電極結構，所述的電極結構由離子化電極以及布置於採集錐和離子化電極之間的輔助電極組成；輔助電極包括一個或多個中間輔助電極和接口輔助電極，所述的離子化電極由多個平行的平板電極組成，每個平板電極上有一段的圓弧，平板電極圓弧朝向同一側，這些圓弧近似處於一個空間球面上；所述的中間輔助電極和接口輔助電極是向著採集錐方向內徑依次減小的圓環狀薄板電極。本發明的技術特徵還在於所述的離子化電極有圓弧的一側面向採集錐，所述空間球面的球心在採集錐的軸線上；中間輔助電極和接口輔助電極豎直安裝於離子化電極和採集錐之間，中間輔助電極和接口輔助電極所在的平面和採集錐的底面平行，採集錐的軸線與接口輔助電極所在平面的交點位於接口輔助電極內圓的範圍內。本發明提供了一種形成具有離子聚焦作用的離子化電場的方法，其特徵在於施加於離子化電極、中間輔助電極和接口輔助電極上的電壓依次降低，形成具有離子聚焦作用的離子化電場。在離子化電極和中間輔助電極間的電場強度至少為104「/附，且接口輔助電極上的電勢高於採集錐上的電勢。本發明與現有離子化方法及其裝置相比，具有以下優點及效果①樣品附於載物體上的方法，可以在樣品的原始環境下對其進行分析，樣品用量少。②採取外加電場的方式，該離子化電場除了具有離子化的作用外，通過獨特的電場分布，可以實現離子聚焦的作用、提高離子化效果。③離子源電極結構的設計減小了噴嘴和採集錐對離子化電場的影響，使離子源可以獨立工作，兼容常見質譜分析器。④與解吸電噴霧離子源(DESI)相比，本發明涉及的載物體方法，對噴霧角度沒有嚴格要求。該離子化裝置對電源電壓要求較低，正常電離只需要lkV左右。圖l是敞開式噴霧場解吸離子化方法的示意圖。圖2是使用載物體的敞開式噴霧場解吸離子化方法的示意圖。圖3是敞開式噴霧場解吸離子化裝置的結構示意圖。圖4是使用載物體的敞開式噴霧場解吸離子化裝置的結構示意圖。圖5是離子化電極2的結構圖。圖a是離子化電極2整體結構的主視圖，圖b是離子化電極2整體結構的側視圖，圖c是一個平板電極的附視圖。圖6是一種形成具有離子聚焦作用的離子化電場的電路示意圖。圖7是敞開式噴霧場解吸離子化裝置在正離子檢測模式下獲得的混合物樣品質譜圖。圖8是敞開式噴霧場解吸離子化裝置在負離子檢測模式下獲得的混合物樣品質譜圖。表l混合物樣品溶液中所含化合物及其含量。l-噴嘴；2-離子化電極；3-中間輔助電極；4-接口輔助電極；5-採集錐；6-不含有樣品的溶劑輔助液噴霧液滴；7-含有樣品的輔助液噴霧液滴；8-帶電液滴；9-樣品；10-載物體；11-離子化電場。具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體結構、原理和工作過程作進一步的說明圖l是敞開式噴霧場解吸離子化方法的示意圖。離子化過程如下1)含有樣品的輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，通過噴霧形成含有樣品的噴霧液滴7，可以通過輔助氣或其它方法實現噴霧；2)在開放環境下，含有樣品的噴霧液滴7進入離子化電場11中；在該電場的作用下，所述噴霧液滴發生極化，形成帶電液滴8，該帶電液滴在離子化電場的作用下向採集錐5運動，形成樣品離子。圖2是使用載物體的敞開式噴霧場解吸離子化方法的示意圖。離子化過程如下1)將樣品9附於載物體10，不含有樣品的溶劑輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，通過輔助氣或其它噴霧方法形成不含有樣品的噴霧液滴6，該噴霧液滴將載物體上的樣品吸附於其中，形成含有樣品的噴霧液滴；2)在開放環境下，含有樣品的噴霧液滴7進入離子化電場11中；在該電場的作用下，所述噴霧液滴發生極化，形成帶電液滴8;該帶電液滴在離子化電場的作用下向採集錐5運動，形成樣品離子。圖3是敞開式噴霧場解吸離子化裝置的結構示意圖，該裝置包括噴嘴l和布置於採集錐前方的電極結構，所述的電極結構由離子化電極2以及布置於採集錐5和離子化電極2之間的輔助電極組成；輔助電極包括一個或多個中間輔助電極3和接口輔助電極4，所述的離子化電極2由多個平行的平板電極組成，每個平板電極上有一段的圓弧，平板電極圓弧朝向同一側，這些圓弧近似處於一個空間球面上；所述的中間輔助電極3和接口輔助電極4是向著採集錐方向內徑依次減小的圓環狀薄板電極。離子化電極2有圓弧的一側面向採集錐，所述空間球面的球心在採集錐的軸線上；中間輔助電極3和接口輔助電極4豎直安裝於離子化電極2和採集錐5之間，中間輔助電極和接口輔助電極所在的平面和採集錐的底面平行，採集錐的軸線與接口輔助電極所在平面的交點位於接口輔助電極內圓的範圍內。圖4是使用載物體的敞開式噴霧場解吸離子化裝置的結構示意圖。該裝置噴嘴l和電極結構與圖3相同。載物體布置在噴嘴下方、電極結構的上方。本發明涉及的載物體可以是網格狀薄層。載物體具有一定的粘性，可以將樣品吸附其上，由於是網格狀，噴霧可以順利通過。圖5是離子化電極2的結構圖。圖a是離子化電極2整體結構的主視圖，圖b是離子化電極2整體結構的側視圖，圖c是一個平板電極的俯視圖。離子化電極2由多個平板電極組成，每個平板電極上有一段長度不等的圓弧，平板電極圓弧朝向一側，以相等的間距平行組合安裝後，這些圓弧近似處於一個空間球面上。圖6是一種可行的離子源電路的示意圖。通過這個電路，在離子化電極2和輔助電極上施加的電壓依次降低，形成具有離子聚焦作用的離子化電場，在離子化電極2和中間輔助電極3間的電場強度至少為1047/^，且接口輔助電極4上的電勢高於採集錐5上的電勢。混合物樣品的組成和含量如表1所示，將樣品溶解於噴霧輔助溶劑甲醇:水=80:20的體系中。噴霧輔助液流速20W/min;氣體流速2.0L/min。分別在正離子和負離子檢測模式下獲得該混合物樣品的質譜結果，如圖7和圖8所示。表l混合物樣品溶液中所含化合物及其含量tableseeoriginaldocumentpage8權利要求1.一種敞開式的噴霧場解吸離子化方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行1)含有樣品的輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，通過噴霧形成含有樣品的噴霧液滴(7)；或將樣品(9)附於載物體(10)上，不含有樣品的溶劑輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，通過噴霧形成不含有樣品的噴霧液滴(6)，該噴霧液滴將載物體上的樣品吸附於其中，形成含有樣品的噴霧液滴(7)；2)在開放環境下，含有樣品的噴霧液滴(7)進入離子化電場(11)中；在該電場的作用下，所述噴霧液滴發生極化，形成帶電液滴(8)；該帶電液滴在離子化電場的作用下向採集錐(5)運動，形成樣品離子。2.按照權利要求1所述的敞開式噴霧場解吸離子化方法，其特徵在於所述離子化電場(11)採用具有離子聚焦作用的電場，該電場強度在^4「/w^5「/M之間。3.實施如權利要求l所述方法的敞開式噴霧場解吸離子化裝置，其特徵在於該裝置包括噴嘴(1)和布置於採集錐前方的電極結構，所述的電極結構由離子化電極(2)以及布置於採集錐(5)和離子化電極(2)之間的輔助電極組成；輔助電極包括一個或多個中間輔助電極(3)和接口輔助電極(4)，所述的離子化電極(2)由多個平行的平板電極組成，每個平板電極上有一段的圓弧，平板電極圓弧朝向同一側，這些圓弧近似處於一個空間球面上；所述的中間輔助電極(3)和接口輔助電極(4)是向著採集錐方向內徑依次減小的圓環狀薄板電極。4.按照權利要求3所述的敞開式噴霧場解吸離子化裝置，其特徵在於離子化電極(2)有圓弧的一側面向採集錐，所述空間球面的球心在採集錐的軸線上；中間輔助電極(3)和接口輔助電極(4)豎直安裝於離子化電極(2)和採集錐(5)之間，中間輔助電極和接口輔助電極所在的平面和釆集錐的底面平行，釆集錐的軸線與接口輔助電極所在平面的交點位於接口輔助電極內圓的範圍內。5.採用如權利要求3所述敞開式噴霧場解吸離子化裝置形成具有離子聚焦作用的離子化電場的方法，其特徵在於施加於離子化電極(2)、中間輔助電極(3)和接口輔助電極(4)上的電壓依次降低，形成具有離子聚焦作用的離子化電場。6.按照權利要求5所述的方法，其特徵在於在離子化電極(2)和中間輔助電極(3)間的電場強度至少為104|///,且接口輔助電極(4)上的電勢高於採集錐(5)上的電勢。全文摘要敞開式的噴霧場解吸離子化方法及離子化裝置，離子化過程是含有樣品的輔助液，在開放環境且沒有電場作用的情況下，形成含有樣品的噴霧液滴；或將樣品附於載物體上，不含有樣品的噴霧液滴將載物體上的樣品吸附於其中，形成含有樣品的噴霧；上述兩種含有樣品的噴霧液滴進入外加的離子化電場中；在該電場的作用下，實現樣品的離子化。通過獨特的電極設計，離子化電場的分布具有離子聚焦的作用。使用樣品附於載物體上的進樣方法，可以在樣品的原始環境下對其進行分析，樣品用量少；離子化裝置使用獨立的電極結構，減小了噴嘴和採集錐對離子化電場的影響，使離子源可以獨立工作，兼容常見質譜分析器。文檔編號G01N27/62GK101464427SQ200710303649公開日2009年6月24日申請日期2007年12月21日優先權日2007年12月21日發明者再帕爾·阿不力孜,飛唐,王曉浩,賀玖明,猛趙申請人:清華大學;中國醫學科學院藥物研究所