一種無外部高壓的質譜離子源及其離子化分析方法
2023-07-02 14:17:31
專利名稱：一種無外部高壓的質譜離子源及其離子化分析方法
技術領域：
本發明屬於食品安全檢測技術領域，特別涉及專用離子源及直接在固體表面 安全離子化的一種無外部高壓的質譜離子源及其離子化分析方法。
技術背景在食品安全領域，尤其是各類食品表面的農藥殘留分析是關乎國計民生的重 要領域。目前，該領域迫切需要靈敏，快速，能夠不需要任何預處理直接從樣品 表面獲取農藥殘留信息的無損、高通量分析方法。這種分析方法還要求分析儀器 必須結構簡單，易於拆卸，難於汙染且可以對固體表面進行各種精度條件下的掃描。質譜儀器是目前已知最靈敏且應用範圍最廣的分析儀器之一，在科學研究和 生產等方面都發揮著重要的作用。質譜儀器包含了兩個基本的結構單元——離子 源和質量分析器，質譜儀器的進步實質上就是這兩個基本結構單元的進步。而這 其中，發展新型的離子源是質譜分析方法進步的重要組成部分之一，事實上目前己經有了多種不同的離子源如電子轟擊離子源(EI)、化學電離源(CI)、場致 電離/場解吸電離源(FI/FD)、快原子轟擊源(FAB)、電噴霧電離源(ESI)、 雷射解析源(LD)、大氣壓化學電離源(APCI)。這些不同性質的離子源可以按 照不同的要求，針對不同的樣品得到各種形式的離子及其碎片。然而這些已經成 熟發展了的離子源都不能在大氣壓下針對固體表面的樣品直接分析，通常都需要 步驟繁瑣的聯用和預處理過程。近年來，電噴霧解析離子化(DESI)和實時直接 分析(DART)技術都是可以直接在常壓條件下對固體表面的有機物電離並解吸附。 這類新興離子源提供了不經任何預處理，在各種樣品表面實現常壓下直接快速分 析的可能性。這其中的電噴霧解析離子源(DESI)利用電噴霧產生的小液滴在固體表面發 生二次溶解和電荷交換使有機分子電離，並且在氣流和壓力的作用下被引入質譜 分析。目前該方法己經被應用於多種不同物質的直接快速分析，且有著靈敏度高， 裝置簡單，及適合化學衍生的多種優勢。但是由於傳統的DESI離子源需要一個 外部的高壓電源來構建和零電勢的質譜採樣錐間的高壓靜電場，導致了儀器設計 的複雜。更重要的是由於外部高壓源的存在，使得電噴霧毛細管前端容易發生電 暈放電，同時高壓的危險也限制了將離子源發展為手持並且直接對人體皮膚表面 作無損快速分析的可能性。 發明內容本發明的目的是提供一種無外部高壓的質譜離子源及其離子化分析方法，能 夠不經樣品預處理而快速掃描獲取各種食品表面農殘的定性與定量信息。本發明所提供的用於分析樣品離子化的離子化源，包括電噴霧器，毛細管，蠕動泵，惰性氣體源，離子化源組成，其中電噴霧器1和被分析樣品4組成噴霧 系統，毛細管2固定在電噴霧器管1的中心，進氣管3和電噴霧器管1的側面聯 通；質譜的採樣口 5為離子採集分析裝置，質譜的採樣口 5放置在被分析樣品4 的上面，電噴霧毛細管2與樣品4的表面的夾角可以任意角度，二者距離在l-8mm 之間；其中毛細管2的一頭與蠕動泵相接。所述毛細管採用市售標準毛細管，內 徑為0. lram;外徑為0. 15mm;所述無外部高壓的質譜離子源離子化分析方法，包括如下步驟1) 將被分析樣品4的表面直接置於電噴霧器1的下方，並且調節二者的距 離和角度；2) 在採樣口 5與樣品4之間經軟體控制被施加以-2500V到-6000V的高壓；3) 噴霧溶劑在1 6 u L/min流量下從毛細管2的進入，噴霧氣體在5 60psi 壓力下由進氣管3進入；4) 打開噴霧氣、蠕動泵和質譜儀，對樣品表面物質進行電離並分析。 所述對樣品表面物質進行電離並分析的分析參數為採樣口負壓為4500V，質譜的釆樣口 5溫度為250°C，噴霧氣體壓力為15psi，液體流速為4uL/min， 電噴霧毛細管2與樣品4的距離在4mm、與樣品4表面的夾角為60°，並且整套 系統與質譜藉口的距離在2cm之內。所述若將樣品4的表面置於可調節的三維移動平臺上，並由步進電機控制其 有規律的移動，即可實現對固體表面某一區域的精細成像分析。所述電噴霧溶劑為乙腈水=1: 1 (v/v)、甲醇水=1: 1 (v/v)， 所述在電噴霧溶劑中加入化學衍生試劑甲酸、乙酸、甲酸銨、乙酸銨、HC1、 乙二醇、氨水和有機胺中一種，使在分析過程中提高分析的靈敏度。本發明的有益效果是應用本發明的離子化方法可以對各種固體表面上的化 合物進行分析，其中既包括了科研中常用的載物平面如玻璃、石英和聚合物，又 包括了食品安全中常見的各種植物的表面。利用本發明進行固體表面的離子化 時，由於電噴霧器本身不帶任何電壓，故而可以被分析人員簡單手持進行固體表 面上的手動掃描。傳統基於電噴霧離子化的固體解析源在對皮膚表面分析時，考 慮到噴霧頭和人體皮膚之間存在著高電場，因而對被分析者可能造成高壓電擊， 而本發明中不存在這一問題，可以安全的應用於食品安全監控等領域。所述若利用各種多級質譜方法如碰撞誘導解析(CID)，選擇性反應監控模式(SRM)和多 重反應監控模式(MRM)可以有效地在複雜基體中不經分離地選擇出感興趣的化 合物。
圖1為本發明離子化源的結構示意圖。圖2為八種三嗪類除草劑混合物樣品在氫氟酸腐蝕的玻璃板上1250pg/mm2 的質譜分析圖。圖3為特丁津([M+H]+ m/z 230)在玻璃載玻片上的MS (A)及MS/MS (B)圖。圖4為毒死蜱([M+H]+ m/z 350.28)在氫氟酸腐蝕的玻璃板上625pg/,2的 質譜分析圖。圖5為含0. 1%甲酸的乙腈:水(l: 1， V/V)作為噴霧溶劑時，毒蠅磷([M+H m/z 363.32)在氫氟酸腐蝕的玻璃板上625pg/mm2的質譜分析圖。圖6為對硫磷([M+H]+ m/z 292.15)在氫氟酸腐蝕的玻璃板上625pg/mm2的 MS(A)及MS/MS (B)質譜分析圖。圖7為除草劑混合樣品在氫氟酸腐蝕的玻璃板上的質譜分析圖，
圖8為莠去津([M+H]+ m/z 216)在氫氟酸腐蝕的玻璃板上625pg/mm2的質 譜分析圖。圖9為6種有機磷類殺蟲劑在氫氟酸腐蝕的玻璃板上1250pg/mm2的質譜分析圖。圖10為6種有機磷類殺蟲劑在蘋果皮上的MRM分析圖，及提取離子色譜圖 及化合物結構。6種有機磷分別為甲胺磷、乙醯甲胺磷、氧樂果、敵敵畏、樂果、磷胺。圖11為5種三嗪類除草劑在小白菜葉片上78. 125pg/咖s的MRM分析圖，及 提取離子色譜圖及化合物結構。圖12為小白菜葉片空白測定MS及MS/MS圖譜(A)、定點噴灑莠去津5天 後測定的MS及MS/MS譜圖(B)。圖13為小白菜實際噴灑莠去津樣品125pg/mm2三次測定提取子離子色譜圖。
具體實施方式
本發明提供一種無外部高壓的質譜離子源及其離子化分析方法，能夠不經樣 品預處理而快速掃描獲取各種食品表面農殘的定性與定量信息。如圖1所示為本發明所提供的用於分析樣品離子化的離子化源，包括電噴霧 器，毛細管，蠕動泵，惰性氣體源，離子化源組成，其中電噴霧器l和被分析樣 品4組成噴霧系統，毛細管2固定在電噴霧器管1的中心，進氣管3和電噴霧器 管1的側面聯通；質譜的採樣口 5為離子採集分析裝置，質譜的採樣口 5放置在 被分析樣品4的上面，電噴霧毛細管2與樣品4的表面的夾角可以任意角度，二 者距離在l-8ram之間；其中毛細管2的一頭與蠕動泵相接。所述毛細管2採用市 售標準矽膠毛細管，內徑為0. lmm;外徑為0. 15腿；惰性輔助氣通過1/16英寸 的不鏽鋼管引入電噴霧器管1之中，電噴霧器管1也採用矽膠毛細管，內徑為 0. 25mm。所述無外部高壓的質譜離子源離子化分析方法，包括如下步驟 1)將被分析樣品4的表面直接置於電噴霧器1的下方，並且調節二者的距 離為4mm和角度為60"。 2) 在採樣口 5與樣品4之間經軟體控制被施加以-2500V到-6000V的高壓；
3) 噴霧溶劑在1 6uL/min流量下從毛細管2的進入，噴霧氣體在5 60psi 壓力下由進氣管3進入；
4) 打開噴霧氣體、蠕動泵和質譜儀，對樣品表面物質進行電離並分析。 本離子化源可以替換現有質譜儀中的離子化源，直接應用到質譜儀中，經軟體控制被施加以-2500V到-6000V的高壓，噴霧溶劑在一定流量下由毛細管2進 入，噴霧氣在一定壓力下由進氣管3進入，到達被分析表面4，通過分子一離子 反應，將分析樣品4表面的化合物解吸附下來，並發生電離，進入質譜採樣口5 後進行檢測。被分析樣品4表面可以是任何實驗室常用的載物表面如玻璃，聚合 物和薄層色譜板，被分析樣品4表面(被測物)也可以是任何植物的各種表面， 包括莖、葉和果實等。到達被分析樣品4的表面，矽膠毛細液流管，對所產生離 子進行分析的質譜採樣口由商品質譜儀(Brucker-Daltonics， esquire 6000) 自帶的功能調節其電勢為-2500V至lj-6000V，並與零電勢的噴霧器形成高壓靜電場 本發明的所有裝置都採用通行的標準接口和管路，易於維修和與各種商品儀器聯 用。獨立可拆卸的電噴霧器可以在大樣品量的分析工作中快速更換，又由於電噴 霧系統並不與待測物表面直接接觸，故整套液路系統可以有效地避免受樣品的汙 染。
若將樣品4的表面置於可調節的三維移動平臺上，並由步進電機控制其有規 律的移動，即可實現對固體表面某一區域的精細成像分析。
噴霧氣氣源既可以是獨立的氣體鋼瓶或氣泵，也可以直接利用商品質譜自帶 的氣源，閥門和流量控制軟體，更進一步地簡化儀器結構。氣體出口的壓力一般 設置為，惰性氣體的種類對分析方法不造成影響。
以下實施例是在本發明的離子化源下，在上述條件下，通過商業用的離子阱 質譜計(Bruker-Daltonics esquire 6000)進行採集分析的，可以實現對各類化合物的原位分析測定。
實施例1:
以含O. 1%甲酸的乙腈水=1: 1 (v/v)為噴霧溶劑，流量4ixL/min，載氣(噴霧氣)為A，出口壓力為15psi，取10ug/mL的8種三嗪類除草劑混合物 樣品溶液2"L滴在氫氟酸腐蝕後的玻璃板上，面積約為16mm2 (相當於有 1250pg/ram2)，將玻璃板放幹，然後放在噴霧針下，質譜入口毛細管端加上一4000v 的電壓，質譜的採樣口溫度為25(TC，進行測定，得到如圖2所示的質譜圖。從 圖中可以看到化合物能得到很好的[M+Hr峰，證明此離子化源可很好的鑑定混合 物。該八種三嗪類除草劑分別為西瑪通[M+H]+m/z 198.33;莠去津[M+Hr m/z 216.35;撲滅通[M+H] + m/z 226. 36;莠滅淨[M+H] + m/z 228. 33;氰草津[M+H] + m/z 241.31;撲滅淨[M+H] + m/z 242. 27;特丁草淨[M+Hr m/z 242. 26;甲氧丙淨[M+Hy m/z 272.30實施例2:以含O. 1%甲酸的甲醇水二l: 1 (v/v)為噴霧溶劑，流量4yL/min，載氣 為N2，出口壓力為15psi，將特丁津(Mw 229)溶液塗在玻璃載玻片上，然後將 載玻片放在載物臺上，對準噴霧針頭，質譜入口毛細管端加上一4500v的電壓， 質譜的採樣口溫度控制為250°C，進行測定，其MS及MS/MS譜圖見圖3，從圖譜 上可看到明顯的[M+Hr m/z 230和[M+Na]4 m/z 252峰，以及同位素峰簇，通過 MS/MS可確認，由此可見， 一定濃度下，待測化合物可電離有明顯的[M+H]+和 [M+Na]+峰。實施例3:以含O. 1%甲酸的乙腈水(1: 1， v/v)作為噴霧溶劑，流量4uL/min，載 氣為仏，出口壓力為15psi，質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為 25(TC，對氫氟酸腐蝕的玻璃板上含625pg/mm2的毒死蜱(Mw349)進行測定，質 譜分析圖見圖4，化合物中含有3個氯，在質譜圖中可明顯見到同位素峰簇響應 m/z350: m/z352: m/z354: m/z356 = 27: 27: 9: 1，即證明確實為所測化合物。實施例4:以含O. 1%甲酸的乙腈水=1: 1 (v/v)作為噴霧溶劑，流量4nL/min，載 氣為&，出口壓力為15psi，質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為 250°C，對氫氟酸腐蝕的玻璃板上含625pgZ匪z毒蠅磷(Mw 362)進行測定，質譜
分析圖見圖5，待測化合物含1個氯，可明顯見到同位素峰簇響應m/z363: m/z365 =3: 1，同時在合適的二級裂解能量下，得到MS/MS質譜圖。 實施例5:以含0.05%1的乙腈水=1: 1 (v/v)作為噴霧溶劑時，流量4uL/min, 載氣為&，出口壓力為15psi，質譜端電壓為一4500V質譜的採樣口溫度控制為 25(TC，對氫氟酸腐蝕的玻璃板上625pg/nffl/的對硫磷(Mw391)進行測定，見圖 6，從譜圖可見到[M+H]+m/z 292. 15峰，而在之前的流動相下，同樣濃度的樣品 未見到對硫磷有明顯的[M+H]+，可見改變噴霧流動相，可以提高某些化合物的離 子化效率，MS/MS對其進行了確證。實施例6:以含0. 05%二甲基胺的乙腈水=1:1(v/v)作為噴霧溶劑時，流量2 u L/min， 載氣為N2，出口壓力為10psi，質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為 250°C，對在氫氟酸腐蝕的玻璃板上的除草劑混合樣品進行測定分析，可見到相 應的[M+H]+，見圖7，可見以摻雜有機胺的流動相進行噴霧時，亦可得到很好的 結果。除劑分別為西瑪通[M+Hr m/z 198.47;敵草淨[M+Hr m/z 214.47;撲 滅通[M+Hr m/z 226.53;莠滅淨[M+Hr ra/z 228.47;撲滅津[M+Hr m/z 230.53; 撲滅淨[M+HF m/z 242. 47;草二甲丙淨[M+Hr m/z 256. 46;甲氧丙淨[M+Hr m/z 272. 44。實施例7:以含O. 1%甲酸的乙腈水=1: 1 (v/v)作為噴霧溶劑，流量2nL/min，載 氣為仏，出口壓力為10psi，質譜端電壓為一4500V質譜的採樣口溫度控制為250 °C，對氫氟酸腐蝕的玻璃板上含625pg/mm2莠去津(Mw 215)進行測定，得到圖 8，從圖中可見到明顯的[M+Hr m/z 216以及同位素峰m/z218。實施例8:以含O. 1%HC1的乙腈水=1: 1 (v/v)作為噴霧溶劑，流量4iiL/min，載 氣為&，出口壓力為15psi，質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為 250°C， 6種有機磷類殺蟲劑在氫氟酸腐蝕的玻璃板上1250pg/腿2的質譜分析圖
見圖9。 6種有機磷殺蟲劑分別為甲胺磷[M+Hrm/zl42.05;乙醯甲胺磷[M+Hr m/z 184.02;氧樂果[M+H]+m/z214. 01;敵敵畏[M+Hr m/z 221. 03;樂果[M+H] + m/z 229.97;磷胺[M+Hr m/z 300.04。 實施例9:以含O. 1%甲酸的乙腈水二l: 1 (v/v)作為噴霧溶劑，流量3nL/min，載 氣為&，出口壓力為15psi，質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為 25(TC， 6種有機磷類殺蟲劑(甲胺磷、乙醯甲胺磷、氧樂果、敵敵畏、樂果、磷 胺)混合溶液塗抹在蘋果皮上，進行測定的MRM分析圖，及提取離子色譜圖及化 合物結構見圖9。實施例10:以含O. 1%甲酸的乙腈水=1: 1 (v/v)作為噴霧溶劑，流量2tiL/min，載 氣為化，出口壓力為15psi，質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為 25CTC， 5種三嗪類除草劑混合溶液塗抹在小白菜葉片上(78. 125pg/mm2)的MRM 分析圖，及提取離子色譜圖及化合物結構見圖ll。 5種三嗪類除草劑分別為敵草 淨[M+H]+m/z 214、莠去津[M+Hr m/z216、莠滅淨[M+Hr m/z228、氰草津[M+H]4 m/z 241、甲氧丙淨[M+Hr m/z 272。實施例11:將莠去津水溶液定點噴灑在小白菜葉片上，生長5天後，以含O. 1%乙酸的乙 腈水=1: 1(v/v)作為噴霧溶劑，流量2uL/min，載氣為N2，出口壓力為15psi， 質譜端電壓為一4500V，質譜的採樣口溫度控制為25(TC，將小白菜葉片空白及噴 藥葉片放在載物臺上，對準噴霧針頭進行測定，見圖12， 125pg/mm2濃度下三測 重複的莠去津MS/MS m/z216的提取子離子m/z 174的色譜圖見圖13，可見有很 好的重複性。
權利要求
1.一種無外部高壓的質譜離子源，其特徵在於，所述離子化的離子化源，包括電噴霧器，毛細管，蠕動泵，惰性氣體源，離子化源組成，其中電噴霧器(1)和被分析樣品(4)組成噴霧系統，毛細管(2)固定在電噴霧器管(1)的中心，進氣管(3)和電噴霧器管(1)的側面聯通；質譜的採樣口(5)為離子採集分析裝置，質譜的採樣口(5)放置在被分析樣品(4)的上面。
2. 根據權利要求1所述無外部高壓的質譜離子源，其特徵在於，所述電噴霧 毛細管(2)與樣品(4)的表面的夾角為任意角度，二者距離在l-8mm之間；其 中毛細管(2)的一頭與蠕動泵相接。
3. 根據權利要求1所述無外部高壓的質譜離子源，其特徵在於，所述毛細管 內徑為為O. 01 - 0. 5腿；外徑為0. 03—0. 7mm。
4. 一種無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵在於，包括如下 步驟1) 將被分析樣品(4的表面直接置於電噴霧器(1的下方，並且調節二者的 距離和角度；2) 在採樣口 (5)與樣品(4)之間經軟體控制被施加以-2500V到-6000V的 高壓；3) 噴霧溶劑在1 6iiL/min流量下從毛細管(2)的進入，噴霧氣體在5 60psi壓力下由進氣管(3)進入；4) 打開噴霧氣、蠕動泵和質譜儀，對樣品表面物質進行電離並分析。
5. 根據權利要求4所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵 在於，所述對樣品表面物質進行電離並分析的分析參數為採樣口負壓為4500V， 質譜的採樣口 (5)溫度為25(TC，噴霧氣體壓力為15psi，電噴霧溶劑流速為4 "L/min，電噴霧毛細管(2)與樣品(4)的距離在4醒、與樣品(4)表面的夾 角為60°，並且整套系統與質譜的採樣口 (5)的距離在2cm之內。
6. 根據權利要求4所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵在於，所述電噴霧溶劑為乙腈水=1: 1 (v/v)、甲醇水=1: 1 (v/v)。
7. 根據權利要求4所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵 在於，所述在電噴霧溶劑中加入化學衍生試劑甲酸、乙酸、甲酸銨、乙酸銨、 HC1、乙二醇、氨水和有機胺中一種，使在分析過程中提高分析的靈敏度。
8. 根據權利要求4或5所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵在於，所述噴霧氣體為氮氣、氦氣、氬氣和空氣中一種或幾種混合氣。
9. 根據權利要求4所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵 在於，所述樣品4的表面置於可調節的三維移動平臺上，並由步進電機控制其有 規律的移動，即可實現對固體表面某一區域的精細成像分析。
10. 根據權利要求4所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特 徵在於所述被測樣品可以是實驗室常用載物表面玻璃，聚合物和薄層色譜板，被測物也可以是任何植物的莖、葉和果實的表面。
11. 根據權利要求4、 5、 9或10所述無外部高壓的質譜離子源的離子化分析方法，其特徵在於所述複雜被測樣品基體裡的目標化合物，選用多級質譜方式來獲得較好的信噪比，包括碰撞誘導解析(CID)，選擇性反應監控模式(SRM) 或多重反應監控模式(MRM)。
全文摘要
本發明公開了屬於食品安全檢測技術領域的一種無外部高壓的質譜離子源及其離子化分析方法。本發明所提供的離子化源包括電噴霧器，毛細管，蠕動泵，惰性氣體源，離子化源組成，其中電噴霧器和被分析樣品組成噴霧系統，毛細管固定在電噴霧器管的中心，進氣管和電噴霧器管的側面聯通，並與惰性氣體源以不鏽鋼管路相連；質譜的採樣口為離子採集分析裝置，質譜的採樣口放置在被分析樣品的上面。整個電噴霧系統的任何部位均不加高壓。使用過程中可以被分析人員直接手持並進行食品表面的粗略掃描。該裝置杜絕了由電噴霧器施加的高電場這一危險因素，且其設計簡單，易於拆卸，獨立並且由標準件構建的噴霧系統不易被汙染，可應用於多種食品安全的監控場所。
文檔編號G01N30/00GK101113970SQ20071012087
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月28日 優先權日2007年8月28日
發明者張四純, 張新忠, 張新榮, 李重九, 趙孟夏, 昊 韓, 馬曉東 申請人:清華大學