非接触式直流感应电喷雾离子化装置以及离子化方法
【专利摘要】本发明公开了一种非接触式直流感应电喷雾离子化装置及离子化方法。它包括电极、高压直流电源以及纳升电喷雾喷头。纳升电喷雾喷头与长直导线电极的轴线在同一直线上，喷头位于电极与质谱进样口之间。电极尖端在高电压激发下产生的电场线穿过圆锥形液体电介质后发生汇聚，极大的放大了喷头尖端电场强度，使待测液体发生电喷雾离子化。本发明可以解决目前纳升电喷雾无法对于几个纳升级别样品直接离子化的问题，同时能够用于纳升电喷雾阵列分析。本发明结构简单，方便制造，只需要在传统纳升电喷雾离子源基础上进行简单机械改进就可以实现，方便与现有的商品化质谱仪器偶联使用，实用性强，而且解决了许多传统纳升电喷雾中存在问题，有着广泛的应用前景与经济价值。
【专利说明】非接触式直流感应电喷雾离子化装置以及离子化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电喷雾质谱离子化装置以及离子化方法，具体涉及一种非接触式直流感应电喷雾离子化装置以及离子化方法。
【背景技术】
[0002]有机质谱分析法是一种在生命科学研究领域广泛使用的可以实现定性、定量以及结构分析的分析方法。电喷雾离子化(ESI)与激光辅助解吸附离子化(MALDI)是有机质谱仪器的两种最为典型和广泛使用的离子化方式。经典的ESI离子化过程如下所述。样品溶液经由毛细管一段进入，从另外一段受到强烈电场与鞘流气的共同作用形成带电的气溶胶。气溶胶经过溶剂挥发过程电荷密度逐渐升高发生库伦爆炸，最终使得溶液中待测物分子发生离子化。随后发展出的纳升电喷雾离子化(NSI)方法，由于进一步减小了毛细管喷口的内径，可以在较低喷雾电压与不使用鞘流气的基础上实现离子化，而且灵敏度比传统ESI更高，现在已经成为生物测试分析中广泛使用的离子化方法。
[0003]在进行NSI分析时，由于样品溶液都在石英管内部，所以需要有一个电极深入到石英管内部，与待测溶液发生接触，才能够保证电喷雾的发生。然而NSI中存在的电接触问题，却限制了电喷雾技术的使用:1、电极与喷雾溶液接触发生电化学反应，对于测定产生影响；2、测定纳升甚至皮升级的小体积液体时，电接触非常困难；3、利用NSI进行阵列分析非常困难；4、NSI分析的通量较低。因此，针对新的分析需求，目前亟待开发一种简单实用非接触式纳升电喷雾离子源，并且方便直接与商品化质谱偶联使用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种非接触式直流感应电喷雾离子化装置以及离子化方法，本发明提供离子化装置，且离子化方法操作方面，易于与现有商品化有机质谱偶联。
[0005]本发明首先提供了一种非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，它包括一四维移动平台，所述四维移动平台包括一三维移动平台I和与所述三维移动平台I的工作台相连接的组块I，所述组块I与组块II相连接，所述组块I连接一旋柄，所述旋柄控制所述组块II以y轴为轴心进行旋转；所述组块II的上端面上连接一悬臂I，所述悬臂I能于Xy平面内进行旋转；
[0006]所述悬臂I的上端面固定一两通接头；导线的一端穿过所述两通接头后与电极相连接；
[0007]纳升电喷雾喷头固定于所述两通接头的一端，所述电极伸入至所述纳升电喷雾喷头的内部，且与所述纳升电喷雾喷头的尖端部之间设有间距；
[0008]所述纳升电喷雾喷头的尖端部的内径为I?2 μ m。
[0009]本发明提供的纳升电喷雾离子化装置，在使用过程中，电极与纳升电喷雾喷头引入的待测溶液不发生直接接触，且两者之间可设置0.3?Icm的间距。
[0010]本发明提供的纳升电喷雾离子化装置中所指的xy平面指的是与悬臂I平行的平面，y轴指的是进样时与质谱仪平行的轴线，X轴指的是进样时与质谱仪垂直的轴线。
[0011 ] 上述的纳升电喷雾离子化装置中，所述纳升电喷雾喷头可由石英或硼硅酸盐玻璃管拉制得到；
[0012]所述纳升电喷雾喷头包括圆柱形的直管部分和圆锥形的尖端部分。
[0013]本发明还提供了一种利用上述非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置进行离子化的方法，包括如下步骤:
[0014](I)将待测溶液引入所述非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置中所述纳升电嗔雾嗔头的尖纟而部中；
[0015](2)通过所述四维移动平台，调控所述悬臂I的位置，使所述纳升电喷雾喷头与质谱仪的进样口位于一条直线上；
[0016](3)通过导线向所述电极施加高压直流电压，使所述待测溶液发生电喷雾，即实现对所述待测溶液的离子化。
[0017]本发明提供的方法中，纳升电喷雾喷头引入的待测溶液与电极之间不发生直接接触，且两者之间可设置0.3?Icm的间距。
[0018]上述的方法中，通过将所述纳升电喷雾喷头浸泡于所述待测溶液中10?15s，即可将所述待测溶液弓I入所述纳升电喷雾喷头的尖端部。
[0019]上述的方法中，控制所述电极与所述纳升电喷雾喷头的尖端部之间的距离可为
0.3 ?Icm ；
[0020]所述纳升电喷雾喷头的尖端部与所述质谱仪的进样口之间的距离可为0.3?
1.5cm ；
[0021]所述高压直流电压可为1.0kV?2.0kV。
[0022]本发明还提供了一种用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，它包括一四维移动平台，所述四维移动平台包括一三维移动平台I和与所述三维移动平台I的工作台相连接的组块I，所述组块I与组块II相连接，所述组块I连接一旋柄，所述旋柄控制所述组块II以I轴为轴心进行旋转；所述组块II的上端面上连接一悬臂I，所述悬臂I能于Xy平面内进行旋转；
[0023]所述悬臂I的上端面固定一两通接头；导线的一端穿过所述两通接头后与电极相连接；
[0024]所述电喷雾离子化装置还包括一三维移动平台II，所述三维移动平台II的工作台与一悬臂II，所述悬臂II上设有若干个阵列排布的通孔，每个所述通孔内设有一纳升电喷雾喷头，且所述纳升电喷雾喷头的尖端部设于所述悬臂II之外；
[0025]所述纳升电喷雾喷头的尖端部的内径为I?2 μ m。
[0026]本发明提供的纳升电喷雾离子化装置，在使用过程中，电极与纳升电喷雾喷头引入的待测溶液不发生直接接触，且两者之间可设置0.3?Icm的间距。
[0027]上述的纳升电喷雾离子化装置中，所述纳升电喷雾喷头由石英或硼硅酸盐玻璃管拉制得到；
[0028]所述纳升电喷雾喷头包括圆柱形的直管部分和圆锥形的尖端部分。
[0029]本发明进一步提供了利用上述用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置进行离子化的方法，包括如下步骤:[0030](I)将待测溶液引入所述用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置中所述纳升电喷雾喷头的尖端部中；
[0031](2)将所述纳升电喷雾喷头插入至所述悬臂II上阵列排布的所述通孔内，且使所述纳升电喷雾喷头的尖端部位于所述悬臂II之外，所述纳升电喷雾喷头的另一端与所述悬臂II的一端面齐平；
[0032](3)通过所述四维移动平台和所述三维移动平台II，调控所述悬臂I和所述悬臂II的位置，使所述电极、所述纳升电喷雾喷头与质谱仪的进样口位于一条直线上；
[0033](4)通过导线向所述电极施加高压直流电压，使所述待测溶液发生电喷雾，即实现对一个所述纳升电喷雾喷头中的所述待测溶液的离子化；
[0034](5)通过所述三维移动平台II，调控所述悬臂II的位置，依次使所述电极、阵列排布的每个所述纳升电喷雾喷头与质谱仪的进样口位于一条直线上，从而实现对阵列排布的所述待测溶液的离子化。
[0035]本发明提供的方法中，纳升电喷雾喷头引入的待测溶液与电极之间不发生直接接触，且两者之间可设置0.3?Icm的间距。
[0036]上述的方法中，通过将所述用于阵列分析的纳升电喷雾喷头浸泡于所述待测溶液中10?15s，即可将所述待测溶液引入所述纳升电喷雾喷头的尖端部；所述电极从喷头尾部插入后，可以适当调节电极尖端与待测液体之间的距离，为了保证良好的电喷雾效果，电极尖端与待测液体距离应小于1cm。
[0037]上述的方法中，控制所述电极与所述纳升电喷雾喷头的尖端部之间的距离为
0.8 ?Icm ；
[0038]所述纳升电喷雾喷头的尖端部与所述质谱仪的进样口之间的距离为0.3?
1.5cm ；
[0039]所述高压直流电压为4.0kV?7.0kV。
[0040]本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点:
[0041]1、纳升电喷雾喷头中待测液体锥形的几何特征，将远端电极激发的直流电场线聚焦，使得电场强度大大放大，足以在待测液体与电极不接触的情况下使得待测液体发生电喷雾；
[0042]2、避免了电极对于电喷雾的干扰，解决了纳升电喷雾无法对于小体积样品直接离子化的问题。与独创的利用毛细作用将待测液体引入纳升电喷雾喷头的方法相结合，可以用不利用凝胶上样给喷头中加入过多液体，既方便了纳升电喷雾的操作，又节省了样品用量，可以对于I?2nL待测液体直接离子化；
[0043]3、不接触弓I发电喷雾的特点使得本发明的方法在对于纳升电喷雾阵列分析方面具有极大优势，大大提高了纳升电喷雾分析的检测通量。
[0044]本发明提供的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，结构简单，方便制造，只需要在传统纳升电喷雾离子源基础上进行简单机械改进就可以得到，方便与现有的商品化质谱仪器偶联使用，实用性强；且能够解决许多传统纳升电喷雾中存在的问题，有着广泛的应用前景与经济价值。
【专利附图】
【附图说明】[0045]图1为本发明非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置的示意图。
[0046]图2为本发明用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置的示意图。
[0047]图3为利用显微镜对毛细作用吸入喷头内的液体体积进行标定的示意图。
[0048]图4为利用本发明装置对于1.3nL几种常见分析物分析的质谱图。
[0049]图5为利用本发明装置对于血管紧张素II的2X2喷头阵列分析的总离子流图和质谱图。
[0050]图1和图2中，各标记如下:
[0051]I三维移动平台1、2组块1、3组块11、4旋柄、5悬臂1、6两通接头、7电极、8高压电源、9纳升电喷雾喷头、10质谱进样口、11三维移动平台I1、12悬臂II。
【具体实施方式】
[0052]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0053]下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0054]实施例1、非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置
[0055]如图1所示，本发明提供的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，它包括一四维移动平台，该四维移动平台包括一个三维移动平台I I和与该三维移动平台I I的工作台相连接的组块I 2，组块I 2与组块II 3相连接，且组块I 2连接一个旋柄4，该旋柄4能够控制组块II 3以y轴为轴心进行旋转。在组块II 3的上端面上连接一个悬臂I 5，该悬臂I 5能够于xy平面内进行旋转，其由聚四氟乙烯制成。悬臂I 5的上端面固定一个两通接头6 ;导线的一端穿过两通接头6后与电极7相连接，导线与高压电源8相连。其中，纳升电喷雾喷头9固定于两通接头6的一端，电极7伸入至纳升电喷雾喷头9的内部，且与纳升电喷雾喷头9的尖端部之间设有间距。本发明中，纳升电喷雾喷头9包括圆柱形的直管部分和圆锥形的尖端部分，如图3所示，其圆锥形的尖端部分的内径为I?2μπι;且其可由石英或硼硅酸盐玻璃管拉制得到。
[0056]利用图1所示非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，针对单一小体积样品进行直流感应纳升电喷雾分析，过程如下:
[0057]将该装置中的四维移动平台固定于接在质谱仪器的一个光学平板上。实验时，取纳升电喷雾喷头9 (圆柱形直管部分的外径为1_，圆锥形尖端部分的内径为2 μ m)，将纳升电喷雾喷头9浸入待测溶液样品中，并静置10s，可将1.3nL待测液体吸入纳升电喷雾喷头9中(如图3所示，为在显微镜下观测到的吸入喷头的液体量，近似认为喷头尖端为圆锥形，利用圆锥体积计算公式对于喷头内液体体积计算结果为1.27nL)。溶液装载完毕后，将电极7从纳升电喷雾喷头9的(圆柱形直管部分)插入，调节电极7尖端与纳升电喷雾喷头9的圆锥形尖端的距离约为0.5cm，旋紧两通接头6的接头固定纳升电喷雾喷头9。调节X、y、z、Θ xy四维移动平台使得纳升电喷雾喷头9的尖端与质谱进样口 10的距离为0.5cm，打开高压直流电源8，调节电压1.0kV?2.0kV，可以使得纳升电喷雾喷头9中待测液体电喷雾离子化。
[0058]为了验证本发明装置的通用性，选择四种具有代表性的待测液体，利用本发明装置进行测试，测试样品具体信息如下:[0059]咖啡因，分子量为194.19，CAS号为58-08-2，标准溶液浓度为IOppm ；
[0060]血管紧张素II，分子量为1046.18，CAS号为4474-91-3，溶液浓度为IOppm ；
[0061]合成生长抑素，分子量为1637.88，CAS号为38916-34-6，溶液浓度为IOppm ；
[0062]细胞色素C，分子量约为12000，CAS号为9007-43-6，溶液浓度为lOOppm。
[0063]以上四种标准溶液包含极性有机小分子化合物、肽类以及蛋白质，是电喷雾分析经常分析的样品，本实例就以这四种样品为代表测试所述技术的通用性。
[0064]图4为利用本发明直流感应纳升电喷雾分析1.3nL四种标准溶液的质谱图，从图中可以看出，所有的分析物都能够被很好地离子化，在质谱图中显示出非常强的信号，足以证明所述技术有着良好的通用性与分析性能。
[0065]实施例2、用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置
[0066]如图2所示，本发明提供的用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，它包括一个四维移动平台，该四维移动平台包括三维移动平台I I和与该三维移动平台I I的工作台相连接的组块I 2，组块I 2与组块II 3相连接，且组块I 2连接一个旋柄4，该旋柄4能够控制组块II 3以y轴为轴心进行旋转。在组块II 3的上端面上连接一个悬臂I 5，该悬臂I 5能够于xy平面内进行旋转，其由聚四氟乙烯制成。悬臂I 5的上端面固定一个两通接头6 ;导线的一端穿过两通接头6后与电极7相连接，导线与高压电源8相连。本实施例电喷雾离子化装置还包括一个三维移动平台II 11，该三维移动平台II 11的工作台与一个悬臂II 12，该悬臂II 12上设有多个阵列排布的通孔，每个通孔内设有一个纳升电喷雾喷头9，且该纳升电喷雾喷头9的尖端部设于悬臂II 12之外。本发明中，纳升电喷雾喷头9包括圆柱形的直管部分和圆锥形的尖端部分，如图3所示，其圆锥形的尖端部分的内径为I?2μπι;且其可由石英或硼硅酸盐玻璃管拉制得到。
[0067]利用图2所示用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，针对纳升电喷雾喷头阵列分析，过程如下:
[0068]将该装置中的四维移动平台和三维移动平台II 11固定于接在质谱仪器的一个光学平板上。在进行纳升电喷雾阵列分析时，首先将三维移动平台II 11的悬臂II 12卸下，将装载好液体的纳升电喷雾喷头11插入悬臂II 12上打好的通孔中，插入时将纳升电喷雾喷头9的尾部(圆柱形直管部分)从悬臂II 12的前端插入，调整好插入长度之后利用陶瓷切刀将纳升电喷雾喷头9伸出悬臂II 12的多余尾部截去，再将悬臂II 12固定在三维移动平台II 11上。之后调整三维移动平台II 11使得悬臂II 12处于与质谱进样口 10合适的距离(纳升电喷雾喷头9的尖端距离进样口 10约0.5cm)。在x、z方向调节三维移动平台II 11，使得需要初始扫描的纳升电喷雾喷头9与质谱进样口 10对齐。之后调整四维移动平台，使得电极7正对质谱进样口 10。准备完毕后打开质谱记录，打开高压电源8，调节电压为
4.0kV?6.0kV,三维移动平台II 9在X方向位移，直到扫到最后一个需要测定的喷头后，调节三维移动平台II 11在z方向位移，使得第二层喷头处于电极7与质谱进样口 10之间，再在X方向调节三维移动平台II 11，完成第二层喷头阵列的扫描，以此类推，直到完成所有喷头的扫描。
[0069]为了说明上述方法，此实例选取最简单的2X2喷头阵列进行说明。所选用的标准溶液为IOppm的血管紧张素II溶液，其分子量为1046.18，CAS号为4474_91_3。
[0070]如图5所示，以均匀速度移动三维移动平台II 9在x、z平面内运动，质谱总离子流图上依次检测到4个尖峰，分别对应固定在阵列上的四个喷头的离子。将质谱总离子流图上四个峰分别平均，得到四个不同喷头的质谱图，可以看出待测物血管紧张素II的双电荷峰是质谱图的基峰而且强度很高，证明该方法可以很好地对于纳升电喷雾喷头阵列进行离子化。
[0071]特别声明:上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，其特征在于: 所述电喷雾离子化装置包括一四维移动平台，所述四维移动平台包括一三维移动平台I和与所述三维移动平台I的工作台相连接的组块I，所述组块I与组块II相连接，所述组块I连接一旋柄，所述旋柄控制所述组块II以I轴为轴心进行旋转；所述组块II的上端面上连接一悬臂I，所述悬臂I能于Xy平面内进行旋转； 所述悬臂I的上端面固定一两通接头；导线的一端穿过所述两通接头后与电极相连接； 纳升电喷雾喷头固定于所述两通接头的一端，所述电极伸入至所述纳升电喷雾喷头的内部，且与所述纳升电喷雾喷头的尖端部之间设有间距； 所述纳升电喷雾喷头的尖端部的内径为I~2μπι。
2.根据权利要求1所述的纳升电喷雾离子化装置，其特征在于:所述纳升电喷雾喷头由石英或硼硅酸盐玻璃管拉制得到； 所述纳升电喷雾喷头包括圆柱形的直管部分和圆锥形的尖端部分。
3.一种用于阵列 分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置，其特征在于:所述电喷雾离子化装置包括一四维移动平台，所述四维移动平台包括一三维移动平台I和与所述三维移动平台I的工作台相连接的组块I，所述组块I与组块II相连接，所述组块I连接一旋柄，所述旋柄控制所述组块II以y轴为轴心进行旋转；所述组块II的上端面上连接一悬臂I，所述悬臂I能于xy平面内进行旋转； 所述悬臂I的上端面固定一两通接头；导线的一端穿过所述两通接头后与电极相连接； 所述电喷雾离子化装置还包括一三维移动平台II，所述三维移动平台II的工作台与一悬臂II，所述悬臂II上设有若干个阵列排布的通孔，每个所述通孔内设有一纳升电喷雾喷头，且所述纳升电喷雾喷头的尖端部设于所述悬臂II之外； 所述纳升电喷雾喷头的尖端部的内径为I~2μπι。
4.根据权利要求3所述的纳升电喷雾离子化装置，其特征在于:所述纳升电喷雾喷头由石英或硼硅酸盐玻璃管拉制得到； 所述纳升电喷雾喷头包括圆柱形的直管部分和圆锥形的尖端部分。
5.利用权利要求1或2所述非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置进行离子化的方法，包括如下步骤: (1)将待测溶液引入所述非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置中所述纳升电喷雾嗔头的尖〗而部中； (2)通过所述四维移动平台，调控所述悬臂I的位置，使所述纳升电喷雾喷头与质谱仪的进样口位于一条直线上； (3)通过导线向所述电极施加高压直流电压，使所述待测溶液发生电喷雾，即实现对所述待测溶液的离子化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:通过将所述纳升电喷雾喷头浸泡于所述待测溶液中10~15s，即可将所述待测溶液引入所述纳升电喷雾喷头的尖端部。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于:控制所述电极与所述纳升电喷雾喷头的尖端部之间的距离为0.3~Icm ;所述纳升电喷雾喷头的尖端部与所述质谱仪的进样口之间的距离为0.3~1.5cm ； 所述高压直流电压为1.0kV~2.0kV。
8.利用权利要求3或4所述用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置进行离子化的方法，包括如下步骤: (1)将待测溶液引入所述用于阵列分析的非接触式直流感应纳升电喷雾离子化装置中所述纳升电喷雾喷头的尖端部中； (2)将所述纳升电喷雾喷头插入至所述悬臂II上阵列排布的所述通孔内，且使所述纳升电喷雾喷头的尖端部位于所述悬臂II之外，所述纳升电喷雾喷头的另一端与所述悬臂II的一端面齐平； (3)通过所述四维移动平台和所述三维移动平台II，调控所述悬臂I和所述悬臂II的位置，使所述电极、所述纳升电喷雾喷头与质谱仪的进样口位于一条直线上； (4)通过导线向所述电极施加高压直流电压，使所述待测溶液发生电喷雾，即实现对一个所述纳升电喷雾喷头中的所述待测溶液的离子化； (5)通过所述三维移动平台II，调控所述悬臂II的位置，依次使所述电极、阵列排布的每个所述纳升电喷雾喷头与质谱仪的进样口位于一条直线上，从而实现对阵列排布的所述待测溶液的离子化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:通过将所述用于阵列分析的纳升电喷雾喷头浸泡于所述待测溶液中10~15s，即可将所述待测溶液引入所述纳升电喷雾喷头的尖 端部。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于:控制所述电极与所述纳升电喷雾喷头的尖端部之间的距离为0.8~Icm ; 所述纳升电喷雾喷头的尖端部与所述质谱仪的进样口之间的距离为0.3~1.5cm ； 所述高压直流电压为4.0kV~7.0kV。
【文档编号】G01N1/28GK103972019SQ201410198671
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】张新荣, 魏振威, 张四纯, 郭成安, 李艳艳 申请人:清华大学