CN103545165B

CN103545165B - 一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置

Info

Publication number: CN103545165B
Application number: CN201310520005.2A
Authority: CN
Inventors: 唐飞; 郭成安; 王晓浩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: CN103545165A

Abstract

一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置，属于质谱分析技术领域。本发明使用铜管、不锈钢管等导电金属管或者外表面敷有放电电极的石英管作为放电腔，使用高压电源作为放电电源；在放电腔进气口通入放电气体，调节气体流量，在出气口可产生稳定的冷等离子体射流；此射流可使样品离子化，进而实现离子检测。此技术可采用样品气和放电气体混合（当样品为气体或易挥发性物质时）以及射流直喷样品两种方式使样品发生离子化。本发明还涉及到相应的离子源装置，此装置可在敞开式环境中应用，具有搭建方便、体积小、价格低廉、低能耗等优点。

Description

一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置

技术领域

本发明属于质谱分析领域，特别涉及一种敞开式的离子化方法及离子源装置，具体地说，涉及一种基于大气压冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置。

背景技术

质谱类分析仪器是当前世界上广泛使用的一种化学分析仪器，其基本原理是使样品中各成分在离子源中发生离子化，产生各种不同质荷比的带电荷的离子，然后利用电场或磁场对不同质荷比的离子运动产生不同的影响，从而实现物质的检测。

离子源为质谱类分析仪器提供样品离子，其关键在于离子化技术。离子化的本质在于分子失去电子或质子，生成带正负电荷的分子离子。经过近百年的发展，离子化的技术种类繁多。而近年来离子化技术的研究热点是常压敞开式离子化技术。这类技术与以往传统离子化技术最大的不同就是不需要繁杂的样品预处理程序，使样品的快速分析得到了实现；并且可以在敞开的大气压环境下进行，使质谱类分析仪器可以分析的样品在空间上得到了极大的扩展；同时样品可以保持原有特性，使无损检测实现的可能性得到了极大的提高。这类技术既有基于电喷雾离子化（ESI）的电喷雾解吸离子化（DESI）、电喷雾萃取离子化（EESI）、中性解吸电喷雾萃取离子化（ND-EESI）等方法，也包括基于等离子体的大气压化学电离（APCI）、直接实时分析技术（DART）、介质阻挡放电电离（DBDI）、低温等离子体探针（LTP）、微波等离子体炬（MPT）等方法。其中ESI和APCI是LC/MS设备中最常配备的两种离子源，这两类离子源应用范围较广，比较稳定，属于软离子源。最值得注意的是ESI使人类首次可以完整无损的测定蛋白质大分子，为生命科学带来了革命，它的发明人JohnFenn也因此获得了2002年诺贝尔化学奖。但是这两种离子源需要将所测样品溶入特定溶剂，使样品处理程序较为复杂，并且限定了待测样品种类。

2004年，《Science》杂志发表了Cooks教授课题组的研究成果，即DESI。它可以在敞开式环境中离子化固体样品，它的出现极大的填补了质谱领域对于样品现场直接分析的空白。此后，许多无需样品预处理的敞开式离子化技术随之出现。如EESI、ND-EESI、DART、DBDI、LTP、MPT等离子化方法。其中基于ESI的DESI、EESI、ND-EESI等方法在分析极性物质的重要工具，而基于等离子体的DART、DBDI、LTP、MPT等方法在分析非极性物质方面具有绝对优势。

基于等离子体的离子化技术因为原理新颖、对非极性物质离子化效果优异得到了大家的广泛关注。等离子体，指的是当物质温度升高或受到电离时，电子和正离子分离，形成由电子和正离子组成的物质状态。这种电离物质在宏观上保持电中性。等离子体按温度划分可以分为高温等离子体和低温等离子体，高温等离子体如太阳等恒星和***、氢弹产生的等离子体，它们是完全电离的，气体温度可达10⁴-10⁹K。低温等离子体是部分电离的，气体温度一般低于10⁴K。低温等离子体又可以分为热等离子体（又称热平衡等离子体）和冷等离子体（又称非热平衡等离子体）。热等离子体中电子和离子温度近似相等，宏观温度较高；而冷等离子体中电子和离子温度相差很大，电子温度为离子温度10-100倍，宏观温度接近室温。冷等离子体中含有大量电子、亚稳态离子、自由基等活性粒子，具有极强的反应活性，因此可以使样品分子离子化，作为离子源使用。

DART利用辉光放电产生的等离子体使样品产生离子化，这项技术已经实现商品化，技术比较成熟。但也存在着电极污染和损耗，需要定期清洗和更换，售价非常之高等缺点，对于技术的普及有一定的阻碍。DBDI应用介质阻挡放电产生的等离子体使样品离子化，介质阻挡可以柔化放电强度，防止电极污染。但是也限定了工作空间，大大降低了敞开式离子化技术的优势。为了使这项技术得到更广泛的应用，引入了大气压冷等离子体射流技术。

大气压冷等离子体射流是近年来兴起的一种新的大气压低温等离子体放电技术，是目前国际上等离子体科学与工程领域的研究热点之一。它是对大气压非平衡等离子体的一个补充，是大气压下产生冷等离子体的一种新的形式。在大气压冷等离子体射流产生过程中，通过引入气流，使放电区域产生的等离子体从喷管或空口中喷出，实现了放电区域和工作区域的分离，同时又保证了大部分活性物质和载能带电粒子能够被气流输运到更广阔的空间内。因此具有更高的实用性。大气压冷等离子体射流的特性和优点，正符合一个优质常压敞开式离子源的要求。

而LTP和MPT正是这项技术在质谱分析领域的应用。MPT是使用微波产生等离子体射流。它的缺点是装置比较笨重复杂，需要专业人士来搭建，且在检测过程中很多参数的调节不是太方便。而LTP结构相对简单，但也存在着内外电极相对位置需要优化，激励电源参数也需优化等缺点。并且在调节电源参数时，容易发生电极与质谱锥孔发生放电击穿现象，严重时会损坏质谱的电路板。

发明内容

本发明旨在提供一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置，解决现有方法步骤繁杂，上手较慢、效率低等问题。此方法利用大气压冷等离子体射流来实现样品的离子化，步骤较简单、操作方便、效率较高。本发明同时根据为方法搭建了一个简便的离子源，它具有体积小、价格低廉、低能耗等优点，有利于质谱类分析仪器的便携式发展。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）将样品放到样品台上；

2）调节冷等离子体射流发生器放电腔的中心线与质谱锥孔轴线的角度在0°～90°，冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离在1mm～100mm；

3）将放电气体引入冷等离子体射流发生器中，控制放电气体流量在0.1L/min～10L/min；

4）启动高压电源，使冷等离子体射流发生器产生冷等离子体射流并使该射流直接喷射在样品上，将样品离子化。

本发明提供的另一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）将样品放到混气瓶中；

3）首先将放电气体通入至混气瓶中，使放电气体与样品气混合后进入冷等离子体射流发生器中，将放电气体流量控制在0.1L/min～10L/min；

4）启动高压电源，使冷等离子体射流发生器产生冷等离子体射流，将样品离子化。

上述方法中，其特征在于：所述的高压电源的频率在1kHz～100kHz范围内，电压峰峰值在1kV～10kV范围内，功率在0.1W～100W范围内。所述的放电气体使用氦气、氩气、氮气、氢气和空气中的一种或几种的混合气体。

本发明提供的一种基于冷等离子体射流的离子源装置，其特征在于：所述装置包括装有压力表的放电气体瓶、减压阀、流量计、流量调节阀、等离子体射流发生器、样品台和高压电源；所述的放电气体瓶的出口通过气体管路依次与所述的减压阀、流量计、流量调节阀和等离子体射流发生器连接；所述的样品台设置在等离子体射流发生器的射流出口；冷等离子体射流发生器的放电腔采用内径在0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm的金属管，或采用内径在0.1mm～5mm，壁厚0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm，外表面敷有放电电极的石英管。

本发明提供的第二种基于冷等离子体射流的离子源装置，其特征在于：所述装置包括装有压力表的放电气体瓶、减压阀、流量计、流量调节阀、混气瓶、等离子体射流发生器和高压电源；所述的放电气体瓶的出口通过气体管路依次与所述的减压阀、流量计、流量调节阀和混气瓶进口连接，混气瓶的出口通过气体管路与等离子体射流发生器连接；冷等离子体射流发生器的放电腔采用内径在0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm的金属管，或采用内径在0.1mm～5mm，壁厚0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm，外表面敷有放电电极的石英管。

本发明所述离子源装置中其特征在于：在所述的放电腔的外壁设有绝缘屏蔽层；所述的金属管材料为铜、铝、铜合金、铝合金或不锈钢。所述的石英管外表面的放电电极（703）材料为金、银、铜、铁、铝、不锈钢、铜合金、铁合金或铝合金。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本方法基于大气压冷等离子体原理，涉及到的离子化方法是在大气压敞开式环境中实现的，不需要样品的前处理或只需简单处理，大大简化了分析流程，是一种简便的离子化方法；在分析过程中，所需要调节的参数很少，大大降低了工作人员的工作量。本发明由于采用了一种简单的放电结构形式，使得搭建装置及其简单。与现有的离子源装置相比，搭建的离子源装置具有成本低、使用方便、能耗小等优点。并且装置的功能部分体积比较小，包含高压电源可以做到重量不超过300g，十分便携，利于质谱类分析仪器的便携式发展。

附图说明

图1是本发明中离子源装置的主体部分-冷等离子体射流发生器的结构示意图，其中图1a为金属管放电腔式冷等离子体射流发生器，图1b为石英管放电腔式冷等离子体射流发生器。

图2是采用本发明中离子源装置与质谱联用实现固体、难挥发性液体样品检测的整体装置示意图。

图3是采用本发明中离子源装置与质谱联用实现气体或者易挥发性物质样品检测的整体装置示意图。

图4是实施例一中将离子源与质谱联用实现药品中活性成分的快速检测所得到的质谱谱图。其中图4a为检测阿奇霉素分散片得到的谱图，图4b为检测红霉素软膏得到的谱图。

图5是实施例二中将离子源与质谱联用快速检测饮料中咖啡因所得到质谱谱图。其中图5a为检测可乐得到的谱图，图5b为检测统一绿茶得到的谱图。

图中：1-压力表；2-放电气体瓶；3-减压阀；4-流量计；5-流量调节阀；6-高压电源；7-等离子体射流发生器；8-样品台；9-固体样品；10-质谱锥孔；11-混气瓶；701-绝缘屏蔽层；702-放电腔；703-放电电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，是本发明中离子源装置的主体部分-冷等离子体射流发生器的结构示意图。

其中，图1a为金属管放电腔式冷等离子体射流发生器，它包括绝缘屏蔽层701、放电腔702两部分。绝缘屏蔽层上开一小孔，引入导线与放电腔相连。

图1b为石英管放电腔式冷等离子体射流发生器，在石英管的外表面裹敷一层金属放电电极703，将电极与高压电源相连。放电电极的材料可用金、银、铜、铁、铝、不锈钢、铜合金、铁合金或铝合金。

在与质谱仪联用时，可根据样品种类采用图2和图3所示两种方式。当样品为固体和不易挥发的物质时，可采用如图2所示的所示离子源装置进行检测，该装置包括装有压力表1的放电气体瓶2、减压阀3、流量计4、流量调节阀5、等离子体射流发生器7、样品台8和高压电源6；所述的放电气体瓶2的出口通过气体管路依次与所述的减压阀3、流量计4、流量调节阀5和等离子体射流发生器7连接；所述的样品台8设置在等离子体射流发生器的射流出口；冷等离子体射流发生器的放电腔702采用内径在0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm的金属管，或采用内径在0.1mm～5mm，壁厚0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm，外表面敷有放电电极703的石英管。装有压力表1的放电气体瓶2内的放电气体经减压阀3、流量计4、流量调节阀5引入冷等离子体射流发生器7。首先将上面放有固体样品9的样品台8放置在质谱锥孔10前方1mm～25mm处。调节冷等离子体发生器7中心线与质谱锥孔轴线的角度在0°～90°，冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离在1mm～100mm。然后调节放电气体流量，将流量控制在0.1L/min～10L/min。在此流量范围内可以产生较稳定的等离子体射流。启动高压电源6，冷等离子体射流发生器7产生冷等离子体射流，射流直喷样品，将样品离子化。再次微调射流与锥孔的角度及距离，使得到最优的质谱信号。所述的放电气体使用氦气、氩气、氮气、氢气和空气中的一种或几种的混合气体。高压电源的频率在1kHz～100kHz范围内，电压峰峰值在1kV～10kV范围内，功率在0.1W～100W范围内。

当样品为易挥发性物质或者气体时，可采用图3所示离子源装置进行检测，该装置包括装有压力表1的放电气体瓶2、减压阀3、流量计4、流量调节阀5、混气瓶11、等离子体射流发生器7和高压电源6；所述的放电气体瓶2的出口通过气体管路依次与所述的减压阀3、流量计4、流量调节阀5和混气瓶11进口连接，混气瓶11的出口通过气体管路与等离子体射流发生器7连接；冷等离子体射流发生器的放电腔702采用内径在0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm的金属管，或采用内径在0.1mm～5mm，壁厚0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm，外表面敷有放电电极703的石英管。同样放电气体经减压阀3、流量表4、流量调节阀5流入装有进气管路和出气管路的混气瓶11。首先将样品放置在混气瓶内或通过注射器将待测气体注入混气瓶11。当通入放电气体后，样品挥发出样品气与放电气体混合，然后进入冷等离子体射流发生器7。调节冷等离子体发生器7中心线与质谱锥孔轴线至重合，冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离在1mm～100mm。然后调节放电气体流量，将流量控制在0.1L/min～10L/min。在此流量范围内可以产生较稳定的等离子体射流。启动高压电源6，冷等离子体射流发生器7产生含有样品离子的冷等离子体射流，再次微调射流与锥孔的距离，使得到最优的质谱信号。所述的放电气体使用氦气、氩气、氮气、氢气和空气中的一种或几种的混合气体。高压电源的频率在1kHz～100kHz范围内，电压峰峰值在1kV～10kV范围内，功率在0.1W～100W范围内。

下面再举几种实施实例对本发明的效果予以进一步说明。

实施实例一、药品中活性成分的快速检测

采用图2所示方式，将离子源与质谱仪联用检测阿奇霉素分散片（有效成分：阿奇霉素，Mw，748.88）和红霉素软膏（有效成分：红霉素，Mw，733.93）中的活性成分。实验所使用的离子源参数为：高压电源电压4kV（峰峰值）、频率20kHz，功率5W；放电气体为氦气；放电腔为一根长度80mm、内径0.5mm、外径1/16in的不锈钢管。实验时，首先将药片放在样品台上（或将药膏涂在样品台上），调节冷等离子体发生器7中心线与质谱锥孔轴线的角度（约30°），冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离（约20mm），恒定气体流速在1.6L/min。参数调好之后，几秒内就可以得到样品的谱图。如果改用自动进样装置连续进样的话，可以实现2s/片的检测速度。这对药品生产中质量在线监控有着重要意义。图4为实验所得到的质谱谱图。图4a中显示了很强的准分子离子峰（m/z749.9），图4b中显示了很强的[M+H]⁺峰（m/z734.9）及[M+H-H₂O]⁺峰（m/z716.9），说明该方法能够有效检测到药品中的有效成分。

实施实例二、饮料中咖啡因的快速检测

采用图2所示方式，将离子源与质谱仪联用对饮料（可乐、统一绿茶）中咖啡因（Mw，194.19）进行快速检测。实验所使用的离子源参数为：高压电源电压4kV（峰峰值）、频率20kHz，功率5W；放电气体为氦气；放电腔为一根长度80mm、内径1mm、外径3mm的石英管，石英管外表面包裹一层铜电极。实验时，首先将饮料滴在样品台上，调节冷等离子体发生器7中心线与质谱锥孔轴线的角度（约30°），冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离（约20mm），恒定气体流速在1.6L/min。参数调好之后，几秒内就可以得到样品的谱图。图5为实验所得到的质谱谱图，其中图5a为检测可乐得到的谱图，图5b为检测统一绿茶得到的谱图。图中显示了很强的准分子离子峰（m/z195），说明该方法能够实现饮料中咖啡因的检测。可以将此方法用于食品安全领域。

Claims

1.一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于该方法采用的离子源装置包括：装有压力表(1)的放电气体瓶(2)、减压阀(3)、流量计(4)、流量调节阀(5)、金属管放电腔式冷等离子体射流发生器(7)、样品台(8)和高压电源(6)；所述的放电气体瓶(2)的出口通过气体管路依次与所述的减压阀(3)、流量计(4)、流量调节阀(5)和金属管放电腔式冷等离子体射流发生器(7)连接；所述的样品台(8)设置在冷等离子体射流发生器的射流出口；冷等离子体射流发生器的放电腔(702)采用内径在0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm的金属管，或采用内径在0.1mm～5mm，壁厚0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm，外表面敷有放电电极(703)的石英管；所述的放电腔(702)的外壁设有绝缘屏蔽层(701)；所述离子化方法包括如下步骤：

1)将样品放到样品台上；

2)调节金属管放电腔式冷等离子体射流发生器(7)放电腔的中心线与质谱锥孔(10)轴线的角度在0°～90°，冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离在1mm～100mm；

3)将放电气体引入冷等离子体射流发生器(7)中，控制放电气体流量在0.1L/min～10L/min；

4)启动高压电源(6)，使冷等离子体射流发生器(7)产生冷等离子体射流并使该射流直接喷射在样品上,将样品离子化。

2.一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于该方法采用的离子源装置包括：装有压力表(1)的放电气体瓶(2)、减压阀(3)、流量计(4)、流量调节阀(5)、混气瓶(11)、金属管放电腔式冷等离子体射流发生器(7)和高压电源(6)；所述的放电气体瓶(2)的出口通过气体管路依次与所述的减压阀(3)、流量计(4)、流量调节阀(5)和混气瓶(11)进口连接，混气瓶(11)的出口通过气体管路与等离子体射流发生器(7)连接；冷等离子体射流发生器的放电腔(702)采用内径在0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm的金属管，或采用内径在0.1mm～5mm，壁厚0.1mm～5mm，长度为5mm～200mm，外表面敷有放电电极(703)的石英管；所述的放电腔(702)的外壁设有绝缘屏蔽层(701)；所述离子化方法包括如下步骤：

1)将样品放到混气瓶(11)中；

2)调节冷等离子体射流发生器放电腔的中心线与质谱锥孔(10)轴线的角度在0°～90°，冷等离子体射流出口与质谱锥孔的距离在1mm～100mm；

3)首先将放电气体通入至混气瓶(11)中，使放电气体与样品气混合后进入冷等离子体射流发生器(7)中，将放电气体流量控制在0.1L/min～10L/min；

4)启动高压电源(6)，使冷等离子体射流发生器(7)产生冷等离子体射流，将样品离子化。

3.如权利要求1或2所述的一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于：所述的高压电源的频率在1kHz～100kHz范围内，电压峰峰值在1kV～10kV范围内，功率在0.1W～100W范围内。

4.如权利要求1或2所述一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于：所述的放电气体使用氦气、氩气、氮气、氢气和空气中的一种或几种的混合气体。

5.如权利要求1或2所述的一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于：所述的金属管材料为铜、铝、铜合金、铝合金或不锈钢。

6.如权利要求1或2所述的一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法，其特征在于：所述的石英管外表面的放电电极(703)材料为金、银、铜、铁、铝、不锈钢、铜合金、铁合金或铝合金。