CN110112051B - 用于质谱反应加速和信号增强的涡流管及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于质谱反应加速和信号增强的涡流管及实现方法，属于离子光学器件制作技术领域，解决了现有技术中质谱在反应监测和反应加速过程中存在的离子传输效率低、离子化效率低，以及反应物离子混合接触效率低、反应时间难以调节的问题。用于质谱进样口的涡流管包括密封管和具有轴向离子通道的螺纹管，螺纹管具有外螺纹，且置于密封管内，外螺纹的凹槽作为气体通道；涡流管置于离子源和质谱进样口之间；密封管的侧壁上设有用于引入气体的气流入口。用于增强质谱信号的方法，包括放置涡流管→注入样品→通入氮气→进入质谱检测。本发明实现了通过设置涡流管来增强质谱的响应信号。

Description

用于质谱反应加速和信号增强的涡流管及实现方法

技术领域

本发明涉及离子光学器件制作技术领域，尤其涉及一种用于质谱反应加速和信号增强的涡流管及实现方法。

背景技术

质谱具有高特异性，高灵敏度，高分析速度，以及一定的结构表征能力，因此被广泛地应用在反应监测领域。人们通过质谱跟踪反应进程，研究反应动力学，筛选催化剂，并通过反应中间体监测来阐明反应机理。电喷雾电离(ESI)，纳升电喷雾电离(Nano-ESI)等离子源在反应监测领域已经取得成功。在反应监测过程中，人们发现在ESI等离子源喷射出的液滴中进行的反应被加速。原本在体相中需要高温、高压、催化剂等特殊条件才能缓慢进行的反应，在液滴中可以在毫秒时间尺度上发生，并且不需要上述一些苛刻条件。

但是以往的反应监测和反应加速都是基于调整离子源和质谱进样口之间的距离来实现的。在监测反应中间体时，需要把离子源靠近质谱进样口来缩短反应时间，以尽可能多的监测到反应中间体。而在需要加速反应，监测反应产物的时候，则需要不断增加离子源和质谱进样口之间的距离，以增加反应时间，生成更多的产物。然而离子源和质谱进样口之间的距离是不能无限拉长的。随着距离不断的增加，离子在从离子源传输到质谱进样口的过程中会大量损失，造成信号强度降低。信号强度降低不仅会影响质谱图质量，还会造成一些产率较低的产物没有信号的结果。虽然在离子源和质谱进样口之间安装一个离子传输管可以部分解决这个问题，但是离子传输管一般都是不锈钢材质，而每次需要调整离子源和质谱进样口之间的距离时，就需要重新加工一个对应长度的管子。此外实验室空间的限制，意味着离子传输管的长度仍然非常有限。这个解决方案显然不能令人满意。相比于ESI离子源，Nano-ESI离子源由于没有鞘流气体辅助，当与质谱进样口的距离大于15cm时，几乎检测不到质谱信号。即使在质谱进样口和离子源之间安装离子传输管，也不能很好的解决这个问题。

除了以上问题，ESI和Nano-ESI等离子源在反应监测和反应加速过程中还面临着溶剂挥发速率慢导致的离子化效率低，反应物离子之间混合、接触效率低等问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于质谱反应加速和信号增强的涡流管及实现方法，用以解决现有质谱在反应监测和反应加速过程中存在的离子传输效率低、离子化效率低，以及反应物离子混合接触效率低、反应时间难以调节的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种用于增强质谱响应信号的涡流管，包括密封管和具有轴向离子通道的螺纹管，所述螺纹管具有外螺纹，且置于所述密封管内，外螺纹的凹槽作为气体通道；所述涡流管置于离子源和质谱进样口之间；所述密封管的侧壁上设有用于引入气体的气流入口。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述螺纹管置于靠近质谱进样口侧。

进一步，所述气流入口设置在靠近质谱进样口侧的密封管上。

进一步，所述螺纹管的一端与密封管上设有气流入口的一端齐平。

进一步，所述密封管的长度大于所述螺纹管的长度。

进一步，外螺纹的螺距为1.5-5mm。

进一步，密封管和螺纹管的长度之差为5-30mm。

进一步，所述离子通道的直径为1.0-6.0mm。

另一方面，本发明还提供了一种用于增强质谱信号的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将离子源置于涡流管的出口端，质谱进样口置于涡流管的入口端；

步骤(2)：向离子源内注入样品，并施加高压，离子源的尖端产生带电液滴；通过密封管侧壁上的气流入口向涡流管中通入惰性气体；

步骤(3)：步骤(2)中的带电液滴在涡流管内形成带电离子，带电离子通过螺纹管的离子通道进入质谱中被检测；

步骤(4)：调节惰性气体的流速来调整带电离子在涡流管内的反应时间，用于增强反应产物或反应中间体的质谱响应信号。

进一步，步骤(2)中的高压为1000-5000V。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明实施例通过采用密封管内置螺纹管的结构形式，并通过在螺纹管上设置外螺纹，使原本直线流动的气流在外螺纹的凹槽内呈现螺旋前进的状态。当气流流出螺纹管时，在密封管中形成涡流，并且在轴向上有一定的速度。由于加快了离子源附近的气流速度，因此离子源产生的小液滴中溶剂的挥发速率加快，从而提高了离子化效率，进而增强了样品离子在质谱中的信号。

(2)密封管中产生的涡流可以使得反应物离子之间的混合更加迅速，从而提高反应速率。

(3)密封管中产生的涡流可以使得反应物离子之间的混合更加均匀，从而提高液滴反应效率。

(4)本发明通过将密封管的长度设置为大于螺纹管的长度，可以在密封管内、未设置螺纹管处形成一定的空间，气流流出螺纹管在该空间内形成涡流，由于该空间的存在，使反应物离子之间的混合更加迅速和均匀，进一步提高反应速率和反应效率。

(5)通过选择合适的离子通道的直径、控制螺距以及密封管和螺纹管的长度差，使得设置该涡流管后质谱信号提高了约两个数量级。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例1提供的涡流管结构示意图；

图2为实施例2中提供的涡流管的使用方法之一；

图3为应用例1中备有涡流管的Nano-ESI-MS分析小分子油胺的总离子流色谱图；

图4为应用例1中备有涡流管的Nano-ESI-MS分析大分子肌红蛋白的总离子流色谱图；

图5为应用例2中备有涡流管的Nano-ESI-MS用于脑文格反应的产物的提取离子流色谱图；

图6为应用例2中备有涡流管的Nano-ESI-MS用于脑文格反应的产物归一化信号强度和气流速率之间的关系曲线。

附图标记：

1-密封管；2-螺纹管；3-离子通道；4-气流入口；5-离子源；6-质谱进样口；7-涡流气体；8-高压电源。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个实施例公开了一种用于离子源和质谱进样口之间的涡流管，如图1-2所示，包括密封管1和具有轴向离子通道3的螺纹管2，螺纹管2具有外螺纹，且置于密封管1内，并与密封管紧密滑动配合；外螺纹的凹槽作为气体通道，涡流管置于离子源5和质谱进样口6之间，涡流管的入口端靠近质谱进样口6，涡流管的出口端靠近离子源；密封管1的侧壁上设有用于引入气体的气流入口4。示例性地，气流入口4的直径为1-3mm。离子通道3供离子通过，之后进入质谱被检测。

与现有技术相比，本实施例提供的涡流管由于具有外螺纹的特殊结构，原本直线流动的气流在外螺纹的约束下，呈现螺旋前进的状态。当气流流出螺纹管时，在密封管中形成涡流，并且在轴向上有一定的速度。由于加快了离子源附近的气流速度，离子源产生的液滴溶剂被迅速挥发，从而提高了离子化效率，进而增强了样品离子在质谱中的信号。

考虑到离子源产生的反应物离子在涡流的作用下需要一定的空间才能充分混合，所以，本发明实施例将密封管的长度设置为大于螺纹管的长度。通过上述设计，可以在密封管内、未设置螺纹管处形成一定的空间，气流流出螺纹管在该空间内形成涡流，由于该空间的存在，使反应物离子之间的混合更加迅速和均匀，不仅提高反应速率，而且提高反应效率。

由于从离子源的尖端产生的带电液滴中溶剂的量较多，而涡流在接近出口端的密封管中产生，所以，离子源应该设置在靠近涡流管的出口端，使得含溶剂量大的液滴在涡流的作用下溶剂被迅速挥发，从而提高离子化效率。

由于螺纹管置于靠近质谱进样口侧，为了使气流快速受到外螺纹的约束，气流入口应该与螺纹管设置在同一侧，即靠近质谱进样口侧的密封管的侧壁上，而不是设置在靠近离子源一端的密封管的侧壁上。

需要说明的是，实际使用过程中，在监测反应中间体时，需要缩短反应时间，以尽可能多的监测到反应中间体；而在需要加速反应，监测反应产物的时候，则需要增加反应时间，以生成更多的产物。因此，需要该涡流管的反应时间可调。

一方面，可以通过调节气流大小来调整反应时间。当需要较长的反应时间，或期望获得更多的反应产物时，只需增加进入涡流管的气体流速，就可以减缓离子进入质谱的速度，从而增加反应时间。相应地，当需要缩短反应时间，以尽可能多的监测到反应中间体时，可以降低进入涡流管的气体流速，从而加快离子进入质谱的速度，进而监测到尽可能多的反应中间体。

考虑到如果密封管和螺纹管的长度之差太大或者太小均不能很好的形成涡流，所以，本实施例控制二者的长度之差为5-30mm。多次研究发现，长度之差小于5mm时，没有足够的空间供反应物离子混合，影响反应效率和反应产率。而长度之差大于30mm时，由于长度太长，形成的涡流在前进过程中消失，失去了设置该涡流管的意义。密封管和螺纹管的长度之差控制在5-30mm，有利于提高反应产物的质谱信号。

涡流的形成主要是由于外螺纹的存在，而螺距的大小对实验效果影响显著。当螺距小于1.5mm时，螺纹管的加工难度较大，成本增加显著。当螺距大于5mm时，流出螺纹管时气流速度过快，气体螺旋不明显，进入质谱的带电离子不稳定，影响检测信号的温度。螺距控制在1.5-5mm，对反应产物的质谱信号提高显著。

值得注意的是，离子通道的直径对质谱检测信号的提高也有重要影响。实验中发现，当离子通道的直径小于1.0mm时，离子在通道内的传输效率低，影响检测效率；而离子通道的直径太大时，会使一部分离子不能进入质谱进样口，影响检测结果的准确性。因此，本实施例将离子通道的直径控制在1.0-6.0mm，既能保证检测效率，又能保证检测结果准确。

本发明的另一个实施例公开了一种用于增强质谱信号的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：将离子源置于涡流管的出口端，其尖端与涡流管出口平齐，质谱进样口置于涡流管的入口端，质谱进样口与涡流管入口平齐；

步骤(2)：向离子源内注入样品，并施加1000-5000V的高压，离子源的尖端产生带电液滴；通过密封管侧壁上的气流入口向涡流管中通入氮气；

步骤(3)：步骤(2)中的带电液滴进入涡流管，在涡流气体的作用下，带电液滴的溶剂加速挥发，形成一系列更小的带电液滴，最终形成一个个带电离子，带电离子通过螺纹管的离子通道进入质谱中被检测，从而提高质谱响应信号；

步骤(4)：通过调节氮气的流速来调整带电离子在涡流管内的反应时间，根据需要增强反应产物或反应中间体的质谱信号。

实施例1

本实施例提供的涡流管包括密封管和螺纹管两部分组成。螺纹管总长度15.0mm，最大外径10.0mm，螺纹截面为2.0mm×1.5mm的矩形，螺距为3.5mm。螺纹管中心有一个直径4.0mm的离子通道。密封管长度为30.0mm，内径10.1mm，外径11.0mm，并在一端留有一个直径2.5mm的小孔，以便将气体引入到涡流管中。螺纹管套入密封管，两者紧密滑配，将螺纹管的一端和密封管上进气小孔所在的一端并齐。气体从小孔引入，并进入到螺纹凹槽内。在螺纹的导流作用下，气体螺旋式前进，15mm后在螺纹管的尽头脱离螺纹束缚，直接在密封管中形成涡流。

实施例2

本实施例提供了本发明涡流管的一种使用用法。如图2所示，Nano-ESI离子源置于涡流管的前侧，其尖端与涡流管出口平齐。涡流管置于离子源和质谱进样口之间。注入样品，并由高压电源8提供1000-5000V的高压，Nano-ESI的尖端就会产生许多带电的小液滴。这些小液滴在涡流气体7的作用下，溶剂迅速挥发，液滴体积减小。液滴内部的反应物不断在液滴表面聚集，当超过液滴的表面张力时，发生“库伦***”，液滴进一步变成更小的液滴。经过几轮这样的过程，最终在涡流管的形成一个一个的带电离子并最终进入到质谱中被检测。在小液滴和带电离子经过涡流管的过程中，涡流气体起到了如下作用：加速溶剂挥发，提高离子化效率从而提高质谱响应信号；涡流带动反应物液滴/反应物离子之间的充分混合；具有轴向速度的涡流气体可以使飞向质谱的离子减速，从而增加离子之间的反应时间，调整涡流气体的大小，进而可以调整离子的反应时间。

应用例1

本应用例验证了涡流管对于小分子和大分子物质均有增加离子化效率，提高信号强度的作用。图3为备有涡流管的Nano-ESI-MS分析小分子油胺的总离子流色谱图。其具体实验装置如图2所示。油胺分子式为C₁₈H₃₇N，分子量为267，是一个典型的小分子化合物。图中的总离子流色谱图呈现高低信号交替出现的分布，其中较高信号处涡流管中气体流速为1.5L·min^-1，而较低信号处的气流为0。相比于没有涡流气体的状态，增加涡流气体将信号提高了约两个数量级。

图4为备有涡流管的Nano-ESI-MS分析大分子肌红蛋白的总离子流色谱图。其具体实验装置如图2所示。肌红蛋白的分子量为16700，是一个典型的大分子。与小分子一样，图中的总离子流色谱图呈现高低信号交替出现的分布，其中较高信号处涡流管中气体流速为1.5L·min^-1,而较低信号处的气流为0。相比于没有涡流气体的状态，增加涡流气体将信号提高了约两个数量级。

应用例2

本实施例验证了涡流管对于液滴反应加速的有益效果。采用的模型反应如图5所示。为简化表述，两个反应物分别用A和B表示，产物用P表示。其具体实验装置如图2所示，将反应物A和反应物B在离心管中混合均匀后，注入Nano-ESI喷管中，施加高压后，A和B在喷射出来的液滴中进行反应，并生成产物P。图5下方为备有涡流管的Nano-ESI-MS用于该反应的产物[P+Na]⁺的提取离子流色谱图。该提取离子流色谱图呈现阶梯状分布，自左至右，每一个阶梯对应的涡流气体流速(单位为L·min^-1)分别为0、0.5、1.0、≥1.5、1.0、0.5和0。从图5中可以看出，反应产物P的相对强度随着涡流气体流速的增大而增大。该图还说明了本发明的装置的稳定性和重复性良好。

为了更清晰简洁地表达信号相对强度和气体流速之间的关系，以归一化了的(产物/反应物)信号强度为纵坐标，以涡流气体流速为横坐标作图，如图6所示。从图6中的关系曲线可以清晰地看到，随着气流的增大，(产物/反应)归一化的信号强度逐渐增强，并且在气流速度达到1.5L·min^-1之后，增强效果不再增加。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于增强质谱信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：将离子源置于涡流管的出口端，质谱进样口置于涡流管的入口端；

步骤(2)：向离子源内注入样品，并施加高压，离子源的尖端产生带电液滴；通过密封管侧壁上的气流入口向涡流管中通入惰性气体；

步骤(3)：步骤(2)中的带电液滴在涡流管内形成带电离子，带电离子通过螺纹管的离子通道进入质谱中被检测；

步骤(4)：调节惰性气体的流速来调整带电离子在涡流管内的反应时间，实现增强反应产物或反应中间体的质谱响应信号。

2.根据权利要求1所述的用于增强质谱信号的方法，其特征在于，步骤(2)中的高压为1000-5000V。

3.根据权利要求2所述的用于增强质谱信号的方法，其特征在于，所述方法使用的涡流管由密封管和具有轴向离子通道的螺纹管组成，所述螺纹管具有外螺纹，且置于所述密封管内，并与密封管紧密滑动配合，外螺纹的凹槽作为气体通道；所述涡流管置于离子源和质谱进样口之间；所述密封管的侧壁上设有用于引入气体的气流入口；

所述螺纹管的整个长度上均具有外螺纹；

密封管和螺纹管的长度之差为5-30mm；

所述离子通道的直径为4.0-6.0mm；

所述气流入口与外螺纹的凹槽直接连通；

所述螺纹管置于靠近质谱进样口侧；

所述气流入口设置在靠近质谱进样口侧的密封管上；

所述螺纹管的一端与密封管上设有气流入口的一端齐平；

所述密封管的长度大于所述螺纹管的长度；

外螺纹的螺距为1.5-5mm；

涡轮管的反应时间可调；

涡流管出口与离子源的尖端平齐，涡流管入口与质谱进样口平齐。

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