电喷雾质谱装置和电喷雾方法

技术领域

本发明涉及质谱相关应用技术领域，具体地，涉及电喷雾质谱装置和电喷雾方法。

背景技术

纳升电喷雾是一种用于质谱仪的离子化技术。与传统的电喷雾离子源相比，纳升电喷雾的流速更低，因此可以实现较高的样品经济性和检测灵敏度。在实际检测过程中，生物样本需经过前处理以提高检测灵敏度和准确性，但是过多的前处理步骤会增加样品消耗量，并降低检测速度，造成样品用量过多、检测耗时过长等问题。

因此，目前的电喷雾质谱装置和电喷雾方法仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识做出的：

发明人发现，在质谱检测过程中，实际的生物样本如人的体液，细胞等一般含有较高浓度的盐，相关技术中的电喷雾方法在检测样品时通常会面临毛细管出液端被盐结晶堵塞、待测物信号被盐簇抑制等问题，使得检测灵敏度和检测准确性均显著降低。虽然可以通过前处理步骤部分去除样品中的盐，但前处理步骤需耗费较长时间，而且还会造成检测样本的不必要浪费。对于珍贵待测样本，如临床样本等会造成极大的损失。

本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种电喷雾质谱装置，包括：电喷雾喷头和脉冲电源，所述电喷雾喷头包括毛细管和第一电极，所述毛细管包括注液端和出液端，所述第一电极内设于所述毛细管，且自所述毛细管的注液端伸出并与所述脉冲电源电连接，其中，所述脉冲电源为正负脉冲电源。由此，可以实现电喷雾离子源的快速在线除盐。

根据本发明的实施例，所述脉冲电源的正向电压零峰值为1000～6000V，所述脉冲电源的正向电压的频率为1～100kHz。由此，可以通过脉冲电源减少检测溶液用量。

根据本发明的实施例，所述脉冲电源的负向电压的零峰值为0～1000V，所述脉冲电源的负向电压的频率为1～100kHz。由此，可以实现电喷雾离子源的快速在线除盐。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种用于前述电喷雾质谱装置的电喷雾方法，包括：将待测溶液自毛细管的注液端注入所述毛细管；采用脉冲电源对第一电极进行第一供电处理和第二供电处理，其中，所述第一供电处理包括采用所述脉冲电源向所述第一电极施加正向电压；所述第二供电处理包括采用所述脉冲电压向所述第一电极施加负向电压。由此，可以省去样品前处理步骤，减少样品消耗量，加快检测速度，检测耗时较短。

根据本发明的实施例，所述待测溶液包括无机杂质和待测物，所述无机杂质包括无机盐。由此，可以省去样品前处理步骤，缩短检测流程。

根据本发明的实施例，所述待测溶液中所述无机杂质的浓度不大于100mmol/L。由此，可以有效解决电喷雾毛细管出液端被盐结晶堵塞，待测物信号被盐簇抑制等问题。

根据本发明的实施例，所述待测溶液中所述待测物浓度不小于1pg/mL。由此，可以实现较低浓度的待测物检出。

根据本发明的实施例，所述无机盐包括磷酸盐、氯化钠、氯化钾和碳酸钙中的至少之一；所述待测物包括氨基酸、糖、有机酸、脂肪酸、羰基化合物和氨基化合物中的至少之一。由此，可以满足多种不同的检测需求。

根据本发明的实施例，所述待测溶液的流速为1～500nL/min。由此，可以有效减少样品用量。

根据本发明的实施例，进一步包括：重复进行所述第一供电处理和所述第二供电处理。由此，可以持续实现电喷雾离子源的快速在线除盐。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的电喷雾过程中脉冲电源的高压波形图；

图2显示了根据本发明一个实施例的电喷雾过程中起始阶段(a)和运行阶段(b)的毛细管出液端局部放大图；

图3显示了对比例1中的电喷雾过程中起始阶段(a)和运行阶段(b)的毛细管出液端局部放大图；

图4显示了根据本发明一个实施例的电喷雾质谱装置的原理图；

图5显示了根据本发明一个实施例的电喷雾过程中起始阶段(a)和运行阶段(b)的质谱分析图；

图6显示了对比例1中的电喷雾过程中起始阶段(a)和运行阶段(b)的质谱分析图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种电喷雾质谱装置，包括：电喷雾喷头和脉冲电源，电喷雾喷头包括毛细管和第一电极，毛细管包括注液端和出液端，第一电极内设于毛细管，且自毛细管的注液端伸出并与脉冲电源电连接，其中，脉冲电源为正负脉冲电源。通过采用正负脉冲电源对于质谱离子源进行供电，可以使得电喷雾离子源在检测过程中实现无机杂质的实时去除，有效解决质谱检测过程中电喷雾离子源毛细管出液端容易被堵塞、样品信号常被盐簇信号抑制等问题。

为了便于理解，下面对于本申请中的电喷雾质谱装置具有上述有益效果的原理进行说明：

发明人发现，当采用直流电源为离子源供电时，参见图3，当离子源工作一段时间后，毛细管出液端会产生盐结晶，从而堵塞毛细管的出液端，且高浓度盐的出现会导致待测物离子的信号被盐簇抑制，无法被有效检出。为了减少电喷雾离子源毛细管出液端容易被堵塞、样品信号常被盐簇信号抑制等问题的发生，在本申请中，发明人通过采用脉冲高压电源为纳升电喷雾离子源供电，从而可以实现电喷雾离子源在检测过程中实时去除无机杂质。具体地，参见图4：当电喷雾离子源处于刚启动或者停止阶段时，毛细管出液端表现为平面；当电喷雾离子源开始进行电喷雾后，待测溶液会在毛细管的出液端处形成泰勒锥结构。

当采用脉冲电源供电时，脉冲电压会在毛细管的泰勒锥附近形成一定强度的与液流方向相反的麦克斯韦-瓦格纳应力(Maxwell-Wagner electric stress，见图4中M标记)，与此同时，待测溶液液流仍在持续流向泰勒锥。参见图1，当脉冲电源向第一电极施加正向电压时，电场力方向与液流方向相同，麦克斯韦-瓦格纳应力与液流方向相反，此时电场力方向(见图中E标记)与麦克斯韦-瓦格纳应力方向相反，且电场力大于麦克斯韦-瓦格纳应力，故待测溶液仍保持向泰勒锥流动；当脉冲电源向第一电极施加负向电压时，电场力方向与液流方向相反，麦克斯韦-瓦格纳应力与液流方向相反，此时电场力方向与麦克斯韦-瓦格纳应力方向相同，此时，电场力与与麦克斯韦-瓦格纳应力的合力会导致待测溶液形成的泰勒锥在出液端被压扁，随着依次交替施加的正向电压和负向电压，使得泰勒锥被压扁的程度越来越大，此时原本接近半圆形的待测溶液形成的泰勒锥会在电场力和麦克斯韦-瓦格纳应力的双重作用下被逐渐压扁直至发生垮塌，通过多次正向电压、负向电压的交替施加即可以使得待测溶液形成的泰勒锥发生周期性垮塌，从而使得待测溶液润湿毛细管出液端附近的外壁。进一步地，参考图2，上述润湿作用会即时溶解毛细管出液端附近产生的盐结晶，从而保持毛细管出液畅通，减少毛细管出液端的盐结晶堵塞。此外，由于毛细管出液端处(泰勒锥)附近盐结晶经润湿作用后被溶解，有效减少了局部高浓度盐的出现，从而减少待测物离子被盐簇抑制的现象的发生。

根据本发明的一些实施例，毛细管与脉冲电源电连接的方式不受特别限制，例如，内设于毛细管内部的第一电极的一端可以延伸至毛细管的出液端，第一电极的另一端可以从毛细管的注液端伸出并与脉冲电源电连接，具体地，第一电极可以通过电极鳄鱼夹与高压电源电连接。

根据本发明的一些实施例，当脉冲电源向毛细管提供正向电压时，正向电压的零峰值和频率均不受特别限制，例如，脉冲电源的正向电压零峰值范围可以为1000～6000V，脉冲电源的正向电压的频率范围可以为1～100kHz。

根据本发明的一些实施例，当脉冲电源向毛细管提供负向电压时，负向电压的零峰值和频率均不受特别限制，例如，脉冲电源的负向电压的零峰值范围可以为0～1000V，脉冲电源的负向电压的频率范围可以为1～100kHz。优选地，在同一次检测过程中，脉冲电源所提供的正向电压和负向电压可以具有相同的频率值，从而便于较为简便的实现正向、负向电压的切换。

需要特别说明的时，脉冲电源的零峰值是指同向电压中电压峰值与电压零值之间的差值，例如，当脉冲电压提供正向电压时，零峰值指电压最大值减去电压最小值，即电压最大值减去零值；当脉冲电压提供负向电压时，零峰值指电压最大值减去电压最小值，即零值减去电压最小值。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种用于前述电喷雾质谱装置的电喷雾方法，包括：将待测溶液自毛细管的注液端注入毛细管；采用脉冲电源对第一电极进行第一供电处理和第二供电处理，其中，第一供电处理包括采用脉冲电源向第一电极施加正向电压；第二供电处理包括采用脉冲电压向第一电极施加负向电压。由前述可知，当进行第一供电处理时，电场力方向与麦克斯韦-瓦格纳应力方向相反，且电场力大于麦克斯韦-瓦格纳应力，此时待测溶液向泰勒锥流动，提供待测溶液以形成待测离子，且此时待测溶液中的无机杂质会在毛细管的出液端处发生沉积结晶；当进行第二供电处理时，电场力方向与麦克斯韦-瓦格纳应力方向相同，且均与液流方向相反，此时待测溶液形成的泰勒锥会在电场力和麦克斯韦-瓦格纳应力的双重作用下发生压扁，随着第一供电处理和第二供电处理的交替进行，泰勒锥被逐渐压扁直至发生周期性垮塌，从而润湿毛细管出液端附近的外壁，即时溶解毛细管出液端附近产生的盐结晶，保持毛细管出液畅通，减少毛细管出液端的盐结晶堵塞。

需要特别说明的是，毛细管出液端待测溶液所形成的泰勒锥的周期性垮塌的周期可以与第二供电处理的周期相同，也可以与第二供电处理的周期不相同。例如，可以每进行一次第二供电处理即使得待测溶液所形成的泰勒锥发生垮塌；也可以通过多次交替进行的第一供电处理和第二供电处理，使得待测溶液所形成的泰勒锥经过每次第二供电处理后都发生进一步的压扁，直至发生垮塌，具体地，当第二供电处理的供电频率是20kHz时，待测溶液所形成的泰勒锥的周期性垮塌的频率可以为3Hz。

根据本发明的一些实施例，第一供电处理的处理周期不受特别限制，只要在一个周期内可以实现一次正向脉冲放电即可，例如，第一供电处理的处理周期可以为10μs-1s。进一步地，第一供电处理时的脉宽不受特别限制，例如，第一供电处理的脉宽可以为10μs。

根据本发明的一些实施例，第二供电处理的处理周期不受特别限制，只要在一个周期内可以实现一次负向脉冲放电即可，例如，第二供电处理的处理周期可以为10μs-1s。进一步地，第二供电处理时的脉宽不受特别限制，例如，第二供电处理的脉宽可以小于第一供电处理的脉宽，进一步地，第二供电处理的脉宽可以为5μs。

根据本发明的一些实施例，本申请中的电喷雾方法可以在检测过程中有效去除待测溶液中的无机杂质的干扰，故在质谱分析之前无需进行前处理步骤，极大地的缩短了检测步骤，减少了待测溶液的额外损耗，因此本申请中的电喷雾质谱装置可以用于检测含有无机杂质的待测溶液，例如，待测溶液包括无机杂质和待测物时，其中，无机杂质可以包括无机盐。同样地，本申请中的电喷雾方法也适用于不含有无机杂质的待测溶液，其同样具有较低的检出限和较少的待测溶液用量。

根据本发明的一些实施例，本申请中的电喷雾方法可以在检测过程中有效去除待测溶液中的无机杂质，故本申请中的电喷雾方法适用于含有较高浓度的无机杂质的待测溶液，例如，待测溶液中无机杂质的浓度不大于100mmol/L。

根据本发明的一些实施例，本申请中的电喷雾方法可以在检测过程中有效去除待测溶液中的无机杂质，在检测过程中可以有效减少局部高浓度盐的出现，从而减少待测物离子被盐簇抑制导致的所导致的检出量过少，故本申请中的电喷雾方法适用于含有较低浓度的待测物的待测溶液，例如，待测溶液中待测物浓度可不小于1pg/mL，即待测物的最低检测浓度可以为1pg/mL。根据本发明的另一些实施例，以乳糖测试为例，乳糖测试的检出限优于1pg/mL。

根据本发明的一些实施例，本申请中的电喷雾方法适用于各种无机杂质在检测过程中的去除，例如，当无机杂质包括无机盐时，无机盐可以包括磷酸盐、氯化钠、氯化钾和碳酸钙中的至少之一。

根据本发明的一些实施例，本申请中的电喷雾方法适用于除无机杂质外的多种待测物的检测，例如，待测物可以包括氨基酸、糖、有机酸、脂肪酸、羰基化合物和氨基化合物中的至少之一。

根据本发明的一些实施例，采用脉冲电源对于离子源进行供电时，待测溶液也呈脉冲式流出，从而可以有效减少待测溶液的浪费，具体地，待测溶液的流速范围可以为1～500nL/min。当待测溶液的流速位于上述范围内时，首先，电喷雾产生的雾滴拥有更小的体积，可以实现更充分的去溶剂化，从而获得更高的离子化效率，有利于质谱检测；其次，较低的流速使得进入到质谱中的溶剂大幅减少，降低了质谱的背景信号，提高了信噪比；最后，较低的流速还可以降低样品消耗量，从而采用极少量的待测溶液即可获得准确、高效的检测结果。

根据本发明的一些实施例，为了在检测过程中持续去除毛细管出液端处沉积的盐结构，电喷雾方法可以进一步包括：重复进行第一供电处理和第二供电处理。由此可以在检测过程中持续实现电喷雾离子源出液端的实时除盐。

需要特别说明的是，在本申请中，第一供电处理和第二供电处理的重复次数和先后顺序均不受特别限制，例如，可以依次交替进行第一供电处理和第二供电处理；还可以进行一次第一供电处理后进行多次第二供电处理，随后再进行一次或多次第一供电处理；还可以进行多次第一供电处理后再进行一次第二供电处理，随后再进行一次或多次第一供电处理；还可以进行多次第一供电处理后再进行多次第二供电处理，随后再进行一次或多次第一供电处理。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

本发明所提出的电喷雾质谱装置和电喷雾方法具有以下优点中的至少一个：

1.本发明所提出的电喷雾质谱装置和电喷雾方法可以在检测过程中即时溶液沉积在毛细管出液端处的无机杂质，故可以直接用于含有高浓度盐的样品的检测，可以将含有高浓度盐的样品直接加载到纳升电喷雾的离子源当中，而无需进行额外的前处理步骤，有效解决了相关技术中离线除盐所导致的检测速度慢，检测步骤繁琐等问题。

2.本发明无需设计额外的除盐装置，仅需将相关技术中的直流高压电源更换为脉冲高压电源，并令脉冲高压电源间隔提供正向、负向脉冲即可，具备较高的普适性。

3.本发明中的电喷雾质谱装置和电喷雾方法有效减少了毛细管堵塞和局部高浓度盐对检测所带来的不利影响，且相较于相关技术中的检测方法而言，由于采用了脉冲式高压，使得待测溶液的液流速度被大大降低，进而有效降低了待测样品的消耗量，尤其适用于获取途径较少或获取难度较大的待测溶液。

下面通过具体的实施例对本申请的方案进行说明，需要说明的是，下面的实施例仅用于说明本申请，而不应视为限定本申请的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：

待测溶液为0.01mol/L的磷酸盐缓冲溶液，第一供电处理的零峰值为3200V，第一供电处理的频率为20kHz，第一供电处理的时间为50μs，第一供电处理的脉宽为10μs；第二供电处理的零峰值为800V，第二供电处理的频率为20kHz，第二供电处理的时间为50μs，第二供电处理的脉宽为5μs。在检测过程依次交替进行第一供电处理和第二供电处理。

实施例2：

实施例2与实施例1保持一致，所不同的是，待测溶液为含有5mmol/L磷酸盐缓冲溶液的精氨酸溶液，其中精氨酸的浓度为0.8mg/L。

对比例1：

对比例1与实施例1保持一致，所不同的是，采用直流高压电源对于离子源供电，供电电压值为3200V。

对比例2：

对比例2与实施例2保持一致，所不同的是，采用直流高压电源对于离子源供电，供电电压值为3200V。

测试结果表明：参考图3可知，对比例1中采用3200V直流供电进行电喷雾时，在喷雾40秒后在毛细管出口观察到明显的盐结晶现象，造成了出口的堵塞。参考图2可知，实施例1中采用脉冲电源供电进行电喷雾时，可以观察到明显的外壁润湿现象，该润湿现象可以溶解盐结晶，保持毛细管出口畅通，形成自清洁效果。

参考图6可知，对比例2中采直流3200V电压为纳升电喷雾供电时，起始阶段检测信号尚可(t＝0)，但仅仅20秒后精氨酸信号就被盐簇抑制，表明此时毛细管出口已经存在盐结晶并导致了局部高浓度的盐，因此待测物的信号被抑制。参考图5可知，实施例2中采用脉冲电源供电进行电喷雾时，从检测起始阶段(t＝0)直到5分钟后，待测物的信号都较强，没有发生毛细管堵塞或信号抑制的现象。

除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。术语“包含”或“包括”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。在本发明中，无论是否使用“大约”或“约”等字眼，所有在此公开了的数字均为近似值。每一个数字的数值有可能会出现10％以下的差异或者本领域人员认为的合理的差异，如1％、2％、3％、4％或5％的差异。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。