一种溶剂辅助热解析大气压电离源

技术领域

本发明涉及到器械领域，尤其涉及一种溶剂辅助热解析大气压电离源。

背景技术

质谱仪是一种利用荷质比分离检测物质的分析仪器，被广泛应用于食品安全、制药、生命科学等领域。质谱仪一般由电离源、质量分析器、检测器和真空系统组成，分析物质首先由电离源电离形成带电离子，然后离子被引导进入真空环境中的质量分析器，质量分析器负责将离子按照荷质比进行分离，并依次送入检测器中，检测器获得的信号经放大、采集和处理后，由计算机绘制成一张完整的质谱图。

大气压电离源是一类新型的电离源，其特点是离子化过程在大气压环境下产生，并且无需或仅需少量的样品前处理。传统的气相色谱—质谱仪和液相色谱—质谱仪由于需要经过复杂的样品制备以及气相色谱或液相色谱的分离，一次分析通常需要几个小时。而电离源的出现使得质谱仪可用于现场样品的快速分析，一次分析一般仅需几十秒。典型的电离源包括解析电喷雾电离源(Desorption Electrospray Ionization,DESI)、实时直接分析电离源(Direct Analysis in Real Time,DART)、热解析大气压电离源(ThermalDesorption Atmospheric Pressure Chemical Ionization,TD-APCI)等。

热解析大气压电离源是一种典型的电离源，是一种结合了热解析技术和大气压电离技术的质谱分析技术，目前已被广泛应用于农药残留、毒品、临床药物等领域的现场快速检测。传统的热解析大气压电离源100P的工作原理如图1所示，包括采样接口、热脱附器、电离器1P。探针蘸取样品后插入热解析器，经过热解析器加热后在玻璃衬管内气化形成气相分子，经过气流带动从热管中溢出的气相分子通过电晕针电晕放电离子化，使溶剂离子化，溶剂离子化后再与样品分子发生分子离子反应，使样品离子化，形成的样品离子进入质谱仪进行分析。热解析大气压电离源的优点使无需样品预处理，可对液体或固体样品直接进行现场质谱分析。电离单元1，检测单元2，离子化区域3，进样口5、加热腔体6、进气口7、隔垫14，隔垫螺帽15,玻璃衬管9

由于临床药物、毒品的检测含量通常都很低，且检测结果的准确度要求极高，因此检测灵敏度、重复性等指标对应用热解析大气压电离源的质谱仪至关重要。热解析大气压电离源的质谱仪的检测灵敏度、重复性除了受仪器本身的影响外，主要由电离源电离生成离子的浓度决定，周围环境、离子进样效率、样品残留浓度等因素也会同时影响检测结果。现有的热解析大气压电离源为敞开式电离源，受环境干扰严重，检测结果假阳性或假阴性率高；探针蘸取进样方式进样量过少，导致生成的气相分子不足以迅速从热管内溢出，气相分子无法快速集中电离；每次进样结束后均热管内易残留样品，影响下一次进样的结果，无法精准定量。综上所述，检测灵敏度低、严重的环境干扰、样品残留造成交叉污染是现有的热解析大气压电离源待解决的一大难题。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种溶剂辅助热解析大气压电离源，在封闭的一体式结构下，通过溶剂伴随进样针注入样品溶液至热解析器内部，施加导向气流，实现无干扰、快速集中电离、降低样品残留，从而大幅度提高热解析大气压电离源的检测灵敏度、重复性和检测准确性。

本发明的另一个优势在于提供一种在保留热解析大气压电离源无需样品前处理，可对液体或固体样品直接进行现场质谱分析的优点的情况下，通过封闭一体式加热腔体与电离腔体设计，溶剂全程辅助进样直至实验结束，导向气流带动样品分子快速集中电离，可大幅度降低热解析大气压电离源背景干扰、快速去除样品残留干扰，提高灵敏度与稳定性，实现更精准快速检测。

本发明的一个优势在于提供了一用于质谱仪的热解析大气压电离源、质谱仪及工作方法，其中所述电离源装置可以提供一个相对封闭的作业环境，以减少周围环境对于检测结果的影响。

本发明的另一优势在于提供一用于质谱仪的热解析大气压电离源、质谱仪及工作方法，其中所述电离源装置可以提供溶剂伴随进样，通过这样的方式，溶剂可以配合气流将样品更好地送入到电离区域，溶剂本身加入千分之一的酸，可以增强电离效果，离子化效率提高，无需在样品中加酸，简化预处理步骤，溶剂伴随进样，还可以去除背景杂质和样品残留，使得分析时间缩短，无需人工多次清洗，简化了整个实验过程。

本发明的另一优势在于提供一用于质谱仪的热解析大气压电离源、质谱仪及工作方法，其中所述电离源装置形成相对封闭的空间，并且设置有进气口和出气口，以在气流的带动下形成稳定的推力，以加速整个电离过程。

本发明的另一优势在于提供一用于质谱仪的热解析大气压电离源、质谱仪及工作方法，其中所述电离源装置具有一进样口、一进气口、一溶剂注入口，其中气流沿着所述进气口进入，溶剂沿着所述溶剂注入口进入，样品沿着所述进样口进入，进气口在所述溶剂注入口后面以协助溶剂进入。

本发明的另一优势在于提供一用于质谱仪的热解析大气压电离源、质谱仪及工作方法，其中所述电离源装置主要有两个工作区域，一个用于加热，另一个用于电离以供检测，加热区域的温度可调可控。

本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。

依本发明的一个方面，能够实现前述目的和其他目的和优势，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，适于电离一样品，其中所述用于质谱仪的热解析电离源装置具有一进气口、一出气口、一进样口、一溶剂注入口、一导流通道以及一电离腔，所述进入口、所述进样口以及所述溶剂注入口能够分别连通于所述导流通道，所述导流通道和所述出气口分别连通于所述电离腔，在该样品经过所述进样口被送入至所述导流通道后，经过所述溶剂注入口被送入的一溶剂在自所述进气口送入的气流的导流下协助该样品被送至所述电离腔电离以进行检测，检测后的该样品自所述出气口离开所述电离腔。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，所述电离腔是封闭环境，藉由可控的所述出气口连通外部。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，所述溶剂注入口和所述进气口分别在所述导流通道的侧部连通于所述导流通道，所述进样口和所述导流通道位于同一方向，该样品自所述进样口被送入后，在位于该样品后方的该溶剂和该气流的辅助下被送至所述电离腔。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，其包括一送气单元、一热解析单元、一电离单元、一离子化区域以及具有一进样口和一溶剂注入口，该样品和一溶剂分别经所述进样口和所述溶剂注入口在所述送气单元提供的一气流导向下被送至所述热解析单元以被加热气化，其中所述离子化区域形成于所述电离单元周围，经过所述热解析单元的该样品在该溶剂辅助下在所述离子化区域被电离。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，送气单元具有一进气口和一出气口，所述质谱仪的热解析电离源装置具有一封闭的工作空间，藉由所述进气口和所述出气口能够分别连通所述工作空间。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，其包括一热解析单元、一电离单元以及一控温单元，其中所述热解析单元用于加热该样品为气相，所述电离单元用于电离气相的该样品为离子态，其中所述热解析电离源装置具有一工作空间，所述工作空间能够封闭并且所述热解析单元形成封闭的所述工作空间的至少部分，所述控温单元被设置于所述热解析单元并且用于可控加热所述热解析单元形成的所述工作空间部分。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，其包括一热解析单元、一电离单元以及一回收单元，其中所述热解析单元用于加热该样品为气相，所述电离单元用于电离气相的该样品为离子态，其中所述热解析电离源装置具有一工作空间，所述工作空间能够封闭并且所述热解析单元形成封闭的所述工作空间的至少部分，所述回收单元被连通于所述工作空间以回收被电离后的该样品。

根据本发明的一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置，其包括一热解析单元、一电离单元以及具有一工作空间、一进气口和一出气口，所述进气口和所述出气口分别连通于所述工作空间并且在所述进气口、所述工作空间以及所述出气口能够形成一导向气流以导引经过所述热解析单元的该样品进入到所述电离单元被电离，其中所述热解析单元用于加热所述样品为气相。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一质谱仪，其中所述质谱仪包括：

一检测装置；和

上述的质谱仪的热解析电离源装置，其中所述检测装置用于检测经过所述质谱仪的热解析电离装置电离的该样品。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一用于质谱仪的热解析电离源装置的工作方法，其中所述工作方法包括如下步骤：

在一封闭环境中藉由形成于一出气口和一进气口之间的导引气流导引一样品经过加热后被电离。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是现有的一热解析大气压电离源的示意图。

图2是根据本发明的一较佳实施例的一用于质谱仪的热解析大气压电离源的示意图。

图3是根据一对照组得到的氯胺酮样品的质谱图。

图4是根据一对照组得到的氯胺酮样品的色谱图。

图5是根据一实验组得到的氯胺酮样品的质谱图。

图6是根据一实验组得到的氯胺酮样品的色谱图。

质谱仪1000、电离源装置100、电离单元1，检测单元2，离子化区域3，进样针(如进样探针、微量进样针或SPME等)4、进样口5、加热腔体6、进气口7、溶剂注入口8、玻璃衬管9，O型圈10，石英棉11，加热腔体螺帽12，流通管路13，隔垫14，隔垫螺帽15，陶瓷隔热垫16、金属电离腔17，出口18，加热单元19，测温单元20，密封圈21，气密性接头22，加热丝

23，热解析单元200，控温单元300，回收单元24

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图2所示，根据本发明的一较佳实施例的一质谱仪1000和一用于质谱仪的热解析大气压电离源100被分别示意，其中所述质谱仪1000包括所述用于质谱仪的热解析大气压电离源100和一检测单元200，其中所述用于质谱仪的热解析大气压电离源100用于电离一样品，所述检测单元200用于检测被电离后呈离子态的该样品。

所述用于质谱仪的热解析大气压电离源100包括一热解析单元200、一电离单元1以及一检测单元2，电离单元1和检测单元2正对设置，两者之间形成离子化区域33，待测样品经热解析单元200后形成样品气相分子进入离子化区域3，并在电离单元1作用下形成样品气相离子进入检测单元2检测。

热解析单元200包括进样针(如进样探针、微量进样针或SPME等)4、进样口5、加热腔体6，控温单元300，加热腔体6上端设置加热腔体螺帽12，螺帽内部设置进气口7、溶剂注入口8、流通管路13，溶剂注入口8与进气口7与流通管路13相通，分别上下交错设置在流通管路13左右两侧，加热腔体螺帽12上端设置橡胶隔垫凹槽，可安置橡胶隔垫14，橡胶隔垫14允许注射针多次进样，隔垫螺帽15带内螺纹且留有进样口5，拧紧隔垫螺帽15可确保实验过程密封。加热腔体6底部设有凹槽用于安装控温单元300，内部装有玻璃衬管9，玻璃衬管外套上O型圈10，通过拧紧腔体螺母挤压O型圈10来固定衬管9，防止滑落并密封腔体螺帽12与加热腔体6之间缝隙，衬管内安装石英棉11，石英棉11可过滤样品中的部分杂质。

进一步地，根据本发明的一实施例，提出了一种溶剂辅助热解析大气压电离源100，其在实施例一的基础上对控温单元的具体结构进行了限定。在实施例一中，控温单元300包括加热单元19，测温单元20，加热单元19和测温单元20设置在金属腔体底部外围，分别位于左右两侧，加热单元19与测温单元20可配合控制电路完成对加热腔体6梯度升温功能。

进一步地，根据本发明的一实施例，提出了一种溶剂辅助热解析电离源，其在上述实施例的基础上对电离源的电离区结构进行进一步改进。本实施例中，通过陶瓷隔热垫16连接热解析单元200与电离单元1，陶瓷隔热垫较好完成了隔热与密封工作，防止过多的热量向下传递，防止外界气体进入电离单元1。电离单元1中金属电离腔体17上部开有环形凹槽可放置密封圈21，至此可较好完成该电离源的一体化密封设计。

进一步地，根据本发明的一实施例，提出了一种剂辅助热解析电离源，其在上述实施例的基础上对电离源的其他结构进行了一些改进。本实施例中，在溶剂注入口8外接注射泵，用直径为1/16PEEK管连接，在进气口7外接送气单元，用直接为1/16金属管连接，在金属电离腔体17底部的出口18外接废液泵，用直径为1/8PTFE管连接，在各个连接处均使用相应材质与规格的气密性接头22确保密封，三者需同时工作全程伴随进样实验。溶剂注入可将待测物质洗脱后完整电离，提升电离效率，并且快速不间断清洗玻璃衬管内部，可较好去除内部环境干扰与实验样品残留，送气单元与废液泵可形成导向气流使样品气相分子快速集中推送至电离单元1。自动注入溶剂与导向气流配合后可高效精准完成检测。

本实施例中，溶剂采用乙腈、水、甲酸溶液混合配置，比列为4：1：0.1％。常规大气压电离源，为提高质子化性能，需在样品中加入一定量的甲酸。本实施例中溶剂含有千分之一甲酸，溶剂辅助进样，故可以省略样品前处理的步骤。溶剂注入流速实验时设置10μL/min，实验结束后可加大流速至50μL/min加速清洗玻璃衬管，溶剂注入的最大流速可达100mL/min。载气为过滤器过滤后的干燥空气或氮气等惰性气体，载气流速在实验时设置50mL/min，废液泵流速在实验室设置为50mL/min，实验结束后，两者均可设置200mL/min加大导向气流流速配合自动注入的溶剂迅速完成清洗工作，载气最大流速可达1L/min，废液泵最大抽气流速可达100L/min。

本发明一种溶剂辅助热解析大气压电离源100的工作原理如下：工作时通过控温单元将加热腔体升温至10-500℃范围内，先后开启送气单元、废液泵和注射泵，分别设置好上述实施例中的溶剂、载气实验流速与废液泵抽速。通过质谱仪设置给电晕针施加高压，质谱仪设置检测单元2开启运行，此时可观察到质谱图产生电离信号，底部噪声几乎仅为电噪声，至此可准备进样。取进样针(如进样探针、微量进样针或SPME等)抽取一定体积的样品，通过隔垫螺母小孔扎入隔垫进入进样口，样品与注入的溶剂在高温下瞬间气化，形成气相分子，注射针扎入深度需低于溶剂注入口高于玻璃衬管内部石英棉。在送气单元吹出的气流作用下，样品气相分子迅速经过玻璃衬管进入金属电离腔体，电离单元1的电晕针放电，首先电离溶剂，被电离的溶剂再与样品气相分子反应形成气相离子，待测气相例子再检测单元2内部高真空作用下迅速被吸入，可在质谱仪处观察到检测到的样品峰。检测单元2检测时间约10-30s，检测时间随样品浓度的增加而增加。当检测信号表现为质谱图中样品峰高度与未进样时背景电离信号一致即可结束实验停止运行检测单元2。至此，可直接进行下一次进样，如无需下一次进样，则增大注入溶剂流速与导向气流流速，迅速完成清洗。每次实验时间从抽取样品开始计算直至可以直接进行下一次进样最长不超过1min。

对本发明一种溶剂辅助热解析大气压电离源100与传统结构的大气压电离源100进行对比试验。实验方法如下：实验组中采用本发明的装置(图2)，对照组中采用传统的装置(图1)，配合宁波大学研发的便携式质谱仪作为检测单元2。测试样品均是浓度为200纳克/毫升的氯胺酮样品，实验组与对照组中加热腔体均升温至250℃，均重复5次进样取平均数据。

试验结果如下：如图3所示，为传统热解析大气压电离源100检测浓度为200纳克/毫升的氯胺酮5次进样的平均数据。根据图4色谱图选择氯胺酮最高的质谱峰(m/z＝238)的信号强度为210，其余产生多个背景干扰峰(m/z＝94、m/z＝161、m/z＝213、m/z＝370、m/z＝386)的信号强度分别为50、75、50、120，根据色谱图可以发现样品检测时间超过1min，且残留严重。图5为采用本发明的装置检测浓度为200纳克/毫升的氯胺酮5次进样的平均数据，根据图6色谱图选择氯胺酮最高的质谱峰(m/z＝238)的信号强度为1785，不存在背景干扰峰(在m/z＝166、m/z＝220处的峰为氯胺酮的碎片离子峰)，根据图6色谱图可以发现样品检测时间均小于10s，且色谱峰形较佳，不存在样品残留。通过对比两组试验数据，能够说明本发明装置提高电离源的灵敏度约10倍，抗干扰能力极佳，样品无残留，缩短检测时间为传统电离源的1/10。

与传统的热解析大气压电离源100P相比，本发明装置的优点在于：保留热解析大气压电离源100无需样品预处理，可对液体或固体样品直接进行现场质谱分析的优点的情况下，通过溶剂辅助进样、导向气流带动进样、封闭式一体化结构，可提高灵敏度、提高重复性，同时去除背景干扰、降低实验过程中系统的样品残留，而且结构简单，缩短检测时间无需人工重复清洗，易于操作和工业化推广。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种溶剂辅助热解析大气压电离源100，包括热解析单元200、电离单元1和检测单元2，所述的电离单元1和检测单元2正对设置，两者之间形成离子化区域3，待测样品经所述热解析单元200后形成样品气相分子在导向气流的帮助下快速集中进入所属区域离子化，并在所述的电离单元1作用下形成样品离子进入所属检测单元2进行检测。所述的热解析单元200包括进样针(如进样探针、微量进样针或SPME等)、进样口、加热腔体、进气口、溶剂注入口、控温单元，所述的金属腔体上开有两个凹槽可放置控温单元，内置玻璃衬管，衬管外套O型圈，衬管内置石英棉，玻璃衬管下端出口对准所述的离子化区域3，上端设置加热腔体螺帽，加热腔体螺帽内部设置有溶剂与气体流通管路，加热腔体螺帽上端可放置隔垫，并设置隔垫螺帽，隔垫螺帽开有小孔为进样口。所述的电离单元1包括式电离腔体、电晕针/ESI喷针/光电离/低温等离子体电离等其它电离源，所述电离腔体包括陶瓷隔热垫、电离室，金属电离腔设有密封机构，腔体底部留有出口，所述陶瓷隔热垫用于隔热并衔接上下两个单元。

在一些实施方式中，所述的控温单元包括加热单元和测温单元，所述的加热单元和所述的测温单元设置在所述的金属腔体的下半部，开设斜口凹槽。设置加热单元和测温单元能配合控制电路完成对进样金属腔体的梯度加热控温功能，结构简单合理，效果较佳。

在一些实施方式中，所述的密封机构包括橡胶隔垫、O型圈、密封圈、密封圈凹槽以及加热腔体螺帽与隔垫螺帽。所述加热金属腔体上部设置外螺纹，腔体螺帽设置内螺纹，所述内螺纹与外螺纹配合将所述O型圈压紧，固定玻璃衬管并密封该处缝隙。所述陶瓷隔垫设有通孔，金属电离腔体周围壁上端设置有内螺纹的孔，螺丝穿过陶瓷隔垫后配合内螺纹将所述腔体凹槽处密封圈压紧，密封该处缝隙。所述橡胶隔垫可密封腔体螺帽与加热腔体之间缝隙。

在一些实施方式中，所述的溶剂注入口外接注射泵，所述的进气口外接过滤器与送气单元，所述的出口外接废液泵。所述注射泵、送气单元、废液泵配合控制电路完成溶剂伴随进样自动清洗功能与施加导向气体实现快速集中电离。

在一些实施方式中，所述进气口进气管路为1/30—1/16金属管路，所述溶剂注入口溶剂注入管路为1/30-1/16PEEK管路，所述出口排气管路为1/30-1/8PTFE管路，上述所有外接管路长度为0.1-0.2米。所述加热腔体螺帽内部金属管路内径为1/32。由此具有较优效果。

在一些实施方式中，还包括气密性接头，所述进气口、溶剂注入口所接的管路采用相应的1/16金属接头与PEEK接头。

在一些实施方式中，溶剂注入，溶剂配方，可以是正离子的溶剂，也可以是负离子的溶剂；溶剂速度，0-100mL/min，所述热解析大气压电离源的封闭环境可以是正压、大气压或者是亚大气压。所述废液泵，主要除去封闭腔体中的气体、液体，泵的抽气速度，0-100L/min。所述气体注入口，惰性气体或者经过过滤器除杂后过滤的空气，流速0--1L/min；气流和溶剂流向同向，样品顺着气体和溶剂的方向注入，样品随着气体和溶剂的流向热解析后进入到电离室；热解析温度可以是室温到500℃。所述热解析大气压电离源的电离源包括不限于PTR、ESI、APCI、LTP、DBD、SPI、DESI、DART等大气压离子源。

在一些实施方式中，所述的进气装置控制气体流速在0-1L/min，所述的注射泵控制溶剂注入流速在0-1mL/min，所述的废液泵控制抽气流速在0-100L/min，其中载气为过滤后的干燥空气或惰性气体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在保留热解析大气压电离源无需样品前处理，可对液体或固体样品直接进行现场质谱分析的优点的情况下，通过一种封闭一体式加热腔体与电离腔体设计，一种含乙腈、纯净水与甲酸混合物为溶剂全程辅助进样直至实验结束的进样方式，导向气流带动样品分子快速集中电离，可大幅度降低热解析大气压电离源背景干扰、快速去除样品残留干扰，提高灵敏度与稳定性，实现更精准快速检测。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。