CN109473336B - 高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置及适用于该离子源装置的探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测分析技术领域，具体涉及一种高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置及适用于该离子源装置的探针，包括：液相毛细管、探针固定底座、氮气聚集气系统、气体加热装置、三维微调控制台和探针。本发明的离子源装置能够提高检测样品的离子化效率和离子传输效率，从而扩大探针电喷雾质谱检测范围。本发明提供的适用于上述高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置的新型氧化石墨烯功能化探针，可提高探针的富集能力及富集种类，进而扩大探针电喷雾质谱检测范围。

Description

高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置及适用于该离子源装 置的探针

技术领域

本发明涉及检测分析技术领域，具体涉及一种高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置及适用于该离子源装置的探针。

背景技术

Hiaroka提出了“探针电喷雾电离(PESI)”，将吸附了样品溶液的导电探针尖端施加一定的电压，即可实现样品分子的离子化。可以使用多种固体基质制备得到探针，包括纸、牙签、表面改性的玻璃棒以及铜、钨、不锈钢等等。

付等通过使用HCl腐蚀铜(Cu)线得到的多孔金属探针结合MALDI-TOF对洋葱细胞内外表皮细胞进行了分析，基于此方法成功的在单细胞水平上对洋葱细胞内的代谢物进行了鉴定分析。Gong等多种代谢物。Yu等使用功能化探针结合ESI-MS技术对不同植物细胞中的代谢物组成差异进行了分析。通过酸腐蚀对探针表面进行修饰，使之更易被液体浸润，并添加了辅助溶剂改善解吸附能力。

与传统的单细胞质谱分析方法相比，基于PESI的单细胞分析技术具有如下潜在优势：(1)直接活细胞取样；(2)富集待测分子，有利于检测灵敏度的提高；(3)小型化的探针可以实现亚细胞结构的检测；(4)取样时，对细胞原生质体的干扰较小；(5)装置相对简单，并且探针可重复使用。由此可见，基于PESI的单细胞质谱分析技术有可能给细胞生物学的研究带来更多的机遇。

现有的PESI/MS(探针电喷雾电离质谱)检测技术主要应用于单细胞分析，在吸附了样品溶液的导电探针尖端施加一定的电压，实现样品分子的离子化。但是，样品电离过程中，除添加辅助溶剂帮助样品解吸附外，并没有其他辅助手段辅助样品解吸附及聚焦传输至质谱检测器，使得离子化效率和离子传输效率较低，以及现有的功能化探针富集能力有限(多为果糖类和部分脂类)，限制了其检测范围。

综上所述，如何提高离子化效率和离子传输效率，提高探针富集能力，扩大探针电喷雾质谱检测范围，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种新型的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置及适用于该离子源装置的探针，本发明的离子源装置能够提高检测样品的离子化效率和离子传输效率，从而扩大探针电喷雾质谱检测范围。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，包括：

三维微调控制台，用于固定探针固定底座、氮气聚集气系统和气体加热装置；

液相毛细管，具有供辅助溶剂进入的液相进口，能够将所述液相毛细管的液相出口的辅助溶剂转化为喷雾输送到离子源装置与质谱检测器的离子采样口之间；

所述探针固定底座用于固定探针，并连接高压电，可以通过施加高压电实现探针针尖样品离子化；

所述氮气聚集气系统，用于聚焦离子束，提高离子传输效率；

所述氮气聚集气系统包括氮气输送管路和将氮气聚集气输送到质谱检测器的圆环形气体喷口；

所述气体加热装置，可将氮气聚集气系统加热以提高解吸附和离子化效率。

在上述技术方案中，所述液相毛细管的液相出口端自远离电离区的一端向靠近电离区的一端渐缩，且所述液相毛细管出口的喷出口直径为0.8mm-1.2mm。

在上述技术方案中，所述氮气聚集气系统的圆环形气体喷口位于气体加热装置前端，圆环形气体喷口内侧具有气体出口，可将离子化样品传输至质谱检测器。

在上述技术方案中，所述氮气聚集气系统的氮气输送管路环绕于所述气体加热装置外侧，有助于气体被均匀加热。

在上述技术方案中，所述探针固定底座外端包裹绝缘的聚四氟乙烯，保证实验的安全性。

在上述技术方案中，所述三维微调控制台上设有滑道，探针固定底座、氮气聚集气系统和气体加热装置上设有适合于上述滑道的滑轮，通过滑轮将探针固定底座、氮气聚集气系统和气体加热装置固定于所述三维微调控制台上。

在上述技术方案中，所述三维微调控制台上设置有第一千分尺、第二千分尺以及第三千分尺，所述第一千分尺的测微螺杆沿X向设置，所述第二千分尺的测微螺杆沿Y向设置，所述第三千分尺的测微螺杆沿Z向设置，所述第一千分尺的框架固定在所述第二千分尺的测微螺杆上，所述第三千分尺的框架固定在所述第二千分尺的测微螺杆上，所述气体加热装置、探针固定底座和氮气聚集气系统的圆环形气体喷口固定设置在所述第三千分尺的测微螺杆上；其中，X向、Y向、Z向两两垂直。

在上述技术方案中，所述高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置还包括：控制所述气体加热装置的工作电压以及温度的控制箱；调节所述氮气聚集气系统压力的隔膜阀，所述隔膜阀设置在所述氮气聚集气系统的氮气输送管路上。

在上述技术方案中，所述探针为还原型氧化石墨烯功能化探针。

本发明还提供一种适用于上述高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置的探针，其为还原型氧化石墨烯功能化探针。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置包括液相毛细管、探针固定底座、氮气聚集气系统、气体加热装置；其中，液相毛细管具有供液态样品进入的液相进口，并将液相出口的溶剂转化为喷雾输送到离子源与质谱检测器的离子采样口之间；

探针固定底座，所述探针固定底座可以通过施加高压电实现针尖样品离子化；氮气聚集气系统包括氮气输送管路和将氮气聚集气输送到质谱检测器的圆环形气体喷口，可聚焦离子束提高离子传输效率；气体加热装置可将氮气聚集气系统加热以提高解吸附和离子化效率。

应用时，首先将气体加热装置预热至实验温度后，将已富集样品的探针固定到探针固定底座上，使用三维微调控制台上的三个千分尺调整好探针、液相毛细管、气体加热装置、氮气聚集气系统的圆环形喷口位置；随后在探针上施加高压电，与此同时将辅助溶剂从液相进口导入液相毛细管，在液相出口将辅助溶剂转化为喷雾输送到离子源与质谱检测器的离子采样口之间，辅助探针上样品更好地解吸附；将氮气聚集气系统打开(一般在5kPa到30kPa)，经气体加热装置充分加热的氮气聚集气可以辅助样品解吸附，提高离子化效率，并将离子化样品传输至质谱检测器，提高离子传输效率。

本发明的有益效果是：

本发明提供的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置包含有用于聚焦离子束，提高离子传输效率的氮气聚集气系统，该氮气聚集气系统包括氮气输送管路和将氮气聚集气输送到质谱检测器的圆环形气体喷口，及可将氮气聚集气系统加热以提高解吸附和离子化效率的气体加热装置。本发明的离子源装置能够提高检测样品的离子化效率和离子传输效率，从而扩大探针电喷雾质谱检测范围。

本发明提供的适用于上述高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置的新型还原型氧化石墨烯功能化探针，可提高探针的富集能力及富集种类，进而扩大探针电喷雾质谱检测范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置局部结构示意图。

图中的附图标记表示为：

1-液相毛细管，2-探针固定底座，3-氮气聚集气系统，4-气体加热装置，5-三维微调控制台，6-探针。

具体实施方式

本发明提供了一种新型高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，能够提高检测样品的离子化效率和离子传输效率，从而扩大探针电喷雾质谱检测范围。本发明还提供了一种适用于上述离子源装置的新型还原型氧化石墨烯功能化探针，提高探针的富集能力及富集种类，进而扩大探针电喷雾质谱检测范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1说明本发明提供的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，包括：液相毛细管1、探针固定底座2、氮气聚集气系统3、气体加热装置4、三维微调控制台5和探针6；所述三维微调控制台5用于固定探针固定底座2、氮气聚集气系统3和气体加热装置4；所述液相毛细管1具有供辅助溶剂进入的液相进口，能够将所述液相毛细管1的液相出口的辅助溶剂转化为喷雾输送到离子源装置与质谱检测器的离子采样口之间，其位置靠近电离区的一侧；所述探针固定底座2用于固定探针6，并连接高压电，可以通过施加高压电实现探针6针尖样品离子化；所述氮气聚集气系统3可以聚焦离子束，提高离子传输效率；所述氮气聚集气系统3包括氮气输送管路和将氮气聚集气输送到质谱检测器的圆环形气体喷口；所述气体加热装置4，其位于圆环形气体喷口后方远离电离区一侧，可将氮气聚集气系统3加热以提高解吸附和离子化效率。所述氮气聚集气系统3的圆环形气体喷口位于气体加热装置4前端，并在探针6外侧，圆环形气体喷口内侧具有气体出口，可将离子化样品传输至质谱检测器。所述氮气聚集气系统3的氮气输送管路环绕于所述气体加热装置4外侧，有助于气体被均匀加热。所述探针6位于气体加热装置4前方，圆环形气体喷口的内侧。

应用时，首先将气体加热装置4预热至实验温度后，将已富集样品的探针6固定到探针固定底座2上，使用三维微调控制台5上的三个千分尺调整好探针6、液相毛细管1、气体加热装置4、氮气聚集气系统3的圆环形气体喷口位置；随后在探针6上施加高压电，与此同时将辅助溶剂从液相毛细管1的液相进口导入液相毛细管1，在液相出口将辅助溶剂转化为喷雾输送到离子源与质谱检测器的离子采样口之间，辅助探针6上样品更好地解吸附；将氮气聚集气打开(一般在5kPa到30kPa)，经气体加热装置4充分加热的氮气聚集气可以辅助样品解吸附，提高离子化效率，并将离子化样品传输至质谱检测器，提高离子传输效率。

综上可知，本发明的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置能够提高检测样品的离子化效率和离子传输效率，从而扩大探针电喷雾质谱检测范围。

具体的实施例中，本发明的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，在富集好样品的探针表面施加0-±5kv的高压电实验样品电离，通过高温的氮气聚集气将离子化样品传输至质谱检测器分析，适用于细胞、动物、植物样本的原位无损取样检测。

为了达到较好的喷雾效果，上述实施例提供的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置中，所述液相毛细管1的液相出口端自远离电离区的一端向靠近电离区的一端渐缩，且所述液相毛细管1出口的喷出口直径为0.8mm-1.2mm，优选为1mm；这样一来，液相毛细管1的液相出口具有较小的喷出口。可以理解的是，上述液相毛细管1也可以为直筒形，只要能够实现辅助液体达到喷雾状态的形状均可。

为了便于安装，高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置的三维微调控制台5上装有滑道，探针固定底座2、气体加热装置4、氮气聚集气系统3下部装有适合于上述滑道的滑轮，通过滑道和滑轮将探针固定底座2、气体加热装置4和氮气聚集气系统3固定在三维微调控制台5上；先固定氮气聚集气系统3和气体加热装置4，然后固定探针固定底座2，可调整氮气聚集气系统3的圆环形气体喷口和探针6位置，达到最后的电离效果。

为了进一步优化上述技术方案，所述三维微调控制台5上设置有第一千分尺、第二千分尺以及第三千分尺，所述第一千分尺的测微螺杆沿X向设置，所述第二千分尺的测微螺杆沿Y向设置，所述第三千分尺的测微螺杆沿Z向设置，所述第一千分尺的框架固定在所述第二千分尺的测微螺杆上，所述第三千分尺的框架固定在所述第二千分尺的测微螺杆上，所述气体加热装置4、探针固定底座2和氮气聚集气系统3的圆环形气体喷口固定设置在所述第三千分尺的测微螺杆上；其中，X向、Y向、Z向两两垂直。本发明通过三维微调控制台5上设置的三个千分尺使得上述部件能够三维可调，从而在分析不同探针和氮气聚集气的三维位置，获得稳定的检测信号。

当然，本发明还可以通过其它装置实现上述部件相对于三维微调控制台5能够三维可调，如均由直线滑轨、滚珠丝杠以及伺服电机构成的X向、Y向、Z向的运动机构。

优选的，高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置还包括控制加热装置4的工作电压以及温度的控制箱；调节氮气聚集气系统3的氮气输送管路输送到质谱检测器的气压隔膜阀，隔膜阀设置在氮气聚集气系统3的氮气输送管路上。具体工作过程中，加热装置4工作电压为24V，由控制箱的温控表控制温度。氮气聚集气的压力可以根据需要通过隔膜阀调节。本装置分析不同成分时还可以通过控制氮气聚集气的加热温度和流速等参数获得稳定的检测信号。

进一步的，液相毛细管1的内径为75μm-150μm。液相毛细管1为金属毛细管或者表层具有聚酰亚胺涂层的石英毛细管，从而使液相毛细管1可弯折，便于调整其位置，同时降低工作过程中因弯折发生的损坏。上述聚酰亚胺，具有较好的耐高低温性，电气绝缘性，粘结性，耐辐射性，耐介质性，化学稳定性和阻燃性，提高了液相毛细管1的使用寿命。

优选所述探针固定底座2外端包裹绝缘的聚四氟乙烯，保证实验的安全性。

优选所述探针6为还原型氧化石墨烯功能化探针。

本发明还提供一种适用于上述高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置的探针，其为还原型氧化石墨烯功能化探针。

所述还原型氧化石墨烯功能化探针的制备过程如下：

(1)铜探针制备

使用直径2mm的金线圈，作为阴极，放置在含有30％(wt/wt)的KOH溶液中的表面，5cm长1mm粗的铜丝作为阳极，放置在阴极线圈的中心位置，浸入刻蚀液1mm左右。两者之间加直流电压，电压设置为5.0V，停止电流为2.2mA。整个刻蚀过程持续5分钟左右。

(2)功能化还原型氧化石墨烯探针制备

固定铂丝对电极，Ag/AgCl(饱和KCl)为参比电极，以刻蚀后的铜针为工作电极，在GO溶液中进行循环伏安曲线(Cyclic Voltammetry，CY)扫描。电位窗为-1.5-0.5V，初始扫描电位为-1.5V，扫描速率为化0.2V/s，扫描循环周为20。扫描结束后，将该探针从GO溶液中取出，用超纯水充分清洗，得到还原型氧化石墨烯功能化探针。

在具体实践的一实施例中：

高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置：气体加热温度为230℃，氮气聚集气压力为150kPa，探针6与质谱检测器距离为-1mm，外置真空泵的真空度0.25kPa，液相喷出口位于探针6与质谱检测器连线上方距离质谱检测器3mm。

待测液态样品为四氢小檗碱，浓度1μg/mL，溶于PBS水溶液中。使用探针6在该样品中富集30秒，将探针6固定在探针固定底座2上，通过探针固定底座2在探针6上施加+3kv的电压，获得了良好的电离效果。

在具体实践的另一实施例中：

高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置：气体加热温度为230℃，氮气聚集气压力为150kPa，还原型氧化石墨烯功能化探针与质谱检测器距离为-1mm，外置真空泵的真空度0.25kPa，液相喷出口位于还原型氧化石墨烯功能化探针与质谱检测器连线上方距离质谱检测器3mm。

待测液态样品为γ-氨基丁酸，浓度1μg/mL，溶于PBS水溶液中。使用还原型氧化石墨烯功能化探针在该样品中富集30秒，将还原型氧化石墨烯功能化探针固定在探针固定底座2上，通过探针固定底座2在还原型氧化石墨烯功能化探针上施加-2.5kv的电压，获得了良好的电离效果。

本发明实现对细胞、动物、植物等生物样本的原位无损取样检测。并通过优化辅助溶剂种类、与质谱入口的位置，探针位置、氮气聚集气流速、温度等，实现对不同性质化合物的定性定量分析，并且可以根据研究结果建立起包括适用于细胞、动物、植物等生物样本的原位无损取样检测分析方法。本发明将大大拓展探针电喷雾离子源相关领域的应用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，包括：

三维微调控制台(5)，用于固定探针固定底座(2)、氮气聚集气系统(3)和气体加热装置(4)；

液相毛细管(1)，具有供辅助溶剂进入的液相进口，能够将所述液相毛细管(1)的液相出口的辅助溶剂转化为喷雾输送到离子源装置与质谱检测器的离子采样口之间；

所述探针固定底座(2)用于固定探针(6)，并连接高压电，可以通过施加高压电实现探针(6)针尖样品离子化；

所述氮气聚集气系统(3)，用于聚焦离子束，提高离子传输效率；

所述氮气聚集气系统(3)包括氮气输送管路和将氮气聚集气输送到质谱检测器的圆环形气体喷口；

所述气体加热装置(4)，可将氮气聚集气系统(3)加热以提高解吸附和离子化效率。

2.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述液相毛细管(1)的液相出口端自远离电离区的一端向靠近电离区的一端渐缩，且所述液相毛细管(1)出口的喷出口直径为0.8mm-1.2mm。

3.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述氮气聚集气系统(3)的圆环形气体喷口位于气体加热器件前端，圆环形气体喷口内侧具有气体出口，可将离子化样品传输至质谱检测器。

4.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述氮气聚集气系统(3)的氮气输送管路环绕于所述气体加热装置(4)外侧，有助于气体被均匀加热。

5.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述探针固定底座(2)外端包裹绝缘的聚四氟乙烯，保证实验的安全性。

6.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述三维微调控制台(5)上设有滑道，探针固定底座(2)、氮气聚集气系统(3)和气体加热装置(4)上设有适合于上述滑道的滑轮，通过滑轮将探针固定底座(2)、氮气聚集气系统(3)和气体加热装置(4)固定于所述三维微调控制台(5)上。

7.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述三维微调控制台(5)上设置有第一千分尺、第二千分尺以及第三千分尺，所述第一千分尺的测微螺杆沿X向设置，所述第二千分尺的测微螺杆沿Y向设置，所述第三千分尺的测微螺杆沿Z向设置，所述第一千分尺的框架固定在所述第二千分尺的测微螺杆上，所述第三千分尺的框架固定在所述第二千分尺的测微螺杆上，所述气体加热装置(4)、探针固定底座(2)和氮气聚集气系统(3)的圆环形气体喷口固定设置在所述第三千分尺的测微螺杆上；其中，X向、Y向、Z向两两垂直。

8.根据权利要求1所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，还包括：控制所述气体加热装置(4)的工作电压以及温度的控制箱；调节所述氮气聚集气系统(3)压力的隔膜阀，所述隔膜阀设置在所述氮气聚集气系统(3)的氮气输送管路上。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置，其特征在于，所述探针(6)为还原型氧化石墨烯功能化探针。

10.适用于权利要求1-8任意一项所述的高效离子化探针电喷雾质谱离子源装置的探针，其特征在于，其为还原型氧化石墨烯功能化探针。