（无机化学专业论文）免制样的质谱电喷雾离子源及其应用.pdf

中文摘要 中文摘要 自从2 0 0 4 年电喷雾解吸附质谱电离技术( d e s i ) 出现以来，在大气压条件 下，免制样的质谱电离相关技术得到广泛的研究，并取得很大进展。本课题组在 设计制造出适合b r u k e r 质谱的d e s i 电离源并优化其各项实验参数基础上，对它 的应用领域进行广泛的探索：将d e s i m s 应用于在线检测固体和生物体表面，能 够获得丰富的表面被测物的化学信息；通过在雾化溶剂中添加活性成分与待测样 品发生化学反应，达到了间接检测非极性物质的目的；提出利用纸张或透明胶作 为媒介，实现了把d e s i m s 应用于间接检测固体表面的残留物；把d e s i m s 应 用于在线跟踪b a e y e r - v i l l i g e r ( b v ) 固相有机反应，获得反应动力学曲线，深 入了解b v 反应机理和固相反应，尤其固相反应与传统液相反应在反应速率、 动力学分布，反应速率与反应浓度间关系等方面的区别和联系。 通过对商用大气压离子源的改造，设计出可以在线检测气体的质谱离子源。 该离子源具有很高的灵敏度和较低的检测限。可以应用于气体的定性和定量分 析；g c m s 联用；气源的空间定位；气体的扩散和残留分析，具有很广范的应 用前景。 关键词：d e s i m s ，固相有机反应，b a e y e r - v i l l i g e r 氧化反应，固相反应动力学 在线检测气体，空间定位 a b s t r a c t a b s t r a c t s h o r t l ya f t e rt h eb r e a k t h r o u g hd i s c o v e r yo fd e s o r p t i o ne l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o n m a s ss p e c t r o m e t r y ( d e s i - m s ) i n2 0 0 4 ，m a n yi o n i z a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rd i r e c ta n d r a p i da n a l y s i so fs o l i df r e ef r o mr e d u n d a n ts a m p l i n gp r o c e d u r eh a v eb e e nr e p o r t e d i n t h i sw o r k ，d e s lw a sd e s i g n e df o rab r u k e rm si n s t r u m e n t ，a n dt h ep a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e d v a r i o u sa p p l i c a t i o n so ft h ed e s i g n e dd e s lw e r ea l s oe x p l o r e d f o r e x a m p l e ，t h ea p p l i c a t i o ni nt h ea n a l y s i so ft h es o l i da n do r g a n i s m s ，o b t a i n i n ga b u n d a n t c h e m i c a li n f o r m a t i o no nt h es u r f a c e ；t h ea p p l i c a t i o ni ns u i td e t e c t i o no fn o n p o l a r m a t e r i a lb yd o p i n gp a r t i c u l a rr e a g e n t si nt h es p r a ys o l u t i o nt op e r f o r mi o n m o l e c u l e r e a c t i o n sa tt h ei n t e r f a c e ；t h ea p p l i c a t i o ni nt h ea n a l y s i so fs o l i ds u r f a c ei n d i r e c t l y t h r o u g ht h ep a p e ro rt h et r a n s p a r e n ta d h e s i v et a p e ，a n dt h ea p p l i c a t i o nf o rd i r e c t c h a r a c t e r i z a t i o no ft h ek i n e t i ct r a n s f o r m a t i o no ft w or e p r e s e n t a t i v eb a e y e r - v i l l i g e r ( b v ) s o l i d s t a t eo r g a n i cr e a c t i o n s ( s s o r s ) u n e x p e c t e dd i f f e r e n c e so nt h ek i n e t i c p r o c e s so ft h eb v r e a c t i o nb e t w e e ni ns o l i da n di ns o l u t i o n ，i n c l u d i n gt h ed i f f e r e n c e s o nr e a c t i o nr a t e ，k i n e t i cc u r v ea n dc o n c e n t r a t i o nd e p e n d e n c yh a v eb e e nr e v e a l e db y e x p e r i m e n t so fd e s i - m s b yr e c o n s t r u c t i o no ft h ec o m m e r c i a la m b i e n tm si o n i z a t i o ns o u r c e ，t h en e w i o n i z a t i o ns o u r c ew a sd e s i g n e dt o a p p l yt oa m b i e n tg a sa n a l y s i si ns i t u s u c h i o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , w i t hl o wd e t e c t i o nl i m i t ，w a ss e n s i t i v e t h e r ew e r ev a r i o u s a p p l i c a t i o n s ，s u c ha sq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，g c - m sa n a l y s i s ，s p a t i a l l o c a l i z a t i o no fg a ss o u r c ea n dd i f f u s e da n dr u d i m e n t a la n a l y s i s k e y w o r d ：d e s i m s ，b a e y e r - v i l l i g e rr e a c t i o n ，s o l i d - s t a t eo r g a n i cr e a c t i o n ，k i n e t i c ， a m b i e n tg a sa n a l y s i s ，i ns u i t ，s p a t i a ll o c a l i z a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ： 年月 日 第一章绪论 1 1 质谱的概述 1 1 1 质谱分析法 第一章绪论 质谱仪是利用电磁学原理，使试样分子转变为气态离子，并按离子的质荷比 将它们分离，同时记录和显示这些离子的相对强度的一种仪器。 质谱分析法是将被测物质离子化，利用不同离子在电场或磁场的运动行为的 不同，把离子按质荷比( m z ) 分开，通过测量各种离子特征信号峰的强度而实 现分析目的的一种分析方法。质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的 质量谱质谱( m s ) ，质谱中出现的离子有分子离子、同位素离子、碎片离子、 重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子一分子相互作用产生的离子。 综合分析这些离子，可以获得化合物的分子量、化学结构、裂解规律和由单分子 分解形成的某些离子问存在的相互关系等信息，从而可以进行定性分析，同时质 谱中特征信号的强度也与它代表的化合物含量有关，可以用于定量分析。 质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、 刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。 1 1 2 质谱提供的信息 1 样品元素组成； 2 物质的相对分子质量； 3 物质的结构信息结构不同，分子的碎片不同( 质荷比不同) ； 4 复杂混合物的定性定量分析一与色谱方法联用( l c - - m s 、g c m s ) ； 5 样品中原子的同位素分析。 第一章绪论 1 2 质谱仪和质谱电离原理 1 s 】 1 2 1 质谱仪的基本原理 质谱仪一般由四部分组成： 进样系统按电离方式的需要，将样品送入离子源的适当部位； 离子源用来使样品分子电离生成离子，并使产生的离子会聚成具有一定 能量和几何形状的离子束； 质量分析器一利用电磁场( 包括磁场、磁场和电场的组合、高频电场或高 频脉冲电场等) 的作用，将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置、 时间先后和运动轨道稳定与否等形式进行分离； 检测器一用来接受、检测和记录被分离后的离子信号。一般情况下，进样 系统将待测物在不破坏系统真空的情况下导入离子源，离子化后由质量分析器分 离、检测；计算机系统对仪器进行控制、采集和数据处理，并得到质谱图。 1 2 2 常用的质谱离子源 离子源是质谱仪的关键部件之一。它的性能决定了离子化效率，很大程度上 决定了质谱的灵敏度和分辨率。因此为了拓宽质谱仪的应用领域，提高分析测试 的效率，离子源的发展非常快。在上世纪八十年代以前，电子轰击电离( e 1 ) 是 质谱分析法主要的电离源。但是电子轰击电离只适合分析分子量较小的化合物， 而不适用于通常的生物有机化合物，如蛋白质、多肽的分析。因此很多科学家， 如j o h nb f e n n ，k o i c h it a n a k a ，f r a n zh i l l e n k a m p ，m i c h a e lk a r a s ，g r a h a mc o o k s 以及m i c h a e lb a r b e r 致力于各种新颖电离技术的研究，开发出很多现在我们常用 的电离源，如快原子轰击电离源( f a b ) 、基质辅助激光解吸附电离源( m a l d i ) 和电喷雾电离源( e s i ) 。这些电离技术的发展，极大推动了质谱分析法的发展， 为各种特定形式样品的质谱分析提供了有效途径。 这里我们列举一些目前比较常用的质谱离子源及其电离原理。 2 第一章绪论 1 2 2 1 电子轰击电离( e i ) 电离原理：在离子源内，用电加热锑或钨的灯丝到2 0 0 0 1 2 ，产生高速电子 束，其能量为1 0 - - 7 0 e v 。当气态试样分子进入电离室时，高速电子与分子发生 碰撞，若电子的能量大于试样分子的电离电位，将导致试样分子的电离，其原理 示意图见图1 1 ： 图1 1e i 电离原理示意图 电子轰击质谱能提供有机化合物最丰富的结构信息，有较好的重现行，其裂 解规律的研究也最为完善，已经建立了数力种有机化合物的标准谱图库可供检 索。其缺点在于不适合分析难挥发和热稳定性差的样品。 1 2 2 2 化学电离( c i ) 电离原理：引入一定压力的反应气进入离子化室，反应气在一定能量的作用 下电离或者裂解。生成的离子和反应气分子进一步反应或与样品分子发生离子一 分子反应，通过质子交换使样品分子电离。常用的反应气有甲烷，异丁烷和氨气。 化学电离通常得到准分子离子，如果样品分子的质子亲和势大于反应气的电子亲 和势，则生成 m + h 】+ 。 以反应气为甲烷为例，举例说明化学电离法中通过离子一分子反应来电离的 过程： 首先用高能电子，使c h 4 电离产生c h s + 和c 2 h 5 + ，即： c h 4 + e c h 4 + + 2 e c h 4 十- - 9 c h 3 十+ h c h 4 + 和c h 3 + 很快与大量存在的c h 4 分子起反应，即： c h 4 + + c h 4 jc h 5 十+ c h 3 3 第一章绪论 c h 3 + + c h 4 一c 2 h 5 十+ h 2 c h 5 + 和c 2 h 5 + 不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品( 试样与甲烷之比为 1 ：1 0 0 0 ) 导入离子源，试样分子( r h ) 发生下列反应： c h s + + r h 专r h 2 十+ c h 4 c 2 h 5 十+ r h 寸r 十+ c 2 h 6 r h 2 + 和r + 可能碎裂，产生质谱。 由( m + h ) 或( m h ) 离子很容易测得其相对分子质量。 根据反应气压力不同，化学电离源分为大气压、中气压( o 1 1 0 m m h g ) 和 低气压( 1 0 - 6 m m h g ) 三种。大气压化学电离源适用于色谱和质谱联用，检测 灵敏度较一般的化学电子源要高2 - 3 个数量级，低气压化学电离源可以在较低 的温度下分析难挥发的样品，并能用难挥发的反应试剂。 1 2 2 3 快原子轰击( f a b ) 和液相二次电离( l s i m s ) 电离原理：将样品分散于基质( 常用甘油等高沸点溶剂) 制成溶液，涂于金 属靶上送入f a b 离子源中。将经强电场加速后的惰性气体中性原子束( 如氙) 对准靶上样品轰击。基质中存在的缔合离子及经过快原子轰击产生的样品离子一 起被溅射进入气相，并在电池作用下进入质谱分析器。如用惰性气体离子束( 如 铯或氩) 来取代中性原子束来进行轰击，所得质谱称为液相二次离子质谱 ( l s i m s ) 。其原理示意图见图1 2 。 快原子轰击电离的优点在于离子化能力强，可用于强极性、挥发性低、热稳 定性差和相对分子质量大的样品及e i 和c i 难于得到有意义的质谱的样品。 快原子轰击是一种表面分析技术，样品需注意优化表面状况的处理过程。样 品分子与碱金属离子加合，如 m + n a 和 m + k ，有助于形成离子。这种现象有助 于生物分子的离子化，因此，使用氯化钠溶液对样品表面进行处理有助于提高加 合离子的产率，分析过程中加热样品也有助于提高产率。 4 第一章绪论 - c i 】n nh 叫瓣 224 电喷雾电离( e s i ) i o na c c c l e r a t i o n 图1 2f a b 电离原理示意图 m a l v z c r 电离原理：通过在毛细管上施加强静电场( 3 5 k v ) ，利_ ；| j 在毛细管和质谱 仪进口间的电势差产生离子。流动相和样品在电场和高流速辅助气体氢气的 双重作用下产生以喷雾形式存在的带电液滴，当通过加热或反吹干燥氨气时，溶 剂蒸发，液滴体积缩小，最终生成去溶荆化离子。其原理示意图见图l 一3 。 电喷雾电离适用于容易在溶液中形成离子的样品或极性化合物，可生成高度 带电的离子而币发生碲裂，罔此，即使对十高分子量的样品，也可将质荷比降低 到并种不同类，弘的质黾分析器都能榆测的程度分析的分子量范围很大，既可 以分析小分子，又可川于多肽、蛋白质和寡幕核苷酸的分析”j 。 澈，”【鬻 罔1 0e s 电离原理示意圈 2 25 大气压化学电离( a p c i ) 电离原理：气体辅助f ，流动相和样品流过带宵加热器的进样器，被加热气 化。在大气压下，利川电譬放电，使气体彳j = 品和流动棚f 乜离。其原理示意罔见罔 14 。 大气压化学电离要求样品有一定的挥发性，适用于非极性或者低、中等极性 埘虬 胁训= 至 第一章绪论 的化合物【5 1 。 嚣埘 。! 一 n 2 嚣破m 勰r 脚 1 2 2 6 大气压光电离( a p p l ) 电离原理：类似大气压化学电离，但是电离机制不同。在气体辅助下，流动 相和样品流过带有加热器的进样器，被加热气化。在大气压下利用紫外灯的光化 作用将被气化的样品和流动相电离。其原理示意图见图1 5 。 大气压光电离一般适用于非极性化合物【6 1 。 ai m o s p h e r i cp r e 嬲u r ep h o l o i o n i x a l i o n 晚 lc l 1 2 0 - c 名嚣3 。i 冉两i i 槽r 蝴 一 1 2 2 7 基质辅助激光解吸附电离( m a l d l ) 电离原理：在所采用的激光波长下，基体对激光有较强吸收，而待测物对激 光只有弱吸收。当激光打在基体晶体时，聚集的能量加热晶体，快速加热导致基 体晶体升华而将非挥发性待测物释放到气相中。基体在待测物离子化过程中还起 着质子化或去质子化试剂的作用( 基质从激光中吸收能量传递给待测分子，而电 离过程中将质子转移到待测分子或从待测分子得到质子，而使待测分子电离) 【7 】o 其原理示意图见图i - 6 。 6 第一绪论 基体引进激光解吸附技术前，只有低分子量化合物能被完整引入气相：对于 高分子量化合物，则无法解决其气化问题。基体的加入使除待测物一基体外的分 子叫相互作用减少，降低了解吸能，解决了大分子的气化问题。m a l d i 可用丁= 分子量可迭1 0 5 d a 的大分子分析，但仅限丁作为飞行时间分析器的离子源使用【8 i 。 ；a 圈1 石m a l d i 电离原理示意吲 23 大气压免制样电离技术及其应用 唔：| 廿 通过以上列举的一些目前常用离子游，可以发现采用传统的质谱分析技术， 需要经过相埘比较繁琐的制样过程。通常是配成适当浓度和适当介质的溶液后进 样电离，有时还需耍在真空中进样利用激光器或者高压电源进行离了化，崮此 操作较繁杂，容易发牛污染、损失、引入副反应，还有一定的危险性( 高电压、 强辐射) ，更难以实时获得分析结果，这些缺点在很大程度上限制了质谱方法的 j 。泛应用。 最近几年来，在质谱分析中常压离子化和实时分析方面取得了引人注目的 成功。2 0 0 4 年美国p u r d u e 人学的rg r a h a mc o o k s 教授提出电喷雾解吸电离技 术( d e s o r p t i o n e l e c t r o s p r a y i o n i z a t i o n ，d e s i ) ，实现在常压下对样品进行直接离 子化。随着电喷雾解吸电离这一新兴技术的出现，石j f 究人员丌始从各种小例的角 度广泛研究其它“免制样”和“大气压条件直接进样”技术，在短短几年的时问单， 一些相关的“人气雎条件( 免制样) 直接电离和进样”技术相继出现，这些离子源 与相应的质谱仪噬用就町容易地实现气、液样品和固体表面样品的在线耍时分 析，是质普分析技术发展中的一个“量子跃迁”，极犬提高了质诺的分析效率。 这里我们列举一些目前比较有代表性的“免制样”和“大气压条件直接进样” 第一乖绪论 的质谱电离技术及其原理 231 电赜雾解吸电离( d e s i ) 电离原理：d e s i ( d c s o r p t i o ne l e c t r o s p r a ) | r l o n i z a i t o n ) 虽然也是利用e s i ，但 不是直接利用e s i 自身产生的离子进行质谱分析，而是利用某些溶剂( 如甲醇 水，酸( 1 ：1 + 01 嘲( v ) ) 形成的e s i 射流对样晶进行离子化。虽然目前对d e s i 的 电离机理还没有明确的解释，但一般认为足在高流速辅助气体( 氮气) 和强静电 场( 4 k v ) 烈荤作用下，溶剂雾化成带电小波滴，解吸附并电离固体表面的分 析物，使分析物成为气相离子( 二次离子) 通过接收离子通道( 毛细管) 被引入 到质谱仪中，进而完成质潜检测嗍。其原理乐意图见图1 7 。 图1 - 7d e s i 电爵原理示意图 与常规的质谱分析相比，d e s i 避免了繁琐的样品制蔷过程，能将固体表面 的被测物在大气压条件下直接电离、进样。残留在人体( 如手指) 或物件表面( 如 皮革、棉布等) 的痕量爆炸物可以被方便、快速、准确地检测，检测限在n z 水平 i t 01 1 1 。而且，整个离子化和进样的过程不会破坏固体表面本身，也不会对人体造 成伤害，可安全的适用于生物体在线检测。这种“大气压条件( 免制样) 直接电离 和进样技术”的突破，极大地延伸了质谱的应用能力，其优势是经典的质谱方法 无法 e 拟的。所以该技术经出现就在科学界迅速引起了重大反响。 研究已经显示，d e s i 所能测的化合物包括非极性小分子( 如番茄红素、生 物碱和小分子药品等) 一直到极性大分子( 如多肚和蛋白质) ；能方便地应用于 第一章绪论 生物活性分析【1 2 - 1 3 1 、植物表面分析【1 4 】、食品安全检测【1 5 】、药物监测【1 丘1 8 】等领域； 而且适当减小喷雾毛细管出口的粗细，d e s i 还可用于样品表面各组分的空间分 布分析【1 9 之o 】( 目前其物理分辨率已可达5 0 l x m 量级) ，因而特别适于与薄层色谱 ( t l c ) 联用【2 1 - 2 2 ，甚至可以在病人进行肿瘤切除手术时，对人的活体组织在线 分析，实时判断正常组织和癌变组织，避免不必要地切除过多的正常组织【l 引。 d e s i 是最早提出对固体表面样品的在线实时分析的技术，实现了免制样、 大气压条件下直接进样的质谱电离技术，极大提高了质谱的分析效率，并引发了 一系列相关电离技术的快速发展。 1 2 3 2 在线实时分析电离( d a r t ) 电离原理：d a r t ( d i r e c ta n a l y s i si nr e a lt i m e ) 离子源采用高能亚稳态中 性粒子束( 例如h e 或者n 2 ) 对样品进行离子化。高能中性粒子束相应气流经电 晕放电和随后去除荷电粒子之后获得。当高能中性粒子束与样品接触时，将发生 非弹性碰撞使样品分子气化和离子化，随后被质谱仪的真空系统吸入质量分析器 完成质谱分析。其原理示意图见图1 8 。 d i s c h a r g ec h a m b e rh o = i n gm e t a s t a b l e v a c u u mi n t e t f a c o & m a 躺s p e c t r o m e t e r ： 惦e ，n ： ： ：a n a i y 溶。童 o i o n n e u t r a l s e p a r a t i o n 图1 - 8d a r t 电离原理示意图 将d a r t 离子源与飞行时间质谱( t o f m s ) 联用可对气、液样品和固体表 面的样品进行在线分析并获得实时分析结果。适用于残留在各种固体或液体表面 ( 如皮肤、货币、混凝土、沥青、登记卡、名片、水果、蔬菜、体液、饮料、树 叶、酒杯、衣服等) 的化学品、爆炸物、毒品的在线分析【2 3 1 。 1 2 3 3 解吸大气压化学电离( d a p c i ) d a p c i ( d e s o r p t i o na t m o s p h e r i cp r e s s u r ec h e m i c a li o n i z a t i o n ) 的电离原理： 棉花擦拭固体表面，使待测样品吸附在棉花上。在大气压下，利用电晕放电，使 9 肭i k i 第一章绪论 流动相电离，气化的化学电离离子吹向棉花，解吸附并电离待测样品，随后这些 离子被质谱仪的真空系统吸入质量分析器，完成质谱分析。其原理示意图见1 - 9 。 s k v s p a n 2 9 a sa n d r e a g e n ty a p 图l 一9d a p c i 电离原理不意图 由于对于同一样品，解吸大气压化学电离获得的质谱图和普通的大气压化学 电离( a p c i ) 获得的质谱图一样。从而表明d a p c i 具有a p c i 的离子一分子间 反应电离的机理，且它还具有自己的优势一可以实现在大气压条件下( 免制样) 直接进样品和电离。目前，该电离技术已经应用于痕量爆炸物【2 4 1 、药物( 2 5 。2 7 1 以及 其它很多化合物【2 8 】的分析。 1 2 3 4 基质辅助激光解吸电喷雾电离( m a l d e s i ) m a l d e s i ( m a t r i x a s s i s t e dl a s e rd e s o r p t i o ne l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o n ) 的电离原 理：通过脉冲激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，在基质辅助下，样品分子 挥发，被电喷雾流携带并电离。其原理示意图见1 1 0 。 图1 1 0m a l d i s e 电离原理示意图 实验证明，在m a l d e s i 中，被检测到的离子主要来自于电喷雾电离过程， 1 0 第一章绪论 而非基质辅助激光解吸附过程【2 9 1 。因此可以产生多电荷离子，适用于蛋白质、缩 氨酸和多肽的分析。同时，通过在e s i 的喷雾溶液中加入内标物，可以定量检测 被分析物，极大提高了分析检测的能力【3 0 1 。 1 2 3 5 大气压固体探针( a s a p ) a s a p ( a t m o s p h e r i c p r e s s u r es o l i d sa n a l y s i sp r o b e ) 的电离原理：氮气或被加 热的其它热气流( 温度为3 5 0 4 0 0 0 c ) 通过e s i 或a p c i 的喷雾器进入离子源的 腔体内。在喷雾器下端，有一根附着着待测样品的毛细管状的硼硅酸盐熔点管通 过离子源侧面的小孔伸进，待测样品被引进喷雾针的热气流中，通过电晕放电针 电离。其原理示意图见1 1 1 。 大气压固体探针可用于快速分析挥发性或半挥发性的液体和固体样品。目前 它已经成功检测了吸附在各种基底，存在于生物组织或聚合物中的各种待测样 品。与d a r t 和d e s i 相比，它具有自己的优点：离子源装置简单，只需通过简 单改造商用e s i 或a p c i 离子源获得【3 。 l cc o m t c c t o r f 卧 缀黼 噻、r 8 二匕 图1 1 1a s p a 电离原理示意图 1 2 3 6 电喷雾辅助激光解吸附电离( e l d l ) e l d i ( e l e c t r o s p r a y - a s s i s t e dl a s e rd e s o r p t i o ni o n i z a t i o n ) 的电离原理：激光脉 第一章绪论 冲照射被测样品，解吸附样品分子，从而使气态的样品分子被与样品平行放置的 电喷雾流携带并电离。e l d i 是m a l d e s i 的特例，e l d i 不需要基质辅助电离， 也能获得很好的谱图，尤其是蛋白质分析的谱图【3 2 1 。但总的来说，e l d i 的检测 限比m a l d e s i 的高，同时e l d i 的检测的分子量范围比m a l d e s i 的窄【2 9 1 。 作为一种软电离技术，e l d i 的电离主要通过电喷雾电离，因此可在大气压 条件下产生多电荷离子，极大提高反应的灵敏度。目前该技术已经应用于固体表 面的缩氨酸、蛋白质等的分析【3 3 】；应用于薄层色谱分离的分析【3 4 1 。 图1 1 2e l d i 电离装置示意图 1 2 3 7 解吸附音速喷雾电离( d e s s l ) 电离原理：d e s s i ( d e s o r p t i o ns o n i cs p r a yi o n i z a i t o n ) 电离源类似于d e s i ， 是对d e s i 离子源的改进。它们的区别在于：d e s i 一般在毛细管上附加高静电 场( - 4 k v ) 。而d e s s i ，仅在毛细管上加各种不同的低电压，甚至不加电压， 获得质谱图。其原理示意图见1 1 3 。 图1 1 3d e s s i 电离原理示意图 1 2 第一章绪论 由于d e s s i 避免了在分析过程中引入高电压，安全性更高，因此更加适合生 物体的在线检测，目前已经应用于药物的在线检测3 5 1 。 1 2 3 8 萃取电喷雾电离( e e s i ) e e s i ( e x t r a c t i v ee l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o n ) 的电离原理：萃取电喷雾电离，可 以用于检测气体和固体表面。当检测固体表面时，高流速氮气流喷向固体表面， 吹扫、携带起表面的待测样品，通过导管i 被导入e s i 喷雾中，电喷雾电离。当 检测气态样品时，气体直接通过导管i 被导入e s i 喷雾中，电喷雾电离。其原理 示意图见图1 1 4 。 柏i u 像m + 3 凶 c o m m e r c i a lq t o fi n l e m 髓 图l - 1 4e e s i 电离原理示意图 萃取电喷雾电离是目前为止第一个在大气压条件下，免制样、直接电离气态 化合物的电离方法。目前，研究人员已经把萃取电喷雾电离技术应用于检测不同 种族人群喝酒后的口腔呼出气体中酒精残留，为驾驶员酒后驾车酒精含量的检测 提供了一个很好技术支持【3 6 1 。同时萃取电喷雾电离技术也应用于检测各种水果 ( 如草莓、葡萄、香蕉) 的成熟程度【3 7 】；各种食物( 如冰冻鱼、肉) 的腐烂情况 【3 6 1 ；在线检测生物体表面痕量物质【3 8 】等。 1 2 3 9 解吸附大气压光致电离( d a p p i ) d a p p i ( d e s o r p t i o na t m o s p h e r i c p r e s s u r ep h o t o i o n i z a t i o n ) 的电离原理：在雾 化器微芯片的控制下，辅助氮气、流动相和样品被加热到5 0 0 0 c ，灼热的气流喷 射到待测样品表面，热解吸附固体表面的样品。这些被解吸附的样品分子通过氪 直流紫外放电灯的紫外照射电离。其原理示意图见图1 1 5 。 第一章绪沧 图1 1 5d a p p 电离原理示意图 与传统的大气压光致电离的最大区别在于，d a p p i 引入了热解吸附，可以 实现大气压条件下，免制样，直接电离待测样品。目前该电离技术已经应用于药 物的在线检测。 231 0 激光消融电喷雾电离( l a e s i ) l a e s i ( l a s e ra b l “i o ne l e c t r o s p r a y i o n i z a t i o n ) 的电离原理：装置类似e l d i 。 e l d i 使用紫外激光，而l a e s i 采用红外激光。通过稠节中红外激光的能量太小， 消融待测样品表面，产生离子和中性颗粒，这些粒子通过和电喷雾产生的离子相 互作用，被电喷雾的喷雾流携带、电离进入质谱。其原理示意图见圈卜1 6 。 图1 1 6 l a e s i 电离原理示意圈 ( c ，毛细管；s p ，注射泵；h v ，高压静电；ln 2 ，氮气；m ，镜子；f l ，聚焦透 镜：c v ，试管c c d ，带有短距离显微镜的相机：c e 反相电极：o s c ，数码示波镜：l - e r ：y a g 铒：钇铝石榴石f 用于产生激光束的氧化铝合成晶石1 激光；m s ，质谱；p c i 到p c - - 3 ，计 算机) 。图中黑点表示e s i 产生的微粒红点表示激光消融产生的带电微粒和中性粒子， 1 4 第一章绪论 中红外激光消融电喷雾电离技术适用于分析富含水分的待测物，可以用于生 物体表面的在线检测，目前已经应用于植物生物学、临床分析等方面。如蛋白质、 油脂、代谢物的分析检测；通过直接检测体液( 尿液、血液和血清) 分析人体抗 组胺剂的排泄情况；空间扫描分析法国万寿菊树苗不同区域( 叶子、树干和根部) 的代谢物分布【柏1 。 1 2 4 质谱发展前景 随着便携式质谱的出现，以及大气压、免制样电离技术提出和迅速发展，这 种检测时间短、检测限低、灵敏度高、分析范围广的检测仪器一质谱的应用范 围将越来越广。相信不久的将来，质谱不仅可以满足实验室分析检测的需要，还 可以进入日常生活中。其在生物学、制药工业、食品工业、纺织工业、国土安全 和法医学等领域中也将会有良好的应用前景。 1 3 本课题的拟定 尽管大气压条件下的免制样的质谱电离技术的出现仅有短短四年时间，但是 由于它极大提高了分析效率，已经掀起新的研究浪潮，世界各地很多科研团体都 在这个方面投入很多的人力物力，从各个方面对相关技术进行广泛研究，取得很 大进展，且还在不断发展中。但是目前对相关电离技术的设计、研究主要针对 f i n n i g a n 生产的质谱仪，由于f i n n i g a n 质谱仪的喷雾电压施加在喷雾针上，因此 在生物体在线检测时，当喷雾针和样品间距太小时，存在喷雾针辉光放电的潜在 危险。而我们实验室使用的质谱是b r u k e r 厂家生产的，喷雾电压施加在质谱入 口的毛细管上，因此当d e s i 应用于生物体在线检测时条件更温和，更安全。正 是由于质谱仪器构造的差别，带来了d e s i 电离源的优化条件存在差异。同时， 虽然对d e s i 电离源的相关研究发展很快，但d e s i 电离源的应用范围并不局限 于相关文献报道所涉及的领域。还存在很多潜在的应用前景。 本文基于以上的研究背景，摸索了适合我们实验室质谱的d e s i 电离源的优 化条件，并把d e s i 离子源应用于在线检测各类氨基酸、药片和生物体表，间接 检测固体表面残留物，跟踪固相反应进程和研究固相反应动力学等，扩展了d e s i 的应用范围。同时设计制造出可以在线检测空气的质谱电离源，在优化了该离子 1 5 第一章绪论 源的各项实验参数基础上，探索研究了它的检测限，在定性、定量、g c - - m s 联用、气源空间定位和气体扩散、残留的分析检测等方面的应用。 参考文献 【1 】c g h e r b e r ta n dr a w j o h n s t o n e ，“m a s ss p e c t r o m e t r yb a s i c ，c r cp r e s s ，b o c ar a t o n , 2 0 0 3 【2 】m b e r t r a n da n di cw a l d r o n 【t r a n s l a t e db y ，“c h e m i c a la n a l y s i s ：m o d e r ni n s t r u m e n t a l m e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ，w i l e y , c h i c h e s t e r , 2 0 0 0 【3 】武汉大学化学系编， 仪器分析，高等教育出版社，北京，2 0 0 1 4 】n b c e c ha n dc g 。e n k e ，p r a c t i c a li m p l i c a t i o n so fs o m er e c e n ts t u d i e si ne l e c t r o s p r a y i o n i z a t i o nf u n d a m e n t a l s ，m a s ss p e c t r o m r e v ，2 0 01 ，2 0 ( 6 ) ，3 6 2 【5 】s j g a s k e l l ，c u r r e n tl i t e r a t u r ei nm a s ss p e c t r o m e t r y , j 。m a s ss p e c t r o m ，19 9 7 ，3 2 ，6 6 7 。 6 】d b r o b b ，t r c o v e ya n da p b r u i n s ，m o n i t o r i n go fd y ea d s o r p t i o np h e n o m e n aa ta s i l i c ag l a s s w a t e ri n t e r f a c ew i t ht o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o nc o u p l e dw i t hat h e r m a ll e n se f f e c t ， a n a l c h e m ，2 0 0 0 ，7 2 ，3 6 5 3 【7 】m k a r a sa n df - h i l l e n k a m p ，l a s e rd e s o r p t i o ni o n i z a t i o no fp r o t e i n sw i t hm o l e c u l a rm a s s e x c e e d i n g100 0 0d a l t o n s ，a n a l c h e m ，19 8 8 ，6 0 ，2 2 9 9 8 】kt a n a k a ，h w a k i ，y i d o ，s a k i t a ，y y o s h i d aa n dt y o s h i d a ，r a p i dc o m m u n m a s s s p e c t r o m ，1 9 8 8 ，2 ，1 5 1 9 】z t a k a s ，j m w i s e m a na n dr g c o o k s ，a m b i e n tm a s ss p e c t r o m e t r yu s i n gd e s o r p t i o n e l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o n ( d e s i ) ：i n s t r u m e n t a t i o n ，m e c h a n i s m sa n da p p l i c a t i o n si nf o r e n s i c s ， c h e m i s t r ya n db i o l o g y ，j m a s ss p e c t r o m ，2 0 0 5 ，4 0 ，12 61 【1 0 z t a k a t s ，i c o r e - r o d r i g u e z ，n t a l a t y ，h w c h e n ，r g c o o k s ，d i r e c t ，t r a c el e v e r d e t e c t i o no fe x p l o s i v e so na m b i e n ts u r f a c e sb yd e s o r p t i o ne l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o nm a s s s p e c t r o m e t r y ，c h e m c o m m u n ，2 0 0 5 ，1 5 ，1 9 5 0 1l 】i c o t t e - r o d r i g u e z ，z t a k a t s ，n t a l a t y , h w c h e n ，r g c o o k s ，d e s o r p t i o ne l e c t r o s p r a y i o n i z a t i o no fe x p l o s