阅读说明：本技术 一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置及方法 (Mass spectrum sample introduction device and method capable of being used for complex sample analysis ) 是由 姜虹 胡蓉 严佳 孙宇 张磊 李春竹 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置及方法,所述质谱进样装置包括离子源、进样探头和质谱进样通道,离子源位于质谱进样通道处,进样探头的前端为采样端,采样端位于离子源中或离子源附近,还包括连接臂和马达,连接臂的一端与进样探头的后端相连,另一端与马达的转动轴相连。本发明的质谱进样装置与质谱联用后,不仅对化合物样品具有良好的离子化效果,而且对药品提取物、生物样本提取物、有机聚合物等复杂样品均具有良好的离子化效果,应用范围广,普适性强,且操作简单,采样方便,大大缩短了分析时间,实用性强,具有推广应用价值。(The invention discloses a mass spectrum sampling device and a method for analyzing complex samples, wherein the mass spectrum sampling device comprises an ion source, a sampling probe and a mass spectrum sampling channel, the ion source is positioned at the mass spectrum sampling channel, the front end of the sampling probe is a sampling end, the sampling end is positioned in the ion source or near the ion source, the mass spectrum sampling device also comprises a connecting arm and a motor, one end of the connecting arm is connected with the rear end of the sampling probe, and the other end of the connecting arm is connected with a rotating shaft of the motor. After the mass spectrum sample introduction device is combined with the mass spectrum, the ionization effect on a compound sample is good, the ionization effect on complex samples such as a medicine extract, a biological sample extract, an organic polymer and the like is good, the application range is wide, the universality is strong, the operation is simple, the sampling is convenient, the analysis time is greatly shortened, the practicability is strong, and the popularization and application value is high.)

一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置及方法

技术领域

本发明涉及一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置及方法，属于质谱分析技术领域。

背景技术

质谱(MS)是一种能分析复杂混合物，提供有关分子量信息、元素组成和被分析物化学结构的重要分析工具，具有高度的专属性和灵敏度。近年来，随着化合物解吸与离子化技术和质量分析器的不断创新与改进，质谱成为发展最迅速的分析技术之一，目前质谱技术在化学与化工、生物学与生命科学、医学、药学、材料科学、环境保护等领域的应用越来越广泛。

质谱分析的基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，然后在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

目前的质谱技术公开了多种离子源，例如，电子轰击源(EI)、化学离子源(CI)、快原子轰击源(FAB)、电喷雾电离源(ESI)、大气压化学电离源(APCI)、基质辅助激光解吸电离源(MALDI)、场解析、场电离、解吸电喷雾电离源(DESI)、实时分析源(DART)、火花源、热能源等，不同的样品可以选择不同的离子源，使得可以分析的样品范围广泛，从分子量很小的气体到分子量高达上百万的蛋白质均可以进行测定。无论使用何种离子源，均需要通过一定的进样方式使样品进入离子源中发生电离。

传统的质谱分析主要是采用样品棒或进样探头手动进样，直接将样品负载在样品棒或进样探头上即可，这种方式仅适用简单样品的分析，对于组分比较复杂的复杂样品而言，通常需要较复杂的样品前处理，否则也难以达到分析要求。对于复杂样品，目前主要是先通过气相色谱或液相色谱分离，然后将分离后的组分进入离子源中进行后续的质谱分析，但是这种方式使得分析成本较高，分析时间较长，不利于快速分析。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置及方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置，包括离子源、进样探头和质谱进样通道，离子源位于质谱进样通道处，进样探头的前端为采样端，采样端位于离子源中或离子源附近，还包括连接臂和马达，连接臂的一端与进样探头的后端相连，另一端与马达的转动轴相连。

作为优选方案，所述马达连接有转速控制机构，所述转速控制机构连接有电源供给装置。

作为进一步优选方案，所述电源供给装置包括USB电源。

作为优选方案，所述马达的转速为20～1000rpm，进一步优选50～600rpm。

作为优选方案，所述离子源为敞开式离子源，包括但不限于实时直接分析离子源(DART)，解吸电喷雾离子源(DESI)，介质阻挡放电离子源(DBDI)，大气压固体分析探针离子源(ASAP)，低温等离子体探针离子源(LTP)，萃取电喷雾离子源(EESI)，纸基电喷雾离子源(PSI)，等离子体辅助解吸离子源(PADI)。

作为进一步优选方案，所述离子源为DART离子源。

作为优选方案，所述离子源接有辅助气体，所述辅助气体优选惰性气体，例如：氮气、氩气、氦气，以氦气为佳。

作为更进一步优选方案，离子源的出口处的辅助气体的温度为50～550℃。

作为优选方案，离子源和进样探头的采样端均位于质谱进样通道的端口前方。

作为进一步优选方案，采样端的轴线与质谱进样通道的轴线间的夹角为0～90度或270～360度。

作为进一步优选方案，采样端的端口与质谱进样通道的端口间的距离为0.1～20mm。

作为优选方案，采样端的外径为0.1～2mm。

作为优选方案，进样探头为耐高温(例如：耐高温碳纤维、铝镁砖、合金、金属、石英或玻璃)探头，优选耐高温玻璃棒，可方便清洗和反复利用。

作为优选方案，质谱进样通道的端口处设有引流罩，所述引流罩的进口位于质谱进样通道的轴线上。

作为进一步优选方案，引流罩的出口连接有隔膜泵。

作为进一步优选方案，采样端的端口与所述引流罩的进口间的距离为0.1～20mm。

作为一种实施方案，离子源、采样端、质谱进样通道三者之间为分离状态，且三者之间的相互位置可以调节。

一种能用于复杂样品分析的质谱进样方法，包括如下操作：

将样品加载到进样探头的采样端后使进样探头处于旋转状态，或，使用旋转状态的进样探头将样品加载到其采样端；然后将旋转状态的、负载有样品的采样端置于离子源中或离子源附近，使样品被离子源离子化。

作为优选方案，进样探头的旋转速度为20～1000rpm，进一步优选50～600rpm。

相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

1、本发明的进样装置创造性的利用可旋转化的进样探头进行采样，有利于样品均匀加载与进样探头的采样端，有利于进样探头上的样品与离子源充分均匀接触，能实现样品的充分的解吸和离子化，与质谱联用后，可显著提高质谱分析的灵敏度和普适性，不需要对样品进行复杂的前处理即可对液态样品、固态样品均能实现离子化，不仅对化合物样品具有良好的离子化效果，而且对药品提取物、生物样本提取物、有机聚合物等复杂样品均具有良好的离子化效果，应用范围广，普适性强，且操作简单，采样方便，大大缩短了分析时间；

2、本发明装置既可与常见的质谱仪(如：三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪等)相兼容，也可推广应用到其它质谱分析中，应用范围广，实用性强；

3、本发明对待分析样品不仅可以点样分析，还可以直接蘸取分析，尤其是还能对合适的样品实现一定深度的钻取采样，并实现快速同步分析，采样及分析手段多样，应用范围广，实用性强，结构简单，操作简便，成本低廉，环保清洁，易于实现，灵敏度高，电离效率高，普适性强，应用范围广，具有高通量的特性等优点，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种能用于复杂样品分析的质谱进样装置的结构示意图；

图2为本发明中具有引流罩的质谱进样装置的结构示意图；

图3为本发明采用DART离子源时质谱进样装置的原理示意图；

图4为发明实施例1中得到的样品1的质谱分析图；

图5为发明实施例1中得到的样品2的质谱分析图；

图6为发明实施例1中得到的样品3的质谱分析图；

图7为发明实施例2中得到的烟草粉末提取物1的质谱分析图；

图8为发明实施例2中得到的烟草粉末提取物2的质谱分析图；

图9为发明实施例3中得到的血浆样品1的质谱分析图；

图10为发明实施例3中得到的血浆样品2的质谱分析图；

图11为发明实施例4中得到的有机聚合物1的质谱分析图；

图12为发明实施例4中得到的有机聚合物2的质谱分析图；

图中标号示意如下：1、离子源；11、离子源的出口；2、进样探头；21、采样端；3、质谱进样通道；4、连接臂；5、马达；6、转速控制机构；7、电源供给装置；71、USB电源；8、引流罩；81、引流罩的进口；82、引流罩的出口；9、隔膜泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细、完整地说明。

如图1至图3所示：本发明提供的能用于复杂样品分析的质谱进样装置，包括离子源1、进样探头2和质谱进样通道3，离子源1位于质谱进样通道3处，进样探头2的前端为采样端21，采样端21位于离子源1中或离子源1附近，还包括连接臂4和马达5，连接臂4的一端与进样探头2的后端相连，另一端与马达5的转动轴相连。

进一步的，所述马达5连接有转速控制机构6，所述转速控制机构6连接有电源供给装置7。转速控制机构6采用市售的马达或电机的转速控制装置即可，例如，转速控制器，通过转速控制机构6进一步控制马达5的转速，进而进一步控制进样探头2的转速，进一步优化样品的采样及样品的离子化，从而有效提高样品分析的灵敏度。所述马达5采用市售的马达即可，为了携带方便，所述马达5可采用市售的微型马达。设有的电源供给装置7可持续为进样装置提供电源供给，使进样装置持续进样

所述电源供给装置7包括USB电源71，移动式的USB电源71使得进样装置的可移动性较好，便于室外现场进样分析。

进样探头2的旋转是由马达5带动的，进样探头2的旋转速度也由马达5的转速决定，因此，本发明中，所述马达5的转速为20～1000rpm，以50～600rpm为佳，以保证样品均匀加载与进样探头的采样端，保证进样探头上的样品与离子源充分均匀接触，进而保证实现样品的充分的解吸和离子化。

所述离子源1为敞开式离子源，包括但不限于DESI离子源、DART离子源。本实施例中，离子源1优选DART离子源。

所述离子源1接有辅助气体，所述辅助气体可以为惰性气体，例如：氮气、氩气、氦气，以氦气为佳。离子源1的出口处的辅助气体的温度为50～550℃。质谱分析中，通过放电和加热，将常温的辅助气体变为高温亚稳态氦气流，以促进样品中的解吸与电离。

如图3所示，本发明以DART离子源1为例，离子源1选择DART离子源1，在DART离子源1的尾端接有氦气，这样质谱分析中，通过放电和加热，将常温的氦气转变成高温亚稳态氦气流(工作状态温度一般在350～550℃)，亚稳态是一种长寿命的电子激发态，该状态下氦气具有较高内能，该内能高于大多数有机化合物的电离能，该高温亚稳态氦气流有助于促进样品中有机分子解吸与电离。

离子源1和进样探头2的采样端21均位于质谱进样通道3的端口前方。以便于样品离子化后顺利通过质谱进样通道3进入质量分析器中进行分析。

采样端21的轴线与质谱进样通道3的轴线间的夹角α为0～90度或270～360度。

采样端21的端口与质谱进样通道3的端口间的距离d为0.1～20mm。

采样端21的外径为0.1～2mm。

本发明中，进样探头2为耐高温(例如：耐高温碳纤维、铝镁砖、合金、金属、石英或玻璃)探头，优选耐高温玻璃棒，可方便清洗和反复利用。

如图2和图3所示，质谱进样通道3的端口处设有引流罩8，所述引流罩8的进口81位于质谱进样通道3的轴线上，引流罩8的出口82连接有隔膜泵9。将引流罩8安装在质谱进样通道3的端口处，配合有隔膜泵9为引流罩8提供一定负压，可有效将含有样品离子的气流高效率引入质谱仪器中，同时辅助气体大部分被隔膜泵9抽走，可进一步保障离子化后的样品充分、有效的进入质谱仪被检测，进一步提高了质谱分析的灵敏度。

如图3所示，高温亚稳态氦气流从DART离子源1的出口11出发，将进样探头2上的样品解吸与离子化，然后离子化后的样品随着高温亚稳态氦气流在引流罩8的作用下进入质谱进样通道3，同时隔膜泵9抽走氦气，使得离子化的样品进入质谱仪进行质谱分析。

进一步的，采样端21的端口与所述引流罩8的进口81间的距离D为0.1～20mm。

本发明的核心点在于旋转式的进样探头2，置于离子源1、进样探头2的采样端21、质谱进样通道3三者的位置关系只要在上述范围内且方便操作即可。

该进样装置与质谱联用，对样品进行分析时，将样品引入进样探头2的采样端21即可，可以直接将样品负载在采样端21，也可以直接用进样探头2的采样端21蘸取样品，或者也可以钻取采样。所分析的样品可以为固态也可以为液态，可以为待测样品本身，也可以是用适宜的溶剂溶解配制的溶液；对于液态样品可以用适宜溶剂溶解配制成溶液，也可以直接为样品本身，对于固态样品，可以用适宜溶剂溶解配制成溶液。所选用的溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、丙二醇、丙三醇、乙腈、二氯甲烷、氯仿、己烷、石油醚的单一溶剂或者混合溶剂。

一种能用于复杂样品分析的质谱进样方法，包括如下操作：

将样品加载到进样探头2的采样端21后使进样探头2处于旋转状态，或，使用旋转状态的进样探头2将样品加载到其采样端21；然后将旋转状态的、负载有样品的采样端21置于离子源1中或离子源1附近，使样品被离子源离子化。

采用马达5时，本发明的质谱进样方法，具体包括如下操作：

将样品加载到进样探头2的采样端21(可以点样也可以蘸取)，然后启动马达5，马达5带动进样探头2旋转(当样品为样品溶液时，旋转还可促使样品中的溶剂快速挥发)，或者，启动马达5，马达5带动进样探头2旋转，然后旋转状态的进样探头2将样品加载到其采样端21(可以蘸取，也可以钻取)；然后将旋转状态的、负载有样品的采样端21置于离子源1中或离子源1附近，使样品被离子源离子化。然后离子化后的样品即可从质谱进样通道3进入质谱仪中进行质谱分析，进样结束后，关闭旋转，将进样探头2移开即可。

进样时，进样探头2的旋转速度为20～1000rpm，以50～600rpm为佳，相应的，马达5的旋转速度为20～1000rpm，以50～600rpm为佳。

下面结合具体应用实施例进一步说明本发明所能实现的技术效果。

实施例1

采用本发明所述的能用于复杂样品分析的质谱进样装置与质谱仪(质量分析器为傅里叶变换离子回旋共振质谱仪)对化合物样品1(分子量为211.08)、样品2(分子量为326.07)、样品3(分子量为342.07)进行质谱分析：

将样品1-3分别溶解在甲醇溶液中，分别配置成浓度约为20μg/mL的样品溶液备用；采用DART离子源1，采用氦气为辅助气体，氦气的工作温度为350℃，进样探头2的采样端21的端口与所述引流罩8的进口81间的距离D为10mm；采样端21直接点样进样，上样量为4μL，然后旋转进样探头2，将进样探头2置于DART离子源1附近，样品被离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道3进入质谱仪进行质谱分析，分析结果如图4至图6所示。

图4为得到的样品1的质谱分析图，图中出现了样品1的特征质谱信号峰：m/z 212得到[M+H]⁺以及m/z 194信号为[M+H-H₂O]⁺；图5为得到的样品2的质谱分析图，图中出现了样品2的特征质谱信号峰：m/z 327得到[M+H]⁺；图6为得到的样品3的质谱分析图，图中出现了样品1的特征质谱信号峰：m/z 343得到[M+H]⁺；并且图4至图6中，除了上述化合物的相关离子峰外，基本没有其它杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述装置和方法对化合物样品具有良好的离子化效率。

实施例2

采用本发明所述的能用于复杂样品分析的质谱进样装置与质谱仪(质量分析器为傅里叶变换离子回旋共振质谱仪)对烟草粉末提取物1和烟草粉末提取物2进行质谱分析：

分别将0.01g的烟草粉末提取物1和2置于1.5ml样品管中，加含1％乙酸的乙醇0.5mL，充分振荡1分钟后，超声提取10分钟，静置1分钟，取上层清液备用；采用DART离子源1，采用氦气为辅助气体，氦气的工作温度为350℃，进样探头2的采样端21的端口与所述引流罩8的进口81间的距离D为10mm；旋转进样探头2，将4μL的样品分别加载于进样探头2的采样端21，然后将进样探头2置于DART离子源1附近，样品被离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道3进入质谱仪进行质谱分析，分析结果如图7至图8所示。

图7为得到的烟草粉末提取物1的质谱分析图，图中出现了烟草粉末提取物1中主要成分降烟碱(Nornicotine)和烟碱(Nicotine)的特征质谱信号峰：m/z 149得到[Nornicotine+H]⁺的信号以及m/z 163得到[Nicotine+H]⁺的信号；图8为得到的烟草粉末提取物2的质谱分析图，图中也出现了烟草粉末提取物2中主要成分降烟碱(Nornicotine)和烟碱(Nicotine)的特征质谱信号峰：m/z 149得到[Nornicotine+H]⁺的信号以及m/z 163得到[Nicotine+H]⁺的信号；并且图7至图8中，除了上述主要成分的相关离子峰外，基本没有其它杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述装置和方法对烟草粉末提取物(药物提取物)类的复杂样品具有良好的离子化效率；此外，通过图7和图8中降烟碱和烟碱信号的相对比例，还能反应两个样品中降烟碱和烟碱相对含量的不同，说明采用本发明所述的装置和方法还能快速清晰区别烟草粉末样品中降烟碱和烟碱相对比例，而且提取液中残留的细颗粒吸附在进样探头上，没有对测定造成影响，也没有对质谱仪造成污染。

实施例3

采用本发明所述的能用于复杂样品分析的质谱进样装置与质谱仪(质量分析器为傅里叶变换离子回旋共振质谱仪)对血浆样品1和血浆样品2进行质谱分析：

血浆样品1和血浆样品2中均含有分子量为237的药物K，分别将0.1mL的血浆样品1和2加入20μL内标溶液和0.2mL有机溶剂沉淀蛋白(甲醇/乙腈＝1:1)，涡旋5分钟混合均匀，12000转/min离心10分钟，取上清液备用；采用DART离子源1，采用氦气为辅助气体，氦气的工作温度为350℃，进样探头2的采样端21的端口与所述引流罩8的进口81间的距离D为10mm；采样端21直接点样进样，上样量为4μL，然后旋转进样探头2，将进样探头2置于DART离子源1附近，样品被离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道3进入质谱仪进行质谱分析，分析结果如图9至图10所示。

图9为得到的血浆样品1的质谱分析图，图中出现了血浆样品1中主要成分药物K的特征质谱信号峰：m/z 238得到药物K的[M+H]⁺信号，m/z 242为内标物的[M+H]⁺信号；图10为得到的血浆样品2的质谱分析图，图中出现了血浆样品2中主要成分药物K的特征质谱信号峰：m/z 238得到药物K的[M+H]⁺信号，m/z 242为内标物的[M+H]⁺信号；并且图9至图10中，除了上述主要成分和内标物的相关离子峰外，基本没有其它杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述装置和方法对血浆样品(生物样本提取物)类的复杂样品具有良好的离子化效率；此外，通过图9和图10中药物K与内标物信号的相对比例，能反应两个样品中药物K与内标物浓度的不同，说明采用本发明所述的装置和方法还能快速清晰区别血浆样品中药物K与内标物相对比例。

实施例4

采用本发明所述的能用于复杂样品分析的质谱进样装置与质谱仪(质量分析器为傅里叶变换离子回旋共振质谱仪)对有机聚合物样品1和有机聚合物样品2进行质谱分析：

有机聚合物样品1和有机聚合物样品2是两个聚合度略有不同的有机聚合物，为粘稠液体，不易溶于水和甲醇等溶剂，该类聚合物是两端有缩水甘油醚封端的聚丙二醇，结构为C₂H₃OCH₂-(OC₃H₆)_X-OCH₂C₂H₃O，聚丙二醇连续单元(OC₃H₆)分布范围一般为(X:4～10)。

采用DART离子源1，采用氦气为辅助气体，氦气的工作温度为450℃，进样探头2的采样端21的端口与所述引流罩8的进口81间的距离D为10mm；旋转进样探头2，进样探头2的端21直接蘸取进样，将进样探头2置于DART离子源1附近，样品被离子化，离子化后的样品通过质谱进样通道3进入质谱仪进行质谱分析，分析结果如图11至图12所示。

图11为得到的有机聚合物样品1的质谱分析图，图中出现了有机聚合物样品1中不同聚合度的聚合物的特征质谱信号峰：m/z 380是连续单元(OC₃H₆)数目X＝4聚合分子的[M+NH₄]⁺信号，m/z 438是X＝5的[M+NH₄]⁺信号，m/z 496是X＝6的[M+NH₄]⁺信号，m/z 554是X＝7的[M+NH₄]⁺信号，m/z 612是X＝8的[M+NH₄]⁺信号；图12为得到的有机聚合物样品2的质谱分析图，图中出现了有机聚合物样品2中不同聚合度的聚合物的特征质谱信号峰：m/z 438是连续单元(OC₃H₆)数目X＝5聚合分子的[M+NH₄]⁺信号，m/z 496是X＝6的[M+NH₄]⁺信号，m/z554是X＝7的[M+NH₄]⁺信号，m/z 612是X＝8的[M+NH₄]⁺信号，m/z 670是X＝9的[M+NH₄]⁺信号；且图11至图12中，除了上述不同聚合度的聚合物的相关离子峰外，基本没有其它杂质离子峰干扰，说明采用本发明所述装置和方法对有机聚合物类的复杂样品具有良好的离子化效率；此外，从图11和图12能清晰区别这两个样本中聚合程度不同的各物种的分布差异情况，样品1中聚合物分子X范围主要在4～8之间，样品1中最高信号m/z 496对应的结构中连续单元(OC₃H₆)数目X为6；样品2中聚合物分子X范围主要在5～9之间，样品2中最高信号m/z554对应结构中连续单元(OC₃H₆)数目X为7，说明采用本发明所述装置和方法还能快速清晰区别不同的有机聚合物的聚合物分子分布范围。

综上所述：采用本发明的质谱进样装置，能实现样品的充分的解吸和离子化，与质谱联用后，可显著提高质谱分析的灵敏度和普适性，不需要对样品进行复杂的前处理即可对液态样品、固态样品均能实现离子化，不仅对化合物样品具有良好的离子化效果，而且对药品提取物、生物样本提取物、有机聚合物等复杂样品均具有良好的离子化效果，应用范围广，普适性强，且操作简单，采样方便，大大缩短了分析时间，实用性强，具有推广应用价值。

最后有必要在此指出的是：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。