快速蒸发介质阻挡放电电离源的研制及其与小型化质谱仪的联用

    葛赛金　张英军　朱雯飞　吴辉　白桦　马强　李晓旭

    

    

    

    摘 要 研制了小型化介质阻挡放电电离源（DBDI），将稀释或溶解于有机溶剂中的样品快速蒸发，以气溶胶的形态引入等离子体喷射区域，与实验室自制的小型化线形离子阱质谱仪联用，仪器整机体积为31.5 cm×27.3 cm×27.3 cm，重量仅18 kg。优化了载气流速和样品快速蒸发区域的温度，评估了仪器的检测限和稳定性等性能指标。实验结果表明，在选择离子存储条件下，可以检测出0.2 ng/mL咖啡因样品。通过连续进样并采集200张质谱图，计算得到样品离子强度的相对标准偏差（RSD）为11.1%。最后，分别检测了丙泊酚、精氨酸、SIPI5286和利血平等多种样品，得到了对应的质谱图。 研制的快速蒸发小型化DBDI源与实验室自制的小型化线形离子阱质谱仪联用系统具有定性能力强、分析速度快、检测限低以及稳定性较高等特点，在现场实时检测领域具有良好的应用价值和发展前景。

    关键词 小型化; 介质阻挡放电; 快速蒸发; 线形离子阱质谱仪; 检出限

    1 引 言

    质谱仪作为现代分析仪器的代表，具有很强的物质定性和定量分析能力。近年来，小型化质谱仪在食品检测[1]、环境监测[2，3]、公共安全[4]、法医研究[5]以及化学合成[6，7]等领域发挥着越来越重要的作用。因此，研究和开发具备现场分析和应急检测能力的小型化质谱仪已成为质谱领域的研究热点之一。质谱仪小型化的难点之一是真空系统的小型化，2008年，Gao等[8]研制了基于一级真空系统和非连续大气压接口的便携式质谱仪，通过机械式地开关大气压接口，使离子以“脉冲”的方式进入质谱仪。Li等[9]设计了小型化三级差分真空系统，研制了具有连续大气压接口的小型化线形离子阱质谱仪，并与纳升电喷雾电离源联用，获得了良好的分析性能。此外，为了实现样品的快速、实时和原位电离，各类敞开式电离源（如解吸电喷雾电离源（Desorption electrospary ionization， DESI）、实时直接分析（Direct analysis in real-time， DART）和介质阻挡放电电离源（Dielectric barrier discharge ionization， DBDI）等）[10]也被相继应用于小型化质谱仪。

    DBDI作为一种新型的敞开式电离源，可实现对固态、液态和气态样品的实时在线分析。在毒品检测[11]、爆炸物检测[12]和药物分析[13]等领域得到了广泛运用。DBDI利用介质阻挡条件下的交流高压放电，激发氦气等惰性气体生成等离子体，进而实现对样品的软电离。2017年，胡舜迪等[14]利用DBDI源与大型LTQ（Linear ion trap quadrupole）质谱仪联用，快速检测了4种极性较低的合成药物，为药物研究提供了一种新的、快速检测方法。2018年，洪欢欢等[15]设计了单电极的DBDI源， 并与大型LTQ质谱仪联用， 提出了一种消电子技术，使部分弱极性样品的检测信噪比提高了5～6倍。DBDI与传统大型质谱仪联用已得到较多实验论证。但是，其与小型化质谱仪联用方面的报道较少。

    本研究将研制的快速蒸发小型化DBDI源与连续大气压接口-小型化线形离子阱质谱仪联用， 通过优化载气流速与样品快速蒸发区域温度等参数，提升了仪器的检测限和稳定性等性能指标。利用此系统现场快速实时检测了多种样品，并得到了相应的质谱图。

    2 实验部分

    2.1 仪器与试剂

    改进的小型化线形离子阱质谱仪（自制）[9]： 离子传输线长度为10 cm，孔径由0.25 mm 增大至0.30 mm; SVF-E1M-50/OEM前级泵（杭州思科涡旋公司）的抽速为50 L/min，并且与仪器分离; 石英管（江苏科泰石英公司）外径5 mm，内径3 mm，长度53 mm; MFC2022流量控制模块（瑞士Axetris公司）的流速控制范围为0～3000 mL/min; 交流高压模块（云霄科技公司）的输出幅值为2.5 kV，频率为10 kHz; LU-926U（S）温控器（安东Anthone）的温度控制范围为0～800℃。

    无水甲醇（色谱级， 99.99%， 苏州科同生物医药科技有限公司）; 氦气（高纯99.999%， 江苏科米克化工有限公司）; 高纯水（色谱级， 99.99%，江苏博美达生命科学有限公司）; 咖啡因固体（纯度99.7%， 江苏博美达生命科学有限公司）; 丙泊酚标准溶液（500 mg/L， 苏州斯麦福生物科技有限公司）; 精氨酸标准溶液（100 mg/L， 北京伊诺凯科技有限公司）; SIPI5286标准溶液（500 mg/L， 中国科学院上海药物研究所提供）; 利血平标准溶液（100 mg/L， 阿尔塔科技有限公司）。

    2.2 实验平台搭建

    实验平台及结构示意图如图1A和1C所示。研制的单电极小型化DBDI源如图1E所示，用铁架台将其水平固定，高度与小质谱的大气接口保持一致，等离子喷射端与质谱大气接口相距约1.5 cm，实物相对位置如图1B所示。氦气通过外径为4 mm的直插式皮管，从氦气瓶上减压阀的出口处进入流量传感器，然后以一定的可控流速进入石英玻璃管。铜环电极嵌套在石英玻璃管外表面，距离喷射端约0.8 cm， 在铜环电极上施加交流高压，氦气被激发成等离子体束向质谱大气压接口喷射。样品快速蒸发平台如图1D所示，内部有加热棒与PT100，外部用耐高温的保溫棉包裹，然后用铁架台固定于质谱大气压接口与等离子体喷射端之间的正下方，垂直距离约1 cm，便于快速蒸发后的气溶胶状样品充分接触等离子体火焰。

    2.3 样品处理

    将咖啡因固体溶解于甲醇-水（1∶1， V/V）， 配制成浓度为50 μg/mL的标准溶液。将50 μg/mL咖啡因溶液用甲醇-水（1∶1， V/V）稀释，分别配制成浓度为1、0.5、0.4、0.25、0.1 μg/mL和5、1、0.2 ng/mL的咖啡因待测溶液。以上述同样的方法，分别将对应的样品标准溶液稀释，配制成浓度均为1 μg/mL的丙泊酚溶液、精氨酸溶液、SIPI5286溶液和利血平溶液。

    2.4 实验方法

    2.4.1 DBDI实验条件优化 用移液枪取浓度为0.1 μg/mL的咖啡因溶液，每次均匀垂直滴加20 μL至样品快速蒸发平台上，分别优化加热温度（70～210℃）以及载气流速（100～600 mL/min）。每组实验重复3次，根据咖啡因的平均响应强度确定最优实验条件。

    2.4.2 咖啡因在联用平台上的响应性能

    用移液枪从低到高依次取不同浓度的咖啡因溶液，每次均匀垂直滴加20 μL至样品快速蒸发平台上，为减小实验误差，相同浓度样品均重复3～4次，计算得到各浓度下的平均信号强度。以平均信号强度为纵坐标，质量浓度（ng/mL）为横坐标，绘制咖啡因浓度响应曲线。当样品浓度较低时，可通过增加离子化时间线性提高离子强度，最后统计的离子强度再归一化至同一离子化时间。

    2.4.3 联用稳定性测试 在优化的实验条件下，每次用移液枪抽取20 μL 100 ng/mL咖啡因样品，垂直滴加至快速蒸发平台上，采集200张谱图并绘制信号强度分布图，计算相对标准偏差。

    2.4.4 对其它样品的快速检测

    用移液枪抽取30 μL的不同测试样品，分别均匀垂直滴加至加热蒸发平台上，通过DBDI实验条件的优化以及质谱电参数的调试，测得相应的质谱图。

    3 结果与讨论

    3.1 DBDI实验条件优化

    快速蒸發区的温度会影响待检测样品离子的信号强度。本实验中，控制载气流速为400 mL/min， 加热温度变化范围在70℃～210℃时，得到样品离子信号强度与加热温度的关系如图2A所示。当样品加热温度为170℃时，信号强度最大，温度继续升高，信号强度略有下降。原因可能是随着温度升高，样品挥发率提高，在相同条件下，有更多的气溶胶状样品接触等离子体火焰，信号强度增强，若温度继续升高，样品挥发量趋于饱和，而在高温下部分样品热裂解，导致信号强度降低。因此，选择最优的加热咖啡因样品的温度为170℃。

    载气流速会影响等离子体中亚稳态的He数量，从而影响电离效率。本实验中，控制样品加热温度为170℃，氦气流速从100 mL/min增加至600 mL/min，得到样品离子信号强度和载气流速的关系如图2B所示。随着载气流速增大，单位时间内样品电离出的离子数目增多，信号强度增大。但倍增器检测离子数存在上限，当载气流速大于400 mL/min时，信号强度并无明显变化。因此，选择最优的载气流速为400 mL/min。

    3.2 咖啡因在联用平台上的响应性能

    在优化后的实验条件下，将快速蒸发小型化DBDI源与小型化线形离子阱质谱仪联用，检测不同浓度的咖啡因样品，咖啡因浓度响应曲线如图3A所示。实验过程中，离子阱在选择离子存储模式下工作，通过存储波形逆傅里叶变换（SWIFT）技术对目标离子（m/z=195）进行了质量隔离。隔离目标离子的q=0.35，设置SWIFT波形的缺口频率为127～135 kHz。离子化时间为100 ms时，0.2 ng/mL 咖啡因样品的质谱图如图3B所示。与本研究组前期报道的样品测试结果[9]进行对比，改进后的仪器与DBDI源联用，仪器检测限从5 ng/mL降低至0.2 ng/mL。仪器检测性能提高的原因主要在于两个方面：一是离子传输线的内径增大，提高了离子引入效率; 二是快速蒸发-DBDI电离源提升了样品的电离效率。

    3.3 联用稳定性测试

    仪器的稳定性是小型化质谱仪的重要性能指标。本实验在离子选择存储模式下，分析100 ng/mL的咖啡因样品，选择的存储目标离子为m/z=195，电离时间为0.05 ms。按照2.4.3节的进样和实验方法进行操作，每次滴加样品后，记录质谱信号强度最高的一张质谱图。待上一次的质谱信号降至基线附近，再进行下一次样品滴入，共重复200次实验，采集了每一张谱图的样品离子丰度，得到的信号强度分布图如图4所示，计算得到相对标准偏差（RSD）为11.1%。表明快速蒸发小型化DBDI源与小型化线形离子阱质谱仪联用，在样品连续进样、快速分析时，稳定性较高。

    3.4 对其它样品的快速检测

    利用本联用平台对丙泊酚、精氨酸、SIPI5286和利血平进行了现场快速实时检测。检测时，仅需滴加几滴样品至快速蒸发加热平台上。检测得到的质谱图如图5所示，与相关文献中检测精氨酸[16]、SIPI5286[17]、利血平[9]得到的质谱图一致。 结果表明，上述4种样品电离均检测出了＼[M+H＼]+的质谱峰，这与DBDI的潘宁离子化原理吻合[18]。实验中，从进样到正确检出样品的时间小于1 s。综上，本联用平台具备了快速、实时分析热稳定样品的能力。

    4 结 论

    将研制的快速蒸发小型化DBDI源与小型化线形离子阱质谱仪联用。优化了样品快速蒸发区域的加热温度与载气流速，测试了仪器的分析性能，绘制了咖啡因样品浓度响应曲线，结果表明，在选择离子存储模式下，仪器的检测限可达到0.2 ng/mL。在稳定性测试中，样品离子强度相对标准偏差为111%。利用本系统对丙泊酚、精氨酸、SIPI5286和利血平进行了现场快速检测，并得到了相应的质谱图。本系统对热不稳定的样品尚无法有效分析，今后工作中需针对此问题进行改进。

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    Abstract A miniaturized dielectric barrier discharge ionization （DBDI） source assisted with a sample rapid evaporation platform was developed. With the DBDI source， the sample solution could be evaporated rapidly into aerosol state and then transferred to plasma ionization region， which improved the efficiency of sample transmission and ionization. The miniaturized DBDI source was coupled to a homemade miniaturized linear ion trap mass spectrometer which had a total volume of 31.5 cm×27.3 cm×27.3 cm and a weight of about 18 kg. In the experiment， the flow rate of carrier gas （He） and the temperature of sample rapid evaporation platform were optimized， and the limit of detection （LOD） and stability of the instrument were evaluated. Experimental results indicated that a LOD of 0.2 ng/mL （caffeine solution， mass selected storage， m/z 195） was achieved. The relative standard deviation （RSD） of the mass spectrum intensity was calculated to be 11.1%. Furthermore， various samples including propofol， arginine， SIPI5286 and reserpine were analyzed using the instrument. The combination of rapid evaporation assisted DBDI source and the homemade miniaturized linear ion trap mass spectrometer had the characteristics of strong qualitative ability， fast analytical speed， low limit of detection and high stability， and showed a great potential in the field of real-time and in-situ analysis.

    Keywords Miniaturization; Dielectric barrier discharge ionization; Rapid evaporation; Linear ion trap mass spectrometer; Limit of detection