快速蒸發介質阻擋放電電離源的研制及其與小型化質譜儀的聯用

葛賽金　張英軍　朱雯飛　吳輝　白樺　馬強　李曉旭

摘 要 研制了小型化介質阻擋放電電離源（DBDI），將稀釋或溶解于有機溶劑中的樣品快速蒸發，以氣溶膠的形態引入等離子體噴射區域，與實驗室自制的小型化線形離子阱質譜儀聯用，儀器整機體積為31.5 cm×27.3 cm×27.3 cm，重量僅18 kg。優化了載氣流速和樣品快速蒸發區域的溫度，評估了儀器的檢測限和穩定性等性能指標。實驗結果表明，在選擇離子存儲條件下，可以檢測出0.2 ng/mL咖啡因樣品。通過連續進樣并采集200張質譜圖，計算得到樣品離子強度的相對標準偏差（RSD）為11.1%。最后，分別檢測了丙泊酚、精氨酸、SIPI5286和利血平等多種樣品，得到了對應的質譜圖。 研制的快速蒸發小型化DBDI源與實驗室自制的小型化線形離子阱質譜儀聯用系統具有定性能力強、分析速度快、檢測限低以及穩定性較高等特點，在現場實時檢測領域具有良好的應用價值和發展前景。

關鍵詞 小型化; 介質阻擋放電; 快速蒸發; 線形離子阱質譜儀; 檢出限

1 引 言

質譜儀作為現代分析儀器的代表，具有很強的物質定性和定量分析能力。近年來，小型化質譜儀在食品檢測[1]、環境監測[2，3]、公共安全[4]、法醫研究[5]以及化學合成[6，7]等領域發揮著越來越重要的作用。因此，研究和開發具備現場分析和應急檢測能力的小型化質譜儀已成為質譜領域的研究熱點之一。質譜儀小型化的難點之一是真空系統的小型化，2008年，Gao等[8]研制了基于一級真空系統和非連續大氣壓接口的便攜式質譜儀，通過機械式地開關大氣壓接口，使離子以“脈沖”的方式進入質譜儀。Li等[9]設計了小型化三級差分真空系統，研制了具有連續大氣壓接口的小型化線形離子阱質譜儀，并與納升電噴霧電離源聯用，獲得了良好的分析性能。此外，為了實現樣品的快速、實時和原位電離，各類敞開式電離源（如解吸電噴霧電離源（Desorption electrospary ionization， DESI）、實時直接分析（Direct analysis in real-time， DART）和介質阻擋放電電離源（Dielectric barrier discharge ionization， DBDI）等）[10]也被相繼應用于小型化質譜儀。

DBDI作為一種新型的敞開式電離源，可實現對固態、液態和氣態樣品的實時在線分析。在毒品檢測[11]、爆炸物檢測[12]和藥物分析[13]等領域得到了廣泛運用。DBDI利用介質阻擋條件下的交流高壓放電，激發氦氣等惰性氣體生成等離子體，進而實現對樣品的軟電離。2017年，胡舜迪等[14]利用DBDI源與大型LTQ（Linear ion trap quadrupole）質譜儀聯用，快速檢測了4種極性較低的合成藥物，為藥物研究提供了一種新的、快速檢測方法。2018年，洪歡歡等[15]設計了單電極的DBDI源， 并與大型LTQ質譜儀聯用， 提出了一種消電子技術，使部分弱極性樣品的檢測信噪比提高了5～6倍。DBDI與傳統大型質譜儀聯用已得到較多實驗論證。但是，其與小型化質譜儀聯用方面的報道較少。

本研究將研制的快速蒸發小型化DBDI源與連續大氣壓接口-小型化線形離子阱質譜儀聯用， 通過優化載氣流速與樣品快速蒸發區域溫度等參數，提升了儀器的檢測限和穩定性等性能指標。利用此系統現場快速實時檢測了多種樣品，并得到了相應的質譜圖。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

改進的小型化線形離子阱質譜儀（自制）[9]： 離子傳輸線長度為10 cm，孔徑由0.25 mm 增大至0.30 mm; SVF-E1M-50/OEM前級泵（杭州思科渦旋公司）的抽速為50 L/min，并且與儀器分離; 石英管（江蘇科泰石英公司）外徑5 mm，內徑3 mm，長度53 mm; MFC2022流量控制模塊（瑞士Axetris公司）的流速控制范圍為0～3000 mL/min; 交流高壓模塊（云霄科技公司）的輸出幅值為2.5 kV，頻率為10 kHz; LU-926U（S）溫控器（安東Anthone）的溫度控制范圍為0～800℃。

無水甲醇（色譜級， 99.99%， 蘇州科同生物醫藥科技有限公司）; 氦氣（高純99.999%， 江蘇科米克化工有限公司）; 高純水（色譜級， 99.99%，江蘇博美達生命科學有限公司）; 咖啡因固體（純度99.7%， 江蘇博美達生命科學有限公司）; 丙泊酚標準溶液（500 mg/L， 蘇州斯麥福生物科技有限公司）; 精氨酸標準溶液（100 mg/L， 北京伊諾凱科技有限公司）; SIPI5286標準溶液（500 mg/L， 中國科學院上海藥物研究所提供）; 利血平標準溶液（100 mg/L， 阿爾塔科技有限公司）。

2.2 實驗平臺搭建

實驗平臺及結構示意圖如圖1A和1C所示。研制的單電極小型化DBDI源如圖1E所示，用鐵架臺將其水平固定，高度與小質譜的大氣接口保持一致，等離子噴射端與質譜大氣接口相距約1.5 cm，實物相對位置如圖1B所示。氦氣通過外徑為4 mm的直插式皮管，從氦氣瓶上減壓閥的出口處進入流量傳感器，然后以一定的可控流速進入石英玻璃管。銅環電極嵌套在石英玻璃管外表面，距離噴射端約0.8 cm， 在銅環電極上施加交流高壓，氦氣被激發成等離子體束向質譜大氣壓接口噴射。樣品快速蒸發平臺如圖1D所示，內部有加熱棒與PT100，外部用耐高溫的保溫棉包裹，然后用鐵架臺固定于質譜大氣壓接口與等離子體噴射端之間的正下方，垂直距離約1 cm，便于快速蒸發后的氣溶膠狀樣品充分接觸等離子體火焰。

2.3 樣品處理

將咖啡因固體溶解于甲醇-水（1∶1， V/V）， 配制成濃度為50 μg/mL的標準溶液。將50 μg/mL咖啡因溶液用甲醇-水（1∶1， V/V）稀釋，分別配制成濃度為1、0.5、0.4、0.25、0.1 μg/mL和5、1、0.2 ng/mL的咖啡因待測溶液。以上述同樣的方法，分別將對應的樣品標準溶液稀釋，配制成濃度均為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 實驗方法

2.4.1 DBDI實驗條件優化 用移液槍取濃度為0.1 μg/mL的咖啡因溶液，每次均勻垂直滴加20 μL至樣品快速蒸發平臺上，分別優化加熱溫度（70～210℃）以及載氣流速（100～600 mL/min）。每組實驗重復3次，根據咖啡因的平均響應強度確定最優實驗條件。

2.4.2 咖啡因在聯用平臺上的響應性能

用移液槍從低到高依次取不同濃度的咖啡因溶液，每次均勻垂直滴加20 μL至樣品快速蒸發平臺上，為減小實驗誤差，相同濃度樣品均重復3～4次，計算得到各濃度下的平均信號強度。以平均信號強度為縱坐標，質量濃度（ng/mL）為橫坐標，繪制咖啡因濃度響應曲線。當樣品濃度較低時，可通過增加離子化時間線性提高離子強度，最后統計的離子強度再歸一化至同一離子化時間。

2.4.3 聯用穩定性測試 在優化的實驗條件下，每次用移液槍抽取20 μL 100 ng/mL咖啡因樣品，垂直滴加至快速蒸發平臺上，采集200張譜圖并繪制信號強度分布圖，計算相對標準偏差。

2.4.4 對其它樣品的快速檢測

用移液槍抽取30 μL的不同測試樣品，分別均勻垂直滴加至加熱蒸發平臺上，通過DBDI實驗條件的優化以及質譜電參數的調試，測得相應的質譜圖。

3 結果與討論

3.1 DBDI實驗條件優化

快速蒸發區的溫度會影響待檢測樣品離子的信號強度。本實驗中，控制載氣流速為400 mL/min， 加熱溫度變化范圍在70℃～210℃時，得到樣品離子信號強度與加熱溫度的關系如圖2A所示。當樣品加熱溫度為170℃時，信號強度最大，溫度繼續升高，信號強度略有下降。原因可能是隨著溫度升高，樣品揮發率提高，在相同條件下，有更多的氣溶膠狀樣品接觸等離子體火焰，信號強度增強，若溫度繼續升高，樣品揮發量趨于飽和，而在高溫下部分樣品熱裂解，導致信號強度降低。因此，選擇最優的加熱咖啡因樣品的溫度為170℃。

載氣流速會影響等離子體中亞穩態的He數量，從而影響電離效率。本實驗中，控制樣品加熱溫度為170℃，氦氣流速從100 mL/min增加至600 mL/min，得到樣品離子信號強度和載氣流速的關系如圖2B所示。隨著載氣流速增大，單位時間內樣品電離出的離子數目增多，信號強度增大。但倍增器檢測離子數存在上限，當載氣流速大于400 mL/min時，信號強度并無明顯變化。因此，選擇最優的載氣流速為400 mL/min。

3.2 咖啡因在聯用平臺上的響應性能

在優化后的實驗條件下，將快速蒸發小型化DBDI源與小型化線形離子阱質譜儀聯用，檢測不同濃度的咖啡因樣品，咖啡因濃度響應曲線如圖3A所示。實驗過程中，離子阱在選擇離子存儲模式下工作，通過存儲波形逆傅里葉變換（SWIFT）技術對目標離子（m/z=195）進行了質量隔離。隔離目標離子的q=0.35，設置SWIFT波形的缺口頻率為127～135 kHz。離子化時間為100 ms時，0.2 ng/mL 咖啡因樣品的質譜圖如圖3B所示。與本研究組前期報道的樣品測試結果[9]進行對比，改進后的儀器與DBDI源聯用，儀器檢測限從5 ng/mL降低至0.2 ng/mL。儀器檢測性能提高的原因主要在于兩個方面：一是離子傳輸線的內徑增大，提高了離子引入效率; 二是快速蒸發-DBDI電離源提升了樣品的電離效率。

3.3 聯用穩定性測試

儀器的穩定性是小型化質譜儀的重要性能指標。本實驗在離子選擇存儲模式下，分析100 ng/mL的咖啡因樣品，選擇的存儲目標離子為m/z=195，電離時間為0.05 ms。按照2.4.3節的進樣和實驗方法進行操作，每次滴加樣品后，記錄質譜信號強度最高的一張質譜圖。待上一次的質譜信號降至基線附近，再進行下一次樣品滴入，共重復200次實驗，采集了每一張譜圖的樣品離子豐度，得到的信號強度分布圖如圖4所示，計算得到相對標準偏差（RSD）為11.1%。表明快速蒸發小型化DBDI源與小型化線形離子阱質譜儀聯用，在樣品連續進樣、快速分析時，穩定性較高。

3.4 對其它樣品的快速檢測

利用本聯用平臺對丙泊酚、精氨酸、SIPI5286和利血平進行了現場快速實時檢測。檢測時，僅需滴加幾滴樣品至快速蒸發加熱平臺上。檢測得到的質譜圖如圖5所示，與相關文獻中檢測精氨酸[16]、SIPI5286[17]、利血平[9]得到的質譜圖一致。 結果表明，上述4種樣品電離均檢測出了＼[M+H＼]+的質譜峰，這與DBDI的潘寧離子化原理吻合[18]。實驗中，從進樣到正確檢出樣品的時間小于1 s。綜上，本聯用平臺具備了快速、實時分析熱穩定樣品的能力。

4 結 論

將研制的快速蒸發小型化DBDI源與小型化線形離子阱質譜儀聯用。優化了樣品快速蒸發區域的加熱溫度與載氣流速，測試了儀器的分析性能，繪制了咖啡因樣品濃度響應曲線，結果表明，在選擇離子存儲模式下，儀器的檢測限可達到0.2 ng/mL。在穩定性測試中，樣品離子強度相對標準偏差為111%。利用本系統對丙泊酚、精氨酸、SIPI5286和利血平進行了現場快速檢測，并得到了相應的質譜圖。本系統對熱不穩定的樣品尚無法有效分析，今后工作中需針對此問題進行改進。

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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