简便的无栅极实时直接分析质谱进样装置

韩玉良等

摘 要 设计并构建了一种简单方便的无栅极实时直接分析（DART） 质谱进样装置， 它由惰性载气、离子发生器、加热管以及温控部分等组成， 该装置不含栅极， 减少了结构单元， 可与多种质谱仪联用。具有结构简单、易于构建、灵活、成本低的特点。使用构建的装置， 考察了载气类型、载气流速以及加热带温度等实验条件的影响。选取氩气作载气， 流速7.5 L/min， 加热带温度为300℃， 通过对苯乙醇和亚油酸溶液、敌敌畏乳剂、蚊香块和柑橘皮、以及薄层板上的盐酸普萘洛尔6种样品的分析结果， 显示了该装置的实用性。

关键词 实时直接分析； 装置； 质谱

1 引 言

实时直接分析（Direct analysis in real time， DART）是由Cody课题组在2005年提出的质谱分析进样单元[1]。DART由于不需要样品前处理、缩短样品分析时间、不产生加合离子（如[M+Na]+， [M+K]+）等优点， 在饮用品中的有害物质[2]、农作物表面菌属[3]、假药[4]、包装材料[5，6]、天然驱蚊产品中的人工添加剂[7]、植物栽培品种差异[8]等分析方面， 均获得了实时、无接触和无损耗的分析结果。Marinella等[9]用实时直接分析质谱（DARTMS）直接对果皮中的残留有害成分进行检测， 对抑霉唑等残留成分的检测限达到了纳克级， 显示出DARTMS处理量高、操作简单、有效避免交叉污染的特点。Fernandez等[10]利用DART离子化技术， 在非常短的时间内实现高效快速的药物成分分析， 可以直观、清晰地辨别出假青蒿琥酯片中仅含有常用药物辅料硬脂酸盐和棕榈酸盐， 而没有或基本没有有效抗疟疾的青蒿琥酯成分， 无需样品制备过程， 在2 min内即可完成10个样品的分析。Hye等[11]提出了一种TLC与DARTMS联用的新分析方法， 可用于快速鉴定植物中的化学成分， 该方法通过实时获得薄层板中化合物组分的高精度质谱数据。为研究天然产物化学成分提供了一个简单、快速和高效率的方法。Adams等[12]采用DARTMS分析16种参照纸的纸浆组分和树脂污染物， 不需要样品处理过程， 即可获得牛皮纸、化学预热机械纸和石墨浆纸的实时质谱图， 进一步显示了DARTMS的无损耗测试样品的能力[13]。另外， 文献[14，15]采用DARTMS方法分别分析了金属有机化合物和血浆中的小分子组分， 显示了该方法的广泛应用。

现有的DART技术存在设备结构复杂、与不同质谱仪之间的接口差异大、不易安装、成本较高等问题。本研究根据DART的机理并适当简化， 设计并构建了一种结构简单、灵活、成本低的无栅极DART装置， 用于不同样品的检测， 结果表明， 此装置可用于实际的DARTMS实验。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

SolariX 70型傅里叶变换离子回旋共振质谱仪（FTICRMS， Bruker公司）；离子风蛇SL080BF型离子发生器（封住感应头使其处于常开状态， 工作电压4.6 kV， 深圳市福克皓防静电设备有限公司）；XMTD6411型温度控制器（PID方式控温， 上海图灵仪表有限公司）； 玻璃纤维加热带（100 cm×3 cm， 耐温400 ℃， 江苏润江电热仪表公司）；石英玻璃管对接离子发生器的出口（参见图1）， 总长230 mm， 插入离子发生器出口的8 mm内径部分长30 mm， 中间4 mm内径部分长150 mm， 插入点滴管的2 mm内径部分长50 mm， 壁厚均为2 mm； 直型点滴管90 mm；不锈钢筛网（100目， 上海坤元筛网有限公司）。氩气和氮气（上海申中工业气体有限公司）；桔皮素（对照品≥99%， 上海如吉生物科技有限公司）；亚油酸（60%～74%）和苯乙醇 （化学纯， 国药集团化学试剂有限公司）；甲醇和异丙醇（色谱纯， 国药集团化学试剂有限公司）；盐酸普萘洛尔（常州亚邦制药厂）；敌敌畏（77.5%敌敌畏乳油， 南通江山农药化工股份有限公司）；蚊香（四氟甲醚菊酯含量： 0.03%， 浙江正点实业有限公司）；柑橘购自当地超市。

2.2 实验方法

2.2.1 仪器装置的构建 根据实时直接进样装置的原理， 考虑到质谱仪内部有电荷选择的模块， 实验中舍去栅极， 简化了结构。为方便构建实验装置， 使用了商品化离子发生器， 在石英玻璃管外部缠绕加热带加热。所建立的DART装置基本结构、实际装置图以及石英玻璃管如图1所示。气体由钢瓶进入带有4.6 kV高压的离子化设备， 使气态载气分子部分变为离子态， 在腔内形成混有离子的气体；该离子化的气体流动到裹有加热带的石英玻璃管， 被加热到适当温度；石英玻璃管与直形点滴管紧密连接， 固定在旋转平台上的直行点滴管出口对准质谱进样口。通过直接操作质谱仪进行分析。

2.2.3 实验操作 全部装置连接起来后， 调节温控。待温度升到所需温度时， 打开惰性气体减压阀， 调节流量， 空吹整个管路1 min左右稳定气路。待气路稳定后， 对液体样品， 用100 μL移液枪取样品加入直型点滴管内壁， 对固体样品如蚊香、桔子皮则不作处理直接放入点滴管中。打开FTMS高压， 质谱仪的干燥气流速和喷雾气流速均设为0 L/min， 即可用质谱仪以电喷雾（ESI）操作模式检测样品。

3 结果与讨论

3.1 装置参数优化实验

以桔皮素作为标准样品优化装置参数， 取桔皮素溶液100 μL， 加入直型点滴管内壁， 按照2.2.3节的方法得到质谱图。根据桔皮素质荷比为372.1209。从载气的选择、载气流速、加热带温度3个方面考察实验条件的影响。

3.1.1 最佳载气的选择 使用氮气为载气， 在流速7.5 L/min， 加热带温度300℃时， 桔皮素的出峰情况如图2a所示。可见质谱峰强度很低， 信噪比差。可能是氮气为双原子分子， 在高压电离时会产生多种成分并发生反应， 噪音大。在与氮气相同条件下， 使用氩气对桔皮素分析， 桔皮素出峰如图2b所示， 结果令人满意。当载气为氦气时， 仪器自检认为氦气泄露， 与所用的FTMS冲突， 无法进行分析操作， 故舍却氦气。如果连接其它质谱仪也可以试用氦气。本实验选用氩气作载气。endprint

3.1.2 加热温度的影响 使用相同浓度的桔皮素， 氩气流速7.5 L/min， 加热带温度分别设置为200， 250，300和350 ℃。桔皮素质谱峰的强度如图3所示。在350 ℃时， 峰强度值达到了109。考虑到接近加热带的最高上限400 ℃， 而桔皮素的质谱响应较高， 故本实验选择300 ℃。

3.1.3 载气的流速的影响 设定加热带温度为300 ℃， 考察氩气流速2.5， 5.0， 7.5和10 L/min的影响。质谱峰强度值结果如图4所示（此处采集样品的时间缩短为3.1.1和3.1.2实验的1/2）， 本实验最佳流速选择为7.5 L/min。

3.1.4 溶剂空白 取甲醇、异丙醇、水的混合溶液100 μL， 滴在直形点滴管内壁， 载气为氩气， 流速7.5 L/min， 温度设置为300 ℃。得到的质谱图中未见桔皮素的峰。显示本装置不存在交叉污染。

3.2 苯乙醇和亚油酸的实时直接分析

吸取苯乙醇溶液100 μL， 滴在直形点滴管内壁上， 通入离子化氩气， 流速7.5 L/min， 温度设置为300 ℃。正离子模式检测， 结果见图5a。醇类物质出峰一般为[M+H]+、[2M+H]+， 本实验苯乙醇理论值[2M+H]+是m/z 245.15361， 测量值[2M+H]+是m/z 245.15450， 强度值为5.13×108， 结果相符。

吸取亚油酸溶液100 μL， 滴在直形点滴管内壁， 通入离子化氩气， 流速7.5 L/min， 温度设置为300 ℃。正离子模式检测， 结果见图5b。亚油酸理论值M+是m/z 280.23969， 测量值M+是m/z 280.24161， 强度值为2.14×108， 结果相符， 其中m/z 256.24090的峰推测为杂质棕榈酸， 强度值为8.53×107（棕榈酸的理论值M+为m/z 256.2397）。

3.3 敌敌畏乳油的实时直接分析

选取乳油敌敌畏混合物做样品， 吸取敌敌畏乳油的配制溶液100 μL， 滴在直形点滴管内， 载入氩气， 流速7.5 L/min， 温度300℃。正离子模式检测结果如图6所示。主成分敌敌畏理论值[M+H]+是m/z 220.95318， 测量值[M+H]+是m/z 220.95371， 强度为7.67×109， 结果相符。图6中出现的另一高峰可能是敌敌畏乳油的助剂成分。

3.4 固体样品的实时直接分析

直接将切碎并吹去碎屑的蚊香块放入已经清洗过的玻璃直形点滴管内， 氩气流速7.5 L/min， 温度300 ℃， 正离子模式检测（图略）。四氟甲醚菊酯的理论值[M]+是m/z 374.14996， 测量值[M]+是m/z 374.15352， 强度为8.69×107， 结果相符。

将清洗过的柑橘皮放入已经清洗过的玻璃直形点滴管内， 氩气流速7.5 L/min， 温度设置为300 ℃。正离子模式检测结果如图7所示。桔皮素[M+H]+理论值为m/z 373.12818， 测量值为m/z 373.13247， 强度为6.89×108， 结果相符。另一个峰m/z 403.14385推测为川陈皮素， 强度值为9.94×108， （其[M+H]+理论值为m/z 403.13874）。

3.5 硅胶板上盐酸普萘洛尔的实时直接分析

模拟TLC的方法， 取点加盐酸普萘洛尔的硅胶板小块， 除去碎屑后放入直形点滴管内， 先吹去松散的硅胶粉， 再放入装置，设定氩气流速7.5 L/min， 温度300 ℃， 正离子模式检测（图略）。盐酸普萘洛尔理论值[M+H-HCl]+是m/z 260.16451， 测量值[M+H-HCl]+是m/z 260.16616， 强度为9.34×108， 结果相符。

3.6 离子化机理与实验讨论

本实验装置与现有的低温等离子探针（Lowtemperature plasma probe）[16]、介质阻挡放电离子化（Dielectric barrier discharge ion source）[17]、常压固体分析探针（Atmosphericpressure solids analysis probe）[18]、等离子体辅助解吸附离子化（Plasmaassisted desorption/ionization）[19]等有相似的原理， 均采用电离载气或惰性气体， 使其变成带有电荷的气体， 吹扫在样品表面， 携带样品进入质谱仪检测。不同处包括放电类型、样品是否暴露放电、是否需要在样品表面加热、载气流速等。上述方法之间的比较见表1。

本实验中溶液的进样方式是将样品滴在直形点滴管内壁上， 加热后的离子化氩气吹扫样品， 使样品带上电荷， 进入质谱进行分析。为了确认离子化机理， 还做了对比实验， 用电吹风将样品溶剂吹干再进样， 其强度与未吹干直接分析相比差异不大， 峰强度达到不吹干的80%～90%， 因此推测其仍为DART的机理。

为了增大气体离子与样品的接触面积， 取100 μL桔皮素溶液滴在100目不锈钢筛网， 放入装置中的直型点滴管中， 其它参数不变， 进行质谱分析。结果表明， 增加金属筛网承接样品未改善离子强度的效果。实验中对同一样品测定的质荷比重复性很好， 可以获得对样品准确的定性分析结果。对于氩气离子的离子化效率， 本实验中仅使用商品化的离子风蛇作离子发生器， 与离子风棒、离子风枪等离子发生器设备的差异还有待考察。本实验装置分析速度很快， 准备多根放置样品的直形点滴管即可避免残留成分的交叉污染， 实现快速切换样品MS分析。

4 结 论

本实验自行构建DART装置， 与傅里叶变换离子回旋共振质谱仪联用， 对不同样品的DARTMS分析。结果表明， 本装置的实用性较好。endprint

DART方法在质谱分析方面备受关注， 但目前其商品化仪器的价格较高， 在国内还未广泛普及。本装置结构简单、成本低、操作灵活， 对样品和质谱仪的接口没有复杂的限制， 可以方便、快速地构建， 并可用于实际样品的分析。

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Abstract The paper presents a flexible and simple direct analysis in realtime （DART） device without grid electrode for mass spectrometer injection. It contained inert carrier gas， ionizer， heater and temperaturecontroller etc. Excluding the grid electrode and then reducing the structure units， the device could be easy to build up in low cost and flexible to connect with a variety of mass spectrometers. The experimental conditions like the kind of carrier gas， flow rate and temperature were investigated for the device. By using argon as carrier gas， flow rate as 7.5 L/min， and temperature of heat tape as 300 ℃， the device was used to analyze benzene alcohol， linoleic acid， dichlorvos emulsion， mosquito coils， citrus peel， and sample （propranolol hydrochloride） on thinlayer plate combined with mass spectrometer. The results were accurate and the device was stable and reliable.

Keywords Direct analysis in real time； Device； Mass spectrum

（Received 14 September 2014； accepted 20 November 2014）endprint