飞行时间质谱仪固体样品自动进样系统研制

刘 蔓，韩莹莹，朱丽辉，卢焕明，李 勇

(中国科学院宁波材料技术与工程研究所,浙江 宁波 315201)

飞行时间质谱仪(Time of flight mass spectrometer,TOF)通过测量离子在飞行管中的飞行时间得到物质的精确分子量，可提供物质结构方面的信息，是了解有机物结构的重要工具之一，目前广泛应用于有机物合成、环境、食品、法医学、制药等领域[1-5]。该仪器通常配置商品化的电喷雾电离源(ESI)及大气压化学电离源(APCI)复合离子源，测定时所有样品均需经有机溶剂溶解，以溶液的形式通过液相色谱或者进样针、蠕动泵由管路进样，经离子化后进入质谱端检测。但对于部分分子量较大、极性较弱、刚性较强的非常规化合物，难以找到合适的有机溶剂溶解，且分子量较大的共轭结构的弱极性化合物在有机溶剂中的溶解性也很差。溶解度低，则得到的质谱信号弱，难以对化合物进行结构确证。而固体样品进样系统可直接气化及离子化目标物，能在保证进样量的前提下，确保质谱响应强度，完成对以上非常规未知化合物的分子量测定及结构分析，并与常规溶液形式进样的ESI及APCI离子源形成功能互补。

目前，有机物质固体进样装置的开发已取得了一定的成果，商品化的系统主要有实施直接分析(DART)和大气压固体探针(ASAP)两类[6-15]。其中DART源为外置源，不与原有离子源兼容，无法实现电离方式和离子源模式的快速切换，且价格十分昂贵。ASAP是一款手动进样杆，通过样品杆吸附固体样品，手动推至离子源内部进行电离，能基本实现固体样品进样，但在进样操作的便捷性、样品电离位置控制、离子源状态的实时监测及样品检测的稳定性等方面存在一定的不足。

本文研制了一套基于飞行时间质谱仪的可软件控制的固体样品自动进样系统，能够对未经处理的固体有机物进行测试，并通过在观测窗口加装工业相机及LED灯源，实现了锥孔处样品状态的可视化观察。

1 测试装置及工作原理

1.1 仪器与部件

AB Sciex Triple TOF 4600飞行时间质谱仪；电控平移台及控制器(美国帕克)；工业相机(加拿大Teledyne DALSA)；显示屏(台湾IEI)；进样杆(定制加工)。

图1 离子源接口示意图Fig.1 Schematic diagram of the interface of ion source1.sampling rod(进样杆)，2.quartz push rod(石英棒),3.APCI(大气压化学电离源)，4.heater(加热器),5.corona discharge needle(电晕放电针)，6.mass spectrometry inlet(质谱入口)

图2 进样杆实物图Fig.2 Sample injection rod

1.2 工作原理

如图1所示：进样杆直接粘附固体样品，通过软件控制进样系统将样品推送至加热器下方，化合物瞬间气化转变为气体分子，同时APCI源内的电晕放电针放电使源内N2分子电离，N2离子将电荷转移给目标分子使其带电后，目标离子在电场的作用下进入质谱分析器。

2 设备硬件搭建改造

2.1 进样杆的设计及离子化腔室的密封性考虑

为使本系统能与原离子源实现互不干扰又功能互补，设计整个固体样品自动进样系统从原离子源观测窗口上开孔实现接入。

在样品取样设计上，使用一次性洁净石英棒蘸取粉体样品，可以避免样品残留在管路中的交叉污染问题，同时也避免了溶剂的背景干扰。

如图2所示，考虑到加工方面的可靠性及难易程度，进样杆设计为圆柱体型的不锈钢材质，中心开孔2 mm，可插入1 mm粗细的石英取样棒。进样杆可通过在原TOF复合离子源观测窗口上(石英玻璃材质)的精确开孔，将样品直接推送至正对锥孔处，并处于加热器及APCI电晕针夹角的延长线上。利用原离子源的加热器将样品气化，以原APCI源的电晕针对样品进行电离质子化(正离子模式)或去质子化(负离子模式)，随后在电场的作用下进入锥孔。

由于在原离子源腔室观测窗口处开孔破坏了原有的密封环境，本研究通过在进样杆与离子化腔室接口处设计凹圈，选用高性能耐温密封圈对接口处进行密封。同时此密封圈还能防止进样杆与离子化腔室的硬接触，在进样杆移动到接口处时起到一定的缓冲作用，有效地保护观测窗口。

2.2 电控平移台的选型及限位装置的设计

电控平移台的作用是将进样杆推送至指定位置，并控制精度达到微米级别，以确保实现样品的精准到位，样品仅在处于加热器及APCI电晕针夹角的延长线上时方可获得最优的离子化效率。平移台的行程需考虑两点：一是离子化腔室的纵深长度(约130 mm)；二是装载样品操作时需要的空间。

图3 微调及限位装置的正面及侧面图片Fig.3 Front and side view of the device of fine-tuning and stop block

图4 相机及灯源位置示意图Fig.4 Camera and light source

图5 控制软件界面展示图Fig.5 Interface of the control software

为配合原复合离子源上整体位移的微调，在垂直于直线行程(X方向，行程200 mm)的两个方向(Y方向和Z方向，行程均为10 mm)设计毫米级别的微调组件，如图3所示。在X移动方向上设计限位，限位位置为进样杆前端距观测窗0.1 mm处，限位系统采用机械限位和软件开关限位双重保护，防止误操作时损坏仪器。

2.3 观测装置的选型及位置选择

如图4所示，将摄像头装载并固定在移动平台上，经过对多款相机的调试选型得到如下结论：(1)相机需满足焦距短、分辨率高的特点；(2)离子化腔室内观测的光线较暗，空间较小，需增加光源对观测区域进行补光操作；(3)由于气帘罩为银白色金属材质，彩色光源均效果不理想，发散光源反光较严重。经过多次调试及讨论，最终确定在侧方位置设计固定架固定相机，并在相机旁架设聚焦光源，光源的位置可通过蛇形管可调节臂进行调整。

2.4 电机的控制与图像显示

使用定制软件实现对电机的精确控制，包括电机移动速度、移动距离、电机回到初始位置的归零、显示当前位移等，同时还设置了方向键用于距离的微调，并且设置两个快捷键，用来保存当前的放大状态及上次电机的移动位置，方便重复进样操作。

电机速度设置的原则为先快后慢，电机以软件设置的速度完成90%的移动距离后，降速到达指定位置，防止误操作对仪器造成损坏；软件后台同时也对正负的最大位移进行了限制，实现双重保护。

观测窗口栏可通过鼠标拖动X轴和Y轴对观测位置进行调整，鼠标左键单击还可实现图像的放大。软件界面如图5所示。

3 结果与讨论

为了验证测试装置的有效性，以其对实际样品进行采集分析。

3.1 固体有机粉体直接进样分析

粉体的分子式为C38H70S2Sn2，测试条件：正离子模式；离子化电压：5 500 V；全扫描；扫描范围：100～2 000 Da；APCI氮气压力：35 psi；辅助加热气压力：35 psi；气帘气压力：45 psi；Turbo加热器温度：550 ℃；去簇电压：100 V；入口电压：10 V；进样方式：石英送样管点取约0.01 mg样品直接分析。

图6为样品的TIC图，其出峰位置在0.1～0.3 min，图中矩形部分为质谱图选取的背景区域。运用固体样品自动进样系统成功地对含Sn的有机金属化合物进行了电离分析，所得质谱图与软件拟合的同位素谱峰一致，说明目标物已成功电离并被检测。由图7可见，目标物形成了[M+H]+离子和一些碎片离子，图中[M+H]+强度较弱，而离子m/z503.380 2强度最高(基峰)，该离子由[M+H]+丢失2个—Sn(CH3)3形成。同时，从TIC谱图的时间可知，单个样品的出峰时间为0.1～0.3 min，样品分析时间<30 s，实现了快速检测分析。

图6 样品的TIC图Fig.6 Total ion chromatogram of the sample

图7 样品的质谱图(已扣除系统离子背景)Fig.7 Mass spectrogram of the sample(background has been deducted)

图8 [M+H]+离子的局部放大图Fig.8 Magnification of [M+H]+ ion

运用Analyst®TF 1.7软件对[M+H]+离子进行同位素谱峰模拟，如图8所示，得出的模拟结果与实际样品测定结果完全一致，说明目标物的确被电离检测。

3.2 逐步氧化反应监测

利用该装置对某化合物的逐步氧化过程进行实时监测。在对原料中两个硫元素进行氧化的过程中，随着氧化反应的不断进行，原料逐渐减少，中间产物(共3种)逐渐增多，并检测到最终产物(图9)。使用本研究设计的装置，可在化学反应过程中定时取样，无需进行化合物的分离，30 s即可掌握反应进行的程度，对研究反应动力学及反应机理有着重要的支撑作用。

图9 逐步氧化反应监测质谱图Fig.9 Mass spectra of step-by-step reaction procedures

4 结 论

本文在现有飞行时间质谱仪的基础上搭建了固体样品自动进样系统，开发了有机固体粉末样品直接进样分析的功能，拓宽了样品的测试范围，解决了原飞行时间质谱仪只能液体进样的局限性，并可在30 s内完成样品的自动进样采集，实现了快速检测。该装置测试过程简单、快速、高效，具有创新性，并已获得实用新型专利授权[16]，可推广至拥有同类设备的相关实验室。

致谢：感谢宁波大学俞建成、张俊良、谢志军教授在本工作中的帮助与指导。