多噴嘴電噴霧陣列離子源對(duì)離子遷移譜性能的影響

劉文杰 李國(guó)柱 羅碧 孟慶艷+盧亞玲 尹篤林

摘 要 采用多噴嘴電噴霧陣列作為離子遷移譜儀（IMS）的離子源以提高大氣壓下離子遷移譜的分析性能。12噴嘴的電噴霧陣列離子源內(nèi)徑為46 μm，采用環(huán)形排列以提高噴霧電場(chǎng)的均勻度，噴嘴之間的距離為0.5 cm 以克服噴嘴之間的電場(chǎng)屏蔽效應(yīng)。測(cè)定了不同比例的甲醇作為ESI溶劑在2～30 μL/min流速及2.5～7 kV的噴霧電壓下西地那非和蘇丹紅Ⅱ號(hào)的響應(yīng)值及相應(yīng)的信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在優(yōu)化的條件下，多噴嘴電噴霧陣列可有效的提高ESI對(duì)溶液中水含量的容忍度，降低離子化噪音。與此同時(shí)，多噴嘴電噴霧陣列可使用更高的ESI流速。在相同的條件下，12噴嘴的電噴霧陣列離子源可提高離子化效率平均達(dá)3.8倍。

關(guān)鍵詞 離子遷移譜； 多噴嘴陣列； 電噴霧； 靈敏度

1 引 言

離子遷移譜（Ion mobility spectrometry， IMS）是一種氣態(tài)離子分離技術(shù)，具有分離速度快，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在爆炸物檢測(cè)、化學(xué)戰(zhàn)試劑檢測(cè)、毒品分析及揮發(fā)性化學(xué)品的分析等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用【1】。隨著離子遷移譜技術(shù)及其聯(lián)用方法的發(fā)展，相關(guān)方法在代謝組學(xué)【2，3】、食品安全【4】、環(huán)境分析【5，6】、藥物分析【7，8】等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。離子遷移譜儀主要由離子源、遷移管、檢測(cè)器、離子門(mén)等核心部件組成，離子遷移譜常用的離子化方法包括放射電離源如63Ni電離源、電暈放電離子源（Corona Discharge， CD）、真空紫外光電離源、 大氣壓電噴霧離子源（Electrospray ionization， ESI）等可適應(yīng)不同的樣品【9，10】。

電噴霧離子化（Electrospray Ionization， ESI）方法最早于上世紀(jì)80年代提出并成功應(yīng)用于非揮發(fā)性物質(zhì)，包括生物大分子（如蛋白質(zhì)）的離子化【11】。大氣壓下的電噴霧質(zhì)譜為其它方法難于離子化的物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)譜分析提供了可能，作為大氣壓與真空的接口，電噴霧離子源也為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。上世紀(jì)90年代以來(lái)，電噴霧電離技術(shù)與離子遷移譜的結(jié)合使得離子遷移譜的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，從主要分析揮發(fā)性和半揮發(fā)性的有機(jī)化合物擴(kuò)展到生物樣品、食品安全、藥物等的分析【10】。

盡管電噴霧離子源應(yīng)用于質(zhì)譜及液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析非常成功，但與離子遷移譜結(jié)合時(shí)還有一些不足之處。由于遷移管的結(jié)構(gòu)限制，與電噴霧結(jié)合時(shí)只能接受較低的噴霧流速【12】，這使得電噴霧電離源難于與常規(guī)的液相色譜等分離手段聯(lián)用。另一方面，電噴霧溶液中水含量升高會(huì)使去溶劑化過(guò)程變得困難，離子化效率降低，譜圖的噪音增加，進(jìn)而使分析的靈敏度降低【9，10】。為克服傳統(tǒng)單噴嘴ESI源的缺點(diǎn)，Wu等【13】設(shè)計(jì)了一種多通道的電噴霧離子源，質(zhì)譜分析的結(jié)果表明其噴霧的穩(wěn)定性更高，其溶液通道更不容易堵塞，靈敏度比單通道的納噴源也有所提高。Mao等【14】設(shè)計(jì)的一種平行十噴嘴的納噴霧源，進(jìn)一步證實(shí)了這種結(jié)果，但存在噴嘴之間噴霧電場(chǎng)不均勻而限制了性能的進(jìn)一步提高。Kelly等的研究結(jié)果表明，與質(zhì)譜儀的毛細(xì)管入口匹配的直線(xiàn)排列的19噴嘴的納噴霧陣列分析肽類(lèi)化合物時(shí)，靈敏度平均提高了9倍【15】，進(jìn)一步改進(jìn)的環(huán)形19噴嘴納噴霧陣列在與多毛細(xì)管質(zhì)譜儀離子入口配合時(shí)克服了噴嘴之間噴霧電場(chǎng)不均勻的問(wèn)題【16】。Mabrouki等【17】的研究表明，多噴嘴的離子源也有效的提高了微分離子遷移譜（場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)離子遷稱(chēng)譜）的靈敏度。但由于噴嘴的數(shù)量需與質(zhì)譜儀的毛細(xì)管入口數(shù)量相匹配，大氣壓與真空之間的離子傳輸效率對(duì)電噴霧-質(zhì)譜的靈敏度影響很大，同時(shí)，繼續(xù)增加噴嘴的數(shù)量受到質(zhì)譜儀接口的限制而難以實(shí)現(xiàn)。

多噴嘴電噴霧陣列的信號(hào)強(qiáng)度與噴嘴數(shù)量的平方根成正比【18】，因此，增加噴嘴的數(shù)量可以有效的提高ESI的離子化效率，進(jìn)而增加分析的靈敏度。由于電噴霧離子遷移譜的離子化和分離過(guò)程均在大氣壓下進(jìn)行，離子源產(chǎn)生的氣相離子全部進(jìn)行離子遷移譜儀，將環(huán)形電噴霧陣列離子源應(yīng)用于離子遷移譜時(shí)無(wú)需考慮離子傳輸效率，也無(wú)需對(duì)遷移管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，因而比質(zhì)譜儀更能充分利用多噴嘴帶來(lái)的靈敏度提高的好處。本研究以西地那非和蘇丹紅Ⅱ號(hào)為研究對(duì)象，探討了環(huán)形多噴嘴的電噴霧離子遷移譜聯(lián)用的噴霧電壓、溶劑組成、噴霧流速等因素對(duì)靈敏度、信噪比及譜圖分辨率的影響，以提高電噴霧離子遷移譜儀的靈敏度，并探討多噴嘴電噴霧陣列作為液相色譜與離子遷移譜接口的潛力。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

蘇丹紅Ⅱ號(hào)標(biāo)準(zhǔn)品、西地那非、沙丁胺醇、鹽酸克倫特羅、羅丹明B及米諾環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)品（Sigma-Aldrich公司）；甲醇（Fisher Scientific公司）；乙酸（分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；實(shí)驗(yàn)用水均為Milli-Q純水系統(tǒng)制備的超純水。壓縮空氣經(jīng)分子篩、變色硅膠和活性炭?jī)艋笞鳛檫w移氣（Drift Gas）。蘇丹紅Ⅱ、西地那非、沙丁胺醇、鹽酸克倫特羅、羅丹明B及米諾環(huán)素均用甲醇配成500 mg/L的儲(chǔ)備液，并用不同配比的溶液配成0.5， 2.5， 10， 25和50 mg/L的工作標(biāo)準(zhǔn)溶液，所有溶液中均含有1% 乙酸。

大氣壓離子遷移譜儀，由Washington State University和塔里木大學(xué)共同研制。遷移管的內(nèi)徑為5 cm，由3 mm厚的不銹鋼環(huán)和2 mm厚的陶瓷環(huán)推疊而成，中間由一個(gè)Bradbury-Nielsen離子門(mén)隔開(kāi)成5 cm的脫溶劑區(qū)和14.1 cm的遷移區(qū)（圖1）。離子門(mén)的工作電壓調(diào)節(jié)為 ±32 V，剛好能完全阻斷ESI的離子信號(hào)。遷移管的工作電壓為12 kV，離子門(mén)的參考電壓為10.25 kV。凈化后的空氣經(jīng)預(yù)熱后作為遷移氣。遷移氣的預(yù)熱溫度與遷移管的工作溫度相同均為120 ℃，流速為900 mL/min。Keithley 427型電流放大器作為檢測(cè)器的信號(hào)放大裝置，由Digilent公司的Analog和BNC套件作為信號(hào)采集及離子門(mén)控制的裝置，離子門(mén)打開(kāi)的時(shí)間為0.2 ms。數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel進(jìn)行處理。單噴嘴的電噴霧源由一根內(nèi)徑46um的polymicro公司提供的石英毛細(xì)管組成，位置固定于離子門(mén)前3.5 cm處。12噴嘴的環(huán)形電噴霧陣列離子源參考文獻(xiàn)＼圖1 多噴嘴電噴霧陣列離子遷移譜示意圖endprint

Fig.1 Schematic diagram of multi emitter array electrospray ion mobility spectrometry （ESIMS）

2.2 數(shù)據(jù)處理

離子遷移譜工作于正離子模式，單次掃描周期為45 ms，20次掃描譜圖的平均值為一張輸出譜圖，重復(fù)次數(shù)為100次，單次分析時(shí)間為90 s。各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的離子遷移率由遷移管長(zhǎng)度、工作電壓及遷移時(shí)間計(jì)算而得，離子遷移譜圖中各化合物的分辨率（Resolving power， Rm）根據(jù)出峰的遷移時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的半高峰寬計(jì)算得到。為了測(cè)量多噴嘴電噴霧離子源的穩(wěn)定性，將連續(xù)測(cè)量的100張譜圖的的信號(hào)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為衡量噪音水平的參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴霧電流的影響

噴霧電流的測(cè)定采用的甲醇-水（90∶10， V/V，含1%乙酸）溶液，離子門(mén)全開(kāi)時(shí)記錄放大器的輸出電壓平均值，根據(jù)微電流放大器的放大倍數(shù)計(jì)算單噴嘴和多噴嘴電噴霧源在不同電壓下的噴霧電流。設(shè)定單噴嘴ESI的工作流速為2.5 μL/min； 多噴嘴ESI的工作流速為15 μL/min，平均每個(gè)噴嘴的流速為1.25 μL/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在超過(guò)2.5 kV時(shí)，單噴嘴ESI和多噴嘴ESI的噴霧電流均隨電壓的升高而增大。在相同的工作電壓下，電噴霧源的噴嘴數(shù)量對(duì)噴霧電流有較大的影響，所有電壓下，多噴嘴電噴霧源的電流均高于單噴嘴電噴霧源的電流。在6 kV時(shí)，多噴嘴ESI的噴霧電流是單噴嘴的3.3倍。通常認(rèn)為，在超過(guò)一定流速時(shí)ESI為濃度型檢測(cè)器，噴霧電流的增加表明，增加電噴霧源的噴嘴數(shù)量，可有效增加單位時(shí)間內(nèi)生成的離子數(shù)量，進(jìn)而提高電噴霧的離子化效率。當(dāng)電壓超過(guò)7.0 kV時(shí)，ESI的高壓電源容易擊穿空氣產(chǎn)生放電， 從而使工作變得不穩(wěn)定，因此，大氣壓下多噴嘴電噴霧離子源可以穩(wěn)定的工作在6.5 kV以下。

3.2 溶劑組成對(duì)分辨率及離子化效率的影響

在優(yōu)化的條件下，西地那非和蘇丹紅Ⅱ號(hào)的單噴嘴電噴霧離子遷移譜圖見(jiàn)圖2A和圖2C，西地那非和蘇丹紅Ⅱ號(hào)的K0分別為0.889和1.192，兩種化合物的分辨率分別為76.2和65.8。多噴嘴電噴霧離子遷移譜圖中兩種化合物的遷移時(shí)間均與單噴嘴ESI相同，分辨率分別為75.8和63.2，稍有降低。這可能是由于單位體積中離子的數(shù)量增加，同種離子之間的庫(kù)侖斥力增大而使得離子擴(kuò)散程度稍有增加，從而導(dǎo)致分辨率有所降低。

ESI的工作溶劑對(duì)離子化效率影響很大。對(duì)西地那非而言，單噴嘴的電噴霧源在使用甲醇-水體系時(shí)，甲醇含量增加，離子化的效率增大，在甲醇含量為50%時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大值，繼續(xù)增大甲醇含量，西地那非的信號(hào)強(qiáng)度緩慢下降，且噪音也隨之下降，信噪比隨甲醇含量的增加呈緩慢增加的趨勢(shì)。西地那非離子峰的分辨率與溶劑組成變化的關(guān)系不明顯（圖2A）。與之相比，對(duì)于多噴嘴的ESI源，甲醇含量在0～20%的范圍內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度增加迅速，當(dāng)甲醇含量為25%時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大值，再增加甲醇含量，信號(hào)強(qiáng)度下降。同樣，隨甲醇含量增加，信噪比呈上升趨勢(shì)（圖2B）。當(dāng)甲醇含量為50%時(shí)，單噴嘴ESI的信號(hào)峰強(qiáng)度為1.36，多噴嘴ESI的信號(hào)峰強(qiáng)度達(dá)到3.13，約為單噴嘴的2.3倍。在所有的溶劑組成下，多噴嘴ESI的信號(hào)峰強(qiáng)度平均為單噴嘴ESI的4.3倍。

值得指出的是，在以水-甲醇為ESI溶液時(shí)，單噴嘴ESI西地那非的信號(hào)峰很弱，但多噴嘴ESI西地那非的信號(hào)強(qiáng)度為3.68，這表明多噴嘴ESI對(duì)噴霧溶劑中水的容忍度明顯高于單噴嘴，甚至可以使用純水作為噴霧溶劑。蘇丹紅Ⅱ號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度隨溶劑組成的變化呈相近的趨勢(shì)，甲醇含量為20%時(shí)，單噴嘴的譜圖完全看不到蘇丹紅Ⅱ的離子峰，而多噴嘴的ESI譜圖中信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到0.22（圖2D）。甲醇的比例為40%時(shí)，蘇丹紅Ⅱ多噴嘴ESI的信號(hào)強(qiáng)度為單噴嘴的2.8倍。

3.3 溶液流速對(duì)離子化效率及噪音的影響

由于大氣壓下的離子遷移譜ESI源和遷移管之間無(wú)真空接口，ESI只能接受較低流速的溶劑。通常條件下，離子遷移譜的ESI只能承受μL/min水平的溶劑；再增加流速會(huì)導(dǎo)致脫溶劑過(guò)程變得困難，ESI過(guò)程中產(chǎn)生的帶電液滴會(huì)增加譜圖的噪音而使信噪比劣化。在離子遷移譜與常規(guī)的液相色譜聯(lián)用時(shí)，需使用大比例的分流比， 而導(dǎo)致流速變得不穩(wěn)定。因此，提高電噴霧離子遷移譜的溶液流速，對(duì)提高譜圖的信噪比，使離子遷移譜與液相色譜有效聯(lián)用有著重要的意義。為了比較單噴嘴和多噴嘴電噴霧離子源在大流速時(shí)的分析性能，測(cè)定了甲醇-水（90∶10， V/V）溶液中的2.5 mg/L蘇丹紅Ⅱ號(hào)在不同流速下的信號(hào)強(qiáng)度及譜圖的噪音水平。

由圖3A可見(jiàn)，單噴嘴的ESI信號(hào)強(qiáng)度隨流速增加而增大，在5 μL/min時(shí)達(dá)到最大值；繼續(xù)增大流速，信號(hào)強(qiáng)度緩慢下降。與此同時(shí)，流速對(duì)譜圖信號(hào)的穩(wěn)定性影響非常大；流速超過(guò)4 μL/min時(shí)，噪音快速增加而使譜圖的獲取變得困難（圖3B）。流速在2～10 μL/min范圍內(nèi)，多噴嘴ESI的信號(hào)強(qiáng)度快速增加；流速超過(guò)10 μL/min時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度仍緩慢增加，沒(méi)有下降的趨勢(shì)（圖3C）；流速小于20 μL/min時(shí)，信號(hào)的波動(dòng)保持較低的水平；流速超過(guò)20 μL/min時(shí)，波動(dòng)才有較大幅度的增加。這表明，在沒(méi)有輔助噴霧氣時(shí)，多噴嘴的ESI源可以接受較大的溶劑流速；在相同的流速下，多噴嘴ESI的信號(hào)強(qiáng)度更高，噴霧過(guò)程的穩(wěn)定性得到有效提高，降低了分析的檢出限。

（A）單噴嘴ESI信號(hào)隨流速的變化趨勢(shì)。（B）單噴嘴ESI噪音隨流速上升情況。（C）多噴嘴的信號(hào)強(qiáng)度與流速的關(guān)系。（D）多噴嘴ESI噪音隨流速上升情況。

（A） Relationship batween the signal intensity and flow rate of single emitter ESI. （B） Noise level of single emitter ESI. （C） Relationship between the signal intensity and flow rate of multi emitter ESI array. （D） Noise level of multi emitter ESI arrayendprint

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同離子源對(duì)離子遷移譜靈敏度的影響，分別采用2.5 mg/L的西地那非、蘇丹紅Ⅱ號(hào)、沙丁胺醇、鹽酸克倫特羅、羅丹明B及米諾環(huán)素分析單噴嘴和多噴嘴電噴霧離子遷移譜的信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表1。6種化合物在甲醇-水（90∶10， V/V）溶液中都呈現(xiàn)為單一的離子峰，多噴嘴電噴霧離子源的信號(hào)強(qiáng)度均比單噴嘴離子源的強(qiáng)度高，但提高的倍數(shù)并不相同。最低的西地那非提高了2.67倍，最高的羅丹明B提高了4.42倍，平均提高了3.8倍。可以預(yù)期，隨著電噴霧噴嘴數(shù)量的進(jìn)一步增加，離子遷移譜靈敏度的提高將更加顯著。

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