飛行時(shí)間質(zhì)譜儀固體樣品自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)研制

劉 蔓，韓瑩瑩，朱麗輝，盧煥明，李 勇

(中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江 寧波 315201)

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(Time of flight mass spectrometer,TOF)通過(guò)測(cè)量離子在飛行管中的飛行時(shí)間得到物質(zhì)的精確分子量，可提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的信息，是了解有機(jī)物結(jié)構(gòu)的重要工具之一，目前廣泛應(yīng)用于有機(jī)物合成、環(huán)境、食品、法醫(yī)學(xué)、制藥等領(lǐng)域[1-5]。該儀器通常配置商品化的電噴霧電離源(ESI)及大氣壓化學(xué)電離源(APCI)復(fù)合離子源，測(cè)定時(shí)所有樣品均需經(jīng)有機(jī)溶劑溶解，以溶液的形式通過(guò)液相色譜或者進(jìn)樣針、蠕動(dòng)泵由管路進(jìn)樣，經(jīng)離子化后進(jìn)入質(zhì)譜端檢測(cè)。但對(duì)于部分分子量較大、極性較弱、剛性較強(qiáng)的非常規(guī)化合物，難以找到合適的有機(jī)溶劑溶解，且分子量較大的共軛結(jié)構(gòu)的弱極性化合物在有機(jī)溶劑中的溶解性也很差。溶解度低，則得到的質(zhì)譜信號(hào)弱，難以對(duì)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)確證。而固體樣品進(jìn)樣系統(tǒng)可直接氣化及離子化目標(biāo)物，能在保證進(jìn)樣量的前提下，確保質(zhì)譜響應(yīng)強(qiáng)度，完成對(duì)以上非常規(guī)未知化合物的分子量測(cè)定及結(jié)構(gòu)分析，并與常規(guī)溶液形式進(jìn)樣的ESI及APCI離子源形成功能互補(bǔ)。

目前，有機(jī)物質(zhì)固體進(jìn)樣裝置的開發(fā)已取得了一定的成果，商品化的系統(tǒng)主要有實(shí)施直接分析(DART)和大氣壓固體探針(ASAP)兩類[6-15]。其中DART源為外置源，不與原有離子源兼容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電離方式和離子源模式的快速切換，且價(jià)格十分昂貴。ASAP是一款手動(dòng)進(jìn)樣桿，通過(guò)樣品桿吸附固體樣品，手動(dòng)推至離子源內(nèi)部進(jìn)行電離，能基本實(shí)現(xiàn)固體樣品進(jìn)樣，但在進(jìn)樣操作的便捷性、樣品電離位置控制、離子源狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及樣品檢測(cè)的穩(wěn)定性等方面存在一定的不足。

本文研制了一套基于飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的可軟件控制的固體樣品自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)，能夠?qū)ξ唇?jīng)處理的固體有機(jī)物進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)在觀測(cè)窗口加裝工業(yè)相機(jī)及LED燈源，實(shí)現(xiàn)了錐孔處樣品狀態(tài)的可視化觀察。

1 測(cè)試裝置及工作原理

1.1 儀器與部件

AB Sciex Triple TOF 4600飛行時(shí)間質(zhì)譜儀；電控平移臺(tái)及控制器(美國(guó)帕克)；工業(yè)相機(jī)(加拿大Teledyne DALSA)；顯示屏(臺(tái)灣IEI)；進(jìn)樣桿(定制加工)。

圖1 離子源接口示意圖Fig.1 Schematic diagram of the interface of ion source1.sampling rod(進(jìn)樣桿)，2.quartz push rod(石英棒),3.APCI(大氣壓化學(xué)電離源)，4.heater(加熱器),5.corona discharge needle(電暈放電針)，6.mass spectrometry inlet(質(zhì)譜入口)

圖2 進(jìn)樣桿實(shí)物圖Fig.2 Sample injection rod

1.2 工作原理

如圖1所示：進(jìn)樣桿直接粘附固體樣品，通過(guò)軟件控制進(jìn)樣系統(tǒng)將樣品推送至加熱器下方，化合物瞬間氣化轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子，同時(shí)APCI源內(nèi)的電暈放電針?lè)烹娛乖磧?nèi)N2分子電離，N2離子將電荷轉(zhuǎn)移給目標(biāo)分子使其帶電后，目標(biāo)離子在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入質(zhì)譜分析器。

2 設(shè)備硬件搭建改造

2.1 進(jìn)樣桿的設(shè)計(jì)及離子化腔室的密封性考慮

為使本系統(tǒng)能與原離子源實(shí)現(xiàn)互不干擾又功能互補(bǔ)，設(shè)計(jì)整個(gè)固體樣品自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)從原離子源觀測(cè)窗口上開孔實(shí)現(xiàn)接入。

在樣品取樣設(shè)計(jì)上，使用一次性潔凈石英棒蘸取粉體樣品，可以避免樣品殘留在管路中的交叉污染問(wèn)題，同時(shí)也避免了溶劑的背景干擾。

如圖2所示，考慮到加工方面的可靠性及難易程度，進(jìn)樣桿設(shè)計(jì)為圓柱體型的不銹鋼材質(zhì)，中心開孔2 mm，可插入1 mm粗細(xì)的石英取樣棒。進(jìn)樣桿可通過(guò)在原TOF復(fù)合離子源觀測(cè)窗口上(石英玻璃材質(zhì))的精確開孔，將樣品直接推送至正對(duì)錐孔處，并處于加熱器及APCI電暈針夾角的延長(zhǎng)線上。利用原離子源的加熱器將樣品氣化，以原APCI源的電暈針對(duì)樣品進(jìn)行電離質(zhì)子化(正離子模式)或去質(zhì)子化(負(fù)離子模式)，隨后在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入錐孔。

由于在原離子源腔室觀測(cè)窗口處開孔破壞了原有的密封環(huán)境，本研究通過(guò)在進(jìn)樣桿與離子化腔室接口處設(shè)計(jì)凹圈，選用高性能耐溫密封圈對(duì)接口處進(jìn)行密封。同時(shí)此密封圈還能防止進(jìn)樣桿與離子化腔室的硬接觸，在進(jìn)樣桿移動(dòng)到接口處時(shí)起到一定的緩沖作用，有效地保護(hù)觀測(cè)窗口。

2.2 電控平移臺(tái)的選型及限位裝置的設(shè)計(jì)

電控平移臺(tái)的作用是將進(jìn)樣桿推送至指定位置，并控制精度達(dá)到微米級(jí)別，以確保實(shí)現(xiàn)樣品的精準(zhǔn)到位，樣品僅在處于加熱器及APCI電暈針夾角的延長(zhǎng)線上時(shí)方可獲得最優(yōu)的離子化效率。平移臺(tái)的行程需考慮兩點(diǎn)：一是離子化腔室的縱深長(zhǎng)度(約130 mm)；二是裝載樣品操作時(shí)需要的空間。

圖3 微調(diào)及限位裝置的正面及側(cè)面圖片F(xiàn)ig.3 Front and side view of the device of fine-tuning and stop block

圖4 相機(jī)及燈源位置示意圖Fig.4 Camera and light source

圖5 控制軟件界面展示圖Fig.5 Interface of the control software

為配合原復(fù)合離子源上整體位移的微調(diào)，在垂直于直線行程(X方向，行程200 mm)的兩個(gè)方向(Y方向和Z方向，行程均為10 mm)設(shè)計(jì)毫米級(jí)別的微調(diào)組件，如圖3所示。在X移動(dòng)方向上設(shè)計(jì)限位，限位位置為進(jìn)樣桿前端距觀測(cè)窗0.1 mm處，限位系統(tǒng)采用機(jī)械限位和軟件開關(guān)限位雙重保護(hù)，防止誤操作時(shí)損壞儀器。

2.3 觀測(cè)裝置的選型及位置選擇

如圖4所示，將攝像頭裝載并固定在移動(dòng)平臺(tái)上，經(jīng)過(guò)對(duì)多款相機(jī)的調(diào)試選型得到如下結(jié)論：(1)相機(jī)需滿足焦距短、分辨率高的特點(diǎn)；(2)離子化腔室內(nèi)觀測(cè)的光線較暗，空間較小，需增加光源對(duì)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)光操作；(3)由于氣簾罩為銀白色金屬材質(zhì)，彩色光源均效果不理想，發(fā)散光源反光較嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試及討論，最終確定在側(cè)方位置設(shè)計(jì)固定架固定相機(jī)，并在相機(jī)旁架設(shè)聚焦光源，光源的位置可通過(guò)蛇形管可調(diào)節(jié)臂進(jìn)行調(diào)整。

2.4 電機(jī)的控制與圖像顯示

使用定制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，包括電機(jī)移動(dòng)速度、移動(dòng)距離、電機(jī)回到初始位置的歸零、顯示當(dāng)前位移等，同時(shí)還設(shè)置了方向鍵用于距離的微調(diào)，并且設(shè)置兩個(gè)快捷鍵，用來(lái)保存當(dāng)前的放大狀態(tài)及上次電機(jī)的移動(dòng)位置，方便重復(fù)進(jìn)樣操作。

電機(jī)速度設(shè)置的原則為先快后慢，電機(jī)以軟件設(shè)置的速度完成90%的移動(dòng)距離后，降速到達(dá)指定位置，防止誤操作對(duì)儀器造成損壞；軟件后臺(tái)同時(shí)也對(duì)正負(fù)的最大位移進(jìn)行了限制，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。

觀測(cè)窗口欄可通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)X軸和Y軸對(duì)觀測(cè)位置進(jìn)行調(diào)整，鼠標(biāo)左鍵單擊還可實(shí)現(xiàn)圖像的放大。軟件界面如圖5所示。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證測(cè)試裝置的有效性，以其對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行采集分析。

3.1 固體有機(jī)粉體直接進(jìn)樣分析

粉體的分子式為C38H70S2Sn2，測(cè)試條件：正離子模式；離子化電壓：5 500 V；全掃描；掃描范圍：100～2 000 Da；APCI氮?dú)鈮毫Γ?5 psi；輔助加熱氣壓力：35 psi；氣簾氣壓力：45 psi；Turbo加熱器溫度：550 ℃；去簇電壓：100 V；入口電壓：10 V；進(jìn)樣方式：石英送樣管點(diǎn)取約0.01 mg樣品直接分析。

圖6為樣品的TIC圖，其出峰位置在0.1～0.3 min，圖中矩形部分為質(zhì)譜圖選取的背景區(qū)域。運(yùn)用固體樣品自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)成功地對(duì)含Sn的有機(jī)金屬化合物進(jìn)行了電離分析，所得質(zhì)譜圖與軟件擬合的同位素譜峰一致，說(shuō)明目標(biāo)物已成功電離并被檢測(cè)。由圖7可見，目標(biāo)物形成了[M+H]+離子和一些碎片離子，圖中[M+H]+強(qiáng)度較弱，而離子m/z503.380 2強(qiáng)度最高(基峰)，該離子由[M+H]+丟失2個(gè)—Sn(CH3)3形成。同時(shí)，從TIC譜圖的時(shí)間可知，單個(gè)樣品的出峰時(shí)間為0.1～0.3 min，樣品分析時(shí)間<30 s，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)分析。

圖6 樣品的TIC圖Fig.6 Total ion chromatogram of the sample

圖7 樣品的質(zhì)譜圖(已扣除系統(tǒng)離子背景)Fig.7 Mass spectrogram of the sample(background has been deducted)

圖8 [M+H]+離子的局部放大圖Fig.8 Magnification of [M+H]+ ion

運(yùn)用Analyst?TF 1.7軟件對(duì)[M+H]+離子進(jìn)行同位素譜峰模擬，如圖8所示，得出的模擬結(jié)果與實(shí)際樣品測(cè)定結(jié)果完全一致，說(shuō)明目標(biāo)物的確被電離檢測(cè)。

3.2 逐步氧化反應(yīng)監(jiān)測(cè)

利用該裝置對(duì)某化合物的逐步氧化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在對(duì)原料中兩個(gè)硫元素進(jìn)行氧化的過(guò)程中，隨著氧化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，原料逐漸減少，中間產(chǎn)物(共3種)逐漸增多，并檢測(cè)到最終產(chǎn)物(圖9)。使用本研究設(shè)計(jì)的裝置，可在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中定時(shí)取樣，無(wú)需進(jìn)行化合物的分離，30 s即可掌握反應(yīng)進(jìn)行的程度，對(duì)研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)機(jī)理有著重要的支撐作用。

圖9 逐步氧化反應(yīng)監(jiān)測(cè)質(zhì)譜圖Fig.9 Mass spectra of step-by-step reaction procedures

4 結(jié) 論

本文在現(xiàn)有飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)上搭建了固體樣品自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)，開發(fā)了有機(jī)固體粉末樣品直接進(jìn)樣分析的功能，拓寬了樣品的測(cè)試范圍，解決了原飛行時(shí)間質(zhì)譜儀只能液體進(jìn)樣的局限性，并可在30 s內(nèi)完成樣品的自動(dòng)進(jìn)樣采集，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)。該裝置測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單、快速、高效，具有創(chuàng)新性，并已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)[16]，可推廣至擁有同類設(shè)備的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。

致謝：感謝寧波大學(xué)俞建成、張俊良、謝志軍教授在本工作中的幫助與指導(dǎo)。