萬　歷，高曉光，李建平，賈　建，何秀麗

(1．中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室，北京　100190；2．中國科學院大學，北京　100190)

0　引言

電噴霧離化(Electrospray Ionization，ESI)能夠將溶液中的蛋白質等生物大分子直接離化形成氣相離子，而不破壞樣品分子結構，是一種典型的“軟電離”方法。20世紀60年代初期，Dole對這種離化方法做了開創(chuàng)性的研究。1984年，F(xiàn)enn等[1]完成了將電噴霧離化技術用作質譜離化源和LC/MS接口的關鍵工作，因此獲得了2002年的諾貝爾化學獎。應用于質譜檢測中的電噴霧離化源已經成功商品化，并成為生化分析領域一種無可替代的技術。離子遷移率譜(Ion Mobility Spectrometry，IMS)[2]是基于不同氣相離子在電場中遷移速率的差異對物質進行表征的一項分析技術，具有設備結構相對簡單，易于小型化和便攜化，靈敏度高，操作方便等特點，在各種現(xiàn)場檢測中具有很大的優(yōu)勢。1989年，Hill等[3]將ESI技術應用于IMS，之后ESI-IMS在氨基酸[4]、除草劑[5]、核苷酸[6]等物質的檢測中得到應用。

抗生素作為一種在水產養(yǎng)殖、畜牧、食品加工等領域大量使用的藥品，由于其濫用問題導致環(huán)境污染，使得抗生素快速檢測成為環(huán)保及食品安全領域的研究熱點，但傳統(tǒng)的色質譜技術、微生物檢測技術、免疫檢測技術等分析方法操作復雜、分析時間長，不適合現(xiàn)場快速檢測。利用ESI-IMS技術對抗生素進行快速檢測的研究剛剛開始。

相對于ESI技術已廣泛應用于質譜離化源并已有成熟產品的現(xiàn)狀而言，用于IMS的ESI具有自身特點而面臨一些問題。常壓下，噴霧液滴較難完全去溶劑化，影響離子形成和IMS分辨率；高溫漂移氣使噴針中溶劑揮發(fā)，殘留的固體樣品容易造成噴針阻塞；另外，ESI源中常用的金屬噴針在常壓下容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象[7]，產生大量其它離子。

針對上述問題，文中設計了一種用于離子遷移率譜儀的電噴霧離化源，研究了離化源電噴霧形態(tài)、電噴霧電流與電噴霧電壓、針網距離、樣品流量的關系，以得到穩(wěn)定的電噴霧和較好的去溶劑化效果。并利用ESI-IMS系統(tǒng)對抗生素阿莫西林進行了初步檢測和分析。

1　電噴霧離化源

1．1離化源的鞘氣結構與噴針制備

電噴霧離化源結構如圖1所示。由于電噴霧離化離子遷移率譜(ESI-IMS)系統(tǒng)中漂移管通常工作在較高溫度下，高溫的漂移氣直接對離化源加熱，容易造成噴針阻塞。通過在噴霧頭引入鞘氣，冷卻噴針，以避免噴針阻塞；另外由于鞘氣出口較小(Φ0.8 mm)，鞘氣流速較高，可防止樣品溶液因浸潤而附著在噴針外表面，穩(wěn)定電噴霧過程，同時鞘氣分子與噴霧液滴激烈碰撞，可加速去溶劑化過程[8]。

圖1　電噴霧離化源結構示意圖

為了減少電噴霧過程中電暈現(xiàn)象的發(fā)生，采用具有聚酰亞胺保護層的石英毛細管(外徑360 μm，內徑75 μm)替代金屬毛細管作為電噴霧噴針。通常，ESI電噴霧初始液滴越小，越有利于去溶劑化，噴霧離化效率越高。由于液體表面張力的作用，噴嘴橫截面越大，形成的初始液滴也就越大。為了提高離化效率，需對噴針進行處理以減小其噴嘴橫截面直徑。將5 cm長的石英毛細管尖端1 cm垂直浸入98%的熱濃硫酸約5 min，去除表面聚酰亞胺層；用去離子水清洗烘干后，將去掉聚酰亞胺層的一端約5 mm浸入20%的氫氟酸，直到毛細管在液體中的部分被完全腐蝕；在腐蝕同時使用注射泵以0.1 μL/min的流量向毛細管注入去離子水，以避免毛細管內壁被氫氟酸腐蝕形成敞口。腐蝕中氫氟酸濃度不宜過高，否則揮發(fā)出的HF會使液面以上的毛細管表面粗糙，影響噴霧泰勒錐的穩(wěn)定性。圖2(a)和圖2(b)為石英毛細管噴嘴在氫氟酸腐蝕處理前后的照片。圖2中，od為毛細管外徑；id為毛細管內徑。

(a)腐蝕前

(b)腐蝕后

在電噴霧離化源中，電噴霧電壓、針網距離、樣品流量等參數(shù)對電噴霧的穩(wěn)定性起主要作用。圖3所示為ESI電噴霧形態(tài)觀察裝置，注射泵將樣品溶液以一定流量注入離化源，直流高壓源提供形成電噴霧的電壓，微安表監(jiān)測電噴霧電流，相對電極安裝在精確可調的移動平臺上，顯微鏡的CCD相機記錄電噴霧的形態(tài)。利用該裝置可以研究ESI參數(shù)與電噴霧形態(tài)的對應關系，為判斷電噴霧的穩(wěn)定性提供依據。電噴液為2.5 mg/L的阿莫西林(標準品，國家獸醫(yī)微生物菌種保藏中心)樣品溶液，溶劑為水(18.2 MΩ·cm，美誠MW-D20)、甲醇(高效液相色譜純，國藥集團)、乙酸(優(yōu)級純，國藥集團)的混合液(49∶49∶2，V/V)。鞘氣為高純氮氣(>99.999%，V/V)，流量300 mL/min．

圖3　電噴霧離化源電噴霧形態(tài)觀察裝置

1．2．1噴霧形態(tài)與電噴霧電壓和電流的關系

在常溫(20℃)下，研究樣品流量為1μL/min，針網距離為8mm時，不同電噴霧電壓對泰勒錐形態(tài)的影響(圖4)，同時記錄電噴霧電流隨電噴霧電壓的變化趨勢(圖5)。當電噴霧電壓較低時，由于表面張力作用，電噴液在噴嘴處形成球狀液滴，并沒有產生噴霧(圖4(a))，電噴霧電流為0 nA(圖5電壓電流關系曲線的AB段)；隨著電噴霧電壓升高，出現(xiàn)如圖4(b)所示的脈沖式噴霧，此時的電噴霧不穩(wěn)定，電噴霧電流變化劇烈(圖5BC段)；當電噴霧電壓進一步升高，電噴霧逐漸形成穩(wěn)定的錐-射流狀態(tài)，如圖4(c)所示，此時的電噴霧電流并不隨著電噴霧電壓的上升而發(fā)生明顯變化(圖5CD段)；當電噴霧電壓達到3.50 kV時，電噴霧電流發(fā)生階躍式上升，如圖5 DE段所示，這主要是因為電噴霧狀態(tài)由單射流模式轉變成了多射流模式[9]，如圖4(d)所示，但該狀態(tài)不能持續(xù)穩(wěn)定；當電噴霧電壓大于4.00 kV時，泰勒錐消失，觀察不到任何噴霧形態(tài)，電噴霧噴針與對電極網之間發(fā)生電擊穿，電噴霧電壓與電噴霧電流關系進入“恒定電阻”階段，如圖5EF段所示。

由圖4和圖5可知，當電噴霧形成穩(wěn)定泰勒錐時，電噴霧電流基本不隨電噴霧電壓的改變而發(fā)生變化。因此，可以通過觀察電噴霧電流來判斷電噴霧的穩(wěn)定性。

電壓范圍：(a)0～1.8 kV；(b)1.8～2.3 kV；(c)2.3～3.4 kV；(d)3.4～3.8 kV．

圖5　電噴霧電壓與電噴霧電流的關系

1．2．2針網距離與電噴霧電壓的關系

噴針與相對電極的距離即針網距離以及電噴霧電壓是決定電噴霧電場分布的主要因素，因而直接影響電噴霧穩(wěn)定性。在常溫(20℃)下，樣品流量為1 μL/min時，測得不同針網距離下形成穩(wěn)定電噴霧的電壓以及電流的變化規(guī)律，如圖6所示。在不同針網距離下，當形成穩(wěn)定電噴霧泰勒錐時，電噴霧電流基本穩(wěn)定。在圖6中，電噴霧電壓與針網距離的對數(shù)成線性關系，這與Smith從電流體力學角度分析獲得的穩(wěn)定電噴霧電壓與針網距離之間的關系[10]一致。在不同針網距離下，通過調節(jié)電噴霧電壓總能得到穩(wěn)定的電噴霧。但在將電噴霧離化源與漂移管結合時，一般采用較大的針網距離，這樣可以使電噴霧在較大的電壓范圍內保持穩(wěn)定。

就合作學習而言，主要是通過組織開展合作的方式，學習相關知識。新時期，開展語文教學，需要通過分工合作的形式，共同完成學習任務。要運用這種新型的合作學習的教育方式，需要教師對此共同作出努力。在進行合作學習的過程中，要求教師端正自身的態(tài)度，采用科學的學習方法，充分應用傳統(tǒng)教學的優(yōu)點，然后將其與合作學習相結合。不僅要關注學生的學習成績，還要關注其成長過程中出現(xiàn)的一些問題，促使學生在參與合作學習的過程中，學到更多有用的知識。如在大課間的時候，可以組織學生玩“成語接龍”“你比我猜”等游戲，既豐富了學生的課外活動，又能從中學到很多文化知識，增強了學生合作能力，讓其更具有團隊合作意識。

圖6　電噴霧穩(wěn)定時，電噴霧電壓-電流-電噴霧針網距離的關系(橫軸為指數(shù)坐標)

1．2．3樣品流量與電噴霧電壓和電流的關系

當電噴液流量發(fā)生改變時，為了維持穩(wěn)定的電噴霧狀態(tài)，需要適當調節(jié)電噴霧電壓，同時電噴霧電流也會隨著樣品流量而發(fā)生改變。在常溫(20℃)，針網距離為8 mm時，研究了不同樣品流量下電噴霧穩(wěn)定時的電噴霧電壓、電流的變化規(guī)律，如圖7所示?？梢钥闯觯S著樣品流量的增加，得到穩(wěn)定電噴霧所需電壓線性提高；對于電噴霧電流，當樣品流量小于4 μL/min時，電噴霧電流與樣品流量的平方根成正比關系，而當流量大于4 μL/min時，不能形成穩(wěn)定的泰勒錐(圖4(c))而是由脈沖式噴霧直接進入多射流模式(圖4(d))，電噴霧電流出現(xiàn)階躍式上升。因此，為了得到穩(wěn)定電噴霧，樣品流量不能過高。

圖7　樣品流量與電噴霧電流和電壓的關系

2　抗生素檢測實驗

2．1ESI-IMS系統(tǒng)與工作參數(shù)

將ESI與IMS結合組成ESI-IMS系統(tǒng)．該系統(tǒng)包括電噴霧離化源、漂移管、電學及氣路模塊等，具體結構參數(shù)如文獻[11]所述。兩路高壓電源分別為電噴霧離化源和漂移管提供實現(xiàn)電噴霧和建立漂移電場所需的高壓；離子門控制電路通過調控B-N離子門兩組柵網電壓，向漂移區(qū)周期性注入待測離子；加熱控制電路保證漂移管工作于恒定溫度。法拉第盤接收到的離子流信號由小信號放大器放大后，通過示波器采集數(shù)據，經計算機處理得到最終譜圖。兩路質量流量計分別控制漂移氣和鞘氣流量。漂移氣與鞘氣均為高純氮氣(>99.999%，V/V)。電噴霧樣品流量由注射泵控制。ESI-IMS系統(tǒng)工作參數(shù)如表1所示。

表1　ESI-IMS系統(tǒng)工作參數(shù)

以阿莫西林為例，進行抗生素檢測實驗。阿莫西林標準品購自國家獸醫(yī)微生物菌種保藏中心，溶劑為高純水(18.2 MΩ·cm)、甲醇(高效液相色譜純)以及乙酸(優(yōu)級純)的混合液，其體積比為49∶49∶2。

2．2阿莫西林檢測結果

圖8所示為不同濃度的阿莫西林樣品IMS譜圖。譜圖中主要有3個峰。A、B為溶劑峰，對應溶劑離子為水合氫離子((H2O)nH+，n≥1)和質子化乙酸甲酯(C3H7O2+)，計算其約化遷移率分別為2.51 cm2/Vs和2.22 cm2/Vs，與文獻[12]報道接近；C為阿莫西林特征峰，其約化遷移率為1.11 cm2/Vs．從圖8可以看出，隨著樣品濃度的提高，特征峰微弱地后移(0.5 ms)。在不同樣品濃度下，特征峰信號強度與濃度的變化關系如圖9所示，當樣品濃度較低時(50 mg/L)，兩者有較好的線性關系，根據3倍噪聲計算檢測限為4.6 mg/L；隨著樣品濃度的提高，特征峰信號強度很快到達飽和狀態(tài)，說明在高濃度下，電噴霧液滴中有更多的樣品分子競爭有限的電荷，從而使電噴霧離化效率降低，信號強度增長變慢。由于同樣的原因，當樣品濃度增加時，溶劑峰的強度也呈下降趨勢[13]。

圖8　不同濃度阿莫西林的譜圖

圖9　阿莫西林特征峰信號強度與樣品濃度的關系

3　總結

文中設計了一種用于離子遷移率譜系統(tǒng)的電噴霧離化源，其中的鞘氣結構和腐蝕的噴針有助于形成穩(wěn)定的噴霧，改善電噴霧去溶劑化效果。研究發(fā)現(xiàn)不同針網距離、樣品流量下都可以通過調整電噴霧電壓得到穩(wěn)定電噴霧，并可以通過電噴霧電流判斷電噴霧穩(wěn)定性。利用ESI-IMS系統(tǒng)對阿莫西林進行了檢測，其約化遷移率為1.11 cm2/Vs，譜圖中溶劑峰約化遷移率與文獻報道接近。電噴霧離化源能直接離化溶液中的阿莫西林樣品，通過與離子遷移率譜技術結合，為阿莫西林的快速檢測提供了一種可行方案。

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