劉 蔓，韓瑩瑩，朱麗輝，盧煥明，李 勇

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

飛行時間質(zhì)譜儀(Time of flight mass spectrometer,TOF)通過測量離子在飛行管中的飛行時間得到物質(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，測定時所有樣品均需經(jīng)有機(jī)溶劑溶解，以溶液的形式通過液相色譜或者進(jìn)樣針、蠕動泵由管路進(jìn)樣，經(jīng)離子化后進(jìn)入質(zhì)譜端檢測。但對于部分分子量較大、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)譜信號弱，難以對化合物進(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，完成對以上非常規(guī)未知化合物的分子量測定及結(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，無法實現(xiàn)電離方式和離子源模式的快速切換，且價格十分昂貴。ASAP是一款手動進(jìn)樣桿，通過樣品桿吸附固體樣品，手動推至離子源內(nèi)部進(jìn)行電離，能基本實現(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)的實時監(jiān)測及樣品檢測的穩(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間質(zhì)譜儀的可軟件控制的固體樣品自動進(jìn)樣系統(tǒng)，能夠?qū)ξ唇?jīng)處理的固體有機(jī)物進(jìn)行測試，并通過在觀測窗口加裝工業(yè)相機(jī)及LED燈源，實現(xiàn)了錐孔處樣品狀態(tài)的可視化觀察。

1 測試裝置及工作原理

1.1 儀器與部件

AB Sciex Triple TOF 4600飛行時間質(zhì)譜儀；電控平移臺及控制器(美國帕克)；工業(yè)相機(jī)(加拿大Teledyne DALSA)；顯示屏(臺灣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APCI源內(nèi)的電暈放電針放電使源內(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)能與原離子源實現(xiàn)互不干擾又功能互補(bǔ)，設(shè)計整個固體樣品自動進(jìn)樣系統(tǒng)從原離子源觀測窗口上開孔實現(xiàn)接入。

在樣品取樣設(shè)計上，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題，同時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)樣桿可通過在原TOF復(fù)合離子源觀測窗口上(石英玻璃材質(zhì))的精確開孔，將樣品直接推送至正對錐孔處，并處于加熱器及APCI電暈針夾角的延長線上。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)，隨后在電場的作用下進(jìn)入錐孔。

由于在原離子源腔室觀測窗口處開孔破壞了原有的密封環(huán)境，本研究通過在進(jìn)樣桿與離子化腔室接口處設(shè)計凹圈，選用高性能耐溫密封圈對接口處進(jìn)行密封。同時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)樣桿移動到接口處時起到一定的緩沖作用，有效地保護(hù)觀測窗口。

2.2 電控平移臺的選型及限位裝置的設(shè)計

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

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)的兩個方向(Y方向和Z方向，行程均為10 mm)設(shè)計毫米級別的微調(diào)組件，如圖3所示。在X移動方向上設(shè)計限位，限位位置為進(jìn)樣桿前端距觀測窗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)，防止誤操作時損壞儀器。

2.3 觀測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平臺上，經(jīng)過對多款相機(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；(2)離子化腔室內(nèi)觀測的光線較暗，空間較小，需增加光源對觀測區(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)過多次調(diào)試及討論，最終確定在側(cè)方位置設(shè)計固定架固定相機(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

使用定制軟件實現(xiàn)對電機(jī)的精確控制，包括電機(jī)移動速度、移動距離、電機(jī)回到初始位置的歸零、顯示當(dāng)前位移等，同時還設(shè)置了方向鍵用于距離的微調(diào)，并且設(shè)置兩個快捷鍵，用來保存當(dāng)前的放大狀態(tài)及上次電機(jī)的移動位置，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%的移動距離后，降速到達(dá)指定位置，防止誤操作對儀器造成損壞；軟件后臺同時也對正負(fù)的最大位移進(jìn)行了限制，實現(xiàn)雙重保護(hù)。

觀測窗口欄可通過鼠標(biāo)拖動X軸和Y軸對觀測位置進(jìn)行調(diào)整，鼠標(biāo)左鍵單擊還可實現(xiàn)圖像的放大。軟件界面如圖5所示。

3 結(jié)果與討論

為了驗證測試裝置的有效性，以其對實際樣品進(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氮氣壓力：35 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)用固體樣品自動進(jìn)樣系統(tǒng)成功地對含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，說明目標(biāo)物已成功電離并被檢測。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—Sn(CH3)3形成。同時，從TIC譜圖的時間可知，單個樣品的出峰時間為0.1～0.3 min，樣品分析時間<30 s，實現(xiàn)了快速檢測分析。

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[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)果與實際樣品測定結(jié)果完全一致，說明目標(biāo)物的確被電離檢測。

3.2 逐步氧化反應(yīng)監(jiān)測

利用該裝置對某化合物的逐步氧化過程進(jìn)行實時監(jiān)測。在對原料中兩個硫元素進(jìn)行氧化的過程中，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，并檢測到最終產(chǎn)物(圖9)。使用本研究設(shè)計的裝置，可在化學(xué)反應(yīng)過程中定時取樣，無需進(jìn)行化合物的分離，30 s即可掌握反應(yīng)進(jìn)行的程度，對研究反應(yīng)動力學(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)有飛行時間質(zhì)譜儀的基礎(chǔ)上搭建了固體樣品自動進(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，拓寬了樣品的測試范圍，解決了原飛行時間質(zhì)譜儀只能液體進(jìn)樣的局限性，并可在30 s內(nèi)完成樣品的自動進(jìn)樣采集，實現(xiàn)了快速檢測。該裝置測試過程簡單、快速、高效，具有創(chuàng)新性，并已獲得實用新型專利授權(quán)[16]，可推廣至擁有同類設(shè)備的相關(guān)實驗室。

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)。