多噴嘴電噴霧陣列離子源對離子遷移譜性能的影響

劉文杰 李國柱 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徑為46 μm，采用環形排列以提高噴霧電場的均勻度，噴嘴之間的距離為0.5 cm 以克服噴嘴之間的電場屏蔽效應。測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號的響應值及相應的信噪比。實驗結果表明，在優化的條件下，多噴嘴電噴霧陣列可有效的提高ESI對溶液中水含量的容忍度，降低離子化噪音。與此同時，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3.8倍。

關鍵詞 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）是一種氣態離子分離技術，具有分離速度快，靈敏度高，結構簡單等特點，在爆炸物檢測、化學戰試劑檢測、毒品分析及揮發性化學品的分析等領域廣泛應用【1】。隨著離子遷移譜技術及其聯用方法的發展，相關方法在代謝組學【2，3】、食品安全【4】、環境分析【5，6】、藥物分析【7，8】等領域的應用越來越多。離子遷移譜儀主要由離子源、遷移管、檢測器、離子門等核心部件組成，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）等可適應不同的樣品【9，10】。

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

盡管電噴霧離子源應用于質譜及液相色譜-質譜聯用分析非常成功，但與離子遷移譜結合時還有一些不足之處。由于遷移管的結構限制，與電噴霧結合時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的液相色譜等分離手段聯用。另一方面，電噴霧溶液中水含量升高會使去溶劑化過程變得困難，離子化效率降低，譜圖的噪音增加，進而使分析的靈敏度降低【9，10】。為克服傳統單噴嘴ESI源的缺點，Wu等【13】設計了一種多通道的電噴霧離子源，質譜分析的結果表明其噴霧的穩定性更高，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】設計的一種平行十噴嘴的納噴霧源，進一步證實了這種結果，但存在噴嘴之間噴霧電場不均勻而限制了性能的進一步提高。Kelly等的研究結果表明，與質譜儀的毛細管入口匹配的直線排列的19噴嘴的納噴霧陣列分析肽類化合物時，靈敏度平均提高了9倍【15】，進一步改進的環形19噴嘴納噴霧陣列在與多毛細管質譜儀離子入口配合時克服了噴嘴之間噴霧電場不均勻的問題【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（場不對稱離子遷稱譜）的靈敏度。但由于噴嘴的數量需與質譜儀的毛細管入口數量相匹配，大氣壓與真空之間的離子傳輸效率對電噴霧-質譜的靈敏度影響很大，同時，繼續增加噴嘴的數量受到質譜儀接口的限制而難以實現。

多噴嘴電噴霧陣列的信號強度與噴嘴數量的平方根成正比【18】，因此，增加噴嘴的數量可以有效的提高ESI的離子化效率，進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程均在大氣壓下進行，離子源產生的氣相離子全部進行離子遷移譜儀，將環形電噴霧陣列離子源應用于離子遷移譜時無需考慮離子傳輸效率，也無需對遷移管結構進行改動，因而比質譜儀更能充分利用多噴嘴帶來的靈敏度提高的好處。本研究以西地那非和蘇丹紅Ⅱ號為研究對象，探討了環形多噴嘴的電噴霧離子遷移譜聯用的噴霧電壓、溶劑組成、噴霧流速等因素對靈敏度、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 實驗部分

2.1 試劑與儀器

蘇丹紅Ⅱ號標準品、西地那非、沙丁胺醇、鹽酸克倫特羅、羅丹明B及米諾環素標準品（Sigma-Aldrich公司）；甲醇（Fisher Scientific公司）；乙酸（分析純，天津市致遠化學試劑有限公司）；實驗用水均為Milli-Q純水系統制備的超純水。壓縮空氣經分子篩、變色硅膠和活性炭凈化后作為遷移氣（Drift Gas）。蘇丹紅Ⅱ、西地那非、沙丁胺醇、鹽酸克倫特羅、羅丹明B及米諾環素均用甲醇配成500 mg/L的儲備液，并用不同配比的溶液配成0.5， 2.5， 10， 25和50 mg/L的工作標準溶液，所有溶液中均含有1% 乙酸。

大氣壓離子遷移譜儀，由Washington State University和塔里木大學共同研制。遷移管的內徑為5 cm，由3 mm厚的不銹鋼環和2 mm厚的陶瓷環推疊而成，中間由一個Bradbury-Nielsen離子門隔開成5 cm的脫溶劑區和14.1 cm的遷移區（圖1）。離子門的工作電壓調節為 ±32 V，剛好能完全阻斷ESI的離子信號。遷移管的工作電壓為12 kV，離子門的參考電壓為10.25 kV。凈化后的空氣經預熱后作為遷移氣。遷移氣的預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器的信號放大裝置，由Digilent公司的Analog和BNC套件作為信號采集及離子門控制的裝置，離子門打開的時間為0.2 ms。數據導入Excel進行處理。單噴嘴的電噴霧源由一根內徑46um的polymicro公司提供的石英毛細管組成，位置固定于離子門前3.5 cm處。12噴嘴的環形電噴霧陣列離子源參考文獻＼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 數據處理

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，重復次數為100次，單次分析時間為90 s。各標準物質的離子遷移率由遷移管長度、工作電壓及遷移時間計算而得，離子遷移譜圖中各化合物的分辨率（Resolving power， Rm）根據出峰的遷移時間及其對應的半高峰寬計算得到。為了測量多噴嘴電噴霧離子源的穩定性，將連續測量的100張譜圖的的信號值的相對標準偏差作為衡量噪音水平的參數。

3 結果與討論

3.1 噴霧電流的影響

噴霧電流的測定采用的甲醇-水（90∶10， V/V，含1%乙酸）溶液，離子門全開時記錄放大器的輸出電壓平均值，根據微電流放大器的放大倍數計算單噴嘴和多噴嘴電噴霧源在不同電壓下的噴霧電流。設定單噴嘴ESI的工作流速為2.5 μL/min； 多噴嘴ESI的工作流速為15 μL/min，平均每個噴嘴的流速為1.25 μL/min。實驗結果表明，在超過2.5 kV時，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，電噴霧源的噴嘴數量對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，多噴嘴ESI的噴霧電流是單噴嘴的3.3倍。通常認為，在超過一定流速時ESI為濃度型檢測器，噴霧電流的增加表明，增加電噴霧源的噴嘴數量，可有效增加單位時間內生成的離子數量，進而提高電噴霧的離子化效率。當電壓超過7.0 kV時，ESI的高壓電源容易擊穿空氣產生放電， 從而使工作變得不穩定，因此，大氣壓下多噴嘴電噴霧離子源可以穩定的工作在6.5 kV以下。

3.2 溶劑組成對分辨率及離子化效率的影響

在優化的條件下，西地那非和蘇丹紅Ⅱ號的單噴嘴電噴霧離子遷移譜圖見圖2A和圖2C，西地那非和蘇丹紅Ⅱ號的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量增加，同種離子之間的庫侖斥力增大而使得離子擴散程度稍有增加，從而導致分辨率有所降低。

ESI的工作溶劑對離子化效率影響很大。對西地那非而言，單噴嘴的電噴霧源在使用甲醇-水體系時，甲醇含量增加，離子化的效率增大，在甲醇含量為50%時，信號強度達到最大值，繼續增大甲醇含量，西地那非的信號強度緩慢下降，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。西地那非離子峰的分辨率與溶劑組成變化的關系不明顯（圖2A）。與之相比，對于多噴嘴的ESI源，甲醇含量在0～20%的范圍內，信號強度增加迅速，當甲醇含量為25%時，信號強度達到最大值，再增加甲醇含量，信號強度下降。同樣，隨甲醇含量增加，信噪比呈上升趨勢（圖2B）。當甲醇含量為50%時，單噴嘴ESI的信號峰強度為1.36，多噴嘴ESI的信號峰強度達到3.13，約為單噴嘴的2.3倍。在所有的溶劑組成下，多噴嘴ESI的信號峰強度平均為單噴嘴ESI的4.3倍。

值得指出的是，在以水-甲醇為ESI溶液時，單噴嘴ESI西地那非的信號峰很弱，但多噴嘴ESI西地那非的信號強度為3.68，這表明多噴嘴ESI對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號的信號強度隨溶劑組成的變化呈相近的趨勢，甲醇含量為20%時，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譜圖中信號強度達到0.22（圖2D）。甲醇的比例為40%時，蘇丹紅Ⅱ多噴嘴ESI的信號強度為單噴嘴的2.8倍。

3.3 溶液流速對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；再增加流速會導致脫溶劑過程變得困難，ESI過程中產生的帶電液滴會增加譜圖的噪音而使信噪比劣化。在離子遷移譜與常規的液相色譜聯用時，需使用大比例的分流比， 而導致流速變得不穩定。因此，提高電噴霧離子遷移譜的溶液流速，對提高譜圖的信噪比，使離子遷移譜與液相色譜有效聯用有著重要的意義。為了比較單噴嘴和多噴嘴電噴霧離子源在大流速時的分析性能，測定了甲醇-水（90∶10， V/V）溶液中的2.5 mg/L蘇丹紅Ⅱ號在不同流速下的信號強度及譜圖的噪音水平。

由圖3A可見，單噴嘴的ESI信號強度隨流速增加而增大，在5 μL/min時達到最大值；繼續增大流速，信號強度緩慢下降。與此同時，流速對譜圖信號的穩定性影響非常大；流速超過4 μL/min時，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，多噴嘴ESI的信號強度快速增加；流速超過10 μL/min時，信號強度仍緩慢增加，沒有下降的趨勢（圖3C）；流速小于20 μL/min時，信號的波動保持較低的水平；流速超過20 μL/min時，波動才有較大幅度的增加。這表明，在沒有輔助噴霧氣時，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的信號強度更高，噴霧過程的穩定性得到有效提高，降低了分析的檢出限。

（A）單噴嘴ESI信號隨流速的變化趨勢。（B）單噴嘴ESI噪音隨流速上升情況。（C）多噴嘴的信號強度與流速的關系。（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

為進一步驗證不同離子源對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、沙丁胺醇、鹽酸克倫特羅、羅丹明B及米諾環素分析單噴嘴和多噴嘴電噴霧離子遷移譜的信號強度，結果見表1。6種化合物在甲醇-水（90∶10， V/V）溶液中都呈現為單一的離子峰，多噴嘴電噴霧離子源的信號強度均比單噴嘴離子源的強度高，但提高的倍數并不相同。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。可以預期，隨著電噴霧噴嘴數量的進一步增加，離子遷移譜靈敏度的提高將更加顯著。

References

1 Borsdorf H， Mayer T， Zarejousheghani M， Eiceman G A. Appl. Spectrosc. Rev.， 2011， 46（6）： 472-521

2 Harry E L， Weston D J， Bristow A W T， Wilson I D， Creaser C S. J. Chromat. B， Analyt. Technol. Biomed. Life Sci.， 2008， 871（2）： 357-361

3 Lapthorn C， Pullen F， Chowdhry B Z. Mass Spectrom. Rev.， 2013， 32（1）： 43-71

4 Karpas Z. Food Research Inter.， 2013， 54（1）： 1146-1151

5 Holopainen S， Luukkonen V， Nousiainen M， Sillanpaa M. Talanta， 2013， 114： 176-182

6 PENG Li-Ying， WANG Wei-Guo， WANG Xin， CHEN Wen-Dong， CHEN Chuang， CHENG Sha-Sha， LIANG Xi-Xi， ZHOU Qing-Hua， LI Jing-Hua， LI Hai-Yang. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（2）： 278-282

彭麗英， 王衛國， 王 新， 陳文東， 陳 創， 程沙沙， 梁茜茜， 周慶華， 李京華， 李海洋. 分析化學， 2014， 42（2）： 278-282

7 Gang D R， Davin L B， Ibdah M， Lange B M， Lewis N G， Turner G W， Shion H， Witkop G， Harris D， Millar A. Pharm. Biol.， 2012， 50（5）： 567-568

8 Kanu A B， Brandt S D， Williams M D， Zhang N， Hill H H. Anal. Chem.， 2013， 85（18）： 8535-8542

9 Wittmer D， Luckenbill B K， Hill H H， Chen Y H. Anal. Chem.， 1994， 66（14）： 2348-2355

10 Wu C， Siems W F， Asbury G R， Hill H H. Anal. Chem.， 1998， 70（23）： 4929-4938

11 Fenn J B， Mann M， Meng C K， Wong S F， Whitehouse C M. Science.， 1989， 246（4926）： 64-71

12 CHEN Chuang， WANG Wei-Guo， LIANG Xi-Xi， ZHOU Qing-Hua， PENG Li-Ying， WENG Meng， JU Bang-Yu， ZHAO Kun， LIU Jun， LI Hai-Yang. Chinese Journal of Chromatography， 2013， 31（4）： 386-391

陳 創， 王衛國， 梁茜茜， 周慶華， 彭麗英， 溫 萌， 鞠幫玉， 趙 琨， 劉 軍， 李海洋. 色譜， 2013， 31（4）： 386-391

13 Wu X， Oleschuk R D， Cann N M. Analyst.， 2012， 137（18）： 4150-4161

14 Mao P， Wang H T， Yang P， Wang D. Anal. Chem.， 2011， 83（15）： 6082-6089

15 Kelly R T， Page J S， Tang K， Smith R D. Anal. Chem.， 2007， 79（11）： 4192-4198

16 Kelly R T， Page J S， Marginean I， Tang K， Smith R D. Anal. Chem.， 2008， 80（14）： 5660-5665

17 Mabrouki R， Kelly R T， Prior D C， Shvarsburg A A， Tang K， Smith R D. J. Am. Soc. Mass. Spectr.， 2009， 20（9）： 1768-1774

18 Mao P Gomez-Sjoberg R， Wang D. Anal. Chem.， 2013， 85（2）： 816-819endprint