瓜子殼作為新型木質電噴霧材料的分析性能研究

劉喆 郭云龍 許慶軒 劉淑瑩

摘 要 ：建立了一種簡單經濟實用的電噴霧質譜技術 （ESIMS），利用一次性前端削尖的瓜子殼承載樣品，并使其離子化。采用瓜子殼蘸取樣品溶液，或通過移液器將樣品加入到瓜子殼的凹槽中。瓜子殼的尖端角度在60°～90°范圍內， 瓜子殼尖端與質譜儀入口之間的距離在2～3 mm范圍內， 關閉所有去溶劑化氣體， 在尖端施加3.5～4.0 kV高壓后，可獲得理想的質譜效果。實驗結果表明，這種新技術適用于多種樣品的分析，包括木質素、人參皂苷、氨基酸和蛋白質等。將其與傳統電噴霧和牙簽木尖噴霧進行對比，在檢測木質素類物質和人參皂苷及蛋白質分子時，瓜子殼木尖噴霧相較于其它兩種電離方式效果更佳。本方法還可分析一些不能通過傳統的電噴霧技術直接分析的樣品，如固體粉末樣品等。在本研究中，參照ESI的單針進樣方式設計了一種可連續進樣的裝置，利用此裝置對人參粉末進行在線提取，獲得持續穩定的總離子流圖，并得到了十分豐富的質譜信息。

關鍵詞 ：質譜; 電噴霧; 木尖噴霧; 瓜子殼; 在線提取

1 引 言

電噴霧電離質譜 （ESIMS）[～3]可分析多種類型的化合物，甚至能夠分析熱不穩定、不易揮發的各種生物及合成的大分子聚合物，具有很高的分析靈敏度，可與分離技術 （如液相色譜、毛細管電泳） 非常方便地聯用[4]，在多個領域應用廣泛[5，6]。ESIMS與大氣壓化學電離 （APCI）[7，8]一起成為了目前廣泛使用的大氣壓電離方法，合稱大氣壓電離 （API） 技術。與真空條件下操作的質譜 （如電子轟擊質譜（EIMS）、基質輔助激光解吸質譜 （MALDIMS） ） 相比，盡管API質譜使用更方便，但在通常情況下仍需要進行復雜的前處理，即對樣品進行提取和凈化，甚至還需進一步分離，因此，分析過程依然繁瑣耗時，效率很低。為了提高分析效率及樣品分析通量，近年來開發了各種原位電離技術，不需要樣品前處理，也不需要色譜 （或毛細管電泳） 分離，實際樣品直接分析[9～13]。這些原位電離技術都是將現有電離技術進行某種程度的改進，并與各種取樣技術有機結合，從而產生傳統質譜所不具有的原位分析功能。其中，基于電噴霧的原位電離技術的一個重要發展方向是將封閉式 （即樣品通過毛細管發生噴霧） 轉化為開放式 （非毛細管電噴霧），并對用于電噴霧的材料進行各種嘗試，包括電噴霧探針技術 （Probe electrospray ionization，PESI）[4]、直接電離技術 （Direct ionization）[5]、紙噴霧電離 （Paper spray ionization，PSI）[6，17]、葉噴霧電離 （Leaf spray）[8，19]、圓珠筆電噴霧 （Ballpoint electrospray ionization，BPESI）[20]、多功能碳纖維電離 （Carbon fiber ionization，CFI）[21]、組織電噴霧 （Tissue spray） [22，23]和木尖噴霧電離 （Wooden tips spray）[24，25]等。電噴霧探針技術 （PESI） 主要采用金屬絲或金屬針作為探針，使用探針尖蘸取少量液體樣品，并在探針上施加高電壓，樣品在探針尖上產生噴霧[26]。近幾年使用木質尖取代金屬作為探針，與金屬探針相比具有很多優良性能，其中木材的親水性和多孔性使得樣品溶液能有效粘附在尖端表面上 [27]，有利于樣品檢測，且不會因為檢測時尖端發生放電現象而失效。葉噴霧、組織噴霧和直接電離這3種技術十分相似，與探針噴霧不同，它們均不需要專門的噴霧裝置，可直接將植物、動物的組織加工成三角形，將高電壓和溶劑施加在組織上，溶劑將組織中的成分提取出來，在三角形樣品的尖端處產生電噴霧，將其中的化學物質離子化送入質譜儀中檢測，待測物本身既作為噴霧探針， 又作為樣品。迄今為止，使用該電離技術已成功分析了人參、桑樹葉、天麻以及動物組織等樣品，提供了有關糖、氨基酸、脂肪酸、脂類和生物堿的實時高質量的質譜信息[22，28，29]。

雖然各式新型的電噴霧技術相繼被開發，但對于不同類型樣品的檢測還有一定的局限性。例如使用牙簽作為噴霧探針時，由于其尖端體積很小，能夠承載的樣品溶液很少。直接電離方法操作雖然比牙簽噴霧簡便，克服了牙簽承載樣品量少的限制，但是電噴霧的產生要求噴霧材料有一個尖端，以保證施加電壓時能夠在尖端產生穩定的泰勒錐 （Taylor cone），但是將高淀粉含量的粉末狀或膏狀的樣品加工成一個符合要求的尖端并不容易。瓜子殼作為木尖噴霧的材料，可將提取和檢測在線耦合到一起，有利于提高信號強度。 本研究以瓜子殼作為木質噴霧離子化裝置， 其凹槽是一個天然的樣品池， 可承載較大的液體或固體樣品量，若再連接一個溶劑 （或溶液） 連續注入裝置，就可獲得連續不間斷的離子信號。

3 結果與討論

3.1 瓜子殼噴霧實驗條件優化

3.1.1 瓜子殼尖端與質譜儀入口距離 以五味子丙素為模型樣品進行各項參數優化。其中，瓜子殼尖端與質譜儀入口的距離是重要的影響因素。實驗表明，當瓜子殼的尖端與質譜儀入口的距離較遠時，瓜子殼的尖端無法在施加溶劑及高壓后形成Taylor cone，產生相應的離子信號; 將瓜子殼的尖端置于距質譜儀入口2～3 mm，可得到良好的離子信號。

3.1.2 電壓選擇 將瓜子殼的木質尖端置于距入口2～3 mm處，當施加電壓低于1.5 kV時，在質譜中幾乎觀察不到樣品離子的信號; 施加2.5 kV電壓，在質譜中可觀察到較弱的離子信息。隨電壓逐漸增加，信號也隨之增強，當電壓達到3.5 kV時，樣品在質譜中的離子信號良好且穩定。電壓增加直至4.0 kV以上，離子強度變化不大，且在檢測的過程中易發生放電現象。因此，將噴霧電壓設定在3.5～4.0 kV。

3.1.3 瓜子殼噴霧尖端角度選擇 瓜子殼主要成分為纖維素，小分子化合物很少，為避免在檢測過程中產生干擾，需要進行簡單清洗。依次用超純水和甲醇各超聲15 min，去除雜質，并將瓜子殼尖端剪成任意角度。圖2為瓜子殼的空白背景木尖噴霧質譜圖。在此基礎上，加長超聲時間，質譜圖中的背景峰變化不大。將瓜子殼的尖端剪成不同的角度放在質譜儀入口進行檢測，如圖3所示，當瓜子殼的角度在30°時，質譜的離子強度很弱，幾乎觀察不到目標化合物的信號; 當角度為45°時，質譜的離子信號增加了約兩個數量級; 當角度到達60°時，可在質譜中觀察到穩定的離子信號。角度增加至90°，信號未減弱且十分穩定; 當角度增加至90°～120°時，可觀察到離子強度明顯下降; 當角度增加至150°時，質譜信號出現不穩定的現象，觀察到的信號幾乎與30°時相同，目標化合物信號消失。因此，60°～90°是瓜子殼的尖端最佳角度。

4 結 論

瓜子殼木尖噴霧電離在多類樣品的檢測中都具有良好的實用性。此新型離子源中使用的瓜子殼容易獲得，并可與具有大氣壓接口的各種質譜儀聯用。樣品檢測簡單、方便、快速。瓜子殼天然的載樣功能可獲得持久穩定的離子信號。實驗結果表明，這種新型改良離子源可用于多種小分子化合物以及大分子蛋白質的常規分析。新方法的電離與電噴霧電離均溫和。此外，在中藥有效成分的檢測過程中，瓜子殼木尖噴霧相對于電噴霧電離源顯示出了明顯優勢。在線提取裝置將固體樣品提取和質譜分析相結合，可像封閉式電噴霧的單針進樣一樣，獲得持續穩定的離子信號，并可作為色譜和質譜的接口，實現液相色譜質譜聯用分析。本方法在中藥分析、臨床和法醫分析中具有較大的應用潛力。

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