飛行時間質譜儀固體樣品自動進樣系統研制

劉 蔓，韓瑩瑩，朱麗輝，盧煥明，李 勇

(中國科學院寧波材料技術與工程研究所,浙江 寧波 315201)

飛行時間質譜儀(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的精確分子量，可提供物質結構方面的信息，是了解有機物結構的重要工具之一，目前廣泛應用于有機物合成、環境、食品、法醫學、制藥等領域[1-5]。該儀器通常配置商品化的電噴霧電離源(ESI)及大氣壓化學電離源(APCI)復合離子源，測定時所有樣品均需經有機溶劑溶解，以溶液的形式通過液相色譜或者進樣針、蠕動泵由管路進樣，經離子化后進入質譜端檢測。但對于部分分子量較大、極性較弱、剛性較強的非常規化合物，難以找到合適的有機溶劑溶解，且分子量較大的共軛結構的弱極性化合物在有機溶劑中的溶解性也很差。溶解度低，則得到的質譜信號弱，難以對化合物進行結構確證。而固體樣品進樣系統可直接氣化及離子化目標物，能在保證進樣量的前提下，確保質譜響應強度，完成對以上非常規未知化合物的分子量測定及結構分析，并與常規溶液形式進樣的ESI及APCI離子源形成功能互補。

目前，有機物質固體進樣裝置的開發已取得了一定的成果，商品化的系統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是一款手動進樣桿，通過樣品桿吸附固體樣品，手動推至離子源內部進行電離，能基本實現固體樣品進樣，但在進樣操作的便捷性、樣品電離位置控制、離子源狀態的實時監測及樣品檢測的穩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譜儀的可軟件控制的固體樣品自動進樣系統，能夠對未經處理的固體有機物進行測試，并通過在觀測窗口加裝工業相機及LED燈源，實現了錐孔處樣品狀態的可視化觀察。

1 測試裝置及工作原理

1.1 儀器與部件

AB Sciex Triple TOF 4600飛行時間質譜儀；電控平移臺及控制器(美國帕克)；工業相機(加拿大Teledyne DALSA)；顯示屏(臺灣IEI)；進樣桿(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(進樣桿)，2.quartz push rod(石英棒),3.APCI(大氣壓化學電離源)，4.heater(加熱器),5.corona discharge needle(電暈放電針)，6.mass spectrometry inlet(質譜入口)

圖2 進樣桿實物圖Fig.2 Sample injection rod

1.2 工作原理

如圖1所示：進樣桿直接粘附固體樣品，通過軟件控制進樣系統將樣品推送至加熱器下方，化合物瞬間氣化轉變為氣體分子，同時APCI源內的電暈放電針放電使源內N2分子電離，N2離子將電荷轉移給目標分子使其帶電后，目標離子在電場的作用下進入質譜分析器。

2 設備硬件搭建改造

2.1 進樣桿的設計及離子化腔室的密封性考慮

為使本系統能與原離子源實現互不干擾又功能互補，設計整個固體樣品自動進樣系統從原離子源觀測窗口上開孔實現接入。

在樣品取樣設計上，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，進樣桿設計為圓柱體型的不銹鋼材質，中心開孔2 mm，可插入1 mm粗細的石英取樣棒。進樣桿可通過在原TOF復合離子源觀測窗口上(石英玻璃材質)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行電離質子化(正離子模式)或去質子化(負離子模式)，隨后在電場的作用下進入錐孔。

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境，本研究通過在進樣桿與離子化腔室接口處設計凹圈，選用高性能耐溫密封圈對接口處進行密封。同時此密封圈還能防止進樣桿與離子化腔室的硬接觸，在進樣桿移動到接口處時起到一定的緩沖作用，有效地保護觀測窗口。

2.2 電控平移臺的選型及限位裝置的設計

電控平移臺的作用是將進樣桿推送至指定位置，并控制精度達到微米級別，以確保實現樣品的精準到位，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 微調及限位裝置的正面及側面圖片Fig.3 Front and side view of the device of fine-tuning and stop block

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

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

為配合原復合離子源上整體位移的微調，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)設計毫米級別的微調組件，如圖3所示。在X移動方向上設計限位，限位位置為進樣桿前端距觀測窗0.1 mm處，限位系統采用機械限位和軟件開關限位雙重保護，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，經過對多款相機的調試選型得到如下結論：(1)相機需滿足焦距短、分辨率高的特點；(2)離子化腔室內觀測的光線較暗，空間較小，需增加光源對觀測區域進行補光操作；(3)由于氣簾罩為銀白色金屬材質，彩色光源均效果不理想，發散光源反光較嚴重。經過多次調試及討論，最終確定在側方位置設計固定架固定相機，并在相機旁架設聚焦光源，光源的位置可通過蛇形管可調節臂進行調整。

2.4 電機的控制與圖像顯示

使用定制軟件實現對電機的精確控制，包括電機移動速度、移動距離、電機回到初始位置的歸零、顯示當前位移等，同時還設置了方向鍵用于距離的微調，并且設置兩個快捷鍵，用來保存當前的放大狀態及上次電機的移動位置，方便重復進樣操作。

電機速度設置的原則為先快后慢，電機以軟件設置的速度完成90%的移動距離后，降速到達指定位置，防止誤操作對儀器造成損壞；軟件后臺同時也對正負的最大位移進行了限制，實現雙重保護。

觀測窗口欄可通過鼠標拖動X軸和Y軸對觀測位置進行調整，鼠標左鍵單擊還可實現圖像的放大。軟件界面如圖5所示。

3 結果與討論

為了驗證測試裝置的有效性，以其對實際樣品進行采集分析。

3.1 固體有機粉體直接進樣分析

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，圖中矩形部分為質譜圖選取的背景區域。運用固體樣品自動進樣系統成功地對含Sn的有機金屬化合物進行了電離分析，所得質譜圖與軟件擬合的同位素譜峰一致，說明目標物已成功電離并被檢測。由圖7可見，目標物形成了[M+H]+離子和一些碎片離子，圖中[M+H]+強度較弱，而離子m/z503.380 2強度最高(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 樣品的質譜圖(已扣除系統離子背景)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

運用Analyst?TF 1.7軟件對[M+H]+離子進行同位素譜峰模擬，如圖8所示，得出的模擬結果與實際樣品測定結果完全一致，說明目標物的確被電離檢測。

3.2 逐步氧化反應監測

利用該裝置對某化合物的逐步氧化過程進行實時監測。在對原料中兩個硫元素進行氧化的過程中，隨著氧化反應的不斷進行，原料逐漸減少，中間產物(共3種)逐漸增多，并檢測到最終產物(圖9)。使用本研究設計的裝置，可在化學反應過程中定時取樣，無需進行化合物的分離，30 s即可掌握反應進行的程度，對研究反應動力學及反應機理有著重要的支撐作用。

圖9 逐步氧化反應監測質譜圖Fig.9 Mass spectra of step-by-step reaction procedures

4 結 論

本文在現有飛行時間質譜儀的基礎上搭建了固體樣品自動進樣系統，開發了有機固體粉末樣品直接進樣分析的功能，拓寬了樣品的測試范圍，解決了原飛行時間質譜儀只能液體進樣的局限性，并可在30 s內完成樣品的自動進樣采集，實現了快速檢測。該裝置測試過程簡單、快速、高效，具有創新性，并已獲得實用新型專利授權[16]，可推廣至擁有同類設備的相關實驗室。

致謝：感謝寧波大學俞建成、張俊良、謝志軍教授在本工作中的幫助與指導。