常压敞开式质谱离子源发展趋势

近年来常压敞开式离子源凭借快速、原位、实时离子化样品等优势,被广泛应用于样品快速筛查、真伪鉴定、质谱成像等领域,已成为当今离子源的研究热点,受到了学术界及仪器制造、化学和生物分析等相关产业界的广泛关注。目前,该类离子源朝着克服基体效应、提高样品表面定位能力及增加离子传输距离等方向发展。本文主要介绍了可以很好解决上述问题并具有代表性的三种常压敞开式离子源:电喷雾萃取离子源(EESI)、介质阻挡放电离子源(DBDI)及空气动力辅助离子源(AFAI),重点涉及原理以及在此基础上所做的设计改进和应用进展。     

常压电喷雾离子化的机理及应用

作为最有前景的分析仪器之一,质谱技术已在药物、食品、环境、人类健康、国家安全及相关领域展现出广阔的应用前景。不同种类的分析物具有多种特征,这为直接离子化及质谱分析增加了难度。常压敞开式离子源是近年来新兴的一种离子源,这类离子源具有无需复杂的样品前处理、操作方便、快速、非破坏性、灵敏度及特异性好、能实现实时原位、高通量分析等特点。本文综述了基于电喷雾离子化(ESI)原理的各种离子源的电离机理、特征及应用,展望了常压敞开式离子源的发展趋势。     

辉光放电质谱分析中质谱干扰及其校正方法的现状

详细地介绍了辉光放电质谱分析中的质谱干扰如同量异位素、多原子离子和多电荷离子干扰。从同位素选择、高分辨率仪器、碰撞诱导解离、离子源冷却、数学方法校正、放电气体更换和放电气体纯度提高等方面对辉光放电质谱的质谱干扰校正方法的现状进行了评述(引用文献共68篇)。     

等离子体常压解吸离子源质谱

近年来,常压开源质谱解吸/离子化(ambient desorption/ionization mass spectrometry)技术的开发促进了质谱分析的蓬勃发展.作为常压开源质谱技术的一大重要分支,基于等离子体的常压质谱解吸/离子化技术因无需样品预处理、无溶剂化过程、高灵敏度、高通量、能实时在线检测样品等优点,受到了学术界及仪器制造、化学和生物分析等相关产业界的广泛关注.本文从离子源的种类、原理及应用等角度对目前我国在开源质谱领域中自主研发的基于等离子体的常压离子源的研究进展进行了总结,并对此类等离子体常压离子源的发展进行了展望,重点涉及微波等离子体源、常压微辉光放电等离子体源和解吸电晕束离子源.     

常压敞开式离子化质谱技术研究进展

近年来,无需复杂样品前处理、且在开放环境下实现离子化的常压敞开式离子化质谱技术( Ambientionization mass spectrometry,AI - MS)的研制与应用成为质谱学领域的前沿及备受关注的研究方向.该文综述了AI离子源的基本原理、特征与应用进展,并结合笔者研制的空气动力辅助离子化(Air flow assisted ionization,AFAI)技术,介绍了气流辅助常压敞开式离子化技术的基本特点及其应用.展望了常压敞开式离子化技术的发展趋势.     

单电极介质阻挡放电离子源研究

介质阻挡放电离子源是一种常压敞开式离子源,由于免试剂、适用范围广、易于小型化等特点而备受关注.该类离子源多采用表面双电极或针-环电极设计方式.表面双电极的接地电极会减弱氦气在强电场中电离形成的流注崩头能量,缩短等离子束喷射距离.针-环电极的电场主要集中在针电极尖端,流注崩头能量小,等离子束喷射距离比表面双电极还短.本研究对放电影响因素进行分析,通过改变电极形状和增加绝缘介质部件进行电场调整,使强电场区域集中于电极一侧,解决了单电极回流放电问题,从而获得稳定、高效的等离子束,其最大长度可达8 cm以上.基于电场调整技术,研制出单电极介质阻挡放电离子源,它主要由惰性载气、高压电极、绝缘介质管、气控以及温控部分组成.使用新型离子源对咖啡因液态样品和扑热息痛固体药片进行了质谱分析,前者的定量曲线R2值为99.66％,100 μg/L的信噪比为23;后者的主要成分对乙酰氨基酚可在质谱中快速检出,响应强度为1.26×106.上述结果表明,新型离子源可以实现样品的定量和快速原位分析.     

大气采样辉光放电质谱仪的设计与应用

针对某些弱极性类物质难以通过大气压离子源直接电离的问题,提出基于大气采样辉光放电电离方式实现弱极性物质在大气压下直接进样、电离和质谱分析的方法.通过在大气压接口-四极质谱仪的第一级真空中的离子透镜上施加交流高压产生放电,简化了辉光放电离子源的设计,能直接离子化大气压接口吸人的物质,离子在离子透镜的传输下进入四极杆质量分析器实现质谱分析.实验表明,本方法能电离电喷雾电离离子源和大气压化学电离离子源未能电离的弱极性物质——艾试剂,并且负离子工作模式比正离子工作模式的信号至少强40倍.     

一种用于高场非对称波形离子迁移谱系统的新型敞开式化学离子源

根据高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)系统的要求, 本文提出了一种新型敞开式直流电晕放电化学离子源. 该离子源主要由内线电极、外筒电极和牵引电极组成, 内、外电极半径分别是0.08、2 mm. 筒壁电极上开有对称的4个槽, 用于通入样品和牵引离子. 质谱实验结果表明, 该离子源能够在敞开环境下很好地离子化丙酮、乙醇、苯胺、N,N-二甲基甲酰胺、甲基磷酸二甲酯(DMMP)、乙酸乙酯、甲酸、乙酸、苯酚等正、负电性物质. 静电计测试实验结果说明该离子源能够稳定地产生离子电流. 通过分析不同时刻的谱图发现, 在不同时间点上产生的主要离子相同, 具有很好的稳定性. 利用感应耦合等离子体(ICP)工艺在硅片上加工了该离子源, 从而验证了该结构可以由微机电系统(MEMS)加工技术实现. 该离子源具有体积小、结构简单、无辐射、工作稳定等特点, 不仅可以满足FAIMS系统的要求, 还可用于敞开式质谱、微型质谱仪、离子迁移谱(IMS)等仪器.     

双电离源(辉光放电/激光溅射电离)四极杆质谱仪的研制

本研究将辉光电离源与激光溅射电离源巧妙地结合在同一台仪器中,使固体样品在离子源腔体中既能辉光电离,也能激光电离;并且使用同一质量分析器,两种离子源的结果可以相互比对,进而得到更为准确的分析结果.此仪器主要由真空系统、离子源、离子传输系统、四极杆质量分析器及检测与数据采集系统等组成.实验中分别用两种离子源测试了标准样品SRM 1262b,并获得了半定量结果.结果表明,仪器具有定性能力强,分析速度快,检测灵敏度高等优点,对固体样品元素分析的检出限可达μg/g量级.实验表明,激光溅射电离质谱的性能优于辉光放电质谱.     

改善液体辅助表面解吸常压化学电离质谱成像空间分辨率的研究

液体辅助表面解吸常压化学电离源(LA-DAPCI)通过电晕放电产生的初级离子和高密度带电液滴,能够对样品表面的中性待测物进行解吸电离,该离子源具有较高的离子化效率,适合复杂基体样品的质谱成像研究.为了满足质谱成像对空间分辨率的要求,本实验通过优化离子源结构、萃取剂组成、萃取剂流量、载气流速、离子源的几何位置参数等实验条件,有效提高了LA-DAPCI源的空间分辨率(从(441±14) μm提高到(58±7)μm).应用LA-DAPCI-MS/MS方法对罗丹明6G进行测定,检测限为0.01 ng/cm2,实验结果令人满意,为其应用于复杂基体样品的质谱成像研究提供科学依据.     

常压电离质谱在公共安全化学毒物检测的应用

常压电离质谱技术(Ambient ionization mass spectrometry,AIMS)以其敞开式环境、简便操作、原位、实时、高通量等优势,成为公共安全化学毒物检测领域的研究热点。该文基于文献计量分析,简要概述了AIMS的分类、发展趋势及其在公共安全化学毒物检测领域的发展现状,重点从检测灵敏度、样品前处理兼容性以及现场检测的小型化质谱适配性等方面,归类总结了AIMS在毒品、爆炸物、化学战剂和生物毒素等分析检测方面的应用特点,最后对其技术特点及未来发展待解决问题等进行了评述,为相关领域研究人员提供有益参考。     

原位电离与小型质谱在公共安全领域的应用

质谱作为一种具有高准确度、高灵敏度、高选择性的检测仪器,在公共安全领域有着重要的应用前景。公共安全领域的需求主要涉及毒品、毒物、爆炸物等化学物质的现场快速检测,因其影响广泛,检测结果需非常准确。作为实验室分析仪器,质谱的准确性和速度能满足公共安全的应用需求,但作为现场快速检测的仪器仍需要一定改进。现场快速检测一方面要求检测仪器的小型化,另一方面要求样品前处理的简单化,以使整个检测流程可以无需专业人员来完成。对于检测仪器的小型化,小型质谱的开发在近20年得到了充分发展;对于样品前处理的简单化,研究者发明了原位电离技术,使得基质复杂的被分析物无需前处理即可进行质谱检测。该文首先介绍了原位电离技术的发展及其在公共安全领域的应用,特别是对解吸附电喷雾电离、实时直接分析电离、激光烧蚀电喷雾电离、纸喷雾电离与纸毛细管喷雾电离等典型原位电离技术的原理、性能及在公共安全领域的应用进行了详细介绍,并讨论了几种原位电离现场定量方法。然后,对原位电离小型质谱的发展进行了综述,从最初的小型化离子阱,到仅能检测可挥发有机物的小型质谱,再到可检测非挥发性物质的常规大气压电离源小型质谱,最后发展成为有原位电离源的小型质谱,历经20年的发展使得原位电离小型质谱得以出现和提升。并列举了原位电离小型质谱在毒品现场检测与吸毒人员排查、爆炸物现场侦察、食品安全之农用化学品检测、药物质量检查等公共安全领域的应用。最后,对原位电离小型质谱的发展进行了展望,指出原位电离与小型质谱相结合是小型质谱发展的必然趋势,未来需使用更加智能化的原位电离小型质谱,结合云数据平台,实现更方便广泛的应用。     

复杂样品的固相微萃取-直接质谱分析技术研究进展

常压离子化质谱分析技术由于具有无需样品预处理、操作简单、分析效率高等特点,现已在复杂样品的快速分析方面发挥了重要作用。但是,该技术在质谱分析时将样品基质和待测化合物同时进行电离,样品基质对目标化合物的质谱分析造成了严重干扰。为了解决这一问题,在质谱直接分析前先采用固相微萃取技术对复杂样品中的目标化合物进行富集或基质去除,可极大地提高待测化合物的质谱分析灵敏度。该文着重综述了近几年发展起来可直接与常压电离源相联用或可原位电离目标化合物的固相微萃取技术,介绍了它们的原理及在复杂样品分析领域的应用,展望了固相微萃取-直接质谱分析技术的发展趋势。     

实时直接分析质谱新技术及其应用

由于不需要复杂的样品前处理过程,并具有实时、原位分析等特点,常压敞开式离子化技术成为近年来质谱研究的热点之一.实时直接分析(direct analysis in real time,DART)是近年来出现的一种常压敞开式离子化新技术,在食品安全、环境监测、爆炸物检测以及生物医药等诸多研究领域均有广泛的应用.本文简单介绍了常压敞开式离子化方法的发展,DART的基本原理和研究现状.进而介绍了我国质谱研究人员在基于DART的质谱仪器改进、联用技术以及生物药物等检测分析方面取得的新进展和新成果.     

复杂样品质谱分析技术的原理与应用

原位、实时、在线、非破坏、高通量、低耗损的质谱学方法是质谱分析技术发展的重要趋势.在无需样品预处理的条件下对复杂基体样品中痕量待测物直接离子化技术的出现,极大地提高了质谱分析的效率,使实际样品的快速质谱分析成为可能.本文着重综述了能够在无需样品预处理情况下对复杂基体样品离子化的新兴质谱技术及其应用研究,系统阐述了直接离子化技术的基本原理和方法,介绍了几种典型的常压直接离子化技术和装置,对直接离子化质谱分析技术在食品、药品、环境、活体分析、代谢组学、蛋白质组学以及生物组织质谱成像等领域的典型应用进行了述评,讨论了提高复杂样品快速质谱分析选择性的可能方法,并展望了常压直接离子化技术未来发展的可能趋势.     

Research Advances in Ambient Ionization and Miniature Mass Spectrometry

The development and applications of ambient ionization and miniature mass spectrometry are current research focus in chemical measurement. The analytical technology based on the combination of ambient ionization and miniature mass spectrometry can bypass chromatographic separation and eliminate or simplify sample pretreatment process. The protocol can reverse the labor-intensive and time-consuming drawbacks of traditional analytical methodologies, and realize rapid, on-site analysis with high sensitivity and high throughput. In this paper, the research progress and applications of ambient ionization and miniature mass spectrometry in the fields of food safety, consumer product safety, public security, life sciences and environmental monitoring, are reviewed, and future trends and prospects are discussed, which may provide technical guidance for the researchers engaged in relevant fields.     

Development of a dielectric barrier discharge ion source for ambient mass spectrometry

A new ion source based on dielectric barrier discharge was developed as an alternative ionization source for ambient mass spectrometry. The dielectric barrier discharge ionization source, termed as DBDI herein, was composed of a copper sheet electrode, a discharge electrode, and a piece of glass slide in between as dielectric barrier as well as sample plate. Stable low-temperature plasma was formed between the tip of the discharge electrode and the surface of glass slide when an alternating voltage was applied between the electrodes. Analytes deposited on the surface of the glass slide were desorbed and ionized by the plasma and the ions were introduced to the mass spectrometer for mass analysis. The capability of this new ambient ion source was demonstrated with the analysis of 20 amino acids, which were deposited on the glass slide separately. Protonated molecular ions of [M + H](+) were observed for all the amino acids except for L-arginine. This ion source was also used for a rapid discrimination of L-valine, L-proline, L-serine and L-alanine from their mixture. The limit of detection was 3.5 pmol for L-alanine using single-ion-monitoring (SIM). Relative standard deviation (RSD) was 5.78% for 17.5 nmol of L-alanine (n = 5). With the advantages of small size, simple configuration and ease operation at ambient conditions, the dielectric barrier discharge ion source would potentially be coupled to portable mass spectrometers.     

Comparison of dielectric barrier discharge, atmospheric pressure radiofrequency-driven glow discharge and direct analysis in real time sources for ambient mass spectrometry of acetaminophen

Three plasma-based ambient pressure ion sources were investigated; laboratory constructed dielectric barrier and rf glow discharges, as well as a commercial corona discharge (DART source). All were used to desorb and ionize a model analyte, providing sampling techniques for ambient mass spectrometry (MS). Experimental parameters were optimized to achive highest signal for acetaminophen as the analyte. Insight into the mechanisms of analyte desorption and ionization was obtained by means of emission spectrometry and ion current measurements. Desorption and ionization mechanisms for this analyte appear to be identical for all three plasma sources. Emission spectra differ only in the intensities of various lines and bands. Desorption of solid analyte requires transfer of thermal energy from the plasma source to sample surface, in the absence of which complete loss of MS response occurs. For acetaminophen, helium was the best plasma gas, providing 100- to 1000-fold higher analyte response than with argon or nitrogen. The same trend was also evident with background ions (protonated water clusters). MS analyte signal intensity correlates with the ion density (expressed as ion current) in the plasma plume and with emission intensity from excited state species in the plasma. These observations support an ionization process which occurs via proton transfer from protonated water clusters to analyte molecules.     

Forensic applications of ambient ionization mass spectrometry

This review highlights and critically assesses forensic applications in the developing field of ambient ionization mass spectrometry. Ambient ionization methods permit the ionization of samples outside the mass spectrometer in the ordinary atmosphere, with minimal sample preparation. Several ambient ionization methods have been created since 2004 and they utilize different mechanisms to create ions for mass-spectrometric analysis. Forensic applications of these techniques—to the analysis of toxic industrial compounds, chemical warfare agents, illicit drugs and formulations, explosives, foodstuff, inks, fingerprints, and skin—are reviewed. The minimal sample pretreatment needed is illustrated with examples of analysis from complex matrices (e.g., food) on various substrates (e.g., paper). The low limits of detection achieved by most of the ambient ionization methods for compounds of forensic interest readily offer qualitative confirmation of chemical identity; in some cases quantitative data are also available. The forensic applications of ambient ionization methods are a growing research field and there are still many types of applications which remain to be explored, particularly those involving on-site analysis. Aspects of ambient ionization currently undergoing rapid development include molecular imaging and increased detection specificity through simultaneous chemical reaction and ionization by addition of appropriate chemical reagents.