[发明专利]一种基于冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置

说明书

技术领域

本发明属于质谱分析领域，特别涉及一种敞开式的离子化方法及离子源装置，具体地说，涉及一种基于大气压冷等离子体射流的质谱离子化方法及离子源装置。

背景技术

质谱类分析仪器是当前世界上广泛使用的一种化学分析仪器，其基本原理是使样品中各成分在离子源中发生离子化，产生各种不同质荷比的带电荷的离子，然后利用电场或磁场对不同质荷比的离子运动产生不同的影响，从而实现物质的检测。

离子源为质谱类分析仪器提供样品离子，其关键在于离子化技术。离子化的本质在于分子失去电子或质子，生成带正负电荷的分子离子。经过近百年的发展，离子化的技术种类繁多。而近年来离子化技术的研究热点是常压敞开式离子化技术。这类技术与以往传统离子化技术最大的不同就是不需要繁杂的样品预处理程序，使样品的快速分析得到了实现；并且可以在敞开的大气压环境下进行，使质谱类分析仪器可以分析的样品在空间上得到了极大的扩展；同时样品可以保持原有特性，使无损检测实现的可能性得到了极大的提高。这类技术既有基于电喷雾离子化（ESI）的电喷雾解吸离子化（DESI）、电喷雾萃取离子化（EESI）、中性解吸电喷雾萃取离子化（ND-EESI）等方法，也包括基于等离子体的大气压化学电离（APCI）、直接实时分析技术（DART）、介质阻挡放电电离（DBDI）、低温等离子体探针（LTP）、微波等离子体炬（MPT）等方法。其中ESI和APCI是LC/MS设备中最常配备的两种离子源，这两类离子源应用范围较广，比较稳定，属于软离子源。最值得注意的是ESI使人类首次可以完整无损的测定蛋白质大分子，为生命科学带来了革命，它的发明人John Fenn也因此获得了2002年诺贝尔化学奖。但是这两种离子源需要将所测样品溶入特定溶剂，使样品处理程序较为复杂，并且限定了待测样品种类。

2004年，《Science》杂志发表了Cooks教授课题组的研究成果，即DESI。它可以在敞开式环境中离子化固体样品，它的出现极大的填补了质谱领域对于样品现场直接分析的空白。此后，许多无需样品预处理的敞开式离子化技术随之出现。如EESI、ND-EESI、DART、DBDI、LTP、MPT等离子化方法。其中基于ESI的DESI、EESI、ND-EESI等方法在分析极性物质的重要工具，而基于等离子体的DART、DBDI、LTP、MPT等方法在分析非极性物质方面具有绝对优势。

基于等离子体的离子化技术因为原理新颖、对非极性物质离子化效果优异得到了大家的广泛关注。等离子体，指的是当物质温度升高或受到电离时，电子和正离子分离，形成由电子和正离子组成的物质状态。这种电离物质在宏观上保持电中性。等离子体按温度划分可以分为高温等离子体和低温等离子体，高温等离子体如太阳等恒星和原子弹、氢弹产生的等离子体，它们是完全电离的，气体温度可达10⁴-10⁹K。低温等离子体是部分电离的，气体温度一般低于10⁴K。低温等离子体又可以分为热等离子体（又称热平衡等离子体）和冷等离子体（又称非热平衡等离子体）。热等离子体中电子和离子温度近似相等，宏观温度较高；而冷等离子体中电子和离子温度相差很大，电子温度为离子温度10-100倍，宏观温度接近室温。冷等离子体中含有大量电子、亚稳态离子、自由基等活性粒子，具有极强的反应活性，因此可以使样品分子离子化，作为离子源使用。

DART利用辉光放电产生的等离子体使样品产生离子化，这项技术已经实现商品化，技术比较成熟。但也存在着电极污染和损耗，需要定期清洗和更换，售价非常之高等缺点，对于技术的普及有一定的阻碍。DBDI应用介质阻挡放电产生的等离子体使样品离子化，介质阻挡可以柔化放电强度，防止电极污染。但是也限定了工作空间，大大降低了敞开式离子化技术的优势。为了使这项技术得到更广泛的应用，引入了大气压冷等离子体射流技术。

大气压冷等离子体射流是近年来兴起的一种新的大气压低温等离子体放电技术，是目前国际上等离子体科学与工程领域的研究热点之一。它是对大气压非平衡等离子体的一个补充，是大气压下产生冷等离子体的一种新的形式。在大气压冷等离子体射流产生过程中，通过引入气流，使放电区域产生的等离子体从喷管或空口中喷出，实现了放电区域和工作区域的分离，同时又保证了大部分活性物质和载能带电粒子能够被气流输运到更广阔的空间内。因此具有更高的实用性。大气压冷等离子体射流的特性和优点，正符合一个优质常压敞开式离子源的要求。