用于离子迁移率谱仪的电喷雾离化源及其在抗生素检测中的应用

万　历，高晓光，李建平，贾　建，何秀丽

(1．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京　100190；2．中国科学院大学，北京　100190)

0　引言

电喷雾离化(Electrospray Ionization，ESI)能够将溶液中的蛋白质等生物大分子直接离化形成气相离子，而不破坏样品分子结构，是一种典型的“软电离”方法。20世纪60年代初期，Dole对这种离化方法做了开创性的研究。1984年，Fenn等[1]完成了将电喷雾离化技术用作质谱离化源和LC/MS接口的关键工作，因此获得了2002年的诺贝尔化学奖。应用于质谱检测中的电喷雾离化源已经成功商品化，并成为生化分析领域一种无可替代的技术。离子迁移率谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)[2]是基于不同气相离子在电场中迁移速率的差异对物质进行表征的一项分析技术，具有设备结构相对简单，易于小型化和便携化，灵敏度高，操作方便等特点，在各种现场检测中具有很大的优势。1989年，Hill等[3]将ESI技术应用于IMS，之后ESI-IMS在氨基酸[4]、除草剂[5]、核苷酸[6]等物质的检测中得到应用。

抗生素作为一种在水产养殖、畜牧、食品加工等领域大量使用的药品，由于其滥用问题导致环境污染，使得抗生素快速检测成为环保及食品安全领域的研究热点，但传统的色质谱技术、微生物检测技术、免疫检测技术等分析方法操作复杂、分析时间长，不适合现场快速检测。利用ESI-IMS技术对抗生素进行快速检测的研究刚刚开始。

相对于ESI技术已广泛应用于质谱离化源并已有成熟产品的现状而言，用于IMS的ESI具有自身特点而面临一些问题。常压下，喷雾液滴较难完全去溶剂化，影响离子形成和IMS分辨率；高温漂移气使喷针中溶剂挥发，残留的固体样品容易造成喷针阻塞；另外，ESI源中常用的金属喷针在常压下容易发生电晕放电现象[7]，产生大量其它离子。

针对上述问题，文中设计了一种用于离子迁移率谱仪的电喷雾离化源，研究了离化源电喷雾形态、电喷雾电流与电喷雾电压、针网距离、样品流量的关系，以得到稳定的电喷雾和较好的去溶剂化效果。并利用ESI-IMS系统对抗生素阿莫西林进行了初步检测和分析。

1　电喷雾离化源

1．1离化源的鞘气结构与喷针制备

电喷雾离化源结构如图1所示。由于电喷雾离化离子迁移率谱(ESI-IMS)系统中漂移管通常工作在较高温度下，高温的漂移气直接对离化源加热，容易造成喷针阻塞。通过在喷雾头引入鞘气，冷却喷针，以避免喷针阻塞；另外由于鞘气出口较小(Φ0.8 mm)，鞘气流速较高，可防止样品溶液因浸润而附着在喷针外表面，稳定电喷雾过程，同时鞘气分子与喷雾液滴激烈碰撞，可加速去溶剂化过程[8]。

图1　电喷雾离化源结构示意图

为了减少电喷雾过程中电晕现象的发生，采用具有聚酰亚胺保护层的石英毛细管(外径360 μm，内径75 μm)替代金属毛细管作为电喷雾喷针。通常，ESI电喷雾初始液滴越小，越有利于去溶剂化，喷雾离化效率越高。由于液体表面张力的作用，喷嘴横截面越大，形成的初始液滴也就越大。为了提高离化效率，需对喷针进行处理以减小其喷嘴横截面直径。将5 cm长的石英毛细管尖端1 cm垂直浸入98%的热浓硫酸约5 min，去除表面聚酰亚胺层；用去离子水清洗烘干后，将去掉聚酰亚胺层的一端约5 mm浸入20%的氢氟酸，直到毛细管在液体中的部分被完全腐蚀；在腐蚀同时使用注射泵以0.1 μL/min的流量向毛细管注入去离子水，以避免毛细管内壁被氢氟酸腐蚀形成敞口。腐蚀中氢氟酸浓度不宜过高，否则挥发出的HF会使液面以上的毛细管表面粗糙，影响喷雾泰勒锥的稳定性。图2(a)和图2(b)为石英毛细管喷嘴在氢氟酸腐蚀处理前后的照片。图2中，od为毛细管外径；id为毛细管内径。

(a)腐蚀前

(b)腐蚀后

在电喷雾离化源中，电喷雾电压、针网距离、样品流量等参数对电喷雾的稳定性起主要作用。图3所示为ESI电喷雾形态观察装置，注射泵将样品溶液以一定流量注入离化源，直流高压源提供形成电喷雾的电压，微安表监测电喷雾电流，相对电极安装在精确可调的移动平台上，显微镜的CCD相机记录电喷雾的形态。利用该装置可以研究ESI参数与电喷雾形态的对应关系，为判断电喷雾的稳定性提供依据。电喷液为2.5 mg/L的阿莫西林(标准品，国家兽医微生物菌种保藏中心)样品溶液，溶剂为水(18.2 MΩ·cm，美诚MW-D20)、甲醇(高效液相色谱纯，国药集团)、乙酸(优级纯，国药集团)的混合液(49∶49∶2，V/V)。鞘气为高纯氮气(>99.999%，V/V)，流量300 mL/min．

图3　电喷雾离化源电喷雾形态观察装置

1．2．1喷雾形态与电喷雾电压和电流的关系

在常温(20℃)下，研究样品流量为1μL/min，针网距离为8mm时，不同电喷雾电压对泰勒锥形态的影响(图4)，同时记录电喷雾电流随电喷雾电压的变化趋势(图5)。当电喷雾电压较低时，由于表面张力作用，电喷液在喷嘴处形成球状液滴，并没有产生喷雾(图4(a))，电喷雾电流为0 nA(图5电压电流关系曲线的AB段)；随着电喷雾电压升高，出现如图4(b)所示的脉冲式喷雾，此时的电喷雾不稳定，电喷雾电流变化剧烈(图5BC段)；当电喷雾电压进一步升高，电喷雾逐渐形成稳定的锥-射流状态，如图4(c)所示，此时的电喷雾电流并不随着电喷雾电压的上升而发生明显变化(图5CD段)；当电喷雾电压达到3.50 kV时，电喷雾电流发生阶跃式上升，如图5 DE段所示，这主要是因为电喷雾状态由单射流模式转变成了多射流模式[9]，如图4(d)所示，但该状态不能持续稳定；当电喷雾电压大于4.00 kV时，泰勒锥消失，观察不到任何喷雾形态，电喷雾喷针与对电极网之间发生电击穿，电喷雾电压与电喷雾电流关系进入“恒定电阻”阶段，如图5EF段所示。

由图4和图5可知，当电喷雾形成稳定泰勒锥时，电喷雾电流基本不随电喷雾电压的改变而发生变化。因此，可以通过观察电喷雾电流来判断电喷雾的稳定性。

电压范围：(a)0～1.8 kV；(b)1.8～2.3 kV；(c)2.3～3.4 kV；(d)3.4～3.8 kV．

图5　电喷雾电压与电喷雾电流的关系

1．2．2针网距离与电喷雾电压的关系

喷针与相对电极的距离即针网距离以及电喷雾电压是决定电喷雾电场分布的主要因素，因而直接影响电喷雾稳定性。在常温(20℃)下，样品流量为1 μL/min时，测得不同针网距离下形成稳定电喷雾的电压以及电流的变化规律，如图6所示。在不同针网距离下，当形成稳定电喷雾泰勒锥时，电喷雾电流基本稳定。在图6中，电喷雾电压与针网距离的对数成线性关系，这与Smith从电流体力学角度分析获得的稳定电喷雾电压与针网距离之间的关系[10]一致。在不同针网距离下，通过调节电喷雾电压总能得到稳定的电喷雾。但在将电喷雾离化源与漂移管结合时，一般采用较大的针网距离，这样可以使电喷雾在较大的电压范围内保持稳定。

就合作学习而言，主要是通过组织开展合作的方式，学习相关知识。新时期，开展语文教学，需要通过分工合作的形式，共同完成学习任务。要运用这种新型的合作学习的教育方式，需要教师对此共同作出努力。在进行合作学习的过程中，要求教师端正自身的态度，采用科学的学习方法，充分应用传统教学的优点，然后将其与合作学习相结合。不仅要关注学生的学习成绩，还要关注其成长过程中出现的一些问题，促使学生在参与合作学习的过程中，学到更多有用的知识。如在大课间的时候，可以组织学生玩“成语接龙”“你比我猜”等游戏，既丰富了学生的课外活动，又能从中学到很多文化知识，增强了学生合作能力，让其更具有团队合作意识。

图6　电喷雾稳定时，电喷雾电压-电流-电喷雾针网距离的关系(横轴为指数坐标)

1．2．3样品流量与电喷雾电压和电流的关系

当电喷液流量发生改变时，为了维持稳定的电喷雾状态，需要适当调节电喷雾电压，同时电喷雾电流也会随着样品流量而发生改变。在常温(20℃)，针网距离为8 mm时，研究了不同样品流量下电喷雾稳定时的电喷雾电压、电流的变化规律，如图7所示。可以看出，随着样品流量的增加，得到稳定电喷雾所需电压线性提高；对于电喷雾电流，当样品流量小于4 μL/min时，电喷雾电流与样品流量的平方根成正比关系，而当流量大于4 μL/min时，不能形成稳定的泰勒锥(图4(c))而是由脉冲式喷雾直接进入多射流模式(图4(d))，电喷雾电流出现阶跃式上升。因此，为了得到稳定电喷雾，样品流量不能过高。

图7　样品流量与电喷雾电流和电压的关系

2　抗生素检测实验

2．1ESI-IMS系统与工作参数

将ESI与IMS结合组成ESI-IMS系统．该系统包括电喷雾离化源、漂移管、电学及气路模块等，具体结构参数如文献[11]所述。两路高压电源分别为电喷雾离化源和漂移管提供实现电喷雾和建立漂移电场所需的高压；离子门控制电路通过调控B-N离子门两组栅网电压，向漂移区周期性注入待测离子；加热控制电路保证漂移管工作于恒定温度。法拉第盘接收到的离子流信号由小信号放大器放大后，通过示波器采集数据，经计算机处理得到最终谱图。两路质量流量计分别控制漂移气和鞘气流量。漂移气与鞘气均为高纯氮气(>99.999%，V/V)。电喷雾样品流量由注射泵控制。ESI-IMS系统工作参数如表1所示。

表1　ESI-IMS系统工作参数

以阿莫西林为例，进行抗生素检测实验。阿莫西林标准品购自国家兽医微生物菌种保藏中心，溶剂为高纯水(18.2 MΩ·cm)、甲醇(高效液相色谱纯)以及乙酸(优级纯)的混合液，其体积比为49∶49∶2。

2．2阿莫西林检测结果

图8所示为不同浓度的阿莫西林样品IMS谱图。谱图中主要有3个峰。A、B为溶剂峰，对应溶剂离子为水合氢离子((H2O)nH+，n≥1)和质子化乙酸甲酯(C3H7O2+)，计算其约化迁移率分别为2.51 cm2/Vs和2.22 cm2/Vs，与文献[12]报道接近；C为阿莫西林特征峰，其约化迁移率为1.11 cm2/Vs．从图8可以看出，随着样品浓度的提高，特征峰微弱地后移(0.5 ms)。在不同样品浓度下，特征峰信号强度与浓度的变化关系如图9所示，当样品浓度较低时(50 mg/L)，两者有较好的线性关系，根据3倍噪声计算检测限为4.6 mg/L；随着样品浓度的提高，特征峰信号强度很快到达饱和状态，说明在高浓度下，电喷雾液滴中有更多的样品分子竞争有限的电荷，从而使电喷雾离化效率降低，信号强度增长变慢。由于同样的原因，当样品浓度增加时，溶剂峰的强度也呈下降趋势[13]。

图8　不同浓度阿莫西林的谱图

图9　阿莫西林特征峰信号强度与样品浓度的关系

3　总结

文中设计了一种用于离子迁移率谱系统的电喷雾离化源，其中的鞘气结构和腐蚀的喷针有助于形成稳定的喷雾，改善电喷雾去溶剂化效果。研究发现不同针网距离、样品流量下都可以通过调整电喷雾电压得到稳定电喷雾，并可以通过电喷雾电流判断电喷雾稳定性。利用ESI-IMS系统对阿莫西林进行了检测，其约化迁移率为1.11 cm2/Vs，谱图中溶剂峰约化迁移率与文献报道接近。电喷雾离化源能直接离化溶液中的阿莫西林样品，通过与离子迁移率谱技术结合，为阿莫西林的快速检测提供了一种可行方案。

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