影像测量法辅助电喷雾萃取电离源喷头的研制

董晓峰，朱腾高，周 鹏，顾海巍，周书民，陈焕文

(东华理工大学，江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西 南昌 330013)

影像测量法辅助电喷雾萃取电离源喷头的研制

董晓峰，朱腾高，周 鹏，顾海巍，周书民，陈焕文

(东华理工大学，江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西 南昌 330013)

电喷雾萃取电离(EESI)源具有无需样品复杂预处理、易于集成和小型化、适于现场分析等特点，是近年来研究的热点。喷头孔是影响EESI源性能的关键部件。然而，因喷头孔几何参数非常小，使用常规方法无法对其进行精确地检测与评估，一直无法满足EESI源的要求。本工作开发了一种基于影像测量的检测与评估方法，通过提取喷头孔的几何轮廓坐标参数，对比分析两种工艺制造的喷头孔的直径与圆度误差。在优化仪器参数的条件下，采用新工艺制造的EESI源对甲基苯丙胺进行检测，检出限从0.101 μg/L降至0.041 7 μg/L，RSD从0.9%～5.8%降至0.6%～4.2%，实验结果与采用影像测量法的评估结果一致。采用新工艺制造的EESI源对尿液中的可待因、海洛因、氯胺酮、苯丙胺、咖啡因、麻黄碱、甲基苯丙胺、地西泮、戊巴比妥和舒乐安定进行连续5日检测，各样品的最大RSD均小于5.2%。结果表明，该影像测量法可缩短EESI源研制周期、降低成本，EESI源的稳定性与灵敏度可得到较大提高。

电喷雾萃取电离(EESI)；喷头孔；影像测量法；表征；长期稳定性

电喷雾萃取电离(extractive electrospray ionization, EESI)是一种现代质谱电离技术[1]，由于无需对样品进行复杂预处理即可进行质谱分析，现已应用于生命科学、环境、食品、国防、刑侦等领域的复杂基体样品的直接分析[2-8]。

EESI离子源是EESI技术的核心，由电喷雾通道和样品通道构成，除了需要给电喷雾通道中溶剂加高电压外，两者其他结构相同，都是根据高速气流喷雾的原理开发的，包括气体通道与液体通道[9]，其结构示意图示于图1。与样品通道不同的是，电喷雾通道在溶剂被喷出的同时形成了带电的液滴，在被高速氮气加速时，除了受大气压的作用还受分布在液滴表面的电荷库仑力的作用。液体通道一般采用商品化的石英毛细管，而气体通道通常为自制的零件，这是因为喷头孔与毛细管外壁之间的气体通道的几何形状与几何尺寸对喷雾效果有决定性的影响。理论上，该气体通道是一个光滑的空心圆柱，出口形状为圆环。在其他参数不变的情况下，圆环的尺寸与形状决定了高速氮气的出口速度与喷出形态，进而影响溶剂或者样品的喷雾效果与喷雾形状，最终影响EESI离子源的电离效果。

注：1.理论喷头孔；2.石英毛细管；3.实际喷头孔图1 电喷雾(样品)通道的结构示意图Fig.1 Structure diagram of electrospray (or sample) channel

传统工艺常采用电火花放电法制造喷头孔[10]。在成形过程中，由于机器误差、电极误差、受力变形、环境条件等因素的影响，喷头孔并不是光滑的空心圆柱，几何形状与几何尺寸与理想状态均有一定的差异，表面也存在一定的粗糙度。喷头孔的这种状况直接影响了喷雾效果，从而影响EESI离子源电离效果的稳定性。由于喷头孔的几何尺寸非常小(Φ约为0.30 mm)，难以用常规的方法进行检测和评估，喷头孔的性能只能在组装成EESI离子源之后，通过分析质谱信号得到最终评价，这造成了EESI离子源的研制具有周期长、成本高、稳定性难以控制等缺点。因此，如何对喷头孔的几何形状与几何尺寸进行定量评价是亟待解决的问题。

本工作拟采用基于计算机视觉技术的影像测量法对喷头孔的几何形状与几何尺寸进行检测与评估。通过提取喷头孔的几何轮廓坐标参数，采用最小二乘法对提取的数据进行分析，评估喷头孔的直径与圆度误差。在此基础上，开发一种焊接成型管工艺来制造气体通道的喷头，并使用影像测量法检测及评估该工艺与传统的电火花放电工艺形成喷头孔的几何形状和几何尺寸。采用甲基苯丙胺测试两种工艺形成的喷头孔，并与影像测量法的评估结果进行对比，以验证影像测量法的有效性，达到在EESI离子源研制的先期阶段验证其性能的目的。最后，采用多种毒物对新工艺制造的EESI离子源进行测试与表征，希望为开发商品化EESI离子源奠定基础。

1 EESI离子源喷头孔几何参数的检测与评估

根据电喷雾(样品)通道喷头的喷雾原理，喷头孔的大小直接影响氮气的出口流速与压强。若喷头孔太大，则氮气的流速过低、压强过小，无法形成喷雾；若喷头孔太小，则出口阻力过大，氮气的流量过小，也无法形成喷雾。不仅如此，喷头孔的形状也会影响氮气的喷出轨迹，进一步影响液滴的轨迹以及喷雾的空间位置与形状，从而影响后续的萃取与样品的电离效果。实验选取喷头孔出口的直径作为其大小的评价指标，选取喷头孔出口的圆度误差作为其形状的评价指标。圆度指工件的横截面接近理论圆的程度，是限制实际圆对理想圆变动量的一项指标。圆度误差是对圆度的量化描述，适于定量描述喷头孔出口的形状。

1.1EESI离子源喷头孔几何参数的检测

圆度误差测量法包括两点/三点测量法、回转轴测量法、坐标点测量法和基于计算机视觉技术的测量法等[11]。由于喷头孔的几何尺寸较小，且属于内孔结构，两点/三点测量法的精度不够，人为因素影响较大；而回转轴测量法更适用于中小型零件外轮廓测量；三坐标测量仪虽然可以精确获取工件的三维轮廓坐标点，精度很高，但是评价圆度误差则需要编写程序，更适用于大尺寸零件的外轮廓测量；基于计算机视觉技术的测量法，即影像测量法，适用于零件或者圆孔的端面轮廓的坐标定位与测量[12-13]。因此，本实验采用影像测量法对喷头孔的端面轮廓进行定位与测量。

首先，利用工业级的CCD相机获取喷头孔的端面影像，然后对影像进行图像处理，提取喷头孔的端面几何轮廓的坐标点数据，以备后续通过合适的算法求出几何参数，其工作原理示意图示于图2。仪器平台为兆丰精密仪器有限公司生产的MVP 400M光学影像测量仪，采用0.7～4.5X定格定倍镜头，显示分辨率0.000 1 mm，X轴、Y轴的线性精度≤2.5 μm+L/250，X-Y矢量精度≤ 3 μm+L/200，Z轴精度≤5 μm。实验分别获得了电火花放电与焊接成型管两种工艺制造的各6个喷头孔样本的光学影像，示于图3。

图2 基于影像测量法评估喷头孔的原理示意图Fig.2 Schematic diagram of evaluating the sprayer hole based on the image method

图3 电火花放电(a)与焊接成型管(b)两种工艺制造的喷头孔的影像示意图Fig.3 Image schematic diagrams of the sprayer holes produced by electric discharging (a) and welding tube (b) processes

在对喷头孔的轮廓进行离散化坐标取点时，取点数越多，其几何形状描述越精确，计算量也越大。本实验取点的分辨率为15度，即4节点处各取1个点，每象限内均匀取5个点，一个整圆上取24个点。对于一些形状比较复杂的局部轮廓可以适当增加取点个数，使之能反映复杂小孔的形状特征。为避免数据量过大，一个整圆上的取点数不超过35个。

喷头孔轮廓的取点坐标值默认是以影像测量仪的机械零点为原点的绝对坐标值，一般数值比较大(如大于100 mm)，而测量指标的数值比较小。为减小数值计算中大数与小数相差过大而造成的误差，本工作将坐标原点移动到取点坐标的算术平均值处。计算公式为：

(1)

1.2EESI离子源喷头孔几何参数的评估

圆度误差的评价方法有最小区域法、 最小二乘法、 最大内切圆法和最小外接圆法，其本质是寻找理想圆的圆心与半径。其中，最小二乘法计算简单、容易实现，为最常用的方法。采用最小二乘法对圆度误差进行评价，首先基于最小二乘法求得喷头孔出口的理想圆，以该圆的直径作为喷头孔出口的直径，然后找到与理想圆同心的包括喷头孔出口轮廓的最大圆与最小圆，并以此半径之差作为喷头孔出口的圆度误差。基于最小二乘法求理想圆，即是求实际轮廓上所取的各点到该圆的距离的平方和最小值的过程。这是一个最优化问题，数学模型为：

minf(a,b,r)=

(2)

根据最优化理论，可以看作是一个多维无约束非线性最优化问题。本工作使用Matlab的fminunc函数对此问题进行求解，采用中型优化算法，使用有限差分法估计求解函数的梯度，使用BFGS拟牛顿迭代算法求解搜索方向[14]。利用此算法(程序略)求得喷头孔轮廓的理想圆、最大圆与最小圆，并分别得到电火花放电与焊接成型管两种工艺制造的各6个喷头的头部小孔的直径与圆度误差，示于图4。电火花放电与焊接成型管两种工艺制造的各6个样本喷头孔的直径RSD分别为0.95%与0.62%，后者略优于前者；圆度误差RSD分别为1.72%与0.52%，后者明显优于前者。可见，焊接成型管工艺的稳定性更高，制造的喷头孔的几何尺寸更稳定、几何形状更规则。

2 实验部分

2.1仪器与试剂

LTQ-XL离子阱质谱仪：美国Thermo Scientific公司产品，含Xcalibur数据处理系统；电火 花放电工艺制造的喷头组成的旧EESI离子源；焊接成型管工艺制造的喷头组成的新EESI离子源；实验室自研的EESI离子源调节装置。

图4 两种工艺制造的喷头孔的直径(a)与圆度误差(b)对比图Fig.4 Comparison of the diameter (a) and roundness error (b) of the sprayer holes produced by the two kinds of processes

甲醇：色谱纯，美国Tedia公司产品；可待因、海洛因、氯胺酮、苯丙胺、咖啡因、麻黄碱、甲基苯丙胺、地西泮、戊巴比妥、舒乐安定等毒物：均为分析纯，美国Cerilliant公司产品；超纯水：电阻率18.2 MΩ·cm，实验室自制；尿液样品：由江西省公安厅刑事科学技术研究所提供。

2.2实验条件

萃取剂为甲醇，流速5 mL/min；样品溶液浓度分别为1～1 000 μg/L海洛因、咖啡因、甲基苯丙胺、戊巴比妥、舒乐安定，1～500 μg/L可待因、麻黄碱，1～100 μg/L氯胺酮、苯丙胺、地西泮；流速均为5 mL/min；雾化气压力为 1 MPa(氮气钢瓶表头压力，气体导管为1.6

mm)；电离电压：戊巴比妥样品为-3 kV(负离子模式)，其他样品均为+4 kV(正离子模式)；离子传输管温度为200 ℃；质量扫描范围m/z50～500；其他参数由LTQ-XL离子阱质谱仪自动优化得到。

3 结果与讨论

3.1新旧EESI离子源的对比实验

为验证新EESI离子源的性能，选取甲基苯丙胺作为实验对象，在2.1和2.2节条件下，对新旧EESI离子源进行对比，结果列于表1。新EESI离子源的甲基苯丙胺检出限为0.042 μg/L，远低于旧EESI离子源的检出限0.101 μg/L。新EESI离子源的甲基苯丙胺RSD为0.6%～4.2%(平均2.1%)，略小于旧EESI离子源的RSD 0.9%～5.8%(平均2.8%)。

表1 新旧EESI离子源的对比实验数据Table 1 Comparison experimental datas of new and old EESI source

为了进一步验证新EESI离子源的稳定性，选取浓度为100 μg/L甲基苯丙胺作为实验对象，在2.1和2.2节条件下，对两种工艺制造的各6组喷头分别组成的新旧EESI离子源进行重复性实验，结果示于图5。新EESI离子源的甲基苯丙胺RSD为0.46%～0.62%(平均0.52%)，小于旧EESI离子源的RSD 1.4%～4.3%(平均2.5%)。

3.210种毒物的测试表征

图5 新旧EESI离子源的实验数据对比图Fig.5 Comparison of experimental datas of new and old EESI sources

新EESI离子源的喷头孔由焊接成型管工艺制造，具有更小的几何尺寸误差和更规则的几何形状，可以提高离子源的稳定性。为了验证新EESI离子源的这些特征，本实验使用可待因、海洛因、氯胺酮、苯丙胺、咖啡因、麻黄碱、甲基苯丙胺、地西泮、戊巴比妥、舒乐安定的标 准溶液，采用串联质谱方法对该离子源进行测

试表征。结果表明，10种化合物的RSD在0.6%～5.1%之间，线性关系良好，详细数据列于表2。

3.3尿液中10种毒物的连续检测

为验证新EESI离子源在实际样品测试中的可靠性和长期工作的稳定性，为该离子源的商品化生产提供数据支持，本实验以尿液为实验样品，使用新EESI离子源，采用串联质谱法对样品中的可待因、海洛因、氯胺酮、苯丙胺、咖啡因、麻黄碱、甲基苯丙胺、地西泮、戊巴比妥、舒乐安定等10种毒物进行连续5日检测。各样品的最大RSD均小于5.2%，说明该离子源5日内的工作稳定性相对较好，结果示于图6。

表2 10种毒物的定量分析数据Table 2 Quantitative analysis datas of ten toxics using the new EESI source

图6 连续5日检测同一尿液样品中10种毒物的信号变化情况Fig.6 Curves of the repeatability of EESI-MS for measuring trace levels of toxics in urine sample for five days

4 结论

本工作采用喷头孔几何形状的规则性与几何尺寸的一致性来评价喷头的成型稳定性以及EESI离子源喷雾的稳定性，并在实验中对其他条件进行了相应的优化。电火花放电工艺因基于电蚀原理，制造的喷头孔的几何形状规则性和表面粗糙度较差；而焊接成型管工艺制造的喷头孔的核心部件为成型不锈钢管，由于其采用标准化的工艺制造，其几何形状与几何尺寸更加规则。实验表明，在其他条件优化的前提下，焊接成型管工艺制造的喷头组成的新EESI离子源具有更好的信号强度、更低的检出限和更高的稳定性。该工艺可为EESI离子源的应用推广和商品化发展提供条件。基于计算机视觉技术的影像测量法具有直观性强、操作简单的特点，特别适用于对喷头孔的几何尺寸与几何形状进行评估，能在研制的前期对EESI离子源进行评估验证，从而缩短其研制周期、降低研制成本。然而，EESI离子源的电离效果受载气气压、喷头孔尺寸、溶液通道尺寸、溶液流速，以及溶剂/样品种类等条件的影响，如何优化各种条件使EESI源的电离效果达到最佳是进一步研究的方向之一。

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DevelopmentofaHigh-PerformanceImaging-AidedExtractiveElectrosprayIonizationSprayer

DONG Xiao-feng, ZHU Teng-gao, ZHOU Peng, GU Hai-wei, ZHOU Shu-min, CHEN Huan-wen

(JiangxiKeyLaboratoryforMassSpectrometryandInstrumentation,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

Extractive electrospray ionization (EESI) source has become a hot research topic in recent years owing to its many advantages, such as no need of complicated sample pretreatment, ease of integration and miniaturization, the ability of on-site analysis, etc. Sprayer hole is one of the most important parameters affecting EESI source’s performance. However, since the geometric scale of sprayer hole is very small, the performance of EESI source is difficult to be optimized using conventional methods. In this study, a high-performance optical imaging method was developed to improve the spray efficiency of EESI source, which is very useful to detect and evaluate the coordinates of the sprayer holes geometric contours. Through comparing the diameter and roundness error of the sprayer holes made by the traditional and our new approaches, the optimized instrument parameters were obtained and examined. Under the optimized conditions using the EESI source manufactured through the new technology, the detection limit of methamphetamine was remarkably improved from 0.101 μg/L to 0.041 7 μg/L, and the RSD decreased to 0.6%-4.2% from 0.9%-5.8%. The experimental results are consistent with that obtained using the image measurement method. For the EESI source manufactured using the new technology, more compounds of wide interest, such as codeine, heroin, ketamine, benzedrine, caffeine, ephedrine, methamphetamine, diazepam, pentobarbital, and estazolam in urine, were used in test experiments for five consecutive days. The maximum RSD for these samples was less than 5.2%. The results show that the new technology makes the EESI source much more stable and sensitive, and more suitable for the application of EESI sources in commercial settings. The imaging aided method has advantages of simple operation, which can reduce time and cost for the development of a high performance EESI source.

extractive electrospray ionization (EESI); sprayer hole; image measurement method; characterization; long-term stability

O657.63

A

1004-2997(2017)06-0671-07

10.7538/zpxb.2016.0159

2016-10-08;

2017-01-17

国家自然科学基金(21365001)；国家国际科技合作专项项目(2015DFA40290)；江西省科技厅科技计划项目(20152ACH80010)；江西省质谱科学与仪器重点实验室开放基金(JXMS201515)资助

董晓峰(1981—)，男(汉族)，河南鹿邑人，讲师，从事质谱仪器研发。E-mail: dongxiaofeng2013@163.com

陈焕文(1973—)，男(汉族)，江西兴国人，教授，从事质谱分析研究。E-mail: chw8868@gmail.com

时间：2017-09-08；

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20170908.1536.002.html