“GlowFlow”，迈向质谱统一电离源的一步?

Rhodri N. Owen, Steven L. Kelly和A. Gareth Brenton

斯旺西大学医学院生命科学研究所，威尔士斯旺西，sa28pp，英国

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2021.a53
©2021作者
在创作共用BY-NC-ND许可下发布

质谱分析是一种金标准分析技术，广泛应用于从石油化工、精细化工到医疗应用的一系列领域。在分析质谱法中，用于样品分离、电离、质量分析和检测的仪器类型是多种多样的;俗话说得好“这是马走路线的问题”。我们的“GlowFlow”光源设计基于氩气流动辉光放电，可以满足部分景观。

介绍

电子电离(EI)是最早的，可能仍然是最广泛使用的电离源之一。¹电离过程要求分析物分子处于气相，并在质量分析所需的高真空环境中直接引入电子束(通常为70 eV)。气相分子与快速电子束相互作用的几率约为十分之一⁵被激发到足以射出价电子形成分子离子的分子。²直到20世纪60年代，EI一直是小分子工作的主要电离方法，如石油混合物和非极性化学分析。

从历史上看，有必要解决生物化学问题，因此，与极性化学实体接触。不幸的是，EI方法在生物分子上根本不起作用。当科学家们试图将这些标本解吸到气相时，它们热降解了，但基本上没有成功。在1990年之前的几十年里，出现了大量可行的生物质谱分析方法，包括化学电离，^3.场解吸电离作用,⁴等离子体解吸,⁵thermospray,⁶快原子轰击⁷以及基质辅助激光解吸/电离⁸发明。电喷雾电离(ESI)^9、10与大气压化学电离(APCI)等其他方法一起，惊人地实现了这一目标。¹¹

大气压电离(API)是现代质谱分析方法的关键技术步骤。¹²API现在无处不在，既通过消除“离子源真空”组件简化了样品介绍，又为分析人员提供了多种方法。

即使有了这么多的新方法，也没有一种通用的电离方法出现，特别是一种跨越分子从非极性到极性化学的方法。

ESI的成功之处在于它是一种“软”方法，这意味着它产生的碎片很少，如果有的话，可以用来分析热不稳定和挥发性较低的分子。在ESI中，离子是由Brønsted酸碱化学反应产生的;¹³即，在由电喷液体射流产生的液滴内，正模式的质子化和负模式的去质子化。ESI在大气压下效果最好;事实上，初始电喷涂离子需要稳定是ESI使能技术的重要组成部分，否则它们往往会与水分子聚集在一起，甚至会以单分子或碰撞激活的方式分裂。¹⁴与背景气体或有意引入的气流的碰撞是解决这些问题的一个很好的方法，既可以使分子离子分散(例如与许多水分子聚集在一起)，又可以在内部冷却它们以减少碎片。当然，在某种程度上，这些进步是多年来对原始系统进行增量研发改进的偶然结果。^9、10

然而，ESI确实有一些缺点，不是所有的分子都能质子化;例如，对于碳氢化合物，EI通常是首选的高灵敏度方法。EI的“阿喀琉斯之踵”是它在低压下运行，这需要复杂而昂贵的真空系统和样品入口。

因此，一种能够连接EI和ESI技术的电离源将是非常有利的，它可以在大气压下工作，并且可以电离从极性到非极性的最广泛的化合物。这是我们开始研究GlowFlow的动机，因为它显示出跨越一系列化学物质的希望，尽管尚未表征灵敏度和特异性。

电等离子体，如氦大气压辉光放电(APGD)，可以提供这样的解决方案，因为它们可能有几种形成离子的途径。¹⁵第一步是亚稳态氦(He)的形成^米)，这是一种高能量原子，能量为19.8 eV，足以直接电离大多数有机分子，而且由于它只在碰撞中失激，寿命长得惊人，长达7870秒。¹⁶在中间步骤中，He^米原子电离大气气体，如氮或水蒸气，或者它可以直接电离样品分子(M)。

我们研究的目的是开发一种紧凑的APGD电离源，可以对现有仪器进行改造，并在大气压下电离不太适合ESI的化合物。我们将实现命名为GlowFlow(参见图1)。

图1所示。GlowFlow电离源安装在Waters Xevo G2-S通用源外壳上。电离源位于右侧，电连接在质谱仪入口的对面。顶部显示了用于解吸样品的加热喷雾器。

选择了一些持久性有机污染物和类似物进行研究，因为它们可以在环境中生物积累，并可能对健康产生不利影响。

方法

氦气辉光放电源的设计一般有两种类型:i)辉光放电电池¹⁵[参见图2(i)]，通常以几十瓦的功率进行放电，或ii)一个简单的裸设计[参见图2(ii)]，通常以较低的瓦数(通常为mW)运行。我们设计的辉光流电离源使用电绝缘聚醚醚酮(PEEK)，零死体积结合[图2(ii)]。¹⁷连接到一端的是一个不锈钢尖端，作为阳极(ID = 0.5 mm)，连接到质谱仪的内部电源，在恒流模式(1-35µa)下工作，通常设置为15µa。电离源体的另一端是由PEEK螺母连接的氦气线。用流量计调节气体流量(0.05 ~ 0.5 L min)¹)。所有实验均采用高纯度(99.999%)氦气。

图2。辉光放电和“GlowFlow”方法的电池设计的插图。i)通常采用正式的放电电池设计¹⁵在辉光放电质谱法中，通常将细胞定位在离轴的一个临界角以优化灵敏度。阳极上的电压通常为几百伏，足以维持辉光放电所需的选定恒定电流。为了启动辉光，电压通常会显着升高，直到放电点燃后电压再次稳定下来。ii) GlowFlow设计利用一个中空的PEEK接头，氦气通过该接头流过，然后经过一个磨尖的钨电极，在那里形成辉光放电并流向分析物流动发生的电离区域。

使用Waters Xevo G2-S飞行时间质谱仪(Wilmslow, Manchester, UK)进行分析，GlowFlow源轴向安装在入口以提高灵敏度。制备蒽、萘、芘、双酚A、双酚S、1,4-二恶烷、二苯并呋喃和2,8-二溴二苯并呋喃标准品(Tokyo Chemical Industry UK Ltd, The Oxford Science Park, Oxford, UK, Oxford, UK)和十二烷、十四烷和十八烷标准品(Sigma-Aldrich, Gillingham, Dorset, UK)，浓度为1µg mL¹。硬脂酸甲酯(Alfa Aesar, Port of Heysham Industrial Park, Heysham, UK)的浓度范围为5 pgµL¹至40 pgµL¹。

结果

GlowFlow电离源在0.05-0.5 L min的气体流速下工作¹并能承受1-35µa的放电电流。为了表征电离源的能力，制作了一个单独的实验装置，其中辉光放电垂直放置在作为反电极并连接到地球的金属板上。在仪器的内部电源上设置10µA的恒电流，并将GlowFlow源从5 mm到40 mm以5 mm的步长从对电极移开，并记录回读电流。在相对较短的5 - 15mm的电极间隙内，电流保持不变，但在较大的电极间隙> - 15mm处，电流明显减小(见图3)。

图3。在不同电极距离下记录的电流图。电极以5毫米的速度从5毫米移动到40毫米。在不同气体流速下也进行了比较。相对稳定的电流在5-15毫米。在较大的电极距离(> 15mm)下，由于电源可以提供的最大电压的限制，电流减小。图A显示了在较小的电极距离处的长紫色等离子体射流，而在图B中，辉光的长度减少，反映了较低的电流。

放电时明显的紫色辉光在电极间隙处也缩短了15mm，只在阳极的尖端留下微弱的辉光。为了防止辉光放电在更远的距离上崩溃，当电压达到电源的最大工作阈值时，提供的实际电流必须减小。

持久性有机污染物

在环境中积累的有机化合物，往往被归类为持久性有机污染物。以1µgµL的浓度制备了一系列这些化合物及其类似物¹它们从非极性碳氢化合物到极性化合物，如双酚。固体分析探针被用来引入样品，由一个金属体组成，其中可以插入一个玻璃毛细管。然后将样品注射到毛细管中，然后将其引入源和加热的氮气喷雾器(可编程，环境温度至500°C)解吸/升华样品以使用GlowFlow电离源进行分析，质谱仪处于全扫描模式。在质谱中观察到一系列离子，并记录了最强烈的峰(表1)。

表1。使用GlowFlow电离源在质谱中观察到的重要离子列表，以分析持久性有机化学品和类似物。

通常，极性倾向化合物的质子化程度较高，非极性化合物的质子化程度较高。在某些情况下，M^+•和[M + H]⁺离子的强度是相等的，这支持了GlowFlow像许多其他等离子体离子源一样可以进入多种电离途径的假设(图4A)。碳氢化合物的碱基峰为M + 15，如图4B所示，十八烷的碱基峰为M + 15，这表明在方案1的反应之后，这类化合物的氢原子很容易被氧置换。¹⁸知道了这一点，样品化学可以用来建立最有利的电离途径，并潜在地表明有可能调节源以选择性电离。

图4。萘的GlowFlow质谱。观察到m / z128是M^+•离子和atm / z129 . M + H⁺GlowFlow离子源的GlowFlow质谱图(B)。在m / z269.2848对应C₁₈H₃₇O (δ = 0.3 mDa;δ是观察到的m / z并计算了单同位素峰的精确质量)。

方案1。在碳氢化合物分子的GlowFlow质谱中观察到的氢被氧置换。

Figures-of-merit

用硬脂酸甲酯测定了GlowFlow电离源的灵敏度和重现性。从40 pgµL开始进行连续稀释¹至5 pgµL¹。在玻璃毛细管的末端，将1µL溶液用注射器吸进，并在实验室中干燥，然后用固体分析探针将溶液引入质谱仪。离子的峰面积m / z记录299.29，并制作校准曲线，每个浓度下5个重复(图5)。确定源检测下限(LOD)为111 fmol，变异系数为0.9991。半岛app应用下载

图5。硬脂酸甲酯离子的线性回归图m / z299.29在4个浓度从5 pgµL¹至40 pgµL¹（n= 5)，计算下LOD。

结论

我们的目标是开发一种高灵敏度的多模态电离源，可以分析原子和分子，极性到非极性化合物，具有最广泛的分子质量范围。该研究表明，GlowFlow电离源可以分析一系列极性和非极性化合物，并且能够达到低检测限(硬脂酸甲酯111 fmol)。半岛app应用下载目前正在积极开展进一步的工作，将这种电离源与一系列色谱相结合，并评估GlowFlow在一系列化合物上的操作广度。到目前为止，我们的发现表明，这种来源对很多分子都有效。对于非极性化合物，我们通常观察到的离子种类通常不是EI自由基离子，而是各种类型的离子，例如，当氢原子被氧取代时。对于极性物种，质子化分子通常在GlowFlow中观察到，尽管灵敏度降低。然而，GlowFlow在负离子模式下似乎有很大的潜力，因为经常观察到高灵敏度(最近的数据显示<10 fmol)，通常观察到去质子化的物种和偶尔的脱水物种。该技术很容易与所有类型的色谱相连接，并且由于我们紧凑的设计，可以很容易地包含在许多商业源设计中，并且可以在有效/非活性操作之间快速切换。也许GlowFlow的简单性使其能够与ESI和APCI设置集成，从而创建一个近乎通用的源程序集?

相互竞争的利益

的GlowFlow^TM本文中描述的电离源是由AberMS有限公司销售的。Gareth Brenton是斯旺西医学院的名誉教授，也是AberMS有限公司的董事。

致谢

这项工作由工程和物理科学研究委员会(EP/R51312X/1)和ERDF/威尔士政府资助的BEACON项目资助。

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