摘要：本發(fā)明提供了雙鞘液微納液錐電噴霧質(zhì)譜離子源系統(tǒng)、使用方法及應(yīng)用，涉及質(zhì)譜分析領(lǐng)域，包括雙鞘液管路模塊、集成化微流量泵控模塊和高壓電勢加載模塊，雙鞘液管路模塊包括同軸排列的樣品石英毛細(xì)管、內(nèi)鞘液石英毛細(xì)管和外鞘液不銹鋼管，且上述管路的出口端依次排列，形成凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的三級分層內(nèi)嵌式同軸出口；集成化微流量泵控模塊與所述雙鞘液管路模塊連接，輸送樣品液、內(nèi)鞘液以及外鞘液；高壓電勢加載模塊的輸出端與內(nèi)鞘液石英毛細(xì)管連接。內(nèi)鞘液提供離子化環(huán)境，外鞘液降低表面張力、輔助快速去溶劑化并形成保護(hù)屏障，雙重協(xié)作下顯著提高離子化效率和噴霧穩(wěn)定性，減少基質(zhì)效應(yīng)干擾，大幅提升了質(zhì)譜分析的效率、靈敏度和適用范圍。

背景技術(shù)

質(zhì)譜技術(shù)作為一種高靈敏度、高選擇性的分析手段，在現(xiàn)代分析化學(xué)、生物化學(xué)及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，電噴霧電離（ElectrosprayIonization,ESI）因其對液相樣品廣泛適用而被廣泛應(yīng)用于多種質(zhì)譜分析中。傳統(tǒng)的ESI通過高壓電場將液體轉(zhuǎn)化為帶電液滴，并通過溶劑的蒸發(fā)形成氣相離子進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。然而，傳統(tǒng)ESI在面對復(fù)雜樣品時，仍存在諸多局限性。

傳統(tǒng)ESI離子源在高鹽基質(zhì)和復(fù)雜生物樣品分析中，樣品中的共存物質(zhì)會顯著降低目標(biāo)分子的離子化效率，導(dǎo)致信號強(qiáng)度下降和重復(fù)性變差。現(xiàn)有研究表明，基質(zhì)效應(yīng)是影響電噴霧電離效率的主要因素之一。此外，傳統(tǒng)ESI對液流速的適應(yīng)性有限，通常在1μL/min到10μL/min的范圍內(nèi)表現(xiàn)最佳。當(dāng)流速超過或低于這一范圍時，噴霧穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致離子化效率顯著降低。

另一個顯著問題是噴霧針頭的設(shè)計問題。傳統(tǒng)ESI噴霧針頭在長期使用過程中容易被高鹽基質(zhì)或復(fù)雜樣品中的雜質(zhì)污染，導(dǎo)致信號漂移、離子化效率降低，增加了設(shè)備的維護(hù)成本和停機(jī)時間。這種污染不僅影響分析結(jié)果的可靠性，還大大縮短了設(shè)備的使用壽命。傳統(tǒng)離子源設(shè)計難以避免基質(zhì)效應(yīng)，尤其是在復(fù)雜樣品分析中表現(xiàn)出靈敏度不足的問題。現(xiàn)有技術(shù)雖然可通過液錐形成噴霧，但也存在局限性。如中國專利CN114109756 A公開了一種高電導(dǎo)率電解質(zhì)水溶液電噴射系統(tǒng)和方法，該裝置包括兩層同軸排列的毛細(xì)管，內(nèi)毛細(xì)管從所述外毛細(xì)管延伸出一長度，內(nèi)毛細(xì)管注射泵向內(nèi)毛細(xì)管輸送電解質(zhì)水溶液，外毛細(xì)管注射泵外毛細(xì)管輸送離子液體，通過高壓電源在內(nèi)毛細(xì)管和外毛細(xì)管上加載高電勢，以直接形成液錐噴霧。該裝置雖然可實現(xiàn)較為穩(wěn)定的液錐噴霧，但該裝置外毛細(xì)管中輸送的離子液體僅作為包覆層防止電解質(zhì)蒸發(fā)以及形成薄膜穩(wěn)定液錐，其在提高質(zhì)譜離子化效率上未明確有促進(jìn)作用。此外，該裝置的高電勢直接加載至雙層毛細(xì)管，易電場分布不均勻。該裝置應(yīng)用場景主要為電噴霧推力器應(yīng)用，重點(diǎn)解決真空環(huán)境下的液體揮發(fā)問題。

在單細(xì)胞分析領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)也存在局限性。如中國專利CN109950126A公開了一種高通量單細(xì)胞電噴霧質(zhì)譜裝置，該裝置包括三層同軸排列的毛細(xì)管噴針，內(nèi)層毛細(xì)管輸送細(xì)胞懸液，中層毛細(xì)管輸送鞘液萃取劑，外層毛細(xì)管形成電噴霧。該裝置雖然可實現(xiàn)細(xì)胞的排序進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，但仍保留了傳統(tǒng)的噴針結(jié)構(gòu)（尖端口徑為10μm），容易發(fā)生污染堵塞。此外，該裝置高壓直接施加在最外層毛細(xì)管噴針外壁，電場分布不均勻，容易造成噴霧不穩(wěn)定。該裝置主要關(guān)注細(xì)胞的排序和碎裂，而非優(yōu)化離子化效率和噴霧穩(wěn)定性，因此在處理復(fù)雜基質(zhì)樣品時仍面臨顯著挑戰(zhàn)。

此外，現(xiàn)有離子源技術(shù)在在線化學(xué)反應(yīng)能力方面也存在不足。傳統(tǒng)ESI技術(shù)在實時分析方面的應(yīng)用受到限制，難以支持在線化學(xué)反應(yīng)的實現(xiàn)，而這在動態(tài)樣品分析和代謝研究中越來越受到重視。

綜上所述，現(xiàn)有的電噴霧質(zhì)譜離子源技術(shù)在離子化效率、噴霧穩(wěn)定性、抗污染能力、流速適應(yīng)性以及在線化學(xué)反應(yīng)能力等方面仍存在明顯不足，亟需一種新型離子源技術(shù)來克服這些局限性，提高質(zhì)譜分析在復(fù)雜樣品中的應(yīng)用效能和可靠性。

圖1為雙鞘液微納液錐電噴霧質(zhì)譜離子源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

1、雙鞘液管路模塊；1.1、外鞘液不銹鋼管；1.2、內(nèi)鞘液石英毛細(xì)管；1.3、樣品石英毛細(xì)管；1.4、三通；1.41、第一T型三通；1.42、第二T型三通；1.5、外鞘液；1.6、內(nèi)鞘液；1.7、樣品液；1.8、液錐噴霧；2、集成化微流量泵控模塊；2.1、集成化微流量泵控模塊一；2.11、步進(jìn)電機(jī)；2.12、絲桿；2.13、聯(lián)軸器；2.14、魯爾接頭玻璃注射器；2.15、圓接頭；2.2、集成化微流量泵控模塊二；2.3、集成化微流量泵控模塊三；3、高壓電勢加載模塊；3.1、高壓輸出導(dǎo)線；4、質(zhì)譜接口連接模塊；5、數(shù)碼顯微鏡組件；6、空間位置微調(diào)組件；6.1、三軸臺；6.2、M3螺絲；6.3、T型螺母。

本發(fā)明還提供雙鞘液微納液錐電噴霧質(zhì)譜離子源系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟：

S1：通過所述集成化微流量泵控模塊2，基于預(yù)設(shè)的流速比例向樣品石英毛細(xì)管1.3輸送樣品液1.7，向內(nèi)鞘液石英毛細(xì)管1.2輸送內(nèi)鞘液1.6，向外鞘液不銹鋼管1.1輸送外鞘液1.5；

在優(yōu)選的實施例中，樣品液1.7、內(nèi)鞘液1.6和外鞘液1.5的流速比例為1:2:4。

S2：通過所述高壓電勢加載模塊3，向內(nèi)鞘液1.6施加高壓電場，使高壓電場通過內(nèi)鞘液1.6傳導(dǎo)至三級分層內(nèi)嵌式同軸出口；

S3：在高壓電場作用下，在三級分層內(nèi)嵌式同軸出口處形成液錐噴霧1.8，通過液滴裂解與溶劑蒸發(fā)，實現(xiàn)樣品分子的離子化；

S4：通過多軸聯(lián)動顯微定位模塊調(diào)節(jié)液錐噴霧，引導(dǎo)離子進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，以達(dá)到最佳質(zhì)譜信號響應(yīng)。

本發(fā)明的工作原理主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先是形成噴霧（Taylor錐的形成）。本發(fā)明取消傳統(tǒng)金屬噴霧針頭或毛細(xì)管激光灼燒拉制的毛細(xì)針口，避免噴霧針頭因鹽沉積或雜質(zhì)污染導(dǎo)致的堵塞問題，將輸出的高壓直接加載至內(nèi)鞘液1.6中，使高壓電場通過內(nèi)鞘液1.6遠(yuǎn)距離施加在出液口端直接形成液錐噴霧1.8。本發(fā)明通過液錐自身形成的尖端噴霧，進(jìn)一步提高了可用的電壓值，且有效避免了因電壓太高而導(dǎo)致的噴針尖端放電和燒灼導(dǎo)致的噴嘴堵塞問題。

其次是液滴裂解與溶劑蒸發(fā)。在電場的作用下，噴霧液滴帶電荷，并迅速減小體積。隨著液滴溶劑蒸發(fā)，液滴表面電荷密度不斷增加，最終超過了液滴表面張力的限制（即所謂的Rayleigh極限），導(dǎo)致液滴破裂成更小的帶電液滴（稱為“庫侖爆炸”）。高壓作用保證了這一系列過程持續(xù)進(jìn)行，使液體分裂為帶電的微小液滴。本發(fā)明中的外鞘液采用有機(jī)試劑不僅降低了液滴的表面張力，還加速了液滴溶劑蒸發(fā)，使得離子化效率進(jìn)一步提高。

第三是分子離子化。液滴在高壓電場作用下逐漸蒸發(fā)到最后，只剩下溶液中原本溶解的分子。溶劑的完全蒸發(fā)讓溶液中的分子保持帶電狀態(tài)，生成帶電的氣相離子（如[M+H]?、[M-H]?等）。高壓電場確保足夠的離子化效率，從而將樣品分子轉(zhuǎn)化為可以被質(zhì)譜儀檢測的帶電離子。

最后是加速帶電離子向質(zhì)譜儀遷移。高壓電場還可以提供電場力，加速帶電的氣相離子從噴霧區(qū)域向質(zhì)譜儀的真空系統(tǒng)入口遷移。這對提升質(zhì)譜儀的靈敏度和檢測效率非常重要。

雙鞘液系統(tǒng)的穩(wěn)定性是本發(fā)明的核心優(yōu)勢之一，它依賴于內(nèi)鞘液和外鞘液的協(xié)同作用，以及流體動力學(xué)優(yōu)化和設(shè)計結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)配合。內(nèi)鞘液通常為酸化水溶液（如0.1%甲酸），通過增加質(zhì)子化能力，為樣品分子提供穩(wěn)定的離子化環(huán)境。這種環(huán)境不僅提高了離子化效率，還在液錐形成過程中為樣品提供了基礎(chǔ)的流體動力學(xué)平衡。內(nèi)鞘液通過包裹樣品液，在三級分層內(nèi)嵌式同軸出口形成均勻的液流，有效緩解樣品液流速波動可能對噴霧錐產(chǎn)生的不穩(wěn)定影響。

外鞘液具有多重作用：首先，外鞘液采用低表面張力溶劑（如乙腈），在三級分層內(nèi)嵌式同軸出口處減少液體表面張力的影響，使液錐更容易在電場作用下形成穩(wěn)定的噴霧錐（泰勒錐）；其次，外鞘液以高流速包裹內(nèi)鞘液和樣品液，稀釋樣品中的高鹽或其他復(fù)雜基質(zhì)成分，降低基質(zhì)效應(yīng)對液體噴霧的不利影響；此外，外鞘液的高速流動在三級分層內(nèi)嵌式同軸出口與外界空氣之間形成保護(hù)屏障，減少了環(huán)境氣流、溫度波動等外部干擾對噴霧穩(wěn)定性的影響。

本發(fā)明的另一個優(yōu)勢在于流體動力學(xué)優(yōu)化。雙鞘液系統(tǒng)的穩(wěn)定性與流速比例密切相關(guān)。本發(fā)明中，樣品液、內(nèi)鞘液和外鞘液的流速比例經(jīng)過實驗優(yōu)化（例如1:2:4），形成了良好的流體動力學(xué)平衡。內(nèi)鞘液流速略高于樣品液，確保內(nèi)鞘液包裹樣品液并提供均勻的流動路徑。外鞘液流速顯著高于內(nèi)鞘液和樣品液，其剪切力有效穩(wěn)定液錐的形狀，并進(jìn)一步稀釋高鹽基質(zhì)樣品對噴霧錐的干擾。