碳纤维电弧等离子体离子化的敞开式质谱成像方法及装置

本技术涉及质谱分析领域，具体涉及一种碳纤维电弧等离子体离子化的敞开式质谱成像方法及装置。

背景技术：

1、质谱成像是一种新兴的图像可视化技术，通过以固定步长扫描待测组织，获得每个像素点中的质谱数据，从而提供待测组织中分子的空间分布信息。离子源作为质谱以及质谱成像仪器重要的组成部分之一，一直以来都是质谱分析领域内的热点。随着各种离子源技术的不断开发与改进，质谱成像可检测的样品范围与种类也不断扩大，这在极大程度上使质谱仪器的应用范围不断扩大。

2、从样本的检测环境上可以将质谱成像分为真空质谱成像和大气压质谱成像两类。真空质谱成像以基质辅助激光解吸离子化(matrix-assisted laser desorption/ionization，maldi)和二次离子质谱(secondary ion mass spectrometry，sims)应用最为广泛，大气压质谱成像则是以解吸电喷雾离子化(desorption electrospray ionization，desi)为代表。敞开式质谱成像技术(ambient mass spectrometry imaging，amsi)在2004年时由cooks课题组首次提出。由于其无需样品前处理，且在大气压环境下就能对生物样品进行原位实时的可视化分析而倍受青睐。目前已经在法医学、代谢组学、疾病诊断以及药物评价等各领域成为有效的分析工具。

3、desi-msi可在常压条件下实现生物组织内极性分子(如代谢物、脂质)的原位二维分布分析，且无需复杂样品前处理。然而，desi对非极性化合物的分析灵敏度显著受限，主要源于其电喷雾电离机制对低极性物质的离子化效率低下以及高丰度基质成分引发的离子抑制效应。尽管反应性desi通过化学衍生化策略(如甜菜碱醛标记醇羟基)可提升特定非极性分子的电离效率，但其衍生化靶向性过强导致多类别化合物同步分析困难，且受限于液滴扩散效应与喷雾器同心度偏差，离子抑制干扰及空间分辨率(>10μm)较低。尽管通过基于液体萃取的纳米喷雾解吸电喷雾电离(nano-desi)可以实现分辨率优于10μm的空间组学分析，但待分析物须溶于辅助溶剂，因此难溶或与生物分子结合紧密的组分难以检测，且低电离效率物质分析也受到一定限制。

4、maldi-msi是一种基质依赖性技术，具备超高空间分辨率。因其在样品前处理、化学灵敏度与空间分辨率间的良好平衡，成为质谱成像领域最常用的电离方法之一。目前，高分辨率maldi-msi可在<10μm空间尺度下稳定检测数百种代谢物。然而，更高分辨率意味着需要减小激光光斑直径离子产率通常同步下降迫使研究者在分辨率与信号强度间权衡。同时maldi-msi需要在高真空条件下运行，这也会导致空间代谢物匹配偏差，并且在低质量区(＜1000da)存在明显的基质分子干扰，对小分子代谢物分析效果较差。针对灵敏度问题，maldi-2技术通过引入二次激光将特定分子电离效率提升百倍，但实验条件相对苛刻，其二次电离反应需满足毫巴级压力环境，且后电离激光波长须低于基质分子双光子电离阈值。

5、除了上述msi技术之外，sims利用脉冲初级离子束来撞击样品表面并发射次级离子实现对目标化合物的离子化，因其成像分辨率高、化学特异性强以及能够观察细胞和组织中的分子结构，而日益被视为是一种强大的成像工具。然而，其空间分辨率往往受限于样品台的最小步进精度(如机械平移步长)，而非光学系统的实际聚焦能力，同时sims破坏性离子束对代谢物鉴定带来了挑战，并且低丰度代谢物及外源污染物的信号易湮没于背景噪声。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种碳纤维电弧等离子体离子化的敞开式质谱成像方法及装置，可以适用于检测极性以及非极性化合物和热不稳定化合物及可实现敞开式原位质谱成像，且空间分辨率较高、灵敏度较高、操作相对简单，本技术生成的等离子体炬更加稳定，不容易和仪器之间形成放电电弧。

2、本技术公开了一种碳纤维电弧等离子体离子化的敞开式质谱成像方法，包括如下步骤：

3、通过激光器发射激光击打待测样品使待测样品解脱附；

4、将放电反应气体引入碳纤维的采样和离子化端，对所述碳纤维施加高压后，所述碳纤维的采样和离子化端产生稳定放电电弧的等离子体炬，在所述等离子体炬内将所述待测样品离子化以产生样品离子；

5、所述样品离子从质谱仪的进样口进入到所述质谱仪中，通过所述质谱仪进行质谱分析和成像。

6、在一个优选例中，进一步包括如下步骤：

7、将所述待测样品放置于样品载片顶部，将所述样品载片放置于二维移动平台顶部，此时所述待测样品位于所述激光器下方，并且位于所述碳纤维的采样和离子化端、所述质谱仪的进样口之间；

8、所述激光器发射的激光每次击打待测样品点后，所述二维移动平台带动所述样品载片及其上承载的所述待测样品沿x轴或y轴以预定速度移动预定距离，直至所述待测样品全部完成所述解脱附。

9、在一个优选例中，进一步包括如下步骤：

10、所述碳纤维为细长状，外部套设有绝缘材质的毛细管，所述毛细管的进口端连通有用于引入所述放电反应气体的气体通道，将所述放电反应气体通过所述气体通道充入所述毛细管中并引入所述碳纤维的采样和离子化端；

11、接通高压电源，通过高压电源对金属二通上施加电压，使解脱附后的所述待测样品被所述碳纤维的采样和离子化端产生的电弧等离子体炬采集并离子化，产生样品离子；

12、使所述样品离子从质谱仪的进样口进入到质谱仪中，通过质谱仪进行质谱分析和成像。

13、在一个优选例中，所述放电反应气体为氮气、氩气、或氦气或其组合。

14、在一个优选例中，所述高压电源通过导电金属箔与碳纤维相连。

15、在一个优选例中，所述高压电源的电压为1～5kv。

16、在一个优选例中，所述激光器位于待测样品的上方，更优选地位于待测样品的正上方。

17、在一个优选例中，所述碳纤维的采样和离子化端的直径为1～20微米。

18、在一个优选例中，所述碳纤维的轴线与激光器发射的激光线之间的夹角为30～45度，更优选地为30度。

19、在一个优选例中，所述离子传输管的进口端轴线与激光器发射的激光线之间的夹角为30～45度，更优选地为45度。

20、在一个优选例中，所述激光器发射的激光线与待测样品表面之间的夹角为45～90度。

21、在一个优选例中，所述激光器的发射端与所述待测样品表面之间的距离为10～15厘米。

22、在一个优选例中，所述碳纤维的采样和离子化端与所述待测样品表面之间的距离为1～5毫米，更优选地为2毫米。

23、在一个优选例中，所述气体通道为peek管，所述peek管的出口端与所述毛细管的进口端之间连接有所述金属二通，所述peek管的进口端连接有高压气体集成装置。

24、在一个优选例中，所述质谱仪的进样口连接有离子传输管，所述离子传输管的进口端位于所述待测样品附近。

25、在一个优选例中，所述气体通道中气体的流速为0.1-1升/分钟，更优选地为0.5升/分钟。

26、在一个优选例中，所述碳纤维外包被的毛细管尖端形成的电弧等离子体以高压电源端显示的实际电流大小小于0.005ma为准。

27、在一个优选例中，所述质谱仪的进样口连接有离子传输管，所述离子传输管的进口端位于待测样品附近。

28、本技术还公开了一种碳纤维电弧等离子体离子化的敞开式质谱成像装置，包括：质谱仪、激光器、碳纤维和待测样品；

29、所述激光器被配置为发射激光击打所述待测样品使所述待测样品解脱附；

30、所述碳纤维的外部套设有毛细管，所述碳纤维的采样和离子化端从所述毛细管的出口端穿出并位于所述质谱仪的进样口的前方，所述待测样品位于所述激光器、所述碳纤维的采样和离子化端与所述质谱仪的进样口之间，所述毛细管内通入放电反应气体，对所述碳纤维施加高压后所述碳纤维的采样和离子化端产生稳定放电电弧的等离子体炬，在所述等离子体炬内将所述待测样品离子化产生样品离子；

31、所述质谱仪被配置为对经由所述进样口进入的所述样品离子进行质谱分析和成像。

32、在一个优选例中，所述质谱仪可以为三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换离子回旋共振等常见的质谱仪。

33、本技术实施方式中，通过向碳纤维的采样和离子化端引入放电反应气体，使得在高压作用下能够形成受控且稳定的等离子体炬，显著提升了离子化过程的稳定性与可控性，有效减少了碳纤维与质谱仪之间产生无规则放电电弧的风险，从而提高了系统的运行可靠性和样品离子化效率，确保了质谱成像的准确性和重复性。

34、进一步的，通过设置二维移动平台配合激光解脱附，能够实现对待测样品的自动化、逐点解脱附处理，提升大面积样品的成像效率和空间分辨率。

35、进一步的，与传统的desi技术相比较，本技术具有更高的空间分辨率，待分析物质兼容性好(desi只能兼容极性溶剂)，离子化能力强，可离子化的分子范围广，同时兼容极性和非极性化合物，且与nano-esi技术相比，本技术采用激光辅助解吸样品，可有效提高化合物在质谱中的响应。

36、进一步的，与dart、apci和dbdi技术相比，本技术可以支持连续进样，信号稳定，可检测的分子量范围更广，无需使用高温离子化样品，可获得更为完整的分析物的质量信息，可兼容热不稳定化合物。

37、本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述 技术实现要素： 中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。