基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置

1.本实用新型是涉及一种基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置，属于质谱分析技术领域。


背景技术：

2.质谱成像(mass spectrometry imaging，msi)可以对各种实体样本表面进行非靶向的空间分布研究，是质谱分析技术学领域内一种强大的工具。质谱成像能在一次实验中，对数千种分子(如脂质、神经递质、肽类、蛋白质等)同时成像而无需任何附加标记，将质谱中获得的化学信息以及样品表面的空间分布信息相结合，使得质谱成像成为表征生物样本不可或缺的分析技术之一。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。
3.目前，对于质谱成像来说，常用的离子源技术主要包括基质辅助激光解吸离子化 (matrix-assisted laser desorption/ionization，maldi)、解吸电喷雾离子化(desorptionelectrospray ionization，desi)以及二次离子质谱(secondary ion mass spectrometry，sims)。其中，maldi和sims都需要在高真空的条件下完成样品检测，且maldi需要在被分析物表面额外涂覆一层基质，用于解吸样品表面的分子，而对于不同分子量的化合物，则需要选择不同的基质进行检测。此外，基质层的均匀度、厚度、基质结晶的大小在一定程度上会影响化合物在质谱中的响应以及msi图像的空间分辨率。因此，maldi-msi的样品前处理过程相对于其他质谱成像离子源较为繁琐。sims-msi使用单原子或多原子的离子束的轰击样品表面，引起样品表面的二次离子的解吸/电离。使用单原子离子束，可以实现低至50nm的空间分辨率，但只能检测到元素离子和很少的有机碎片，因此使用sims-msi 在分析生物样本时有较大的局限性。
4.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。目前，在amsi领域内，离子源主要分为以下三类：第一，直接解吸/离子化样品的离子源；第二，先解吸后离子化样品的离子源；第三，萃取样品并离子化的离子源。
5.其中，第一以及第三种amsi的离子源基本是基于esi原理(极性溶剂引入末端加有 2-4kv高压的毛细管，在高压以及辅助雾化气体的作用下，产生气溶胶喷雾，从而促使带电液滴的生成)的软电离质谱成像的离子源技术。在这些技术中，带电液滴喷雾用于撞击样品表面以解吸分析物并通过esi机制产生分子离子。因此，都基本存在esi的缺陷：仅对极性分子具有较好的兼容性和响应能力，而一些非极性的化合物就无法使用这类离子源进行检测。另一方面，由于基于esi原理的amsi离子源如desi等使用了雾化气，这就使得带电喷雾与样品表面的接触面积会大于毛细管尖端的直径，从而导致msi图像的空间分辨率过大，一
般来说第一类离子源(直接解吸/离子化样品)，其msi图像的空间分辨率通常会达到200μm左右。随着质谱分析朝着微量，痕量检测方向发展，以nanodesi为代表的第三种离子源(萃取样品并离子化)，可以无需辅助雾化气体就能对样品进行萃取分析，其萃取尖端往往可以达到10μm，这为提高空间分辨率提供了可能。然而，过细的尖端能萃取到的样品量也极低，使用这类离子源时，如何提高被分析物在质谱中的响应又是一个难题。
6.第二类离子源(先解吸后离子化样品)，往往使用紫外、红外激光器或热辅助等手段先将被分析物从样品中解吸，而后接上各类离子源进行离子化。例如使用激光结合实时直接分析离子源(dart)、大气压化学电离离子(apci)源等，就能实现同时对极性以及非极性化合物的分析，此外由于激光斑点和激光位置可以实现自动化调节，因此可以产生高空间分辨率的msi图像。然而，如dart和apci等基于电晕放电机理的离子源都需要较高温度进行离子化，apci(350℃)，dart(≥250℃)，因此对一些热不稳定化合物的检测均存在困难。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种空间分辨率较高、适用溶剂种类广泛、可适用于检测极性以及非极性化合物和热不稳定化合物、可实现敞开式质谱在线衍生化成像的基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置。
8.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
9.一种基于激光解吸辅助碳纤维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，所述碳纤维电连接有高压电源，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由毛细管的出口端穿出并位于质谱仪的进样口的前方，所述待测样品位于激光器、碳纤维的采样和离子化端与质谱仪的进样口之间，所述毛细管的进口端连通有用于引入辅助溶剂或衍生化试剂的溶剂/试剂通道。
10.一种实施方案，所述高压电源通过导电金属箔与碳纤维相连。
11.一种优选方案，所述高压电源的电压为1～3kv。
12.一种优选方案，所述激光器位于待测样品的上方，以正上方为佳。
13.一种优选方案，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，以 90度为佳。
14.一种优选方案，所述激光器的发射端与待测样品表面之间的距离为10～15厘米。
15.一种优选方案，所述碳纤维的采样和离子化端的直径为1～20微米。
16.一种优选方案，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，以 45度为佳。
17.一种优选方案，所述碳纤维的采样和离子化端与待测样品表面之间的距离为1～5毫米，以2毫米为佳。
18.一种实施方案，所述辅助溶剂为极性或非极性的有机溶剂，包括但不限于甲醇、二氯甲烷、乙腈和甲苯，所述衍生化试剂是指能与特定化学基团反应的衍生化试剂，所述化学基团包括但不限于羟基、羧基、碳碳双键、氨基。
19.一种实施方案，所述溶剂/试剂通道为peek管，所述peek管的出口端与毛细管的进口端之间连接有二通，所述peek管的进口端连接有进样针。
20.一种优选方案，所述溶剂/试剂通道内的辅助溶剂或衍生化试剂的流速为1～5微
升/分钟，以4微升/分钟为佳。
21.一种优选方案，所述的敞开式质谱成像装置还包括蠕动泵，所述进样针安装于蠕动泵上。
22.一种优选方案，所述的敞开式质谱成像装置还包括样品载片，所述待测样品放置于样品载片的顶部，所述样品载片位于碳纤维的采样和离子化端与质谱仪的进样口之间。
23.一种优选方案，所述的敞开式质谱成像装置还包括二维移动平台，所述样品载片放置于二维移动平台的顶部。
24.一种实施方案，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。
25.一种优选方案，所述离子传输管的进口端与待测样品表面之间的距离为1～5毫米，以 2毫米为佳。
26.一种优选方案，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，以45度为佳。
27.相较于现有技术，本实用新型的有益技术效果在于：
28.1、本实用新型提供的基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置，与desi 技术相比较，具有更高的空间分辨率；溶剂的兼容性好，可兼容极性和非极性溶剂(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；分析、成像过程中，无需辅助气体，成本低廉、操作简便；
29.2、本实用新型提供的基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置，与 nano-esi技术相比，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；兼容的溶剂及试剂流速范围更宽，可达1～5微升/分钟；
30.3、本实用新型提供的基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置，与 dart、apci和dbdi技术相比，可以支持连续进样，信号稳定，可检测的分子量范围更广，且支持组织上在线衍生化成像；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；
31.4、本实用新型提供的基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置，所采用的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，应用范围广泛。
附图说明
32.图1为本实用新型提供的一种基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置的结构示意图；
33.图2为实施例1中使用甲醇作为碳纤维辅助溶剂直接质谱成像所获得的正离子模式一级质谱图；
34.图3为实施例1中使用甲醇作为碳纤维辅助溶剂直接质谱成像所获得的正离子模式质谱成像图；
35.图4为实施例2中使用衍生化试剂(吡啶/氘代吡啶的二氯甲烷溶液)通入碳纤维进行组织上在线衍生化质谱成像所获得的正离子模式一级质谱图；
36.图5为实施例2中使用衍生化试剂(吡啶/氘代吡啶的二氯甲烷溶液)通入碳纤维进
行组织上在线衍生化质谱成像所获得的正离子模式质谱成像图；图中：a.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z702.7457和m/z707.7709；b.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z628.7310和m/z631.7617；c.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z710.7437和m/z715.7776；d.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z710.7332和m/z715.7626；
37.图中标号示意如下：1、激光器；2、碳纤维；3、待测样品；4、高压电源；5、毛细管；6、质谱仪的进样口；7、溶剂/试剂通道；8、二通；9、进样针；10、蠕动泵；11、样品载片；12、二维移动平台；13、离子传输管；α1、激光器发射的激光线与待测样品表面之间的夹角；α2、碳纤维的轴线与激光器发射的激光线之间的夹角；α3、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；d1、激光器的发射端与待测样品表面之间的距离；d2、碳纤维的采样和离子化端与待测样品表面之间的距离；d3、离子传输管的进口端与待测样品表面之间的距离。
具体实施方式
38.下面结合附图对本实用新型技术方案做进一步详细、完整地说明。
39.请参阅图1所示：本实用新型提供的一种基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置，包括质谱仪、激光器1、碳纤维2和待测样品3，所述碳纤维2电连接有高压电源4，所述碳纤维2的外部套设有毛细管5，所述碳纤维2的采样和离子化端由毛细管5的出口端穿出并位于质谱仪的进样口6的前方，所述待测样品3位于激光器1、碳纤维2的采样和离子化端与质谱仪的进样口6之间，所述毛细管5的进口端连通有用于引入辅助溶剂或衍生化试剂的溶剂/试剂通道7。
40.本实用新型中所采用的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。
41.采用本实用新型所述的基于激光解吸辅助碳纤维离子化的敞开式质谱成像装置实现质谱成像的方法，是先通过激光器1发射激光击打待测样品3使待测样品3解脱附，然后在辅助溶剂或衍生化试剂的辅助下通过施加有电压的碳纤维对解脱附后的待测样品3离子化，最后使产生的样品离子从质谱仪的进样口6进入到质谱仪中，通过质谱仪进行质谱分析和成像。
42.具体的，请参见图1所示，包括如下步骤：
43.a)使待测样品3位于激光器1、碳纤维2的采样和离子化端与质谱仪的进样口6之间；
44.b)通过激光器1发射激光击打待测样品3，使待测样品3解脱附；
45.c)将辅助溶剂或衍生化试剂通过溶剂/试剂通道引入碳纤维2的采样和离子化端；
46.d)接通高压电源4，通过高压电源4对碳纤维2施加电压，解脱附后的待测样品3被碳纤维2的采样和离子化端采集并离子化，产生样品离子；
47.e)产生的样品离子从质谱仪的进样口6进入到质谱仪中，通过质谱仪进行质谱分析和成像。
48.本实用新型中，碳纤维2与高压电源4采用常规的电连接方式即可，例如，所述高压电源4通过导电金属箔(图中未标识)与碳纤维2相连。
49.本实用新型中，所述高压电源4的电压优选1～3kv。
50.本实用新型中，激光器1、碳纤维2的采样和离子化端、质谱仪的进样口6三者为分离状态，且三者之间的相互位置、三者相对于待测样品3的位置均可调节。
51.本实用新型中，所述激光器1位于待测样品3的上方，以正上方为佳，以便于激光器1 发射激光击打待测样品3表面。相应的，所述激光器1发射的激光线与待测样品3表面之间的夹角α1优选45～90度，以90度为佳。
52.本实用新型中，所述激光器1的发射端与待测样品3表面之间的距离d1优选10～15 厘米。
53.本实用新型中，所述碳纤维2的采样和离子化端的直径优选1～20微米。
54.本实用新型中，所述碳纤维2的轴线与激光器1发射的激光线之间的夹角α2优选30～ 45度，以45度为佳。
55.本实用新型中，所述碳纤维2的采样和离子化端与待测样品3表面之间的距离d2优选 1～5毫米，以2毫米为佳。
56.本实用新型中，所述辅助溶剂为极性或非极性的有机溶剂，包括但不限于甲醇、二氯甲烷、乙腈和甲苯，所述衍生化试剂是指能与特定化学基团反应的衍生化试剂，所述化学基团包括但不限于羟基、羧基、碳碳双键、氨基。
57.本实用新型中，所述溶剂/试剂通道7为peek管，所述peek管7的出口端与毛细管5 的进口端之间连接有二通8，所述peek管7的进口端连接有进样针9。所述进样针9用于将辅助溶剂或衍生化试剂注入毛细管5中，具体为：通过进样针9将辅助溶剂或衍生化试剂注入溶剂/试剂通道(peek管)7中，然后通过溶剂/试剂通道(peek管)7将辅助溶剂或衍生化试剂引入毛细管5中，进而引入碳纤维2的采样和离子化端。
58.本实用新型中，所述溶剂/试剂通道7内的辅助溶剂或衍生化试剂的流速优选1～5微升 /分钟，以4微升/分钟为佳。
59.本实用新型中，所述的敞开式质谱成像装置还包括蠕动泵10，所述进样针9安装于蠕动泵10上。所述蠕动泵10用于承载进样针9并以设定的流速推动进样针9，进而以设定的流速将辅助溶剂或衍生化试剂引入碳纤维2的采样和离子化端。蠕动泵10设定的流速即相当于溶剂/试剂通道7内的辅助溶剂或衍生化试剂的流速。
60.本实用新型中，所述的敞开式质谱成像装置还包括样品载片11，所述待测样品3放置于样品载片11的顶部，所述样品载片11位于碳纤维2的采样和离子化端与质谱仪的进样口6之间。所述样品载片11用于承载和固定待测样品3，使用的时候，将样品载片11放置于碳纤维2的采样和离子化端与质谱仪的进样口6之间，并使其位于激光器1的下方，然后将待测样品3放置于样品载片11的顶部。
61.本实用新型中，所述的敞开式质谱成像装置还包括二维移动平台12，所述样品载片11 放置于二维移动平台12的顶部。所述二维移动平台12用于承载样品载片11及待测样品3，并可以按照其设定的步长移动。质谱成像时，二维移动平台12可通过其设定的步长移动使激光器1和碳纤维2能解吸并离子化选定的样品检测区域，进而对样品检测区域内的待测样品3进行解吸并离子化。
62.本实用新型中，所述质谱仪的进样口6连接有离子传输管13，所述离子传输管13的进口端位于待测样品3附近。质谱成像时，产生的样品离子通过离子传输管13从质谱仪的进样口6进入到质谱仪中。
63.本实用新型中，所述离子传输管13的进口端与待测样品3表面之间的距离d3优选1～ 5毫米，以2毫米为佳。
64.本实用新型中，所述离子传输管13的进口端轴线与激光器1发射的激光线之间的夹角α3优选30～45度，以45度为佳。
65.下面结合具体应用实施例进一步说明本实用新型所能实现的技术效果。
66.实施例1
67.采用图1所示的敞开式质谱成像装置(其中质谱仪的质量分析器为四极杆-飞行时间) 对c57小鼠脑组织切片样本(16μm)进行质谱分析和成像：
68.将样品载片11放置于二维移动平台12的顶部，将待测样品3(c57小鼠脑组织切片样本)放置于样品载片11的顶部，并使待测样品3位于激光器1、碳纤维2的采样和离子化端、质谱仪的进样口6(具体是与质谱仪的进样口6相连的离子传输管13的进口端)之间；通过激光器1发射激光击打待测样品3(二维移动平台12在激光每次击打待测样品3点后移动距离为100μm，移动速度为200μm/s)，激光器与待测样品3之间的距离为15cm，使待测样品3解脱附；将辅助溶剂甲醇(流速为3微升/分钟)通过溶剂/试剂通道引入碳纤维 2的采样和离子化端，采样和离子化端与待测样品3之间的距离为1mm；接通高压电源4，通过高压电源4对碳纤维2施加2.5kv高压，解脱附后的待测样品3被碳纤维2的采样和离子化端采集并离子化，产生样品离子；产生的样品离子通过离子传输管13(离子传输管13的进口端与待测样品3表面之间的距离为2mm)从质谱仪的进样口6进入到质谱仪中，通过质谱仪进行质谱分析和成像，结果分别如图2和图3所示。
69.图2为本实施例中使用甲醇作为碳纤维辅助溶剂直接质谱成像所获得的正离子模式一级质谱图；由图2可见，质谱图在低分子量(小于500da)和较高分子量区(500-900da)均出现了较为丰富的信号，为生物样本分析提供了有力的数据支持。
70.图3为本实施例中使用甲醇作为碳纤维辅助溶剂直接质谱成像所获得的正离子模式质谱成像图；图3展示了低分子量和较高分子量区域内代表性的内源性代谢物的质谱成像图。
71.实施例2
72.采用图1所示的敞开式质谱成像装置(质谱仪的质量分析器为四极杆-飞行时间)对c57 小鼠脑组织切片样本(16μm)进行质谱分析和成像：
73.将样品载片11放置于二维移动平台12的顶部，将待测样品3(c57小鼠脑组织切片样本)放置于样品载片11的顶部，并使待测样品3位于激光器1、碳纤维2的采样和离子化端、质谱仪的进样口6(具体是与质谱仪的进样口6相连的离子传输管13的进口端)之间；通过激光器1发射激光击打待测样品3(二维移动平台12在激光每次击打待测样品3点后移动距离为100μm，移动速度为200μm/s)，激光器与待测样品3之间的距离为15cm，使待测样品3解脱附；将衍生化溶剂(1％吡啶 1％氘代吡啶的二氯甲烷溶液，流速为4微升/ 分钟)通过溶剂/试剂通道引入碳纤维2的采样和离子化端，采样和离子化端与待测样品3之间的距离为1mm；接通高压电源4，通过高压电源4对碳纤维2施加2.5kv高压，解脱附后的待测样品3被碳纤维2的采样和离子化端采集并离子化，产生样品离子；产生的样品离子通过离子传输管13(离子传输管13的进口端与待测样品3表面之间的距离为2mm) 从质谱仪的进样口6进入到质谱仪中，通过质谱仪进行质谱分析和成像，结果分别如图4 和图5所示。
74.图4为本实施例中使用衍生化试剂(吡啶/氘代吡啶的二氯甲烷溶液)通入碳纤维进行组织上在线衍生化质谱成像所获得的正离子模式一级质谱图；由图4可见，经过衍生化后的平均质谱图上，在m/z 500-850区间内出现了质荷比相差5.03da的甘油脂类和鞘脂的质谱峰对。
75.图5为本实施例中使用衍生化试剂(吡啶/氘代吡啶的二氯甲烷溶液)通入碳纤维进行组织上在线衍生化质谱成像所获得的正离子模式质谱成像图；图5展示了该区域内所示质谱峰对对应的质谱成像图，图中：a.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z 702.7457和m/z 707.7709；b.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z 628.7310和m/z 631.7617；c.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z 710.7437和m/z 715.7776；d.吡啶和氘代吡啶的衍生化产物峰：m/z 710.7332和m/z 715.7626。
76.最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。