面向质谱快速检测的纸喷雾离子源进样装置设计_杨泽旭.pdf

26 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学高分析效率及拓展应用领域这两个方面。对于成本更低、效果更稳定的纸喷雾离子源技术，更适于实现智能化的自动进样装置。2015年，Prosolia公司发布了Velox 360纸喷雾自动进样器，提供分析物的自动化洗脱和电离，可简化法医毒理学和药物研发实验室实验人员的分析工作流，但此过程仍需人工手动添加样品，人工耗时依然较长。2016年，林金明等人通过液滴制备以及微流控芯片联用质谱分析，通过毛细管的轨迹从两个样品通道中混合出六个不同浓度配比的样品，而后通过机械手移动毛细管选择不同的样品接口至纸基质中，并针对纸基质样品载体进行上样。该装置实现了对样品盒自动化添加样品、溶剂，但对于大批量自动化电离进样仍有不足。2019年，美国Thermo Scientific VeriSpray纸喷雾离子源因其自动添加溶剂、自动进样的功能引发关注，但样品添加仍需人工制备且其装置价格高昂。2 系统设计 2.1 整体方案介绍本自动质谱进样装置主要运作流程由上样、清洗洗液、电离三个部分组成。实验人员都可以通0 引言质谱因具有较高的特异性、灵敏度和分析精确度已成为生化分析领域中一类不可或缺的分析技术。但常见的质谱分析法通常步骤烦琐且分析费用昂贵，无法在短时间内实现微痕量化合物的快速且高通量分析检测。反观常压离子源具有简易性、低成本性，适合于在药物筛选分析，食品安全分析，法医样本分析等领域进行大量应用。但其仍存在样品制备过程耗时长和内容复杂的问题，极大程度减缓了该电离方法的广泛应用1。1 研究背景2009年安捷伦公司研制出7693A系列自动液体进样器，通过搭载双进样器进行快速进样，采用特殊的进样装置减少人员和溶剂的接触。2019年，磐诺仪器于北京分析测试学术报告会暨展览会（BCEIA 2019）发布了B152三维导轨式液体自动进样器，可通过滑轨步进电机等控制系统进行三维模式下的样品配置、样品溶剂添加，实现与磐诺A91Plus气相色谱仪的耦合2。纸喷雾电离技术（PSI）于2010年Cooks与Ouyang 研究组提出，该技术的发展主要致力于提基金项目：国家自然科学基金项目（21874016）。作者简介：杨泽旭，东北大学计算机科学与工程学院；研究方向：电子信息工程。收稿日期：2022-09-01；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述一种针对纸喷雾电离技术的全自动智能进样装置设计。通过嵌入式系统控制进样系统中的样品平台与进样针的移动，可快速将目标样品与对应溶剂添加至特制的低成本电离平台。通过系统可选择多种样品溶剂，灵活性强、选择性高，同时具备进样针的自动清洗功能。关键词：纸喷雾电离，常压电离源，质谱。中图分类号：O657.63 文章编号：1000-0755(2023)05-0026-02文献引用格式：杨泽旭，闫奕涵，李大宇.面向质谱快速检测的纸喷雾离子源进样装置设计J.电子技术,2023,52(05):26-27.面向质谱快速检测的纸喷雾离子源进样装置设计杨泽旭，闫奕涵，李大宇（东北大学 计算机科学与工程学院，辽宁 110819）Abstract This paper describes the design of a fully automatic intelligent injection device for paper spray ionization technology.The embedded system controls the movement of the sample platform and injection probe in the sample injection system,which can quickly add the target sample and corresponding solvent to the special low-cost ionization platform.A variety of sample solvents can be selected through the system,which has strong flexibility and high selectivity.At the same time,it has the automatic cleaning function of the injection probe.Index Terms paper spray ionization,atmospheric pressure ionization source,mass spectrometry.Design of Paper Spray Ion Source Sampling Device for Rapid Mass Spectrometry DetectionYANG Zexu,YAN Yihan,LI Dayu(School of Computer Science and Engineering,Northeastern University,Liaoning 110819,China.)电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 27Electronics 电子学过长续航的无线操控终端操控。操作人员可选择目标样品并由装置完成自动预上样，随即可以选择电离时间。可同时选择多种样品、溶剂，所有目标样品与溶剂完成预上样后可进行全自动批量电离，极大提高了进样速度。在进样过程中系统主要由通过上位机控制嵌入式平台，操控高精度步进电机与滑台、高压电离模块、电磁式伸缩开关等模块，完成自动化批量添加样品溶剂、自动化批量高压电离的任务。同时可以与小型计算平台与质谱仪通信，回传相关分析所需的质谱图数据。2.2 纸喷雾电离结构实现方案纸喷雾质谱法的原理与电喷雾质谱法类似，其以三角形的纸基为载体，将固体或液体样品放置在纸基表面，施加电压，利用高电压驱动溶剂溶解提取复杂样品中的分析物，使其迁移、电离，最终在纸基的尖端发生电喷雾，离子化后，进入质谱进行分析，实现实时在线监测。根据纸喷雾电离法的基本特性，同时为了实现多个目标样品的批量电离，本装置设计了用于承载多片纸基质、有效防止交叉污染、可选择电离位置的快拆式电离平台，样品盒底板由特制PCB电路板中导线一侧开窗接触纸基质电离部分，另一侧开窗接触高压电源，其中高压电源的通断由电磁开关控制。样品盒盖板由3D打印制成，用于固定纸基质以及隔断溶剂之间交叉污染并拥有良好的绝缘性；样品盒底部可固定在滑台上，滑台由嵌入式平台控制移动，以达到选择电离以及对其进样口的功能。2.3 嵌入式方案设计以及控制电路本装置机械结构主要由三维步进电机滑轨及十字滑台、进样针底座连接装置、可控式高压探针、整体框架、移动式屏幕交互盒、批量电离进样纸喷雾样品盒、试剂装载集成板以及外围保护板组成。本装置设计了24个样品处理通道，可高通量处理样品。通过步进电机的滑轨控制进样针移动至指定样品收集盒的位置，抽取样品后移动至选定纸基质上方，滴入指定的样品量。提供六种溶剂选择，通过步进电机滑轨控制样品针洗液后吸取溶剂，移动至相应纸基质上方进行溶剂喷涂，可指定溶剂容量进行处理。同时本装置具取样针自动洗液功能，防止交叉污染影响实验结果。本装置可实现全自动化高压电离，使用者可根据需求在上位机中选择电离对象与电离时长。通过无线控制终端与嵌入式平台系统通信，控制电离时长、电离电压以及电磁开关的选通。当电磁开关开启时，高压通过铜制弹簧探头接触特制样品盒中纸基质对应的选通焊盘，使相应纸基质中携带的样品在高压的驱动下向尖端移动，最后电离喷至质谱仪进样口。在电离结束后，可根据需求再次选择电离位置，驱动位于装置下方的十字滑台移动纸喷雾样品盒，并将所选择的通道的纸基质尖端对准进样口以便完成下一次电离。因此可完成批量进样。3 系统性能测试爬电距离测试，PCB绝缘层中每1kV的爬电距离为1mm，可计算得出4.5kV电离高压对应的爬电距离为4.5mm。故设计样品盒的走线间距为510mm。通过对于爬电距离的测试，可得距离4.5kV高压1cm处的电压在3.5V以下7，爬电比例低至0.06%。4 结语本设计为解决大批量样品利用纸喷雾电离技术进行质谱分析时的耗时问题，设计了基于纸喷雾电离技术的全自动智能进样装置。适合大批量样品的高通量分析处理，通过软件控制进样系统中的样品平台与进样针的移动，可快速将目标样品与对应溶剂添加至特制的低成本电离平台。本系统适合于大批量样品的同时处理，可选择6种溶剂、24种样品以及3种洗液剂，灵活性强、选择性高；拥有自动清洗进样针功能，防止样品与试剂之间交叉污染。通过驱动装置自动切换纸基质，控制电磁开关分配高压电离时间，完成自动化电离进样。可与市面上大部分质谱仪耦合，完成高效智能自动化电离进样。参考文献1 王霄,刘艳,曹艳萍,胡艺腾,宋鸽,郝红霞.基于复杂样品分析的纸喷雾电离技术研究进展J.分析试验室,2019,38(09):1121-1127.2 刘婧靖,何晓伟,何燕,喻目千,蒋乐,陈波.纸喷雾敞开式质谱法的发展和应用J.化学进展,2017,29(06):659-666.3 张智平,王倩,郑亚君等.纸基质的快速表面修饰及在纸喷雾电离源-质谱分析中的研究C.中国化学会,国家自然科学基金委员会.中国化学会第二届全国质谱分析学术报告会会议摘要集,2015:266.4 刘婧靖,何晓伟,何燕,喻目千,蒋乐,陈波.纸喷雾敞开式质谱法的发展和应用J.化学进展,2017,29(06):659-666.5 靳留雨,王伟民,谢京航,徐福兴,丁传凡.电过滤纸喷雾离子源的性能优化及应用研究J.质谱学报,2021,42(04):381-389.6 MAHMUD,IQBAL,PINTO,FREDERICO G.,RUBIO,VANESSA Y.,et al.Rapid Diagnosis of Prostate Cancer Disease Progression Using Paper Spray Ionization Mass SpectrometryJ.Analytical chemistry,2021,93(22):7774-7780.7 ROBERT B.CODY,A.JOHN DANE.Paper spray ionization for ambient inorganic analysisJ.Rapid Communications in Mass Spectrometry,RCM,2014,28(8):893-898.