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、使用方法及應用，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管、內鞘液石英毛細管和外鞘液不銹鋼管，且上述管路的出口端依次排列，形成凹凸狀結構的三級分層內嵌式同軸出口；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、內鞘液以及外鞘液；高壓電勢加載模塊的輸出端與內鞘液石英毛細管連接。內鞘液提供離子化環(huán)境，外鞘液降低表面張力、輔助快速去溶劑化并形成保護屏障，雙重協(xié)作下顯著(zhù)提高離子化效率和噴霧穩定性，減少基質(zhì)效應干擾，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(zhù)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用于多種質(zhì)譜分析中。傳統的ESI通過(guò)高壓電場(chǎng)將液體轉化為帶電液滴，并通過(guò)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ESI在面對復雜樣品時(shí)，仍存在諸多局限性。

傳統ESI離子源在高鹽基質(zhì)和復雜生物樣品分析中，樣品中的共存物質(zhì)會(huì )顯著(zhù)降低目標分子的離子化效率，導致信號強度下降和重復性變差?，F有研究表明，基質(zhì)效應是影響電噴霧電離效率的主要因素之一。此外，傳統ESI對液流速的適應性有限，通常在1μL/min到10μL/min的范圍內表現最佳。當流速超過(guò)或低于這一范圍時(shí)，噴霧穩定性下降，導致離子化效率顯著(zhù)降低。

另一個(gè)顯著(zhù)問(wèn)題是噴霧針頭的設計問(wèn)題。傳統ESI噴霧針頭在長(cháng)期使用過(guò)程中容易被高鹽基質(zhì)或復雜樣品中的雜質(zhì)污染，導致信號漂移、離子化效率降低，增加了設備的維護成本和停機時(shí)間。這種污染不僅影響分析結果的可靠性，還大大縮短了設備的使用壽命。傳統離子源設計難以避免基質(zhì)效應，尤其是在復雜樣品分析中表現出靈敏度不足的問(wèn)題?，F有技術(shù)雖然可通過(guò)液錐形成噴霧，但也存在局限性。如中國專(zhuān)利CN114109756 A公開(kāi)了一種高電導率電解質(zhì)水溶液電噴射系統和方法，該裝置包括兩層同軸排列的毛細管，內毛細管從所述外毛細管延伸出一長(cháng)度，內毛細管注射泵向內毛細管輸送電解質(zhì)水溶液，外毛細管注射泵外毛細管輸送離子液體，通過(guò)高壓電源在內毛細管和外毛細管上加載高電勢，以直接形成液錐噴霧。該裝置雖然可實(shí)現較為穩定的液錐噴霧，但該裝置外毛細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管，易電場(chǎng)分布不均勻。該裝置應用場(chǎng)景主要為電噴霧推力器應用，重點(diǎn)解決真空環(huán)境下的液體揮發(fā)問(wèn)題。

在單細胞分析領(lǐng)域，現有技術(shù)也存在局限性。如中國專(zhuān)利CN109950126A公開(kāi)了一種高通量單細胞電噴霧質(zhì)譜裝置，該裝置包括三層同軸排列的毛細管?chē)娽?，內層毛細管輸送細胞懸液，中層毛細管輸送鞘液萃取劑，外層毛細管形成電噴霧。該裝置雖然可實(shí)現細胞的排序進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，但仍保留了傳統的噴針結構（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管?chē)娽樛獗?，電?chǎng)分布不均勻，容易造成噴霧不穩定。該裝置主要關(guān)注細胞的排序和碎裂，而非優(yōu)化離子化效率和噴霧穩定性，因此在處理復雜基質(zhì)樣品時(shí)仍面臨顯著(zhù)挑戰。

此外，現有離子源技術(shù)在在線(xiàn)化學(xué)反應能力方面也存在不足。傳統ESI技術(shù)在實(shí)時(shí)分析方面的應用受到限制，難以支持在線(xiàn)化學(xué)反應的實(shí)現，而這在動(dòng)態(tài)樣品分析和代謝研究中越來(lái)越受到重視。

綜上所述，現有的電噴霧質(zhì)譜離子源技術(shù)在離子化效率、噴霧穩定性、抗污染能力、流速適應性以及在線(xiàn)化學(xué)反應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(lái)克服這些局限性，提高質(zhì)譜分析在復雜樣品中的應用效能和可靠性。

圖1為雙鞘液微納液錐電噴霧質(zhì)譜離子源系統的結構示意圖；

1、雙鞘液管路模塊；1.1、外鞘液不銹鋼管；1.2、內鞘液石英毛細管；1.3、樣品石英毛細管；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；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、高壓輸出導線(xiàn)；4、質(zhì)譜接口連接模塊；5、數碼顯微鏡組件；6、空間位置微調組件；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)譜離子源系統的使用方法，包括以下步驟：

S1：通過(guò)所述集成化微流量泵控模塊2，基于預設的流速比例向樣品石英毛細管1.3輸送樣品液1.7，向內鞘液石英毛細管1.2輸送內鞘液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(shí)施例中，樣品液1.7、內鞘液1.6和外鞘液1.5的流速比例為1:2:4。

S2：通過(guò)所述高壓電勢加載模塊3，向內鞘液1.6施加高壓電場(chǎng)，使高壓電場(chǎng)通過(guò)內鞘液1.6傳導至三級分層內嵌式同軸出口；

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

S4：通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)顯微定位模塊調節液錐噴霧，引導離子進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，以達到最佳質(zhì)譜信號響應。

本發(fā)明的工作原理主要體現在以下幾個(gè)方面：

首先是形成噴霧（Taylor錐的形成）。本發(fā)明取消傳統金屬?lài)婌F針頭或毛細管激光灼燒拉制的毛細針口，避免噴霧針頭因鹽沉積或雜質(zhì)污染導致的堵塞問(wèn)題，將輸出的高壓直接加載至內鞘液1.6中，使高壓電場(chǎng)通過(guò)內鞘液1.6遠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(guò)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致的噴針尖端放電和燒灼導致的噴嘴堵塞問(wèn)題。

其次是液滴裂解與溶劑蒸發(fā)。在電場(chǎng)的作用下，噴霧液滴帶電荷，并迅速減小體積。隨著(zhù)液滴溶劑蒸發(fā)，液滴表面電荷密度不斷增加，最終超過(guò)了液滴表面張力的限制（即所謂的Rayleigh極限），導致液滴破裂成更小的帶電液滴（稱(chēng)為“庫侖爆炸”）。高壓作用保證了這一系列過(guò)程持續進(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(chǎng)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(chǎng)確保足夠的離子化效率，從而將樣品分子轉化為可以被質(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(chǎng)還可以提供電場(chǎng)力，加速帶電的氣相離子從噴霧區域向質(zhì)譜儀的真空系統入口遷移。這對提升質(zhì)譜儀的靈敏度和檢測效率非常重要。

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

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(chǎng)作用下形成穩定的噴霧錐（泰勒錐）；其次，外鞘液以高流速包裹內鞘液和樣品液，稀釋樣品中的高鹽或其他復雜基質(zhì)成分，降低基質(zhì)效應對液體噴霧的不利影響；此外，外鞘液的高速流動(dòng)在三級分層內嵌式同軸出口與外界空氣之間形成保護屏障，減少了環(huán)境氣流、溫度波動(dòng)等外部干擾對噴霧穩定性的影響。

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