小型质谱与软电离离子源新技术及应用

摘要

本论文的研究涉及化学学科的分析化学和相关的分析仪器的研究领域。研究内容主要以发展技术创新为主，从最基础的质谱整机研制到前端的离子源新技术再到最初始的样品前处理方法，开展了一系列有实用价值的研究工作。整篇论文以质谱新技术新方法为核心，围绕整机、离子源和样品前处理三方面为研究重点，力图在质谱技术已有基础上进一步提高仪器实用性。主要贡献为:(1)研制了用于工业生产过程中的气体实时分析监控的小型电子轰击源-飞行时间质谱仪，该仪器首次在飞行时间质谱上应用了附加脉冲装置，可以有效移除对仪器性能造成损害的载气氦的离子，实现了质谱仪器工作原理上的突破;(2)设计了漏斗式静电聚焦ESI源等新型离子源，它是在现有离子源基础上对离子源性能优化的新离子化方法;(3)发展了能有效富集尿液体系中低浓度蛋白质的纳米二氧化硅富集方法，为尿液蛋白质组学提供了新颖高效的尿蛋白富集方法，具有临床分析的应用价值。
　　当前，质谱仪器和质谱技术在离子源、质量分析器、配套系统以及与其他仪器的联用等各个方面都取得了突破式发展，其应用范围已渗透了几乎所有的定性分析领域。质谱的发展主要分为两个方向:一方面，以生物质谱为代表，一大批集合了高灵敏度、高分辨率、高精度、高通量、高度智能化等高性能的高端质谱仪发展迅猛，追求高性能、普适性;另一方面，为尽可能贴近用户的某种特定需求，有一类质谱仪器经过技术指标的适度强化或精简，更加专用化、单一化。本论文针对两种迥异的发展趋势，以提高质谱分析系统在工业和科研中的实用性为切入点，重点研制了一台新型工业在线质谱，在高端质谱方面则着眼于离子源新技术的研究和样品前处理方法的改进。
　　本论文共分为五章，各章节主要内容和研究成果概述如下:
　　第一章综述了当前质谱仪器发展的历史、趋势及相关创新要求。随着质谱性能的日趋优异，质谱的应用也日渐广泛。质谱的离子源、质量分析器及配套系统的发展，直接促使了质谱在同位素、无机、有机和生物等领域的应用，质谱的发展也出现多方向趋势。纵观全局，高端质谱和专用质谱成为下一步质谱研发的两大方向，并相应地分为普适性高分辨质谱和小型化低分辨质谱两类。与此同时，质谱和其他仪器的联用更为常见和灵活，这使得新型离子源的开发和接口设计成为研究热点。本章综述了当前工业质谱研制、小型化质谱及现场分析技术、生物质谱的样品前处理流程及相关离子化方法这三个前沿领域的现有技术，在此基础上提出了本论文主要研究方向为整机研制、离子源新技术和样品前处理方法优化。
　　第二章概述了附加氦离子移除脉冲装置的小型工业质谱仪从整体设计、加工装配、配套装置研发到信号调试、性能测试的系统工作。这种小型化质谱主要用于在线气体分析和监控，其核心组件包括电子轰击离子源、飞行时间质量分析器及一个特制的氦离子移除脉冲装置。该质谱仪的主要创新点包括:(1)首次在飞行时间质谱上利用高压脉冲装置在反射区精确移除氦离子，这不仅有效降低了仪器的检测限及改善了极限灵敏度，且大大延长了微通道检测器的工作寿命;(2)采用模块化的设计、装配及维修方案，确保了仪器的精度和维护的便捷;(3)电子轰击离子源采用双灯丝设计，尽可能不中断分析工作;真空腔体采用整体掏腔的加工方式，提高了极限真空值和加工精度，且利于仪器整体防震;研制了压片式非蒸散型真空吸气泵作为此类小型质谱的配套，可为现场作业提供有效的真空环境。在实际研发过程中，我们结合SIMION和SolidWorks软件完成了可视化预设计工作，且全程严格遵守质量流程控制原则。经过调试，第一台试验样机的分辨率为1000FWHM，质量范围为1～300amu，灵敏度达到ppm(μ g/ml)量级，整体性能优于国内目前同类质谱仪器。
　　第三章主要研究了两种新式喷雾型离子源。第一种离子源是在电喷雾离子源基础上进行的接口改进和性能优化。针对传统电喷雾离子源离子传输率低、稳定性不好的特性，论文提出了在电喷雾接口中用漏斗式高压静电场聚焦离子雾羽的构想。SIMION模拟显示，在附加的漏斗形电场作用下，原先在喷雾针和进样口之间锥形分散的离子束其末端被压制收缩，导致进样口处离子密度增大，这将直接提高电喷雾质谱的灵敏度。实验结果证实这种离子源不仅离子信号非常稳定，而且由于降低了外界干扰，谱图噪声很低，信噪比大为改善。第二种超声波喷雾离子源是一种全新的低压离子源，可以作为现有电离方法的补充或是用于微量样品的现场测试。将样品溶液滴于雾化片之上，超声波振动的空化作用能使溶液的表面破碎成雾，而此过程中的毛细管波将加剧小液滴之间的摩擦，进而就产生了带电样品离子。超声波喷雾法是一种新颖而便捷的离子化方法，电喷雾质谱的实验结果表明了其良好的离子化性能和独特的电离方式。
　　第四章主要提出并探索了关于大气压基质辅助激光解析离子源(AP MALDI)的一些新构想。AP MALDI和MALDI类似，但它只需较低的能量就能产生离子，是一种更软的离子源，可作为相对独立的离子源灵活地与各种质谱分析器直接相联。它的缺点主要是大气压接口处的离子损失对灵敏度有较大影响。此章中，我们尝试研究紫外光源与无机基质、可见光源与有机基质的搭配是否进一步提高AP MALDI的离子化性能:首先设计制造了可移式光学平台，其上可随意组装各类光学设备;随后搭建了一套完整的激光光路系统，每个部件都可方便更换;离子源和质谱接口的加热传输管也是可调的，便于匹配不同质谱仪。该实验平台的建立使得接下来只需更换激光器和基质即可方便地进行下一步的大量实验。
　　第五章则是创新性地采用纳米材料富集尿蛋白，在尿液蛋白质组学这一领域的试样前处理方法上取得了突破性进展。传统的尿液蛋白质组学经常采用2DE-MS、LC-MS/MS、PC-MS和CE-MS等路线，其前处理方法往往复杂低效。本实验采用纳米二氧化硅材料-1D SDS/PAGE-LC-MS/MS的技术路线成功富集并有效鉴定了约2000种尿蛋白，大大改善了原有尿蛋白前处理方法。对已鉴定蛋白进行深入的生物信息学分析，分析结果证实富集对象的理化性质稳定，没有亲疏水性和等电点歧视，大量有价值的胞外蛋白被富集鉴定，特别是相当一部分不可溶、难提取、生物意义重要的Exosomes蛋白也得到了鉴定。实验还发现这种新型材料具有固定蛋白、抑制高丰度蛋白和增强低丰度蛋白信号的良好富集性能。本次实验采用的样本是移行膀胱癌患者尿样，数据处理的结果说明这种富集手段可被用于寻找临床早期诊断的生物标记。
　　总之，本论文为提高质谱的实用性提供了切实可靠的新技术新方法，具体包括:在保持分辨率为1000的前提下尽可能的将电子轰击源-飞行时间质谱仪小型化，首次应用了氦离子移除脉冲装置，注重延长仪器连续工作时间、改善稳定性、提高自动化程度、增强实用性;发展了漏斗式静电聚焦电喷雾离子源和超声波喷雾离子源两种新型喷雾离子源，前者可以改善已有电喷雾离子源的灵敏度和稳定性，后者是一种无需高电压或高气压的全新概念的软电离源;建立了一个开放式激光电离平台，便于大气压基质辅助激光解析离子源的相关研究和离子源的整体移植;利用纳米二氧化硅材料高效富集蛋白的新技术使得尿液蛋白质组学的尿蛋白富集变得高效简单，为寻找用于早期诊断的疾病相关生物标记提供了实用手段。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 质谱仪器概要

1．1．1 基本结构

1．1．2 应用分类

1．2 质谱发展趋势

1．2．1 质谱发展趋势之一：高性能、普适性的高端质谱

1．2．2 质谱发展趋势之二：针对特殊用途的专用质谱

1．3 质谱新技术及新应用

1．3．1 工业质谱的特性和挑战

1．3．2 小型化质谱及现场实时分析技术

1．3．3 生物质谱的样品前处理技术和离子化方法

1．4 本论文选题意义和创新点

参考文献

第二章 附加氦离子移除脉冲装置的小型工业质谱仪

2．1 研发背景

2．2 仪器原理设计

2．2．1 电子轰击离子源及离子光学透镜系统

2．2．2 二级反射式飞行时间质量分析器

2．2．3 整体设计及进程规划

2．2．4 气相色谱-飞行时间质谱接口

2．3 硬件建模及加工装配

2．3．1 离子光学模拟

2．3．2 可视化结构设计

2．3．3 机械加工和硬件装配

2．4 整机调试

2．4．1 极限真空测试

2．4．2 电路测试

2．4．3 信号调试

2．4．4 自动控制与软件集成

2．5 附加氦离子移除脉冲装置

2．5．1 研究背景

2．5．2 基本原理

2．5．3 主要构造

2．6 附加压片式非蒸散型真空吸气泵

2．6．1 研究背景

2．6．2 设计方案

2．6．3 性能及适用范围

2．7 仪器性能

2．7．1 实际应用模拟

2．7．2 系统稳定性实验

2．7．3 氦载气离子移除实验

2．7．4 与同类产品比较

2．8 应用范围及前景

2．9 本章小结

参考文献

第三章 喷雾离子源的系列研究

3．1 前言

3．2 漏斗式静电聚焦电喷雾离子源

3．2．1 研究背景

3．2．2 装置设计

3．2．3 实验与结果与讨论

3．3 超声波喷雾离子源

3．3．1 研究背景

3．3．2 实验装置及操作方法

3．3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

参考文献

第四章 大气压基质辅助激光解析离子源的研究

4．1 研究背景

4．2 装置设计

4．3 实验方法及讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 二氧化硅纳米材料高效富集尿蛋白的样品前处理新技术

5．1 尿液蛋白质组学研究进展及传统蛋白质提取方法

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和仪器

5．2．2 纳米二氧化硅材料的合成及表征

5．2．3 样品收集及预处理

5．2．4 1D SDS／PAGE-LC-MS／MS路线

5．2．5 数据库搜索方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 分析方法优化

5．3．2 蛋白质竞争吸附

5．3．3 蛋白质固定化

5．3．4 鉴定数据分析

5．3．5 临床应用前景展望

5．4 本章小结

参考文献

致谢

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