摘要：本發明提供了雙鞘液微納液錐電噴霧質譜離子源系統、使用方法及應用，涉及質譜分析領域，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，雙重協作下顯著提高離子化效率和噴霧穩定性，減少基質效應干擾，大幅提升了質譜分析的效率、靈敏度和適用范圍。

背景技術

質譜技術作為一種高靈敏度、高選擇性的分析手段，在現代分析化學、生物化學及環境科學等領域發揮著至關重要的作用。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譜分析中。傳統的ESI通過高壓電場將液體轉化為帶電液滴，并通過溶劑的蒸發形成氣相離子進入質譜儀進行分析。然而，傳統ESI在面對復雜樣品時，仍存在諸多局限性。

傳統ESI離子源在高鹽基質和復雜生物樣品分析中，樣品中的共存物質會顯著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。現有研究表明，基質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。當流速超過或低于這一范圍時，噴霧穩定性下降，導致離子化效率顯著降低。

另一個顯著問題是噴霧針頭的設計問題。傳統ESI噴霧針頭在長期使用過程中容易被高鹽基質或復雜樣品中的雜質污染，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效應，尤其是在復雜樣品分析中表現出靈敏度不足的問題。現有技術雖然可通過液錐形成噴霧，但也存在局限性。如中國專利CN114109756 A公開了一種高電導率電解質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度，內毛細管注射泵向內毛細管輸送電解質水溶液，外毛細管注射泵外毛細管輸送離子液體，通過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蒸發以及形成薄膜穩定液錐，其在提高質譜離子化效率上未明確有促進作用。此外，該裝置的高電勢直接加載至雙層毛細管，易電場分布不均勻。該裝置應用場景主要為電噴霧推力器應用，重點解決真空環境下的液體揮發問題。

在單細胞分析領域，現有技術也存在局限性。如中國專利CN109950126A公開了一種高通量單細胞電噴霧質譜裝置，該裝置包括三層同軸排列的毛細管噴針，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。該裝置雖然可實現細胞的排序進入質譜儀進行分析，但仍保留了傳統的噴針結構（尖端口徑為10μm），容易發生污染堵塞。此外，該裝置高壓直接施加在最外層毛細管噴針外壁，電場分布不均勻，容易造成噴霧不穩定。該裝置主要關注細胞的排序和碎裂，而非優化離子化效率和噴霧穩定性，因此在處理復雜基質樣品時仍面臨顯著挑戰。

此外，現有離子源技術在在線化學反應能力方面也存在不足。傳統ESI技術在實時分析方面的應用受到限制，難以支持在線化學反應的實現，而這在動態樣品分析和代謝研究中越來越受到重視。

綜上所述，現有的電噴霧質譜離子源技術在離子化效率、噴霧穩定性、抗污染能力、流速適應性以及在線化學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來克服這些局限性，提高質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、步進電機；2.12、絲桿；2.13、聯軸器；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；4、質譜接口連接模塊；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。

本發明還提供雙鞘液微納液錐電噴霧質譜離子源系統的使用方法，包括以下步驟：

S1：通過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；

在優選的實施例中，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：通過所述高壓電勢加載模塊3，向內鞘液1.6施加高壓電場，使高壓電場通過內鞘液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，通過液滴裂解與溶劑蒸發，實現樣品分子的離子化；

S4：通過多軸聯動顯微定位模塊調節液錐噴霧，引導離子進入質譜儀進行分析，以達到最佳質譜信號響應。

本發明的工作原理主要體現在以下幾個方面：

首先是形成噴霧（Taylor錐的形成）。本發明取消傳統金屬噴霧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污染導致的堵塞問題，將輸出的高壓直接加載至內鞘液1.6中，使高壓電場通過內鞘液1.6遠距離施加在出液口端直接形成液錐噴霧1.8。本發明通過液錐自身形成的尖端噴霧，進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題。

其次是液滴裂解與溶劑蒸發。在電場的作用下，噴霧液滴帶電荷，并迅速減小體積。隨著液滴溶劑蒸發，液滴表面電荷密度不斷增加，最終超過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（稱為“庫侖爆炸”）。高壓作用保證了這一系列過程持續進行，使液體分裂為帶電的微小液滴。本發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，使得離子化效率進一步提高。

第三是分子離子化。液滴在高壓電場作用下逐漸蒸發到最后，只剩下溶液中原本溶解的分子。溶劑的完全蒸發讓溶液中的分子保持帶電狀態，生成帶電的氣相離子（如[M+H]?、[M-H]?等）。高壓電場確保足夠的離子化效率，從而將樣品分子轉化為可以被質譜儀檢測的帶電離子。

最后是加速帶電離子向質譜儀遷移。高壓電場還可以提供電場力，加速帶電的氣相離子從噴霧區域向質譜儀的真空系統入口遷移。這對提升質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明的核心優勢之一，它依賴于內鞘液和外鞘液的協同作用，以及流體動力學優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），通過增加質子化能力，為樣品分子提供穩定的離子化環境。這種環境不僅提高了離子化效率，還在液錐形成過程中為樣品提供了基礎的流體動力學平衡。內鞘液通過包裹樣品液，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可能對噴霧錐產生的不穩定影響。

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成分，降低基質效應對液體噴霧的不利影響；此外，外鞘液的高速流動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，減少了環境氣流、溫度波動等外部干擾對噴霧穩定性的影響。

本發明的另一個優勢在于流體動力學優化。雙鞘液系統的穩定性與流速比例密切相關。本發明中，樣品液、內鞘液和外鞘液的流速比例經過實驗優化（例如1:2:4），形成了良好的流體動力學平衡。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路徑。外鞘液流速顯著高于內鞘液和樣品液，其剪切力有效穩定液錐的形狀，并進一步稀釋高鹽基質樣品對噴霧錐的干擾。