摘要：本发明提供了双鞘液微纳液锥电喷雾质谱离子源系统、使用方法及应用，涉及质谱分析领域，包括双鞘液管路模块、集成化微流量泵控模块和高压电势加载模块，双鞘液管路模块包括同轴排列的样品石英毛细管、内鞘液石英毛细管和外鞘液不锈钢管，且上述管路的出口端依次排列，形成凹凸状结构的三级分层内嵌式同轴出口；集成化微流量泵控模块与所述双鞘液管路模块连接，输送样品液、内鞘液以及外鞘液；高压电势加载模块的输出端与内鞘液石英毛细管连接。内鞘液提供离子化环境，外鞘液降低表面张力、辅助快速去溶剂化并形成保护屏障，双重协作下显著提高离子化效率和喷雾稳定性，减少基质效应干扰，大幅提升了质谱分析的效率、灵敏度和适用范围。

背景技术

质谱技术作为一种高灵敏度、高选择性的分析手段，在现代分析化学、生物化学及环境科学等领域发挥着至关重要的作用。其中，电喷雾电离（ElectrosprayIonization,ESI）因其对液相样品广泛适用而被广泛应用于多种质谱分析中。传统的ESI通过高压电场将液体转化为带电液滴，并通过溶剂的蒸发形成气相离子进入质谱仪进行分析。然而，传统ESI在面对复杂样品时，仍存在诸多局限性。

传统ESI离子源在高盐基质和复杂生物样品分析中，样品中的共存物质会显著降低目标分子的离子化效率，导致信号强度下降和重复性变差。现有研究表明，基质效应是影响电喷雾电离效率的主要因素之一。此外，传统ESI对液流速的适应性有限，通常在1μL/min到10μL/min的范围内表现最佳。当流速超过或低于这一范围时，喷雾稳定性下降，导致离子化效率显著降低。

另一个显著问题是喷雾针头的设计问题。传统ESI喷雾针头在长期使用过程中容易被高盐基质或复杂样品中的杂质污染，导致信号漂移、离子化效率降低，增加了设备的维护成本和停机时间。这种污染不仅影响分析结果的可靠性，还大大缩短了设备的使用寿命。传统离子源设计难以避免基质效应，尤其是在复杂样品分析中表现出灵敏度不足的问题。现有技术虽然可通过液锥形成喷雾，但也存在局限性。如中国专利CN114109756 A公开了一种高电导率电解质水溶液电喷射系统和方法，该装置包括两层同轴排列的毛细管，内毛细管从所述外毛细管延伸出一长度，内毛细管注射泵向内毛细管输送电解质水溶液，外毛细管注射泵外毛细管输送离子液体，通过高压电源在内毛细管和外毛细管上加载高电势，以直接形成液锥喷雾。该装置虽然可实现较为稳定的液锥喷雾，但该装置外毛细管中输送的离子液体仅作为包覆层防止电解质蒸发以及形成薄膜稳定液锥，其在提高质谱离子化效率上未明确有促进作用。此外，该装置的高电势直接加载至双层毛细管，易电场分布不均匀。该装置应用场景主要为电喷雾推力器应用，重点解决真空环境下的液体挥发问题。

在单细胞分析领域，现有技术也存在局限性。如中国专利CN109950126A公开了一种高通量单细胞电喷雾质谱装置，该装置包括三层同轴排列的毛细管喷针，内层毛细管输送细胞悬液，中层毛细管输送鞘液萃取剂，外层毛细管形成电喷雾。该装置虽然可实现细胞的排序进入质谱仪进行分析，但仍保留了传统的喷针结构（尖端口径为10μm），容易发生污染堵塞。此外，该装置高压直接施加在最外层毛细管喷针外壁，电场分布不均匀，容易造成喷雾不稳定。该装置主要关注细胞的排序和碎裂，而非优化离子化效率和喷雾稳定性，因此在处理复杂基质样品时仍面临显著挑战。

此外，现有离子源技术在在线化学反应能力方面也存在不足。传统ESI技术在实时分析方面的应用受到限制，难以支持在线化学反应的实现，而这在动态样品分析和代谢研究中越来越受到重视。

综上所述，现有的电喷雾质谱离子源技术在离子化效率、喷雾稳定性、抗污染能力、流速适应性以及在线化学反应能力等方面仍存在明显不足，亟需一种新型离子源技术来克服这些局限性，提高质谱分析在复杂样品中的应用效能和可靠性。

图1为双鞘液微纳液锥电喷雾质谱离子源系统的结构示意图；

1、双鞘液管路模块；1.1、外鞘液不锈钢管；1.2、内鞘液石英毛细管；1.3、样品石英毛细管；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、内鞘液；1.7、样品液；1.8、液锥喷雾；2、集成化微流量泵控模块；2.1、集成化微流量泵控模块一；2.11、步进电机；2.12、丝杆；2.13、联轴器；2.14、鲁尔接头玻璃注射器；2.15、圆接头；2.2、集成化微流量泵控模块二；2.3、集成化微流量泵控模块三；3、高压电势加载模块；3.1、高压输出导线；4、质谱接口连接模块；5、数码显微镜组件；6、空间位置微调组件；6.1、三轴台；6.2、M3螺丝；6.3、T型螺母。

本发明还提供双鞘液微纳液锥电喷雾质谱离子源系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：通过所述集成化微流量泵控模块2，基于预设的流速比例向样品石英毛细管1.3输送样品液1.7，向内鞘液石英毛细管1.2输送内鞘液1.6，向外鞘液不锈钢管1.1输送外鞘液1.5；

在优选的实施例中，样品液1.7、内鞘液1.6和外鞘液1.5的流速比例为1:2:4。

S2：通过所述高压电势加载模块3，向内鞘液1.6施加高压电场，使高压电场通过内鞘液1.6传导至三级分层内嵌式同轴出口；

S3：在高压电场作用下，在三级分层内嵌式同轴出口处形成液锥喷雾1.8，通过液滴裂解与溶剂蒸发，实现样品分子的离子化；

S4：通过多轴联动显微定位模块调节液锥喷雾，引导离子进入质谱仪进行分析，以达到最佳质谱信号响应。

本发明的工作原理主要体现在以下几个方面：

首先是形成喷雾（Taylor锥的形成）。本发明取消传统金属喷雾针头或毛细管激光灼烧拉制的毛细针口，避免喷雾针头因盐沉积或杂质污染导致的堵塞问题，将输出的高压直接加载至内鞘液1.6中，使高压电场通过内鞘液1.6远距离施加在出液口端直接形成液锥喷雾1.8。本发明通过液锥自身形成的尖端喷雾，进一步提高了可用的电压值，且有效避免了因电压太高而导致的喷针尖端放电和烧灼导致的喷嘴堵塞问题。

其次是液滴裂解与溶剂蒸发。在电场的作用下，喷雾液滴带电荷，并迅速减小体积。随着液滴溶剂蒸发，液滴表面电荷密度不断增加，最终超过了液滴表面张力的限制（即所谓的Rayleigh极限），导致液滴破裂成更小的带电液滴（称为“库仑爆炸”）。高压作用保证了这一系列过程持续进行，使液体分裂为带电的微小液滴。本发明中的外鞘液采用有机试剂不仅降低了液滴的表面张力，还加速了液滴溶剂蒸发，使得离子化效率进一步提高。

第三是分子离子化。液滴在高压电场作用下逐渐蒸发到最后，只剩下溶液中原本溶解的分子。溶剂的完全蒸发让溶液中的分子保持带电状态，生成带电的气相离子（如[M+H]⁺、[M-H]⁻等）。高压电场确保足够的离子化效率，从而将样品分子转化为可以被质谱仪检测的带电离子。

最后是加速带电离子向质谱仪迁移。高压电场还可以提供电场力，加速带电的气相离子从喷雾区域向质谱仪的真空系统入口迁移。这对提升质谱仪的灵敏度和检测效率非常重要。

双鞘液系统的稳定性是本发明的核心优势之一，它依赖于内鞘液和外鞘液的协同作用，以及流体动力学优化和设计结构的精准配合。内鞘液通常为酸化水溶液（如0.1%甲酸），通过增加质子化能力，为样品分子提供稳定的离子化环境。这种环境不仅提高了离子化效率，还在液锥形成过程中为样品提供了基础的流体动力学平衡。内鞘液通过包裹样品液，在三级分层内嵌式同轴出口形成均匀的液流，有效缓解样品液流速波动可能对喷雾锥产生的不稳定影响。

外鞘液具有多重作用：首先，外鞘液采用低表面张力溶剂（如乙腈），在三级分层内嵌式同轴出口处减少液体表面张力的影响，使液锥更容易在电场作用下形成稳定的喷雾锥（泰勒锥）；其次，外鞘液以高流速包裹内鞘液和样品液，稀释样品中的高盐或其他复杂基质成分，降低基质效应对液体喷雾的不利影响；此外，外鞘液的高速流动在三级分层内嵌式同轴出口与外界空气之间形成保护屏障，减少了环境气流、温度波动等外部干扰对喷雾稳定性的影响。

本发明的另一个优势在于流体动力学优化。双鞘液系统的稳定性与流速比例密切相关。本发明中，样品液、内鞘液和外鞘液的流速比例经过实验优化（例如1:2:4），形成了良好的流体动力学平衡。内鞘液流速略高于样品液，确保内鞘液包裹样品液并提供均匀的流动路径。外鞘液流速显著高于内鞘液和样品液，其剪切力有效稳定液锥的形状，并进一步稀释高盐基质样品对喷雾锥的干扰。