用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置.pdf

《用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置.pdf（9页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910280595.3 (22)申请日 2019.04.09 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 武汉大学 (72)发明人 陈素明吴亮 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 42222 代理人 杨宏伟 (51)Int.Cl. H01J 49/04(2006.01) H01J 49/16(2006.01) H01J 49/00(2006.01) G01N 27/62(2006.01) (54)发明名称 一种用于。

2、高通量液滴在线光化学反应研究 的质谱分析装置 (57)摘要 本发明公开了一种用于高通量液滴在线光 化学反应研究的质谱分析装置， 包括光源系统、 质谱分析系统和感应液滴型离子源系统， 质谱分 析系统用于进行在线质谱分析研究， 质谱仪进样 口端接地， 感应液滴型离子源系统包括电极板、 芯片基板、 芯片托板和高压直流脉冲电源， 芯片 基板固定于芯片托板上， 芯片基板上用于制备反 应液滴， 电极板设于芯片托板底部， 高压直流脉 冲电源用于在电极板与质谱仪进样口之间产生 诱导芯片基板上液滴发生极化的脉冲高压电场， 光源系统用于为芯片基板上反应液滴提供可控 的光照。 本发明具有高通量筛选光化学反应条件 和。

3、实时在线分析光化学反应进程的双功能作用， 因此在药物合成、 光催化和在线分析等方面具有 潜在利用价值。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 110060916 A 2019.07.26 CN 110060916 A 1.一种用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置， 其特征在于： 包括光源 系统、 质谱分析系统和非接触式的感应液滴型离子源系统， 所述质谱分析系统采用电喷雾 质谱仪， 用于进行在线质谱分析研究， 质谱仪进样口端接地， 所述感应液滴型离子源系统包 括电极板、 芯片基板、 芯片托板和高压直流脉冲电源， 所述芯片基板固定于芯片托板上， 芯 片基板上用于制备反应液滴， 所述。

4、电极板设于芯片托板底部， 所述高压直流脉冲电源用于 在电极板与质谱仪进样口之间产生诱导芯片基板上液滴发生极化的脉冲高压电场， 所述光 源系统用于为芯片基板上反应液滴提供可控的光照。 2.如权利要求1所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述芯片基板采用绝缘基板制成。 3.如权利要求2所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述芯片托板安装在三维移动平台 上， 通过三维移动平台调整芯片托板的位置， 从而调整芯片基板上不同位置的反应液滴与 质谱仪进样口对应参与反应。 4.如权利要求3所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述感应液滴型离子源系统和光源 系统通过悬挂装置安装在质谱分析系统的质谱仪进样口上。 。

5、5.如权利要求4所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述悬挂装置包括悬挂夹臂和支撑 板， 所述悬挂夹臂上端用于夹持在质谱仪进样口上， 悬挂夹臂下端与支撑板固定相连， 所述 三维移动平台安装在支撑板上。 6.如权利要求5所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述光源系统包括激光器和激光调 节杆， 所述激光器安装在激光调节杆上， 所述激光调节杆安装在支撑板上， 通过激光调节杆 可以调节激光器的位置从而控制对芯片基板的光照位置。 7.如权利要求6所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述电极板通过电极调节杆安装在 支撑板上， 通过电极调节杆可以调节电极板的高度位置。 8.如权利要求1-7任意一项所述的质。

6、谱分析装置， 其特征在于： 所述激光器产生的光为 可见光波长。 9.如权利要求1-7任意一项所述的质谱分析装置， 其特征在于： 所述高压直流脉冲电源 由电源、 信号发生器和高压放大器组成， 产生最高不超过10kV的脉冲直流高压。 10.一种利用权利要求8所述的质谱分析装置进行实时在线研究液滴中光化学反应的 质谱分析方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 质谱分析装置搭建好， 在芯片基板上制备含有光化学反应物溶液的液滴， 调整 激光器匹配可以引发光化学反应的可见光光源； 步骤2、 将含有溶液液滴的芯片基板放在芯片托板上， 通过三维移动平台调整芯片托板 的位置， 使芯片基板上的一个液滴对准。

7、质谱仪进样口， 调节好电极板和激光器的位置； 步骤3、 打开激光器对芯片基板上待反应测试液体照射， 同时或滞后启动直流脉冲电源 系统， 使得芯片基板上液体产生极化， 发生电喷雾进入质谱仪内进行质谱分析； 步骤4、 调整芯片基板位置、 激光参数或者高压直流脉冲电源参数， 进行下一组试验。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110060916 A 2 一种用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置 技术领域 0001 本发明属于光化学反应领域， 涉及一种光化学反应设备， 具体涉及一种高通量液 滴在线光化学反应研究的质谱分析装置。 背景技术 0002 光化学反应是指物质在光照条件下发生的化学反应。

8、。 例如， 自然中的植物光合作 用， 大气层中臭氧的形成以及汽车尾气在空气中形成的光化学烟雾污染等。 发生光化学反 应的原理相当复杂， 不仅与它发生光化学反应涉及光的波长范围(100至1000nm)有光， 而且 与光化学反应中生成的自由基寿命长短及其活性强弱有关。 光化学的复杂造成各种类型的 化学反应， 尤其在合成化学中光催化方面更加重要， 主要是因为光催化利用光子能量解决 对反应温度的需求和不引入其它新的杂质， 光催化反应已然成为合成化学的一个重要分 支。 0003 高灵敏度、 高特异性和高准确度的质谱分析技术是分析检测中的重要手段之一， 同时具有强大的定性和定量能力促进了质谱技术在各大领域。

9、中的迅速发展， 其中之一是对 合成化学的机理研究。 但传统的离线分析不仅步骤繁琐， 样品消耗量大， 更为重要的是无法 观察到短寿命的反应中间体， 对反应机理的研究非常不利。 在线质谱分析技术的发展为解 决这一难题提供了一种思路， 2016年， 有文献报道了一种在线光化学反应质谱分析方法， 采 用 纳 升 电 喷 雾 质 谱 方 法 实 现 了 光 催 化 反 应 的 在 线 质 谱 发 现 和 机 理 研 究 (Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,9345-9349)。 但是该方法只允许进行单个样品的光化学反 应实时分析， 并且电极需要插入到毛细管的溶液中， 导致该方法受到限制。

10、， 无法进行高通量 的多反应监测和分析。 因此， 本发明提出一种非接触式的高通量液滴在线光化学质谱分析 装置， 可以用于各种光化学反应的实时在线质谱研究。 0004 鉴于此， 设计和搭建高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置成为本发明 专利需要解决的技术问题。 发明内容 0005 为了实现高通量的在线光化学反应质谱研究， 本发明提出一种非接触式的液滴型 在线光化学质谱分析装置。 具有高通量和实时在线分析光化学反应双功能的作用， 因此可 用大量分析可行性光合成化学反应， 在合成药物、 光催化和在线分析等方面具有潜在利用 价值。 解决现有技术中传统的离线分析步骤繁琐， 样品消耗量大的技术问题。。

11、 0006 为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是： 0007 一种用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置， 其特征在于： 包括光 源系统、 质谱分析系统和非接触式的感应液滴型离子源系统， 所述质谱分析系统采用电喷 雾质谱仪， 用于进行在线质谱分析研究， 质谱仪进样口端接地， 所述感应液滴型离子源系统 包括电极板、 芯片基板、 芯片托板和高压直流脉冲电源， 所述芯片基板固定于芯片托板上， 芯片基板上用于制备反应液滴， 所述电极板设于芯片托板底部， 所述高压直流脉冲电源用 说明书 1/5 页 3 CN 110060916 A 3 于在电极板与质谱仪进样口之间产生诱导芯片基板上液滴。

12、发生极化的脉冲高压电场， 所述 光源系统用于为芯片基板上反应液滴提供可控的光照。 0008 进一步的， 所述芯片基板采用绝缘基板制成。 0009 进一步的， 所述芯片托板安装在三维移动平台上， 通过三维移动平台调整芯片托 板的位置， 从而调整芯片基板上不同位置的反应液滴与质谱仪进样口对应参与反应。 0010 进一步的， 所述感应液滴型离子源系统和光源系统通过悬挂装置安装在质谱分析 系统的质谱仪进样口上。 0011 进一步的， 所述悬挂装置包括悬挂夹臂和支撑板， 所述悬挂夹臂上端用于夹持在 质谱仪进样口上， 悬挂夹臂下端与支撑板固定相连， 所述三维移动平台安装在支撑板上。 0012 进一步的， 。

13、所述光源系统包括激光器和激光调节杆， 所述激光器安装在激光调节 杆上， 所述激光调节杆安装在支撑板上， 通过激光调节杆可以调节激光器的位置从而控制 对芯片基板的光照位置。 0013 进一步的， 所述电极板通过电极调节杆安装在支撑板上， 通过电极调节杆可以调 节电极板的高度位置。 0014 进一步的， 所述激光器产生的光为可见光波长。 0015 进一步的， 所述高压直流脉冲电源由电源、 信号发生器和高压放大器组成， 产生最 高不超过10kV的脉冲直流高压。 0016 一种利用上述质谱分析装置进行实时在线研究液滴中光化学反应的质谱分析方 法， 其特征在于， 包括以下步骤： 0017 步骤1、 质谱。

14、分析装置搭建好， 在芯片基板上制备含有光化学反应物溶液的液滴， 调整激光器匹配可以引发光化学反应的可见光光源； 0018 步骤2、 将含有溶液液滴的芯片基板放在芯片托板上， 通过三维移动平台调整芯片 托板的位置， 使芯片基板上的一个液滴对准质谱仪进样口， 调节好电极板和激光器的位置； 0019 步骤3、 打开激光器对芯片基板上待反应测试液体照射， 同时或滞后启动直流脉冲 电源系统， 使得芯片基板上液体产生极化， 发生电喷雾进入质谱仪内进行质谱分析； 0020 步骤4、 调整芯片基板位置、 激光参数或者高压直流脉冲电源参数， 进行下一组试 验。 0021 本发明有益效果是： 0022 本发明中，。

15、 在感应液滴型离子源系统下， 反应液滴不接触电极， 减少电极带来的影 响， 并且加载反应液滴的方式简单， 高通量多反应液滴等特点。 三维移动平台、 控制系统使 反应筛选灵活多样， 减少研究人员的工作量， 同时能进行不同波段的光对反应体系的筛选， 丰富了光催化反应。 本发明不仅拓展了质谱在线分析在光合成化学方面的研究， 而且高通 量筛选对研究光化学的发展具有积极的推动作用。 本发明具有高通量筛选光化学反应条件 和实时在线分析光化学反应进程的双功能作用， 因此可用于大量分析可行性光合成化学反 应， 在药物合成、 光催化和在线分析等方面具有潜在利用价值。 附图说明 0023 图1为本发明实施例中质谱。

16、分析装置结构示意图。 0024 图2为本发明实施例中质谱分析装置原理示意图。 说明书 2/5 页 4 CN 110060916 A 4 0025 1-质谱仪， 2-质谱仪进样口， 3-激光器， 4-芯片基板， 5-芯片托板， 6-电极板， 7-电 极调节杆， 8-三维移动平台， 9-支撑板， 10-悬挂夹臂， 11-安装板， 12-高压直流脉冲电源， 13-激光调节杆， 14-液滴。 具体实施方式 0026 本发明实施例建立一种实时在线研究液滴中光化学反应的质谱分析方法， 从而通 过微小体积的液滴反应快速模拟光化学合成过程， 提供反应过程中的关键分子信息， 提高 在线质谱方法研究光化学反应的通。

17、量。 该方法的实现途径是， 在芯片基板4上制备含有光化 学反应物溶液的液滴14， 匹配可以引发光化学反应的可见光光源， 在光源照射液滴14引发 光化学反应的同时， 在液滴14下方施加脉冲直流高压与液滴14上方的质谱仪进样口2之间 形成高压电场， 在高电场诱导下液滴14发生极化。 在液滴14表面的电荷密度积累到一定阈 值时， 会发生电喷雾使反应体系中的待测物离子化， 从而被质谱实时在线检测。 从施加电场 到形成电喷雾的时间大约为毫秒级， 因此该方法可以用来观测反应过程中短寿命的反应中 间体。 整个喷雾的发生过程， 可以看成是溶液在静电场中一次电容充放电行为。 0027 本发明利用液滴14直接电喷。

18、雾实时研究光化学反应的装置由不同的模块构成。 如 图1所示， 一种用于高通量液滴在线光化学反应研究的质谱分析装置， 包括光源系统、 质谱 分析系统和非接触式的感应液滴型离子源系统， 所述质谱分析系统采用电喷雾质谱仪1， 用 于进行在线质谱分析研究， 质谱仪进样口2端接地， 所述感应液滴型离子源系统包括电极板 6、 芯片基板4、 芯片托板5和高压直流脉冲电源12， 所述芯片基板4固定于芯片托板5上， 芯片 基板4上用于制备反应液滴14， 所述电极板6设于芯片托板5底部， 所述高压直流脉冲电源12 用于在电极板6与质谱仪进样口2之间产生诱导芯片基板4上液滴14发生极化的脉冲高压电 场， 所述光源系。

19、统用于为芯片基板4上反应液滴14提供可控的光照。 0028 所述芯片托板5安装在三维移动平台8上， 通过三维移动平台8调整芯片托板5的位 置， 从而调整芯片基板4上不同位置的反应液滴14与质谱仪进样口2对应参与反应。 所述感 应液滴型离子源系统和光源系统通过悬挂装置安装在质谱分析系统的质谱仪进样口2上。 所述悬挂装置包括悬挂夹臂10和支撑板9， 所述悬挂夹臂10上端用于夹持在质谱仪进样口2 上， 悬挂夹臂10下端与支撑板9固定相连， 所述支撑板9固定设有安装板11， 所述安装板11为 设有阵列固定孔的平板， 便于安装各种设备， 所述三维移动平台8通过螺栓固定在安装板11 上。 安装板11上还布。

20、置有三维的移动控制装置， 放置于芯片托板5上的芯片基板4可以在三 维移动平台8的带动下在x、 y、 z三个方向平动。 0029 悬挂夹臂10上端的具体结构根据质谱仪进样口2的形状而定， 可以是夹子夹持也 可以是挂架挂置， 当然也可以是其他可拆卸式固定方式， 比如螺栓固定， 卡扣固定等等， 具 体实施方式对本发明技术方案实施不构成影响， 故在此不再赘述。 0030 所述光源系统包括激光器3和激光调节杆13， 所述激光器3安装在激光调节杆13 上， 所述激光调节杆13安装在支撑板9上， 通过激光调节杆13可以调节激光器3的位置从而 控制对芯片基板4的光照位置。 本实施例中， 光源将使用可见光波长的。

21、、 功率在毫瓦到瓦之 间且可调的微型LED激光光源， 例如波长405nm、 450nm、 532nm等， 当照射在液滴14上时可以 非常快速的激活光化学反应体系， 当然现有技术中激光器3可以为自身携带激光头位置和 姿态调整器， 为现有公知技术， 因此不再赘述。 。 说明书 3/5 页 5 CN 110060916 A 5 0031 所述高压直流脉冲电源12由电源、 信号发生器和高压放大器组成， 产生最高不超 过10kV的脉冲直流高压。 本实施例中， 高压直流脉冲电源12使用信号发生器和高压放大器 产生脉冲直流高压， 电压为10kV。 绝缘的芯片基板4一般是玻璃或者其他材质的绝缘薄片， 长、 宽。

22、在100mm-100mm之间， 厚度在1mm-5mm之间， 可通过芯片托板5固定支撑绝缘的芯片基 板4。 可以使用移液器滴加相应体积的反应液， 也可以利用玻璃棒沾取反应液等其他简单方 式移取少量的溶液。 芯片基板4可以通过简单的修饰或喷蜡打印等方法就可以制备各种不 同样式的芯片反应阵列， 从而实现高通量的光化学反应质谱研究。 实验中芯片托板5通过连 接臂固定在三维移动平台8上， 电极板6距离芯片托板5大约几毫米的距离。 研究过程中可以 使用沸点较高的溶剂， 以减少光化学反应及分析过程中溶剂的挥发。 制备好的芯片液滴阵 列可以储存在盛有溶剂的密闭器皿中， 保持一定的溶剂蒸气压， 解决液滴14的溶。

23、剂挥发问 题。 0032 本发明实施例中， 高压直流脉冲电源12由高压放大器， 多波型函数发生器， 示波 器， 控制器和电极板6组成， 电压可以在正负10kV之间， 脉冲频率可以在0-1000Hz之间， 实施 例高压直流脉冲电源12将采用直接购买商业化高压电源放大器(接地)， 可以直接连接民用 交流电以获得可调节的高压正负10Kv的高压电； 再联用商业化、 任意波型的函数发生器， 通 过调节波型和频率输出具有波型的脉冲电压， 实现对液滴14进行充电这一过程。 电极板6的 材料为导电金属或非金属， 面积无限制， 通常在5cm5cm左右， 电极板6固定在电极调节杆7 上， 可自由移动。 0033 。

24、实施例中三维移动平台8将采用直接购买商业化光学三维移动平台， 可以固定芯 片托板5， 能电脑控制芯片托板5进行三维空间移动。 0034 作为一种更优实施例， 不同波段的激光器3， 可以通过软件控制激光器3的切换， 调 节激光器3距离芯片基板4的高度， 照射在反应液滴14上的光斑大小以及功率大小等。 光源 垂直照射在液滴14上， 同电极在一个竖直方向。 不同波段的激光器3有： 365nm， 405nm， 450nm， 480nm， 532nm等。 0035 本发明各个模块通过悬挂装置悬挂在质谱仪进样口2上。 所述悬挂装置包括悬挂 夹臂10和支撑板9， 所述悬挂夹臂10上端用于夹持在质谱仪进样口2。

25、上， 悬挂夹臂10下端与 支撑板9固定相连， 支撑板9上固定安装有一个安装板11， 所述安装板11上设有阵列的固定 孔， 所述三维移动平台8、 激光调节杆13和电极调节杆7固定在安装板11上， 芯片托板5通过 悬臂安装在三维移动平台8上， 电极板6在芯片托板5下方， 激光器3在芯片托板5上方， 所述 电极调节杆7既可以是电动推杆用于调节高度， 可以是机械臂， 均可以通过控制系统进行控 制， 但其为电动推杆时， 在安装板11平面内位置调节可以采用选取安装板11上不同固定孔 的方式调整， 所述激光调节杆13同样的可以采用电动推杆或者机械臂方式调整激光器3的 位置， 位置调整方式与电极板6一样， 当。

26、然现有技术中激光器3多数自身携带激光头位置和 姿态调整器， 为现有公知技术， 因此不再赘述。 0036 需要指出的是本发明实施例中采用的三维移动平台8采用现有技术中常规的三维 移动平台， 其具体结构对本发明实施例不造成影响， 具体比如可以采用三组丝杆螺母机构 组成的三维移动平台， 三组丝杆螺母机构分别沿着x、 y和z三个方向设置， 并且一次相连即 可组成三维移动平台， 具体结构不再赘述。 0037 实施例中可见光光源将采用直接定制商业化不同波段的激光器， 整合常见波段的 说明书 4/5 页 6 CN 110060916 A 6 单一激光器， 采用电脑控制系统可进行光斑大小， 不同波段、 功率的。

27、调整。 0038 实施例中质谱分析器将使用本实验室装备的Thermo Fisher公司的线性离子阱质 谱仪(LTQ XLTM)和轨道阱高分辨质谱仪(Orbitrap EliteTM)作为质量分析和检测系统。 实 验过程中还将整合控制各个模块的软件系统， 例如三维移动平台8、 光源系统、 高压直流脉 冲电源12、 质谱仪1等， 使各个步骤合理有序进行。 作为一种更优实施例， 研究过程中还可以 采用C/C+或Labview等编程语言， 编写相应的程序来协调控制各个模块， 实现自动化控制， 需要指出的是本发明上述自动化控制采用现有技术功能实现， 本发明各个部分均可以手动 控制完整， 自动控制仅仅提高工作效率， 并不是本发明技术方案实施的必不可少部分。 0039 本文中所描述的具体实施例， 仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术 领域的技术人员可以对所描述的具体实施例进行各种各样的修改或者补充或采用类似的 方式替代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 说明书 5/5 页 7 CN 110060916 A 7 图1 说明书附图 1/2 页 8 CN 110060916 A 8 图2 说明书附图 2/2 页 9 CN 110060916 A 9 。