基于导电纳米材料的电喷雾离子化机理研究

Development of new type ambient ion source for various analytical needs have attracted great attentions in the mass spectrometry field. We found that nano carbon tubes paper (NCTs paper) and nano metal material (NMM) could be used as excellent electrospray base, and has the capability to directly ionize chemicals dissolved in low polarity solutions. In contrast, conventional electrospray ionization and paper spray ionization could not. However, the detailed mechanism of conductive nanomaterial (CNM) based electrospray has not yet been revealed. We speculate that hydronium ions were formed around CNM and then transferred into the spray droplets to ionize the chemicals inside the droplets. The special character that CNM carries such as good electrical conductivity and enormous specific surface area facilitates the ionization process. This project is planning to reveal the related mechanisms of CNM based electrospray on the constructed ionization study platform to establish theoretical models between physical properties of CNM such as electrical conductivity, nano particle size, and the polarity, hydrophilicity, hydrophobicity of the solution and chemicals between the ionization efficiency and response of the chemicals in ESI. This would lead to the development of a new ESI technique with good solution compatibility. The completion of this project will provide theoretical supports for the development of ion source with efficient, sensitive, good solution compatibility characters, as well as to expand the application area of electrospray ionization mass spectrometric technique in the analysis of chemicals in normal and reverse phase solution systems.

开发适应不同分析需求的新型常压离子源是质谱分析领域的热点课题。我们在研究中发现碳纳米管纸和金属纳米材料可作为优良的电喷雾基底，并能直接离子化溶解于低极性溶剂中的化合物，具有良好的质谱响应，弥补了普通电喷雾和纸喷雾技术不兼容低极性溶剂的问题。然而，该方法的具体机理尚未阐明。我们推测导电纳米材料上的高压电场将环境中的水分子电离成水合氢离子，这些水合氢离子迁移到喷雾液滴中使其中的化合物离子化。这一过程因导电纳米材料本身的物理性质（如良好的导电性、极大的比表面积等）而变得容易发生。本项目拟对此现象进行深入研究，通过实验来研究相关机理，建立导电纳米材料物理性质如导电性、纳米尺寸、溶剂和化合物极性、亲疏水性等性质与离子化效率和质谱响应之间的理论模型，发展一种溶剂兼容性好的电喷雾离子化新技术，并为高效灵敏、溶剂兼容性好的电喷雾离子源的开发提供理论支持，提升电喷雾质谱技术的溶剂兼容性，扩展其应用领域。

开发适应不同分析需求的新型常压离子源是质谱分析领域的热点课题。我们在研究中发现碳纳米管纸和金属纳米材料可作为优良的电喷雾基底，并能直接离子化溶解于低极性溶剂中的化合物，具有良好的质谱响应，弥补了普通电喷雾和纸喷雾技术不兼容低极性溶剂的问题。本项目提出的基于导电纳米材料的离子化过程作为研究对象，对其离子化低极性溶剂中低极性化合物的特性进行基础科学研究。我们研究表面导电纳米材料上的高压电场将环境中的水分子电离成水合氢离子，这些水合氢离子迁移到喷雾液滴中使其中的化合物离子化。这一过程因导电纳米材料本身的物理性质（如良好的导电性、极大的比表面积等）而变得容易发生。本项目拟对此现象进行深入研究，通过实验来研究相关机理，通过优化导电纳米材料物理性质如导电性、纳米尺寸、溶剂和化合物极性、亲疏水性等性质来提升离子化效率和质谱响应并建立所分析化合物的上述性质和质谱信号响应之间的理论模型。在数学模型的构建中，由于整个过程受到多种参数共同影响，其相互关系非常复杂，因此采用人工神经网络拟合技术构建神经网络模型。利用神经网络算法，根据所获得的基底材料的物理表征数据、离子化效率和质谱响应数据、实验参数并结合量子化学计算所获得的溶剂和标准品化合物的物化性质对化合物的物化性质和参数、离子化效率和质谱响应进行了数学模型构建，该模型可用于指导导电纳米材料电喷雾的参数优化。此外，通过实际的验证对导电纳米材料的低级性溶剂兼容性、正向色谱质谱联用分析等进行了研究，此外还合成了基于COF和导电碳纳米材料的新型导电纳米材料，结果表明该材料除可以离子化低级性溶剂体系外，还可以对特定化合物进行微量富集，有望用于低级性微量生物标志物的高灵敏检测领域。