3D列印容槽鑲嵌毛筆尖電噴灑/質譜法的開發與研究

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(1)國立臺灣師範大學化學系碩士論文. 指導教授︰林震煌博士（Cheng-Huang Lin）. 3D 列印容槽鑲嵌毛筆尖電噴灑/質譜法的開發與研究. Development and application of a 3D-printed kit for loading a spray-brush in electrospray ionization/mass spectrometry. 研究生：劉人瑛（Jen-Ying Liu）. 中華民國一百零五年六月.

(2) 摘要本研究基於電噴灑質譜法，首度開發一個新型的採樣/電噴灑裝置。類似於紙片電噴灑質譜法的原理，分析物揮發後經過尼龍毛筆尖而離子化。將尼龍毛筆尖鑲嵌在 3D 列印容槽中，容槽內的甲醇可以持續提供溶劑使毛筆可以像毛細管一樣穩定的進行電噴灑。本實驗也選用不同材質的毛進行比較，探討不同材質對電噴灑效果的影響，而實驗結果顯示尼龍毛具有最好的離子化效率，故最後選用尼龍毛做為本研究裝置的毛筆材質。這是因為尼龍毛的表面較為平滑，樣品可以順著毛快速的噴灑並且離子化。本裝置中的 3D 列印容槽是利用市售的 3D 列印機印製而成，而印製材料選用 ABS 樹脂，為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共聚物。其總重量約為 1 克，總長約為 3.5 公分。本裝置為可拋棄式並且可提供多種功能，包含非侵入性的採樣、簡單的萃取以及離子化樣品。以農藥大滅松 (C5H12NO3PS2)為測試樣品，其最低偵測極限為 0.1 µg/mL。同質譜條件下，相較於傳統濾紙電噴灑可得到更低的偵測極限。模擬真實樣品採樣可測至 1 µg/ml，可快速且準確的偵測樣品以達快篩的目的。. 關鍵字: 毛筆尖電噴灑質譜法、3D 列印技術. I.

(3) Abstract. A novel type of a sampling/ionization kit was successfully developed for use in electrospray ionization/mass spectrometry, for the first time. Based on the similar theory with paper-spray mass spectrometry, the analytes were evaporated and then ionized through the surface of a small nylon writing-brush. A part of the nylon writing-brush was embedded inside a 3D-printed plastic cell, in which methanol was provided for rinsing the brush by means of capillary action. Although various brushes were examined, we finally selected nylon fiber in this study. This is because the surface nylon fiber is smooth, and then the sample molecules can be transferred and sprayed faster. The body of the kit was produced by a commercial 3D-printer, in which ABS (acrylonitrile butadiene styrene) was used for the making material. The size and weight of the kit were 1 gram and 4 cm, respectively. This disposable kit provides various functions, including non-invasive sampling, simple-extraction and ionization. On the other hand, various types of pesticides were selected as the test samples. To a dimethoate (C5H12NO3PS2), the limit of detection was found to 0.1 µg/mL. By using the same mass spectrometer, the results were better than that of a traditional paper-spray mass spectrometry, using a triangular chromatography paper. Keyword: Writing brush-spray/MS、3D printer technology II.

(4) 目錄. 摘要............................................................................................................. I Abstract ..................................................................................................... II 目錄...........................................................................................................III 圖目錄...................................................................................................... VI 表目錄...................................................................................................... IX. 第一章緒論...............................................................................................1 1-1.. 研究目的 .......................................................................................1. 1-2.. 研究背景 .......................................................................................2. 1-3.. 分析物介紹 ...................................................................................5. 1-4.. 高分子聚合物介紹 .......................................................................7. 第二章分析方法與原理 ..........................................................................8 2-1.. 液相層析電噴灑串聯式質譜儀(LC/ESI-MS) ............................8. 2-1-1.. 電噴灑游離質譜法發展演進史 ............................................9 III.

(5) 2-1-2.. 電噴灑離子化原理及離子形成機制..................................15. 2-1-3.. 離子阱質量分析器簡介 ......................................................20. 2-2.. 3D 印表機列印技術原理 ...........................................................22. 第三章儀器、藥品與實驗方法 ............................................................29 3-1.. 拋棄式毛筆尖電噴灑裝置製作.................................................29. 3-2.. 3D 繪圖設計 ...............................................................................31. 3-3.. 毛筆尖電噴灑游離質譜法(brush-spray/ESI-MS).....................34. 3-4.. 儀器及周邊設備列表 .................................................................37. 3-5.. 藥品列表 .....................................................................................39. 3-6.. 菜葉真實樣品前處理以及採樣方法.........................................40. 3-7.. 3D 容槽鑲嵌纖維液-液微萃取法 .............................................42. 第四章結果與討論 ................................................................................45 4-1.. 毛筆尖電噴灑條件最佳化.........................................................45. 4-2.. 毛筆尖電噴灑對於農藥的偵測極限.........................................53. 4-3.. 模擬真實樣品採樣 .....................................................................55. 4-4.. 3D 容槽鑲嵌纖維在液-液微萃取的應用 .................................57. IV.

(6) 第五章結論.............................................................................................59 參考文獻...................................................................................................61 研究發表...................................................................................................67. V.

(7) 圖目錄第一章緒論. 第二章分析方法圖 2-1 電噴灑游離現象示意圖 ......................................................15 圖 2-2 離子揮發理論示意圖 ..........................................................18 圖 2-3 離子阱質量分析器示意圖 ...................................................21 圖 2-4 立體光刻成型技術 (SLA)示意圖 .......................................23 圖 2-5 熔融沉積成型技術 (FDM)示意圖.....................................25 圖 2-6 選擇性雷射燒結 (SLS)與選擇性雷射溶化 (SLM)示意圖 ...................................................................................................26 圖 2-7 數位光處理 (DLP)示意圖 ..................................................28. 第三章儀器、藥品與實驗方法圖 3-1 拋棄式毛筆尖電噴灑裝置製作流程圖 ...............................30 圖 3-2 拋棄式毛筆尖電噴灑裝置設計圖 ......................................32 VI.

(8) 圖 3-3 3D 列印機實際拍攝圖 .........................................................33 圖 3-4 毛筆尖電噴灑裝置圖 ..........................................................35 圖 3-5 毛筆尖電噴灑裝置示意圖 ..................................................35 圖 3-6 蔬菜真實樣品前處理示意圖 ..............................................40 圖 3-7 模擬採樣真實樣品示意圖 ..................................................41 圖 3-8 3D 容槽鑲嵌纖維裝置圖 .....................................................43 圖 3-9 3D 容槽鑲嵌纖維液-液微萃取裝置圖................................43 圖 3-10 (a)纖維前端斜口狀 (b) 3D 容槽鑲嵌纖維電噴灑裝置實際拍攝圖 ..............................................................................44. 第四章結果與討論圖 4-1 不同種類毛筆尖實際拍攝圖 ..............................................45 圖 4-2 馬毛掃描式電子顯微鏡拍攝圖 ...........................................46 圖 4-3 (a)貓毛 (b)人類頭髮掃描式電子顯微鏡拍攝圖..............47 圖 4-4 (a)狼毫毛 (b)尼龍毛掃描式電子顯微鏡拍攝圖..............48 圖 4-5 三種毛筆尖之大滅松電噴灑質譜圖 ...................................50. VII.

(9) 圖 4-6 噴灑電壓為 (a) 3.5 kV (b) 4.0 kV (c) 4.5 kV (d) 5.0 kV 之毛筆尖電噴灑情形拍攝圖 ......................................................52 圖 4-7 尼龍毛筆尖偵測不同濃度大滅松之質譜圖 ......................54 圖 4-8 採樣菜葉真實樣品分別添加不同濃度大滅松之質譜圖 ..56 圖 4-9 不同方式檢測 K 他命之質譜圖 .........................................58. VIII.

(10) 表目錄. 第二章分析方法與原理表 2-1 電噴灑質譜法的發展歷程 ................................................... 11. IX.

(11) 第一章緒論 1-1.. 研究目的. 農藥是對於農作物草害病蟲最直接、有效的防治方法，在適當的使用下，能夠有效控制農作物的病蟲害，穩定農作物的品質以及產量，以提高農產品的價值以及成本效益。但在農藥過度使用下，殘留在農作物上的農藥危害到人體健康甚至危害整個食物鏈，而留在土壤流入地下水、河川或海洋不但汙染了環境也危害到野生的動植物。近年環保意識抬頭，綠色化學成為重要課題，而在食品檢驗上農藥殘留量也成為重要的檢驗項目，但其項目種類多且複雜，數量也極多，在檢驗上花費許多時間及資源。故快速篩檢的方法也開始蓬勃發展。本研究基於紙片電噴灑的原理所開發出的毛筆尖電噴灑游離質譜法 (brush-spray/ESI-MS)，期望本方法可以減去傳統質譜儀分析複雜樣品的前處理，省去大量勞力、時間以及有機溶劑。透過拋棄式毛筆尖電噴灑裝置進行簡易採樣，完成低成本、直接、快速、簡單的定性質譜分析。本實驗利用改良後的毛筆尖端做為電噴灑質譜儀的游離原，並且探討不同類型的毛對於電噴灑效果的影響，結合近年來被大量使用的 3D 列印技術[1]，並且在蔬菜菜葉上添加農藥樣品進行實驗，期望可達到快速篩檢定性分析的目的。 1.

(12) 1-2.. 研究背景. 首台質譜儀的出現是 1907 年由 J. J. Thomson 以放電的方式產生離子而發展出來。經過後來各種改良，質譜分析從只能分析有機小分子，到現今已經可以用來分析各式生物大分子。離子化方法由電子游離法 (electron ionization, EI) [2]，以燈絲產生出電子，並對這些電子施加電壓，使電子加速並撞擊至氣態樣品，樣品吸收了能量之後進而產生分析物離子。但由於電子撞擊較為激烈，容易使部份分析物完全碎裂而看不到分子離子的訊號。為改善此問題 M. S. Munson 等人於 1966 年提出了化學游離法 (chemical ionization, CI) [3]，利用加熱產生的電子先與另外的反應氣體碰撞，使得這些氣體變成氣態離子，之後這些氣態離子才與分析物進行電荷轉移使氣態分析物帶電，因為是透過帶電氣態離子的電荷轉移而帶電，能量不會太高屬於軟性離子化。但以上方法都受限於 500 Da 以下的小分子，不適用於大部份的生物大分子都是不穩定的化合物，而隨著生命科學的發展，這些生物大分子的分析也更為重要。為了生物大分子的分析而發展出脫附游離法 (desorption ionization)，此游離法藉由高能量的電子束或是雷射來產生高能量場，在電場的作用下分析物脫附出來後成為氣相分子進而被游離，此方法不需加熱可用來分析不具揮發性、熱不穩定的分析物。而後更發展出電噴灑游離法 2.

(13) (electrospray ionization, ESI)及基質輔助雷射脫附游離法 (matrixassisted desorption ionization, MALDI) [4]等游離法，成功分析各種生物大分子。而 R.G. Cooks 等人於 2004 年發展出脫附電噴灑游離法 (desorption electrospary ionization)，為一大氣壓力質譜法可在大氣壓力下測量，此方法可對固體表面上微量的分析物直接進行離子化，進入質譜儀進行偵測 [5-9]。其利用帶電荷的液滴，藉著高速輔助氣流撞擊分析物表面，而使分析物表面的生化大分子或有機小分子游離並脫附，進入質譜儀做分析。此方法的開發使直接離子化質譜分析技術蓬勃發展，引發研究熱潮。而在常壓質譜分析技術的新時代下[10-20]，R.G. Cooks 等人首次提出了紙片電噴灑游離法，結合質譜儀後可成功的檢測多種生物樣品，如唾液、血液及尿液等體液。此方法只需要提供高電壓以及極微量的樣品，配合鞘流溶劑就可以快速得到分析目標物的質譜訊號，類似於電噴灑游離法 [21-38]。但在電噴灑的過程中有許多因素會影響偵測結果，例如電壓大小、溶劑流速、紙片材質、紙片尖端角度、以及尖端與質譜口的距離等因素。而本實驗室也基於紙片電噴灑游離法進行研究與改良，並於 2012 年發表相關研究，將毛細管電噴灑法所使用的毛細管，改良成 3.

(14) 一紙片承載台，並於上端放置尖端為 15 度角的三角形濾紙，藉由施加高電壓及提供鞘流溶劑使紙片上所承載的樣品攜帶電荷並以電噴灑的形式離子化，進入質譜儀。但由於濾紙內的纖維是不具順向性的，故於 2013 年開發類似紙片電噴灑的竹筆尖電噴灑質譜法(nibspray/ESI-MS)，將三角型濾紙換成具有順向性的竹筆尖，利用其本身的順向性以及毛細現象，使樣品滴在竹筆尖上時可較濾紙更加快速的離子化並噴灑至質譜儀，不但可減少偵測時間也有助於提高離子化效率，而提高偵測靈敏度以及分析物的訊號強度 [39-42]。本研究基於紙片電噴灑以及竹筆尖電噴灑原理，開發出毛筆尖電噴灑質譜法 (brush-spray/ESI-MS)，同樣將濾紙改成具有順向性的毛筆尖，並結合 3D 列印技術將毛筆尖改良成方便使用的採樣筆，並且內含易揮發有機溶劑可進行採樣，同時也是進行電噴灑時的輔助溶劑。利用毛與毛之間的毛細現象，將位於採樣筆內的溶劑從毛筆尖的鈍端輸送至尖端處，可穩定的使毛筆尖端持續濕潤，藉由施加高電壓即可進行電噴灑並於質譜儀中進行分析。期望能透過此概念達到現場直接採樣後結合質譜儀進行快速分析的目的。而柔軟的毛筆尖在採樣上則可不受限於樣品的形態 (固、液體)，皆能快速有效的進行質譜分析。此方法可持續長時間提供輔助溶劑供質譜測量，可捨去不易攜帶的注射幫浦，更有助於攜帶至現場進行採樣。 4.

(15) 1-3.. 分析物介紹. 根據行政院農委會表示，農藥是指用於農林作物或其產物之除病蟲鼠害、雜草者，或用於調節農林作物生長或影響其生理作用者。國內農藥分類目前已核准登記者有殺菌劑 190 種、殺蟲劑 167 種、除草劑 97 種、殺蟎劑 26 種、殺鼠劑 5 種、殺線蟲劑 7 種、植物生長調節劑 26 種、除螺劑 2 種、除藻劑 1 種，另有殺蟲殺線蟲混合劑 1 種，殺蟲殺菌混合劑 1 種，共計核准登記 517 種農藥產品，而其農藥有效成分計 366 種。大部分農藥由於其作用為殺蟲、殺菌或除草等特性，多少對人體、動物或環境會造成某種程度的風險或危害。但農藥可防治有害病、蟲或雜草，使用農藥可提高農作之生產。行政院農委會為確保農藥使用對消費者、農民、勞工及環境之安全性，依據農藥管理法規，負責國內農藥之登記、輸出入、販售等管理。. 5.

(16) 大滅松 (dimethoate) 純質大滅松外觀為無色結晶體，96 %工業級則為白色或是灰色結晶體，其熔點為 49 °C，易溶於常用有機溶劑中，如酒精、苯、甲苯、氯仿、二氯甲烷、酮類等，在 20 °C 下溶解度均大於 300 g/kg。通常製作成粒劑 (granules, GR)或是乳劑 (emulsifiable concentrates, EC)。為一種常見的有機磷農藥，化學名稱為 O,O-dimethyl Smethylcarbamoylmethyl phosphorodithioate。常用於柑橘類、荔枝、十字花科蔬菜、龍眼以及菸草，於國家農藥使用資訊系統歸類為中等毒性。若因農藥殘留而累積在人體可能會造成有機磷農藥中毒，輕微症狀為內分泌增加、輕微抽蓄，重度症狀為意識不清、嚴重抽蓄等。. 6.

(17) 1-4.. 高分子聚合物介紹. 本研究所使用的市售纖維為聚丙烯中空纖維，聚丙烯 (polypropylene, PP)為一種熱塑性樹脂，耐酸鹼以及多種有機溶劑，可藉由添加劑或不同配方改變其性質，其特性為耐高溫、耐衝擊、重量輕 (比重極低)、折撓壽命長等。容易加工以及成本低廉使其製造而成的產品多樣化且具競爭力，可滿足不同市場需求，包含汽車業、建築業、民生用品、醫療用品等。. 7.

(18) 第二章分析方法與原理 2-1.. 液相層析電噴灑串聯式質譜儀 (LC/ESI-MS). 液相層析 (liquid chromatography)系統主要是利用移動相 (mobile phase)推動分析樣品進入層析管柱後，樣品中不同的分子與固定相 (stationary phase)產生不同大小的極性作用，以達到分離的效果。而液相層析電噴灑串聯式質譜儀 (LC/ESI-MS)則是結合液相層析儀和質譜儀所組成的分析器，可同時達到分離以及分析的目的，由質譜儀取代過去的 UV/Vis 及螢光等偵測器，以提升偵測靈敏度。液相層析電噴灑串聯式質譜儀可針對極性、熱不穩定、非揮發性及大分子的分析物進行分析，具有良好的選擇性。首次將液相層析法與質譜儀結合是由 Tal’roze 等人，於 1968 年以直接液體導入 (direct liquid introduction, DLI)的方式，結合電子游離法、化學游離法等常用質譜游離方法 [43-46]。其利用小口徑液相層析管柱 (2-5 µm)或分流裝置減少進樣體積。目前串聯式液相層析質譜儀上最常採用的游離方法則是由 J.B.Fenn 等幾位科學家於 1984 年提出的電噴灑法 (electrospray ionization, ESI)，不須加高溫破壞分析物的結構，操作也十分簡單，可以產生帶多價電荷的離子，故擴大了分析物的質量動態範圍 [47]。 8.

(19) 2-1-1. 電噴灑游離質譜法發展演進史電噴灑游離技術是利用施加高電壓在毛細管噴灑處產生電場，使得噴出毛細管的溶液形成帶電的氣溶膠 (aerosol)的過程。此技術首次出現在 Zeleny 等物理學家於 1917 年提出的研究，他們將乙醇通入微米尺寸的毛細管並通入高電壓，發現在毛細管末端會出現微小液滴噴灑的現象 [48]。電噴灑早期主要應用在工業上，像是金屬表面的高壓電噴漆技術、燃油霧化點火系統等。直到此方法首次與質譜儀結合後，大分子的分析物可帶多價電荷，使生物大分子的分析更上一層樓。美國科學家 Malcolm Dole 等人於 1968 年首次將電噴灑應用在化學領域，成功測量到玉米膠質 (Zein, 50000 Dalton)與溶菌脢 (Lysozyme, 14500 Dalton)，當時推測游離後的大分子可能帶有多價電荷，但因當時所使用的偵測器為法拉第杯來偵測電流訊號，並不能證實以上推論 [49-50]。直到耶魯大學科學家 M. Yamashita 與 J. B. Fenn 等人於 1984 年將電噴灑游離法和液相層析四極柱質譜儀結合，成功證明分析物經電噴灑游離後會形成帶多價電的離子 [5152]。而在 1988 年，J. B. Fenn 等人發表的研究表示，藉著 ESI/MS 檢測方法成功檢測出帶 23 個正電荷的高分子聚合物 PEG (poly ethylene glycol, 17.5 kDalton)，以及帶有 45 個正電荷的蛋白質，使 9.

(20) 電噴灑在生化相關領域有所突破，各國許多科學家也逕向投入研究 [53]。R. D. Smith 等人於 1992 年發現將電噴灑所使用的毛細管內徑縮小，可得到較穩定的離子訊號譜峰，有效提高靈敏度。而 2004 年時 R. G. Cooks 等人提出脫附電噴灑游離法 (desorption electrospray ionization, DESI)，將溶劑液滴先進行電噴灑離子化，而後再打到樣品表面，分析物經由離子化的溶劑碰撞進而產生分析物離子，而後在電噴灑游離法上也有各式各樣的改良與延伸 [54-56]。. 10.

(21) 表 2-1 電噴灑質譜法的發展歷程 1917 年. J. Zeleny 等人首度提出電噴灑的現象並應用再工業技術上。. 成功運用電噴灑質譜游離法將大分子樣品 (玉米膠質 1968 年. M. Dole 等人. 和溶菌脢)游離，因使用法拉第杯做為偵測器，無法證實樣品攜帶多價電荷離子的假設。首度結合電噴灑游離法和四極柱質譜儀，並成功證實. J. B. Fenn 等人大分子物質經過電噴灑游離後會以多價電的離子形式存在。. 1984 年 M. L. Aleksandrov. 將高效能液相層析儀改良並結合串聯電噴灑游離質譜儀裝置使用，可將分析物同時進行線上分離及離子鑑. 等人定 [57]。 J. D. Henion 1987 年. 等人. 將電噴灑游離裝置改良而發展出離子噴灑 (ion spray, IS) [58]。. R. D. Smith 等人. 1988. J. B. Fenn. 年. 等人. 以電噴灑游離法與毛細管電泳和質譜儀結合 [59]。利用電噴灑游離質譜法偵測到高分子聚合物 PEG，得到最高為帶 23 價正電荷的離子訊號。. 11.

(22) 同年利用相同裝置在蛋白質樣品測到帶 45 價正電荷的離子訊號。使電噴灑游離質譜法在生化應用上嶄露頭角。使用 Y 形管發展出可同時進行多種溶液電噴灑的雙 R. D. Smith 等人. 管電噴灑裝置，研究具有不同電性離子間或是離子與分子間的氣相化學反應。發現將電噴灑所使用的毛細管內徑縮小拉尖，其直徑. 1992. R. D. Smith. 年. 等人. 約為 1 μm~3μm，可以得到較穩定的離子訊號譜峰，也能有效提高靈敏度 [60]。使用理論計算方式同樣得到 R. D. Smith 的實驗結果，因此以內徑小於 1 μm 的毛細管進行電噴灑時稱. 1994 年. M. Mann 等人為 nanospray。由結果發現其靈敏度較傳統電噴灑游離法高，且流速低所需樣品用量少，因此廣泛應用在微量的生化分析上 [61-62]。將多維液相層析儀與電噴灑游離質譜儀作連接而發展出 MDLC/ESI/MS (multidimensional protein. 1999 年. Yates 等人 identification technology, MudPIT)，用此方式直接對蛋白質與胜肽混合物進行線上分離及偵測 [63]。. 12.

(23) 發明二次電噴灑游離質譜法 (secondary electrospray 2000. Herbert H.. 年. Hill, Jr.等人. ionization, SESI)是作為非放射性離子化游離轉移質譜技術，透過氣體的中性或帶電粒子交互作用進行電噴灑過程。將電噴灑游離裝置改為六管式噴灑，以超音波霧化器將分析樣品霧化，再以輔助氣流將霧化後的液滴導入. 2002 年. Shiea 等人. 六管式電噴灑區域進行融合以及游離，此為融合液滴電噴灑游離法 (fused-droplet electrospray ionization, FD-ESI)。是為了分析蛋白質及胜肽所開發的技術。發明脫附電噴灑游離法 (desorption electrospray ionization, DESI)，其原理是將帶電荷的溶劑液滴先. 2004. R. G. Cooks. 年. 等人. 進行電噴灑離子化，而後再打到樣品表面上。樣品表面的分析物被溶劑液滴溶解後，脫附至樣品表面經由碰撞產生分析物離子。. R. G. Cooks 等人 2006 年. 國立中山大學. 建立萃取式電噴灑游離法 (extractive electrospray ionization, EESI)。開發電噴灑輔助雷射脫附游離法 (electrosprayassisted laser desorption ionization mass spectrometry,. 謝建台教授. ELDI-MS)，先以雷射將分析物分子脫附，再將這些 13.

(24) 氣相分子導入一以溶劑進行電噴灑的區域內，使分析物和電噴灑區域內的帶電荷溶劑反應進而游離[64]。提出了紙片電噴灑游離法 (paper spray ionization)， 2010. R. G. Cooks. 年. 等人. 不需額外使用輔助氣流，將全血直接滴加在通有高壓電的三角形濾紙紙片上，進行電噴灑游離分析。直接將完整的葉片取代三角形濾紙，針對葉片 (菠菜、蔓越莓果葉)含有天然汁液中的醣苷類、胺基. 2011. Z. Ouyang. 年. 等人. 酸、生物鹼成分化合物進行檢驗。同年簡化 ESI，直接插針於人體器官腎中，再將此 Biopsy needle 進行電噴灑游離分析該該組織內腫瘤因子。發表可快速切換紙片電噴灑游離 (paper-spray-MS)和. 國立台灣師範毛細管電泳分離質譜 (capillary electrophoresis-mass 2012 年. 大學. spectrometry, CE-ESI-MS)技術，需要快速分析時使用. 林震煌教授. 紙片電噴灑，若需要分離則可快速切換成毛細管電泳分離質譜 [65]。. 2014. E. Verpoorte. 年. 等人. 將 3D 列印技術結合紙片電噴灑，透過設計過的兩芯紙片藉由毛細作用達到快速潤濕及穩定噴灑的效果。. 14.

(25) 2-1-2. 電噴灑離子化原理及離子形成機制 Kebarle 等人於 1991 年提出了電噴灑游離法的詳細機制 [66]，其主要包含三個部份: (1)霧化 (nebulization) (2)去溶劑 (desovation) (3)游離化 (ionization) 以下將針對此三部分介紹：. 圖 2-1 電噴灑游離現象示意圖. 15.

(26) (1) 霧化 (nebulization): 形成帶電液滴的過程溶解在溶劑中的分析物通過一施加高電壓的毛細管如圖 2-1 所示，毛細管出口與質譜入口中間所產生的電場影響下，毛細管內的單位電荷產生靜電力，溶液中受到電場影響的正負電荷離子會形成電荷分離的現象。以施加正電壓為例，溶液中的負電荷離子受正電場吸引而聚集在毛細管壁上，而正電荷離子因為受到正電場排斥的關係，會往電位低的毛細管出口處移動進而累積在出口端。正電荷大量聚集在毛細管出口端，當累積的庫倫斥力大於液體的表面張力時，出口端溶液突破雷利極限 (Rayleigh limit) [67]，形成泰勒錐 (Taylor cone)並產生噴灑生成微小的帶電液滴，如圖 2-1 毛細管出口尖端所示，而向外噴灑出帶電微小液滴會形成電子雲 (plume) [6869]。. (2) 去溶劑 (desovation): 帶電液滴溶劑揮發以及爆裂的過程在霧化過程中從毛細管出口端噴灑出來的帶電液滴持續受到電場影響，帶正電荷的液滴受到質譜入口的低電位吸引而往質譜口移動。但在飛行的過程當中，帶電液滴因為接觸大量空氣使溶劑快速揮發，而溶劑的持續揮發也使得液滴體積不斷縮小，但由於液滴內的電荷數目並不會因此而流失，在體積持續縮小的情況下液滴內的 16.

(27) 電荷密度不斷增加，當電荷密度增加到一定程度時，表面張力無法承受內部電荷的庫倫斥力，此時液滴為了平衡內部作用力而產生庫倫爆炸 (Columbic explosion)產生分裂進而成為更小的液滴。相同的過程會在毛細管出口端與質譜入口端之間不斷重複，而從霧化過程中產生的帶電液滴經過多次分裂後，最中便能去除溶劑形成分析物離子。通常為了提高去溶劑的效率，會在分析物溶液中添加高揮發性的有機溶劑，進而達到更好的效果。. (3) 游離化 (ionization): 形成氣相多價電荷離子的過程目前游離化形成氣相離子過程的機制，有兩個主要理論較為被科學家接受: (a) M. Dole 等人於 1968 年提出的電荷殘留理論 (charge residue model, CRM) (b) B. A. Thomson 等人於 1976 年提出的離子揮發理論 (ion evaporation model, IEM) [70]。. (a) 電荷殘留理論 (charge residue model, CRM) Dole 等人認為當帶電液滴飛往質譜口的過程中，液滴中的溶劑會不斷揮發使液滴產生分裂，液滴在不斷分裂後溶劑會完全揮發殆盡而無法再次分裂，此時液滴上原有的電荷會殘留在分析物上，進而形成帶電荷的氣相離子，如圖 2-2 下半部所示。此理論常用於多價電荷以及大分子的解釋。 17.

(28) (b) 離子揮發理論 (ion evaporation model, IEM) J. V. Iribame 和 B. A. Thormson 等人則是以過渡狀態理論 (transitation state theory) 作為基礎，認為氣相離子是帶電液滴在飛行至質譜口的過程中，經過不斷的溶劑揮發以及庫倫爆炸後，液滴直徑縮小至 10-20 nm 後造成內部電荷不穩定，而為了平衡內部電荷斥力，液滴內的分析物會伴隨著電荷突破液滴表面進而形成帶電的氣態離子。其表示液滴體積縮小到一定程度時，溶劑尚未完全揮發，但由於表面電荷密度太高，電荷斥力足夠大到脫附出氣相離子，如圖 2-2 上半部所示，此理論通常用於小分的解釋。. Ion evaporation model (IEM). Charge residue model (CRM) 圖 2-2 離子揮發理論示意圖 18.

(29) Fenn 將 B. A. Thomson 等人離子揮發理論加以改良後於 1993 年發表，解釋大分子帶多電荷的機制 [71]。認為液滴一開始就帶有多電荷且同時包含異性電荷。由於液滴中的大分子在裡面行布朗運動而移動到液滴表面，甚至取代數個表面電荷，之後大分子藉由熱能驅使部份帶電區域突破液滴表面，進而使分子脫附液滴形成帶多價電荷的氣相離子。. 19.

(30) 2-1-3. 離子阱質量分析器簡介本研究所使用的 LCQ 系列質譜儀內部的質量分析器為離子阱 (ion trap)分析器，圖 2-3 則為離子阱質量分析器的示意圖。為一環狀電極 (ring electrode)以及兩個端帽電極 (end cap electrode)所組成的，三個電極中間會形成一個捕捉室 (trap)，離子在離子阱中，藉由施加在環電極以及端帽電極不同的交流電壓，使離子被捕捉、釋放不同質荷比的離子以及斷裂等。電極上的交流電壓隨時間變化可以促使離子往軸向 (端帽電極)或縱向 (環狀電極)移動，離子在離子阱中是穩定的。當需要掃描離子時可以改變電壓使特定質荷比的離子變得不穩定，進而離開離子阱。而本研究所使用的 LCQ 系列質譜儀內部的質量偵測器則為電子倍增器 (electron multiplier, EMT)。將從質量分析器出來的離子撞擊到一銅/鈹合金的表面 (dynode)，使離子轉換成電子，再提高電極間的電位差，使電子束每撞擊一次，數量就成等倍數增加，經過多次反射而放大訊號，每次反射增加兩倍，所以放大的倍數是 2n。. 20.

(31) 圖 2-3 離子阱質量分析器示意圖. 21.

(32) 2-2.. 3D 印表機列印技術原理. 近年來 3D 列印技術吸引了大眾的目光，甚至被視為第三次工業革命。3D 列印 (3D printing)，是快速成型技術的一種，亦被稱作增量製造、積層製造（additive manufacturing, AM），指列印三維物體的過程。3D 列印成型技術流程包含產品設計 3D 建模、模形切片、 G-code 以及列印四個步驟。使用電腦輔助軟體進行設計並完成 3D 建模，再將立體圖檔經軟體切片，之後將切片圖檔轉換成 G-code，也就是數值控制 (Numerical control, NC)，最後經由控制 3D 列印機列印成型。在 1980 年代中，日本以及美國的學者紛紛開發出快速成型的機器，其中最著名的是美國 Charles W. Hull，被稱為 3D 列印之父，在 1983 年提出了立體光刻成型技術 (Stereolithography apparatus, SLA)的立體平板印刷技術，而目前快速成型經常使用的.stl 檔也是當時所建構出來。目前 3D 列印技術的成型技術有許多不同形式的方法，各有不同的成型機制和適用的材料，下列將簡單介紹幾種較常見的方法： (1) 立體光刻成型技術 (Stereolithography, SLA) 此技術是最早開法出來的快速成型技術，利用特定波長與強度的光聚焦到光固化材料的表面，使材料在預設的位置上固化並且層層堆疊後而成形。所使用的材料為具有光聚合性的高分子溶液，亦 22.

(33) 稱為光敏樹脂，在溶液槽中的光敏樹脂，經特定波長與強度的光聚焦照射在特定位置後，高分子會聚合成型，如此不斷重複一層一層印製推疊後形成立體構型，如圖 2-4 所示。此技術的優點是可達較高之精密度，且成品具有較高的機械強度，但可能會有光敏樹脂的殘留為其缺點。. 圖 2-4 立體光刻成型技術 (SLA)示意圖. 23.

(34) (2) 熔融沉積成型技術 (Fused Deposition Modeling, FDM) FDM 又稱為 Fused Filament Fabrication (FFM)，將熱塑性的原料加熱使之成為熔融狀態於噴頭處擠出，經由控制噴頭位置進行冷卻堆疊成型，如圖 2-5 所示，其使用材料為具熱塑性的高分子材料或金屬，如聚乳酸 (polylactic acid, PLA)、聚己內酯 (polycaprolactone, PCL)等高分子材料常用於醫療器材的印製。若是材料為線材則可稱為熔絲製造（Fused Filament Fabrication, FFF），目前也有多個噴頭的設計，可以直接印製出彩色的成品。此技術優點為不使用激光、印製快速、維護簡單、後處理簡單、成本低廉，為目前市面上最普遍且售價最低的 3D 列印成型技術，但此成型技術所印製出來的成品精密度較低，結構強度也低於立體光刻成型技術為其缺點。. 24.

(35) 圖 2-5 熔融沉積成型技術 (FDM)示意圖. 25.

(36) (3) 選擇性雷射燒結 (Selective Laser Sintering, SLS) 由 Carl Deckar 與 Joe Beaman 所研發出來，此技術類似於 SLA，但將高分子溶液置換成固態粉末材料。先將粉末材料由滾筒輔助平鋪在樣品槽中，加熱樣品槽至接近材料熔點的溫度，之後再以電腦控制雷射照射至預設位置，被雷射照射到的粉末會熔燒結聚積成塊，經層層堆疊後印製成型，如圖 2-6 所示。此技術的優點為適用多種材料，如有機高分子、無機物、鈦金屬等，且成品機密度高、機械強度較高，但機台價格較為昂貴為其缺點。. 圖 2-6 選擇性雷射燒結 (SLS)與選擇性雷射溶化 (SLM)示意圖. 26.

(37) (4) 選擇性雷射溶化 (Selective Laser Melting, SLM) 其製程類似於 SLM 如圖 2-6 所示，SLM 是經由燒結而成型，而 SLM 則是僅利用熔融的材料冷卻後固化而成型，成型後的晶粒結構、孔隙率等都會跟原來的粉末有所不同。通常使用鋼、鈦等金屬粉末或是熱塑性高分子如尼龍、陶瓷粉末等作為材料。其優點為材料多元、機械強度高等，但使用溫度較高為其缺點。. (5) 噴墨列印技術 (Inkjet printing techniques) 以色列的 Objet 公司則是改良立體光刻成型技術，將光聚合高分子溶液以噴墨方式噴出後再照射紫外光聚合，此技術被稱為 PolyjetTM。麻省理工學院開發出不同於上述的技術，先將材料粉末噴塗在特定位置，再以膠合劑噴在同樣位置使材料成型，稱為 3DPTM 技術。雷射近淨成型技術 (Laser Engineered Net Shaping, LENS)則是將金屬粉末改以噴墨方式射出再以雷射燒結在特定位置，與 PolyjetTM 相同都捨棄了開放式樣品槽的設計。. (6) 立體生物列印 (3D Bioprinting) 美國的 Organovo 公司是第一家開發出生物列印機台的廠商，可將人類活體細胞和水膠狀基質噴塗成立體的組織型態目前已可噴塗兩種以上的不同細胞。生物列印成功與否的關鍵，主要在於列印 27.

(38) 後細胞的存活率，以及細胞的表現和細胞間的交互作用是否能如預期一樣，目前離真正的人體器官仍有一些距離。. (7) 數位光處理 (Digital Light Processing, DLP) 又稱作 Film Transfer Imaging (FTI)，利用投影技術，將切片後一片片的圖案投影在光敏樹脂上，使之按照投影的樣貌固化，層層堆疊後成型，如圖 2-7 所示。其優點為機密度高、後處理簡單，但由於耗材較為昂貴且硬度不高為其缺點 [72]。. 圖 2-7 數位光處理 (DLP)示意圖. 本研究所使用的 3D 印表機即是使用熔融沉積成型技術，所使用的材料為 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)。 28.

(39) 第三章儀器、藥品與實驗方法 3-1.. 拋棄式毛筆尖電噴灑裝置製作. 本研究所開發出的裝置的製作方式非常的簡單: 首先將尼龍毛組成一小束，再用塑膠套環套緊，固定毛束使之不會脫落 (圖 3-1-a)。之後將毛筆剪成適當長度，並修剪尖端使其更為尖銳。利用 3D 列印機印出四個組件分別為毛筆筆蓋、毛筆固定蓋、毛筆容槽以及溶劑槽 (圖 3-1-b)，毛筆筆蓋是為了攜帶外出時可保護毛筆尖，毛筆固定蓋可以避免毛筆尖從裝置中掉落出來，毛筆容槽則為容納毛筆的裝置，溶劑槽可攜帶外出時容納有機溶劑。最後將所有組件以及毛筆尖全部組合起來即完成 (圖 3-1-c)，完成後全長大約 3.5 公分 (圖 3-1-d)。製作完成的毛筆尖在使用前必須先後經過去離子水以及甲醇分別震盪清洗 30 分鐘，以避免汙染物殘留進而干擾之後的質譜分析。. 29.

(40) (a). (b) 毛筆筆蓋. 毛筆固定蓋. 毛筆容槽. 溶劑槽. (c). (d). 圖 3-1 拋棄式毛筆尖電噴灑裝置製作流程圖 30.

(41) 3-2.. 3D 繪圖設計. 本研究設計的 3D 容槽是由 FreeCAD 以及 123 Design 的 3D 繪圖軟體所繪製而成。主要是由不同大小的圓柱去組合及增減，圖 3-2 為拋棄式毛筆尖電噴灑裝置設計圖，其設計的概念是來自於平常所使用的原子筆筆管改良而成。 3D 列印機的型號為 3DP-14-4D，使用熔融沉積成型技術，選用的熱塑性材料為外觀是白色的 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)，列印機所使用的軟體為 UP ! V2.0 之操作介面，其設定參數如下: Z 軸解析度為 0.15 mm，密封表面角度小於 45 度，密封表面層為 3 層，而 X 軸以及 Y 軸的移動距離最低為 0.10 mm。開始列印後會先將平台加熱至 50 度，列印噴嘴加熱至 260 度。加熱至 260 度後噴嘴內部的 ABS 材料會形成熔融狀態並且被擠出，再借由機器相對 X、Y、Z 軸的移動，將熔融狀態的材料一層層的疊在對應的位置上冷卻成型。立體懸空的部分可以依照其懸空的面積來做設定上的調整支撐的部分，可以額外印製出支撐懸空部份的支架，以避免懸空部份的變型，圖 3-3 為 3D 列印機實際拍攝圖。. 31.

(42) 毛筆筆蓋. 毛筆固定蓋. 毛筆容槽. 溶劑槽. 圖 3-2 拋棄式毛筆尖電噴灑裝置設計圖 32.

(43) 絲管. 噴嘴. 線材. 列印平台. 基座. 信號燈. 初始化按鈕圖 3-3 3D 列印機實際拍攝圖. 33.

(44) 3-3.. 毛筆尖電噴灑游離質譜法 (brush-spray/ESI-MS). 本研究所使用的毛筆尖電噴灑游離質譜法，是基於近年來蓬勃發展的紙片電噴灑[73]而開發出的一種游離方法。其原理是利用通有高電壓的針尖結合充滿甲醇的毛筆尖，使毛筆尖內所含的甲醇溶劑帶電、揮發進而達到離子化的效果。甲醇可作為鞘流溶劑以輔助噴灑，達到持續且穩定電噴灑的目的，若是利用注射幫浦以及注射針持續的額外提供甲醇則可增加離子訊號持續時間。將樣品利用微量吸量管滴加在毛筆尖端處，即可使分析物快速噴灑並且離子化，進入質譜儀分析。本實驗將開發的毛筆尖電噴灑技術結合 3D 列印機，將毛筆尖鑲嵌在 3D 列印而成的毛筆容槽中，並結合質譜儀進行分析。本研究是利用毛束之間的毛細現象，由毛筆尖的鈍端將揮發性的溶劑從 3D 列印容槽中輸送至毛筆尖端，藉由施加高電壓而使從毛筆尖的液體因表面張力與電荷斥力的平衡而形成泰勒錐（Taylor cone），進而製造出帶電液珠。這些帶電液珠在電場下移動時，會慢慢的揮發掉溶劑，而導致電荷密度上升，當電荷密度太大以致於表面張力無法承受電荷斥力時，這些液珠便會產生庫倫爆炸最後離子化，進入質譜儀進行分析。此裝置不僅可進行穩定的電噴灑，並且增加離子訊號. 34.

(45) 持續時間，圖 3-4、3-5 分別為毛筆尖電噴灑裝置實際拍攝圖以及示意圖。. 尼龍毛筆尖. 高電壓質譜進樣口. 圖 3-4 毛筆尖電噴灑裝置圖. 質譜進樣口. 尼龍毛筆尖塑膠套環高電壓. 圖 3-5 毛筆尖電噴灑裝置示意圖 35.

(46) 本研究所使用的質譜儀為市售液相層析串聯質譜儀，其質譜型號為 Thermo Finnigan LCQ LC/MS。質譜儀之實驗參數設定如下： (1) 毛細管溫度 (capillary temperature)設為 200°C (2) 正電模式 (3) 電噴灑電壓 (spray voltage)為 3 kV (4) 鞘流溶劑以 6 µL/min 甲醇通入。數據處理則是採用 Xcalibur 質譜軟體程式。. 36.

(47) 3-4.. 儀器及周邊設備列表 Brush-spray 相關儀器. 名稱. 製造廠商. 型號. LC/MS. Thermo Finnigan. LCQ. 迴轉泵. EDWARDS. EM30. 其他相關儀器及耗材. 3D 印表機. 國航科技. 3DP-14-4D. 桌上型電子顯微鏡. Hitachi. TM3030. 37. 示意圖及規格.

(48) 智慧型半微量天平. Sartorius. MSA125P-100-DA. 超音波洗淨器. BRANSON. 3510. Centrifugal evaporator. EYELA. Model: CVE-1000. Syringe Pump. Harvard Apparatus. 55-1199. 智慧電動移液器. Sartorius. 735061. 微量吸量管. 高壓電源供應器. 毛筆. Eppendorf Gamma, FL, USA. -. Research micropipet. 100-1000 µL 10-100 µL 0.5-10 µL. Model RR 30-2R. ± 0-30 kV, 0-2 mA, reversible. -. 38.

(49) 3-5.. 藥品列表. 類來源. 藥名. 分子量. Riedel-de. Dimethoate. 229.26. Haen. 大滅松. g/mol. 化學式/結構式. 別. 分 C5H12NO3PS2 析物. 前憲兵司令部. Ketamine. 237.725. 刑事鑑識中心. K 他命. g/mol C13H16ClNO. Merck. Methanol. 32.04. 甲醇. g/mol CH3OH. 溶劑. Merck. Acetonitrile. 41.05. 乙腈. g/mol CH3CN. Alfa Aesar. n-Dodecane. 170.34. 正十二烷. g/mol. 39.

(50) 3-6.. 菜葉真實樣品前處理以及採樣方法. 本實驗購買市售大陸 A 菜，來模擬真實樣品進行快篩檢驗。模擬蔬菜真實樣品的步驟如下: (1) 首先先將菜葉剪成小塊約 1.5 cm × 1.5 cm，剪成小塊後分別用甲醇和去離子水先後震洗 30 min。 (2) 實驗前先用甲醇潤洗後放置拭鏡紙上乾燥。 (3) 最後在菜葉上滴加 50 µL 所需濃度的樣品後自然風乾即可，如圖 3-6 所示。. 圖 3-6 蔬菜真實樣品前處理示意圖 40.

(51) 模擬採樣真實樣品的步驟如下: (1) 在菜葉上滴加 20 µL 甲醇。 (2) 用注滿溶劑的毛筆 (約含 50µL)直接沾取，如圖 3-7 所示。 (3) 採樣後直接結合質譜進行電噴灑來做檢測。. 圖 3-7 模擬採樣真實樣品示意圖. 41.

(52) 3-7.. 3D 容槽鑲嵌纖維液-液微萃取法. 製作方式將毛筆尖電噴灑裝置內的毛筆尖置換成約 3 公分長的市售聚丙烯中空纖維，前端約保留 1 公分，如圖 3-8 所示。水樣前處理將樣品水溶液利用氫氧化納調整其酸鹼度至約 pH 11 後加入重量百分比為 20 的氯化鈉增加離子效應後即可。萃取方法 (1) 利用針筒從後端纖維口注入正十二烷後，吹入空氣使纖維內腔淨空，同時保持纖維表面含有正十二烷。 (2) 利用針筒從後端纖維口注入乙腈 (acetonitrile, ACN)填滿纖維內腔當作萃取溶劑，此時纖維屬於表面含有正十二烷內腔含有乙腈的狀態。 (3) 將前端先為浸入 3 毫升的水樣品中靜置萃取 30 分鐘即可，如圖 3-9 所示。偵測方法將萃取完的纖維取出並將前端剪成斜口狀後如圖 3-10 (a)，直接結合質譜儀進行電噴灑，如圖 3-10 (b) 42.

(53) 後端. 前端. 圖 3-8 3D 容槽鑲嵌纖維裝置圖. 圖 3-9 3D 容槽鑲嵌纖維液-液微萃取裝置圖 43.

(54) (a). (b). 圖 3-10 (a)纖維前端斜口狀 (b) 3D 容槽鑲嵌纖維電噴灑裝置實際拍攝圖. 44.

(55) 第四章結果與討論 4-1.. 毛筆尖電噴灑條件最佳化. 毛筆尖材質本研究也探討不同種類的毛筆尖對於電噴灑效果的影響，故選用市面常見用於製作毛筆、水彩筆的毛種類: 馬毛、狼毫毛與尼龍毛來製作毛筆尖，如圖 4-1 所示，另外也與身邊取得的貓毛與人類頭髮做比較。. 馬毛. 狼毫毛. 尼龍毛. 圖 4-1 不同種類毛筆尖實際拍攝圖. 45.

(56) 此五種毛在掃瞄電子顯微鏡 (scanning electron microscope, SEM) 下所成現的樣子如圖 4-2、圖 4-3。可以觀察出馬毛與貓毛和人類頭髮較為相似，毛鱗片較厚且為一層層堆疊上去，其觸感柔軟，其直徑約為 40 µm。狼毫毛則屬與毛鱗片較薄且排列密集，其直徑約為 160 µm，約為馬毛的 4 倍。而尼龍毛為人造纖維，相較於其他動物的毛則少了毛鱗片的構造，故其表面較為平整光滑，其直徑約為 85 µm，介於馬毛與狼毫毛之間。. 圖 4-2 馬毛掃描式電子顯微鏡拍攝圖. 46.

(57) (a). (b). 圖 4-3 (a)貓毛 (b)人類頭髮掃描式電子顯微鏡拍攝圖. 47.

(58) (a). (b). 圖 4-4 (a)狼毫毛 (b)尼龍毛掃描式電子顯微鏡拍攝圖. 48.

(59) 分別將馬毛、狼毫毛與尼龍毛製成的毛筆尖電噴灑裝置進行電噴灑實驗，以農藥大滅松為測試樣品，樣品濃度為 1 µg/mL 於正電模式下選用 4.5 kV 為噴灑電壓，由於毛筆容槽內含有甲醇故不需額外提供輔助溶劑，將樣品直接滴加在毛筆尖端並以質譜以偵測即完成實驗。圖 4-5 為三種毛筆尖之大滅松電噴灑質譜圖，由結果顯示三種毛筆尖所所得到的質譜圖相比，尼龍毛所測得的分子訊號較好，且除了分子離子峰 (m/z 230.20)外還可以明顯看見分子加上一個鈉 (m/z 252.27)以及斷裂碎片峰 (m/z 199.13)的訊號，而動物毛卻無法觀察到這兩個訊號，而尼龍毛筆所得到的訊雜比也較其他毛筆高。推測是因為尼龍毛沒有像是動物毛鱗片的構造，表面平滑使樣品可快速噴灑並離子化，質譜儀瞬間接收到的離子可以更多，故本實驗最後選用尼龍毛作為裝置的毛筆尖。. 49.

(60) +. 圖 4-5 三種毛筆尖之大滅松電噴灑質譜圖. 50.

(61) 電噴灑電壓由於毛筆尖電噴灑裝置不需額外提供輔助溶劑，沒有溶劑流速影響，僅與噴灑電壓以及噴灑位置相關，故本研究也使用不同噴灑電壓來進行實驗，以探討不同電壓對電噴灑狀況的影響，在正電模式下分別選用 (a) 3.5 kV (b) 4.0 kV (c) 4.5 kV (d) 5.0 kV 四種電壓進行實驗，由圖 4-6 所示可發現毛筆尖在 3.5 kV 下電噴灑的狀況並不明顯，增加電壓至 4.0 kV 時稍有改善，在電壓 4.5 kV 下可得最佳的噴灑狀態，然而電壓增加到 5.0 kV 時則因為電壓過大而造成噴灑分岔的現象。故最後本實驗選用 4.5 kV 作為實驗最佳條件。. 51.

(62) (a). (b). (c). (d). 圖 4-6 噴灑電壓為 (a) 3.5 kV (b) 4.0 kV (c) 4.5 kV (d) 5.0 kV 之毛筆尖電噴灑情形拍攝圖. 52.

(63) 4-2.. 毛筆尖電噴灑對於農藥的偵測極限. 本研究也探討毛筆尖電噴灑質譜法對於農藥的偵測極限，以農藥大滅松甲醇溶液作為測試樣品，分別對 0.01 µg/mL、0.1 µg/mL 以及 1 µg/mL 三種濃度做測試，以訊雜比大於 3 為標準，在正電模式下選用噴灑電壓為 4.5 kV，發現最低可偵測到濃度 0.1 µg/mL 的大滅松，換算成質量表示最低可順間偵測到 600 pg 的樣品。. 53.

(64) 圖 4-7 尼龍毛筆尖偵測不同濃度大滅松之質譜圖. 54.

(65) 4-3.. 模擬真實樣品採樣. 本研究為了達到快篩以及現場採樣的目的，設計了對照組的實驗去探討添加農藥的菜葉以及未添加農藥的菜葉，來做快速採樣以及檢測。後分別添加濃度為 0 µg/mL、1 µg/mL、10 µg/mL 的大滅松甲醇溶液，圖 4-8 為採樣菜葉真實樣品分別添加不同濃度大滅松之質譜圖。由此結果表示最低可採樣並偵測到 1 µg/mL 的大滅松。. 55.

(66) 圖 4-8 採樣菜葉真實樣品分別添加不同濃度大滅松之質譜圖. 56.

(67) 4-4.. 3D 容槽鑲嵌纖維在液-液微萃取的應用. 本研究的 3D 毛筆容槽亦可改成鑲嵌市售聚丙烯中空纖維以達到纖維液-液微萃取的目的。以濃度為 1 µg/mL 的 K 他命水溶液為萃取樣品，並與傳統紙片電噴灑作比較。傳統紙片電噴灑的檢測方法為使用長 1 公分，尖端角度為 15 度角的三角形濾紙片，在甲醇作為輔助溶劑且流速為 6 µL/min 下進行實驗，此實驗所使用的噴灑電壓為正電模式 3 kV，最後測得樣品分子離子峰 (m/z 238.27)訊號強度為 1.08×106。而經過 3D 容槽鑲嵌纖維液-液微萃取 30 分鐘後並由毛筆尖作進樣後所得到的樣品分子離子峰 (m/z 238.27)訊號強度為 1.25×107，相較於傳統紙片電噴灑其訊號強度增強了一個數量級，且由萃取後的質譜圖可明顯看見其同位素鋒 (m/z 240.27)以及分子峰與同位素鋒為三比一的比例，圖 4-9 為 1 µg/mL K 他命傳統紙片電噴灑法與 3D 容槽鑲嵌纖維萃取後的質譜圖。. 57.

(68) 圖 4-9 不同方式檢測 K 他命之質譜圖. 58.

(69) 第五章結論本研究開發出成本低廉、製作簡單、攜帶方便、功能多樣的裝置，成功結合採樣以及質譜進樣裝置，其總重量約為 1.1 克，總長約為 3.5 公分。本實驗也成功結合 3D 列印技術進行電噴灑，3D 容槽內即可容納輔助溶劑，不需注射幫浦額外提供輔助溶劑即可持續穩定噴灑三分鐘以上。並於不同噴灑電壓下進行實驗觀察噴灑情形，發現電壓越高噴灑越明顯，但增加至 5 kV 則會出現分岔的現象。利用不同種類的毛筆進行比較，結果發現在相同樣品濃度以及參數條件下，尼龍毛可以得到最好的樣品訊號強度以及訊雜比。由各種類毛的 SEM 圖觀察出尼龍毛相較於其他動物毛，少了毛鱗片的構造使其表面更為平整、光滑，故推測由於尼龍表面較為光滑，可使溶劑伴隨著分析物快速的噴灑至質譜入口，增加質譜儀瞬間接受當的離子數量，以提高訊號強度。以農藥大滅松甲醇溶液作為測試樣品，3D 列印容槽鑲嵌毛筆尖電噴灑裝至最低可順間測得 600 pg 的樣品，可快速且準確的偵測出樣品的分子量。. 59.

(70) 本研究所開發的 3D 列印容槽亦可鑲嵌市售聚丙烯中空纖維來進行液-液微萃取，以 1 µg/mL K 他命水溶液為測試樣品，發現經過 3D 列印容槽鑲嵌纖維液-液微萃取後，其樣品分子離子峰訊號強度較傳統紙片電噴灑高出一個數量級，成功將本研究開發的裝置應用在中空纖維液-液微萃取上。. 60.

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(77) 研究發表第二十二屆分析技術交流研討會發表題目: Development and application of a 3D-printed kit for loading a spray-brush in electrospray ionization/mass spectrometry 時間 : 2016 年 5 月 21 (六) 地點 : 高雄醫學大學-第一教學大樓. 67.

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