張秀麗， 寧錄勝， 俞建成

(寧波大學(xué)高等技術(shù)研究院，浙江寧波 315211)

1 引言

質(zhì)譜技術(shù)作為當(dāng)今最有發(fā)展前景的分析技術(shù)之一，在生命科學(xué)、材料分析、公安刑偵、食品安全、環(huán)境監(jiān)測以及航天和軍事技術(shù)等諸多熱點領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[1]。離子源作為質(zhì)譜儀器的核心部件，其改進和革新不斷推動著質(zhì)譜技術(shù)的跨越式發(fā)展。例如，基質(zhì)輔助激光解吸附離子源(MALDI)[2]和電噴霧離子源(ESI)技術(shù)的誕生，加速了生命科學(xué)研究領(lǐng)域的革命。這兩種技術(shù)的發(fā)明人Tanaka和Fenn也因此獲得了2002年的諾貝爾化學(xué)獎。雖然傳統(tǒng)離子源(ESI和APCI源等)在實驗室應(yīng)用中具有重要價值，但是在樣品原位快速分析方面，存在實時性差、需要樣品預(yù)處理、樣品易污染和對不同極性的目標(biāo)化合物存在電離選擇性等問題[3]。敞開式質(zhì)譜離子源是離子源領(lǐng)域的又一場革命，是一種無需或者只需很少樣品前處理過程，可在敞開式大氣壓環(huán)境中直接對樣品進行解吸和離子化的新型離子源，能滿足原位、實時、快速的質(zhì)譜分析的需要，是當(dāng)前質(zhì)譜儀器領(lǐng)域競爭的熱點和前沿。

敞開式質(zhì)譜離子源技術(shù)起源于2004年普渡大學(xué)Cooks教授課題組提出的電噴霧解吸離子源(DESI)技術(shù)，該技術(shù)使得無需樣品預(yù)處理的表面樣品上痕量物質(zhì)的直接快速質(zhì)譜檢測成為了可能[4 - 8]，為實現(xiàn)無需樣品預(yù)處理的現(xiàn)代質(zhì)譜分析方法打開了一個窗口，此后受到國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究不斷涌現(xiàn)，截至目前該類離子源已經(jīng)超過40余種[9]。目前，敞開式質(zhì)譜離子源的發(fā)展主要存在以下問題：(1)基體效應(yīng)難以忽略，一般無法直接用于復(fù)雜樣品分析；(2)大多都沒有可視化的等離子體束，樣品表面定位不準(zhǔn)確，空間分辨率較低；(3)離子空間聚焦及遠距離傳輸能力較弱；(4)定量分析精密度較差，重現(xiàn)性不佳。針對上述問題，陳煥文教授等[10 - 11]提出了電噴霧萃取離子化(Extractive Electrospray Ionization,EESI)技術(shù)，能較好地克服基體效應(yīng)，實現(xiàn)了活體、復(fù)雜混合物體系的原位質(zhì)譜分析等。諾貝爾化學(xué)獎獲得者John Fenn教授和普渡大學(xué)Cooks教授均對該技術(shù)的進一步發(fā)展寄予了厚望。張新榮教授等[12 - 13]提出了介質(zhì)阻擋放電離子化(Dielectric Barrier Discharge Ionization，DBDI)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上與美國普渡大學(xué)Cooks教授等[14]合作開發(fā)出低溫等離子體探針(Low Temperature Plasma,LTP)技術(shù)，產(chǎn)生的等離子體肉眼可視，便于樣品表面的準(zhǔn)確定位，在質(zhì)譜成像和生物活體原位研究等領(lǐng)域具有重大價值。2016年，作者所在團隊與張新榮教授合作研制出我國第一臺商品化介質(zhì)阻擋放電離子源，該成果經(jīng)張玉奎院士等專家鑒定“技術(shù)成果處于國際先進水平，具有良好的應(yīng)用前景和市場前景，屬國際首創(chuàng)”。再帕爾研究員等[15]提出了空氣動力輔助離子化(Air Flow Assisted Ionization，AFAI)技術(shù)，實現(xiàn)了離子在大氣壓狀態(tài)下的遠距離傳輸，提高了敞開式質(zhì)譜離子源的靈敏度，在大面積活體分析、遠距離樣品分析及實時監(jiān)測等方面取得了新突破。

本文分別介紹了電噴霧萃取離子源、介質(zhì)阻擋放電離子源以及空氣動力輔助離子源的原理、設(shè)計改進和應(yīng)用進展，并展望其發(fā)展趨勢。

2 電噴霧萃取離子化技術(shù)

2.1 原理

電噴霧萃取離子化(EESI)技術(shù)由陳煥文教授等[10]于2006年首次提出，該技術(shù)綜合了電噴霧電離(ESI)和電噴霧解吸電離(DESI)技術(shù)的優(yōu)點，并融入了液-液微萃取理論和技術(shù)，其主要由電噴霧通道和樣品引入通道構(gòu)成，樣品引入和電離是相對獨立的，帶電的初級離子在三維空間內(nèi)與樣品液滴發(fā)生融合、碰撞、萃取和電荷轉(zhuǎn)移等過程實現(xiàn)離子化，所得待測物的氣相離子供后續(xù)的質(zhì)譜分析。在EESI 源中，能/荷傳遞以及中性物質(zhì)的萃取和離子化過程均在一個相對較大的三維空間內(nèi)完成，因此EESI 的基體效應(yīng)可顯著下降。同時帶電液滴與中性待測物的接觸時間和有效空間都較長，使得 EESI 具有較好的穩(wěn)定性和靈敏度。此外，樣品的主體與電場或帶電粒子等是隔離的，不受刺激性或有毒有害試劑(如甲醇等)的污染，因而特別適合進行生物樣品分析、化學(xué)反應(yīng)過程監(jiān)控和動植物的活體質(zhì)譜分析等，尤其是在活體代謝組學(xué)研究等方面具有巨大的應(yīng)用前景。

2.2 設(shè)計改進

針對不同的樣品分析需求，不同研究者對EESI技術(shù)進行了優(yōu)化、改進及與其他技術(shù)的耦合，使其具備了較好的現(xiàn)場分析能力和極端基體耐受性，適用于不同形態(tài)樣品的分析。如，Chen 等[16 - 17]于2007年首次提出用于EESI 質(zhì)譜分析的中性解吸(Neutral Desorption,ND)技術(shù)，解決了常規(guī)EESI不能分析固態(tài)樣品表面以及粘稠樣品的問題，擴展了樣品分析范圍，能夠分析復(fù)雜基質(zhì)樣品包括液態(tài)、氣態(tài)、氣溶膠和固體表面樣品甚至非均相或粘稠態(tài)樣品，極大地拓展了EESI 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域[17 - 19]。然而由于 EESI 和 ND -EESI 裝置均需使用鋼瓶來提供高壓載氣(N2)，所以 EESI和 ND -EESI 僅適用于樣品的實驗室分析而不能用于現(xiàn)場分析。為了克服這個難題，李明等[20]于2009年在常規(guī) EESI 技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型納升電噴霧萃取電離(nanoEESI)技術(shù)，該技術(shù)不需要笨重的鋼瓶，分析速度快，因此非常適合復(fù)雜基質(zhì)樣品的現(xiàn)場高通量直接分析。此外，為了避免因樣品純度問題導(dǎo)致毛細管堵塞現(xiàn)象，出現(xiàn)了一些非毛細管噴射技術(shù)，這些技術(shù)在避免毛細管堵塞的同時，還能減少樣品的損失,適合微量樣品的檢測。如，2010年，清華大學(xué)林金明教授與Cooks教授合作開發(fā)了紙基噴霧離子化(Paper Spray Ionization,PSI)技術(shù)[21]，該技術(shù)具有較強的分離和耐基體能力。在此基礎(chǔ)上，Liu等[22]于2010年提出了葉子噴霧離子化(Leaf Spray Ionization，LSI)技術(shù)，為植物組織樣品的分析提供了更快捷的方法，但該方法只能分析樣品的淺表層。因此，Zhang等[23 - 24]于2013年提出了內(nèi)部電噴霧萃取離子化(Internal Extractive Electrospray Ionization，iEESI)技術(shù)，該技術(shù)可在非破碎、不離體及無需預(yù)處理的前提下直接對整體樣品內(nèi)部活性成分進行分析。雖然用紙、葉子和生物組織等作為噴霧載體，在特定領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，但仍存在基體干擾、重復(fù)性差、噴霧不穩(wěn)定等弊端。因此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜杰教授課題組與清華大學(xué)合作，提出液滴電噴霧離子化(Droplet Spray Ionization，DSI)[25]技術(shù)，以玻璃基質(zhì)為載體，對待測樣品無干擾，較好地解決了上述問題。EESI在定量分析方面做了諸多研究，如Li等[26]于2012年采用同位素稀釋EESI串聯(lián)質(zhì)譜法對尿肌酐(CRE)定量分析，檢測限(LOD)低于50 μg/L,定量曲線R2值為0.9861。Xu等[27]于2013年采用EESI串聯(lián)質(zhì)譜法對氨基酸進行定量分析，檢測限(LOD)范圍為0.14～26.2 mg/L。Li等[28]于2013年采用EESI離子阱串聯(lián)質(zhì)譜法對尿中1-羥基芘進行了定量分析，檢測限(LOD)為0.75 mmol/L，定量曲線R2值為0.9941。Tian等[29]于2014年提出采用EESI串聯(lián)質(zhì)譜法對四溴雙酚A及其衍生物進行定量分析，定量曲線R2值大于0.9919。鄒雪等[30]于2015年采用EESI-MS/MS 實現(xiàn)了對PVC 輸液管內(nèi)殘留環(huán)己酮的準(zhǔn)確定性分析和定量分析。Huang等[31]于2016年提出將一種測量標(biāo)準(zhǔn)與EESI耦合，能夠準(zhǔn)確定量檢測血清中肌酐，定量曲線R2值為0.994。

2.3 應(yīng)用研究

由于EESI技術(shù)和裝置的快速發(fā)展，EESI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品質(zhì)量檢測、藥物檢測、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)反應(yīng)實時監(jiān)測、毒品和爆炸物檢測、活體分析以及代謝組學(xué)等研究領(lǐng)域。Law 等[32 - 33]采用ND -EESI 裝置，對復(fù)雜基質(zhì)粘稠物如蜂蜜、橄欖油等含有的揮發(fā)性和非揮發(fā)性物質(zhì)進行了直接解吸，實現(xiàn)了粘稠食品的快速分析。Li等[34]采用nano -EESI-MS直接對沙丁胺醇和硫酸特布他林氣霧劑等治療哮喘的藥物中的有效成分進行了現(xiàn)場快速檢測。Li 等[35]采用EESI-MS 檢測了塑膠運動場地上方空氣中的游離的甲苯-2,4-二異氰酸酯(TDI)，為大氣污染物的直接快速檢測提供了一種思路。Law 等[33]采用ND -EESI-MS 對粘性離子液體 EMIMCl 中果糖轉(zhuǎn)化為 5-羥甲基糠醛的化學(xué)反應(yīng)過程進行了實時監(jiān)測，為粘性離子液體中化學(xué)機理研究提供了方法。胡斌等[36]采用探針式 ND -EESI-MS 技術(shù)用于人體皮膚、衣物和紙幣等多種基體表面上痕量的可卡因、冰毒、K 粉、海洛因等毒品的直接檢測，不但檢測速度快(單個樣品檢測時間僅需 1 s)，而且靈敏度高(檢出限可達pg數(shù)量級)，實現(xiàn)了對固體樣品的快速檢測。張燕等[37]采用EESI-MS在無需樣品預(yù)處理條件下直接對呼出氣體中乙腈進行快速質(zhì)譜定性及半定量分析，為呼吸氣體中其它小分子物質(zhì)的檢測提供了新思路，是活體代謝組學(xué)和臨床診斷研究的一種有效實用的分析手段。盧海燕等[38]與張華等[39]分別采用內(nèi)部萃取電噴霧電離質(zhì)譜技術(shù)(iEESI-MS) 在無需樣品預(yù)處理的前提下原位快速分析臍橙與紅辣椒的果肉組織，并且對其主要化學(xué)成分進行鑒定，建立了一種從分子水平上快速判斷蔬果品質(zhì)的質(zhì)譜學(xué)方法。從上述實例可以看出，EESI技術(shù)擴展了樣品分析范圍，為復(fù)雜基質(zhì)樣品的檢測提供了快速簡便的分析方法，能夠與多種質(zhì)譜儀一起聯(lián)用，滿足了小型化質(zhì)譜發(fā)展的要求，實現(xiàn)了現(xiàn)場快速分析。

3 介質(zhì)阻擋放電離子化技術(shù)

3.1 原理

介質(zhì)阻擋放電離子化(DBDI) 技術(shù)是張新榮教授等[12 - 13]于2007年首次提出，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，通過介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的高能電子與周圍氣體分子碰撞過程中產(chǎn)生大量的自由基、電子、離子和激發(fā)態(tài)原子等，作用于樣品上實現(xiàn)樣品離子化。該離子源具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易操作和重現(xiàn)性好等優(yōu)點，適合小分子的分析，檢測限可達3.5 pmol。并在此基礎(chǔ)上與Cooks 教授等[14]合作開發(fā)了低溫等離子體探針(LTP)技術(shù)(圖1(b))。LTP 以石英管內(nèi)的金屬絲為內(nèi)電極，以石英管外包裹的銅箔為外電極，通過交流高壓激發(fā)He、Ar、N2等工作氣體，形成等離子束并噴射出來作用于樣品表面，使之解吸并電離。LTP可用于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中化合物以及混合物的分析，檢測爆炸物RDX和TNT的檢出限可達5 pg，此外等離子體肉眼可視、溫度低，便于樣品表面的準(zhǔn)確定位，在實時原位檢測、質(zhì)譜成像和特殊樣品(如生物組織和熱不穩(wěn)定樣品)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖1 (a)DBDI 離子源原理示意圖[12]；(b)LTP探針離子源原理示意圖[14]Fig.1 Schematic diagrams of the DBDI source(a)[12];and the LTP probe source(b)[14]

3.2 設(shè)計改進

DBDI憑借免輔助試劑、可常壓使用、無極性選擇性、便于小型化等優(yōu)點，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，對其開展了諸多改進和應(yīng)用研究。DBDI的改進主要分為三類：第一類改變電極結(jié)構(gòu)，如Hiraoka 等[40]通過將內(nèi)電極延伸到絕緣介質(zhì)管外，使產(chǎn)生的等離子束限制在介質(zhì)管內(nèi)部，以增加分析物的離子信號強度；Chen等[41]通過改變幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種對稱T型結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電裝置，消除等離子體的浮動電壓以減小樣品的損害以及碎片離子的產(chǎn)生；寧錄勝等[42]通過電場調(diào)整研究，設(shè)計了一種穩(wěn)定、高效的單電極放電DBDI源，產(chǎn)生的等離子體源外長度可達4 cm，有助于提高DBDI的可靠性和適用性。第二類根據(jù)離子化機理，增加樣品離子化時與氫離子結(jié)合機率，如Jonathan等[43]通過在放電載氣中通入氫氣以提高離子化樣品的能力，從而增強質(zhì)譜分析靈敏度，經(jīng)驗證0.9%氫氣通入后咖啡因的信號強度提高了約12.5倍；Chen等[44]提出用水氣替代氫氣，也可以提供更多的氫離子，實現(xiàn)DBDI-MS信號強度的提升，該方法雖然不如氫氣帶來的效果顯著，但卻更加安全和實用；Saha等[45]提出了萊氏輔助熱解吸(LPTD)DBDI離子化方法，能夠快速分析非揮發(fā)性和熱不穩(wěn)定樣品，提高檢測靈敏度；Kumano 等[46]設(shè)計了一種低氣壓DBDI 源(LP-DBDI) ，使樣品經(jīng)過等離子體區(qū)域和尾焰部分，以提高樣品離子化效率。第三類與其他裝置結(jié)合，如Zhou等[47]將中性解吸裝置與DBDI源耦合，并與質(zhì)譜儀連用，建立了一種快速分析各種地溝油和食用油等粘性樣品的方法；Oradu等[48]提出了一種反應(yīng)紙噴霧方法，將紙噴霧與LTP源相結(jié)合，能夠在簡單和復(fù)雜的基質(zhì)中測定不飽和脂類中的位置。在定量分析方面，DBDI技術(shù)靈敏度高，定量曲線線性度好，如Zenobi等[49]于2015年提出的新型毛細管DBDI能夠直接、靈敏地定量分析化學(xué)戰(zhàn)劑及其降解產(chǎn)物，檢測限(LOD)范圍為1.4～58.4 ppt，定量曲線R2值為0.9995±0.0005；Mirabelli等[50]于2016年將nano-LC與DBDI離子源耦合聯(lián)用，在農(nóng)藥分析方面具有極高的靈敏度和很好的重現(xiàn)性，檢測限(LOD)低至10 pg/mL。

3.3 應(yīng)用研究

DBDI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品安全、公共安全、藥物檢測、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)反應(yīng)實時監(jiān)測及質(zhì)譜成像等研究領(lǐng)域。如，Huang等[51]采用LTP離子源對難揮發(fā)的三聚氰胺離子進行離子化研究，并使用該離子源的便攜式質(zhì)譜對全脂奶、魚和奶粉中的三聚氰胺進行檢測，分析速度快，完成單個樣品的分析僅需要0.5 min[52]。Na 等[12 - 13]成功利用DBDI 技術(shù)在負(fù)離子模式下檢測了TNT、RDX、PETN等爆炸物，并成功在布料、紙片、土壤、油畫表面檢測到痕量TNT，且不同表面上得到的信號穩(wěn)定，重現(xiàn)性高。Gong等[53]采用LTP離子源與質(zhì)譜聯(lián)用能夠快速檢測室內(nèi)揮發(fā)性有機物。Gilbert-López等[54]系統(tǒng)地比較了DBDI、ESI和APCI對蔬菜和水果表面殘留的殺蟲劑的響應(yīng)情況來評價DBDI-MS的實用性，結(jié)果表明DBDI適用于殺蟲劑殘留的檢測，與APCI相比可以降低基質(zhì)干擾，同時也可檢測出ESI不易離子化的農(nóng)藥。Ma等[55]提出了基于LTP-MS的有機化學(xué)反應(yīng)實時在線監(jiān)測方法，為化學(xué)反應(yīng)機理的研究提供了有力的依據(jù)。Liu等[56]提出了基于LTP探針的質(zhì)譜成像新方法，可用于中國字畫上印章的質(zhì)譜成像分析，為藝術(shù)品真?zhèn)舞b定提供了新方法。Maldonado-Torres等[57]使用可調(diào)節(jié)的LTP探針對辣椒果實的縱切面進行質(zhì)譜成像分析，結(jié)果表明LTP-MSI能夠檢測和定位生物組織的有機小分子。從上述實例可以看出，該離子源在無需樣品預(yù)處理的情況下實現(xiàn)氣體、液體、固體或材料表面化合物的離子化，可以通過質(zhì)譜聯(lián)用進行樣品的原位、實時、快速分析，有望在臨床疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測以及生物活體實時原位研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

4 空氣動力輔助離子化技術(shù)

4.1 原理

空氣動力輔助離子化(AFAI)技術(shù)由再帕爾研究員等[15]于2011年首次提出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過引入高速空氣流，可提高帶電液滴的采集與傳輸效率，增加帶電液滴的傳輸距離，同時促進帶電液滴脫溶劑和樣品離子的產(chǎn)生，降低離子與傳輸管的碰撞損失，最終實現(xiàn)高效率的離子化。該離子化技術(shù)解決了樣品離子長距離傳輸問題，實現(xiàn)了離子在大氣壓狀態(tài)下的遠距離傳輸。這種新型AFAI 技術(shù)提高了遠距離敞開式樣品的離子化效率和檢測靈敏度，擴展了樣品分析的靈活性,增強了對大體積物品和遠距離目標(biāo)物的分析能力。在定量分析方面，采用AFAI技術(shù)所得的擬合曲線具有良好的線性度。如，Sun等[58]采用AFI-EESI串聯(lián)質(zhì)譜法快速直接定量分析鄰苯二甲酸酯類(PAEs)，LOD范圍為0.011～0.035 mg/g，定量曲線的相關(guān)系數(shù)為97.58%～99.90%。

圖2 空氣動力輔助離子化裝置(AFAI)的示意圖[15]Fig.2 Schematic diagram of the process and principle of air flow assisted ionization[15]

4.2 應(yīng)用研究

AFAI離子化技術(shù)具有ESI、DESI 和APCI 等多種離子化模式，能與大多數(shù)商品化的質(zhì)譜分析器兼容，擴展了其應(yīng)用范圍。如，賀玖明等[59]采用AFAI-MS技術(shù)實現(xiàn)了對未知藥片的快速、直接實時分析。羅志剛等[60]研制出一種并列式液滴微連接表面采樣探針(LMJ-SSP)技術(shù)，并采用AFAI-MS方法，實現(xiàn)了對抗癌候選新藥在鼠體內(nèi)組織分布特征的分析，為藥物在整體動物內(nèi)的質(zhì)譜分子成像提供了支持。Luo等[61]提出了免標(biāo)記、便捷、高靈敏度的基于AFADESI的整體動物分子成像(Whole-Body Molecular Imaging) 分析新方法，可以高效地獲得藥物及其代謝物在整體動物體內(nèi)的分布特征及動態(tài)變化信息,為研究藥物的靶向作用,預(yù)測候選新藥的可能腫瘤譜、藥效與毒性等提供了新穎直觀的方法與手段。He等[62]提出了一種基于AFADESI高靈敏度、高特異性的代謝物質(zhì)譜成像方法，可以深入理解抗失眠候選藥物作用機理，為研究候選藥物的分子作用機理提供強有力的技術(shù)手段，有望在單細胞代謝組學(xué)、生物標(biāo)志物的原位表征以及早期疾病診斷等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。Li等[63]提出了一種基于AFADESI質(zhì)譜成像的原位代謝組學(xué)分析新方法，首次利用發(fā)現(xiàn)的生物標(biāo)記物對組織病理進行快速診斷，有望為發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤分子診斷標(biāo)志物和發(fā)展新型分子診斷手段奠定良好的基礎(chǔ)。從上述實例可以看出，該離子化技術(shù)不僅實現(xiàn)了敞開條件下的離子高效生成和遠距離傳輸，而且建立了獨特的質(zhì)譜成像新方法，在高通量快速檢測、體內(nèi)藥物及其代謝產(chǎn)物可視化分析、小分子標(biāo)志物的原位表征和腫瘤生物標(biāo)志物的篩查及其免標(biāo)記分子病理診斷應(yīng)用等研究中取得了新突破。

5 展望

離子源是制約小型化質(zhì)譜儀器在市場上應(yīng)用的最主要的因素之一。隨著常壓敞開式離子源技術(shù)的進一步成熟，質(zhì)譜小型化是質(zhì)譜儀器未來發(fā)展的重要方向和努力目標(biāo)，不久的將來，小型化質(zhì)譜儀器在食品安全、公安刑偵及環(huán)境保護等對快速、原位、實時要求較高的領(lǐng)域定會得到廣泛的應(yīng)用，質(zhì)譜儀在市場中的地位從“貴族到平民”將會是一種必然趨勢。