朱穎潔，李冬梅，黃元軒，徐 斌，郭 磊*，謝劍煒

(1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院 毒物藥物研究所，抗毒藥物與毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100850；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

當(dāng)今國(guó)際形勢(shì)多元化、多極化明顯，恐怖、突發(fā)事件等時(shí)有發(fā)生，例如傳統(tǒng)毒品和新精神活性物質(zhì)濫用、化學(xué)品爆炸及爆炸式恐怖襲擊、化學(xué)戰(zhàn)劑恐怖刺殺、生物毒素中毒等化學(xué)突發(fā)事件頻繁發(fā)生，對(duì)于公共安全的危害日益增加。原位、實(shí)時(shí)、靈敏的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)對(duì)和處置公共安全事件的關(guān)鍵要素。特別地，包括新型毒品、新型爆炸物、新一代化學(xué)戰(zhàn)劑、新型生物毒素等在內(nèi)的化學(xué)毒物種類繁多且具備可擴(kuò)充性，迫切需要建立結(jié)構(gòu)確證性強(qiáng)的檢測(cè)鑒定技術(shù)手段。

自2004年美國(guó)普渡大學(xué)Cooks課題組[1]提出常壓電離質(zhì)譜(Ambient ionization mass spectrometry，AIMS)概念至今，質(zhì)譜分析邁向了無(wú)需密閉的真空環(huán)境、原位實(shí)時(shí)、快速高效的新時(shí)代。AIMS又稱環(huán)境電離質(zhì)譜、敞開式電離質(zhì)譜，是一類在常壓條件下對(duì)樣品直接進(jìn)行電離的質(zhì)譜技術(shù)，無(wú)需或僅需簡(jiǎn)單的樣品前處理，在開放環(huán)境中便可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)樣品的進(jìn)樣和離子化[2-4]。其克服了以往在進(jìn)行劇高毒化學(xué)危害物質(zhì)的質(zhì)譜或色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析時(shí)，依賴于大型真空精密儀器以及復(fù)雜樣品前處理耗時(shí)費(fèi)工的問題，可簡(jiǎn)化質(zhì)譜分析的操作流程，縮短分析時(shí)間，在毒品(含新精神活性物質(zhì))、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑及生物毒素的現(xiàn)場(chǎng)原位、實(shí)時(shí)、快速高通量分析檢測(cè)中具有突出優(yōu)勢(shì)。特別是隨著小型化質(zhì)譜儀的迭代更新，AIMS在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方面的潛力和優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯[5-7]。

目前已報(bào)道了超過50種各具特色的AIMS技術(shù)，本文針對(duì)飛速發(fā)展的AIMS技術(shù)及其在公共安全化學(xué)毒物檢測(cè)領(lǐng)域(毒品、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑及生物毒素)的應(yīng)用進(jìn)行綜合論述(圖1)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究提供有益參考。

圖1 公共安全化學(xué)毒物的常壓電離質(zhì)譜檢測(cè)應(yīng)用Fig.1 Schematic diagram of ambient ionization mass spectrometry in public security

1 AIMS分類及文獻(xiàn)聚類分析

2004年，Cooks等[1]報(bào)道了第一種常壓電離技術(shù)——解吸電噴霧電離(Desorption electrospray ionization，DESI)；2005年，Cody等[8]研發(fā)出實(shí)時(shí)直接分析(Direct analysis in real time，DART)技術(shù)，自此開啟了由傳統(tǒng)封閉式到敞開式的新型電離質(zhì)譜技術(shù)研究熱潮。經(jīng)過十余年的發(fā)展，各種不同類型常壓電離技術(shù)層出不窮，按其分析策略可分為直接解吸附/電離的一步常壓電離技術(shù)和先解吸附后電離的兩步常壓電離技術(shù)。在一步常壓電離技術(shù)中，當(dāng)噴霧、等離子體、超聲波等作用于樣品后，分析物從樣品表面逸出，此時(shí)分析物的電離與解吸附幾乎同時(shí)發(fā)生；在兩步常壓電離技術(shù)中，分析物先在一種能量形式下從樣品表面解吸附，再利用一種離子源(如電噴霧、化學(xué)電離、等離子體等)產(chǎn)生的離子與解吸附的分析物發(fā)生分子-離子反應(yīng)，從而產(chǎn)生分析物離子[9]。根據(jù)該分類策略，代表性的常壓電離技術(shù)如表1所示。

表1 常壓電離技術(shù)分類及代表性技術(shù)[10-11]Table 1 Classification and representative techniques for ambient ionization[10-11]

對(duì)Web of Science核心合集下2004～2020年AIMS相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索(2021年1月6日)，去重后整理得到2 685篇文獻(xiàn)。使用文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件VOSviewer[12]進(jìn)行國(guó)家、機(jī)構(gòu)、作者和關(guān)鍵詞聚類分析(圖2)。結(jié)果顯示，全世界已有70余個(gè)國(guó)家和地區(qū)在AIMS領(lǐng)域開展研究，其中發(fā)文量和被引量較多的前5個(gè)國(guó)家或地區(qū)為美國(guó)(1 028篇，46 672次)、中國(guó)(521篇，10 526次)、德國(guó)(217篇，5 535次)、英國(guó)(127篇，3 908次)和巴西(133篇，3 468)。其中普渡大學(xué)(美國(guó))、中國(guó)科學(xué)院(中國(guó))、金邊大學(xué)(巴西)、清華大學(xué)(中國(guó))、佐治亞理工學(xué)院(美國(guó))和R.Graham Cooks(普渡大學(xué)，美國(guó))、Marcos N.Eberlin(金邊大學(xué)，巴西)、歐陽(yáng)證(清華大學(xué)，中國(guó))、陳煥文(東華理工大學(xué)，中國(guó))、Demian R.Ifa(約克大學(xué)，加拿大)分別為發(fā)文量排名前5的高產(chǎn)機(jī)構(gòu)和研究學(xué)者。從國(guó)家、機(jī)構(gòu)和作者分析可知，中國(guó)無(wú)論從國(guó)家整體發(fā)文量還是從高產(chǎn)機(jī)構(gòu)和學(xué)者來(lái)看，均處于世界領(lǐng)先水平，也代表著中國(guó)在AIMS領(lǐng)域具有較高的科技影響力。

圖2 常壓電離質(zhì)譜文獻(xiàn)計(jì)量聚類分析Fig.2 Bibliometric cluster analysis of ambient ionization mass spectrometryAPCI:atmospheric pressure chemical ionization;API:atmospheric pressure ionization;CI:chemical ionization;CWAs:chemical warfare agents;ESI:electrospray ionization;MSI:mass spectrometry imaging;NPS:new psychoactive substances;SSI:sonic spray ionization;TLC:thin-layer chromatography

進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析時(shí)，設(shè)置出現(xiàn)次數(shù)大于3的關(guān)鍵詞，對(duì)關(guān)鍵詞合并、清洗后得到67個(gè)關(guān)鍵詞及7個(gè)聚類。聚類Ⅰ集中在基于等離子體電離源的介質(zhì)阻擋放電電離(Dielectric barrier discharge ionization，DBDI)和低溫等離子體(Low-temperature plasma probe，LTP)及其在爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑等方面的研究；聚類Ⅱ集中于紙噴霧(Paper spray ionization，PSI)和小型便攜式質(zhì)譜研發(fā)及其在法庭科學(xué)、環(huán)境科學(xué)方面的研究；聚類Ⅲ集中在基于DART分析及其在食品安全、農(nóng)殘分析方面的研究；聚類Ⅳ集中在基于DESI分析及其在天然產(chǎn)物分析領(lǐng)域的應(yīng)用；聚類Ⅴ集中在基于AIMS的組學(xué)及質(zhì)譜成像研究；聚類Ⅵ集中于藥物篩選與腫瘤標(biāo)志物研究；聚類Ⅶ則集中于藥物與定量分析領(lǐng)域。此外，各類AIMS技術(shù)在多個(gè)研究領(lǐng)域交叉匯通，相互之間聯(lián)系密切。

從時(shí)間軸分析，AIMS逐漸向滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用需求、實(shí)現(xiàn)便攜性的方向發(fā)展，與之適配的常壓電離技術(shù)如DBDI、DART和PSI等也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。此外，研究者多通過熱、激光等高效解吸附技術(shù)，或結(jié)合固相微萃取(Solid phase microextraction，SPME)等多種快速前處理凈化富集技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)，以提高AIMS檢測(cè)的靈敏度、重現(xiàn)性和定量分析能力。

2 AIMS在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用

公共安全化學(xué)毒物檢測(cè)領(lǐng)域的代表性AIMS技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，豐富、多模式的常壓電離技術(shù)可適配于不同類型的質(zhì)量分析器，進(jìn)行定性鑒定或準(zhǔn)確定量測(cè)定，特別地，可有機(jī)結(jié)合對(duì)真空度要求不高的小型化離子阱質(zhì)譜，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。目前已針對(duì)多種形式不同、內(nèi)容復(fù)雜的樣品基質(zhì)(如體液、表面、食品等)開展了成功實(shí)踐，化學(xué)戰(zhàn)劑、毒品等(易)揮發(fā)物質(zhì)、爆炸物等高能化合物在多種常壓電離模式下均可達(dá)到ng/mL水平的檢測(cè)靈敏度。大多數(shù)技術(shù)尚需在定量分析方面繼續(xù)挖掘潛力。當(dāng)然，需要提及的是，多種AIMS電離技術(shù)，其解吸附和電離機(jī)制尚待深入闡明，AIMS在公共安全領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐，亟待從經(jīng)驗(yàn)、試錯(cuò)、歸納等手段上升到理論引領(lǐng)層面。

2.1 毒品篩查

針對(duì)包括鴉片類、合成苯丙胺類精神興奮劑、新精神活性物質(zhì)(New psychoactive substances，NPS)等三代毒品，AIMS提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，結(jié)合多種質(zhì)量分析器，通過構(gòu)建比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)、靶向和非靶向篩查等實(shí)現(xiàn)快速篩查、檢測(cè)和鑒定。例如，Gwak等[46]對(duì)26種合成卡西酮、9種合成大麻素和苯乙胺類NPS進(jìn)行快速篩查，DART-QTOF-MS/MS的檢出限(Limit of detection，LOD)為300～340 pg，雖較離子遷移譜高約10倍，但其線性范圍更寬，且可同時(shí)提供全掃描和子離子掃描信息，準(zhǔn)確性更高；Lian等[47]采用DART-TOF-MS和試劑分子輔助光電離正離子遷移譜兩種技術(shù)構(gòu)建了分析物的母離子和碎片離子的精確質(zhì)量數(shù)及離子遷移率數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合所提出的標(biāo)準(zhǔn)篩查程序和陽(yáng)性檢出判定標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)包括傳統(tǒng)毒品、合成苯丙胺類和NPS在內(nèi)的53種濫用藥物的快速篩查；Duvivier等[48]采用DART-Q-Orbitrap篩查了頭發(fā)中的可卡因、安非他明和3,4-亞甲二氧基甲基苯丙胺等多種毒品及其代謝物，無(wú)需樣品前處理，LOD達(dá)0.5 ng/mg。

對(duì)于代謝物在內(nèi)的痕量毒品篩查，研究者多通過提高電離效率、改善解吸附、結(jié)合簡(jiǎn)便的樣品前處理等方式實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè)。例如，提高分析物的電離效率方面，本課題組利用LTP-QTOF-MS/MS初步探究了干血斑中芬太尼類化合物的快速檢測(cè)方法，通過尖端套管對(duì)LTP探針進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以聚焦等離子體束，芬太尼類化合物的峰強(qiáng)度響應(yīng)增強(qiáng)2～3.5倍；以石墨涂覆輔助激光照射，可增加基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，分析物峰強(qiáng)度響應(yīng)可進(jìn)一步提高1.4～2.2倍[49]。Cooks課題組提出，在DESI-MS/MS中采用極性噴霧溶劑有利于提高極性分析物的電離效率[50]，對(duì)可待因、海洛因和安定的LOD達(dá)ng級(jí)水平；且更大噴霧面積的DESI離子源可顯著改善分析物在載體表面的不均勻分布對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，提高方法重現(xiàn)性[13]。

提高解吸附效率亦是提高檢測(cè)靈敏度的重要因素之一。Sisco等[19]采用熱解吸(Thermal desorption，TD)-DART-MS和離子遷移譜對(duì)17種芬太尼類化合物和5種阿片類藥物進(jìn)行快速和靈敏的檢測(cè)，單次擦拭巾上可被檢出的分析物最低質(zhì)量為pg～ng水平，兩種方法均能在海洛因樣品中檢出摻雜低至0.1%的芬太尼。Wang等[20]采用LTP-MS/MS對(duì)唾液中11種NPS進(jìn)行快速篩查和定量分析，通過加熱輔助樣品解吸附，戊烯酮和5F-AKB-48等NPS的相對(duì)峰面積增加約3～10倍，LOD可達(dá)3.0～15.2 ng/mL。Cheng等[22]采用TD-電噴霧電離(Electrospray ionization，ESI)-MS/MS結(jié)合探針采樣技術(shù)，對(duì)飲料、粉末、果凍糖、郵票等可疑樣品中的苯丙胺、甲氧麻黃酮、3,4-亞甲二氧基甲基苯丙胺和氟硝西泮等12種違禁藥品進(jìn)行快速分析，整個(gè)分析過程耗時(shí)不到30 s，方法快速且高通量。

結(jié)合簡(jiǎn)單樣品前處理可降低復(fù)雜樣品基質(zhì)干擾，從而提高檢測(cè)靈敏度。LaPointe等[16]利用SPME處理尿液，進(jìn)一步降低了基質(zhì)背景干擾，對(duì)尿樣中3種合成卡西酮及其代謝產(chǎn)物進(jìn)行DART-TOF-MS直接快速鑒定及半定量分析，信號(hào)強(qiáng)度增加5～60倍，達(dá)pg/mL水平，可滿足臨床檢測(cè)需求。Vasiljevic等[51]報(bào)道了一種SPME傳輸模式與DART-MS/MS聯(lián)合的阿片類化合物高通量檢測(cè)系統(tǒng)，在與96孔板尺寸適配的高通量SPME裝置上修飾涂層材料，1.5 h內(nèi)即可完成96份生物樣品的萃取和分析，LOD達(dá)0.1～5 ng/mL。Yang等[52]利用毛細(xì)管彈狀流微萃取，快速萃取全血和尿液樣本中痕量的安非他明類非法藥物，然后直接進(jìn)行PSI-MS檢測(cè)，靈敏度較常規(guī)PSI-MS提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，LOD可達(dá)0.01～0.05 ng/mL。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，車載或便攜式質(zhì)譜是AIMS的主要適配目標(biāo)，如Brown等[53]將DART與便攜式離子阱MS結(jié)合，對(duì)大麻葉、疑似“K2”樣品、可卡因、海洛因、甲基苯丙胺、羥考酮片和阿普唑侖片等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析，結(jié)果與場(chǎng)外氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)結(jié)果一致。Fedick等[24]將金納米顆粒修飾的紙基底同時(shí)作為手持式表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)的檢測(cè)基底和便攜式MS的常壓電離源，對(duì)模擬實(shí)際場(chǎng)景的6種環(huán)境表面進(jìn)行pSERS-PSI-MS分析，均可檢出芬太尼，其實(shí)現(xiàn)SERS和MS快速檢測(cè)雙用途，有助于結(jié)果的互相印證，提高分析準(zhǔn)確性。2019年，歐陽(yáng)證課題組[54]研發(fā)出一款便攜式線性雙離子阱質(zhì)譜，并實(shí)現(xiàn)了微管紙噴霧(Paper-capillary spray，PCS)原位電離試劑盒的無(wú)縫應(yīng)用。Kang等[23]利用PCS-MS/MS檢出攝入嗎啡和甲基苯丙胺病人尿樣中的原型藥物，并可通過分析尿樣中可卡因及其代謝物濃度比的變化推測(cè)可卡因攝入時(shí)間，LOD為50～250 ng/mL；隨后利用此技術(shù)分析多種飲料中和塑料袋表面的芬太尼類化合物，LOD分別為10 ng/mL和1 ng/cm2[55]。

2.2 爆炸物

爆炸襲擊是現(xiàn)代恐怖活動(dòng)的主要手段。AIMS可對(duì)金屬、皮膚、塑料、聚四氟乙烯等多種環(huán)境表面爆炸物進(jìn)行直接檢測(cè)[56]，還可拓展用于潛手印中ng級(jí)爆炸物的分析[27]。Cooks課題組最早對(duì)爆炸物進(jìn)行了系列的AIMS檢測(cè)研究，采用DESI-MS/MS對(duì)紙張、塑料、金屬表面的三硝基甲苯(2,4,6-Trinitrotoluene，TNT)、環(huán)三亞甲基三硝胺(1,3,5-Trinitroperhydro-1,3,5-triazine，RDX)、環(huán)四亞甲基四硝胺(1,3,5,7-Tetranitro-1,3,5,7-tetraazacyclooctane，HMX)、季戊四醇四硝酸酯(Pentaerythritol tetranitrate，PETN)等多種爆炸物檢測(cè)，LOD達(dá)pg～ng水平[57]。該課題組隨后發(fā)展的Reactive-DESI，在噴霧溶劑中添加氯化物等反應(yīng)試劑，通過分子/離子反應(yīng)形成[RDX+Cl]-加合離子，對(duì)RDX的檢測(cè)靈敏度提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)10 pg水平[58]，還可對(duì)人體皮膚表面的多種爆炸物進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)[59]；結(jié)合不銹鋼離子傳輸管的遠(yuǎn)距離傳輸，還可實(shí)現(xiàn)距離質(zhì)譜儀3 m遠(yuǎn)的樣品表面的痕量爆炸物和化學(xué)戰(zhàn)劑模擬劑檢測(cè)，靈敏度仍保持在ng水平[60]。DESI-MS和解吸常壓化學(xué)電離(Desorption atmospheric pressure chemical ionization，DAPCI)-MS檢測(cè)過氧化物類爆炸物，兩種方法的LOD均能達(dá)到ng水平[61]。

在提高靈敏度方面，多通過熱解吸附、中性解吸附、添加解吸附增強(qiáng)劑等提高各類爆炸物的解吸附性能。Forbes等[62]將紅外熱解吸附和DART-MS相結(jié)合，可在不同溫度下對(duì)具有不同揮發(fā)性的黑火藥及其替代物進(jìn)行解吸附和快速原位分析，并結(jié)合主成分分析實(shí)現(xiàn)了黑火藥的分類。Garcia-Reyes等[63]在LTP的基礎(chǔ)上，利用熱風(fēng)槍將載樣玻璃片加熱至120 ℃，TNT的靈敏度可提高至0.6 pg，其它12種爆炸物及相關(guān)化合物的LOD為1 pg～10 ng水平。Ma等[64]使用常壓輝光放電(Atmospheric pressure glow discharge，APGD)離子源直接分析從復(fù)雜土壤樣品中加熱產(chǎn)生的氣態(tài)RDX和TNT，省卻了繁瑣的前處理步驟，LOD為0.5 ng/mL。Chen等[25]利用中性解吸萃取電噴霧電離(Neutral desorption extractive electrospray ionization，ND-EESI-MS/MS)對(duì)皮膚表面的5種炸藥進(jìn)行快速檢測(cè)，LOD達(dá)0.5～10 pg。Tsai等[29]采用PSI-MS對(duì)塑性炸藥(炸藥、粘合劑、增塑劑和燃料油的混合物)進(jìn)行分析，噴霧溶劑異丙醇中添加硝酸銨可增強(qiáng)負(fù)離子模式下分析物的質(zhì)譜響應(yīng)。

在后續(xù)數(shù)據(jù)處理方面，Sisco等[65]建立了23種爆炸物的AccuTOFTM-DART篩查方法和高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，為盲樣和混合樣品的快速篩查提供了指導(dǎo)。Gaiffe等[66]將肯德里克質(zhì)量虧損過濾模式用于83種塑性炸藥的DART-LTQ-Orbitrap檢測(cè)結(jié)果分析，大幅縮短了復(fù)雜的爆炸后殘留物的數(shù)據(jù)分析時(shí)間。

AIMS與小型便攜式質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)爆炸物方面，Sanders等[26]將DESI與手持式離子阱式質(zhì)譜儀相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃表面TNT、HMX和三硝基苯甲硝胺(2,4,6-Trinitrobenzidine，Tetryl)的快速高靈敏檢測(cè)。Dalgleish等[28]將LTP與小型便攜式質(zhì)譜聯(lián)用，在1 min內(nèi)準(zhǔn)確檢出玻璃表面的3種爆炸物(PETN、RDX、Tetryl)，LOD均小于10 ng。

2.3 化學(xué)戰(zhàn)劑

大規(guī)模殺傷性化學(xué)武器、化學(xué)恐怖襲擊始終是人類生存的重大威脅，目前已涌現(xiàn)出多份化學(xué)戰(zhàn)劑及其相關(guān)物質(zhì)、實(shí)際樣品的AIMS分析檢測(cè)、測(cè)試評(píng)估等研究[27]。事實(shí)上，AIMS技術(shù)被譽(yù)為化學(xué)戰(zhàn)劑的“下一代現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)新技術(shù)”之一。目前，AIMS技術(shù)在化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)中的應(yīng)用以快速定性/半定量分析為主，技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備還有待進(jìn)一步開發(fā)和提高。其關(guān)鍵在于結(jié)合化學(xué)戰(zhàn)劑劇毒、中/高揮發(fā)性等特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)或適配，以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)和精確篩查。

技術(shù)改進(jìn)或適配方面，Dumlao等[67]采用活性毛細(xì)管等離子體電離(Active capillary plasma ionization)結(jié)合臺(tái)式質(zhì)譜對(duì)法醫(yī)學(xué)樣品中的神經(jīng)性毒劑模擬劑進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。Wolf等[34,68]建立了新型活性毛細(xì)管DBDI-MS檢測(cè)系列化學(xué)戰(zhàn)劑(神經(jīng)性毒劑、糜爛性毒劑、失能劑)及其結(jié)構(gòu)類似物的方法，利用壓力輔助加熱蒸發(fā)納米噴霧技術(shù)將分析物氣化后直接進(jìn)行檢測(cè)，LOD低至pg/mL水平，定量曲線相關(guān)系數(shù)(R2)>0.996 9(圖3A)。為提高靈敏度，Zhang等[38]采用金納米顆粒(Gold nanoparticles，AuNPs)修飾的紙基底進(jìn)行LTP-MS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于AuNPs與等離子體高頻電磁場(chǎng)間的相互作用，使紙基底上神經(jīng)性毒劑模擬劑甲基膦酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate，DMMP)和甲基膦酸二異丙酯的檢測(cè)靈敏度提高了800倍，LOD分別為0.1 ng/mL和0.3 ng/mL(圖3B)；在其后續(xù)研究中，采用銅針作為檢測(cè)基底，對(duì)銅針尖端的神經(jīng)性毒劑及芥子氣水解產(chǎn)物進(jìn)行LTP-MS檢測(cè)，與非導(dǎo)電性基底相比，大幅提高了分析物的解吸附和離子化效率，LOD為0.5～0.98 ng/mL[39](圖3C)。

多種功能化材料結(jié)合樣品前處理技術(shù)成為提高化學(xué)戰(zhàn)劑定性、定量能力的一種手段。AIMS發(fā)展早期，D'Agostino等[31]即將頂空SPME與DESI-MS/MS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多種室內(nèi)基質(zhì)(墻面、纖維、紙張)上塔崩、沙林、梭曼和芥子氣等的快速檢測(cè)，成功應(yīng)用于實(shí)際野外條件下軍事演習(xí)中采集的沙林樣品的快速分析。最近，Dumlao等[35]將SPME與LTP-MS結(jié)合，將修飾微孔材料的不銹鋼針同時(shí)作為采樣工具和離子化噴針，直接快速檢測(cè)尿液中的神經(jīng)性毒劑模擬劑DMMP和膦酸二乙酯及水解產(chǎn)物片吶醇甲基膦酸，LOD為100 ng/mL(圖3D)。

針對(duì)PSI技術(shù)分析神經(jīng)性毒劑時(shí)，由于其高揮發(fā)性導(dǎo)致在普通PSI紙基底上存在檢測(cè)時(shí)間窗較短(小于5 min)的問題，Dhummakupt等[69]構(gòu)建了金屬有機(jī)骨架(Metal-organic frameworks，MOFs)材料修飾的PSI紙基底，增強(qiáng)了對(duì)G類神經(jīng)性毒劑的吸附能力，使得檢測(cè)時(shí)間窗延長(zhǎng)至50 min以上，提高了方法的實(shí)用性(圖3E)；Mach等[37]則在紙基底上修飾了能夠有效捕獲并與G類毒劑反應(yīng)的衍生化試劑2-(二甲氨基)甲基苯酚，并對(duì)反應(yīng)生成的低揮發(fā)性衍生物進(jìn)行PSI-MS檢測(cè)，從而延長(zhǎng)了檢測(cè)時(shí)間窗，LOD為0.94～5.14 ng/mL。

與便攜式質(zhì)譜聯(lián)用方面，Smith等[33]將輝光放電電離(Glow discharge electron ionization，GDEI)與便攜式質(zhì)譜結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2-氯乙基乙基硫醚、丙二酸二乙酯、水楊酸甲酯和DMMP等化學(xué)戰(zhàn)劑模擬劑的高靈敏、高特異檢測(cè)，LOD為0.26～5.0 ng/mL，可與環(huán)境基質(zhì)干擾物成功區(qū)分。Hendricks等[70]研發(fā)出用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的單兵式小型LTP-MS/MS，此設(shè)備由背負(fù)式和手持式兩部分組成，背負(fù)式部分包括真空系統(tǒng)和電腦控制單元(10 kg)，手持式部分包括LTP源和采樣端口(2 kg)，可對(duì)棉花表面的ng級(jí)DMMP實(shí)施實(shí)時(shí)原位檢測(cè)(圖3F)。

2.4 生物毒素

生物毒素多具有劇高毒性，且種類復(fù)雜多樣，小分子、多肽、蛋白生物毒素的中毒或蓄意投毒事件時(shí)有發(fā)生。目前，AIMS在生物毒素檢測(cè)中的應(yīng)用尚處于起步階段，多體現(xiàn)在生物毒素快速篩查、定量檢測(cè)以及與其它技術(shù)聯(lián)用方面的成功嘗試等。尚需注意的是，關(guān)于蛋白等大分子的快速實(shí)時(shí)電離仍是一個(gè)難點(diǎn)問題。

2014年，Beach等[40]采用激光燒蝕電噴霧電離(Laser ablation electrospray ionization，LAESI)-MS/MS直接檢測(cè)貝類組織勻漿液中軟骨藻酸，無(wú)需其它樣品前處理步驟，單個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間僅需10 s，LOD達(dá)1 mg/kg，顯示出該方法高通量檢測(cè)生物毒素的潛力；隨后建立了LAESI-Q-Orbitrap方法，對(duì)189種不同種類海洋貝類中的軟骨藻酸進(jìn)行快速篩查檢測(cè)[71]。Wichert等[45]建立了PSI-MS檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)、筆記本封面、玻璃、植物葉等多種基質(zhì)表面蛋白質(zhì)的方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)包括生物毒素模擬物腸毒素B疫苗在內(nèi)的多種蛋白質(zhì)(分子量12.4～66.5 kDa)的直接快速分析，并發(fā)現(xiàn)碳噴射多孔聚乙烯膜作為采樣和PSI基底可大幅提高檢測(cè)靈敏度，LOD達(dá)μg水平(圖4A)。

由于食品殘留的分析需求，生物毒素的AIMS準(zhǔn)確定量工作受到重視。一般結(jié)合樣品前處理、穩(wěn)定同位素內(nèi)標(biāo)校正等途徑進(jìn)行。Busman等[41]采用添加13C標(biāo)記同位素內(nèi)標(biāo)的基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)法對(duì)玉米中的黃曲霉毒素B1進(jìn)行DART-Q-IT定量測(cè)定，定量下限為4 μg/kg，線性范圍為4～1 000 μg/kg；對(duì)牛奶中黃曲霉毒素M1，利用串聯(lián)固相萃取或免疫親和固相萃取降低基質(zhì)干擾，方法定量下限為0.1 μg/kg，低于法規(guī)限度[42]。Mattarozzi等[43]將快速樣品前處理技術(shù)(QuEChERS)與DESI-LTQ-Orbitrap相結(jié)合，并結(jié)合全因子設(shè)計(jì)和多目標(biāo)函數(shù)法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了貝類組織中石房蛤毒素、脫氨甲?；扛蚨舅?、新巖蛤毒素和膝溝藻毒素1,4等多種麻痹性貝類毒素的高通量快速篩查和定量檢測(cè)(圖4B)。

與其它技術(shù)聯(lián)用方面，Joshi等[44]將表面等離子體共振(Surface plasmon resonance，SPR)與DESI-MS相結(jié)合，利用修飾脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(Deoxynivalenol，DON)抗體的SPR芯片捕獲樣品(甲醇、啤酒)中的DON，簡(jiǎn)單淋洗去除非特異性吸附后，對(duì)芯片直接進(jìn)行DESI-MS檢測(cè)，特別地，DESI-MS可對(duì)DON與其交叉反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分和識(shí)別(圖4C)。

圖4 AIMS在生物毒素檢測(cè)中的應(yīng)用Fig.4 Applications of AIMS in determination of biotoxinsA:rapid analysis by PSI-MS(PSI-MS快檢)[45];B:quantitative analysis data by QuEChERS-DESI-MS method(QuEChERS-DESI-MS定量數(shù)據(jù))[43];C:coupling of SPR and MS(SPR-MS聯(lián)用)[44]

3 總結(jié)與展望

AIMS技術(shù)以其開放環(huán)境、簡(jiǎn)便操作、原位、實(shí)時(shí)、高通量等特點(diǎn)，一經(jīng)提出，在公共安全檢測(cè)領(lǐng)域備受重視，近年來(lái)在新型電離方式、與復(fù)雜基質(zhì)樣品形式的兼容性、與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方式的適配性等方面均取得了令人矚目的進(jìn)展。當(dāng)然，尚需有效克服AIMS相關(guān)的系列技術(shù)挑戰(zhàn)，包括重現(xiàn)性、定量能力、分析物范圍(類型)、靈敏度及復(fù)雜數(shù)據(jù)的解析能力等。未來(lái)尚需集中于以下幾點(diǎn)進(jìn)行深入研究、積累突破：①原理引領(lǐng)靈活設(shè)計(jì)，提高樣品檢測(cè)普適性和靈敏度。包括進(jìn)一步明確和闡釋常壓電離解吸附和電離機(jī)制，深入思考和融合多種不同原理的解吸附和電離方式，根據(jù)分析物的物理和化學(xué)性質(zhì)引入適當(dāng)?shù)碾婋x增強(qiáng)試劑，創(chuàng)新化學(xué)策略適配常壓電離技術(shù)特點(diǎn)等；②創(chuàng)造高重現(xiàn)性環(huán)境，提高定量能力。影響AIMS重現(xiàn)性的因素涉及樣品導(dǎo)入、解吸附、電離及質(zhì)量傳輸?shù)亩鄠€(gè)環(huán)節(jié)，涵蓋采樣幾何形狀、采樣表面、樣品性質(zhì)、周圍環(huán)境、離子源內(nèi)部參數(shù)等多種因素。因此應(yīng)從選擇高效的解吸附和電離技術(shù)、引入內(nèi)標(biāo)、結(jié)合多種快速前處理凈化富集途徑、提高樣品負(fù)載穩(wěn)定性、甚至發(fā)展自動(dòng)化采樣進(jìn)樣平臺(tái)等多方面進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)；③適配現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)便攜性。包括創(chuàng)制適用的常壓電離源與便攜式、小型化質(zhì)譜的兼容接口，結(jié)合3D打印、仿真模擬等實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論模型優(yōu)化等；④聯(lián)合其它檢測(cè)技術(shù)，保障確證性。公共安全應(yīng)急檢測(cè)往往需要多種檢測(cè)技術(shù)多角度共同確證。AIMS無(wú)疑從結(jié)構(gòu)確證角度提供了有效手段，未來(lái)可望配合目前的主流檢測(cè)技術(shù)(如離子遷移譜、紅外/拉曼光譜、便攜式氣相色譜-質(zhì)譜等)使用，在樣品適配檢測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)共享、軟件自動(dòng)分析等方面發(fā)揮強(qiáng)有力的聯(lián)合優(yōu)勢(shì)。