孔 然，向 平，陳卓南，趙君博*

（1．上海市法醫(yī)學重點實驗室，上海市法醫(yī)學服務平臺，法醫(yī)學毒理學研究室，上海 200063；2．煙臺大學 藥學院，山東 煙臺 264005）

常壓電離質譜（Ambient ionization mass spectrometry，AIMS），又稱環(huán)境電離質譜、敞開式電離質譜，是一類在常壓條件下對樣品或樣品表面直接進行電離的質譜技術，無需或僅需簡單的樣品前處理，在開放環(huán)境中便可實現(xiàn)復雜基質樣品的進樣和離子化［1-3］。其延續(xù)了傳統(tǒng)質譜分析速度快、靈敏度和準確性高的特點，又具有簡便快速、高通量、實時、原位、無損檢測等優(yōu)勢。自2004年Cooks團隊［4］報道了第一種常壓電離技術——解吸電噴霧電離（Desorption electrospray ionization，DESI）以來，AIMS正式進入大眾視線，繼而敞開式離子化技術得到各界學者的關注。隨后環(huán)境電離技術得到了快速發(fā)展，各類新技術不斷涌現(xiàn)，目前已有上百種新技術、新方法被提出［5-10］，并在環(huán)境分析檢測、食品藥品安全、生物醫(yī)學、公共安全等多領域得到了廣泛應用［11-17］。此外，相較于傳統(tǒng)質譜分析檢測的離子化局限性，敞開式離子化技術豐富的離子化方式大大擴展了其應用領域，可實現(xiàn)復雜基質中樣品的簡單、直接進樣檢測。

近年來，環(huán)境電離技術不斷引入新的離子化方式，例如樹葉［18-19］、小木枝［20］、紙張［21-24］、碳納米管［25-29］、碳纖維［30-32］等。碳纖維（Carbon fiber，CF）為繼粉末活性炭和顆?；钚蕴恐蟮牡谌钚蕴慨a(chǎn)品，是由有機纖維材料經(jīng)碳化、活化制成的具有多孔結構的材料，具有吸附性容量大、吸附速率快、耐高溫高壓、可再生以及經(jīng)濟適用性強的優(yōu)點。碳纖維敞開式質譜法［33］（Carbon fiber ionization mass spectrometry，CFI-MS）在2016年被首次報道，可用于各種有機化合物及其在不同溶劑中的快速、直接質譜分析。CFI-MS［30-32］技術只需滴加輔助溶劑和添加直流電壓，在大氣壓環(huán)境下即可完成對樣品的直接檢測分析，其電離源較大氣壓化學電離源（APCI）質譜法和實時直接分析（DART）電離源質譜法軟，具有與各種溶劑兼容性好、靈活性高、工作方式多樣等優(yōu)點，已被應用于各個領域［34］。本文重點介紹近幾年快速發(fā)展的基于CFI-MS法的研究和應用進展。

1 碳纖維離子化質譜技術的原理及特點

CFI-MS的裝置十分簡單，即將一束碳纖維鑲嵌于不銹鋼管內，并使碳纖維暴露于管外0．5 ～1 cm處（圖1），是一種可以拆卸的CF探頭［33］。CF探頭上可以外接可調節(jié)的高壓直流電源（2．5 ～ 3．0 kV）以及可拆卸的溶劑輸送系統(tǒng)，以便將溶劑輸送至碳纖維探頭上，同時CFI-MS技術可將待測樣品直接添加至CF探頭上，或者可以采用CF探頭直接蘸取樣品采樣［33，35］。由于不銹鋼管和碳纖維具有較好的導電性，使得高壓可以直接傳輸?shù)教祭w維上，將探頭上吸附的樣品離子化，隨后進入質譜的離子源口進行檢測。

圖1 碳纖維質譜法示意圖［33］Fig．1 Diagram of carbon fiber mass spectrometry［33］

1.1 碳纖維離子化質譜技術的原理

按照離子化機理AIMS法可分為基于電噴霧電離（ESI）的離子源和基于大氣壓化學電離的APCI離子源，以及結合以上兩種方式的離子源?；陔妵婌F電離的離子源適合分析極性較大的溶劑樣品，待測樣品通過電噴霧實現(xiàn)離子化需要3個步驟：霧滴的形成、霧滴不斷變小發(fā)生庫侖爆炸和氣相離子的形成［36-39］。而基于大氣壓化學電離的離子源適于分析極性小或無極性的樣品，包括樣品解吸附和離子化兩個步驟［40-43］。但CFI-MS對不同極性的溶劑體系均能實現(xiàn)直接檢測，說明其屬于結合以上兩種方式的離子源［44］。

有研究者通過實驗證明，CFI-MS的離子化機理以與APCI類似的電暈放電為主，在使用極性溶劑時與ESI類似的電噴霧機理也少量存在。在使用CFI-MS進行實驗時，首先，吸附于碳纖維上的樣品通過解吸從其表面脫附下來（可以加入一些溶劑幫助樣品更好地從碳纖維上解吸），隨后，脫附下來的樣品在高壓的作用下實現(xiàn)離子化過程，進入質譜進行快速分析檢測［45-46］。Zhao等［45］應用熱輔助碳纖維質譜（TCFI-MS）法得到了甲基苯丙胺（m∕z150．128 3）從溶劑開始滴加到信號消失的總離子色譜圖（TIC）和提取離子色譜圖（EIC）。結果顯示碳纖維上的甲基苯丙胺樣品呈現(xiàn)一種非線性的解吸附離子化。進一步說明此技術分析樣品時，是一個不斷解吸電離的過程，直至碳纖維上的樣品耗盡。

1.2 碳纖維離子化質譜技術的特點

傳統(tǒng)的離子源一般需將樣品液體化才能進行分析，并且對待測物類型和溶劑極性有一定要求，同時由于其本身的離子化機理有一定的局限性，使得大多數(shù)復雜基質中的樣品需要繁瑣的前處理。而碳纖維質譜法的提出和發(fā)展在一定程度上可以更好地應對復雜樣品急劇增多的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)各類復雜樣品的實時快速分析。碳纖維作為第三代活性炭物質，具有較好的樣品兼容性、承載和分散能力，其導電性介于金屬與非金屬之間，且耐高溫高壓。CF自身的多孔結構，使其比表面積大，具有廣譜的吸附性能和高的吸附容量［47］。同時其表面的官能團能夠很好地對溶液中的有機物和重金屬離子實現(xiàn)較大的吸附容量和較快的吸附速率，可以對一些多烯類化合物、甾體類化合物、熱不穩(wěn)定性化合物以及非極性化合物進行分析檢測，擴大了分析物的范圍［36］。相比于傳統(tǒng)離子化技術在溶液方面的局限性，CFIMS對溶劑沒有要求，適合與各種溶劑匹配快速分析樣品［48］。

CFI-MS操作簡單快速，無需或僅需簡單的樣品前處理，可在大氣壓環(huán)境中進行實驗，無需氣體輔助即可對復雜基質中的樣品進行實時快速分析，且取樣十分便捷快速，有探針模式、聯(lián)用模式和采樣頭模式3種進樣模式（圖2），可以實現(xiàn)液體樣品、固體粉末類樣品、難以移動的較大樣品以及微量樣品的快速取樣分析，且?guī)缀蹩梢宰龅綗o損取樣［33］。實驗結束后，碳纖維上的樣品殘留物可用火燒法迅速清除，無需繁瑣的清洗凈化過程，方便快速進行下一個實驗［49］。與其他AIMS相比，CFI-MS裝置簡單、成本較低、易于操作，可以實現(xiàn)大量樣品的快速檢測，省時省力。

圖2 CFI-MS法的3種進樣模式圖［33］Fig．2 Diagram of three injection patterns by CFI-MS method［33］A．probe mode，B．interface mode，C．collector mode

2 碳纖維離子化質譜技術的影響因素

在CFI-MS技術中，解脫附是化合物離子化過程中的關鍵一步，研究者們基于不同性質的樣品對實驗進行優(yōu)化（包括碳纖維形態(tài)、碳纖維溫度、碳纖維上所加電壓、碳纖維與離子進樣口的距離以及樣品添加的方式），以提高不同樣品檢測的靈敏度。本文對此進行了總結，詳見表1。

表1 碳纖維離子化質譜技術在實際樣品分析中的應用Table 1 Application of practical samples analysis using CFI-MS technology

2.1 碳纖維的形態(tài)

碳纖維離子化質譜技術憑借碳纖維的多孔結構和較大的吸附力，可實現(xiàn)樣品的良好富集和濃縮，在各種環(huán)境電離技術中脫穎而出。對碳纖維的形態(tài)和性質進行優(yōu)化有望獲得更好的結果。

Wu等［33］采用水楊酸甲酯的甲醇溶液（1 μg∕mL）對不同粗細、長短的碳纖維束進行實驗，發(fā)現(xiàn)碳纖維的粗細、長短對其電阻有一定影響，但對信號峰的強度影響不大，說明碳纖維的型號對實驗影響不大。同時他們發(fā)現(xiàn)苯并［a］芘的離子強度隨碳纖維直徑的增加而降低，說明相同實驗條件下，較細的碳纖維更容易誘發(fā)電暈放電［49］。對碳纖維的形態(tài)進行優(yōu)化，可以提高靈敏度，滿足不同的實驗需求，擴大CFI-MS的使用范圍。

2.2 碳纖維的溫度

溫度的優(yōu)化對于CFI-MS法的樣品檢測較為重要。為了更好地將碳纖維上吸附的樣品脫附，可以在碳纖維探頭下方添加一個陶瓷加熱板，以便通過加熱板的加熱作用，將碳纖維上的樣品更好地熱脫附出來，增大樣品的解吸量，降低檢出限。

Zhao等［45］通過優(yōu)化加熱板的溫度，在300 ～ 350 ℃下實現(xiàn)了甲基苯丙胺分析物在碳纖維上的最佳熱解吸，避免了樣品的熱分解。文獻［49］測試了加熱板溫度（150 ～ 350 ℃）對0．10 mg∕mL葡萄糖電離的影響，發(fā)現(xiàn)在150 ℃時有目標信號出現(xiàn)，但強度較低；在較高溫度時，樣品被碳化分解也導致信號降低，最終選擇250 ℃進行實驗。因此不同樣品的最適溫度不同，選擇合適的溫度可有效提高信號強度，降低基質效應，進而提高檢測的靈敏度。

2.3 碳纖維上所加電壓

CFI-MS主要的離子化能量來源于所加的高壓，碳纖維上電壓的大小將影響質譜信號的響應。Wang等［50］采用3種不同藥效的藥物（50 μg∕mL），對電壓（1．5 ～ 3．5 kV）進行優(yōu)化，結果顯示電壓較低時信號強度很低，碳纖維上的樣品不能很好地被離子化，升高電壓可以改善電離效果，并發(fā)現(xiàn)電壓為3．0 kV時信號較為穩(wěn)定。Wu等［49］對碳纖維上所加電壓進行優(yōu)化時發(fā)現(xiàn)，電壓越高獲得的離子強度越高，電壓低于3．0 kV時分析物在質譜上產(chǎn)生的離子信號幾乎看不見。故為了得到更好的實驗結果，所加電壓不能過低，但也不能過高，以免引起尖端放電現(xiàn)象，損壞質譜及相關電子器件，甚至對實驗人員造成一定傷害，通常電壓選擇在3．5 kV左右。

2.4 碳纖維與離子源進樣口的距離

當碳纖維采樣頭與質譜進樣口距離不當時，可能導致異常的電弧放電，對儀器安全造成威脅，因而調節(jié)碳纖維頭與質譜進樣口的距離也非常重要。Zhang等［51］配制了桂皮醛的甲醇溶液對碳纖維與離子源入口的距離進行優(yōu)化。結果顯示，隨著兩者之間距離的增大，目標物的信號強度降低，距離越短信號越強，但當距離小于2．0 mm時，極易發(fā)生放電現(xiàn)象影響實驗結果，并有一定危險性，因此實驗選擇最佳距離為2．0 mm。文獻［45］用甲基苯丙胺的甲醇溶液進行距離優(yōu)化，并將碳纖維尖端到質譜入口的最佳距離設置為3．0 mm。碳纖維頭與質譜進樣口的距離一般控制在2．0 ～ 3．0 mm，距離過近可能將大量樣品帶入質譜離子源口中，對儀器造成污染；距離較遠則會降低離子傳輸效率，影響方法的靈敏度。

2.5 樣品添加方式

傳統(tǒng)CFI-MS裝置中，樣品加在碳纖維尖端，不銹鋼的空心管則用來輸入輔助氣體和液體。為了更好地滿足不同實驗需求，需要對樣品、溶液的加入方式進行優(yōu)化。張強等［51］將可揮發(fā)的樣品置于碳纖維下方，使樣品通過自身揮發(fā)在高壓電離下進入質譜。隨后他們改進了進樣方式（圖3A），將碳纖維下的溶劑換成一個可加熱的陶瓷加熱板，將溶液滴在加熱板上，使之通過熱解吸作用揮發(fā)并被離子化進入質譜，提高了目標信號的強度［52］。

Wang等［50］在原有裝置基礎上，于碳纖維上方放置一個萃取霧化裝置（圖3B），可將溶劑型樣品通過霧化過程更加均勻地分散在碳纖維尖端和質譜離子源入口處，進樣操作更為便捷，提高了實驗的重現(xiàn)性和準確度，同時減少了樣品在碳纖維上的脫附過程，使樣品更大程度地進入質譜中，顯著提高了方法的靈敏度。

圖3 加熱板加熱樣品進樣法（A）［51］和萃取霧化進樣裝置（B）［50］Fig．3 Heating plate heating sample injection method（A）［51］ and extraction atomization injection device（B）［50］

3 碳纖維離子化質譜技術的應用

碳纖維的富集濃縮效果歸因于其自身的孔隙結構及表面化學性質。表1中總結了碳纖維離子化質譜技術的實際應用情況。由表可見此技術對小分子化合物的分析效果較好。主要原因是小分子化合物容易從碳纖維上實現(xiàn)脫附，而脫附是化合物離子化過程中的關鍵一步。以下對碳纖維離子化質譜的具體應用進行總結。

3.1 食品藥品檢測

Zhang等［52］建立并優(yōu)化了熱解吸碳纖維電離質譜（TD-CFI-MS）檢測辣椒素的方法，不僅節(jié)省了時間，且由于該法的解吸和電離過程分離，使得電離過程中分析物受基質的影響較小，分析物的信號強度得到了增強，對辣椒素的線性范圍為0．05 ～ 5．0 μg∕mL，檢出限（LOD，S∕N= 4）為1．0 pg∕mL，與UPLC-ESI-MS的檢出限基本相同，且方法的準確度和精密度良好。

同時，該研究者團隊［50］利用CFI-MS快速直接分析未經(jīng)前處理的桂枝、當歸、川芎、廣藿香油、復方川芎膠囊和四物顆粒的揮發(fā)性成分，成功表征了烴類、萜類、醛類、酮類、酚類、酯類、甾體類等化合物。并通過建立超聲提取-霧化-實時∕碳纖維電離質譜（UEN∕CFI-MS）技術，篩選了降糖、降壓、降血脂等中藥制品中摻入的合成藥物。結果表明，UEN∕CFI-MS方法的LOD值為2 ～ 50 μg∕g，滿足中草藥中摻假合成藥物的檢測要求。

3.2 法醫(yī)毒物及生物樣品的檢測

由于基質效應廣泛存在，開發(fā)一種快速、簡便、靈敏的藥物分析方法對法醫(yī)學研究至關重要。Zhao等［45］發(fā)展了一種利用熱輔助碳纖維電離質譜法（TCFI-MS）直接分析生物體液中藥物的方法。該技術將尿液、血液、唾液等生物體液直接滴加在碳纖維上，通過滴加有機溶劑實現(xiàn)在線蛋白沉淀，并通過金屬陶瓷加熱板進行熱解吸，降低了基體效應，提高了靈敏度。該法為非侵入性分析，可在幾分鐘內完成樣品的快速識別和分析。Wu等［33］采用CFI-MS法實現(xiàn)了吸煙志愿者呼出氣體的直接分析，所得質譜圖中可清晰顯示尼古丁相關的質譜峰及其主要代謝物可鐵寧的質譜峰。以上研究說明CFI-MS可以很好地實現(xiàn)生物樣品以及其他毒物的快速檢測，為法醫(yī)毒物的分析提供了一種更為簡單快速的分析方法。

3.3 品種鑒別

氣味現(xiàn)場分析是聯(lián)系氣味與化學成分的重要途徑。然而，由于分析物濃度和采樣量較低，很難對氣味樣本進行快速直接分析。Sun等［53］將CFI-MS方法應用于完整紅棗揮發(fā)性成分的測定。以大棗中存在的乙酸、乙酸乙酯、己酸乙酯、乙酸辛酯和大馬酮為研究對象，對CFI-MS方法在氣態(tài)樣品定量分析中的性能進行了評價。方法在5．0 ～ 500．0 ng∕L范圍內線性關系良好（r2≥ 0．994 6），檢出限為0．5 ～1．5 ng∕L，5種揮發(fā)性物質的加標回收率為94．4% ～ 107%，相對標準偏差（RSD，n= 5）小于7．3%。

Wu等［54］應用CFI-MS對揮發(fā)性不飽和碳氫化合物衍生的反應產(chǎn)物進行監(jiān)測。香蕉、大蒜和生姜等水果的氫胺化衍生物具有高度揮發(fā)性，而原位氫胺化使得CFI-MS可檢測到其芳香分子，為確認這些具有不飽和官能團的芳香分子提供了可行性。該方法具有簡便、高通量、靈敏度高、適用范圍廣等優(yōu)點，可作為不同品種鑒別的一種替代方法。

3.4 環(huán)境分析檢測

Wu等［55］采用CFI-MS法建立了一種不需樣品前處理即能定性和定量測定番茄等完整水果中農(nóng)藥殘留的方法，并對阿特拉津、滅螨凈、克百威、毒死蜱、異丙威和滅多威等農(nóng)藥進行了測試。該方法的定量下限（在規(guī)定范圍內）達到了很低的水平，精密度和準確度分別為 ～ 5%和 ～ 2%，特別適于將完整樣品放置在CFI-MS前進行質譜分析，可快速篩選完整水果或蔬菜中的農(nóng)藥殘留。

4 展 望

與各類離子化方法相比，CFI-MS技術具有簡單，分析成本低，實時快速，可以高靈敏度分析多種不同類的化合物，尤其是低或非極性化合物，無溶劑歧視效應，所需樣本量小，可以無損取樣等獨特優(yōu)勢，在刑偵現(xiàn)場取樣、臨床醫(yī)學、公共衛(wèi)生安全、中藥成分鑒定、法醫(yī)毒物鑒定、環(huán)境衛(wèi)生檢測、藥品食品安全等多個領域有巨大應用潛力。隨著技術的進一步發(fā)展，CFI-MS將在更多檢測領域發(fā)揮重要作用。

盡管CFI-MS較傳統(tǒng)檢測方法具有更多的優(yōu)勢，但該方法每次加樣時都需要微調裝置，導致每次加樣后碳纖維與質譜入口的距離、碳纖維尖端的形態(tài)等參數(shù)發(fā)生變化，影響實驗的重復性。因此需進一步改進裝置，擺脫手動進樣，提高實驗的重復性。其次，檢測方法的靈敏度有待進一步提高。相對于傳統(tǒng)的LC-MS∕MS方法，CFI-MS方法的檢出限較高?？赏ㄟ^對碳纖維進行化學修飾，提高其選擇性和靈敏度。與此同時，CFI-MS方法是在對檢測物定性分析的基礎上，進一步對其定量分析。但不同物質在碳纖維上的解脫附和電離差別較大，對物質的定性定量分析提出了一定的挑戰(zhàn)。