朱蘇珍 郭寅龍

1（浙江大學衢州研究院，衢州 324000）

2（中國科學院上海有機化學研究所，上海 200032）

敞開式離子化技術是一類可實現(xiàn)樣品在無需或僅需很少前處理條件下的原位、實時、在線分析的離子化技術。近20 年來，各種敞開式離子化技術層出不窮，極大地豐富了質譜離子源的類型，并突破了傳統(tǒng)質譜離子化技術的局限[1-3]。質譜分析不再受限于樣品的狀態(tài)，免除了對樣品進行溶解、氣化和共結晶等繁冗費力的前處理過程，可最大程度地反映樣品的原始狀態(tài)[4-5]。其中，以實時直接分析電離源（Direct analysis in real time，DART）、介質阻擋放電離子源（Dielectric barrier discharge ionization，DBDI）和低溫等離子體探針（Low temperature plasma probe，LTP）等為代表的基于等離子體原理的離子源[2,6-7]是一類重要的敞開式質譜離子源，具有裝置改裝搭建便捷、基質效應小和離子化效果優(yōu)良等優(yōu)點，已在藥物分析、材料表征、環(huán)境監(jiān)測和刑偵檢測等諸多領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景[8-10]。目前，在敞開式離子源研發(fā)中應用較多的為冷等離子體，氣體溫度約為室溫，一般不超過700 開爾文。低溫等離子體離子化過程能獲得化合物完整分子形成的離子（自由基陽離子和質子化分子離子等），得到的碎片較少，可實現(xiàn)目標分析物的“軟”電離。但是，該類離子源存在解吸能力弱、定性分析準確度低以及只能進行表面分析等缺陷[11]；并且，該類離子源通常使用惰性氣體作為放電氣體，在參數(shù)特定的電壓條件下才能實現(xiàn)放電過程，氣體儲存罐及電源模塊等輔助裝置使得離子源難以便攜，難以用于現(xiàn)場實時分析[12]。

電弧放電是一種常見的熱等離子體產(chǎn)生方式，其本質是強電流促使絕緣氣體發(fā)生擊穿而產(chǎn)生的一種自持型強烈放電現(xiàn)象。相比于電暈放電、輝光放電等其它放電形式，電弧等離子體的一個重要特點是當電流增大時，極間電壓下降，弧柱的電位梯度低，但電流密度大。因此，電極會因大電流產(chǎn)生的焦耳熱而升溫達到很高的溫度（弧柱中心一般為幾千攝氏度，有時可達上萬攝氏度）[13]。電弧等離子體由大量自由電子、離子、激發(fā)態(tài)原子和分子等活性物種組成，具有高溫、高能的特點和特殊的化學反應性。1975 年，Gary[14]首次應用毛細管電弧作為質譜離子源，可對水溶液中的Hg、Pb、Co 等金屬離子的多元素同時分析，其中，對Pb 的檢出限低至50 ng/L。2020 年，本研究組開發(fā)了基于電弧等離子體的新型離子源APD（Arc plasma-based dissociation），實現(xiàn)了大氣壓環(huán)境下小分子化合物和高分子聚合物的指紋分析[15-16]。該方法突破了傳統(tǒng)冷等離子體的局限，可同時產(chǎn)生化合物的分子離子和反映化合物結構信息的多種碎片離子，獲得了常壓環(huán)境下的“硬”電離分析結果，提高了定性分析的準確性。2021 年，潘遠江研究組報道了一種電弧離子源AEAI（Ambient electric arc ionization），這種AEAI 對多種不同極性的化合物都展現(xiàn)出優(yōu)異的分析能力，并且具有良好的耐鹽性和抗基質效應[17-18]。隨后，該研究組將電弧作用于進樣注射器尖端，產(chǎn)生電暈放電，快速檢測了草莓樣品中6 種有機膦殺蟲劑[19]。此外，該研究組還發(fā)現(xiàn)，在電弧等離子體特殊的化學環(huán)境中，可產(chǎn)生NO3–，對大多數(shù)爆炸物進行離子化，從而發(fā)展了一種痕量爆炸物的快速定量分析方法[20]。這些研究結果表明，電弧等離子體離子源具有構造簡單、解吸及離子化能力強、可分析的化合物性質多樣、耐鹽性好等特點。

為了適應現(xiàn)場分析的需求，開發(fā)便攜式的電弧等離子體離子源具有重要意義。潘遠江研究組[17]將AEAI 離子源進行便攜式設計，使其便于后續(xù)改造。聶宗秀研究組[21]通過對電弧打火機改造，開發(fā)了一款“MasSpec Pointer”的無線電弧離子源，其大小與質量僅與一支激光筆相當，該離子源能產(chǎn)生豐富的活性氧物種，可應用于脂肪酸雙鍵異構體的區(qū)分。該研究在離子源中引入空氣泵以便于進樣，同時將等離子體溫度降低至40 ℃，實現(xiàn)了蘋果和手指表面化學成分的快速檢測。

本研究采用低成本的便攜式電弧打火機作為敞開式離子源，在操作者手持狀態(tài)下即可實現(xiàn)氣體、液體和固體狀態(tài)樣品的快速解吸與離子化，對不同極性的化合物均具有較好的離子化能力，獲得了理想的質譜圖。在市售固體藥物片劑的直接分析以及人體呼氣實驗等實際應用場景中，此離子源實現(xiàn)了快速、準確定性鑒別，展示出了優(yōu)良的性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Thermo TSQ Quantum Access 三重四極桿質譜儀（美國Thermo Fisher 公司）。

咖啡因、抑霉唑、蒽、1,2-二苯乙烯、戊胺、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、2-氟萘、2-氟苯酚、2-甲基環(huán)己酮、丙酮、芘和甲苯（上海泰坦試劑公司）；糖精鈉、安賽蜜、L-亮氨酸、L-蘇氨酸、L-脯氨酸和L-谷氨酰胺（上海麥克林試劑有限公司）；二氯甲烷和甲醇（色譜級，默克公司）。復方對乙酰氨基酚片、復方氨酚偽麻美芬片、阿奇霉素分散片和氯雷他定片購于本地藥店。實驗用水為IQ-7000 純水儀（美國默克公司）制備的超純水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 電弧打火機離子源

實驗中所使用的便攜式電弧打火機購買于當?shù)厣痰?，該電弧打火機工作原理為使用振蕩電路和升壓線圈將鋰電池提供的3.5 V 直流電壓轉換為約5 kV 脈沖高壓。打火機放電狀態(tài)實物圖及打火機內部電路圖如圖1 所示。

圖1 （A）電弧打火機放電狀態(tài)實物圖；（B）電弧打火機電路圖Fig.1 (A) Picture of arc lighter in its discharge mode;(B) Circuit diagram of arc lighter

1.3 實驗參數(shù)與采樣方法

質譜儀參數(shù)設置如下：離子傳輸毛細管溫度275 ℃，掃描寬度1.0 u，掃描時間0.5 s，Q1 寬度0.4 u。該儀器自帶的ESI 離子源在實驗之前被移除，使用便攜式電弧打火機作為離子源。

對于揮發(fā)性樣品，直接將試劑瓶敞口放置于距離質譜進樣口約50 cm 處，電弧打火機在操作者的手動控制下在距離質譜進樣口5 mm 處瞬時放電。將蒽和1,2-二苯乙烯以色譜級二氯甲烷溶解配制成濃度為10 mg/L 的標準溶液；咖啡因、抑霉唑和氨基酸均以甲醇/水混合溶劑（1∶1，V/V）溶解配制成濃度為5 mg/L 的標準溶液。液體樣品通過玻璃棒蘸取上樣，固體樣品（安賽蜜、糖精鈉和市售藥片）不經(jīng)任何前處理直接以鑷子夾持法進行上樣（圖2）。質譜儀處于一級質譜圖全掃模式。當按壓電弧打火機開關后，將樣品靠近電弧弧柱中心位置進行檢測。

圖2 以電弧打火機為離子源分析（A）揮發(fā)性樣品、（B）液體樣品和（C）固體樣品的裝置示意圖Fig.2 Diagrams of different samples analyzed by arc lighter ion source:(A)Volatile sample;(B)Liquid sample;(C) Solid sample

2 結果與討論

2.1 電弧打火機離子源分析不同狀態(tài)化合物標準品

2.1.1 揮發(fā)性樣品分析

對于戊胺、DMF、2-氟萘、2-氟苯酚、2-甲基環(huán)己酮、丙酮、芘和甲苯這8 種揮發(fā)性試劑，通過直接揮發(fā)法進樣。在電弧打火機放電數(shù)秒后，即可在所得質譜圖中觀察到相應化合物的信號峰（圖3）。

由圖3 可見，所分析的化合物在瞬時電弧等離子體作用下未發(fā)生明顯的裂解現(xiàn)象，都能以完整分子的形式被檢測。其中，第一電離能相對較大的化合物，如戊胺（9.30 eV）、DMF（9.14 eV）、2-甲基環(huán)己酮（9.05 eV）和丙酮（9.70 eV）主要以[M+H]+的形式被檢測；而電離能較小的2-氟萘（8.23 eV）和芘（7.43 eV）容易失去電子，主要以分子離子的形式（M+·）被檢測。甲苯（8.83 eV）在相同的條件下主要以[M–H]+的形式被檢測[22]，因其電離能較小，同樣可能優(yōu)先失去電子產(chǎn)生自由基陽離子M+·，隨后發(fā)生重排并失去氫原子，得到m/z91 的?鎓離子信號。2-氟苯酚（8.68 eV）在負離子模式下主要得到M–的信號。上述所得質譜圖背景干擾峰很少，譜圖簡潔易解析。本研究以丙酮為標準化合物，比較了3 種不同品牌電弧打火機作為離子源的檢測效果，所得譜圖沒有顯著性差異，僅在信號強度上有區(qū)別。

2.1.2 液體樣品分析

選取不同極性的化合物咖啡因、抑霉唑、蒽和1,2-二苯乙烯的標準溶液（濃度均為10 mg/L）為分析對象，以玻璃樣品棒蘸取少量液體于樣品棒尖端，靠近電弧打火機所產(chǎn)生的弧柱中心位置，即可在幾秒內得到包含液體樣品信息的質譜圖（圖4）?？Х纫虻玫劫|子化分子[M+H]+（m/z195）的信號峰。抑霉唑、蒽和1,2-二苯乙烯則主要以其分子的自由基陽離子M+·形式被檢測，分別得到m/z297、178 和180的信號峰。其中，可以查得蒽（7.44 eV）和1,2-二苯乙烯（7.66 eV）同樣具有較小的電離能，質譜結果與2.1.1 節(jié)一致。電弧打火機離子源對這些化合物的響應強度均超過106，說明此離子源對極性不同的液體樣品都具有良好的分析能力，可作為一種快速定性分析技術。

圖4 以電弧打火機為離子源分析液體樣品的質譜圖：（A）咖啡因；（B）抑霉唑；（C）蒽；（D）1,2-二苯乙烯Fig.4 Mass spectra of liquid samples analyzed by electric arc lighter ion source: (A) Caffeine;(B) Imazalil;(C) Anthracene;(D) Stilbene

同時，不同于DBDI[6]，此離子源對極性較大的化合物（如氨基酸）也可實現(xiàn)良好分析。本研究選取4 種常見的天然氨基酸的標準溶液，以玻璃樣品棒蘸取法進行直接分析，在瞬時的電弧等離子作用下，可分別測得m/z132、120、116 和147 離子信號，對應質子化的L-亮氨酸、L-蘇氨酸、L-脯氨酸和L-谷氨酰胺（圖5）。

圖5 以電弧打火機為離子源分析極性大的液體樣品的質譜圖：（A）L-亮氨酸；（B）L-蘇氨酸；（C） L-脯氨酸；（D） L-谷氨酰胺Fig.5 Mass spectra of polar liquid samples analyzed by electric arc lighter ion source: (A) L-Leucine;(B) L-Threonine;(C) L-Proline;(D) L-Glutamine

2.1.3 固體樣品分析

在經(jīng)典的離子源中，固體樣品通常需要溶解于適當溶劑中才可上樣分析，這不利于藥物制劑、生物組織和爆炸物等樣本的分析。然而，在大多數(shù)敞開式離子化技術中，固體樣品的充分解吸是一個較為困難的問題[7]。對于粉末或顆粒狀固體，液相萃取法較為適合樣品的離子化；而對于塊狀固體，通常需要等離子體、熱能或激光等高能手段實現(xiàn)充分解吸與離子化[23]。電弧等離子體具有較明顯的熱效應，對于需要較強解吸能力的固體樣品的分析具有優(yōu)勢，可實現(xiàn)不同形態(tài)固體樣品的直接分析[16-17]。

糖精鈉和安賽蜜是兩種常見的人工甜味劑，研究表明，長期過量攝入人工甜味劑對人體有害[24]。目前，已報道的質譜檢測方法包括高效液相色譜-質譜聯(lián)用法（HPLC-MS）、DART、敞開式火焰離子化法（AFI-MS）和以富勒烯醇為基質的基質輔助激光解吸離子化質譜（MALDI-MS）法[25]。在這些方法中，甜味劑標準品和實際食物樣品都需要經(jīng)過溶解和萃取等前處理過程才能進行檢測。采用電弧打火機作為離子源，以鑷子夾持法直接分析安賽蜜和糖精鈉兩種塊狀樣品，在負離子模式下，可分別檢測到m/z162 的安賽蜜[M–K]–信號和m/z182 的糖精鈉[M–Na]–信號，以及m/z62 的NO3–信號，表明此離子源有良好的解吸和離子化能力（圖6）。

圖6 以電弧打火機離子源分析離子型固體化合物的質譜圖：（A）安賽蜜；（B）糖精鈉Fig.6 Mass spectra of ionic compounds solid samples analyzed by electric arc lighter ion source:(A) Acesulfame;(B) Saccharin sodium

2.2 電弧打火機離子源應用于實際樣品的快速定性鑒定

電弧等離子體具有熱效應與優(yōu)良的離子化性能，對于需要較強解吸能力的固體樣品的分析具有優(yōu)勢，可實現(xiàn)固體樣品的直接分析，這在藥物片劑的快速篩查領域具有應用潛力。選取復方對乙酰氨基酚片、復方氨酚偽麻美芬片、阿奇霉素分散片和氯雷他定片4 種固體藥物片劑，以鑷子夾持法在電弧打火機產(chǎn)生的瞬時等離子體上進行直接分析，可以觀察到4 種藥物中的主要活性成分都能從輔料基質中解吸，并實現(xiàn)離子化（圖7）。在復方對乙酰氨基酚片中，主要檢測到質子化對乙酰氨基酚（m/z152）和咖啡因（m/z195）的[M+H]+離子信號。在復方氨酚偽麻美芬藥片中，可同時檢測到質子化對乙酰氨基酚（m/z152）、偽麻黃堿（m/z166）、苯海拉明（m/z256）和右美沙芬（m/z272）4 種有效成分的[M+H]+離子信號。對于分子量較大的阿奇霉素，也能較單一地檢測到M+.信號（m/z749）。在氯雷他定片中檢測到主成分質子化氯雷他定[M+H]+（m/z383）為主的離子信號。上述實驗結果表明，電弧打火機離子源在分析固體片劑時，具備快捷、靈敏、受藥片基質輔料干擾小等優(yōu)勢，這使得其在藥品的快速篩查中具有良好的應用前景。

圖7 （A）復方對乙酰氨基酚片、（B）復方氨酚偽麻美芬片、（C）阿奇霉素分散片和（D）氯雷他定片的質譜圖Fig.7 Mass spectra of 4 kinds of drug tablets analyzed by electric arc lighter ion source: (A) Compound acetaminophen tablet;(B) Compound paracetamol pseudoephedrine tablet;(C) Azithromycin dispersible tablet;(D) Loratadine tablet

此外，通過兩個呼氣實驗模擬了實際檢測場景?？瞻讓嶒灡砻鳎驹刚咴趯嶒炃熬荒茉谄浜魵庵袡z測到咖啡因、尼古丁或可替寧的質譜信號。隨后，志愿者A 攝入15 mL 咖啡后間隔3 min，對著電弧打火機的弧柱進行呼氣，同時打火機置于質譜進樣口前方，質譜處于一級全掃描模式，幾秒后在所得質譜圖中觀察到明顯的咖啡因[M+H]+信號（m/z195）（圖8A）。志愿者B 吸煙后間隔3 min，對著電弧打火機的弧柱呼氣，同時打火機置于質譜進樣口前方，質譜處于一級全掃描模式，幾秒后即能檢測到志愿者呼氣中尼古丁[M+H]+的信號峰（m/z163）以及其代謝產(chǎn)物可替寧[M+H]+的信號峰（m/z177）[26]（圖8B）。

圖8 （A）志愿者A 攝入咖啡后的呼氣檢測質譜圖；（B）志愿者B 吸煙后的呼氣檢測質譜圖；（C）呼氣檢測示意圖Fig.8 Applications of electric arc lighter ion source: (A) Mass spectrum of breath detection after volunteer A drinking coffee;(B)Mass spectrum of breath detection after volunteer B smoking;(C)Diagram of breath detection

在以上兩個呼氣檢測的實際場景應用中，樣品的分析均無需繁瑣的前處理過程，且所得質譜圖可實時、在線地反映樣品的信息。綜上，電弧打火機離子源具有快捷、便利、靈敏、準確定性分析的特點，有望作為一種實用的鑒別手段應用于刑偵和藥物檢測等領域。

3 結論

利用便攜式電弧打火機產(chǎn)生的瞬時電弧等離子體，實現(xiàn)了氣體、液體和固體狀態(tài)樣品的直接分析。在高溫、高能及富含大量活性物種的等離子體作用下，不同形態(tài)、不同極性及難以解吸的固體化合物均可獲得快速準確的定性分析結果。市售的片劑藥物可在無需任何前處理的條件下在此離子源上獲得多種活性成分信息；同時，在不同場景下的人體直接呼氣檢測中可獲得有價值的呼氣成分信息。此敞開式離子化技術成本低廉、靈活便攜、快捷高效、解吸能力強、離子化性能優(yōu)良，有望成為快速鑒定篩查的實用工具，在原位監(jiān)測和現(xiàn)場分析中發(fā)揮重要作用。