常压敞开式质谱离子源发展趋势

张秀丽， 宁录胜， 俞建成

(宁波大学高等技术研究院，浙江宁波 315211)

1 引言

质谱技术作为当今最有发展前景的分析技术之一，在生命科学、材料分析、公安刑侦、食品安全、环境监测以及航天和军事技术等诸多热点领域发挥着不可替代的作用[1]。离子源作为质谱仪器的核心部件，其改进和革新不断推动着质谱技术的跨越式发展。例如，基质辅助激光解吸附离子源(MALDI)[2]和电喷雾离子源(ESI)技术的诞生，加速了生命科学研究领域的革命。这两种技术的发明人Tanaka和Fenn也因此获得了2002年的诺贝尔化学奖。虽然传统离子源(ESI和APCI源等)在实验室应用中具有重要价值，但是在样品原位快速分析方面，存在实时性差、需要样品预处理、样品易污染和对不同极性的目标化合物存在电离选择性等问题[3]。敞开式质谱离子源是离子源领域的又一场革命，是一种无需或者只需很少样品前处理过程，可在敞开式大气压环境中直接对样品进行解吸和离子化的新型离子源，能满足原位、实时、快速的质谱分析的需要，是当前质谱仪器领域竞争的热点和前沿。

敞开式质谱离子源技术起源于2004年普渡大学Cooks教授课题组提出的电喷雾解吸离子源(DESI)技术，该技术使得无需样品预处理的表面样品上痕量物质的直接快速质谱检测成为了可能[4 - 8]，为实现无需样品预处理的现代质谱分析方法打开了一个窗口，此后受到国内外科学家的广泛关注，相关研究不断涌现，截至目前该类离子源已经超过40余种[9]。目前，敞开式质谱离子源的发展主要存在以下问题：(1)基体效应难以忽略，一般无法直接用于复杂样品分析；(2)大多都没有可视化的等离子体束，样品表面定位不准确，空间分辨率较低；(3)离子空间聚焦及远距离传输能力较弱；(4)定量分析精密度较差，重现性不佳。针对上述问题，陈焕文教授等[10 - 11]提出了电喷雾萃取离子化(Extractive Electrospray Ionization,EESI)技术，能较好地克服基体效应，实现了活体、复杂混合物体系的原位质谱分析等。诺贝尔化学奖获得者John Fenn教授和普渡大学Cooks教授均对该技术的进一步发展寄予了厚望。张新荣教授等[12 - 13]提出了介质阻挡放电离子化(Dielectric Barrier Discharge Ionization，DBDI)技术，并在此基础上与美国普渡大学Cooks教授等[14]合作开发出低温等离子体探针(Low Temperature Plasma,LTP)技术，产生的等离子体肉眼可视，便于样品表面的准确定位，在质谱成像和生物活体原位研究等领域具有重大价值。2016年，作者所在团队与张新荣教授合作研制出我国第一台商品化介质阻挡放电离子源，该成果经张玉奎院士等专家鉴定“技术成果处于国际先进水平，具有良好的应用前景和市场前景，属国际首创”。再帕尔研究员等[15]提出了空气动力辅助离子化(Air Flow Assisted Ionization，AFAI)技术，实现了离子在大气压状态下的远距离传输，提高了敞开式质谱离子源的灵敏度，在大面积活体分析、远距离样品分析及实时监测等方面取得了新突破。

本文分别介绍了电喷雾萃取离子源、介质阻挡放电离子源以及空气动力辅助离子源的原理、设计改进和应用进展，并展望其发展趋势。

2 电喷雾萃取离子化技术

2.1 原理

电喷雾萃取离子化(EESI)技术由陈焕文教授等[10]于2006年首次提出，该技术综合了电喷雾电离(ESI)和电喷雾解吸电离(DESI)技术的优点，并融入了液-液微萃取理论和技术，其主要由电喷雾通道和样品引入通道构成，样品引入和电离是相对独立的，带电的初级离子在三维空间内与样品液滴发生融合、碰撞、萃取和电荷转移等过程实现离子化，所得待测物的气相离子供后续的质谱分析。在EESI 源中，能/荷传递以及中性物质的萃取和离子化过程均在一个相对较大的三维空间内完成，因此EESI 的基体效应可显著下降。同时带电液滴与中性待测物的接触时间和有效空间都较长，使得 EESI 具有较好的稳定性和灵敏度。此外，样品的主体与电场或带电粒子等是隔离的，不受刺激性或有毒有害试剂(如甲醇等)的污染，因而特别适合进行生物样品分析、化学反应过程监控和动植物的活体质谱分析等，尤其是在活体代谢组学研究等方面具有巨大的应用前景。

2.2 设计改进

针对不同的样品分析需求，不同研究者对EESI技术进行了优化、改进及与其他技术的耦合，使其具备了较好的现场分析能力和极端基体耐受性，适用于不同形态样品的分析。如，Chen 等[16 - 17]于2007年首次提出用于EESI 质谱分析的中性解吸(Neutral Desorption,ND)技术，解决了常规EESI不能分析固态样品表面以及粘稠样品的问题，扩展了样品分析范围，能够分析复杂基质样品包括液态、气态、气溶胶和固体表面样品甚至非均相或粘稠态样品，极大地拓展了EESI 技术的应用领域[17 - 19]。然而由于 EESI 和 ND -EESI 装置均需使用钢瓶来提供高压载气(N2)，所以 EESI和 ND -EESI 仅适用于样品的实验室分析而不能用于现场分析。为了克服这个难题，李明等[20]于2009年在常规 EESI 技术的基础上，开发了一种新型纳升电喷雾萃取电离(nanoEESI)技术，该技术不需要笨重的钢瓶，分析速度快，因此非常适合复杂基质样品的现场高通量直接分析。此外，为了避免因样品纯度问题导致毛细管堵塞现象，出现了一些非毛细管喷射技术，这些技术在避免毛细管堵塞的同时，还能减少样品的损失,适合微量样品的检测。如，2010年，清华大学林金明教授与Cooks教授合作开发了纸基喷雾离子化(Paper Spray Ionization,PSI)技术[21]，该技术具有较强的分离和耐基体能力。在此基础上，Liu等[22]于2010年提出了叶子喷雾离子化(Leaf Spray Ionization，LSI)技术，为植物组织样品的分析提供了更快捷的方法，但该方法只能分析样品的浅表层。因此，Zhang等[23 - 24]于2013年提出了内部电喷雾萃取离子化(Internal Extractive Electrospray Ionization，iEESI)技术，该技术可在非破碎、不离体及无需预处理的前提下直接对整体样品内部活性成分进行分析。虽然用纸、叶子和生物组织等作为喷雾载体，在特定领域具有一定的优势，但仍存在基体干扰、重复性差、喷雾不稳定等弊端。因此，哈尔滨工业大学姜杰教授课题组与清华大学合作，提出液滴电喷雾离子化(Droplet Spray Ionization，DSI)[25]技术，以玻璃基质为载体，对待测样品无干扰，较好地解决了上述问题。EESI在定量分析方面做了诸多研究，如Li等[26]于2012年采用同位素稀释EESI串联质谱法对尿肌酐(CRE)定量分析，检测限(LOD)低于50 μg/L,定量曲线R2值为0.9861。Xu等[27]于2013年采用EESI串联质谱法对氨基酸进行定量分析，检测限(LOD)范围为0.14～26.2 mg/L。Li等[28]于2013年采用EESI离子阱串联质谱法对尿中1-羟基芘进行了定量分析，检测限(LOD)为0.75 mmol/L，定量曲线R2值为0.9941。Tian等[29]于2014年提出采用EESI串联质谱法对四溴双酚A及其衍生物进行定量分析，定量曲线R2值大于0.9919。邹雪等[30]于2015年采用EESI-MS/MS 实现了对PVC 输液管内残留环己酮的准确定性分析和定量分析。Huang等[31]于2016年提出将一种测量标准与EESI耦合，能够准确定量检测血清中肌酐，定量曲线R2值为0.994。

2.3 应用研究

由于EESI技术和装置的快速发展，EESI已经广泛应用于食品质量检测、药物检测、环境监测、化学反应实时监测、毒品和爆炸物检测、活体分析以及代谢组学等研究领域。Law 等[32 - 33]采用ND -EESI 装置，对复杂基质粘稠物如蜂蜜、橄榄油等含有的挥发性和非挥发性物质进行了直接解吸，实现了粘稠食品的快速分析。Li等[34]采用nano -EESI-MS直接对沙丁胺醇和硫酸特布他林气雾剂等治疗哮喘的药物中的有效成分进行了现场快速检测。Li 等[35]采用EESI-MS 检测了塑胶运动场地上方空气中的游离的甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)，为大气污染物的直接快速检测提供了一种思路。Law 等[33]采用ND -EESI-MS 对粘性离子液体 EMIMCl 中果糖转化为 5-羟甲基糠醛的化学反应过程进行了实时监测，为粘性离子液体中化学机理研究提供了方法。胡斌等[36]采用探针式 ND -EESI-MS 技术用于人体皮肤、衣物和纸币等多种基体表面上痕量的可卡因、冰毒、K 粉、海洛因等毒品的直接检测，不但检测速度快(单个样品检测时间仅需 1 s)，而且灵敏度高(检出限可达pg数量级)，实现了对固体样品的快速检测。张燕等[37]采用EESI-MS在无需样品预处理条件下直接对呼出气体中乙腈进行快速质谱定性及半定量分析，为呼吸气体中其它小分子物质的检测提供了新思路，是活体代谢组学和临床诊断研究的一种有效实用的分析手段。卢海燕等[38]与张华等[39]分别采用内部萃取电喷雾电离质谱技术(iEESI-MS) 在无需样品预处理的前提下原位快速分析脐橙与红辣椒的果肉组织，并且对其主要化学成分进行鉴定，建立了一种从分子水平上快速判断蔬果品质的质谱学方法。从上述实例可以看出，EESI技术扩展了样品分析范围，为复杂基质样品的检测提供了快速简便的分析方法，能够与多种质谱仪一起联用，满足了小型化质谱发展的要求，实现了现场快速分析。

3 介质阻挡放电离子化技术

3.1 原理

介质阻挡放电离子化(DBDI) 技术是张新荣教授等[12 - 13]于2007年首次提出，其结构如图1(a)所示，通过介质阻挡放电产生的高能电子与周围气体分子碰撞过程中产生大量的自由基、电子、离子和激发态原子等，作用于样品上实现样品离子化。该离子源具有结构简单、成本低、易操作和重现性好等优点，适合小分子的分析，检测限可达3.5 pmol。并在此基础上与Cooks 教授等[14]合作开发了低温等离子体探针(LTP)技术(图1(b))。LTP 以石英管内的金属丝为内电极，以石英管外包裹的铜箔为外电极，通过交流高压激发He、Ar、N2等工作气体，形成等离子束并喷射出来作用于样品表面，使之解吸并电离。LTP可用于气态、液态和固态物质中化合物以及混合物的分析，检测爆炸物RDX和TNT的检出限可达5 pg，此外等离子体肉眼可视、温度低，便于样品表面的准确定位，在实时原位检测、质谱成像和特殊样品(如生物组织和热不稳定样品)等领域发挥重要作用。

图1 (a)DBDI 离子源原理示意图[12]；(b)LTP探针离子源原理示意图[14]Fig.1 Schematic diagrams of the DBDI source(a)[12];and the LTP probe source(b)[14]

3.2 设计改进

DBDI凭借免辅助试剂、可常压使用、无极性选择性、便于小型化等优点，得到国内外学者的广泛关注，对其开展了诸多改进和应用研究。DBDI的改进主要分为三类：第一类改变电极结构，如Hiraoka 等[40]通过将内电极延伸到绝缘介质管外，使产生的等离子束限制在介质管内部，以增加分析物的离子信号强度；Chen等[41]通过改变几何结构，设计了一种对称T型结构的介质阻挡放电装置，消除等离子体的浮动电压以减小样品的损害以及碎片离子的产生；宁录胜等[42]通过电场调整研究，设计了一种稳定、高效的单电极放电DBDI源，产生的等离子体源外长度可达4 cm，有助于提高DBDI的可靠性和适用性。第二类根据离子化机理，增加样品离子化时与氢离子结合机率，如Jonathan等[43]通过在放电载气中通入氢气以提高离子化样品的能力，从而增强质谱分析灵敏度，经验证0.9%氢气通入后咖啡因的信号强度提高了约12.5倍；Chen等[44]提出用水气替代氢气，也可以提供更多的氢离子，实现DBDI-MS信号强度的提升，该方法虽然不如氢气带来的效果显著，但却更加安全和实用；Saha等[45]提出了莱氏辅助热解吸(LPTD)DBDI离子化方法，能够快速分析非挥发性和热不稳定样品，提高检测灵敏度；Kumano 等[46]设计了一种低气压DBDI 源(LP-DBDI) ，使样品经过等离子体区域和尾焰部分，以提高样品离子化效率。第三类与其他装置结合，如Zhou等[47]将中性解吸装置与DBDI源耦合，并与质谱仪连用，建立了一种快速分析各种地沟油和食用油等粘性样品的方法；Oradu等[48]提出了一种反应纸喷雾方法，将纸喷雾与LTP源相结合，能够在简单和复杂的基质中测定不饱和脂类中的位置。在定量分析方面，DBDI技术灵敏度高，定量曲线线性度好，如Zenobi等[49]于2015年提出的新型毛细管DBDI能够直接、灵敏地定量分析化学战剂及其降解产物，检测限(LOD)范围为1.4～58.4 ppt，定量曲线R2值为0.9995±0.0005；Mirabelli等[50]于2016年将nano-LC与DBDI离子源耦合联用，在农药分析方面具有极高的灵敏度和很好的重现性，检测限(LOD)低至10 pg/mL。

3.3 应用研究

DBDI已经广泛应用于食品安全、公共安全、药物检测、环境监测、化学反应实时监测及质谱成像等研究领域。如，Huang等[51]采用LTP离子源对难挥发的三聚氰胺离子进行离子化研究，并使用该离子源的便携式质谱对全脂奶、鱼和奶粉中的三聚氰胺进行检测，分析速度快，完成单个样品的分析仅需要0.5 min[52]。Na 等[12 - 13]成功利用DBDI 技术在负离子模式下检测了TNT、RDX、PETN等爆炸物，并成功在布料、纸片、土壤、油画表面检测到痕量TNT，且不同表面上得到的信号稳定，重现性高。Gong等[53]采用LTP离子源与质谱联用能够快速检测室内挥发性有机物。Gilbert-López等[54]系统地比较了DBDI、ESI和APCI对蔬菜和水果表面残留的杀虫剂的响应情况来评价DBDI-MS的实用性，结果表明DBDI适用于杀虫剂残留的检测，与APCI相比可以降低基质干扰，同时也可检测出ESI不易离子化的农药。Ma等[55]提出了基于LTP-MS的有机化学反应实时在线监测方法，为化学反应机理的研究提供了有力的依据。Liu等[56]提出了基于LTP探针的质谱成像新方法，可用于中国字画上印章的质谱成像分析，为艺术品真伪鉴定提供了新方法。Maldonado-Torres等[57]使用可调节的LTP探针对辣椒果实的纵切面进行质谱成像分析，结果表明LTP-MSI能够检测和定位生物组织的有机小分子。从上述实例可以看出，该离子源在无需样品预处理的情况下实现气体、液体、固体或材料表面化合物的离子化，可以通过质谱联用进行样品的原位、实时、快速分析，有望在临床疾病诊断、环境监测以及生物活体实时原位研究等领域发挥重要作用。

4 空气动力辅助离子化技术

4.1 原理

空气动力辅助离子化(AFAI)技术由再帕尔研究员等[15]于2011年首次提出，其结构如图2所示，通过引入高速空气流，可提高带电液滴的采集与传输效率，增加带电液滴的传输距离，同时促进带电液滴脱溶剂和样品离子的产生，降低离子与传输管的碰撞损失，最终实现高效率的离子化。该离子化技术解决了样品离子长距离传输问题，实现了离子在大气压状态下的远距离传输。这种新型AFAI 技术提高了远距离敞开式样品的离子化效率和检测灵敏度，扩展了样品分析的灵活性,增强了对大体积物品和远距离目标物的分析能力。在定量分析方面，采用AFAI技术所得的拟合曲线具有良好的线性度。如，Sun等[58]采用AFI-EESI串联质谱法快速直接定量分析邻苯二甲酸酯类(PAEs)，LOD范围为0.011～0.035 mg/g，定量曲线的相关系数为97.58%～99.90%。

图2 空气动力辅助离子化装置(AFAI)的示意图[15]Fig.2 Schematic diagram of the process and principle of air flow assisted ionization[15]

4.2 应用研究

AFAI离子化技术具有ESI、DESI 和APCI 等多种离子化模式，能与大多数商品化的质谱分析器兼容，扩展了其应用范围。如，贺玖明等[59]采用AFAI-MS技术实现了对未知药片的快速、直接实时分析。罗志刚等[60]研制出一种并列式液滴微连接表面采样探针(LMJ-SSP)技术，并采用AFAI-MS方法，实现了对抗癌候选新药在鼠体内组织分布特征的分析，为药物在整体动物内的质谱分子成像提供了支持。Luo等[61]提出了免标记、便捷、高灵敏度的基于AFADESI的整体动物分子成像(Whole-Body Molecular Imaging) 分析新方法，可以高效地获得药物及其代谢物在整体动物体内的分布特征及动态变化信息,为研究药物的靶向作用,预测候选新药的可能肿瘤谱、药效与毒性等提供了新颖直观的方法与手段。He等[62]提出了一种基于AFADESI高灵敏度、高特异性的代谢物质谱成像方法，可以深入理解抗失眠候选药物作用机理，为研究候选药物的分子作用机理提供强有力的技术手段，有望在单细胞代谢组学、生物标志物的原位表征以及早期疾病诊断等领域发挥重要作用。Li等[63]提出了一种基于AFADESI质谱成像的原位代谢组学分析新方法，首次利用发现的生物标记物对组织病理进行快速诊断，有望为发现恶性肿瘤分子诊断标志物和发展新型分子诊断手段奠定良好的基础。从上述实例可以看出，该离子化技术不仅实现了敞开条件下的离子高效生成和远距离传输，而且建立了独特的质谱成像新方法，在高通量快速检测、体内药物及其代谢产物可视化分析、小分子标志物的原位表征和肿瘤生物标志物的筛查及其免标记分子病理诊断应用等研究中取得了新突破。

5 展望

离子源是制约小型化质谱仪器在市场上应用的最主要的因素之一。随着常压敞开式离子源技术的进一步成熟，质谱小型化是质谱仪器未来发展的重要方向和努力目标，不久的将来，小型化质谱仪器在食品安全、公安刑侦及环境保护等对快速、原位、实时要求较高的领域定会得到广泛的应用，质谱仪在市场中的地位从“贵族到平民”将会是一种必然趋势。