直接离子化装置研究新进展

张兴磊 张华 王新晨 黄科科 王丹 陈焕文

摘 要 在常压下直接离子化是质谱分析研究的热点方向之一。经过多年的发展，基于直接离子化而发展起来的复杂基体直接质谱分析技术已广泛应用于各研究领域，日益显示出其重要作用。目前已报道了上百种不同的直接离子化技术，已有不少文献对其进行了总结、分类与展望。本文从能量作用方式的角度，展示典型技术的直接电离工作原理与模式，对近五年出现的新型离子化技术和装置进行总结和简要述评，讨论了现有技术的优缺点，对未来直接离子化技术可能的应用与发展方向进行了展望。

关键词 质谱； 直接离子化； 直接分析； 能荷传递； 评述

1 引 言

自2004年电喷雾解吸电离（Desorption electrospray ionization，DESI）直接质谱分析技术提出以来，直接质谱分析技术已成为目前质谱学研究的重要领域之一，它可在无需样品预处理的前提下，实现复杂样品的快速质谱分析，极大地提高了分析效率。经过十余年的发展，直接质谱分析技术已经广泛地应用于各个研究领域，并发挥着越来越重要的作用。截止到2018年7月，以“Ambient mass spectrometry”为关键词，在Web of Science上进行检索，有7680条文献记录，其中近两年发表的文献每年超过700篇，并呈现稳步上升态势。针对不同的分析对象和目的，国内外已开发出了上百种能够承受不同复杂基体并在常压条件下直接离子化的技术（简称直接离子化技术），并在组学分析[1～3]、活体分析[4，5]、环境检测[6]、药物品质评价[7，8]、食品安全分析[9]、刑侦分析[10]、质谱成像[11]等诸多领域得到了重要应用。典型直接离子化技术，如DESI[12]、DART[13]、EESI[14]、LTP[15]、DBDI[16]、DAPCI[17]等技术经过持续的研究，已有较为成熟的理论支撑并显现出了重要的实用价值。目前已有文献从离子化机理研究和应用领域等角度对离子化技术进行了总结、分类与展望[18～20]，本文主要从能量作用方式的角度概述直接质谱技术，并对近五年来出现的新型离子化技术和装置进行总结，讨论了现有技术的优缺点，对未来直接离子化技术可能的发展方向和趋势进行了展望。

2 基本原理

基于离子化能量源（如电、光、热、声音等）的差异，直接离子化技术能量耦合形式主要包括喷雾电离、电场电离、光致电离和热致电离。不同的直接离子化技术或施加单一的能量形式进行样品的直接离子化，或以多种能量组合的形式来实现目标样品的离子化。针对实际样品形态的多样性（包括固、液、气、胶体，甚至非均相形态等），本课题组提出了直接制备目标分子离子的二维和三维模型，归纳了能荷在不同相态中的传递过程[18]。在二维模型中，能荷载体与实际样品直接在二维平面碰撞，将能荷转给目标分子，完成表面解吸电离，适用于表面分析或质谱成像； 在三维模型中，能荷载体在三维空间与实际样品碰撞融合，将能荷转移给目标分子，完成空间萃取电离，适用于各种特别复杂的样品（如血液、尿液、污水等）及活体质谱分析。在实际工作中，应该根据实际样品的理化性质和状态等情况合理地选择能荷载体和能荷传递的方式，以达到满意的分析结果。以下分别对不同能量形式的离子化技术进行简要归纳。

2.1 喷雾电离

喷雾电离技术以带电小液滴为初级试剂离子，并借助一定方式将其能荷转移到复杂基质样品上，从而实现待测物的直接电离。喷雾电离的离子化技术一般包括两个步骤：（1）利用鞘气或电场使液体产生带电小液滴，形成具有一定能量的初级试剂离子，如超声喷雾或电喷雾； （2）携带能量的初级试剂离子与待测样品在二维表面或三维空间[18]中接触并相互作用，发生能量和电荷的转移，实现待测物的离子化。实际样品多以固、液、气、胶体、甚至非均相等形态存在，为满足不同样品分析的需要，各类以喷雾电离为基础的直接离子化技术相继涌现，如电喷雾解吸电离（Desorptive electrospray ionization， DESI）[12]、 电喷雾萃取电离（Extractive electrospray ionization， EESI）[21]、超声喷雾解吸电离（Desorption sonic spray ionization， DeSSI）[22]、空气动力辅助电离（Air flow assisted ionization，AFAI）[23]、熔滴电喷雾萃取电离（Fused droplet electrospray ionization， FDESI）[24]、纳升电喷雾萃取电离（Nano extractive electrospray ionization， nanoEESI）[25]、组织喷雾电离（Tissue-spray ionization，TSI）[26]等技术。

其中，DESI是在二维表面直接制备目标分子离子的典型离子化技术，它通过ESI制备的带电液滴对样品表面的待测物进行吸解电离，在二维表面上进行能荷的转移，实现目标物的离子化。DeSSI仅通过超声喷雾（无需外加电压）制备得到带电小液滴，无需外加电场的特点使得其具有温和的电离能量。尤其是EESI分别采用电喷雾通道和样品通道，将带电液滴和中性样品喷雾在相对宽阔的三维空间内进行碰撞融合，在三维空间中进行能荷的传递和转移，获得待测物离子，进一步提高了复杂基体的承受能力。EESI是一种比ESI更加温和的软电离技术，有利于进行化学反应监测、活体组织分析等应用研究，且在活体无损分析方面具有良好的应用前景。由于是以带电小液滴为初级能荷载体，该类技术可用于强极性物质和生物大分子的快速质谱分析。

2.2 电场电离

基于电场放电产生初级离子的技术主要包括采用常压电晕放电、辉光放电进行的大气压化学电离（Atmospheric pressure chemical ionization， APCI）和等离子体电离。实时直接分析（Direct analysis in real time， DART）技术是在放电室内的针电极和多孔电极之间施加高达几千伏的电压，激发辉光放电，使得气态的He原子或N2分子变为激发态，腔体内形成的含有离子、电子和激发态气体的等离子体气流从DART出口端喷出至样品表面，从而对样品进行热辅助的解吸附和离子化。DART较适用于小分子化合物的快速离子化，已在食品、药品、代谢产物等的分析中得到广泛的应用。例如，Jagerdeo等[27]采用DART-MS对尿液中的代谢物进行直接分析检测； 栗则等[28]采用DART-QTOF-MS建立了中药保健品中人为掺杂的合成降糖药的快速筛查方法。在电晕放电空间插入绝缘介质的非平衡态气体放电技术称为介质阻挡放电电离（Dielectric discharge barrier ionization， DBDI）[29]技术，利用气流将介质阻挡放电产生的由大量的电子、离子和激发态原子所组成的等离子体延伸至离放电区域较远的地方，即可得到低温等离子体（Low-temperature plasma probe， LTP）[15]。由于形成的尾焰很细，因此称为低温等离子体（LTP）探针。Huang等[30]利用LTP对全脂奶、鱼和奶粉中的三聚氰胺进行了检测，检出限达到250 ng/mL，且单个样品分析时间仅为0.5 min。由于LTP所形成的等离子体的温度约为30℃，并且绝缘体隔离了高电压，所以LTP可直接对皮肤上的化学物质如可卡因等进行检测，还可用于字画上印章的质谱成像[16]。电场电离技术还包括常压萃取化学电离（Extractive atmospheric pressure chemical ionization， EAPCI）[31]、等离子体辅助解吸电离（Plasma-assisted desorption ionization， PADI）[32]、表面解吸化学电离（Desorption atmospheric pressure chemical ionization， DAPCI）[33，34]、氦氣常压辉光放电电离（Helium atmospheric pressure glow discharge ionization， HAPGDI）[35]等技术。电晕放电、辉光放电和等离子体提供的能量相比于ESI往往较高，该类离子化技术对低极性，甚至非极性化合物具有较好的离子化能力。

2.3 光致电离

光致电离技术主要采用紫外、红外、激光等为能量源，直接光电离或者基质辅助激光电离产生初级离子。光致电离技术往往无需加载高电压，无需喷雾溶剂，无需气体辅助离子化，且具有较低的功率消耗，通过合理选择波长就可选择性电离待测物，减少基体物质的干扰。此外，借助激光分辨率高、方向性好、能量高等特点，可使样品快速气化并电离。光致电离技术包括表面解吸激光电离（Desorption atmospheric pressure photo ionization， DAPPI）[36]、常压基质辅助激光解吸电离（Atmospheric pressure laser matrix-assisted desorption ionization， APMALDI）[37，38]、常壓激光解吸/电离（Atmospheric pressure laser desorption/ionization， APLDI）[39]、等技术。

此外，不同形式的能量可通过一定的方式进行耦合，以结合不同能量形式源的优点，提高目标物的离子化效率和分析性能，如激光电离可与电喷雾电离技术相结合，提高电离效果，同时满足分析的空间分辨率要求。已经开发出激光诱导超声解吸/电喷雾电离（Laser-induced acoustic desorption and electrospray ionization， LIAD/ESI）[40]、基质辅助激光解吸电喷雾电离（Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization， MALDESI）[41]、电喷雾辅助激光解吸电离（Electrospray-assisted laser desorption ionization，ELDI）[42]等技术。

2.4 热致电离

热致电离技术采用高温、热辐射光子的能量激发分子离子化。热解吸化学电离（Thermal dissociation chemical ionization， TDCI）[43]技术通过热解离子化合物试剂，产生大量试剂离子，高浓度试剂离子与样品中的待测物分子发生碰撞，使样品中的待测物分子离子化，具有无需高压气体、采用室温离子液体为电离试剂（无毒无污染）、灵敏度较高等优点。离子化合物试剂热解产生的阳离子和阴离子具有很高的反应活性和电离能力，适用于弱极性、非极性化合物的分析检测，还可通过使用特定的试剂离子实现待测物的选择性电离，提高分析灵敏度。热致电离技术还包括激光二极管热解吸（Laser diode thermal desorption， LDTD）[44]、常压热解吸电离（Atmospheric pressure thermal desorption ionization， APTDI）[45]、快速蒸发电离（Rapid evaporative ionization， REI）[46]等技术。

3 近五年发展的新型直接离子化技术

近五年来发展的部分代表性的直接离子化技术归纳于表1中，并对部分典型的直接离子化技术进行简要的介绍。

3.1 固相载体直接电喷雾电离

固相载体直接电喷雾电离（Substrate electrospray ionization）技术是近年快速发展的一种直接离子化技术，它利用固相载体基质代替了传统的毛细管，具有简单、方便、快速的特点。该类技术的主要方式是将样品装载或富集于固相载体基质（如滤纸[74]、牙签[75]、涂层刀片[76]、玻璃片[77]、铝箔纸[78]、笔尖[53]、线[79]等）上，在载体基质上加一定体积的溶剂，在电场的作用下，在载体基质的表面产生电喷雾用于质谱检测，从而实现样品的直接质谱分析（图1）。其中，典型离子化技术主要有纸喷雾电离（Paper spray， PS）[74]、牙签电喷雾电离（Wooden tip spray， WTS）[75]、涂层刀片电喷雾电离（Coated blade spray， CBS）[80]等离子化方式。该类直接离子化技术已获得了广泛应用，如纸喷雾电离质谱（PS-MS）可对血液中的药物含量进行定性和定量分析，并已应用于食品、刑侦分析等领域[74]，且已开发出纸芯片技术[81]，纸芯片可与LTP离子化技术相结合，实现复杂样品的高通量分析。此外，研究人员近年对传统的滤纸或木质牙签的表面进行改性，开发出一系列功能化材料修饰的纸基质或木牙签基质，如在纸基质的表面修饰功能化材料如铂纳米颗粒/纳米管[82]、二氧化硅[83]、二氧化锆[84]、碳纳米管[85，86]、MOF材料[87]、聚苯乙烯微球[88]、三氯（3，3，3-三氟丙基）硅烷[89]等，或在木质牙签的表面修饰功能化的疏水性基团（C18）、碱性基团（NH2）、酸性基团（SO3H）[75，90]，以提高载体基质取样的选择性，从而提高离子化效率，实现复杂样品中痕量物质的快速分析。另外，开发出的分子印迹膜电喷雾电离（Molecularly imprinted membrane electrospray ionization， MIM-ESI）[91]技术和涂层刀片电喷雾电离（CBS）[76，92，93]技术也利用了固相载体基质选择性吸附的特点，提高了分析方法的选择性和灵敏度。

3.2 内部萃取电喷雾电离技术

内部萃取电喷雾电离源（iEESI）是在电喷雾萃取电离技术（EESI）的基础上发展而来的，该技术可实现整体样品内部化学组分的直接质谱分析[2， 47]，如图2所示，iEESI对整体样品分析时，直接将带电的萃取溶剂注入到样品的内部，溶剂对样品内部的化学组分进行萃取，在电场作用下，萃取液会在样品的前端产生电喷雾，从而实现样品内部化学组分的直接质谱分析。与常见的表面取样直接离子化技术不同，该技术可直接获取植物或动物组织样品内部成分的定性或定量信息。目前，iEESI-MS已应用于多个领域中，如在植物代谢研究中，iEESI-MS可快速获得植物组织样品的内源性代谢物信息，实现多种植物组织的快速分析[2]； 在食品安全中，该技术可用于肉制品中多种非法添加物的快速高灵敏检测[94]； 在临床诊断中，利用iEESI-MS可对癌组织和癌旁组织进行快速区分，判别癌症病灶[47，95]。另外，在分析动植物组织整体样品的基础上，为了满足液态复杂样品分析的需要，对iEESI-MS技术进行改进，利用功能化材料对样品进行固相萃取，将富集目标物的材料制备成一个iEESI整体样品，进而进行iEESI-MS分析。利用该技术已经实现了人尿中的多环芳烃[96]、牛奶样品中的抗生素[97]和血液中血红蛋白[93]的快速质谱分析。

3.3 单细胞电离技术

近年来，单细胞分析备受关注，是当今分析化学领域的研究热点。已报道的单细胞分析技术主要有单细胞荧光成像法、单细胞电化学法、单细胞质谱法。其中，单细胞质谱法因具有极高灵敏度和高通量的特点，是单细胞分析的重要研究方向，而单细胞的电离技术无疑是单细胞质谱分析的关键技术和难点[98]。目前单细胞质谱分析的离子化方法主要有：直接吸取细胞内容物进行nanoESI-MS、萃取后进行电离和解吸电离[98]。直接吸取细胞内容物进行nanoESI-MS是以微米级的毛细管直接吸取单细胞内液体进行nanoESI-MS分析，主要技术有单细胞视频质谱法（Live single-cell video-MS）[99]、毛细管微取样电喷雾质谱法（Capillary microsampling ESI-MS）[100]、内部电极毛细管取样探针电喷雾电离质谱法（Internal electrode capillary pressure probe ESI-MS）[101]、诱导纳升电喷雾电离质谱法（Induced nanoESI-MS）[102]等技术。例如，毛细管微取样电喷雾质谱法（图3A）利用微米级（尖端直径0.2～5.0 μm）的毛细管直接吸取细胞内的细胞液体，然后直接进行nanoESI-MS分析[100]。萃取后进行电离的离子化方式主要是结合液-液微萃取（Liquid-liquid microextraction）或固-液微萃取（Solid-liquid microextraction）对细胞内组分进行萃取后直接离子化，主要技术有Single-probe MS[103]、探针电喷雾电离法（PESI）[104，105]、Surface coated probe （SCP）-nanoESI[106]、Direct sampling probe （DSP）[107]等技术。单细胞分析的解吸电离法主要包括电喷雾解吸电离（DESI）[108，109]、超声喷雾电离（EASI）[110]、激光消融电喷雾电离（LAESI）[111]、激光解吸/电离液滴传递（LDIDD）[66]等技术。Single-probe MS技术如图3B所示，该方法利用双通道的喷头，一个通道将萃取液注入到细胞内部，对细胞内化学组分进行液-液微萃取后，萃取物经另一个喷头流出进行nanoESI-MS[103]； 基于打印式进样的探针电喷雾质谱法如图3C所示，打印式进样得到含有单细胞的微小液滴，单细胞液滴在重力作用下落到探针尖端进行PESI-MS分析[105]。目前，众多不同的技术虽然已实现了单细胞质谱分析，但是，因为单细胞本身体积非常小（fL～pL），且细胞内不同物质的浓度差异特别大，其检测灵敏度和空间分辨率仍需要进一步提高。

3.4 多功能集成式离子源

针对不同直接离子化技术的特点，近期提出了将多种能量形式的离子化技术模块集成到一个装置中，做成集成式的离子源（Integrated ambient ionization source， iAmIS）[73]。

该集成式离子源将大气压光辉放电电离源（FAPA）、实时在线分析电离源（DART）、介质阻挡放电电离源（DBDI）、低温等离子体电离源（LTP）、解吸电喷雾电离源（DESI）、激光解吸电离源（LDI）模块进行了重新组装，集成到同一个离子源装置中（图4）。对样品分析时，可综合不同电离源模块特有的优势，针对目标待测物的性质，选择不同的离子源模块对样品进行直接电离，提高了离子源的离子化效率，获得了更优的分析性能。例如，iAmIS源可实现对极性、弱极性化合物的分析[73]。

4 结论与展望

直接质谱技术经过多年的开发与发展，其应用价值已得到证明，除直接离子化技术本身具备的对复杂基体样品快速、实时、在线、原位、活体分析等特点外，还得益于本领域技术的发展以及技术多样化、装置小型化、定位多功能化、分析定量化为目标。但是，整体来看，仍有共性的问题需要解决，如直接离子化理论研究不够深入，如能更加深刻地了解直接离子化的能量与电荷传递机制，则可提高这些技术的分析性能，优化与改进离子化装置； 此外，仪器装置产业化有待加强，从原理到装置的转化力量薄弱，除少数理论研究相对深入的离子化技术实现了产业化、小型化外，多数离子化技术仍处于实验室装置阶段，除受机理研究不成熟所限外，精密制造条件也同样限制了对所研制装置进行产业化和批量生产。

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