敞开式离子化质谱在贸易产品化学风险物质筛查中的应用及前景

谭奥雷，程思敏，马潇潇

(清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084)

随着经济全球化的不断深入推进，国际贸易在世界经济中占比越来越高。2020年4月世界贸易组织发布的《全球贸易数据与展望》报告[1]显示，2019年中国进出口贸易总额为4.58万亿美元，位列全球第一位。贸易关系到国计民生的方方面面。通商口岸中贸易产品化学风险物质的筛查，如玩具中受管制成分的检测、食品质量监控和商品中夹带危险物的检测等，在国际贸易中发挥着不可或缺的作用。货物在进出关口时一旦出现安全问题，不仅会涉及巨额资金风险，还可能对消费者、国家和社会安全带来巨大风险。

目前，广泛应用于贸易产品中化学风险物质筛查的检测技术主要有色谱法[2-4]、光谱法[5-6]、电化学分析法[7-8]、质谱法等。色谱法通过物质的出峰时间对样品中化合物进行定性和定量分析，常用于检测复杂样品中的特定物质，方法灵敏度高，但一般需对样品做预处理才能进样，耗时较长。光谱法利用原子或分子的特征吸收和发射光谱实现对待测物的分析，同时可根据待测物质特定的指纹图谱进行结构鉴定。然而，光谱分析的结果往往会受到复杂样品中基质的干扰。电化学分析法通过物质的电化学反应实现分析，装置简单，操作方便，但一般只能检测具有电化学响应的分子。与上述常规分析技术相比，质谱法通过测定质量这一最基本的属性而实现化合物检测，既可用于分析无机元素[9-10]，又可分析有机分子和生物大分子[11-12]，具有分析速度快、特异性强、灵敏度高等优势。对贸易产品中化学风险物质筛查而言，理想的检测技术应能实现大量产品的准确、快速、高灵敏和高通量分析。为便于现场分析，所采用的分析仪器应具有体积小、能耗低、便携性好的特点[13]。敞开式离子化技术和小型化质谱技术的发展为满足上述检测需求提供了可能，通过敞开式离子化，待测物在原始样品状态下即可实现原位离子化，从而大大加快了样品的分析速度和通量。敞开式离子化质谱可在无需对贸易产品做复杂预处理的情况下，实现现场、快速、高通量和高灵敏分析，在海关、通商口岸的贸易产品中化学风险物质筛查方面发挥着日益重要的作用[14-15]。

本文将综述敞开式离子化质谱技术在贸易产品中化学风险物质筛查方面的应用，并展望其未来在贸易快检领域的发展前景。

1 敞开式离子化

敞开式离子化质谱在贸易产品化学风险物质筛查中的广泛应用离不开离子化技术的发展。从质谱发展历史看，各种离子化方法层出不穷。早期的离子化方法以Dempster[16]在1918年发明的电子电离(Electron ionization)为代表。此后，化学电离(Chemical ionization)[17]、解吸离子化(Desorption ionization)[18]、电喷雾离子化(Electrospray ionization,ESI)[19]等方法不断被提出，解决了低挥发性、液态样品的离子化问题[20-23]。然而，上述离子化技术均要求对样品进行预处理[24]，无法进行直接分析，在实际应用中有一定的局限性。

随着质谱技术的不断发展，样品的原位、实时、快速分析逐渐成为离子化技术发展的趋势和要求，也成为质谱领域的前沿和热门方向之一[25]。2004年，普渡大学Cooks教授团队[26]提出解吸电喷雾离子化(DESI)技术。该技术的第一步是固态或液态样品中的待测物通过液相微萃取进入喷雾液滴在样品表面形成的液膜。之后，在DESI喷雾液滴的冲击下，液膜与气动喷雾所产生的微小液滴相互作用、混合，产生二次带电液滴，完成质谱分析。DESI的出现代表了一种全新的质谱分析概念，使得待测物可在样品中的原始状态下被分析。此后，一大批可在敞开式、大气压环境下对样品进行直接分析的离子化方法陆续被提出。这一质谱研究领域也被称为敞开式质谱或原位质谱(Ambient mass spectrometry)。与传统质谱技术相比，常压敞开式质谱省去了繁琐的样品制备步骤，且无需在密闭空间中对物质组分进行分析，大大简化了质谱分析流程，增强了其在贸易产品中化学风险物质筛查场景的实用性和时效性[27-30]。

2005年，Cody团队[31]开发了实时直接分析(DART)法，在大气压条件下通过对中性或惰性气体放电产生激发态原子或离子，之后利用电场去除气流中的离子。其后，气流使待测物从样品表面脱附，而激发态原子则将分析物离子化，后者进入质量分析器完成质谱分析。McEwen团队[32]提出的常压固体分析探针(ASAP)法对商业ESI离子源和大气压化学电离(APCI)离子源进行改进，通过引入探针，在几秒内完成了对未处理样品的分析。2006年，Chen等[33]提出萃取电喷雾离子化(Extractive electrospray ionization,EESI)法，通过两个单独的喷雾器实现了样品液滴和溶剂液滴间的碰撞和萃取，使目标化合物从分析物溶液转移到溶剂喷雾中，完成后续质量分析。在此基础上发展出的内部萃取电喷雾离子化质谱[34]还可用于表征样品的内部成分。Grimm团队[35]提出的场致液滴离子化(Field induced droplet ionization,FIDI)利用毛细管产生液滴，随后与气相试剂反应，通过高压电场诱导液滴离子化并送入质量分析器。2008年，Harper等[36]采用低温等离子体探针(Low-temperature plasma probe,LTP probe)，实现了待测物的解吸附和离子化。该方法不会损坏样品，甚至可用于活体皮肤表面物质的分析。其他敞开式离子化技术还有碳纤维离子化(Carbon fiber ionization,CFI)[37-38]、常压火焰离子化(Ambient flame ionization,AFI)[39]等。DESI、DART、FIDI等几种典型敞开式离子化技术的工作原理如图1所示。

图1 几种典型的敞开式离子化技术Fig.1 Several typical ambient ionization techniquesA：desorption electrospray ionization(解吸电喷雾离子化,DESI)[26] ;B：direct analysis in real time(实时直接分析,DART)[31];C：field induced droplet ionization(场致液滴离子化,FIDI)[35]; D：low-temperature plasma probe(低温等离子体探针,LTP probe)[36]

根据待测物解吸附机制的不同，敞开式离子化技术大致可分为3种：第一种是动量传递法，借助高速气流或液体使分析物从样品上脱离，这类方法包括DESI和解吸声波喷雾离子化(Desorption sonic spray ionization，DeSSI)等；第二种是液滴溶解法，以EESI和FIDI为代表；第三种是热致表面脱附法，如DART和ASAP等。一般来说，单一离子化技术往往涉及多种不同类型的解吸附机理，共同完成目标分子的解吸附和离子化。根据离子化机制的不同，敞开式离子化技术又可分为两类：一类是基于ESI，包括DESI、电喷雾激光解吸离子化[40](Electrospray laser desorption/ionization，ELDI)和激光烧蚀电喷雾离子化[41](Laser ablation electrospray ionization,LAESI)等；另一类则是基于APCI，如DART、ASAP、解吸大气压光离子化[42](Desorption atmospheric pressure photo ionization,DAPPI)等。在贸易产品化学风险物质筛查的实际应用中，需根据具体检测场景，配合质谱仪器，合理选择离子化技术，以获得满意的分析结果。

2 敞开式离子化质谱在贸易产品化学风险物质筛查中的应用

随着敞开式离子化技术和小型化质谱仪器的不断发展，质谱在贸易产品化学风险物质筛查中发挥着日益重要的作用，涉及的应用场景越来越丰富，进出口货物检测的灵敏度和可靠性也在逐渐提升。

2.1 消费品

消费品在进出口货物中占较大比重，其中玩具、化妆品等属于与人体直接接触的产品，对其进行严格、准确的筛查显得尤为重要。

玩具中过量添加的邻苯二甲酸酯(PAE)会经过呼吸道和皮肤进入人体，干扰内分泌，危害人体健康。Rothenbacher等[43]利用单四极杆质谱结合DART测定了玩具中的添加物。该实验将2 cm×0.2 cm的塑料溶胶样本置于DART气流中，在固定位置连续监控PAE的信号直至稳定，在不破坏玩具样品的前提下实现了邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸丁基苄酯(BBP)、邻苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)等的定量分析，并通过特征性碎片离子区分了同分异构体。单个玩具样品的检测耗时约为8 min，检出限(LOD)均在0.5～1 μg/g之间。高准确度和灵敏度确保其满足欧洲现行法规对玩具中PAE含量的筛查要求，采用三重四极杆质谱可进一步提高检测灵敏度。此外，本课题组与Ma等[44]合作，利用零电压纸喷雾离子化(Zero-voltage paper spray ionization,zvPSI)和透射式低温等离子体探针(Transmission low-temperature plasma probe,T-LTP probe)两种敞开式离子化技术，发展了快速分析玩具中违禁添加物(增塑剂、芳香胺等)的方法。在zvPSI分析中，将预先设计好的图案打印到滤纸上，用于上样；将滤纸的其他部分渗蜡加热处理，利用蜡的疏水性限制样品扩散。在T-LTP probe方法中，分别使用玻璃管(内径2 mm，外径4 mm)和铜棒作为电介质阻挡层和内外电极，利用2.3 kV、40 kHz的交变电压驱动等离子体产生，实现质谱分析。实验涉及的预处理过程仅是利用有机溶剂对玩具表面进行简单化学萃取，无物理损伤，可在3 min内完成违禁添加物的分析，增塑剂和芳香胺的检出限分别为0.080～3.9 ng和0.024～0.77 ng。该法还可与便携式质谱仪联用，极大地提升了贸易产品中化学风险物质筛查的通关效率和检测准确度。

化妆品可帮助消费者表达时尚、修护肌肤。随着经济水平的不断提高，化妆品在国内市场越来越受欢迎，但其中部分添加剂(如苯甲酸酯和防晒剂等)可能会引起过敏反应甚至皮肤病[45]，因而对化妆品中化学风险物质的筛查提出了较高要求。目前，国际上广泛应用于化妆品检测的标准方法为高效液相色谱-质谱法(HPLC-MS)[46]。为加快样品的分析速度，研究者将具有快速采样和离子化能力的敞开式离子源与质谱仪器结合，开展了诸多研究工作。Haunschmidt等[47]利用实时直接分析质谱法(DART-MS)对乳液、唇膏等化妆品进行分析，可在十几分钟内快速检测添加剂的含量。其中，检测苯甲酸酯时无需对样品进行处理，直接将玻璃棒浸入样品，用无绒布擦拭后放入DART离子源中，采用负离子模式进行质谱分析即可；检测防晒剂时则需对样品进行简单的溶解处理和内标定量，然后在正离子模式下进行质谱分析。此方法对防晒剂和苯甲酸酯的检出限分别为2.5～460 μg/g和0.14～0.3 μg/g。利用此法对化妆品的化学成分进行表征，灵敏度、准确度高，且操作简便、节省时间。Ma等[48]将原位离子化技术与Mini12微型质谱仪联用，利用纸喷雾(Paper spray)、萃取喷雾(Extraction spray)等离子化技术开发了直接检测化妆品中苏丹红、苯甲酸酯等成分的方法。在检测口红样品中的苏丹红时，采用纸喷雾法，将样品涂抹到三角形的31ET级色谱纸上，然后向色谱纸上喷洒含有0.3%甲酸的乙醇-二氯甲烷(6∶4)溶剂，在4.0 kV电压的作用下产生尖端喷雾，以正离子模式进行质谱分析，检出限为5～30 μg/kg；检测苯甲酸酯时，采用萃取喷雾法，使用金属探针拾取样品，然后将其插入硼硅酸盐毛细玻璃管(外径1.5 mm，内径0.86 mm，长度5 cm)中，并施加含有0.3%氨水的甲醇-水(6∶4)溶剂，利用 2.5 kV的电压产生喷雾离子化进行质谱分析，检出限为10～25 μg/kg。利用原位质谱技术对化妆品成分进行分析，操作简单，适用于海关、港口等场景的贸易产品中化学风险物质筛查。

阻燃剂是一类可使易燃物获得难燃性的功能性助剂，常被添加到各类生活用品，如窗帘、地毯以及电子器件中。阻燃剂的广泛使用对避免或降低火灾及其次生危害至关重要。另一方面，相关研究表明：部分阻燃剂如多溴联苯醚(PBDEs)和有机磷酸酯等会对人体的内分泌系统、中枢神经系统有不利影响[49]。因此，多种国际标准将多溴联苯醚列为持久性有机污染物[50]。为对纺织家具中的阻燃剂进行快速筛查，Ionas等[51]将少量纺织样品引入直接进样探针中，利用APCI技术进行分析。将蒸发器的温度从225 ℃逐渐升至300 ℃，按照挥发性强弱的顺序在9.5 min内分别检测样品中的多种分析物，多溴联苯醚和有机磷酸酯的检出限分别为37 μg/g和30 ng/g。相较于其他检测方法，如气相色谱-质谱(GC-MS)和法医学显微术(Forensic microscopy)，该方法无需样品制备，避免使用有机溶剂，更为经济、环保。2019年，Puype等[52]用实时直接分析-高分辨质谱法(DART-HRMS)对电子电器废弃物中阻燃剂的含量进行了分析：借助500 ℃左右的氦气将样品中分析物引入到DART与质量分析器之间的空隙中；随后利用Q-ExactiveTMHybrid Quadrupole-OrbitrapTM质量分析器在负离子模式下测定样品中的多溴联苯醚和Sb2O3。与X射线荧光光谱法和热解吸GC-MS联用法相比，DART-HRMS不仅样品制备简单，而且可避免基质效应，在贸易产品中化学风险物质筛查领域显示出良好的应用前景。敞开式离子化质谱在消费品质量检测中常见的应用实例和检测结果如图2和表1所示。

图2 敞开式离子化质谱在消费品中的应用Fig.2 Applications of ambient ionization mass spectrometry in consumer goodsA：detection of chemical components in toys[44];B：screening of illegal additives in cosmetics[48]

表1 敞开式离子化质谱在消费品检测中的应用实例Table 1 Application examples of using ambient ionization mass spectrometry for consumer goods analysis

2.2 食 品

化学添加剂在食品中的适量使用可以改善食品的色泽和口感，延长食品的保质期限。然而，添加剂的过量摄入则会诱发多种慢性疾病甚至癌症，对消费者的健康造成严重影响。因此，食品进出口过程的质量监管尤为重要。

食品包装在食品加工、运输和零售的过程中与食品直接接触，包装材料中的化学物质可能会向食品中迁移，所以其质量必须受到严格监管。Ackerman等[53]通过实时直接分析对食品包装中的添加剂进行检测，确定了13种常见添加剂(包括增塑剂、着色剂和抗氧化剂)的最佳检测条件。该实验还利用自动进样器将样品重复引入DART产生的氦气束中，提高了系统的集成性和工作效率。与传统的分析方法如激光解吸光电子电离质谱(Laser-desorption laser-photo-ionization MS,LDLPI-MS)[54]相比，DART-MS无需对样品进行粉碎或热解，将检测时间控制在3 min内，但该实验的定量性能需进一步研究和改进。采用原位质谱技术对食品包装的化学成分进行检测，可以大幅降低时间成本，提高贸易筛查的通关效率。

含酒精饮料中邻苯二甲酸酯的大量添加会对人体的肝脏、肾脏、睾丸等器官造成严重危害，影响生殖系统发育[55]。此前酒精饮料中邻苯二甲酸酯含量的分析主要采用高效液相色谱法[56]和气相色谱法[57]，分析前需要较为耗时的预处理和富集过程。Miao等[58]利用微波等离子炬离子化串联质谱(MPT-MS/MS)开发了一种稳定、简便的检测方法，将酒精饮料直接喷洒到等离子流上进行离子化，可在30 s内对未经任何预处理的酒精样品中4种邻苯二甲酸酯进行定量，检出限和定量限分别为0.07～2.4 ng/g和0.02～7.9 ng/g。氟硝安定是一种强力的镇静剂和催眠药，常被不法分子与毒品混合添加在酒精饮料中，对消费者的身体健康造成严重危害。DAloise等[59]利用DESI-MS技术对酒精饮料中的氟硝安定进行检测，使用微量移液枪将20 μL待测饮料滴在Whatman®色谱纸上，然后置于DESI喷雾器下方进行质谱分析，可在30 s内得出结果。该实验使用甲醇-水-乙醇(50∶50∶1)作为喷雾溶剂，喷涂电压为5 kV。为克服分析物和纸质基材之间的相互作用，选取较高的雾化气体压力(160 psi)和液体流速(15 μL/min)。利用DESI-MS技术检测酒精饮料中的氟硝安定具有快速(检测时间控制在1 min)、灵敏(定量限为3 μg/mL)、准确(相对标准偏差约5.0%)的特点。将敞开式离子化技术与小型质谱仪联用，可进一步开发敞开式离子化质谱在酒精饮料筛查中的应用场景。

猪肉作为中国肉类市场重要的组成部分，其价格和质量备受消费者关注。国内猪肉消费大量依赖进口，因此进出口贸易中的猪肉质量检测至关重要。猪饲料中非法添加的沙丁胺醇和双氯醇胺等“瘦肉精”常导致猪肉被污染。消费者食用含有瘦肉精的猪肉后会出现心率加快、血压升高的症状，长期食用还会导致严重的心血管疾病[60]。目前常用于检测动物组织中“瘦肉精”的方法主要包括免疫层析法、气相色谱-质谱法等。但前者误差较大，仅适用于初步判定；后者检测过程繁琐，耗时较长，难以满足贸易场景中的高通量筛查需求。为解决这些问题，Xiao等[61]基于内部萃取电喷雾离子化方法(Internal extraction electrospray ionization,iEESI)开发了一种用于快速测定猪肉组织中沙丁胺醇和双氯醇胺的程序。该实验将毛细石英管插入猪肉组织内部，使毛细管尖端和样品尖端的内表面相距2 mm，选择甲醇-水(1∶1)作为萃取剂，将其通过毛细石英管直接导入猪肉组织内部，在5 kV电压的作用下，猪肉样品尖端将产生大量承载猪肉化学成分的电喷雾，电喷雾去溶剂化后以正离子模式进行质谱检测。利用敞开式离子化质谱对猪肉进行检测，具有高通量(检测时间在30 s内)、高灵敏度(沙丁胺醇和双氯醇胺的检出限分别为6.2、9.8 ng/kg)、定量准确(r2分别为0.994 0和0.993 8)、无假阳性的优势，可广泛用于猪肉进出口贸易中“瘦肉精”含量的检测，保障消费者的生命健康安全。

在农作物贸易的过程中，表面药物残留问题一直困扰着大多数消费者。因此，在进出口贸易的过程中，针对农作物表面的残留药物进行筛查显得尤为重要。2010年，Wiley等[62]对未经预处理的水果和蔬菜表面的多种药物直接进行低温等离子体探针质谱(LTP-MS)分析。实验所用LTP探头由内径3.75 mm、外径6.35 mm的玻璃管构成，在探头外侧通上5～10 kV的高频交流电压，从而产生介质阻挡放电现象以使分析物离子从样品表面解吸附。分析物离子在氦气作用下进入质量分析器中进行后续分析，其检出限均低于欧盟和美国环境保护署所设定的最大残留水平(MRLs)。尽管此法的精度较差，难以用于定量分析，但其高效性和化学特异性表明敞开式离子化质谱在农作物表面药物残留筛查中有着较为广阔的应用前景。图3和表2列出了敞开式离子化质谱在进出口食品检测中常见的应用实例和检测结果。

图3 敞开式离子化质谱在进出口食品安全控制中的应用Fig.3 Applications of ambient ionization mass spectrometry in satefy control of food import and exportA：food packaging[53];B：alcoholic beverage[59];C：pork[61]

表2 敞开式离子化质谱在食品检测中的应用实例Table 2 Application examples of using ambient ionization mass spectrometry for food analysis

2.3 爆炸物与毒品筛查

进出口货物种类繁多、数量庞大的特点为爆炸物和毒品等的走私提供了便捷的出入境渠道：不法分子常将违禁物夹带在普通商品的表面或内部，与货物一同出入关口。如果缺乏行之有效的监管和检测方法，走私物会通过进出口岸流通，对国家和社会造成严重的危害。

Takáts等[63]以甲醇和水(1∶1)溶液作为喷雾剂，利用DESI技术对塑料、金属、纸张和皮肤等表面进行原位质谱检测。该方法通过气动电喷雾装置将电喷雾引导到分析物表面，然后收集电喷雾中带电液滴与样品表面分析物分子结合成的二次离子，送入质量分析器，在负离子模式下进行分析，成功检出样品表面的爆炸物，耗时仅几秒钟，检出限低至ng级，其中三硝基甲苯(TNT)的检测灵敏度最高，可达pg级。该方法适用于复杂混合物和复杂表面(例如砖块和混凝土)中的炸药成分分析。如果将此法与便携式质谱仪联用，可极大地提升贸易产品中爆炸物检测的效率和准确性。Forbes等[64]开发了解吸电流聚焦离子化(Desorption electro-flow focusing ionization,DEFFI)技术，利用压强为70 kPa的同心气流将溶剂喷雾聚焦成细束，产生稳定的高速射流，然后将带电的溶剂以48°入射角喷涂到样品表面。带电液滴的高速射流撞击样品点的中心，诱导形成了包含分析物的次级液滴。这些次级液滴通过位于样品载玻片边缘的毛细管送入质谱仪中。利用该技术对样品表面的可卡因和环三亚甲基三硝胺(RDX)含量进行分析，分析物信号的信噪比和耐用性与之前相比显著提高，对贸易场景中货物表面违禁物的准确识别和痕量分析具有重要意义。随着敞开式离子化质谱和小型便携式质谱仪器的不断发展，其在违禁物筛查中的应用将会更为广泛。

芬太尼是一种广泛用于外科手术的麻醉性镇痛药。因其具有强烈的兴奋、致幻效果，常被不法分子用作毒品，夹带在贸易产品中走私[65]。传统的色谱-质谱联用分析方法因样品处理和分离过程复杂耗时而难以适用于贸易产品筛查领域[66]。所以，如何对芬太尼类化合物进行快速、现场分析成为亟待解决的问题。Ouyang等[67]基于清谱科技(PURSPEC technologies)研发的mini β便携式双光质谱仪开发了一套用于芬太尼现场分析的方法，将样品放在纸-毛细管喷雾(Paper-capillary spray,PCS)试剂盒中，用甲醇对其进行洗脱，从而将分析物通过毛细管送入质量分析器中进行分析，整个检测过程在1 min内。利用该法对牛奶、啤酒和可乐等饮料中的芬太尼进行测定，检出限可达10 ppb；该法还可用于测定货物表面的芬太尼，检出限为100 ppb/cm2，极大地提升了敞开式离子化质谱在贸易产品化学风险物质筛查中的易用性。

3 总结与展望

敞开式离子化质谱技术凭借其准确、便捷、高通量的特点在贸易产品化学风险物质筛查中有着广泛的应用前景。在敞开式离子化方法的帮助下，样品预处理大大简化，部分样品甚至无需预处理可直接进行质谱分析。同时，质谱仪器的小型化和便携化也适应了贸易产品中化学风险物质筛查的现场需求，使进出口货物的实时分析成为可能。然而，在现有技术的限制下，利用敞开式离子化质谱技术对贸易产品中的化学风险物质进行筛查还存在一些问题：首先，与实验室级别的质谱分析相比，敞开式质谱分析的稳定性和重现性不够，这也对敞开式离子化技术和小型质谱仪的性能和未来发展提出了更高要求[68]。其次，敞开式离子化技术的定量能力不足，对目标化合物的精确定量往往需要添加内标才能实现[69]。开发新型离子化技术和预置内标的高效样品处理试剂盒，将有望解决上述问题，确保贸易产品中化学风险物质筛查能够高效、准确地完成。