常压敞开式离子源质谱技术的应用

张世永 张腾 赵晨 王玉涛

摘 要：近年来，鉴于常压敞开式离子源质谱技术具有检测方便、快速、实时性强等优势，其研发与应用成为质谱学与离子源领域中备受关注的研究方向。本文主要介绍了常压敞开式质谱离子源技术的应用，如果蔬检测、毒品检测、烟草检测与中草药检测，并通过对现有技术的介绍分析其未来发展趋势。

关键词：常压敞开式离子源  检测

前言

现如今，在生物化学、制药加工、食品安全、环境监测、公共卫生及维稳治安等诸多领域都可以看到检测技术的广泛应用。其中，常规检测技术主要包括气相色谱法、高效液相色谱法与色谱-质谱联用法等，这些检测方法虽然灵敏度、准确性与精密度均较高且检测结果可靠，但存在样品前处理步骤繁琐、仪器设备成本高昂且需要专业技术人员操作、检测时间长等缺点[1]，无法满足快速、实时及低成本检测的实际需求。快速检测技术的发展提供了更加快速与低成本的检测手段，可作为常规检测技术的补充[2]。

快速检测方法（以下简称“快检”）因具有检测快速、操作简便、人员要求较低等优点，能有效扩大监管覆盖面、提高靶向针对性，现已成为保障人体健康安全的一项重要技术支撑手段。其中，常压敞开式离子源质谱技术（AMS）是一个相对先进的质谱分析技术——不仅具有克服常规检测技术问题的潜力，给出的结果也与其相当。近几年，AMS的快速发展十分引人注目，现已出现超过40种不同的环境电离技术[3]。由于全球食品工业和监管机构的关注，AMS正被研究其是否能得到比传统技术更快的结果。常压敞开式离子源质谱技术的出现不仅保证了检测的高灵敏性，也提升了样品分析的效率。

本文主要对常压敞开式离子源质谱技术在果蔬农药残留检测、毒品检测、药品检测及烟草代谢物检测方面的应用进行介绍，并展望其应用的发展趋势。

1 果蔬检测

众所周知，我国是农业大国，蔬菜和水果的生产消费也位居世界前列。但是，果蔬中的农药残留问题已成为危害公众健康的重要因素。为控制农药残留、保障食品安全和人们的身体健康，寻找高效的农残检测技术具有重要的社会意义。

Gilbert-Lopez等[4]系统比较了APCI、DBDI和ESI对果蔬表面残留杀虫剂的响应情况，以此评价DBDI-MS的实用性。结果表明，DBDI适用于杀虫剂残留的检测，与APCI相比可以较好地减少基质干扰。同时，该研究也得出ESI不易将农药离子化[5]的结果。通过iEESI-MS技术[6]，无需对样品进行前处理，即可直接迅速地分析红辣椒与脐橙的果肉组织，并对其主要成分进行检测。

Wang等[7]采用DART-MS技术快速鉴定4种高危险性农药——甲拌磷、呋喃丹、乙氧丙磷和氟虫腈，同时还可以检测出分析物二聚体的质子与铵加合物。DART-MS在阳性模式下产生的优势离子主要为[M+H]+分子离子，其与DART源出口和陶瓷管之间的距离相关。Elena和Gertrud[8]也表明，[M+H]+离子在最大量时，二者之间的距离约为15mm。

Hanno Evard等[9]将纸喷雾质谱（PS-MS）作为农药检测的筛选方法，且实验使用了两种取样方法——用纸擦拭表面与直接将样品匀浆涂在纸上。就現有方法而言，对橙子中的抑霉唑和噻苯咪唑的擦拭方法的研究更为广泛。对于均质样品，选择3种基质（橙子、西红柿和葡萄）和5种不同化学性质与极性的农药（噻苯咪唑、涕灭威、抑霉唑、灭多虫和灭虫威）。结果表明，这两种方法均可达到低于最大残留量的检测限——抑霉唑和噻苯咪唑的检测限低于5mg/kg。因此，该方法适用于样品中农药残留的快速筛查。此外，将擦拭方法应用到当地超市的11个样本（橙子、葡萄柚、柠檬、酸橙、柑橘、西红柿、苹果、梨、草莓、葡萄和甜椒）以筛选出不同的杀虫剂，发现抑霉唑和噻苯咪唑阳性3例、伊玛唑阳性1例。

目前，山东国投鸿基研发的热解析-电喷雾离子源（TD-ESI）搭载安捷伦三重四级杆质谱仪开展了农药残留实验。根据省级重点农药抽检名单，应用该设备对茄果类、核果类及叶菜类等果蔬进行农药检测，与色谱-质谱联用仪的测试结果基本一致。同时，山东国投鸿基还与山东寿光检测集团合作共建快检实验室，检测农产品种类涵盖叶菜类、茄果类、豆类、瓜果类等。

2 毒品快速检测

近年来，全世界范围内的毒品滥用有逐渐渗透到人们日常生活的趋势，如吸毒后驾车、在娱乐场所和工作场所滥用毒品等。其中，合成毒品增加的速度尤为突出。因此，对于合成毒品的快速检测及监督问题亟待解决。合成毒品大多在娱乐或工作场所使用，想要对其进行检测就需要在案发现场采取快速有效的方法来提取吸毒证据，是以快检成为目前毒品检测发展的一个重要趋势[10]。

连茹等[11]利用实时直接分析（DART）离子源结合飞行时间质谱法（TOF-MS）快速筛查出毒品样品中的安非他类物质。2011年，AndrewH.Grange等[12]报道了用DART-TOF检测分析苯丙胺、盐酸伪麻黄碱、尼古丁、氯胺酮、苯环己哌啶（PCP）、吗啡和海洛因等，同时还建立了筛查多种毒品的方法。2014年，WilcoF.Duvivier等[13]采用敞开式直接进样技术检测头发中的四氢大麻酚（THC），并对THC做了相关的线性和灵敏度的研究。结果表明，其在一定范围内线性关系良好。

Edward Sisco等[14]利用热解吸直接分析实时质谱法（TD-DART-MS）分析测试了可卡因、甲基苯丙胺、大麻酚等34种药物及其代谢物，并可以捕捉到0.2～5ng的微量水平。相较于传统的DART-MS法，此类质谱检测技术组合的灵敏度提高了约30倍，样品的重复性也提高近4倍。Ifeoluwa Ayodeji等[15]首次采用DART离子源与DMS结合测定安非他明及其衍生物的复杂混合物，为新的精神活性物质的快速分离和表征提供了一种新的选择。

Nie等[16]通过实时质谱直接分析（DRAT-MS）搭载液相色谱/电喷雾四极杆飞行时间质谱，在0.5分钟内测定11种精神活性物质，并在5分钟内完成定量分析。实验结果表明，DRAT-MS和LC-QTOFMS检测最低量分别为5～40ng/mL与0.1～1ng/mL。两种方法均表现出良好的线性关系，相关系数（r2）均大于0.99。

此外，国内毒品快检技术的广泛应用也突显出常压敞开式离子源质谱技术的优势，其中，车载技术的表现尤为明显。毒品快速检测车主要通过搭载常压敞开式离子源来进行毒品检测，进而发展成一体化化学检验和信息处理查询功能等综合检测技术。山东国投鸿基开发的快速检测车将TD-ESI-MS/MS搬至车内，实现了随时随地检测与防控的系统，是推动安全快速检查形式从固定到移动的一大突破。

3 烟草代谢快速检测

Jason D. Harper等[17]将一小撮（约250mg）哥本哈根无烟烟草暴露在LTP探针的等离子体中，记录光谱显示由质子化尼古丁（m/z163）而产生的强烈信号。选择m/z163离子进行串联质谱分离实验，质谱图显示出尼古丁的特征性裂解模式。

Chen等[18]利用解吸常压化学电离质谱技术（DAPCI-MS）在吸烟者皮肤表面检测出尼古丁的物质信号，并在吸烟者的衣服和皮肤表面检测出尼古丁的主要代谢物——可替宁。可以说，DAPCI-MS为体内代谢组学研究和临床诊断提供了一种“绿色”方法。

Kuki等[19]首次利用DART-MS和DART-MS/MS检测二手烟和三手烟——通过实时质谱直接分析法（DART-MS）检测了一名吸烟者衣服上残留的烟草烟雾污染。同时，利用DART-MS检测到从吸烟者的手指转移到其他物体上的三手烟。此外，其还以尼古丁为指示剂，利用DART-MS/MS技术对实验室空气中的二手烟烟雾进行检测。

Daniel Carrizo等[20]利用大气压固体分析探针（ASAP），结合四极杆高分辨率质谱和飞行时间检测器对一些生物样品（如尿液和唾液）进行了烟草和尼古丁生物指标的相关分析。检测发现，尼古丁、尼古丁代谢物（如可替宁、尼古丁-N-葡萄糖醛酸等）和其他相关的烟草烟雾毒性化合物{如NNK 4-[甲基（亚硝基）氨基]-1-（3-吡啶基）-1-丁酮、安那他品等}均存在于分析样品中。

有研究采用纸喷雾电离质谱法（PS-MS）结合化学计量工具分别对合法与非法卷烟样品进行了提取与分析，测定出尼古丁和可替宁等成分。同时，质子化可替宁（m/z177）的存在被证明是将香烟归类为非法样品的决定因素[21]。

Huang等[22]建立了一种快速分析粉末样品的正面洗脱-纸层析-解吸-电晕束电离质谱（FEPC/DCBI-MS）联用方法，以此对室内粉尘中的尼古丁进行快速分析，并在获得的质谱图中观察到尼古丁（m/z163）的高强度信号。

Jiang等[23]建立了一种机械力化学萃取（MCE）与实时质谱直接分析（DART-MS）相结合的技术，也是同时测定卷烟填料中多种化学成分含量的简便、快速、高通量的分析方法。利用MCE可成功提取尼古丁、烟碱、碳水化合物、有机酸、保湿剂和其他添加剂，然后用高分辨率DART-MS技术进行检测。结果显示，不同品牌的香烟均显示出独特的化学特征和DART-MS图谱。通过MCE与DART-MS联用，从烟卷生料到获得半定量结果只需要几分钟时间，提高了檢测效率。

山东国投鸿基研发的敞开式热脱附离子源（TD-ESI）通过一次性取样针直接刮取样本人群的皮肤即可测定尼古丁和可替宁等成分。将TD-ESI与质谱仪相结合进行使用，无需样品前处理，得到结果仅需要不到1分钟的处理时间，极大地提高了工作效率。

4 中草药检测

Michael A. Marino等采用质子核磁共振（NMR）技术，通过实时质谱直接分析（DART-MS），对中草药和药粉中的合成大麻素类化合物进行直接检测，并对其进行快速筛选。经过简单的样品制备，对50mg中草药样品基质进行快速核磁共振检测。结果表明，在15种草药中发现了10种合成大麻素。这种将DART-MS与NMR联用的技术能够快速筛选粉末和中草药样品中的大麻素类化合物，可作为传统GC-MS或LC-MS方法的补充。

近年来，DESI-MS在中药材直接分析中的应用得到了证实。例如，利用DESI-MS直接分析能使人产生幻觉的常用中药——丹参。该研究采用双面胶带将丹参叶直接固定在显微镜载玻片上进行DESI-MS分析，分析前不需要额外的预处理，以此完成了对丹参主要成分丹参素A、B、C、D/E和二维菌素B的鉴定和半定量分析。同样的研究还表明，将DESI-MS与薄层色谱（TLC）相结合，即用DESI-MS直接分析薄层色谱板上分离出的样品斑点，可以提高丹参中丹参素的含量。

Wang等建立了一种快速可靠的DART-MS方法用于黄连、黄芩、人参等一系列知名中药的快速分析。采用50%（v/v）甲醇/水短时间超声提取，直接进行DART-MS分析，可快速检测和鉴定中药中的生物碱、黄酮类化合物和人参皂苷等主要成分，以实现中药的快速鉴别。研究表明，优化电离气体温度是制备高质量光谱的关键。此外，对人参皂苷的分析表明，在检测挥发性与质子亲和力相对较低的分子时，为优化这一缺陷必须进行衍生化。另有研究利用DART离子源对8种中药进行化学成分的快速分析，其中便包括生物碱类、黄酮类和部分人参皂苷等成分。同时，对延胡索甲素和乙素、人参皂苷进行定量分析。

纸喷雾技术是以典型的色谱纸为固体基质进行电喷雾分离的技术，如将该技术应用于板沙凉茶（BHT）的化学图谱分析——直接将2μL BHT样品放在三角色层纸上，在10μL萃取溶剂中对氨基酸、有机酸、三萜皂苷等多种活性成分进行鉴定。在主成分分析的辅助下，该技术可以很好地区分来自不同制造商的样品，以及合格和过期的产品。

Wang等利用Pipette-tip ESI分析技术，根据检测到的人参皂甙模式快速分化人参、西洋参和三七这3种密切相关的人参药材。另外，五味子和五倍子这两种常用的中药在质量和功效上也有很大的不同，可借助木脂素模式进行区别。该技术所提供的持久、稳定、重复性好的信号使其具有良好的定量分析能力，有研究通过对茶叶样品中咖啡因含量的定量测定证明了这一点。

5 展望

常压敞开式离子源质谱技术（Ambient Mass Spectrometry，AMS）是近年来新兴的一种质谱分析技术。自商业性常压敞开式离子源质谱技术在快速检测市场出现以来，越来越多的研究者开始尝试使用和发展该技术，并陆续取得不少研究成果，其应用领域也愈发多样化，如中药组学、法医、食品、疾病等。但是，在面对不同特性的检测基质时，如何更快速地简化前处理过程，如何精确地定量、定性以及数据分析等问题还需加强研究，进而为检测提供更精准、更快速的结果。

参考文献：

[1] Samsidar A， Siddiquee S， Shaarani S M， et al. A review of extraction， analytical and advanced methods for determination of pesticides in environment and foodstuffs[J]. Trends in Food Science and Technology， 2018： 188-201.

[2] 王冬偉，刘畅，周志强，等.新型农药残留快速检测技术研究进展[J].农药学学报，2019，21（5-6）：852-864.

[3] BlackC，ChevallierOP， Elliott C T， et al. The current and potential applications of Ambient Mass S pectrometry in detecting food fraud[J]. Trends in Analytical Chemistry， 2016： 268-278.

[4]Gilbert-López， Bienvenida， Geltenpoth H ， Meyer C ， et al. Performance of dielectric barrier discharge ionization mass spectrometry for pesticide testing： a comparison with atmospheric pressure chemical ionization and electrospray ionization[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry， 2013， 27（3）：419-429.

[5] 张秀丽，宁录胜，俞建成.常压敞开式质谱离子源发展趋势[J].分析科学学报，2017，033（002）：276-282.

[6] 卢海艳，张华，周鹏，等.内部萃取电喷雾电离质谱直接分析脐橙[J].高等学校化学学报，2015，36（10）.

[7] Wang L，Zhao P，Zhang F，etal.Directanalysisinrealtimemassspectrometryfortherapididentificationoffourhighly hazardouspesticidesin agrochemicals[J].RapidCommunicationsinMass Spectrometry，2012，26（16）：1859-1867.

[8]ChernetsovaES，MorlockG E.Determinationofdrugs anddrug‐like compounds in differentsamples with direct analysisinreal time mass spectrometry[J].Mass Spectrometry Reviews， 2011， 30.

[9] Evard H， Kruve A， Lohmus R， et al. Paper spray ionization mass spectrometry： Study of a method for fast-screening analysis of pesticides in fruits and vegetables[J]. Journal of Food Composition and Analysis， 2015： 221-225.

[10] 华楠，张玉荣，沈舜义.毒品的快速检测方法开发及其应用[J].世界临床药物，2016，37（03）.

[11] 连茹，吴忠平，吕小宝，等.实时直接分析离子源-飞行时间质谱法快速筛查安非他明类物质[J].期刊论文，2016，52（1）.

[12] Grange A H ， Sovocool G W . Detection of illicit drugs on surfaces using direct analysis in real time （DART） time-of-flight mass spectrometry[J]. rapid communications in mass spectrometry rcm， 2011， 25（9）：1271-1281.

[13] Duvivier W F， Van Beek T A， Meijer T， et al. Ultratrace LC-MS/MS analysis of segmented calf hair for retrospective assessment of time of clenbuterol administration in Agriforensics.[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2015， 63（2）： 493-499.

[14] Sisco E， Forbes T P， Staymates M E， et al. Rapid analysis of trace drugs and metabolites using a thermal desorption DART-MS configuration[J]. Analytical Methods， 2016， 8（35）： 6494-6499.

[15] Ayodeji I， Vazquez T， Bailey R， et al. Rapid pre-filtering of amphetamine and derivatives by direct analysis in real time （DART）-differential mobility spectrometry （DMS）[J]. Analytical Methods， 2017， 9（34）： 5044-5051.

[16] Nie H， Li X， Hua Z， et al. Rapid screening and determination of 11 new psychoactive substances by direct analysis in real time mass spectrometry and liquid chromatography/quadrupole time-of-flight mass spectrometry.[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry， 2016： 141-146.

[17] Harper J D， Charipar N A， Mulligan C C， et al. Low-temperature plasma probe for ambient desorption ionization.[J]. Analytical Chemistry， 2008， 80（23）： 9097-9104.

[18] Chen H， Zheng J， Zhang X， et al. Surface desorption atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry for direct ambient sample analysis without toxic chemical contamination.[J]. Journal of Mass Spectrometry， 2007， 42（8）： 1045-1056.

[19] Kuki A， Nagy L， Nagy T， et al. Detection of nicotine as an indicator of tobacco smoke by direct analysis in real time （DART） tandem mass spectrometry[J]. Atmospheric Environment， 2015： 74-77.

[20] Carrizo D， Nerin I， Domeno C， et al. Direct screening of tobacco indicators in urine and saliva by Atmospheric Pressure Solid Analysis Probe coupled to quadrupole-time of flight mass spectrometry （ASAP-MS-Q-TOF-）[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis， 2016： 149-156.

[21] Jurisch M， De Paula C C， Augusti R， et al. Distinguishing legal and illegal cigarettes by applying paper spray mass spectrometry and chemometric tools.[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry， 2020， 34（9）.

[22] Huang Y， You J， Cheng Y， et al. Frontal elution paper chromatography for ambient ionization mass spectrometry： analyzing powder samples[J]. Analytical Methods， 2013， 5（16）： 4105-4111.

[23] Jiang Q， Dai D， Li H， et al. Simultaneous determination of multiple components in cigarettes by mechanochemical extraction and direct analysis in real time mass spectrometry in minutes[J]. Analytica Chimica Acta， 2019： 70-79.