解吸电喷雾电离质谱成像技术及其在文件/文物检验中的应用

李志豪，王蔚昕，石高军，梁鲁宁，光晓俐，齐凤亮，廉 哲，张 健，邹积鑫

（公安部物证鉴定中心，北京 100038）

质谱成像（mass spectrometry imaging, MSI）技术是利用成像软件识别离子扫描信息的质谱领域的一种前沿技术。该技术由于不需要待测物有荧光反应、无需衍生化等样品前处理步骤、可提供精细的被测物成分分布信息等诸多优势，相比于传统的成像方法更加受人青睐。自范德堡大学（Vanderbilt University）的Caprioli等[1]在1997年提出基质辅助激光解吸电离质谱成像（matrix-assisted laser desorption ionization-mass spectrometry imaging,MALDI-MSI）技术后，该技术在蛋白质组学、代谢组学、新药研发以及生物医学等领域获得了长足的发展[2-3]。目前，有较强稳定性的商业化质谱成像技术包括MALDI-MSI、解吸电喷雾成像技术（desorption electrospray ionization-MSI, DESI-MSI）、 二 次 离 子质谱成像技术（secondary ion mass spectrometry-MSI,SIMS-MSI）等。然而，在法庭科学的文件检验领域，由于待测样品面积不算很小但墨迹层极薄，造成实际样品量很小，有效成分含量较低，特别是对于一些高价值检材（如票证、合同、书画等），必须做到在无损或微损的情况下对成分进行准确分析，而MALDI-MSI成像技术需要在样品表面沉淀一层基质，再进行表面成像。SIMS-MSI则是在高度真空的环境中，利用高能初级离子束轰击样品表面[2]，解吸出样品表面的待测物质，将其离子化，产生的次级离子再进入质量分析器，进而被检测分析。因需要在真空环境下进行，不适用于样品面积较大的检材。同时三维金属基质增强二次质谱技术（threedimensional metal-assisted-SIMS, 3D MetA-SIMS）、冷冻飞行时间二次质谱技术（Cryo time-of-flight-SIMS, Cyro-ToF-SIMS）等新兴技术也需要在表面沉淀基质，可能对样品造成破坏。2004年解吸电喷雾电离等常压敞开式离子化质谱技术[4-5]提出后，该技术由于可在常压的条件下对样品进行采样，原位解吸样品，不需在真空条件下进行，不需在样品表面沉淀基质，对样品的损伤较低，因此促进了质谱技术的应用范围向快勘快检、实时分析、微损检测等领域进行拓展。DESI-MSI自提出以来已被广泛应用于环境检测、食品检测、刑事技术等领域，本文对这种敞开式离子化质谱技术在文件检验中的应用进行梳理，并对其发展前景进行展望。

1 DESI-MSI技术原理及处理方法

DESI-MSI技术研发基础是ESI技术，由普渡大学（Purdue University）的Cooks等提出，相关技术发表在2004年的Science上[4]，并于2006年进行成像应用[6]。DESI的工作原理如图1所示：在常压敞开的环境下，溶剂（一般为甲醇等常用溶剂）通过雾化毛细管，喷射到样品表面，同时进行解吸和电离，解吸后携带样品离子的液滴通过离子传输管进入质谱进样口进行检测[7]。

DESI-MSI相比于其他的质谱成像技术具有如下优势：

1）无需真空，在敞开环境下即可进行操作，样品前处理较为简单[8]。

2）属于软电离的电离方式，其解吸离子为分子离子，分析干扰程度低，后续还可使用二级质谱[9]。

3）无需使用基质覆盖，可在对样品表面破坏性较小的情况下实现成分定性定量分析[10]。

4）电离源适用于极性化合物的电离，包括文件物证中常用的油墨、印油等，应用范围较广[11]。

5）后续质谱仪的可拓展性强，可使用包括离子阱质谱仪和高分辨飞行时间质谱仪在内的各种仪器对离子展开分析[12]。

对于文件材料样品，使用DESI-MSI分析主要分为3个步骤：

1）样品前处理。保持文件载体（通常为纸张）表面平整，不存在卷曲、翘起和褶皱现象，以保证喷头正常工作，不会被阻挡。对于没有条件的文件，可以仿照生物检材采用压印的方式间接成像。如果文件表面塑封或覆膜，则需要去除文件表面覆盖的物质，使纸张及墨迹直接暴露在空气中才可分析。

2）检测。检测所用的溶剂携带高电压随喷射气体从喷雾口喷出，吹扫到待测样品表面，解吸后的表面分子形成液滴被吸进离子传输管[13]。

3）数据处理。样品中每个特征离子均可形成在样品中的丰度分布图，可使用成像软件进行分析比对[8-9]。可同时取多点用于化学计量学分析，包括主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘判别分析（partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA）等。

由于每次进样都需要在表面使用液滴进行解吸与电离，其检测结果受到喷雾口与样品距离、离子传输管与样品距离、喷雾流速及液滴大小等因素的影响，确认实验结果的准确度是该技术实际应用的前提。Gurdak等[14]对不同实验室间DESI-MSI仪器实验结果的准确度展开研究，使用完全相同的分析方法和样品，对20个实验室中购买或自制的DESIMSI仪器的结果进行比对分析。如图2所示，对双面胶带及上面的罗丹明B染料进行重复测定并进行分析。使用相同的测定方法，共55个测样点，其中1a，22a，44a为空白点，按箭头指示顺序测样，使用不同取样点罗丹明B特征离子的信号强度相对标准差表示准确度。分析溶剂组成、污染程度等影响DESI过程的因素，并针对不同溶剂组成对特征离子信号强度的影响进行研究。发现其相对强度的RSD值低于9%，通过对电喷雾溶剂的控制，相对标准偏差值可以控制在5%以下。

2 文件/墨迹检验

DESI-MSI因常压处理、对样品微损、可形成比对图像等优势已在文件/墨迹检验领域得到了较为广泛的应用。该技术可对字迹墨迹进行微损检验，从文件表面获取大量成分信息和空间分布信息，进而实现高效区分。

Ifa等[15]报道了利用DESI-MSI检验蓝色圆珠笔书写文件字迹添改的可行性研究，对文件的圆珠笔字迹的成分进行了无需预处理的质谱成像分析，其X轴分辨率可达200 nm以下。将不同颜色的墨水书写的2D图案使用DESI-MSI成像后，发现在不同的质荷比下，不同墨水存在差异性，表明使用DESI-MSI进行表面成像研究的可行性。

Eberlin等[16]进一步将DESI源联接到一个可移动平台上，对于DESI-MSI检验蓝色圆珠笔字迹的重复性展开研究，使用甲醇水溶液作为喷雾溶剂，对同一字迹进行多次扫描分析，得到的结果差异性小，表明该技术可以很好地适用于法庭科学中文件物证的分析。同时，通过分析质谱成像中不同特征离子下的成像图片，可区分不同油墨成分的圆珠笔，基于添改笔画与原笔画之间成分的差异，可以很好地将添改后的字迹识别出来。

吴比跃等[17]对10支黑色签字笔书写的“11”被添改成“47”的90个样品使用DESI-MSI进行分析，使用甲醇作为喷雾溶剂，XY分辨率均为100 μm。发现该技术能将约93.3%的样品中的添改前后字迹分辨出来，特别是对于无荧光反应、含碳量相似，使用文检仪无法鉴别的黑色中性笔笔迹样品，DESIMSI仍然能很好地区分。作者还对同一区域进行二次检验以验证特征离子信号强度的稳定性，发现并无明显衰减。

在对书写/印刷墨迹成分进行分析的过程中，可对笔迹油墨成分进行微损检验。从文件表面直接获取墨迹成分的分子信息及其丰度分布，进而检验可疑文件真伪。然而需要注意的是，由于DESI-MSI在样品表面进行的是一种微溶解的过程，受喷雾量及喷雾速度的影响，样品表面的墨迹可能会存在晕染的现象，从而破坏样品的完整性。

3 文物检验

Heaton等[18]将DESI-MSI应用到文物鉴定领域，可在不破坏文物的情况下直接分析与文物表面结合的蛋白质。将DESI源连接到离子肼质谱仪上后，对自制的文物样品进行分析。使用体积比为1∶1的异丙醇水溶液作为喷雾溶剂，对自制的文物上的酪蛋白、肌红蛋白及乳球蛋白进行分析。实验结果发现，在玻璃、陶瓷、纸板等各类常见的文物材质表面，DESI-MSI都可以在无损的情况下很好地识别出蛋白质及其分解产物，并将其进行准确定位。

Watts等[19]使用DESI-MSI对油画横截面进行分析。其主要目的是根据对横截面中颜料及连接料的分析，识别区分各个年代常用的颜料及连接料。使用DESI源的三重四级杆质谱仪在正模式下对一幅17世纪巴洛克时代油画的横截面进行扫描分析，发现可根据某一特定特征离子下的质谱成像结果分析不同类型的颜料及连接料成分，如硬脂酸，壬二酸等。表明DESI-MSI可同时对绘画横截面中的多种颜料及连接料成分进行定性分析。

Zhou等[20]使用DESI-MSI对新疆克孜尔石窟中的壁画成分进行分析。使用DESI源对脱落样品的横截面进行分析，可以有效分辨出二元羧酸、氧化铅、紫胶树脂等颜料中的常用成分及其在壁画中的分布区域。表明使用DESI源对于非水溶性油墨进行分析，可以清晰分辨出各种涂层的前后顺序、颜料成分及其降解产物的分布。通过分析随时间变化的油墨降解产物，还可对壁画的形成时间进行初步判断。

油画、壁画等文物所使用的颜料及油墨在文件印刷中也有使用，因此针对文物所使用的检验技术方法也可以应用至文件检验领域。在文物鉴定技术普遍要求无破坏、准确率高的情况下，DESI-MSI的应用已越来越广泛。同时，对油墨降解产物的时间性分析及时代特征判断方法也可为文件物质材料的断代提供参考。

4 总结与展望

在文件/文物检验领域，质谱成像技术是一种新兴的方法，目前相关文献并不是很多，然而已有的各类文献已表明，DESI源等各类常压敞开式质谱离子源的出现使得文件样品的微损质谱成分分析成为了可能[21-24]，由于DESI-MSI具有原位、微损等优势，是文件检验领域中一种值得重视的分析技术。未来仍需要进一步研究的有以下几个方向：

1）更好地融合化学计量学手段对样品进行分析。质谱成像技术源于对样品上每一个微区的质谱成分分析，每个微区可同时提取1 000种以上的质荷比图像，本身就蕴藏着海量数据，可采用PCA、PLSDA等化学计量学手段对样品的质谱大数据进行模块化分组并分析，找出差异并进行结果显示。相关研究成果应可以很好地应用至种类区分、来源追踪等领域。

2）优化出样品损伤更小、采样口温度更低的离子源及进样方式。DESI源解吸和电离一体，对于可溶性强的油墨，如果喷雾液滴流量设置过大，容易在油墨上产生晕染现象，对文件样品产生破坏，同时质谱采样口温度为150℃以上，如果采样口离样品过近也会对检验方法的微损性造成破坏。每一类检材的检测方法都需单独优化，才能发挥出DESI-MSI方法的技术优势。

3）拓展应用范围。目前国内及国外文献对于文件材料的检验仍停留在添改字迹检测、油墨成分分析等较为初级的阶段。在朱墨时序、文件断代及书写时间检测等疑难问题上，如何应用此种新兴技术取得突破仍需进一步研究。

质谱成像技术本身就属于质谱检测领域的新技术，而常压敞开式离子源联接质谱成像技术也是质谱成像领域的新兴技术。DESI-MSI因微损、可重复、取样量小、成像分辨率高等优点已表现出在文件检验领域的优势，期待这种技术未来可以在法庭科学文件物质材料检验领域发挥更大作用。