敞开式离子化质谱技术及其在烟草化学中的应用

徐珩漪，李明雷，付英杰，孙世豪，王丁众，席 辉，张建勋

中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

2004年，Cooks课题组［1］提出的解吸电喷雾电离（Desorption electrospray ionization，DESI）开启了敞开式离子化质谱（Ambient ionization mass spectrometry，AIMS）技术的新时代；2005年，Cody等［2］提出的基于等离子体的实时直接分析（Direct analysis in real time，DART）技术，大大简化了样品制备过程，预处理步骤中无需或仅需少量样品即能实现痕量物质的快速分析，为高通量、高灵敏质谱分析方法的开发打开了一个新窗口。近十几年来，已经有多种AIMS技术被开发出来，用于复杂基质样品的分析。AIMS在直接样品分析中有很多优势，如速度快、使用方便等，促使其应用在许多科学领域，包括生物医学、法医学、环境科学、食品安全、化学反应监测以及元素分析等。

半个多世纪以来，烟草化学研究主要围绕吸烟与健康和卷烟风味展开。随着研究的深入，研究人员更加注重于从分子层面解释这些科学问题，这大幅提高了对样品原位分析、在线分析和形成过程分析的要求。烟草化学成分种类繁多，卷烟烟气形成过程复杂，这就需要更加快速、准确的分析手段去获得更加有效的数据，这种需求促使AIMS技术在烟草化学相关研究中得到了迅速应用。为了梳理AIMS在烟草化学研究中的应用方向，综述了AIMS技术的发展现状及其在烟草化学研究中的应用情况，并对AIMS在烟草化学领域的应用研究趋势进行了展望。

1 敞开式离子化质谱技术

根据解吸方式的不同，AIMS技术大致可分为3类：基于电喷雾原理、基于等离子体原理和基于激光烧蚀原理。

1.1 基于电喷雾原理的AIMS技术

电喷雾电离（Electrospray ionization，ESI）是以电场作用为主的电离技术，将待电离样品直接引入电场中形成离子。ESI通常适用于分析极性分子和生物大分子。以电喷雾为基础的AIMS技术，大多数可以归为液体萃取技术，利用溶剂从样品表面提取和解吸分子。液体萃取技术通常分为3类：喷雾萃取（Spray-based extraction）技术、直接液体萃取（Direct liquid extraction）技术和底物喷雾（Substrate spray）技术［3］。基于电喷雾原理的电离源的基本特征见表1。

1.1.1 喷雾萃取（Spray-based extraction）技术

表1 基于电喷雾原理的AIMS技术Tab.1 AIMS technology based on electrospray principle

喷雾萃取技术是利用溶剂喷雾产生的液滴羽流解吸样品表面的分子，然后由质量分析器进行分析。包括解吸电喷雾电离（DESI）、常压超声喷雾电离（Easy ambient sonicspray ionization，EASI）、萃取电 喷 雾 电 离（Extractive electrospray ionization，EESI）和二次电喷雾电离（Secondary electrospray ionization，SESI）等。各种喷雾萃取技术的原理见图1。

DESI是利用电压产生电喷雾将电场的能量转移到带电的微小液滴中，喷射到样品表面，液滴中的溶剂迅速与待测物表面发生相互作用，在样品表面发生萃取、溶解过程，从样品表面提取和电离被分析物，然后进入质量分析器分析［1］。

EASI与DESI的相似之处在于，均是通过溶剂喷雾解吸样品，不同之处在于EASI不需要加热，也不需要高压电场，而是通过声波喷雾机制产生离子，这使得质谱图更干净，工作环境更安全；且具有较少的溶剂团簇离子和高强度的信号，这些特征使EASI便于检测低摩尔质量组分或杂质［22］。与DESI和EASI不同，EESI是由两个通道组成，一个包含萃取性电喷雾试剂，一个包含样品溶液，样品以喷雾的形式与萃取性电喷雾试剂产生的小液滴发生碰撞、萃取，并通过去溶剂等过程实现电荷转移，使待测样品分子电离［23］，在此基础上改进的ND-EESI等技术可以实现固体表面及黏稠样品内部待测组分的检测［24-25］。SESI与EESI相似，均是通过ESI溶剂羽流提取和电离分析物；不同之处在于，SESI分析的是气体样品。

提高敞开式电离源分析的重复性和灵敏度是当前研究的热点。以DESI为例，DESI的性能主要依赖于几何参数的优化，包括喷嘴、样品表面和质谱锥孔之间的距离和夹角，源参数的微小变化会极大地影响目标分析物的离子信号强度［26］。Tillner等［27］指出溶剂毛细管和气体毛细管的位置是造成溶剂喷雾信号强度差异的主要原因，通过固定溶剂毛细管，减少毛细管的抖动，分析物信号强度的相对标准偏差降低了9.1%，大大提高了实验的重复性。

1.1.2 直接液体萃取（Direct liquid extraction）技术

直接液体萃取技术是利用固-液萃取原理，溶剂与样品直接相互作用提取分析物，然后将分析物转移和电离，再进入质量分析器中进行分析。液体微结表面取样探针（Liquid microjunction surface sampling probe，LMJ-SSP）是最早发展起来的直接液体萃取技术，由一个不锈钢三通和两个同轴毛细管组成的机械探针精确定位在样品表面的垂直方位，溶剂连续地从探针中流出与样品表面接触，外毛细管中的溶剂与样品表面相互作用并从样品表面提取分子，通过文丘里效应将溶液吸入内毛细管，内毛细管通过三通耦合到质谱仪的电喷雾源上，最后进入质量分析器分析［28］。与LMJ-SSP不同，液体萃取表面分析（Liquid extraction surface analysis，LESA）是利用机械手臂将纳米电喷雾尖端的溶剂对准样品，直接从样品表面提取分子，而不是通过连续流动，溶剂与样品相互作用一段时间（一般为几秒）后，再吸入纳米电喷雾尖端，将提取的分子放置在质谱接口内的ESI芯片上，电离后进入质量分析器分析［29］。

与喷雾萃取相比，直接液体萃取通常具有更高的灵敏度，这是因为萃取溶剂与样品表面直接接触的时间更长，而且分析物可最大程度地进入质量分析器进行分析。然而，直接液体萃取容易受到萃取溶剂扩散的影响，其空间分辨率和重复性往往低于喷雾萃取技术。为了提高LESA的重复性，Meurs等［30］采用了一种超疏水边界包围的超亲水点阵列组成的材料作为采样表面，防止溶剂扩散，可显著改善表面提取和谱图的重复性。

图1 基于电喷雾原理的AIMS技术的原理示意图Fig.1 Schematic diagrams of AIMS techniques based on electrospray principle

1.1.3 底物喷雾（Substrate spray）技术

底物喷雾技术与喷雾萃取技术、直接液体萃取技术的不同之处在于，该技术是直接从样品或包含样品的底物中产生离子。纸喷雾电离（Paper spray ionization，PSI）和 探 头 电 喷 雾 电 离（Probe electrospray ionization，PESI）是具有代表性的底物喷雾技术。PSI是将液体样品滴加到三角形纸的尖端上并使其干燥，然后向纸片滴加喷雾试剂并连接高压电源进行电离，再引入质量分析器进行分析，过程中不需要气动辅助［31］。作为PSI的另一种形式，PESI由电动机驱动系统驱动针头垂直上下移动吸取液体样品，在针上施加高压，对针尖上的样品进行电喷涂［32］。

PSI对复杂基质（如盐）干扰物的耐受性更高，与其他敞开式离子化质谱相比，具有更高的灵敏度和重复性，因此，PSI更适用于临床和法医样品的定量分析。然而，由于纸基的亲水性，用传统PSI分析亲水性化合物是一个挑战［33］，而且纸基经施加高压后存在尖端电晕放电现象，使得在负离子模式下分析样品变得困难。最常见的改进方法是对纸基进行物理修饰，提高对目标分析物的灵敏度，Wang等［34］用金属有机骨架材料覆盖纸张基底，以减少亲水性纸张和血液样本中药物之间的相互作用，定量限显著降低，提高了检测灵敏度。也可以通过其他方法提高PSI的性能，如将激光聚集在纸喷雾尖端以增强多环芳烃的电离效果［35］，或将鞘气和聚焦透镜集成在纸喷雾筒内以提高整体灵敏度［36］等。

1.2 基于等离子体原理的AIMS技术

与电喷雾技术相比，等离子体AIMS技术消除了有机溶剂对电离过程的影响，是一种更“软”的离子化技术，能够在正负两种电离模式下电离各种分子（＜1 000 Da）。基于等离子体的AIMS技术是利用放电过程中产生的等离子体来解吸和电离分析物，大多数情况下，放电过程是借助直流电压、交流电压或微波辐射等，作用于流动的气体（通常是N2、He、Ar或空气）实现的。根据气体放电类型的不同可以分为电晕放电（Corona discharge）、辉光放电（Glow discharge）、介 质 阻 挡 放 电（Dielectric barrier discharge）和微波诱导等离子体（Microwave induced plasma）4种类型［37］。相关的基于等离子体原理的电离源的基本特征见表2。基于等离子体的AIMS电离源的原理图见图2。

表2 基于等离子体原理的AIMS技术Tab.2 AIMS technology based on plasma principle

1.2.1 基于电晕放电的电离源

DART是第一个报道的基于等离子体的AIMS技术，且一直沿用至今。DART是通过电晕放电激发He等气体（通常是He、Ar或N2）产生激发态的He*分子，激发态的He*分子撞击样品表面的待测分子，将其从样品表面解吸出来并将能量传递给待测分子使其电离［2］。

由于分析物在电离前需要解吸为气态，DART仅限于分析分子量小于1 000 Da的挥发性有机物，且通常需要加热气体对分析物进行热解吸，一般不适用于热敏样品的分析。通过改进进样端，进而提高DART方法的灵敏度是近些年来的研究热点。Geng等［38］在DART和质谱进样口之间连接了一个T型装置，用于聚集样品离子，减少或消除挥发性气态样品的扩散损失和环境干扰，能够获得比传统的DART更低的检测限。

解吸大气压化学电离（Desorption atmospheric pressure chemical ionization，DAPCI）也是通过电晕放电的方式将试剂分子电离，生成初级试剂离子（H2O+，H3O+·等）作用于样品表面解吸出待测物分子，发生分子-离子反应，进行能量和电荷的交换而电离［39］。作为DESI的补充技术，DAPCI既可以分析挥发性物质，也可以分析非挥发性物质，对低极性和小质量化合物的分析灵敏度更高。2015年，推出了一种商业手持DAPCI源，与便携式质谱仪搭配使用，用于检测硝基芳香爆炸物［40］和食品污染物［41］。为了提高DAPCI的灵敏度，通过应用10 GΩ电阻器，最小化放电电极距离，并对DAPCI源进行优化，成功地在几分钟内完成非挥发性和挥发性化合物以及生物样品的分析［42］。

大气固体分析探头（Atmospheric solids analysis probe，ASAP）也是典型的基于电晕放电的电离源，其是在ESI源或APCI源上进行简单修改，通过特氟龙管夹持熔融毛细管，毛细管末端的固体或液体样品被热氮气解吸蒸发，然后通过放电针电晕放电进行电离，可在几秒内分析固体和液体样品，ASAP的一个重要特征是能够电离极性和非极性化合物［43］。

图2 基于等离子体原理的AIMS技术的原理示意图Fig.2 Schematic diagrams of AIMS techniques based on plasma principle

1.2.2 基于辉光放电的电离源

流动大气压余辉（Flowing atmospheric pressure afterglow，FAPA）电离是大气压辉光放电（Atmospheric pressure glow discharge，APGD）方法的一种变体。FAPA法是利用He或Ar辉光放电产生的等离子体解吸和电离样品，相比于DART，FAPA利用更高的电流来改善样品的解吸，但是更高的电流会产生更多种类的试剂气体离子，包括NO+·、O2+·［47］。近些年，有很多对于FAPA参数的研究，FAPA气体温度作为内部参数，其值越高，灵敏度越高，同时分析物的碎裂程度也越高；相对湿度是外部参数，只有极端干燥的条件才会提高电离效率，而不产生大量碎片［46］。Zeiri等［48］开发出了一种基于直流微等离子体的FAPA源，利用同心电极结构，分析物检测的质量范围可达2 500 Da以上。

1.2.3 基于介质阻挡放电的电离源

介质阻挡放电（Dielectric-barrier discharges，DBD）产生的低温等离子体，具有非平衡等离子体特性，且在大气压下稳定、简单高效，因而得到广泛应用［49］。低温等离子体通常会减少样品损失和分子碎裂［50］，介质阻挡放电电离（Dielectric barrier discharge ionization，DBDI）和低温等离子体（Low temperature plasma，LTP）电离就是通过低温等离子体对样品进行电离的AIMS技术。在DBDI中，在针状电极和铜片电极之间施加3.5～4.5 kV的交流电压，在针尖和玻璃片之间产生稳定的低温等离子体，玻璃片既可作为介质屏障也可作为样品板，玻璃片表面的被分析物被等离子体解吸并电离［45］。与DBDI不同，LTP使用手持式探头配置，高压电极安装在介质阻挡层外，接地电极位于介质阻挡层内，使用He、Ar、N2或环境空气作为放电气体，由于这种配置不要求样品位于两个电极之间，LTP更适合活体分析和现场应用［45］。

基于等离子体的AIMS技术是通过电子转移电离机制进行，适合非极性化合物的分析。为了提高电离效率，Huba等［51］通过在氮气中加入氟苯和氯苯大大提高了DBDI对于多环芳烃的电离效率，这表明气体掺杂剂的添加促进了自由基阳离子的形成。Brandt等［52］提出了一种新的、稳定且小尺寸的放电设计，将电极安装到惰性的柔性熔融石英毛细管中，在负离子模式下，检测限比DBDI提高了3倍，比LTP提高了8倍。

1.2.4 基于微波诱导等离子体的电离源

微波诱导等离子体解吸/电离（Microwaveinduced plasma desorption/ionization，MIPDI）是 由Zhan等［44］于2013年提出的，zhan等还首次将微波诱导等离子体（MIP）应用于敞开式电离源。MIPDI的结构包括一个铜质微波同轴腔，在其中插入熔融石英毛细管，以Ar或N2作为放电气体，当频率为2 450 MHz的微波耦合到微波腔时，石英放电管内产生稳定的非平衡等离子体，MIPDI可以分析复杂基质中的固体和液体样品，无需专门制备样品，分析物的分子量可高达1 200 Da［44］。MIPDI既是一个硬电离源也是个软电离源，可通过切换参数提供大量碎片离子或相对稳定的分子离子［53］。

1.3 基于激光烧蚀原理的AIMS技术

激光烧蚀是通过光学聚焦促进样品解吸和电离，具有优越的空间分辨率和脉冲频率。然而，激光烧蚀过程中会产生大量的中性粒子，而产生的带电离子较少，因此激光源的电离效率很低，大多数基于激光的AIMS技术均与二次电离源（如ESI、APCI、DART和大气压光致电离）联用，以提高电离效率和灵敏度［54］。通常采用紫外（UV）或红外（IR）作为激光源。基于激光烧蚀的AIMS电离源的原理图见图3。

激光烧蚀电喷雾电离（Laser ablation electrospray ionization，LAESI）和基质辅助激光解吸电喷雾电离（Matrix assisted laser desorption electrospray ionization，MALDESI）一直是基于激光烧蚀原理AIMS的主流技术［55］。LAESI利用红外激光烧蚀样品表面，产生的中性粒子和微粒与电喷雾形成的液滴之间相互作用发生分子离子反应，并将其导入质量分析器进行检测［56］。

图3 基于激光烧蚀原理的AIMS技术的原理示意图Fig.3 Schematic diagrams of AIMS techniques based on laser ablation principle

与ESI方法一样，LAESI更倾向于电离极性分子，虽然LAESI无需样品预处理或任何基质的添加，但样品需要富含水分，以便样品吸收红外激光，更好地激发目标分子。提高LAESI方法的灵敏度是当下的研究重点，Li等［56］通过改变电喷雾的溶剂梯度，提高了不同分析物在极性和弱极性溶剂中的溶解度，扩大了生物样品分析的分子覆盖范围，实现了对极性和弱极性分析物的LAESI分析。MALDESI最初是作为一种结合MALDI、激光烧蚀与ESI技术而开发的，因此，样品必须与有机基质共结晶以吸收激光，然后用紫外激光进行烧蚀，随后通过ESI进行电离。IR-MALDESI被证明可以用于大气压环境下解吸和电离分子量范围为1.2～17.0 kDa的生物分子，仅需极少的样品，就可以电离和检测蛋白质、碳水化合物和脂质［57］。最近，LAESI和MALDESI的发展主要集中在质谱成像上。Taylor等［58］将LAESI与傅里叶变换质谱耦合，对洋葱和银莲花的单细胞进行了高空间分辨率为40 μm的成像，结果表明该系统具有简化环境单细胞分析和高空间分辨率成像的潜力。

激光烧蚀环境电离质谱的新技术还有皮秒红外激光（Picosecond infrared laser，PIRL）［59-60］和自动捕集质谱技术（SpiderMass techniques）［61-62］，这两种技术均是利用红外光源促进解吸和电离。这些方法通过共振红外激光消融激发水合样品（通常是生物组织）中水的氢氧键的伸缩振动带解吸和电离分子，产生的离子通过传输管传输到质量分析器中进行分析。在PIRL中，使用的是皮秒红外激光，而SpiderMass使用的是纳秒红外激光，因此可能会在样品表面产生不同的分子沉淀以及生成不同的分子离子［59］。

基于激光烧蚀电离源也可以与其他电离方法结合，如激光二极管热解吸耦合大气压光电离（Laser diode thermal desorption-atmospheric pressure photoionization，LDTD-APPI）［63］，激光诱导声学解吸大气压光电离（Laser-induced acoustic desorptionatmospheric pressure photoionization，LIAD-APPI）［64］。LDTD-APPI和LIAD-APPI均利用光电离作为电离方法，即高能紫外光子与具有低电离势的中性气相分子（如低极性分子）相互作用并电离。

按照时间的先后顺序，将近十几年主流的AIMS技术以时间轴的方式归纳，见图4。

图4 AIMS技术发展时间轴Fig.4 Timeline of AIMS technology development

2 AIMS在烟草化学研究中的应用

AIMS技术正被越来越多地应用于烟草化学相关的研究中，从烟草、烟草制品、烟气的化学成分分析到烟草的风味构成研究以及烟草相关成分在体内的代谢，样品形态涉及固态、气态、液态以及气溶胶等。

2.1 卷烟烟气成分分析

由于烟草烟气成分的复杂性，很难同时测量卷烟烟气中气体和颗粒物的不同化学成分，目前，分析主流烟气（Mainstream smoke，MSS）的常用方法是LC、GC或LC/GC-MS［65-66］。色谱方法繁琐、分析速度慢，而且难以很好地拆分MSS中的大量化合物，分析性能较差。AIMS可在大气压条件下快速引入和分析复杂样品，且前处理简单，减少了样品损失，可以做到对烟草烟气释放的现场快速分析，因此，AIMS技术是很好的分析烟气成分的方法。

2013年，Marcus等［67］使用液体采样大气压辉光放 电（Liquid sampling-atmospheric pressure glow discharge，LS-APGD）电离源与离子阱质谱联用，测定了卷烟烟气的成分，也是AIMS技术首次应用于烟气分析，用该装置检测雪茄烟叶燃烧的环境烟气，与传统的ESI源相比，LS-APGD源检测烟碱和多环芳烃（蒽、菲）的信号强度提高了7倍，信噪比提高了3倍。Du等［68］首次提出用解吸电晕束电离（Desorption corona beam ionization，DCBI）质谱进行吸附材料收集气溶胶的直接原位分析，研究气溶胶在吸附材料中的迁移行为，探究卷烟烟气中苯酚在滤嘴中的空间分布特征，在醋酸纤维尖端苯酚的空间分布特性分析方面，与HPLC相比，DCBI-MS分析的简便性显著提高。Hertz-Schünemann等［69］通过使用微探针从燃烧的卷烟内部提取形成的气体，并将其与光电离质谱结合，用于研究2 s内卷烟燃烧期间有机气体的演变，在线监测卷烟内不同采样点的各种热解和燃烧产物的浓度，实验结果表明，微探针采样光电离质谱技术可以用于卷烟尖端燃烧产物的检测。Cui等［70］建立了一种用于卷烟主流烟气在线检测的萃取电喷雾质谱（EESI-MS）方法，通过单孔道吸烟机对卷烟进行逐口抽吸，通过主成分分析可以快速区分和表征主流烟气，并通过碰撞解离实验对烟气中烟碱进行定性分析。Liu等［71］将EESI-MS与离子阱质谱仪结合，建立了一种在线分析烟气中乙烯基吡啶和茄尼醇的方法。

实时直接分析质谱（DART-MS）也是检测烟草烟气成分的常用方法。Li等［72］应用DART-MS测定卷烟主流烟气中的6种生物碱，与传统GC-MS方法相比，DART-MS方法检出限更低，线性范围更广。Wang等［73］采用DART-MS快速同步分析主流烟气中的多种颗粒物成分，可以在几秒钟内完成，质量误差小于10 μg/g，并且使用氘代烟碱（烟碱-d4）作内标实现对烟碱的准确定量，结果表明，DART-MS可用于快速获取卷烟中有害化合物的指纹图谱，为质量控制提供了高效的方法，可以定量致癌物以评估其危害性。Forbes等［74］利用DART-MS直接与市售电子烟连接，无需样品制备即可在30 s内完成分析，实现了对电子烟气溶胶的直接分析，而不需要在表征前收集或冷凝样品，减少了样品的损失和污染。

2.2 烟草及烟草制品成分分析

AIMS作为一种快速分析生物样品的方法，现已在烟叶化学成分分析中得到广泛应用。过去的几年中，在利用AIMS技术进行质谱成像的方法方面取得了许多进展，进一步扩展了检测范围并能更好地表征检测到的分子，这使得AIMS技术在烟叶组织成像等领域的应用前景更加广阔。目前，市场上卷烟的质量可能存在很大差异。因此，开发测量卷烟中不同成分的分析方法，以表征卷烟的化学特征，并生成用于质量控制的指纹图谱，是烟草化学成分分析的研究重点。卷烟中的化学物质性质多样，浓度范围广，给成分分析带来了很大的挑战。传统的分析技术很难对大量的烟草制品进行高速、高通量的筛选，AIMS技术因其分析优势，可以快速定性和定量烟草制品中的微量元素、生物碱等化学成分，为烟草化学成分检测和表征开拓了新途径。

2.2.1 烟叶化学成分分析

Musharraf等［75］提出了一种直接激光解吸电离（Direct laser desorption ionization，DLDI）方法，可以直接检测烟叶中的烟碱，结合高分辨率的质量分析器进行分析，此方法可以直接且高通量地分析烟叶中的天然产物和复杂生物样品中的代谢物等。O’Brien等［76］利用环境红 外激光烧蚀质 谱（Ambient infrared laser ablation mass spectrometry，

AIRLAB-MS）对烟叶中的烟碱和尿苷进行表征，结果表明，AIRLAB-MS具有良好的重复性，每个区域尿苷信号的标准偏差均小于10%。Martínez-Jarquín等［77］采用低温等离子体电离质谱（LTP-MS）监测烟草中受生长素调节的烟碱的合成，为活体内测量植物表面的生物合成特性提供了技术手段，研究证明LTP-MS是生物活体研究的一种有价值的分析工具。Moreno-Pedraza等［78］将405 nm的连续波紫外激光器耦合到LTP探针上，对样品进行成像，使用连续波紫外激光器进行解吸，可实现快速成像测量，并可直接从原生组织中测量天然产物，表明激光解吸低温等离子体质谱成像在植物化学中的应用很广泛。

2.2.2 烟草制品化学成分分析

Keating等［79］利用纸喷雾串联质谱（PS-MS/MS）测定新型烟草复杂基质中的烟碱和可替宁，与GC-MS/MS方法相比，PS-MS/MS更快速、方便且定量限更低。Song等［80］建立了一种利用光辐射热解吸辅助LTP源与离子阱质谱联用的方法，用于快速检测和确认烟丝中的风味物质，优化了实验条件，使每个烟草样品及其萃取液在加热20 s内即可完成分析，该方法具有快速、高通量测定复杂基质中风味化合物的潜力。Zhao等［81］利用超声雾化萃取大气压光电离质谱（Extractive atmospheric pressure photoionization mass spectrometry，EAPPI-MS）快速分析5种卷烟烟丝中的化学成分，鉴别出醇类、酮类、酸类、醛类、酯类以及生物碱等46种化合物，检测速度快，定性定量准确，可以实现高通量检测，与传统的LC-MS联用相比，EAPPI-MS具有基质干扰小、无极性歧视等优点。Ahmed等［82］利用激光诱导击穿光谱（Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）和飞行时间质谱仪耦合对不同品牌卷烟中的微量元素（钙、镁、钠、钾、硅、锶、钡、锂和铝等）进行了定性和定量分析，结果表明，LIBS与飞行时间质谱联用是分析固体样品中微量元素的一种强有力的技术。Jiang等［83］将 机 械 化 学 萃 取（Mechanochemical extraction，MCE）和DART-MS相结合，用于同时测定烟草填料中的多种化学成分，成功提取了包括烟碱、烟草生物碱、碳水化合物、有机酸、保润剂和其他添加剂在内的不同种类的物质，并通过高分辨率DART-MS进行检测，质量误差小于10 μg/g，从测定烟草填料到获得半定量结果仅需几分钟，操作简单，通量高。Jurisch等［84］用PSI-MS提取和分析合法和非法来源的卷烟样品，用分析结果建立化学计量模型，使用偏最小二乘法分析区分合法和非法样品，准确率达到82%；与ESI方法相比，PSI技术速度更快、成本更低、灵敏度更高，且没有显著的离子抑制效应。

2.3 AIMS在其他烟草相关方向的应用

AIMS技术可以快速、准确地对电子烟补充液成分进行分析。Poklis等［85］采用DART对同一厂家生产的9种电子烟补充液中的非法添加成分进行了评价。Bruno等［86］将PSI电离源与便携式质谱相耦合，检测电子烟补充液中的掺假成分。

AIMS技术可以通过分析吸烟者的呼气、唾液等生物样本，了解烟草在吸烟者体内的代谢情况，也可以对物品表面烟气中气溶胶颗粒的痕量残留进行原位快速分析。Zhang等［87］利用微波等离子体炬（Microwave plasma torch，MPT）在常压下产生微波等离子体，用于监测呼气中烟碱的衰减曲线，结果表明，MPT-MS是一种实时监测气体样品的有效方法。Carrizo等［88］采用大气压固体分析探针（ASAP）耦合高分辨率四极杆质谱仪和时间偏光检测器对大量吸烟者的唾液和尿液样本进行暴露实验，ASAP作为直接分析生物样品的技术已被证明非常有效，不需要样品前处理，能够完成快速分析。Kuki等［89］采用DART-MS检测吸烟者服饰上残留的烟草烟雾污染（三手烟），还对实验室空气中的二手烟进行监测，实现了对作为烟草烟雾污染指标的烟碱的灵敏和选择性分析。Min等［90］采用解吸电晕束电离-串联质谱（DCBI-MS/MS）技术，对不同样品表面的典型三羟色胺环境标志物——烟碱和可替宁进行定量分析，二者的检出限均为1.4 μg/m2。

3 结果与展望

作为一种新兴的、有影响力的分析技术，AIMS因在高通量、实时、原位和活体分子分析方面的优异性能而广泛应用于烟草行业。相比于传统的分析方法，AIMS无需复杂的预处理步骤，例如，气溶胶的初始收集和蒸汽的捕集等，更加快速、方便，已经成功应用于烟草烟气成分分析、烟叶生物组织成分分析及组织成像、烟草中化学成分检测及电子烟非法成分添加的监测等研究，未来围绕吸烟与健康和烟草风味成分分析等方向还有很大的应用空间。

目前已经有很多种敞开式离子化电离源被开发出来，但大多停留在实验室研究阶段，并没有被商品化，AIMS技术在实际应用中依旧面临着很多挑战［91］，例如：①重复性。样品的几何形状、样品表面、样品性质（硬度、形状、黏度和基质）、周围环境（温度、相对湿度、空气流动情况等）、操作人员素质以及电离源内部参数等，这些因素涉及样品引入、解吸、电离和离子传输的各个过程，均影响AIMS的稳定性和重复性。②定量。AIMS技术已经从快速定性筛选演变为定量工具，然而对于复杂样品分析存在离子抑制和基质效应，会严重限制定量能力。③分子覆盖率和灵敏度。由于敞开式电离源易受外界环境干扰，即使优化了条件参数，AIMS技术的电离效率通常也比传统的电离源（如ESI和MALDI）低。因此，在使用AIMS技术时，分析物覆盖率低和灵敏度低是其面临的很大挑战。这主要是由4个方面的原因造成的：电离效率不足，严重的离子抑制，选择性差，无法区分同分异构体。④数据复杂性。天然样品和外界环境中存在的多个分析物通常会使图谱更加复杂，难以解释。且不同原理的敞开式电离源对同一物质电离可能会产生不同的谱图，这均为样品谱图识别与检索带来不便。

为改善AIMS技术的分析性能，其未来的发展应主要集中在以下几个方向：①提高检测灵敏度，实现对痕量或复杂样品基质中目标化合物的准确定量，以扩大检测覆盖范围；②构建公共数据库，方便分析实验结果；③开发用于机器人实验室的全自动平台，降低人为干扰，加快实验速度；④实现现场检测。近年来该领域的新应用和发展有力地表明，AIMS技术已经并将继续对烟草领域的研究产生持久的影响。