混杂样品各组分顺次电离装置的研制与应用

张兴磊，原雪燕，徐加泉，乐长高，陈焕文

(1.东华理工大学，江西 南昌 330013；2.江西中医药大学，江西 南昌 330004)

混杂样品是指由多种理化性质不同的组分通过物理和/或化学作用混杂交互叠积在一起的样品，广泛存在于生产生活和科学研究中。快速简便地获取不同类型混杂样品中各组分的分子结构、含量和空间分布情况等信息，以及深入探究混杂样品在所处微环境中的化学行为，对进一步理解样品的物理化学性质、形成过程与机理具有重要意义。

由于混杂样品组分的复杂性，目前的分析方法需要在检测混杂样品前根据混杂样品中特定的研究对象进行预处理，使特定组分与其他物质发生分离或富集，随后进行检测。这一过程不仅增加了样品分析的时间和成本，还有可能丢失重要的信息，造成分析数据的不完整与不准确。目前，混杂样品仍需通过不同的分析手段、采用多次分析测试，才能够获得较全面的分子结构、丰度、空间分布等信息。近年来，随着直接质谱分析技术的发展，无需样品预处理也可以获得复杂基体样品中待测物的分子种类及含量信息。如Cooks等[1]发展的解吸电喷雾电离(DESI)质谱技术及衍生的成像技术可直接快速地获取生物组织中的分子分布信息；Cody等[2]发展的实时直接质谱分析电离技术(DART)已广泛应用于生物医学、环境监测等复杂样品的分析检测。但是，直接质谱分析技术以有机组分的快速检测为主[3-12]，对混杂样品中存在的无机组分(如无机盐、金属氧化物、金属单质等)少有报道。另外，目前使用质谱成像技术在组织成像等领域取得的研究成果也局限于有机组分在样品中的分布及相关信息[13-17]。近年来，光谱技术发展迅速，能检测单细胞[18]、单分子[19-20]水平，获得样品形貌以及组分(如发色官能团)在样品中的浓度和分布信息，但只能跟踪或检测特定的标记分子，难以适应混杂样品的实际分析要求。目前，有机固体科学[21]、特殊功能纳米材料的开发[22]等前沿研究迅猛发展，这对同时检测样品中不同组分物质信息提出了迫切需求，也对分析测试技术发展提出了挑战。

在这种情况下，亟需建立一种新的分析方法，实现以最少的样品消耗、最短的分析时间，获得混杂样品中不同组分的分子结构、丰度、空间分布等多层面、全方位的信息，深入理解样品的理化性质、形成机理以及构效关系等。因此，本文拟设计一种能够对混杂样品中各组分进行顺次电离，并依次进行高灵敏度检测(如质谱分析)的装置。该装置以混杂样品各组分顺次电离装置为关键组件，与常见的质谱仪联用，可实现高灵敏度的质谱分析。基于新研制的混杂样品顺次电离质谱分析平台，探索典型混杂样品中各组分电离原理并总结其规律，获取合金、岩石矿物、生物样品等物质的分子结构、丰度、空间分布的信息，希望为其他不同类型的混杂样品分析提供参考。

1 装置研制

1.1 研制原理与工作流程

混杂样品的组分复杂、性质差异较大，如何同时满足混杂样品中不同组分的直接电离是关键问题，也是制约混杂样品直接质谱分析的瓶颈。为此，本团队提出了一种混杂样品各组分顺次电离原理：通过选择合适的试剂和能量，在分子层次精确调控试剂与混杂样品的作用过程，以实现混杂样品中不同组分的顺次提取、输送和离子化，然后在质量分析器中进行分析，获得样品中组分的结构信息(M)及其质谱信号强度(I)随时间(T)变化的关系，即y(M，I)=f(T)。在质谱分析的同时，采用显微形貌分析技术实时记录样品的形貌，获得样品形貌(S)随时间变化的关系，即y(S)=f(T)。结合y(M，I)=f(T)和y(S)=f(T)，可得y(M，I)=f(S)，从而获得混杂样品中组分的分子结构(M)、丰度(A)、空间分布(D)等信息。

混杂样品顺次电离装置的工作流程示于图1。首先将混杂样品装载到特定样品池中，根据样品中不同组分的性质选择特定溶剂(如环己烷等)，溶剂与能量源中特定形式的能量(如温度、微波、电场等)进行耦合，形成携带有能量和电荷的能荷载体试剂，在样品池与混杂样品进行作用。能荷载体试剂选择性地与混杂样品中的非极性组分作用，使其与混杂样品母体分离并进入溶剂中，合适的温度、超声波等条件可以加快样品组分的溶解。溶解后含有特定组分的溶液经极性调节(如添加H+供体)与能荷调节(电离方式、电压、温度、雾化气压等)形成离子，进入质谱进行分析。在质谱分析的同时，通过显微成像技术实时获取混杂样品溶解过程的形貌变化。结合质谱分析和显微成像结果，能够获得该组分中物质的种类、相关性、相对丰度及含量等信息。

1.2 装置结构

图1 混杂样品顺次电离装置工作流程图Fig.1 Workflow diagram of the miscellaneous sample sequential ionization device

本装置采用模块化设计进行科学配置，总体结构示于图2，共分为8个模块。时序触发与智能模块控制整个装置；试剂定量添加与混配模块对试剂进行选择并按一定比例均匀混配；配制完成后，通过微量液体布输模块向其他模块输送分析所需的载体试剂；微型电解池模块作为整个装置的核心，混杂样品将在该模块中与试剂和能量进行作用，完成组分的选择性提取；场能量耦合与调控模块将特定形式的能量(如温度、微波、超声波)转移耦合到选定载体试剂和需要顺次电离的混杂样品中，使携带能量或电荷的载体分子在微型电解池模块中与混杂样品作用；高效电离模块与微型电解池模块连接，使随载体试剂进入溶液相的样品组分离子化，供质谱分析；显微形貌分析模块实时监测微型电解池模块中混杂样品组分的提取过程。各模块按照一定的顺序安装在支撑联接模块上，共同形成一个完备的装置。

图2 仪器装置分布管理示意图Fig.2 Schematic diagram of the instrumentation distribution management

装置的外观与内部整体结构示于图3。在工作过程中，混杂样品应始终保持在显微形貌分析视线内，确保可以实时在线采集样品的形貌尺寸数据；混杂样品与微电极直接接触，溶解后的样品组分必须可控地进入液体载流模块，从而传输至高效电离模块形成离子供质谱检测。

1.2.1试剂定量添加与混配模块 试剂定量添加与混配模块能够准确地进行试剂选择，并按一定比例将各试剂均匀混配。混配池为全316不锈钢结构，耐酸、碱及有机溶剂，其底部配有超声波振荡器，根据不同工作情况调控输出频率。仪器内部的精密蠕动泵通过聚四氟乙烯管道将不同的溶液输送至混配池进行混配。溶液存储容积500 mL，混配池200 mL，试剂缓存箱50 mL。注射泵可切换双向流动，流量范围0.1～10 000 μL/min，控制精度0.01 μL/min。控制阀用于控制输液管路的流动状态，量程为0.1～1 000 μL/min，控制精度0.01 μL/min，通常情况下设定某一默认值(5 μL/min)，实际应用过程中根据需要进行调节；超声振荡发生器功率200 W，振子功率170 W。该模块原理功能与结构示意图示于图4。

1.2.2微量液体布输模块 微量液体布输模块提供分析所需的载体试剂，主要包括输液管路、控制阀及流体耦合部分。输液管路用于连接仪器各液体存储及使用模块，为各模块提供所需的液体。调理液(E4管路)与样品萃取液(E5管路)在微流控芯片操控下Y形混合，降低层流效应，加强湍流充分混合，交汇于X处。该部分管路的流速由微量注射泵和精密电磁控制阀控制。微量注射泵的输入直流电压24 V，为液体的输送提供动力。通入脉冲电压后，精密电磁控制阀中的电磁驱动器会产生动力，在工作轴的带动下，活塞内的柱塞做水平往复运动。微量液体布输模块的流速可在0.1～10 000 μL/min内调节，管路由聚醚醚酮(PEEK)材料制成，各连接处能承受100 μL/min流速产生的压力，为减小整个模块的液体死体积，除特殊说明外，模块所用输液管均为内径100 μm，示于图5。

注：a.主体部分外观效果；b.内部结构与模块分布图3 顺次电离装置设计示意图Fig.3 Schematic diagrams of the design of the sequential ionization device

注：S1.pH传感器；S2.电导率传感器；S3.温度传感器；E1.电解池入口1；E2.电解池入口2；E3.电解池入口3；E4.离子源入口图4 试剂定量添加与混配模块示意图Fig.4 Schematic diagram of the reagent dosing and mixing module

注：E1.电解池入口1；E2.电解池入口2；E3.电解池入口3；E4.离子源入口；E5.电解池出口；X.流体耦合模块图5 微量液体布输模块示意图Fig.5 Schematic diagram of the microfluidic distribution module

图6 显微形貌分析模块示意图Fig.6 Schematic diagram of the microscopic morphology analysis module

1.2.3显微形貌分析模块 显微形貌分析模块能够实现混杂样品形貌和尺寸信息的实时监测，记录混杂样品组分实时溶解与电解的全过程，该模块示意图示于图6。显微镜和高速摄像机通过伺服电机、电路控制及软件控制，实现显微镜镜头的电动切换、自动对焦、高速摄像机的自动成像。显微镜放大倍数为50～1 000倍，具备明场观察功能，摄像机最快拍摄速度可达500帧/秒，搭配计算机与控制软件可实现混杂样品形貌和尺寸信息的实时监测。

1.2.4微型电解池模块 微型电解池模块是混杂样品顺次电离装置的核心，根据样品需要顺次引入携带能量、符合理化性能要求的试剂，在电解池内实现能荷载体分子与混杂样品组分的选择性作用，使混杂样品中选定的组分脱离混杂样品母体进入溶液中，用于后续的质谱分析。该模块主要由电解池腔体、流体管路接口、工作电极、对电极、工作电极位置调节杆、电极导线、电学设备、显微成像模块观测窗等构成，各部件设计参数列于表1。

表1 电解池及其各模块设计参数Table 1 Design parameters of the electrolytic cell and its modules

微型电解池壳体整体采用7075铝合金制成。壳体外壁设有溶液输送接口，与内部电解池腔体联通。电解池腔体采用二氧化硅透明石英玻璃制成，外壁使用PEEK材料保护。电极底端引出高压导线，连接直流高压电源和电化学工作站。腔体内部采用全密封设计，注入导热油，通过电阻加热实现0～200 ℃的变温控制对样品进行电解，示于图7。

图7 微型电解池结构示意图Fig.7 Schematic diagram of the micro electrolytic cell structure

1.2.5场能量耦合与调控模块 场能量耦合与调控模块包括微波加热装置、超声装置、温控元件。在溶剂混配部分，超声波频率可达200 kHz，超声波发生器总功率1.5 kW，工作温度为 30～60 ℃。电解池外部通过油浴加热，受热均衡。温控元件通过过热管加热，实现电解池边界介质0～200 ℃的变温控制，加热速率通过热电偶反馈进行控制，示于图8。

图8 场能量耦合与调控模块示意图Fig.8 Schematic diagram of the field energy coupling and modulation module

1.2.6高效电离模块 高效电离模块包括极性调节模块、能荷调理模块以及离子传输效率调整模块。该模块与仪器的微型电解池模块连接，通过调节溶液相的极性，快速电离随着载体试剂进入溶液相的样品组分，形成所溶解组分的离子后进行质谱分析。通过调整方向、角度、距离、电压、去溶剂气流压力等参数实现进样速率达到所需标准。进样装置精度达10-9L，进样速率低至10-9L/s；电离装置电压调节范围达±8 kV；2个离子源喷头可以分别在x、y、z轴移动和转动。其中，移动精度达到μm级，喷头角度调节范围为0～90°，调节精度达0.1°；通过配备减压阀和流量计控制去溶剂气流，其中压强可控范围为0～2 MPa，流量可控范围为0～10 mL/min。在此实验条件下，喷雾形成的微小液滴最小可达10 μm，样品消耗量可低至10-9g级。此外，该模块还可根据需要连接或耦合不同的电离装置，如连接纳升电喷雾电离源、电感耦合等离子体电离源(ICP)，耦合大气压化学电离源(APCI)、微波等离子体炬(MPT)等。

1.2.7时序触发与智能控制模块 时序触发与智能控制模块将仪器的另外7个模块有序连接，使其按指令协同运作，完成混杂样品的全组分分析。该模块主要由基于嵌入式微处理器的硬件子模块和基于嵌入式实时操作模块的软件子模块组成。软件操作界面示于图9a，软件子系统以labview图形界面系统为软件平台进行开发。该模块的性能指标响应时间达ms级，精准度(如位移控制、流速控制等)误差小于5%。硬件模块示于图9b，采用双核ARM Cortex-A9处理器，能够在超过1 GHz频率的设备中运行，在工作状态每个循环可执行多达4条指令。该模块可降低主流八级处理器的成本并提高效率。结合电子传感器、集成运放放大器、A/D 转换器、存储器以及稳压器关键数字芯片共同构成硬件外围电路。

图9 时序触发与智能控制模块的软件操作界面(a)及硬件模块(b)Fig.9 Software operation interface (a) and hardware module (b) of the timing trigger and intelligent control module

1.2.8电源与支撑联接模块 电源与支撑联接模块安装于特定硬件支撑模块上，形成一个完整的仪器骨架，示于图10。电源的峰值负载可达150%，操作海拔高度可达5 000 m，支撑联接模块整体采用7075铝合金，使用角形连接块对连接处固定，整体稳定可靠。

根据上述设计，分别测试各模块及总装后仪器的电/磁、光、温度、气密性、调节范围、化学兼容与稳定性、控制精度、整体匹配度等指标，完成了仪器硬件物理性能测试。仪器整体装置图示于图11。

图10 支撑联接模块示意图Fig.10 Schematic diagram of the support connection module

2 仪器应用

2.1 金属样品

2.1.1金属材料的电解辅助顺次电离质谱分析 快速检测合金中金属元素成分具有重要意义[23]，但如何实现金属材料中金属组分的直接软电离质谱分析是直接质谱分析的难点。因此，本团队将金属置于微型电解池中，基于金属电解的原理，通过在合金样品上施加一定的电解电压，将金属单质转化为金属离子，然后与电解液中的有机配体发生原位反应，制备金属-有机络合物，离子化后用于质谱分析，即电化学电离质谱(ECI-MS)，其原理示于图12。以表面覆盖甘氨酸的黄铜为分析对象，首先采用CH3OH为萃取剂，以2.0 μL/min流速流入电解池，提取黄铜表面存在的有机物(甘氨酸)，并在线传输至电喷雾电离源中进行离子化，用于质谱分析，示于图13a；有机组分分析结束后，以H2O/CH3CN/Phen(邻菲罗啉)为电解液，通过改变电解电位将黄铜合金中的Cu和Zn顺次电解为相应的金属离子，示于图13b；金属离子与电解液中的Phen原位发生金属-络合反应形成相应的金属-有机络合物，然后在线传输至电喷雾电离源中进行离子化，获得相应的金属-有机化合物的质谱信号，示于图13c。该方法可在无需样品预处理的条件下实现合金样品表面有机组分和金属组分的顺次电离质谱分析，解决了传统ICP-MS难以实现的有机组分分析和直接质谱技术难以实现的金属组分直接分析。

图11 混杂样品顺次电离装置的装配效果图(a)及实物图(b)Fig.11 Assembly effect (a) and physical drawing (b) of the mixed sample sequential ionization device

图12 金属材料顺次电离质谱分析示意图Fig.12 Schematic diagram of sequential ionization mass spectrometry analysis of metallic materials

注：a.CH3OH电解液中黄铜样品的ECI-MS谱图；b.铜、锌和黄铜在-1.0～1.0 V下的电解曲线(电位扫描速度0.1 V/s)；c.黄铜在H2O/CH3CN/Phen电解液中不同电解电位(-0.85、-0.6、-0.4、0、0.2 V)下的ECI-MS谱图图13 有机物覆盖的黄铜样品顺次分析图Fig.13 Successive analysis of glycine covered brass

图14 电化学微探针顺次电离-质谱法分析金属材料微区示意图Fig.14 Schematic diagram of microzone analysis of metallic materials by electrochemical microprobe sequential ionization-mass spectrometry

2.1.2块状合金的电化学微探针质谱分析

电化学微探针质谱法(μECP-MS)是结合电化学微探针(μECP)微区采样与纳升电喷雾电离质谱(NanoESI-MS)发展的检测方法[24]。将直径100 μm的铂丝插入尖端直径5 μm的微移液管中制备μECP。利用微型注射器将电解质溶液(10 mg/L邻菲罗啉的H2O/CH3CN(1∶1，V/V)溶液通过μECP尖端吸入，电解液体积约为2.5 nL，通过显微镜下的微型注射器固定液体高度进行控制。在微操作器和显微镜的调控下，μECP与金属样品接触，其尖端中的电解液连接了尖端和金属样品表面。μECP上的铂丝作为对电极，金属样品作为工作电极，在铂丝和金属间施加不同的电解电位，样品中的金属元素转化为金属离子进入μECP尖端电解液中与有机配体反应形成络合物，实现对合金表面不同组分的顺次采样，示于图14。研究表明，在电解电位为0 V时，选择性采样中性RhB；向μECP施加+0.2 V电位，采样Zn组分；将电解电位改为+0.4 V，采样Cu组分。完成采样后，将μECP作为纳升电喷雾喷头，采用NanoESI-MS技术对μECP中的电解液进行质谱分析，示于图15。

2.1.3金属杂质的电化学质谱分析[25]基于金属电解的原理，将混杂样品顺次电离装置应用于重金属制品的无损分析，示于图16。首先在0.05 mmol/L EDTA的H2O/CH3CN(1∶1，V/V)溶液中制备一系列不同浓度(0.2、1、10、20、50、100、200、500、1 000 μg/L)的Ni2+、Cu2+和Pb2+工作溶液，用于考察装置对金属有机络合物的分析性能。Ni2+、Cu2+和Pb2+的校准曲线及电解后掺杂金首饰电解质的质谱图示于图17a，可以看出，3种金属-有机络合物的浓度与质谱信号强度间具有良好的线性关系，通过标准曲线可计算出相应的检出限，最低可达0.05 μg/L。在实际样品分析中，将金属制品(如黄金首饰)置于微型电解池中，以0.05 mmol/L EDTA的H2O/CH3CN(1∶1，V/V)作为电解液，在样品上施加+0.8 V的电解电位，首饰中的Cu、Pb、Ni等杂质金属将通过电解作用转化为金属离子，并与EDTA发生原位络合反应，生成金属-有机络合物，然后传输至电喷雾电离源中进行离子化，供质谱分析，结果示于图17b。由于Au具有较高的电解电位，在该条件下难以电解为离子，因此该技术是一种无损的重金属首饰分析方法。

注：a.+0.6 V电解电位；b.+0.6 V电解电位；c.金属的质谱信号强度与电解电位之间的关系；d.不施加电解电位情况下采样的RhB质谱图；e.-0.2 V电解电位；f.+0.6 V电解电位图15 μECP-MS对金属材料的定性分析Fig.15 Qualitative analysis of metal materials by μECP-MS

图16 电化学电离源质谱技术快速无损分析金属中杂质Fig.16 Rapid non-destructive analysis of impurities in metals by electrochemical ionization source mass spectrometry

2.2 地矿样品

2.2.1水铁矿中砷组分的在线顺次电离质谱分析[26]以合成的水铁矿作为吸附剂对砷元素进行吸附，吸附后的沉淀经收集与干燥后作为待测样品。实验时，将样品装载至微型电解池中，使用去离子水、5% NH4NO3、NH4H2PO4(0.2 mol)、(NH4)2(C2O4)(0.1 mol，pH 3)和0.5% HF-5%HNO3混合溶液等作为洗脱剂顺次洗脱样品，并以超声和加热进行辅助，顺次提取砷的水溶性组分(砷组分1)、非特异性吸附组分(砷组分2)、特异性吸附组分(砷组分3)、铁氧化物结合组分(砷组分4)和残余组分(砷组分5)，洗脱的组分在线传输至ICP-MS分析，示于图18。实验分别对单一体系和共存体系(砷、锑2种元素)中的砷进行吸附，检测到水溶性组分和非特异性组分的砷占比极少，以氧化铁结合的砷为主(占比>80%)，特异性吸附的砷和残余组分的砷占10%。此外，砷(Ⅲ)在单一体系中的特异性组分(13%)高于共存体系(9%)，这是由于砷(Ⅲ)和锑(Ⅲ)在体系中的共存导致它们对水铁矿表面的吸附位点形成竞争。而砷(Ⅴ)在单一体系和共存体系中的组分差异不大，表明锑(Ⅴ)与砷(Ⅴ)在体系中的共存不影响砷(Ⅴ)的吸附，示于图19。通过该研究思路得到了砷在水铁矿表面吸附的含量和各组分的分配情况，拓展了对其毒性和迁移的研究思路。另外，相较于传统的离线分步提取方法，该方法仅需极少量的样品(约1 mg)，无需样品前处理，降低了人力、物力成本，有望在矿物样品的直接分析、环境水样的污染监测、毒性元素的迁移及其吸附作用研究等领域得到应用。

图17 Ni2+、Cu2+和Pb2+的校准曲线(a)及电解后掺杂金首饰电解质的质谱图(b)Fig.17 Calibration curves of Ni2+, Cu2+, Pb2+ (a) and mass spectrum (b) of the electrolyte of doped gold jewelry after electrolysis

2.2.2恐龙化石中稀土元素的顺次电离质谱分析[27]恐龙骨骼在石化过程中存在稀土元素侵入其中的磷灰石并富集到化石中的现象，利用脊椎动物骨骼中的稀土元素特征可解决化石研究中的部分难题。实验时，将样品置于微型电解池中，依次用H2O、0.3 mol/L NH4Ac、0.1 mol/L NH2OH·HCl、0.5 mol/L HNO3+1% H2O2、0.01 mol/L HF+1 mol/L HNO3等溶液提取样品中的水溶态、可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态5种不同形态的稀土元素组分，然后在线传输至ICP-MS进行分析，示于图20。当前一组分的信号降至基线后，更换下一溶剂进行分析。采用该方法可在1 h内获得样品中15种稀土元素的5种形态信息。对比该方法与标准离线消化法的分析结果可发现，该方法具有良好的分析准确度(>90%)，示于图21。该方法相对传统的射线衍射(XRL)、X射线荧光光谱(XRFS)等方法具有无需复杂的预处理、分析速度快、能耗低等优点，可快速完成15种稀土元素的含量分析和形态分析。

有报道[28]利用该方法实现了稀土矿样中15种稀土元素(镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥)及其伴生金属(如铁、锰等)的快速分析，为矿石和化石等复杂样品中稀土元素的快速定量分馏分析提供了强有力的检测工具。

图18 在线顺次洗脱-电感耦合等离子体质谱直接分析固体样品Fig.18 Direct analysis of solid samples by on-line sequential elution coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry

图19 在单一和二元体系(As(Ⅲ)+Sb(Ⅲ)或As(Ⅴ)+Sb(Ⅴ))中顺次在线检测As(Ⅲ)和As(Ⅴ)Fig.19 Sequential online detection of As (Ⅲ) and As (Ⅴ) in single and binary systems (As (Ⅲ)+Sb (Ⅲ) or As (Ⅴ)+Sb (Ⅴ))

图20 恐龙化石中不同形态稀土元素顺次电离质谱分析示意图Fig.20 Schematic diagrams of the sequential ionization mass spectrometry of different forms of rare earth elements in dinosaur fossils

注：插图为低含量元素信号放大图图21 离线消化法和顺次电离质谱法测定15种稀土元素含量Fig.21 Determination of 15 rare earth elements by an offline digestion and sequential ionization mass spectrometry

2.3 生物样品

以临床组织样本为研究对象，寻找与疾病密切相关的潜在生物标志物有助于在分子水平上高精度识别癌症，提高诊断的准确度[29]。将猪肺组织样品置于微型电解池中，然后将电解池中进样端毛细管插入组织内部，并在电解池的电极上施加+4.5 kV电压，使带电的萃取剂直接通入组织内部，通过改变萃取剂组成对组织内部的小分子代谢物、脂质和蛋白质进行顺次萃取，最终形成电喷雾实现离子化，供质谱分析，示于图22。实验中对27种溶剂进行参数优化，最后采用甲醇-水萃取剂(35∶65，V/V)对脂质进行萃取，萃取结束后，在相同实验条件下连续萃取30～80 min，萃取小分子代谢物，然后将萃取剂改为甲醇-水-乙酸(35∶65∶10，V/V/V)，实现蛋白质的选择性萃取，结果示于图23。利用该方法获得了来自13名患者57份肺组织样本中的小分子代谢物、脂质和蛋白质的综合信息，肺癌预测的灵敏度、特异性和准确度均达到了100%。该方法具有样品耗量低(约2.0 mg)和操作简便等优点，在提高临床肺癌诊断的准确度和模块生物学研究方面具有潜在的应用价值。

3 结论

本工作研制了可以实现混杂样品中不同组分顺次电离的装置，围绕试剂及能量与混杂样品的作用，设计了试剂添加与混配模块、微量液体布输模块、微型电解池模块、显微形貌分析模块、场能耦合与调控模块、高效电离模块、时序控制模块和支撑联接模块。通过调控能量的大小、形式及施加方式以调节相应的电离参数，从而精确地调控混杂样品中各组分的顺次电离过程，获得不同物质含量相对于分析时间的关系。同时，通过仪器装置的显微观测系统可获取不同分析时间结点处的样品影像信息，建立各类物质在空间分布、时间、丰度之间的关联。其次，根据这些信息之间的关联，推导混杂样品的纳微结构及形貌特征。目前，该仪器已实现对矿石、金属、生物样品中有机及无机组分的顺次检测，为混杂样品的成分检测提供了简便、快捷、全面的方法，未来有望在材料、能源、地球、生命等科学领域得到广泛应用。

图22 顺次萃取-质谱分析同一组织样本内脂类、小分子代谢物和蛋白质的示意图Fig.22 Schematic diagrams of lipids, small metabolites and proteins of the same tissue sampleby sequential extraction-mass spectrometry

注：a.水；b.甲醇；c.乙醇；d.甲醇-水(35∶65,V/V)；e.乙酸；f.丙酮；g.甲醇-水-乙酸(35∶65∶2.5,V/V/V)；h.甲醇-水-乙酸(35∶65∶10,V/V/V)