碳纤维离子化质谱技术的研究与应用

孔 然，向 平，陈卓南，赵君博*

（1．上海市法医学重点实验室，上海市法医学服务平台，法医学毒理学研究室，上海 200063；2．烟台大学 药学院，山东 烟台 264005）

常压电离质谱（Ambient ionization mass spectrometry，AIMS），又称环境电离质谱、敞开式电离质谱，是一类在常压条件下对样品或样品表面直接进行电离的质谱技术，无需或仅需简单的样品前处理，在开放环境中便可实现复杂基质样品的进样和离子化［1-3］。其延续了传统质谱分析速度快、灵敏度和准确性高的特点，又具有简便快速、高通量、实时、原位、无损检测等优势。自2004年Cooks团队［4］报道了第一种常压电离技术——解吸电喷雾电离（Desorption electrospray ionization，DESI）以来，AIMS正式进入大众视线，继而敞开式离子化技术得到各界学者的关注。随后环境电离技术得到了快速发展，各类新技术不断涌现，目前已有上百种新技术、新方法被提出［5-10］，并在环境分析检测、食品药品安全、生物医学、公共安全等多领域得到了广泛应用［11-17］。此外，相较于传统质谱分析检测的离子化局限性，敞开式离子化技术丰富的离子化方式大大扩展了其应用领域，可实现复杂基质中样品的简单、直接进样检测。

近年来，环境电离技术不断引入新的离子化方式，例如树叶［18-19］、小木枝［20］、纸张［21-24］、碳纳米管［25-29］、碳纤维［30-32］等。碳纤维（Carbon fiber，CF）为继粉末活性炭和颗粒活性炭之后的第三代活性炭产品，是由有机纤维材料经碳化、活化制成的具有多孔结构的材料，具有吸附性容量大、吸附速率快、耐高温高压、可再生以及经济适用性强的优点。碳纤维敞开式质谱法［33］（Carbon fiber ionization mass spectrometry，CFI-MS）在2016年被首次报道，可用于各种有机化合物及其在不同溶剂中的快速、直接质谱分析。CFI-MS［30-32］技术只需滴加辅助溶剂和添加直流电压，在大气压环境下即可完成对样品的直接检测分析，其电离源较大气压化学电离源（APCI）质谱法和实时直接分析（DART）电离源质谱法软，具有与各种溶剂兼容性好、灵活性高、工作方式多样等优点，已被应用于各个领域［34］。本文重点介绍近几年快速发展的基于CFI-MS法的研究和应用进展。

1 碳纤维离子化质谱技术的原理及特点

CFI-MS的装置十分简单，即将一束碳纤维镶嵌于不锈钢管内，并使碳纤维暴露于管外0．5 ～1 cm处（图1），是一种可以拆卸的CF探头［33］。CF探头上可以外接可调节的高压直流电源（2．5 ～ 3．0 kV）以及可拆卸的溶剂输送系统，以便将溶剂输送至碳纤维探头上，同时CFI-MS技术可将待测样品直接添加至CF探头上，或者可以采用CF探头直接蘸取样品采样［33，35］。由于不锈钢管和碳纤维具有较好的导电性，使得高压可以直接传输到碳纤维上，将探头上吸附的样品离子化，随后进入质谱的离子源口进行检测。

图1 碳纤维质谱法示意图［33］Fig．1 Diagram of carbon fiber mass spectrometry［33］

1.1 碳纤维离子化质谱技术的原理

按照离子化机理AIMS法可分为基于电喷雾电离（ESI）的离子源和基于大气压化学电离的APCI离子源，以及结合以上两种方式的离子源。基于电喷雾电离的离子源适合分析极性较大的溶剂样品，待测样品通过电喷雾实现离子化需要3个步骤：雾滴的形成、雾滴不断变小发生库仑爆炸和气相离子的形成［36-39］。而基于大气压化学电离的离子源适于分析极性小或无极性的样品，包括样品解吸附和离子化两个步骤［40-43］。但CFI-MS对不同极性的溶剂体系均能实现直接检测，说明其属于结合以上两种方式的离子源［44］。

有研究者通过实验证明，CFI-MS的离子化机理以与APCI类似的电晕放电为主，在使用极性溶剂时与ESI类似的电喷雾机理也少量存在。在使用CFI-MS进行实验时，首先，吸附于碳纤维上的样品通过解吸从其表面脱附下来（可以加入一些溶剂帮助样品更好地从碳纤维上解吸），随后，脱附下来的样品在高压的作用下实现离子化过程，进入质谱进行快速分析检测［45-46］。Zhao等［45］应用热辅助碳纤维质谱（TCFI-MS）法得到了甲基苯丙胺（m∕z150．128 3）从溶剂开始滴加到信号消失的总离子色谱图（TIC）和提取离子色谱图（EIC）。结果显示碳纤维上的甲基苯丙胺样品呈现一种非线性的解吸附离子化。进一步说明此技术分析样品时，是一个不断解吸电离的过程，直至碳纤维上的样品耗尽。

1.2 碳纤维离子化质谱技术的特点

传统的离子源一般需将样品液体化才能进行分析，并且对待测物类型和溶剂极性有一定要求，同时由于其本身的离子化机理有一定的局限性，使得大多数复杂基质中的样品需要繁琐的前处理。而碳纤维质谱法的提出和发展在一定程度上可以更好地应对复杂样品急剧增多的挑战，实现各类复杂样品的实时快速分析。碳纤维作为第三代活性炭物质，具有较好的样品兼容性、承载和分散能力，其导电性介于金属与非金属之间，且耐高温高压。CF自身的多孔结构，使其比表面积大，具有广谱的吸附性能和高的吸附容量［47］。同时其表面的官能团能够很好地对溶液中的有机物和重金属离子实现较大的吸附容量和较快的吸附速率，可以对一些多烯类化合物、甾体类化合物、热不稳定性化合物以及非极性化合物进行分析检测，扩大了分析物的范围［36］。相比于传统离子化技术在溶液方面的局限性，CFIMS对溶剂没有要求，适合与各种溶剂匹配快速分析样品［48］。

CFI-MS操作简单快速，无需或仅需简单的样品前处理，可在大气压环境中进行实验，无需气体辅助即可对复杂基质中的样品进行实时快速分析，且取样十分便捷快速，有探针模式、联用模式和采样头模式3种进样模式（图2），可以实现液体样品、固体粉末类样品、难以移动的较大样品以及微量样品的快速取样分析，且几乎可以做到无损取样［33］。实验结束后，碳纤维上的样品残留物可用火烧法迅速清除，无需繁琐的清洗净化过程，方便快速进行下一个实验［49］。与其他AIMS相比，CFI-MS装置简单、成本较低、易于操作，可以实现大量样品的快速检测，省时省力。

图2 CFI-MS法的3种进样模式图［33］Fig．2 Diagram of three injection patterns by CFI-MS method［33］A．probe mode，B．interface mode，C．collector mode

2 碳纤维离子化质谱技术的影响因素

在CFI-MS技术中，解脱附是化合物离子化过程中的关键一步，研究者们基于不同性质的样品对实验进行优化（包括碳纤维形态、碳纤维温度、碳纤维上所加电压、碳纤维与离子进样口的距离以及样品添加的方式），以提高不同样品检测的灵敏度。本文对此进行了总结，详见表1。

表1 碳纤维离子化质谱技术在实际样品分析中的应用Table 1 Application of practical samples analysis using CFI-MS technology

2.1 碳纤维的形态

碳纤维离子化质谱技术凭借碳纤维的多孔结构和较大的吸附力，可实现样品的良好富集和浓缩，在各种环境电离技术中脱颖而出。对碳纤维的形态和性质进行优化有望获得更好的结果。

Wu等［33］采用水杨酸甲酯的甲醇溶液（1 µg∕mL）对不同粗细、长短的碳纤维束进行实验，发现碳纤维的粗细、长短对其电阻有一定影响，但对信号峰的强度影响不大，说明碳纤维的型号对实验影响不大。同时他们发现苯并［a］芘的离子强度随碳纤维直径的增加而降低，说明相同实验条件下，较细的碳纤维更容易诱发电晕放电［49］。对碳纤维的形态进行优化，可以提高灵敏度，满足不同的实验需求，扩大CFI-MS的使用范围。

2.2 碳纤维的温度

温度的优化对于CFI-MS法的样品检测较为重要。为了更好地将碳纤维上吸附的样品脱附，可以在碳纤维探头下方添加一个陶瓷加热板，以便通过加热板的加热作用，将碳纤维上的样品更好地热脱附出来，增大样品的解吸量，降低检出限。

Zhao等［45］通过优化加热板的温度，在300 ～ 350 ℃下实现了甲基苯丙胺分析物在碳纤维上的最佳热解吸，避免了样品的热分解。文献［49］测试了加热板温度（150 ～ 350 ℃）对0．10 mg∕mL葡萄糖电离的影响，发现在150 ℃时有目标信号出现，但强度较低；在较高温度时，样品被碳化分解也导致信号降低，最终选择250 ℃进行实验。因此不同样品的最适温度不同，选择合适的温度可有效提高信号强度，降低基质效应，进而提高检测的灵敏度。

2.3 碳纤维上所加电压

CFI-MS主要的离子化能量来源于所加的高压，碳纤维上电压的大小将影响质谱信号的响应。Wang等［50］采用3种不同药效的药物（50 µg∕mL），对电压（1．5 ～ 3．5 kV）进行优化，结果显示电压较低时信号强度很低，碳纤维上的样品不能很好地被离子化，升高电压可以改善电离效果，并发现电压为3．0 kV时信号较为稳定。Wu等［49］对碳纤维上所加电压进行优化时发现，电压越高获得的离子强度越高，电压低于3．0 kV时分析物在质谱上产生的离子信号几乎看不见。故为了得到更好的实验结果，所加电压不能过低，但也不能过高，以免引起尖端放电现象，损坏质谱及相关电子器件，甚至对实验人员造成一定伤害，通常电压选择在3．5 kV左右。

2.4 碳纤维与离子源进样口的距离

当碳纤维采样头与质谱进样口距离不当时，可能导致异常的电弧放电，对仪器安全造成威胁，因而调节碳纤维头与质谱进样口的距离也非常重要。Zhang等［51］配制了桂皮醛的甲醇溶液对碳纤维与离子源入口的距离进行优化。结果显示，随着两者之间距离的增大，目标物的信号强度降低，距离越短信号越强，但当距离小于2．0 mm时，极易发生放电现象影响实验结果，并有一定危险性，因此实验选择最佳距离为2．0 mm。文献［45］用甲基苯丙胺的甲醇溶液进行距离优化，并将碳纤维尖端到质谱入口的最佳距离设置为3．0 mm。碳纤维头与质谱进样口的距离一般控制在2．0 ～ 3．0 mm，距离过近可能将大量样品带入质谱离子源口中，对仪器造成污染；距离较远则会降低离子传输效率，影响方法的灵敏度。

2.5 样品添加方式

传统CFI-MS装置中，样品加在碳纤维尖端，不锈钢的空心管则用来输入辅助气体和液体。为了更好地满足不同实验需求，需要对样品、溶液的加入方式进行优化。张强等［51］将可挥发的样品置于碳纤维下方，使样品通过自身挥发在高压电离下进入质谱。随后他们改进了进样方式（图3A），将碳纤维下的溶剂换成一个可加热的陶瓷加热板，将溶液滴在加热板上，使之通过热解吸作用挥发并被离子化进入质谱，提高了目标信号的强度［52］。

Wang等［50］在原有装置基础上，于碳纤维上方放置一个萃取雾化装置（图3B），可将溶剂型样品通过雾化过程更加均匀地分散在碳纤维尖端和质谱离子源入口处，进样操作更为便捷，提高了实验的重现性和准确度，同时减少了样品在碳纤维上的脱附过程，使样品更大程度地进入质谱中，显著提高了方法的灵敏度。

图3 加热板加热样品进样法（A）［51］和萃取雾化进样装置（B）［50］Fig．3 Heating plate heating sample injection method（A）［51］ and extraction atomization injection device（B）［50］

3 碳纤维离子化质谱技术的应用

碳纤维的富集浓缩效果归因于其自身的孔隙结构及表面化学性质。表1中总结了碳纤维离子化质谱技术的实际应用情况。由表可见此技术对小分子化合物的分析效果较好。主要原因是小分子化合物容易从碳纤维上实现脱附，而脱附是化合物离子化过程中的关键一步。以下对碳纤维离子化质谱的具体应用进行总结。

3.1 食品药品检测

Zhang等［52］建立并优化了热解吸碳纤维电离质谱（TD-CFI-MS）检测辣椒素的方法，不仅节省了时间，且由于该法的解吸和电离过程分离，使得电离过程中分析物受基质的影响较小，分析物的信号强度得到了增强，对辣椒素的线性范围为0．05 ～ 5．0 µg∕mL，检出限（LOD，S∕N= 4）为1．0 pg∕mL，与UPLC-ESI-MS的检出限基本相同，且方法的准确度和精密度良好。

同时，该研究者团队［50］利用CFI-MS快速直接分析未经前处理的桂枝、当归、川芎、广藿香油、复方川芎胶囊和四物颗粒的挥发性成分，成功表征了烃类、萜类、醛类、酮类、酚类、酯类、甾体类等化合物。并通过建立超声提取-雾化-实时∕碳纤维电离质谱（UEN∕CFI-MS）技术，筛选了降糖、降压、降血脂等中药制品中掺入的合成药物。结果表明，UEN∕CFI-MS方法的LOD值为2 ～ 50 µg∕g，满足中草药中掺假合成药物的检测要求。

3.2 法医毒物及生物样品的检测

由于基质效应广泛存在，开发一种快速、简便、灵敏的药物分析方法对法医学研究至关重要。Zhao等［45］发展了一种利用热辅助碳纤维电离质谱法（TCFI-MS）直接分析生物体液中药物的方法。该技术将尿液、血液、唾液等生物体液直接滴加在碳纤维上，通过滴加有机溶剂实现在线蛋白沉淀，并通过金属陶瓷加热板进行热解吸，降低了基体效应，提高了灵敏度。该法为非侵入性分析，可在几分钟内完成样品的快速识别和分析。Wu等［33］采用CFI-MS法实现了吸烟志愿者呼出气体的直接分析，所得质谱图中可清晰显示尼古丁相关的质谱峰及其主要代谢物可铁宁的质谱峰。以上研究说明CFI-MS可以很好地实现生物样品以及其他毒物的快速检测，为法医毒物的分析提供了一种更为简单快速的分析方法。

3.3 品种鉴别

气味现场分析是联系气味与化学成分的重要途径。然而，由于分析物浓度和采样量较低，很难对气味样本进行快速直接分析。Sun等［53］将CFI-MS方法应用于完整红枣挥发性成分的测定。以大枣中存在的乙酸、乙酸乙酯、己酸乙酯、乙酸辛酯和大马酮为研究对象，对CFI-MS方法在气态样品定量分析中的性能进行了评价。方法在5．0 ～ 500．0 ng∕L范围内线性关系良好（r2≥ 0．994 6），检出限为0．5 ～1．5 ng∕L，5种挥发性物质的加标回收率为94．4% ～ 107%，相对标准偏差（RSD，n= 5）小于7．3%。

Wu等［54］应用CFI-MS对挥发性不饱和碳氢化合物衍生的反应产物进行监测。香蕉、大蒜和生姜等水果的氢胺化衍生物具有高度挥发性，而原位氢胺化使得CFI-MS可检测到其芳香分子，为确认这些具有不饱和官能团的芳香分子提供了可行性。该方法具有简便、高通量、灵敏度高、适用范围广等优点，可作为不同品种鉴别的一种替代方法。

3.4 环境分析检测

Wu等［55］采用CFI-MS法建立了一种不需样品前处理即能定性和定量测定番茄等完整水果中农药残留的方法，并对阿特拉津、灭螨净、克百威、毒死蜱、异丙威和灭多威等农药进行了测试。该方法的定量下限（在规定范围内）达到了很低的水平，精密度和准确度分别为 ～ 5%和 ～ 2%，特别适于将完整样品放置在CFI-MS前进行质谱分析，可快速筛选完整水果或蔬菜中的农药残留。

4 展 望

与各类离子化方法相比，CFI-MS技术具有简单，分析成本低，实时快速，可以高灵敏度分析多种不同类的化合物，尤其是低或非极性化合物，无溶剂歧视效应，所需样本量小，可以无损取样等独特优势，在刑侦现场取样、临床医学、公共卫生安全、中药成分鉴定、法医毒物鉴定、环境卫生检测、药品食品安全等多个领域有巨大应用潜力。随着技术的进一步发展，CFI-MS将在更多检测领域发挥重要作用。

尽管CFI-MS较传统检测方法具有更多的优势，但该方法每次加样时都需要微调装置，导致每次加样后碳纤维与质谱入口的距离、碳纤维尖端的形态等参数发生变化，影响实验的重复性。因此需进一步改进装置，摆脱手动进样，提高实验的重复性。其次，检测方法的灵敏度有待进一步提高。相对于传统的LC-MS∕MS方法，CFI-MS方法的检出限较高。可通过对碳纤维进行化学修饰，提高其选择性和灵敏度。与此同时，CFI-MS方法是在对检测物定性分析的基础上，进一步对其定量分析。但不同物质在碳纤维上的解脱附和电离差别较大，对物质的定性定量分析提出了一定的挑战。