直接離子化裝置研究新進展

張興磊 張華 王新晨 黃科科 王丹 陳煥文

摘 要 在常壓下直接離子化是質譜分析研究的熱點方向之一。經過多年的發展，基于直接離子化而發展起來的復雜基體直接質譜分析技術已廣泛應用于各研究領域，日益顯示出其重要作用。目前已報道了上百種不同的直接離子化技術，已有不少文獻對其進行了總結、分類與展望。本文從能量作用方式的角度，展示典型技術的直接電離工作原理與模式，對近五年出現的新型離子化技術和裝置進行總結和簡要述評，討論了現有技術的優缺點，對未來直接離子化技術可能的應用與發展方向進行了展望。

關鍵詞 質譜； 直接離子化； 直接分析； 能荷傳遞； 評述

1 引 言

自2004年電噴霧解吸電離（Desorption electrospray ionization，DESI）直接質譜分析技術提出以來，直接質譜分析技術已成為目前質譜學研究的重要領域之一，它可在無需樣品預處理的前提下，實現復雜樣品的快速質譜分析，極大地提高了分析效率。經過十余年的發展，直接質譜分析技術已經廣泛地應用于各個研究領域，并發揮著越來越重要的作用。截止到2018年7月，以“Ambient mass spectrometry”為關鍵詞，在Web of Science上進行檢索，有7680條文獻記錄，其中近兩年發表的文獻每年超過700篇，并呈現穩步上升態勢。針對不同的分析對象和目的，國內外已開發出了上百種能夠承受不同復雜基體并在常壓條件下直接離子化的技術（簡稱直接離子化技術），并在組學分析[1～3]、活體分析[4，5]、環境檢測[6]、藥物品質評價[7，8]、食品安全分析[9]、刑偵分析[10]、質譜成像[11]等諸多領域得到了重要應用。典型直接離子化技術，如DESI[12]、DART[13]、EESI[14]、LTP[15]、DBDI[16]、DAPCI[17]等技術經過持續的研究，已有較為成熟的理論支撐并顯現出了重要的實用價值。目前已有文獻從離子化機理研究和應用領域等角度對離子化技術進行了總結、分類與展望[18～20]，本文主要從能量作用方式的角度概述直接質譜技術，并對近五年來出現的新型離子化技術和裝置進行總結，討論了現有技術的優缺點，對未來直接離子化技術可能的發展方向和趨勢進行了展望。

2 基本原理

基于離子化能量源（如電、光、熱、聲音等）的差異，直接離子化技術能量耦合形式主要包括噴霧電離、電場電離、光致電離和熱致電離。不同的直接離子化技術或施加單一的能量形式進行樣品的直接離子化，或以多種能量組合的形式來實現目標樣品的離子化。針對實際樣品形態的多樣性（包括固、液、氣、膠體，甚至非均相形態等），本課題組提出了直接制備目標分子離子的二維和三維模型，歸納了能荷在不同相態中的傳遞過程[18]。在二維模型中，能荷載體與實際樣品直接在二維平面碰撞，將能荷轉給目標分子，完成表面解吸電離，適用于表面分析或質譜成像； 在三維模型中，能荷載體在三維空間與實際樣品碰撞融合，將能荷轉移給目標分子，完成空間萃取電離，適用于各種特別復雜的樣品（如血液、尿液、污水等）及活體質譜分析。在實際工作中，應該根據實際樣品的理化性質和狀態等情況合理地選擇能荷載體和能荷傳遞的方式，以達到滿意的分析結果。以下分別對不同能量形式的離子化技術進行簡要歸納。

2.1 噴霧電離

噴霧電離技術以帶電小液滴為初級試劑離子，并借助一定方式將其能荷轉移到復雜基質樣品上，從而實現待測物的直接電離。噴霧電離的離子化技術一般包括兩個步驟：（1）利用鞘氣或電場使液體產生帶電小液滴，形成具有一定能量的初級試劑離子，如超聲噴霧或電噴霧； （2）攜帶能量的初級試劑離子與待測樣品在二維表面或三維空間[18]中接觸并相互作用，發生能量和電荷的轉移，實現待測物的離子化。實際樣品多以固、液、氣、膠體、甚至非均相等形態存在，為滿足不同樣品分析的需要，各類以噴霧電離為基礎的直接離子化技術相繼涌現，如電噴霧解吸電離（Desorptive electrospray ionization， DESI）[12]、 電噴霧萃取電離（Extractive electrospray ionization， EESI）[21]、超聲噴霧解吸電離（Desorption sonic spray ionization， DeSSI）[22]、空氣動力輔助電離（Air flow assisted ionization，AFAI）[23]、熔滴電噴霧萃取電離（Fused droplet electrospray ionization， FDESI）[24]、納升電噴霧萃取電離（Nano extractive electrospray ionization， nanoEESI）[25]、組織噴霧電離（Tissue-spray ionization，TSI）[26]等技術。

其中，DESI是在二維表面直接制備目標分子離子的典型離子化技術，它通過ESI制備的帶電液滴對樣品表面的待測物進行吸解電離，在二維表面上進行能荷的轉移，實現目標物的離子化。DeSSI僅通過超聲噴霧（無需外加電壓）制備得到帶電小液滴，無需外加電場的特點使得其具有溫和的電離能量。尤其是EESI分別采用電噴霧通道和樣品通道，將帶電液滴和中性樣品噴霧在相對寬闊的三維空間內進行碰撞融合，在三維空間中進行能荷的傳遞和轉移，獲得待測物離子，進一步提高了復雜基體的承受能力。EESI是一種比ESI更加溫和的軟電離技術，有利于進行化學反應監測、活體組織分析等應用研究，且在活體無損分析方面具有良好的應用前景。由于是以帶電小液滴為初級能荷載體，該類技術可用于強極性物質和生物大分子的快速質譜分析。

2.2 電場電離

基于電場放電產生初級離子的技術主要包括采用常壓電暈放電、輝光放電進行的大氣壓化學電離（Atmospheric pressure chemical ionization， APCI）和等離子體電離。實時直接分析（Direct analysis in real time， DART）技術是在放電室內的針電極和多孔電極之間施加高達幾千伏的電壓，激發輝光放電，使得氣態的He原子或N2分子變為激發態，腔體內形成的含有離子、電子和激發態氣體的等離子體氣流從DART出口端噴出至樣品表面，從而對樣品進行熱輔助的解吸附和離子化。DART較適用于小分子化合物的快速離子化，已在食品、藥品、代謝產物等的分析中得到廣泛的應用。例如，Jagerdeo等[27]采用DART-MS對尿液中的代謝物進行直接分析檢測； 栗則等[28]采用DART-QTOF-MS建立了中藥保健品中人為摻雜的合成降糖藥的快速篩查方法。在電暈放電空間插入絕緣介質的非平衡態氣體放電技術稱為介質阻擋放電電離（Dielectric discharge barrier ionization， DBDI）[29]技術，利用氣流將介質阻擋放電產生的由大量的電子、離子和激發態原子所組成的等離子體延伸至離放電區域較遠的地方，即可得到低溫等離子體（Low-temperature plasma probe， LTP）[15]。由于形成的尾焰很細，因此稱為低溫等離子體（LTP）探針。Huang等[30]利用LTP對全脂奶、魚和奶粉中的三聚氰胺進行了檢測，檢出限達到250 ng/mL，且單個樣品分析時間僅為0.5 min。由于LTP所形成的等離子體的溫度約為30℃，并且絕緣體隔離了高電壓，所以LTP可直接對皮膚上的化學物質如可卡因等進行檢測，還可用于字畫上印章的質譜成像[16]。電場電離技術還包括常壓萃取化學電離（Extractive atmospheric pressure chemical ionization， EAPCI）[31]、等離子體輔助解吸電離（Plasma-assisted desorption ionization， PADI）[32]、表面解吸化學電離（Desorption atmospheric pressure chemical ionization， DAPCI）[33，34]、氦氣常壓輝光放電電離（Helium atmospheric pressure glow discharge ionization， HAPGDI）[35]等技術。電暈放電、輝光放電和等離子體提供的能量相比于ESI往往較高，該類離子化技術對低極性，甚至非極性化合物具有較好的離子化能力。

2.3 光致電離

光致電離技術主要采用紫外、紅外、激光等為能量源，直接光電離或者基質輔助激光電離產生初級離子。光致電離技術往往無需加載高電壓，無需噴霧溶劑，無需氣體輔助離子化，且具有較低的功率消耗，通過合理選擇波長就可選擇性電離待測物，減少基體物質的干擾。此外，借助激光分辨率高、方向性好、能量高等特點，可使樣品快速氣化并電離。光致電離技術包括表面解吸激光電離（Desorption atmospheric pressure photo ionization， DAPPI）[36]、常壓基質輔助激光解吸電離（Atmospheric pressure laser matrix-assisted desorption ionization， APMALDI）[37，38]、常壓激光解吸/電離（Atmospheric pressure laser desorption/ionization， APLDI）[39]、等技術。

此外，不同形式的能量可通過一定的方式進行耦合，以結合不同能量形式源的優點，提高目標物的離子化效率和分析性能，如激光電離可與電噴霧電離技術相結合，提高電離效果，同時滿足分析的空間分辨率要求。已經開發出激光誘導超聲解吸/電噴霧電離（Laser-induced acoustic desorption and electrospray ionization， LIAD/ESI）[40]、基質輔助激光解吸電噴霧電離（Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization， MALDESI）[41]、電噴霧輔助激光解吸電離（Electrospray-assisted laser desorption ionization，ELDI）[42]等技術。

2.4 熱致電離

熱致電離技術采用高溫、熱輻射光子的能量激發分子離子化。熱解吸化學電離（Thermal dissociation chemical ionization， TDCI）[43]技術通過熱解離子化合物試劑，產生大量試劑離子，高濃度試劑離子與樣品中的待測物分子發生碰撞，使樣品中的待測物分子離子化，具有無需高壓氣體、采用室溫離子液體為電離試劑（無毒無污染）、靈敏度較高等優點。離子化合物試劑熱解產生的陽離子和陰離子具有很高的反應活性和電離能力，適用于弱極性、非極性化合物的分析檢測，還可通過使用特定的試劑離子實現待測物的選擇性電離，提高分析靈敏度。熱致電離技術還包括激光二極管熱解吸（Laser diode thermal desorption， LDTD）[44]、常壓熱解吸電離（Atmospheric pressure thermal desorption ionization， APTDI）[45]、快速蒸發電離（Rapid evaporative ionization， REI）[46]等技術。

3 近五年發展的新型直接離子化技術

近五年來發展的部分代表性的直接離子化技術歸納于表1中，并對部分典型的直接離子化技術進行簡要的介紹。

3.1 固相載體直接電噴霧電離

固相載體直接電噴霧電離（Substrate electrospray ionization）技術是近年快速發展的一種直接離子化技術，它利用固相載體基質代替了傳統的毛細管，具有簡單、方便、快速的特點。該類技術的主要方式是將樣品裝載或富集于固相載體基質（如濾紙[74]、牙簽[75]、涂層刀片[76]、玻璃片[77]、鋁箔紙[78]、筆尖[53]、線[79]等）上，在載體基質上加一定體積的溶劑，在電場的作用下，在載體基質的表面產生電噴霧用于質譜檢測，從而實現樣品的直接質譜分析（圖1）。其中，典型離子化技術主要有紙噴霧電離（Paper spray， PS）[74]、牙簽電噴霧電離（Wooden tip spray， WTS）[75]、涂層刀片電噴霧電離（Coated blade spray， CBS）[80]等離子化方式。該類直接離子化技術已獲得了廣泛應用，如紙噴霧電離質譜（PS-MS）可對血液中的藥物含量進行定性和定量分析，并已應用于食品、刑偵分析等領域[74]，且已開發出紙芯片技術[81]，紙芯片可與LTP離子化技術相結合，實現復雜樣品的高通量分析。此外，研究人員近年對傳統的濾紙或木質牙簽的表面進行改性，開發出一系列功能化材料修飾的紙基質或木牙簽基質，如在紙基質的表面修飾功能化材料如鉑納米顆粒/納米管[82]、二氧化硅[83]、二氧化鋯[84]、碳納米管[85，86]、MOF材料[87]、聚苯乙烯微球[88]、三氯（3，3，3-三氟丙基）硅烷[89]等，或在木質牙簽的表面修飾功能化的疏水性基團（C18）、堿性基團（NH2）、酸性基團（SO3H）[75，90]，以提高載體基質取樣的選擇性，從而提高離子化效率，實現復雜樣品中痕量物質的快速分析。另外，開發出的分子印跡膜電噴霧電離（Molecularly imprinted membrane electrospray ionization， MIM-ESI）[91]技術和涂層刀片電噴霧電離（CBS）[76，92，93]技術也利用了固相載體基質選擇性吸附的特點，提高了分析方法的選擇性和靈敏度。

3.2 內部萃取電噴霧電離技術

內部萃取電噴霧電離源（iEESI）是在電噴霧萃取電離技術（EESI）的基礎上發展而來的，該技術可實現整體樣品內部化學組分的直接質譜分析[2， 47]，如圖2所示，iEESI對整體樣品分析時，直接將帶電的萃取溶劑注入到樣品的內部，溶劑對樣品內部的化學組分進行萃取，在電場作用下，萃取液會在樣品的前端產生電噴霧，從而實現樣品內部化學組分的直接質譜分析。與常見的表面取樣直接離子化技術不同，該技術可直接獲取植物或動物組織樣品內部成分的定性或定量信息。目前，iEESI-MS已應用于多個領域中，如在植物代謝研究中，iEESI-MS可快速獲得植物組織樣品的內源性代謝物信息，實現多種植物組織的快速分析[2]； 在食品安全中，該技術可用于肉制品中多種非法添加物的快速高靈敏檢測[94]； 在臨床診斷中，利用iEESI-MS可對癌組織和癌旁組織進行快速區分，判別癌癥病灶[47，95]。另外，在分析動植物組織整體樣品的基礎上，為了滿足液態復雜樣品分析的需要，對iEESI-MS技術進行改進，利用功能化材料對樣品進行固相萃取，將富集目標物的材料制備成一個iEESI整體樣品，進而進行iEESI-MS分析。利用該技術已經實現了人尿中的多環芳烴[96]、牛奶樣品中的抗生素[97]和血液中血紅蛋白[93]的快速質譜分析。

3.3 單細胞電離技術

近年來，單細胞分析備受關注，是當今分析化學領域的研究熱點。已報道的單細胞分析技術主要有單細胞熒光成像法、單細胞電化學法、單細胞質譜法。其中，單細胞質譜法因具有極高靈敏度和高通量的特點，是單細胞分析的重要研究方向，而單細胞的電離技術無疑是單細胞質譜分析的關鍵技術和難點[98]。目前單細胞質譜分析的離子化方法主要有：直接吸取細胞內容物進行nanoESI-MS、萃取后進行電離和解吸電離[98]。直接吸取細胞內容物進行nanoESI-MS是以微米級的毛細管直接吸取單細胞內液體進行nanoESI-MS分析，主要技術有單細胞視頻質譜法（Live single-cell video-MS）[99]、毛細管微取樣電噴霧質譜法（Capillary microsampling ESI-MS）[100]、內部電極毛細管取樣探針電噴霧電離質譜法（Internal electrode capillary pressure probe ESI-MS）[101]、誘導納升電噴霧電離質譜法（Induced nanoESI-MS）[102]等技術。例如，毛細管微取樣電噴霧質譜法（圖3A）利用微米級（尖端直徑0.2～5.0 μm）的毛細管直接吸取細胞內的細胞液體，然后直接進行nanoESI-MS分析[100]。萃取后進行電離的離子化方式主要是結合液-液微萃取（Liquid-liquid microextraction）或固-液微萃取（Solid-liquid microextraction）對細胞內組分進行萃取后直接離子化，主要技術有Single-probe MS[103]、探針電噴霧電離法（PESI）[104，105]、Surface coated probe （SCP）-nanoESI[106]、Direct sampling probe （DSP）[107]等技術。單細胞分析的解吸電離法主要包括電噴霧解吸電離（DESI）[108，109]、超聲噴霧電離（EASI）[110]、激光消融電噴霧電離（LAESI）[111]、激光解吸/電離液滴傳遞（LDIDD）[66]等技術。Single-probe MS技術如圖3B所示，該方法利用雙通道的噴頭，一個通道將萃取液注入到細胞內部，對細胞內化學組分進行液-液微萃取后，萃取物經另一個噴頭流出進行nanoESI-MS[103]； 基于打印式進樣的探針電噴霧質譜法如圖3C所示，打印式進樣得到含有單細胞的微小液滴，單細胞液滴在重力作用下落到探針尖端進行PESI-MS分析[105]。目前，眾多不同的技術雖然已實現了單細胞質譜分析，但是，因為單細胞本身體積非常小（fL～pL），且細胞內不同物質的濃度差異特別大，其檢測靈敏度和空間分辨率仍需要進一步提高。

3.4 多功能集成式離子源

針對不同直接離子化技術的特點，近期提出了將多種能量形式的離子化技術模塊集成到一個裝置中，做成集成式的離子源（Integrated ambient ionization source， iAmIS）[73]。

該集成式離子源將大氣壓光輝放電電離源（FAPA）、實時在線分析電離源（DART）、介質阻擋放電電離源（DBDI）、低溫等離子體電離源（LTP）、解吸電噴霧電離源（DESI）、激光解吸電離源（LDI）模塊進行了重新組裝，集成到同一個離子源裝置中（圖4）。對樣品分析時，可綜合不同電離源模塊特有的優勢，針對目標待測物的性質，選擇不同的離子源模塊對樣品進行直接電離，提高了離子源的離子化效率，獲得了更優的分析性能。例如，iAmIS源可實現對極性、弱極性化合物的分析[73]。

4 結論與展望

直接質譜技術經過多年的開發與發展，其應用價值已得到證明，除直接離子化技術本身具備的對復雜基體樣品快速、實時、在線、原位、活體分析等特點外，還得益于本領域技術的發展以及技術多樣化、裝置小型化、定位多功能化、分析定量化為目標。但是，整體來看，仍有共性的問題需要解決，如直接離子化理論研究不夠深入，如能更加深刻地了解直接離子化的能量與電荷傳遞機制，則可提高這些技術的分析性能，優化與改進離子化裝置； 此外，儀器裝置產業化有待加強，從原理到裝置的轉化力量薄弱，除少數理論研究相對深入的離子化技術實現了產業化、小型化外，多數離子化技術仍處于實驗室裝置階段，除受機理研究不成熟所限外，精密制造條件也同樣限制了對所研制裝置進行產業化和批量生產。

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