譚奧雷,程思敏,馬瀟瀟
(清華大學 精密儀器系 精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084)
隨著經濟全球化的不斷深入推進,國際貿易在世界經濟中占比越來越高。2020年4月世界貿易組織發布的《全球貿易數據與展望》報告[1]顯示,2019年中國進出口貿易總額為4.58萬億美元,位列全球第一位。貿易關系到國計民生的方方面面。通商口岸中貿易產品化學風險物質的篩查,如玩具中受管制成分的檢測、食品質量監控和商品中夾帶危險物的檢測等,在國際貿易中發揮著不可或缺的作用。貨物在進出關口時一旦出現安全問題,不僅會涉及巨額資金風險,還可能對消費者、國家和社會安全帶來巨大風險。
目前,廣泛應用于貿易產品中化學風險物質篩查的檢測技術主要有色譜法[2-4]、光譜法[5-6]、電化學分析法[7-8]、質譜法等。色譜法通過物質的出峰時間對樣品中化合物進行定性和定量分析,常用于檢測復雜樣品中的特定物質,方法靈敏度高,但一般需對樣品做預處理才能進樣,耗時較長。光譜法利用原子或分子的特征吸收和發射光譜實現對待測物的分析,同時可根據待測物質特定的指紋圖譜進行結構鑒定。然而,光譜分析的結果往往會受到復雜樣品中基質的干擾。電化學分析法通過物質的電化學反應實現分析,裝置簡單,操作方便,但一般只能檢測具有電化學響應的分子。與上述常規分析技術相比,質譜法通過測定質量這一最基本的屬性而實現化合物檢測,既可用于分析無機元素[9-10],又可分析有機分子和生物大分子[11-12],具有分析速度快、特異性強、靈敏度高等優勢。對貿易產品中化學風險物質篩查而言,理想的檢測技術應能實現大量產品的準確、快速、高靈敏和高通量分析。為便于現場分析,所采用的分析儀器應具有體積小、能耗低、便攜性好的特點[13]。敞開式離子化技術和小型化質譜技術的發展為滿足上述檢測需求提供了可能,通過敞開式離子化,待測物在原始樣品狀態下即可實現原位離子化,從而大大加快了樣品的分析速度和通量。敞開式離子化質譜可在無需對貿易產品做復雜預處理的情況下,實現現場、快速、高通量和高靈敏分析,在海關、通商口岸的貿易產品中化學風險物質篩查方面發揮著日益重要的作用[14-15]。
本文將綜述敞開式離子化質譜技術在貿易產品中化學風險物質篩查方面的應用,并展望其未來在貿易快檢領域的發展前景。
敞開式離子化質譜在貿易產品化學風險物質篩查中的廣泛應用離不開離子化技術的發展。從質譜發展歷史看,各種離子化方法層出不窮。早期的離子化方法以Dempster[16]在1918年發明的電子電離(Electron ionization)為代表。此后,化學電離(Chemical ionization)[17]、解吸離子化(Desorption ionization)[18]、電噴霧離子化(Electrospray ionization,ESI)[19]等方法不斷被提出,解決了低揮發性、液態樣品的離子化問題[20-23]。然而,上述離子化技術均要求對樣品進行預處理[24],無法進行直接分析,在實際應用中有一定的局限性。
隨著質譜技術的不斷發展,樣品的原位、實時、快速分析逐漸成為離子化技術發展的趨勢和要求,也成為質譜領域的前沿和熱門方向之一[25]。2004年,普渡大學Cooks教授團隊[26]提出解吸電噴霧離子化(DESI)技術。該技術的第一步是固態或液態樣品中的待測物通過液相微萃取進入噴霧液滴在樣品表面形成的液膜。之后,在DESI噴霧液滴的沖擊下,液膜與氣動噴霧所產生的微小液滴相互作用、混合,產生二次帶電液滴,完成質譜分析。DESI的出現代表了一種全新的質譜分析概念,使得待測物可在樣品中的原始狀態下被分析。此后,一大批可在敞開式、大氣壓環境下對樣品進行直接分析的離子化方法陸續被提出。這一質譜研究領域也被稱為敞開式質譜或原位質譜(Ambient mass spectrometry)。與傳統質譜技術相比,常壓敞開式質譜省去了繁瑣的樣品制備步驟,且無需在密閉空間中對物質組分進行分析,大大簡化了質譜分析流程,增強了其在貿易產品中化學風險物質篩查場景的實用性和時效性[27-30]。
2005年,Cody團隊[31]開發了實時直接分析(DART)法,在大氣壓條件下通過對中性或惰性氣體放電產生激發態原子或離子,之后利用電場去除氣流中的離子。其后,氣流使待測物從樣品表面脫附,而激發態原子則將分析物離子化,后者進入質量分析器完成質譜分析。McEwen團隊[32]提出的常壓固體分析探針(ASAP)法對商業ESI離子源和大氣壓化學電離(APCI)離子源進行改進,通過引入探針,在幾秒內完成了對未處理樣品的分析。2006年,Chen等[33]提出萃取電噴霧離子化(Extractive electrospray ionization,EESI)法,通過兩個單獨的噴霧器實現了樣品液滴和溶劑液滴間的碰撞和萃取,使目標化合物從分析物溶液轉移到溶劑噴霧中,完成后續質量分析。在此基礎上發展出的內部萃取電噴霧離子化質譜[34]還可用于表征樣品的內部成分。Grimm團隊[35]提出的場致液滴離子化(Field induced droplet ionization,FIDI)利用毛細管產生液滴,隨后與氣相試劑反應,通過高壓電場誘導液滴離子化并送入質量分析器。2008年,Harper等[36]采用低溫等離子體探針(Low-temperature plasma probe,LTP probe),實現了待測物的解吸附和離子化。該方法不會損壞樣品,甚至可用于活體皮膚表面物質的分析。其他敞開式離子化技術還有碳纖維離子化(Carbon fiber ionization,CFI)[37-38]、常壓火焰離子化(Ambient flame ionization,AFI)[39]等。DESI、DART、FIDI等幾種典型敞開式離子化技術的工作原理如圖1所示。

圖1 幾種典型的敞開式離子化技術Fig.1 Several typical ambient ionization techniquesA:desorption electrospray ionization(解吸電噴霧離子化,DESI)[26] ;B:direct analysis in real time(實時直接分析,DART)[31];C:field induced droplet ionization(場致液滴離子化,FIDI)[35]; D:low-temperature plasma probe(低溫等離子體探針,LTP probe)[36]
根據待測物解吸附機制的不同,敞開式離子化技術大致可分為3種:第一種是動量傳遞法,借助高速氣流或液體使分析物從樣品上脫離,這類方法包括DESI和解吸聲波噴霧離子化(Desorption sonic spray ionization,DeSSI)等;第二種是液滴溶解法,以EESI和FIDI為代表;第三種是熱致表面脫附法,如DART和ASAP等。一般來說,單一離子化技術往往涉及多種不同類型的解吸附機理,共同完成目標分子的解吸附和離子化。根據離子化機制的不同,敞開式離子化技術又可分為兩類:一類是基于ESI,包括DESI、電噴霧激光解吸離子化[40](Electrospray laser desorption/ionization,ELDI)和激光燒蝕電噴霧離子化[41](Laser ablation electrospray ionization,LAESI)等;另一類則是基于APCI,如DART、ASAP、解吸大氣壓光離子化[42](Desorption atmospheric pressure photo ionization,DAPPI)等。在貿易產品化學風險物質篩查的實際應用中,需根據具體檢測場景,配合質譜儀器,合理選擇離子化技術,以獲得滿意的分析結果。
隨著敞開式離子化技術和小型化質譜儀器的不斷發展,質譜在貿易產品化學風險物質篩查中發揮著日益重要的作用,涉及的應用場景越來越豐富,進出口貨物檢測的靈敏度和可靠性也在逐漸提升。
消費品在進出口貨物中占較大比重,其中玩具、化妝品等屬于與人體直接接觸的產品,對其進行嚴格、準確的篩查顯得尤為重要。
玩具中過量添加的鄰苯二甲酸酯(PAE)會經過呼吸道和皮膚進入人體,干擾內分泌,危害人體健康。Rothenbacher等[43]利用單四極桿質譜結合DART測定了玩具中的添加物。該實驗將2 cm×0.2 cm的塑料溶膠樣本置于DART氣流中,在固定位置連續監控PAE的信號直至穩定,在不破壞玩具樣品的前提下實現了鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁基芐酯(BBP)、鄰苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)等的定量分析,并通過特征性碎片離子區分了同分異構體。單個玩具樣品的檢測耗時約為8 min,檢出限(LOD)均在0.5~1 μg/g之間。高準確度和靈敏度確保其滿足歐洲現行法規對玩具中PAE含量的篩查要求,采用三重四極桿質譜可進一步提高檢測靈敏度。此外,本課題組與Ma等[44]合作,利用零電壓紙噴霧離子化(Zero-voltage paper spray ionization,zvPSI)和透射式低溫等離子體探針(Transmission low-temperature plasma probe,T-LTP probe)兩種敞開式離子化技術,發展了快速分析玩具中違禁添加物(增塑劑、芳香胺等)的方法。在zvPSI分析中,將預先設計好的圖案打印到濾紙上,用于上樣;將濾紙的其他部分滲蠟加熱處理,利用蠟的疏水性限制樣品擴散。在T-LTP probe方法中,分別使用玻璃管(內徑2 mm,外徑4 mm)和銅棒作為電介質阻擋層和內外電極,利用2.3 kV、40 kHz的交變電壓驅動等離子體產生,實現質譜分析。實驗涉及的預處理過程僅是利用有機溶劑對玩具表面進行簡單化學萃取,無物理損傷,可在3 min內完成違禁添加物的分析,增塑劑和芳香胺的檢出限分別為0.080~3.9 ng和0.024~0.77 ng。該法還可與便攜式質譜儀聯用,極大地提升了貿易產品中化學風險物質篩查的通關效率和檢測準確度。
化妝品可幫助消費者表達時尚、修護肌膚。隨著經濟水平的不斷提高,化妝品在國內市場越來越受歡迎,但其中部分添加劑(如苯甲酸酯和防曬劑等)可能會引起過敏反應甚至皮膚病[45],因而對化妝品中化學風險物質的篩查提出了較高要求。目前,國際上廣泛應用于化妝品檢測的標準方法為高效液相色譜-質譜法(HPLC-MS)[46]。為加快樣品的分析速度,研究者將具有快速采樣和離子化能力的敞開式離子源與質譜儀器結合,開展了諸多研究工作。Haunschmidt等[47]利用實時直接分析質譜法(DART-MS)對乳液、唇膏等化妝品進行分析,可在十幾分鐘內快速檢測添加劑的含量。其中,檢測苯甲酸酯時無需對樣品進行處理,直接將玻璃棒浸入樣品,用無絨布擦拭后放入DART離子源中,采用負離子模式進行質譜分析即可;檢測防曬劑時則需對樣品進行簡單的溶解處理和內標定量,然后在正離子模式下進行質譜分析。此方法對防曬劑和苯甲酸酯的檢出限分別為2.5~460 μg/g和0.14~0.3 μg/g。利用此法對化妝品的化學成分進行表征,靈敏度、準確度高,且操作簡便、節省時間。Ma等[48]將原位離子化技術與Mini12微型質譜儀聯用,利用紙噴霧(Paper spray)、萃取噴霧(Extraction spray)等離子化技術開發了直接檢測化妝品中蘇丹紅、苯甲酸酯等成分的方法。在檢測口紅樣品中的蘇丹紅時,采用紙噴霧法,將樣品涂抹到三角形的31ET級色譜紙上,然后向色譜紙上噴灑含有0.3%甲酸的乙醇-二氯甲烷(6∶4)溶劑,在4.0 kV電壓的作用下產生尖端噴霧,以正離子模式進行質譜分析,檢出限為5~30 μg/kg;檢測苯甲酸酯時,采用萃取噴霧法,使用金屬探針拾取樣品,然后將其插入硼硅酸鹽毛細玻璃管(外徑1.5 mm,內徑0.86 mm,長度5 cm)中,并施加含有0.3%氨水的甲醇-水(6∶4)溶劑,利用 2.5 kV的電壓產生噴霧離子化進行質譜分析,檢出限為10~25 μg/kg。利用原位質譜技術對化妝品成分進行分析,操作簡單,適用于海關、港口等場景的貿易產品中化學風險物質篩查。
阻燃劑是一類可使易燃物獲得難燃性的功能性助劑,常被添加到各類生活用品,如窗簾、地毯以及電子器件中。阻燃劑的廣泛使用對避免或降低火災及其次生危害至關重要。另一方面,相關研究表明:部分阻燃劑如多溴聯苯醚(PBDEs)和有機磷酸酯等會對人體的內分泌系統、中樞神經系統有不利影響[49]。因此,多種國際標準將多溴聯苯醚列為持久性有機污染物[50]。為對紡織家具中的阻燃劑進行快速篩查,Ionas等[51]將少量紡織樣品引入直接進樣探針中,利用APCI技術進行分析。將蒸發器的溫度從225 ℃逐漸升至300 ℃,按照揮發性強弱的順序在9.5 min內分別檢測樣品中的多種分析物,多溴聯苯醚和有機磷酸酯的檢出限分別為37 μg/g和30 ng/g。相較于其他檢測方法,如氣相色譜-質譜(GC-MS)和法醫學顯微術(Forensic microscopy),該方法無需樣品制備,避免使用有機溶劑,更為經濟、環保。2019年,Puype等[52]用實時直接分析-高分辨質譜法(DART-HRMS)對電子電器廢棄物中阻燃劑的含量進行了分析:借助500 ℃左右的氦氣將樣品中分析物引入到DART與質量分析器之間的空隙中;隨后利用Q-ExactiveTMHybrid Quadrupole-OrbitrapTM質量分析器在負離子模式下測定樣品中的多溴聯苯醚和Sb2O3。與X射線熒光光譜法和熱解吸GC-MS聯用法相比,DART-HRMS不僅樣品制備簡單,而且可避免基質效應,在貿易產品中化學風險物質篩查領域顯示出良好的應用前景。敞開式離子化質譜在消費品質量檢測中常見的應用實例和檢測結果如圖2和表1所示。

圖2 敞開式離子化質譜在消費品中的應用Fig.2 Applications of ambient ionization mass spectrometry in consumer goodsA:detection of chemical components in toys[44];B:screening of illegal additives in cosmetics[48]

表1 敞開式離子化質譜在消費品檢測中的應用實例Table 1 Application examples of using ambient ionization mass spectrometry for consumer goods analysis
化學添加劑在食品中的適量使用可以改善食品的色澤和口感,延長食品的保質期限。然而,添加劑的過量攝入則會誘發多種慢性疾病甚至癌癥,對消費者的健康造成嚴重影響。因此,食品進出口過程的質量監管尤為重要。
食品包裝在食品加工、運輸和零售的過程中與食品直接接觸,包裝材料中的化學物質可能會向食品中遷移,所以其質量必須受到嚴格監管。Ackerman等[53]通過實時直接分析對食品包裝中的添加劑進行檢測,確定了13種常見添加劑(包括增塑劑、著色劑和抗氧化劑)的最佳檢測條件。該實驗還利用自動進樣器將樣品重復引入DART產生的氦氣束中,提高了系統的集成性和工作效率。與傳統的分析方法如激光解吸光電子電離質譜(Laser-desorption laser-photo-ionization MS,LDLPI-MS)[54]相比,DART-MS無需對樣品進行粉碎或熱解,將檢測時間控制在3 min內,但該實驗的定量性能需進一步研究和改進。采用原位質譜技術對食品包裝的化學成分進行檢測,可以大幅降低時間成本,提高貿易篩查的通關效率。
含酒精飲料中鄰苯二甲酸酯的大量添加會對人體的肝臟、腎臟、睪丸等器官造成嚴重危害,影響生殖系統發育[55]。此前酒精飲料中鄰苯二甲酸酯含量的分析主要采用高效液相色譜法[56]和氣相色譜法[57],分析前需要較為耗時的預處理和富集過程。Miao等[58]利用微波等離子炬離子化串聯質譜(MPT-MS/MS)開發了一種穩定、簡便的檢測方法,將酒精飲料直接噴灑到等離子流上進行離子化,可在30 s內對未經任何預處理的酒精樣品中4種鄰苯二甲酸酯進行定量,檢出限和定量限分別為0.07~2.4 ng/g和0.02~7.9 ng/g。氟硝安定是一種強力的鎮靜劑和催眠藥,常被不法分子與毒品混合添加在酒精飲料中,對消費者的身體健康造成嚴重危害。DAloise等[59]利用DESI-MS技術對酒精飲料中的氟硝安定進行檢測,使用微量移液槍將20 μL待測飲料滴在Whatman?色譜紙上,然后置于DESI噴霧器下方進行質譜分析,可在30 s內得出結果。該實驗使用甲醇-水-乙醇(50∶50∶1)作為噴霧溶劑,噴涂電壓為5 kV。為克服分析物和紙質基材之間的相互作用,選取較高的霧化氣體壓力(160 psi)和液體流速(15 μL/min)。利用DESI-MS技術檢測酒精飲料中的氟硝安定具有快速(檢測時間控制在1 min)、靈敏(定量限為3 μg/mL)、準確(相對標準偏差約5.0%)的特點。將敞開式離子化技術與小型質譜儀聯用,可進一步開發敞開式離子化質譜在酒精飲料篩查中的應用場景。
豬肉作為中國肉類市場重要的組成部分,其價格和質量備受消費者關注。國內豬肉消費大量依賴進口,因此進出口貿易中的豬肉質量檢測至關重要。豬飼料中非法添加的沙丁胺醇和雙氯醇胺等“瘦肉精”常導致豬肉被污染。消費者食用含有瘦肉精的豬肉后會出現心率加快、血壓升高的癥狀,長期食用還會導致嚴重的心血管疾病[60]。目前常用于檢測動物組織中“瘦肉精”的方法主要包括免疫層析法、氣相色譜-質譜法等。但前者誤差較大,僅適用于初步判定;后者檢測過程繁瑣,耗時較長,難以滿足貿易場景中的高通量篩查需求。為解決這些問題,Xiao等[61]基于內部萃取電噴霧離子化方法(Internal extraction electrospray ionization,iEESI)開發了一種用于快速測定豬肉組織中沙丁胺醇和雙氯醇胺的程序。該實驗將毛細石英管插入豬肉組織內部,使毛細管尖端和樣品尖端的內表面相距2 mm,選擇甲醇-水(1∶1)作為萃取劑,將其通過毛細石英管直接導入豬肉組織內部,在5 kV電壓的作用下,豬肉樣品尖端將產生大量承載豬肉化學成分的電噴霧,電噴霧去溶劑化后以正離子模式進行質譜檢測。利用敞開式離子化質譜對豬肉進行檢測,具有高通量(檢測時間在30 s內)、高靈敏度(沙丁胺醇和雙氯醇胺的檢出限分別為6.2、9.8 ng/kg)、定量準確(r2分別為0.994 0和0.993 8)、無假陽性的優勢,可廣泛用于豬肉進出口貿易中“瘦肉精”含量的檢測,保障消費者的生命健康安全。
在農作物貿易的過程中,表面藥物殘留問題一直困擾著大多數消費者。因此,在進出口貿易的過程中,針對農作物表面的殘留藥物進行篩查顯得尤為重要。2010年,Wiley等[62]對未經預處理的水果和蔬菜表面的多種藥物直接進行低溫等離子體探針質譜(LTP-MS)分析。實驗所用LTP探頭由內徑3.75 mm、外徑6.35 mm的玻璃管構成,在探頭外側通上5~10 kV的高頻交流電壓,從而產生介質阻擋放電現象以使分析物離子從樣品表面解吸附。分析物離子在氦氣作用下進入質量分析器中進行后續分析,其檢出限均低于歐盟和美國環境保護署所設定的最大殘留水平(MRLs)。盡管此法的精度較差,難以用于定量分析,但其高效性和化學特異性表明敞開式離子化質譜在農作物表面藥物殘留篩查中有著較為廣闊的應用前景。圖3和表2列出了敞開式離子化質譜在進出口食品檢測中常見的應用實例和檢測結果。

圖3 敞開式離子化質譜在進出口食品安全控制中的應用Fig.3 Applications of ambient ionization mass spectrometry in satefy control of food import and exportA:food packaging[53];B:alcoholic beverage[59];C:pork[61]

表2 敞開式離子化質譜在食品檢測中的應用實例Table 2 Application examples of using ambient ionization mass spectrometry for food analysis
進出口貨物種類繁多、數量龐大的特點為爆炸物和毒品等的走私提供了便捷的出入境渠道:不法分子常將違禁物夾帶在普通商品的表面或內部,與貨物一同出入關口。如果缺乏行之有效的監管和檢測方法,走私物會通過進出口岸流通,對國家和社會造成嚴重的危害。
Takáts等[63]以甲醇和水(1∶1)溶液作為噴霧劑,利用DESI技術對塑料、金屬、紙張和皮膚等表面進行原位質譜檢測。該方法通過氣動電噴霧裝置將電噴霧引導到分析物表面,然后收集電噴霧中帶電液滴與樣品表面分析物分子結合成的二次離子,送入質量分析器,在負離子模式下進行分析,成功檢出樣品表面的爆炸物,耗時僅幾秒鐘,檢出限低至ng級,其中三硝基甲苯(TNT)的檢測靈敏度最高,可達pg級。該方法適用于復雜混合物和復雜表面(例如磚塊和混凝土)中的炸藥成分分析。如果將此法與便攜式質譜儀聯用,可極大地提升貿易產品中爆炸物檢測的效率和準確性。Forbes等[64]開發了解吸電流聚焦離子化(Desorption electro-flow focusing ionization,DEFFI)技術,利用壓強為70 kPa的同心氣流將溶劑噴霧聚焦成細束,產生穩定的高速射流,然后將帶電的溶劑以48°入射角噴涂到樣品表面。帶電液滴的高速射流撞擊樣品點的中心,誘導形成了包含分析物的次級液滴。這些次級液滴通過位于樣品載玻片邊緣的毛細管送入質譜儀中。利用該技術對樣品表面的可卡因和環三亞甲基三硝胺(RDX)含量進行分析,分析物信號的信噪比和耐用性與之前相比顯著提高,對貿易場景中貨物表面違禁物的準確識別和痕量分析具有重要意義。隨著敞開式離子化質譜和小型便攜式質譜儀器的不斷發展,其在違禁物篩查中的應用將會更為廣泛。
芬太尼是一種廣泛用于外科手術的麻醉性鎮痛藥。因其具有強烈的興奮、致幻效果,常被不法分子用作毒品,夾帶在貿易產品中走私[65]。傳統的色譜-質譜聯用分析方法因樣品處理和分離過程復雜耗時而難以適用于貿易產品篩查領域[66]。所以,如何對芬太尼類化合物進行快速、現場分析成為亟待解決的問題。Ouyang等[67]基于清譜科技(PURSPEC technologies)研發的mini β便攜式雙光質譜儀開發了一套用于芬太尼現場分析的方法,將樣品放在紙-毛細管噴霧(Paper-capillary spray,PCS)試劑盒中,用甲醇對其進行洗脫,從而將分析物通過毛細管送入質量分析器中進行分析,整個檢測過程在1 min內。利用該法對牛奶、啤酒和可樂等飲料中的芬太尼進行測定,檢出限可達10 ppb;該法還可用于測定貨物表面的芬太尼,檢出限為100 ppb/cm2,極大地提升了敞開式離子化質譜在貿易產品化學風險物質篩查中的易用性。
敞開式離子化質譜技術憑借其準確、便捷、高通量的特點在貿易產品化學風險物質篩查中有著廣泛的應用前景。在敞開式離子化方法的幫助下,樣品預處理大大簡化,部分樣品甚至無需預處理可直接進行質譜分析。同時,質譜儀器的小型化和便攜化也適應了貿易產品中化學風險物質篩查的現場需求,使進出口貨物的實時分析成為可能。然而,在現有技術的限制下,利用敞開式離子化質譜技術對貿易產品中的化學風險物質進行篩查還存在一些問題:首先,與實驗室級別的質譜分析相比,敞開式質譜分析的穩定性和重現性不夠,這也對敞開式離子化技術和小型質譜儀的性能和未來發展提出了更高要求[68]。其次,敞開式離子化技術的定量能力不足,對目標化合物的精確定量往往需要添加內標才能實現[69]。開發新型離子化技術和預置內標的高效樣品處理試劑盒,將有望解決上述問題,確保貿易產品中化學風險物質篩查能夠高效、準確地完成。