原位電離與小型質譜在公共安全領域的應用

王 南，卜杰洵，李玉玉，張云峰，歐陽證,*

(1.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；2.北京清譜科技有限公司，北京 100084；3.公安部物證鑒定中心，北京 100038)

現場快速檢測在公共安全領域的需求長期存在，且越發(fā)受到重視。相比于傳統(tǒng)大型實驗室檢測模式，現場快速檢測具有樣品新鮮、結果即時、成本低、決策迅速的優(yōu)點，但要求分析方法能夠獲得精確可靠的結果[1-2]。在物質檢測領域，便攜式儀器通常比試劑盒具有更高的準確度[3]。目前常見的用于化學物質分析的便攜式小型儀器包括拉曼光譜儀[4]和離子遷移譜儀[5]，二者分別通過拉曼光譜和離子遷移來區(qū)分不同的被分析物。然而這兩種儀器均要求被分析物的純度較高，且結果容易受基質或雜質的干擾[6-7]。

質譜作為一種強大的分析方法，具有高確定性、高選擇性和高靈敏度的特點，可通過被分析物的分子量進行物質鑒定[8]。通過多級質譜串聯，二級質譜中的碎片峰質荷比能給出被分析物分子結構的同時，也通過被分析物在質荷比維度的分離，提高信噪比，實現復雜基質中痕量物質的檢測[9]。現在已經有小型質譜開發(fā)的成果，其便攜性與結果精確度均可滿足現場快速檢測的要求[10]。然而，傳統(tǒng)的質譜進樣方法要求樣品無鹽無基質，這使得復雜樣品需經過漫長繁復的樣品前處理過程，同時也對操作人員的專業(yè)素質有較高要求[11](圖1)。

圖1 質譜適用于公共安全領域檢測，但復雜耗時的樣品前處理不利于現場快速檢測，原位電離與小型質譜相結合是實現現場快速檢測的有效途徑Fig.1 Mass spectrometers are suitable for chemical analysis in public security,but the complicated sample preparation process is time-consuming and not applicable for in-situ rapid analysis.The combination of ambient ionization and miniature mass spectrometer provides a solution to meet the needs for in-field analysis

由于樣品前處理對質譜應用的限制，原位電離方法應運而生[12]。原位電離方法是指無需樣品前處理，直接對樣品進行質譜檢測的電離源。將原位電離方法與小型質譜相結合，既利用了小型質譜高確定性、高選擇性、高靈敏度的儀器特點，又解除了樣品前處理對樣品種類和操作的要求，是國際新興的現場快速檢測方案。

1 原位電離方法及其應用

由于減少樣品前處理的需要，原位電離方法，即無須樣品前處理對樣品直接進行電離的方法，成為新興的質譜電離方法。原位電離方法因可對樣品直接檢測且操作簡便，相比于傳統(tǒng)電離方法具有極大優(yōu)勢，包括適用于現場實時快速檢測和無須專業(yè)人員操作等。自2004年最早的原位電離方法出現至今，有大量的原位電離方法被發(fā)明和改進，基本可歸納為四大類：(1)基于放電/等離子體的方法(如實時直接分析電離(Direct analysis in real time,DART)[13])；(2)基于噴霧的方法(如解吸附電噴霧電離(Desorption electrospray ionization,DESI)[14])；(3)基于激光解吸附的方法(如電噴霧激光解吸附電離(Electrospray-assisted laser desorption/ionization,ELDI)[15]和激光燒蝕電噴霧電離(Laser ablation electrospray ionization,LAESI)[16])；(4)基于色譜與電離直接結合的方法(如紙噴霧電離[17])。其中，有多種原位電離源已用于商業(yè)化，如DART(JEOL[18]、IonSense[19])、DESI(Waters[20])和紙噴霧(Thermo[21])等。

由于原位電離方法種類繁多，本綜述將重點選擇其中幾種進行介紹，包括基于噴霧方法的DESI、基于放電/等離子體方法的DART、基于激光解吸附的LAESI和基于色譜與電離直接結合的紙噴霧電離技術。同時，因定量對公共安全應用的重要性，還針對性地介紹了原位電離現場定量方法的進展。

1.1 解吸附電噴霧電離

解吸附電噴霧電離(DESI)是最早出現的原位電離技術之一，2004年由美國普渡大學的Cooks教授團隊提出[14]。該電離源對管中流動的溶劑施加高壓，形成帶電的溶劑液滴束打到樣品上，解吸附樣品中的分子，使其形成被分析物離子，然后進入質譜檢測(圖2A)。它產生離子的方式與傳統(tǒng)電噴霧電離(Electrospray ionization,ESI)類似，但在DESI中被分析物是通過帶電液滴解吸附進入液滴的，因而減少了基質和雜質對被分析物檢出的影響，實現復雜樣品無需前處理的原位電離分析。

DESI可用于多種公共安全領域的樣品。在毒品檢測方面，Fu課題組[22]使用DESI電離源檢測緝查得到的可卡因毒品(圖2B)，檢出限為3.47 μg/mm2，日內精密度與日間精密度分別為11%和42%，并通過二級質譜分析了制造可卡因的副產物與可能的毒品來源地。在爆炸物檢測方面，Cooks實驗室[23]采用DESI檢測含有三硝基甲苯(Trinitrotoluene,TNT)、黑索金(Royal demolition eXplosive,RDX)、奧克托今(High-velocity military eXplosive,HMX)、季戊四醇四硝酸酯(PentaErythritol TetraNitrate,PETN)的織物表面的爆炸物混合物(圖2C)，檢出限為pg級。DESI還被廣泛應用于質譜成像，在公安領域可用于指紋或血跡及其隱藏信息的分析，如Cooks實驗室[24]采用DESI電離源對沾過可卡因的手指指紋進行分析，并通過可卡因強度來進行指紋成像(圖2D)，使得指紋不僅可用于人員的確定，還可通過其化學物質分布得到更多信息。

圖2 DESI原理圖(A)[14]及其在可卡因(B)[22]、爆炸物混合物(C)[23]和可卡因指紋成像(D)[24]上的應用Fig.2 Schematic of DESI(A)[14],and the analysis of cocaine(B)[22],an explosive mixture(C)[23],and imaging of a fingerprint with cocaine (D)[24]by DESI

1.2 實時直接分析電離

實時直接分析電離(DART)是2005年由Cody等發(fā)表的一種原位電離方法[25]。它通過對氦氣或氮氣施加電壓，使其放電形成含離子、電子、激發(fā)態(tài)原子或分子的等離子體，然后等離子體經過DART末尾的網格加熱后，打到樣品上，使樣品解吸附并電離進入質譜(圖3A)[26-27]。它是最早被開發(fā)和商業(yè)化的原位電離技術之一，廣泛應用于藥物合成監(jiān)測[28]、司法物證檢驗[29]等諸多領域。關于DART電離源更具體的原理和進展已有綜述詳盡介紹[30-32]。

DART有著大量公安相關的應用實例。如采用DART直接檢測管制藥品的實際樣品(3,4-亞甲二氧基甲卡西酮(Methylone)、氯苯丙胺(p-Chloroamphetamine)、硝甲西泮(Nimetazepam))，檢出限為ng/mL級(圖3B)[33]；在爆炸物混合物方面，可直接檢出含有7種爆炸物的混合物(圖3C)[26]；在尿液中可直接檢測可卡因(圖3D)[35]。作為一種原位電離方法，DART還被用于各種基質樣品(如可樂、橙汁等液體基質[33]，血漿[34]、尿液[35]等生物基質，油墨等固體樣品基質[36]，等等)，均表現出較好的電離效果。

圖3 DART原理圖(A)[27]及其在實際非法藥物樣品(B)[33]、多種爆炸物(C)[26]和尿液中的可卡因(D)[35]上的應用Fig.3 Schematic of DART(A)[27],and the analysis of illicit drugs(B)[33],multiple explosives(C)[26],and cocaine in urine sample(D)[35]by DART

1.3 激光燒蝕電噴霧電離

激光燒蝕電噴霧電離(LAESI)是一種基于激光解吸附并結合電噴霧的電離方法，由Nemes和Vertes在2007年發(fā)表[16]。它主要是利用紅外激光將樣品解吸附，同時用電噴霧帶電離子束經過解吸附的分子使其進入液滴并帶電，而后進入質譜檢測(圖4A)[37]。更早期也有相同或相似原理的離子源發(fā)表，如2005年發(fā)表的電噴霧輔助激光解吸附電離(Electrospray-assisted laser desorption/ionization,ELDI)[38]和2006年發(fā)表的基質輔助激光解吸附電噴霧電離(Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization,MALDESI)[39]。

LAESI曾應用于公共安全領域中毒品、爆炸物和食品毒素的檢測。在毒品方面，被用于不同條件和基質下的管制藥品或毒品的檢測，包括可待因、可卡因、嗎啡、四氫大麻酚、大麻二酚等(圖4B中為使用LAESI檢測頭發(fā)上的嗎啡)，其對常規(guī)毒品如苯丙胺和甲基苯丙胺的檢出限為0.01 mg/mL，對毛發(fā)中嗎啡、可待因和可卡因的檢出限為10 ng/mg[40]。LAESI還可用于爆炸物檢測，在負離子模式下成功檢出爆炸物三硝基甲苯(圖4C)[41]。同時，由于LAESI特別適用于生物樣品，可用來檢測食品中的毒素毒物，如檢測貽貝中的毒素軟骨藻酸，檢出限為1 mg/kg(圖4D)[42]。

圖4 LAESI原理圖(A)[37]及其在頭發(fā)中嗎啡(B)[40]、爆炸物TNT(C)[41]和神經毒素軟骨藻酸(D) [42]上的應用Fig.4 Schematic of LAESI(A)[37],and the analysis of morphine in hair(B)[40],TNT(C)[41],and domoic acid(a neurotoxin)(D)[42]by LAESI

1.4 紙噴霧電離與紙毛細管噴霧電離

紙噴霧電離(Paper Spray Ionization,PS)與普通電噴霧電離源類似，區(qū)別在于樣品是先加到紙上，再滴加電離溶劑來進行樣品電離(圖5A)[17,43]。紙噴霧電離通過紙對基質的吸附，使得電離溶劑可以洗脫不容易吸附在紙上的被分析物，然后對紙施加高壓來電離被洗脫的分子，進入質譜檢測。該方法使用紙這種常見材料，且方法簡單，因而得到廣泛關注與應用[44]。同時由于紙的易加工性，紙噴霧更易被制成試劑盒來使用[45]。

紙毛細管噴霧電離(Paper capillary spray,PCS)是基于紙噴霧的改良方法。它結合了紙噴霧電離和電噴霧電離二者的優(yōu)點，通過后端的紙來減小復雜基質對質譜分析的影響，同時使用前端的毛細管來穩(wěn)定電噴霧的氣流，從而使電離源的性能更加穩(wěn)定(圖5B)[46]。目前已有基于PCS的商業(yè)化試劑盒[47]用于農藥的檢測(圖5C和圖5D)，在血液基質樣品中檢出限為ng/mL級[48]。

圖5 紙噴霧(A)[43]與PCS試劑盒(B)[46]原理圖及PCS在農藥敵草快(C)[48]和百草枯(D)上的應用Fig.5 Schematic of PS(A)[43] and PCS(B)[46],and the analysis of pesticides,diquat(C)[48] and paraquat(D) by PCS

1.5 原位電離現場定量方法

原位電離方法的開發(fā)均會考慮其定量性能[49-52]。質譜定量需添加固定量內標(Internal standard,IS)，由于內標與目標物的相似性，通過二者信號的比值，可抵消由于離子源的不穩(wěn)定帶來的不同檢測間的信號差異[8]。這對現場檢測方法提出了更高要求，一方面需確定濃度的內標溶液，另一方面需精確取用固定體積的內標溶液。確定濃度的內標溶液可能會由于帶到現場而發(fā)生濃度變化，由于現場環(huán)境的復雜，固定體積的溶液取用也會較難操作。為此，許多簡化內標添加方式被開發(fā)出來。

一種方式是預先將內標溶液添加到離子源上(圖6A)，采用紙上預添加一定量內標的方式，可實現8%的相對標準偏差(RSD)[53]。另一種方式，則是在取樣設備上預先加入定量內標(圖6B)，在定量取樣器(毛細管)的管壁內，預先吸入定量體積的內標溶液，干燥后即在內壁上沾有固定量內標[54]。其后，再使用已預加載內標的毛細管去吸取樣品后上樣，則可直接使用固定量的內標進行目標物的定量(RSD<10%)。彈狀流微萃取技術(Slug flow microextraction,SFME)[55]也是一種耗材少、操作簡便的現場前處理方式。它通過微量的液體彈狀流，實現快速的液相微萃取平衡，將目標物從基質中提取入噴霧溶劑中。使用SFME時，內標可以加入噴霧溶液中(圖6C)[55]，也可通過選用與目標物分配系數相差較大的內標(圖6D)[56]，使得進入噴霧溶液中的目標物與內標的比例是確定的，從而實現無需精確定體積的取樣。

圖6 預加內標的紙噴霧(A) [53]、預加內標的定量取樣器(B)[54]、噴霧溶劑中加入內標的SFME(C)[55]和無需精確樣品體積的SFME采樣方法(D)[56]Fig.6 Paper spray using IS-pretreated paper(A)[53],usage of quantitative capillary sampler with IS-pretreatment(B)[54],SFME with IS in the spray solvent(C)[55],and SFME method not requiring precise volume control for sampling(D)[56]

2 原位電離小型質譜的發(fā)展與應用

原位電離技術和小型質譜儀器的發(fā)展都是為了實現無需專業(yè)人員操作的現場快速檢測，然而小型質譜的發(fā)展(20世紀70年代起[57-59])遠早于原位電離技術(2004年[13-14])。這可能是因為質譜小型化是技術難點，在實現質譜小型化之前，樣品進樣的難易不是考慮的重點，直至小型質譜的研制初具雛形后，原位電離技術的重要性才引起人們注意。因此，本文首先介紹原位電離小型質譜的發(fā)展進程，再進行原位電離小型質譜的應用舉例。

2.1 原位電離小型質譜的發(fā)展

質譜在小型化過程中，主要針對的是體積小型化與功率低型化的需求[60]。為滿足這兩個需求，質譜系統(tǒng)采用低功率的小真空泵，但這直接產生了真空度較難達到最優(yōu)測試區(qū)間的問題。早期的小型質譜為了避免真空度問題，使用了放置在真空中的電離源(主要是電子轟擊電離源(Electron ionization,EI))[61-63]，但這種電離源只適用于易揮發(fā)的被測物(如低分子量的有機物)，無法應用于常規(guī)的非揮發(fā)性物質。其他常規(guī)離子源雖沒有前述對于被分析物的要求，但要求小型質譜有大氣接口。

為了在大氣接口的存在下維持質譜系統(tǒng)的真空度，同時使用小功率真空泵來減小儀器體積，研究者開發(fā)出兩種進樣接口。一種是由清華大學歐陽證團隊開發(fā)出來的非連續(xù)進樣接口(Discontinuous atmospheric pressure interface,DAPI)[64]，除進樣以外的時間進樣口均為封閉狀態(tài)，使得真空可達到合適的范圍，也能保持足夠的進樣量，該進樣方式的優(yōu)點在于降低真空泵功率要求，極大地減小了質譜儀器體積，該進樣接口經歐陽證團隊的多年發(fā)展，已持續(xù)應用于多代小型質譜的開發(fā)[65-66]，并用于商業(yè)化小型質譜儀器[67]。與此同時，其他科研團隊也開始使用DAPI作為其小型質譜的接口[68-69]。另一種是連續(xù)進樣接口(Continuous atmospheric pressure interface,CAPI)[70]，該接口通過使用長的小孔徑進樣管和分級抽真空系統(tǒng)，以維持質譜真空度。盡管這種方式會使得質譜的體積相對較大，也要求使用更高功率的真空泵，但進樣更穩(wěn)定，因而有部分小型質譜的開發(fā)是基于CAPI接口[71]。由于篇幅原因此處僅介紹非連續(xù)進樣的小型質譜發(fā)展，其他類型的小型質譜發(fā)展參考相關綜述[10,60,72-74]。

繼質譜零件的小型化之后，小型質譜在美國普渡大學和清華大學實驗室不斷開拓發(fā)展(圖7)。從最初的小型化離子阱(Mini trap)[59]，到之后研制出的幾臺小型質譜[61-63]，因其僅能使用真空下的內置離子源來檢測揮發(fā)性物質，可被劃為第一代小型質譜。2006年，Mini 10[65]的成功研制標志著第二代小型質譜的出現。相比于第一代小型質譜，它使用非連續(xù)大氣接口[64]，可搭配大氣下的常規(guī)離子源檢測非揮發(fā)性物質，如圖7中的管控化學品甲基膦酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate,DMMP)和毒品可卡因[64]。2013年，Mini 12[66]和背包Mini S質譜[75]的開發(fā)標志著目前已進入第三代小型質譜的開發(fā)階段，將原位電離源與小型質譜相結合，使其可實現各種物質的現場快速檢測。

圖7 小型質譜的發(fā)展及其在公安上的應用Fig.7 Development of miniature mass spectrometers and their applications in public security such as the analysis of DMMP (a simulate for nerve gas) by Mini 10 and analysis of cocaine (a drug of abuse) by Mini 11[64](如Mini 10檢測管控化學品DMMP和Mini 11檢測毒品可卡因[64])

2.2 原位電離小型質譜的應用

原位電離小型質譜結合了二者的應用優(yōu)勢，無需樣品前處理的操作特點以及高靈敏度、高選擇性、高確定性的檢測特點，使其十分適用于如爆炸物、毒品、毒物、食品藥品環(huán)境安全檢測等公共安全領域。

2.2.1 毒品現場檢測與吸毒人員排查毒品現場檢測包括已知毒品檢測、未知粉末檢測、新型毒品檢測和吸毒人員判斷等不同的應用場景。圖 8是PCS-Mini小型質譜系統(tǒng)在毒品檢測方面的應用。如毒品芬太尼通過一級質譜和二級質譜判定(圖8A)，在牛奶、啤酒、可樂中的檢出限低于10 ng/mL[76]；使用紙噴霧-Mini 12小型質譜系統(tǒng)的二級質譜檢出新型精神活性物質(“新精活”)JWH-081(圖8B)，對于表面新精活的檢出限小于2 ng[77]。由于合成大麻素有相似的二級質譜子離子峰[77]，還可以利用二級譜的相似性判斷其他合成大麻素的新精活毒品。圖 8C為使用PCS-Mini小型質譜系統(tǒng)檢測毒品在體液(包括血樣、尿樣和唾液樣品)中的代謝物[78]，檢出限可達50 ng/mL，從而可應用于吸毒人員的現場判斷。因此，原位電離小型質譜系統(tǒng)可以應用于毒品現場檢測的各種場景。

圖8 PCS-mini質譜系統(tǒng)檢測芬太尼(A)[76]、新精活JWH-081(B)[77]和血、尿、唾液中毒品代謝物檢測(C1～C3)[78]等多種毒品Fig.8 Analysis of drugs of abuse like fentanyl(A)[76],JWH-081 (a type of synthetic cannabinoid)(B)[77],and several drugs and their metabolites in blood,urine and saliva(C1-C3)[78]by PCS-miniature MS system

2.2.2 爆炸物現場偵察爆炸物由于爆炸范圍廣、殺傷力大，會帶來重大的公共安全隱患。在現實生活中若發(fā)現可疑包裹或可疑粉末，需快速進行現場檢測，從而提供依據實現即時決策。目前已有多個關于原位電離小型質譜在爆炸物檢測方面的應用報道。如同步放電電離源與小型質譜Mini 10相結合(圖9A)可實現爆炸物檢測[79]，對爆炸物三硝基苯甲硝胺(Tetryl)(圖9B)和爆炸物TNT(圖9C)的檢出限可達ng級。DESI也被用于與小型質譜聯合，在負離子模式下直接電離待測表面的爆炸物混合物，檢出TNT、三硝基苯甲硝胺(Tetryl)和HMX(圖9D)[80]。

圖9 原位電離小型質譜系統(tǒng)搭配同步放電電離源(A)和DESI源進行非極性或弱極性爆炸物三硝基苯甲硝胺(B)、TNT(C)和3種爆炸物混合物(D)的檢測[79-80]Fig.9 Analysis of low-polarity explosives,including Tetryl(B),TNT(C),and mixture of 3 explosives(D),by synchronized discharge ionization(A) and DESI coupled with miniature mass spectrometer[79-80]

2.2.3 食品安全之農用化學品檢測食品安全在公共安全領域屬于重大議題，從食品源頭到食品終端(如餐廳、食堂、超市)均需進行檢測，確認其安全性。以化肥、農藥、獸藥、生長調節(jié)劑等農用化學品為例，其不當使用與過量使用均會帶來廣大的公共安全影響。農用化學品的現場快速檢測，可使食物的滯留時間縮短，還可實現食物在生長培育過程中更好地監(jiān)控。部分原位電離小型質譜系統(tǒng)可用于農用化學品的檢測，如LTP-手持小型質譜可用于蘋果表面抗氧化劑二苯胺的測定(圖10A)，并區(qū)分該物質在蘋果不同部位的含量，檢出限為15 μg/mL[81];紙噴霧-手持小型質譜被應用于超市直接檢測橙子表面的抗真菌藥滋必靈(圖10B)[81];同步放電電離源小型質譜可檢測ng級殺蟲劑馬拉硫磷(圖10C)和殺螟松[79]。原位電離小型質譜還可用于農藥混合物的檢測，如DESI小型質譜可用于檢測含待乙妥(N,N-Diethyl-meta-toluamide,DEET)、莠去津、甲草胺的農藥混合物(圖10D)[82]。

圖10 原位電離小型質譜對農用化學品蘋果表面抗氧化劑二苯胺(A)[81]、橙子表面抗真菌藥涕必靈(B)[81]、殺蟲劑馬拉硫磷 (C)[79]和3種農藥混合物(D)[82]的檢測Fig.10 Analysis of agrochemicals,such as antioxidant diphenylamine on apple peel(A)[81],antifungal thiabendazole on orange peel(B)[81],pesticide malathion(C)[79],and a pesticide mixture with DEET,atrazine and alachlor(D)[82],by miniature ambient ionization mass spectrometer systems

2.2.4 藥物質量檢查藥物質量檢查與人民生活息息相關。目前藥物質量不合格主要包括：①以假藥代替藥品有效成分；②在藥品中非法摻雜無關違法物質；③在非藥品類商品(如保健品)中非法添加藥品。圖 11中展現了PCS-Mini小型質譜應用于藥物相關安全領域的檢測結果。如通過一級和二級質譜區(qū)分真假鎮(zhèn)定藥物(地西泮，Diazepam)(圖11A)，以二級質譜判斷出非法染色的中成藥黃柏，并半定量檢出摻假藥物中的染料金胺O含量為68 mg/kg(圖11B)[83]；用二級質譜鑒定出減肥保健產品中的西藥非法添加，檢出限為ng/mL級(圖 11C)[84]。由此可見，原位電離小型質譜系統(tǒng)可廣泛應用于藥物安全監(jiān)測領域。

圖11 PCS-mini質譜系統(tǒng)在藥物質量上的檢測[83-84]Fig.11 Drug authentication by PCS-miniature MS system[83-84]A:real and fake diazepam (真假地西泮藥),B:illicit addition of pigment in traditional Chinese medicine(中成藥中的色素非法添加),C:illicit addition of synthetic drug in nutrition supplements(保健產品中添加西藥成分)

3 結論與展望

原位電離與小型質譜相結合是小型質譜發(fā)展的必然趨勢，通過結合質譜高確定性、高選擇性、高靈敏度的優(yōu)點，以及小型質譜的便攜性與原位電離的直接樣品檢測優(yōu)勢，可應用于多種領域，特別適用于公共安全領域的現場快速檢測。未來公共安全檢測的發(fā)展趨勢，是使用像原位電離小型質譜系統(tǒng)這類多功能、高準確度的方法，將分析帶到現場，并通過操作智能化和簡便化方便一線人員檢測。對于突發(fā)情況，可將小型儀器置于車上，迅速到達現場。云數據平臺也是重要的發(fā)展方向，化學品數據庫既有利于統(tǒng)一全國檢測標準，又有利于現場檢測數據的快速上傳匯總與統(tǒng)籌決策。