膜進樣質(zhì)譜技術(shù)及其應(yīng)用

王衛(wèi)國，黃 衛(wèi)，阮慧文，徐楚婷，楊俊超，李 斌，李海洋*

（1.國民核生化國家重點實驗室，北京 102205；2.中國科學院大連化學物理研究所，中國科學院分離分析化學重點實驗室，大連市在線譜學分析儀器重點實驗室，遼寧 大連 116023；3.云南警官學院，云南 昆明 650223）

膜進樣質(zhì)譜（Membrane inlet mass spectrometry，MIMS）利用半透膜將目標化合物從液相或氣相體系中進行高效分離，在無需色譜分離條件下實現(xiàn)復雜樣品的質(zhì)譜分析。它利用半透膜或選擇性膜作為分離手段，消除了水中酸、堿、金屬離子、懸浮物等的干擾，可實現(xiàn)水中痕量揮發(fā)性有機污染物的直接測定［1-4］。隨著全球范圍內(nèi)環(huán)境污染問題日益加劇，膜進樣質(zhì)譜在大氣、水體中揮發(fā)性有機污染物等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，為環(huán)境污染評估和治理提供了重要的科學依據(jù)［5-7］。

目前，眾多商品化現(xiàn)場檢測質(zhì)譜均采用了膜進樣技術(shù)。例如Inficon 公司的HAPSITE 便攜氣質(zhì)聯(lián)用儀、Hiden公司的HPR-40質(zhì)譜儀、Kore公司的MS-200 質(zhì)譜儀、Bruker 公司的MM1 及MM2 車載質(zhì)譜儀、普度大學的Mini10 質(zhì)譜儀、禾信公司的膜進樣飛行時間質(zhì)譜等［5］。中國科學院大連化學物理研究所長期從事膜進樣質(zhì)譜的相關(guān)研究，圍繞膜進樣技術(shù)與光電離飛行時間質(zhì)譜、離子遷移譜聯(lián)用開展了大量研究。本文在簡要介紹膜進樣質(zhì)譜原理、結(jié)構(gòu)和組成基礎(chǔ)上，詳細論述了膜進樣質(zhì)譜的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用進展，最后對今后的潛在發(fā)展趨勢進行了總結(jié)與展望。

圖1 膜進樣質(zhì)譜的主要組成：半透膜、電離源和質(zhì)譜檢測器［2］Fig.1 Schematic representing the MIMS from samples into a semi-permeable membrane，followed by the ionization source and mass spectrometry detector［2］

1 膜進樣質(zhì)譜簡介

膜進樣質(zhì)譜從組成上分為膜進樣接口、離子源和質(zhì)譜檢測器。早期的膜進樣質(zhì)譜采用聚二甲基硅氧烷膜、電子碰撞電離源和四極桿質(zhì)譜。近年來，圍繞膜進樣質(zhì)譜發(fā)展了許多新型膜材料、新型離子源（特別是大氣壓離子源）和質(zhì)譜檢測器。因而，膜進樣質(zhì)譜性能得到了顯著提升，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展。

1.1 膜滲透分離和工作原理

樣品分子通過半透膜的過程涉及3個步驟：①樣品分子在膜外側(cè)表面被選擇性吸附；②吸附在膜表面的樣品分子在半透膜中擴散滲透；③樣品分子到達膜內(nèi)側(cè)表面后脫附，進入質(zhì)譜分析檢測。樣品分子在膜中的擴散速率符合菲克擴散定律［8］。膜擴散達到穩(wěn)態(tài)平衡時，待測樣品的滲透速率ISS（mol·s-1）如公式（1）所示。

其中，A（cm2）表示半透膜的面積，D表示樣品的擴散系數(shù)（cm2·s-1），S表示樣品在半透膜中的溶解度（mol·Torr-1·cm3），PS（Torr）表示樣品的分壓，L（cm）表示半透膜的厚度。滲透速率和響應(yīng)時間是表征半透膜性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。滲透速率直接決定檢測靈敏度，而響應(yīng)時間則決定了時間分辨和分析通量。響應(yīng)時間通常定義為樣品信號強度從10%增加到90%所用的時間。其與滲透速率的平方成正比，與擴散系數(shù)成反比，其表達式如公式（2）所示。

1.2 半透膜的分類

常用的半透膜材料主要包括：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯膜（Teflon）、全氟磺酸膜（Nafion）、復合膜（Composite）、酶修飾的PDMS 膜（Enzyme）等。其中，30~300 μm 的PDMS 膜是目前應(yīng)用最廣泛的膜進樣材料，它被用于大氣、水、土壤等環(huán)境中揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的檢測。根據(jù)膜材料的結(jié)構(gòu)分類，又可分為平板膜和管狀膜。張琳等［9］詳細論述了聚合物膜、液體膜、親和膜、沸石膜的特點及應(yīng)用領(lǐng)域。

1.3 離子源

膜進樣質(zhì)譜的離子源主要包括電子碰撞電離源（EI）、化學電離源（CI）、電噴霧電離源（ESI）、大氣壓化學電離源（APCI）、大氣壓光電離源（APPI）以及試劑分子輔助光電離源（DAPI）。EI 源屬于硬電離源，利用燈絲產(chǎn)生電子，再經(jīng)電場加速獲得高能量（通常為70 eV），產(chǎn)生的高能電子與目標物進行碰撞電離。其優(yōu)點是電離截面大，且具有完善的標準譜圖庫；缺點是由于產(chǎn)生大量碎片，復雜體系的解析困難。CI利用EI或PI等產(chǎn)生反應(yīng)試劑離子，再利用反應(yīng)試劑離子與待測樣品進行離子-分子反應(yīng)實現(xiàn)樣品的電離。CI 的優(yōu)點是可獲得分子離子信息、無碎片，通過改變反應(yīng)試劑離子可以調(diào)控反應(yīng)產(chǎn)物。ESI利用高壓電場和氣流場將溶液中的樣品分子轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嚯x子，進而進行質(zhì)譜分析。ESI是一種軟電離，特別適用于分析蛋白、多肽類等生物分子。APCI、APPI適用于低極性化合物的電離。

1.4 質(zhì)譜檢測器

質(zhì)譜檢測器包括四極桿質(zhì)譜、離子阱質(zhì)譜、飛行時間質(zhì)譜、三重四極桿質(zhì)譜和傅里葉變換質(zhì)譜等。其中，四極桿質(zhì)譜、離子阱質(zhì)譜具有體積小、便攜等優(yōu)點，適合于現(xiàn)場應(yīng)用；其缺點是分辨率低，質(zhì)量范圍窄。飛行時間質(zhì)譜具有分辨率高、全譜分析等優(yōu)點。傅里葉變換質(zhì)譜是一種具有超高分辨率和質(zhì)量準確度的質(zhì)譜，由于超導體存在，它必須在液氦的溫度和超高真空的真空系統(tǒng)下工作，對環(huán)境的要求非常高。

1.5 膜進樣接口

圖2給出了文獻報道的各種膜進樣接口示意圖［7］。多數(shù)膜進樣接口在大氣壓條件下工作，其優(yōu)點是便于更換和清洗。部分膜進樣接口在真空環(huán)境下工作，其目的是提高進樣量以改善檢測靈敏度。

圖2 文獻報道的各種MIMS的膜進樣接口［7］Fig.2 Membrane injection interfaces of MIMS from literatures［7］

2 膜進樣技術(shù)進展

2.1 基于緩沖腔的平面膜進樣光電離質(zhì)譜

傳統(tǒng)膜進樣質(zhì)譜采用EI電離源，會產(chǎn)生大量碎片，導致譜圖解析困難。膜進樣技術(shù)和單光子軟電離質(zhì)譜相結(jié)合在復雜樣品分析時更具優(yōu)勢。侯可勇等［10］設(shè)計了膜進樣-單光子電離飛行時間質(zhì)譜（TOF MS），并發(fā)展了大氣中VOCs 的檢測方法。另外，設(shè)計了緩沖腔膜進樣接口以提升響應(yīng)時間。圖3 給出了傳統(tǒng)膜進樣接口和緩沖腔膜進樣接口的結(jié)構(gòu)示意圖，PDMS 膜的厚度和面積分別為0.125 mm、80 mm2。緩沖腔的設(shè)計將苯系物的響應(yīng)時間由100 s減小到6 s，同時將VOCs的檢測靈敏度提高約2 個量級，對苯的檢出限達到25 ppb。電離源采用低氣壓氪放電燈，利用單光子軟電離方式成功避免了碎片離子的產(chǎn)生。

圖3 傳統(tǒng)膜進樣接口（A）和新型緩沖腔膜進樣接口（B）結(jié)構(gòu)圖［10］Fig.3 Schematic diagram of the traditional membrane inlet（A）and the new buffer cell based membrane inlet（B）［10］

2.2 螺旋管狀膜進樣光電離質(zhì)譜

膜進樣質(zhì)譜的靈敏度與半透膜的面積密切相關(guān)。劉巍等［11］設(shè)計了一種新型螺旋管狀膜固相萃取進樣裝置，有效增加了管狀膜的長度，并與便攜式單光子電離-飛行時間質(zhì)譜儀（SPI-TOF MS）聯(lián)用，用于空氣中痕量苯系物的現(xiàn)場快速檢測。膜進樣接口使用了中空PDMS 管狀膜，其內(nèi)徑為0.64 mm，外徑為1.19 mm，壁厚為275 μm。管狀膜以螺旋結(jié)構(gòu)纏繞于膜支撐槽上，總長為150 cm。在14 min 內(nèi)即可完成苯、甲苯和二甲苯的檢測，定量限分別低于33.3、67.8、93.6 pg/m3，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.99。重復測試8 次，3 種化合物檢測結(jié)果的相對標準偏差分別為3.0%、1.7%和2.4%。

梁茜茜、杜永齋等［12-13］將螺旋膜進樣裝置與化學電離離子遷移譜相結(jié)合，開展了水中氯代烴、二烷等有害化合物的實時監(jiān)測研究，所用管狀PDMS膜的內(nèi)徑為1.47 mm，壁厚為0.23 mm。對四氯乙烯、三氯乙烯的檢測限（S/N=3）分別為49 μg/L和51 μg/L。

圖4 螺旋管狀膜固相萃取進樣裝置的原理設(shè)計圖（A）與實物圖（B）［11］Fig.4 Schematic diagram（A）and real photos（B）of the helical hollow fiber membrane solidphase extraction device［11］

2.3 源內(nèi)螺旋膜進樣光電離飛行時間質(zhì)譜

電離源內(nèi)拉伸膜進樣：為保障飛行時間質(zhì)譜的真空度，便攜式質(zhì)譜的單光子電離源的氣壓通常控制在10-3Pa。這限制了樣品的進樣量，影響最終的檢測靈敏度。因此，李海洋等［14-15］設(shè)計了二級差分真空飛行時間質(zhì)譜，將電離源內(nèi)的氣壓增至1 Pa。通過將管狀膜進樣裝置置于電離源內(nèi)部，使樣品通過管狀膜后直接在電離區(qū)內(nèi)電離。圖5給出了電離源內(nèi)拉伸膜進樣接口的原理示意圖，所用PDMS管狀膜的內(nèi)徑、外徑和厚度分別為0.94 mm、0.51 mm和215 μm。樣品的透過率與膜厚度密切相關(guān)。為了提高樣品的透過率，將原先2 cm的管狀膜拉伸到8 cm，相應(yīng)的管狀膜厚度由215 μm 減小到90 μm。該方法使甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚（ETBE）、苯、甲苯和對二甲苯的檢測靈敏度提高了近2倍，響應(yīng)時間減小了14.7%~60.2%。

圖5 電離源內(nèi)拉伸膜進樣質(zhì)譜（A）和進樣接口結(jié)構(gòu)圖（B）［14］Fig.5 Schematic diagram of mass spectrometry with the in-source stretched hollow fiber membrane inlet（A）and sampling inlet port（B）［14］

電離源內(nèi)螺旋膜進樣：為了提高VUV 光的利用效率、產(chǎn)生更多的產(chǎn)物離子，研究人員設(shè)計了電離源內(nèi)螺旋膜進樣接口和四級差分的飛行時間質(zhì)譜［16］。如圖6所示，內(nèi)徑為0.51 mm、厚度為0.215 mm的管狀PDMS膜纏繞在推斥電極和傳輸電極之間的四根圓形柱上。進樣時電離區(qū)的氣壓可以提高到28 Pa，與電離源氣壓1 Pa 時相比進樣量提高了28 倍［14］。響應(yīng)時間減小到1.3 min。該裝置對苯、乙基叔丁基醚、苯胺、二甲苯和一氯苯的檢出限分別達到0.014、0.143、0.556、0.036、0.025 μg·L?1。

圖6 電離源內(nèi)螺旋膜進樣接口（A）和單光子電離-四級差分的飛行時間質(zhì)譜結(jié)構(gòu)圖（B）［16］Fig.6 Schematic diagram of the in-source helical hollow fiber membrane single photon ionization（SPI）source（A）and the SPI and four-stage differential pumping TOF MS（B）［16］

3 膜進樣質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用進展

3.1 環(huán)境污染物檢測方面

氯氨、溴氨等被廣泛應(yīng)用于自來水的消毒，其分解產(chǎn)生的副產(chǎn)物會對人體和環(huán)境產(chǎn)生潛在危害。Hu 等［17］利用厚度為0.127 mm 的平板PDMS 膜，結(jié)合EI 電離四極桿質(zhì)譜實現(xiàn)了水中NH2Cl、NHCl2、NH2Br、NHBr2和NHBrCl的高靈敏檢測，其檢測靈敏度分別達到0.034、0.034、0.10、0.12、0.36 mg/L。加拿大應(yīng)用環(huán)境實驗室利用膜進樣質(zhì)譜檢測了油沙處理廠附近水中的環(huán)烷酸，利用厚度為170 μm、長為2 cm 的中空管狀PDMS 膜將樣品的分析時間縮短至小于15 min［18］；還利用膜進樣質(zhì)譜直接分析了土壤和水中的多環(huán)芳烴［19-20］。Zimmerman 等［21］研發(fā)了一種多光子電離膜進樣質(zhì)譜，以PDMS 螺旋管狀膜作為芳烴的富集和釋放材料，利用飛行時間質(zhì)譜對多光子電離產(chǎn)物進行分析。在膜富集時間為1 min條件下，對萘、苊、芴、菲、芘的靈敏度可達到5.6、6.4、5.4、14.0、46.8 ng/L；如果將富集時間延長至5 min，可將靈敏度進一步提高2~5倍。微囊藻毒素是一類具有生物活性、分布最廣泛的肝毒素。它對水體環(huán)境和人群健康有危害，會強烈抑制蛋白磷酸酶的活性，同時還是強烈的肝臟腫瘤促進劑，因此已成為全球關(guān)注的重大環(huán)境問題之一。Duncan 等［22］基于膜進樣質(zhì)譜實現(xiàn)了2-甲基-3 甲氧基-4苯丁酸的在線測定，并建立了定量分析水中微囊藻總量的方法。

3.2 生態(tài)學領(lǐng)域

NO?3、NO?2和NH+4是陸地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)的關(guān)鍵物種。植物和微生物會從土壤環(huán)境中吸收這些有機氮化合物，將其轉(zhuǎn)化為生物大分子。因此，NO?3、NO?2和NH+4的濃度信息將為研究氮循環(huán)過程提供重要依據(jù)。Eschenbach 等［23-24］利用硅橡膠膜進樣質(zhì)譜進行了水中活性氮的測定，對亞硝酸鹽和硝酸鹽的靈敏度可達到7 μmol/L，相對標準偏差小于1%。通過將NO?3轉(zhuǎn)化為N2O 而非NO，成功克服了因NO 與膜表面的強相互作用導致的長清洗時間，提高了分析通量。李進芳等［25］建立了膜進樣質(zhì)譜測定稻田硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化方法，并研究了5種典型水稻土的4種氮轉(zhuǎn)化速率。鄭文靜等［26］利用膜進樣質(zhì)譜分析儀，建立了連續(xù)走航高頻率測定海水中O2、Ar 和CO2等多種氣體的分析方法。海洋沉積物中的異化硝酸鹽還原過程對于海洋氮循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。謝成軍等［27］利用膜進樣質(zhì)譜結(jié)合15N標記技術(shù)研究了沙灘沉積物中的異化硝酸鹽還原過程。結(jié)果表明，厭氧反硝化是硝酸鹽異化還原主要的貢獻者，其比例接近70%。而厭氧銨氧化的貢獻僅為1%。在N2產(chǎn)生過程中，主要貢獻者是反硝化，厭氧銨氧化的貢獻僅為2%。

3.3 生命科學領(lǐng)域

基于色譜的多重惰性氣體消除技術(shù)是檢測肺栓塞或急性肺衰竭的常用方法，但其檢測時間長，時效性差。Gerber 等［28］基于膜進樣質(zhì)譜發(fā)展了準實時肺分流測量的新方法。而Borden 等［29］利用膜進樣質(zhì)譜開展了鮭魚組織中脂肪酸的直接定量研究，對脂肪酸的靈敏度達到ng/L 量級。Zhou等［30］利用平板膜進樣離子遷移譜實現(xiàn)了痕量丙泊酚的測定，檢測靈敏度達到1 μg/L。另外，設(shè)計了一種富集-解析膜進樣結(jié)構(gòu)，利用PDMS 膜的富集能力，在富集時間為0.5、1、2、3 min 時的靈敏度達到17、8、3、2 ng/L［31］。王姜等［32］自主搭建了膜萃取電噴霧電離質(zhì)譜（MEESI-MS），利用膜萃取的抗干擾能力，將大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌和銅綠假單胞菌4 種細菌的質(zhì)譜檢測、細菌分類時間縮短至5 min，為臨床診斷提供了一種快速分析方法。

3.4 微生物代謝工程領(lǐng)域

過去三十億年間，光合作用將大氣中30%~35%的二氧化碳降低到0.04%。因此，測量生物代謝過程中不同通道的碳的濃度變化規(guī)律將為光化學機理的認識提供重要依據(jù)。Douchi 等［33］利用膜進樣質(zhì)譜研究了代謝工程藍藻的光化學反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)低光強條件下的碳聚過程受限于能量高低；而乙醇的形成通道對碳聚過程無影響。膜進樣質(zhì)譜為今后的碳代謝研究提供了新的工具。Tolleter等［34］利用膜進樣質(zhì)譜研究了無機碳在葉綠體包膜中的滲透速率，對不同植物葉綠體包膜的研究結(jié)果表明，CO2的滲透速率為2.3~8×10-4m/s；而NaHCO3的滲透速率約為1×10-8m/s。雖然N2O 的濃度比CO2低3 個量級，對溫室效應(yīng)的貢獻卻達到6%。Burlacot 等［35］利用膜進樣質(zhì)譜實時研究了萊茵衣藻的無菌培養(yǎng)過程中光化學反應(yīng)鏈中N2O的產(chǎn)生過程，發(fā)現(xiàn)flavodiiron蛋白在適當光強下可將NO還原為N2O。

4 結(jié)論與展望

膜進樣質(zhì)譜在無需色譜分離條件下可實現(xiàn)復雜實際樣品的檢測，在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)學、生命科學、微生物工程等研究領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。膜進樣技術(shù)與單光子軟電離結(jié)合進一步提升了復雜樣品的檢測能力。今后潛在的發(fā)展方向集中在以下3 方面：①膜進樣質(zhì)譜定量方法研究：在各種應(yīng)用過程中均需測定目標物的濃度，系統(tǒng)研究樣品組成、膜進樣質(zhì)譜運行參數(shù)等對定量準確性的影響規(guī)律，建立膜進樣質(zhì)譜的準確定量方法。②膜進樣質(zhì)譜性能的提升：開發(fā)滲透性能更好的膜富集材料，進一步提升膜進樣質(zhì)譜的靈敏度、響應(yīng)時間以及微型化和便攜性等。③新應(yīng)用領(lǐng)域方面：保護海洋生態(tài)環(huán)境是我國建設(shè)海洋強國的重要組成部分。然而在開發(fā)利用海洋資源過程中，海洋生態(tài)環(huán)境的污染也日益加重，利用膜進樣質(zhì)譜對海洋環(huán)境中污染物進行檢測和評估是一個潛在的研究方向。