大气压光电离技术及其应用研究进展*

石龙凯，杨进，张小涛，侯宏卫，胡清源

(1. 国家烟草质量监督检验中心，郑州 450001； 2. 河南工业大学粮油食品学院，郑州 450052)

大气压光电离技术及其应用研究进展*

石龙凯1,2，杨进1，张小涛1，侯宏卫1，胡清源1

(1. 国家烟草质量监督检验中心，郑州 450001； 2. 河南工业大学粮油食品学院，郑州 450052)

大气压光电离离子源（APPI）是一种新兴的用于液质联用的软电离离子源，它是利用光化学作用将气相中样品电离的离子化技术，该技术促进了质谱技术对弱极性化合物的分析检测。介绍了液相色谱-质谱／质谱联用技术中大气压光电离的基本原理、应用优点，综述了其在定性、定量分析检测中的应用。

液相色谱-质谱／质谱法；大气压光电离子源；分析检测

作为一种新型的现代仪器分析手段，液相色谱-质谱／质谱（LC-MS／MS）联用技术综合了液相色谱和质谱的优点，既可以高效分离难挥发、热不稳定的化合物，又能对目标物具有高的灵敏度和选择性［1］，具有分析测定范围宽以及定性、定量功能强等特点。因此LC-MS／MS联用技术在食品添加剂、环境激素、抗生素、农兽药残留及化学物质残留的分析检测方面得到了广泛应用。

离子源（即“接口”技术），就是将高流量的液相色谱和高真空的质谱体系进行“联用”，将欲分析的样品电离，得到带有样品信息的离子，使其进入质谱的真空系统。液质联用中常用的大气压电离源通常包括大气压电喷射离子源（ESI）、大气压化学电离离子源（APCI）和大气压光电离离子源（APPI）3种［2］。由于大气压电离源独立于高真空状态的质量分析器之外，故不同大气压电离源之间可随意切换［3］。其中，APPI是20世纪末开发出的新型软电离技术，因其具有独特的原理以及应用优势而日渐成为科学研究者们研究的焦点。

1 APPI的基本原理

大气压光电离离子源（APPI）是一种新兴的用于液质联用的软电离离子化技术［4-6］。Robb等［4］第一次在液质联用中使用了这种离子源，它在APCI的基础上加上一个紫外灯（也可使用激光），利用紫外灯或激光的照射使带有共轭双键的化合物选择性电离，由于其选择性好，所以对特定的化合物具有较高的灵敏度。

APPI用紫外灯或激光取代了APCI的电晕放电，它是利用光化学作用将气相中的样品进行电离的离子化技术。在APPI中，来自液相色谱的流动相及样品首先在雾化气的作用下形成细小雾滴，随后被喷射蒸发，由光源发射的光子与气态被分析物发生相互碰撞作用产生离子，而后离子被引入质谱仪进行质量分析，得到质谱图。现阶段，已经有两种不同方式的大气压光电离离子源应用于仪器分析测定中，其中一种是直列式离子源，另一种是正交式离子源。虽然这两种方式都可以顺利地完成光致电离作用，但其设计原理大不相同，直列式离子源通常在有掺杂剂辅助的情况下完成电离作用，而正交式允许样品直接电离而不需要掺杂剂的帮助。为了增加测定灵敏度，掺杂剂往往被应用于正交式离子源中［7-12］。

2 APPI的应用特点

与ESI和APCI相比，APPI的应用优点如下：它可以同时电离出极性和非极性的小分子物质，让用户单次注射分析更多的化合物；测定过程中大幅度减少了基质效应和相对离子抑制作用，从而简化了样品的净化程序，节省了样品的前处理时间，可以获得更好的分析物回收率，保证了分析数据的质量；测定结果拥有达到5个数量级的动态线性范围，是定量分析者首选的离子源方式［13-14］。

Cai等［15］的研究表明，对于脂肪酸、脂肪酸酯、甘油脂等物质，与ESI，APCI相比，APPI信号稳定、线性范围宽、灵敏度高。Yang等［16］选择碘昔芬及其主要代谢产物SB245419为目标污染物，比较了APPI和APCI两种电离方式分析性能的差异，结果显示，APPI的响应值是APCI的6～8倍，达到了药动学研究的要求。Syage等［2］研究结果表明，用APPI分析得到的线性范围与APCI相近，远优于ESI源。Straube等［17］比较了正相色谱、反相色谱分别与ESI、APCI和APPI 3种离子源及质谱联用分析二硝基芘（DNPs）及其代谢产物氨基硝基芘（ANPs）、二氨基芘（DAPs）的结果差异。实验表明，正相色谱的分析灵敏度比反相色谱高约20倍，而APPI的检出限远远低于ESI和APCI。Ghislain等［18］利用飞行时间质谱仪比较了ESI，APCI和APPI对多环芳烃及氧化态多环芳烃的测定情况，结果表明，ESI对目标物的检测能力很弱，APCI对中高分子量的目标物检测效果不理想，而APPI对所有目标化合物的检测结果都很好，这为研究芳香环状化合物的缩合机理提供了帮助。

Li等［19］优化比较了3种大气压离子源在测定富勒烯化合物时的质谱条件及测定效果，进样体积为10 μL，采用Gemini C18色谱柱（150 mm×2.0 mm，5 μm），柱温40℃，依据5个实验指标进行判断得出，APPI是最好的离子源，检出限为8 ng／mL（ESI为140 ng／mL，APCI为9 ng／mL），定量限为27 ng／mL（ESI为450 ng／mL，APCI为30 ng／mL），检出限为90.2 ng／mL（ESI为8.03 ng／mL，APCI为121 ng／mL），线性范围8～1 000 ng／mL（ESI为140～1 000 ng／mL，APCI为9～1 000 ng／mL），再现性达到15%（ESI为33%，APCI为28%），APPI离子化方式可以实现对水体中富勒烯类化合物进行痕量定性定量检测。

3 APPI的应用领域

LC-APPI-MS／MS技术在降低检测成本和检测时间的同时又不损失检测的灵敏度和特异性，这使得APPI在液质联用的实际应用中有了新的发展，它被广泛应用于食品、环境、生活用品、医药卫生及化学化工领域样本中微量以至痕量目标物的分析测定中，详细情况见表1。

3.1 APPI在食品有害物质检测中的应用

抗生素类物质对环境微生物、动植物生长以及人体健康的影响已引起了广泛关注。氯霉素（CAP）是一种常用的广谱类抗生素，长期摄入会有致命危害，美国、欧洲已叫停在食品中添加CAP防腐，世界卫生组织及食品农业联合组织都对CAP在食品中的残留作了严格的规定。液相色谱质谱联用技术在分析测定食品中氯霉素方面非常有效，这是因为质谱检测具有高选择性和灵敏性［55］。Takino等［56］利用LC-APPI-MS／MS技术建立了测定鱼肉中氯霉素残留的方法。鱼肉样品用乙酸乙酯萃取并挥发至干，然后用乙腈和正己烷通过液液分配进行纯化。当样品加入量为0.1～2 ng／g时，小鲱肉和比目鱼肉中CAP的平均回收率分别为89.3%～102.5%和87.4%～94.8%，检出限（S／N=3）分别为0.27和0.10 ng／g。结果表明，APPI具有高灵敏度和选择性，是一种理想的测定鱼肉中氯霉素残留的离子化技术，而且样品基体对氯霉素离子强度的影响不明显。

Cai等［43］利用UPLC-APPI-MS／MS技术对牡蛎中16种多环芳烃含量进行了测定，实验以氯苯作为掺杂剂提高了检测灵敏度，方法的回收率为77%～110%，相对标准偏差为0.6%～6.7%，检测限(S／N=3)为0.013～0.129 mg／kg，均值为0.040 mg／kg，比美国食品与药品监督管理局要求水平低4个数量级以上。

氨基甲酸酯类农药易光解、半衰期短，是近年来使用较多的杀虫剂。但由于该类物质对人体内的乙酰胆碱酯酶有抑制作用，美国、欧盟、日本都要求将其环境残留限量列入法规。Takino等［46］建立且优化了22 种氨基甲酸酯及其代谢物LC-APPI-MS分析方法，并对50个蔬菜水果样品进行了残留量测试。结果表明，APPI离子化方式可以产生除涕灭威以外的其余21种氨基甲酸酯类清晰单一的准分子离子峰，部分氨基甲酸酯代谢物的基峰为加合氨基的分子离子峰。该分析方法干扰小、信号稳定、结果重现性好。使用该方法分析蔬菜、水果中氨基甲酸酯的残留量检测限可达0.33～3.33 ng／g。Kruve等［51］利用capLC-APPI-MS／MS正离子模式对西红柿中氨基甲酸酯类农药残留量进行了测定，方法检出限抗蚜威为0.25 ng／mL，草氨酰和灭多虫为5 ng／mL，在西红柿样本中的相应含量分别为5，0.25 µg／kg，低于蔬菜水果中要求的最高残留量。方法的相对标准偏差为2.9%～13.9%，线性范围0.005～5.0 μg／mL，线性相关系数r2=0.984～0.999。

3.2 APPI在环境基质污染物质检测中的应用

环境基质包括水体、大气、土壤及生物等，由于自然演变及人类活动的干扰导致环境基质遭到污染，越来越多的有毒有害物质被排放到环境当中，给人类的生存环境造成了破坏，给人类的生命健康带来了损害。LC-APPI-MS／MS技术在分析测定环境基质中微量的医用药物残留、杀虫剂、杀菌剂、防腐剂、食品添加剂及工业化学物质等方面发挥着巨大作用。

表1 APPI在现代物质定量定性分析中的应用

Cullum等［57］利用LC-APPI-TOFMS方法检测河水、废弃流出物和污水中的雌性激素化合物（雌酮、雌二醇和乙炔基雌二醇）。这类化合物会导致雄性鱼雌雄间性的变化，甚至是浓度低至0.1 ng／L水平也会起作用。检测结果表明，河水和废弃流出物中雌激素的检出限低于0.1 ng／L，相对标准偏差小于15%，回收率为89.4%～108.9%。Viglino等［29］建立了一种在线SPE-LC-APPI-MS／MS自动化分析方法，对水体中的环境雌激素进行检测分析，结果表明，除雌固酮的相关系数（r2=0.985）稍低外，其余目标物的相关系数都在0.990以上，日内和日间的精密度分别为2%～9%和4%～11%，除雌三醇的检出限为50 ng／L外，其余目标物的检出限均在2～10 ng／L之间，检验样品中雌三醇和雌二醇的含量最高，分别为(120±6)，(243±24) ng／L，而雌固酮和黄体酮则呈现微量水平，此方法可以实现水体中天然和人工合成激素的快速在线检测，检测限达到ng／L级别。Wang等［26］比较了不同大气压电离源及不同掺杂剂对LC-MS／MS法检测水体中药物残留以及类固醇激素和固醇类物质的测定结果。结果显示，以甲苯作为掺杂剂的APPI灵敏度最高，适用于大多数目标物的分析测定，对立痛定、待乙妥、咖啡因、奈普生、扑热息痛、扑痫酮等药物残留的检测限在0.3～15 ng／L之间，对睾丸酮、马萘雌酮、黄体酮、马烯雌酮、17 β-雌二醇、17 α-炔雌醇、雌素酮、雄素酮等激素的检测限在1.2～37 ng／L之间。

Chiaia-Hernandez等［31］利用配有APPI的高分辨率质谱仪对湖泊沉积物中的药物残留、杀虫剂、杀菌剂、防腐剂、食品添加剂及工业化学物质等180种物质进行了检测，APPI的应用使其中两种麋香类同分异构体实现了良好分离，方法的总体回收率和精密度分别为103%和9%，检出限为0.01～4 ng／g，定量限为0.03～14 ng／g，实验表明湖泊沉积物中杀菌剂、麋香类物质的检出频率最高，含量达到pg／g～ng／g级别，而对药物残留中的目标物没有检出。

多环芳烃（PAHs）类物质具体致癌、致畸、诱导突变等特性，是世界公认的持久性难降解半挥发性有机化合物。PAHs属于弱极性物质，含有特殊的稠环结构，没有可供液相串联质谱离子源电离反应的侧链基团，很难在ESI和APCI中离子化，所以难以用常规离子源进行离子化检测［4，58-59］。Lintelman等［60］利用LC-APPI／MS／MS法测定了大气颗粒物中15种氮杂环芳烃的含量，运用多反应监测模式对目标物进行检测及定量分析，利用加速溶剂萃取（二氯甲烷-甲醇，体积比50∶50）对氮杂环芳烃进行萃取后不经净化处理直接进样，方法的定量限（S／N=10）为0.2～1.4 pg／μL，相对标准偏差8%～17%，回收率为57%～94%。Hutzler等［34］建立了一种利用LC-APPI／MS／MS法对环境基质中16种具有致癌作用的多环芳烃及硝基多环芳烃快速、可靠的检测方法，跟国外相关标准中应用的GC-MS相比，具有样品前处理简单、测定灵敏度高、特异性强等优点。

3.3 APPI在人体代谢物及有害物质残留检测中的应用

Borges等［39］建立了一种利用LC-APPI／MS／MS技术测定人体血浆中乙炔雌二醇含量的检测方法，样本加入内标（17α-乙炔雌二醇-d4）后经乙醚-正己烷液液萃取，固相萃取净化后进样分析，结果显示方法线性范围5～500 pg／mL （r2＞0.999 2），日内精密度为2.1%～14.6%，准确度为94.6%～103.8%；日间精密度为4.4%～11.4%，准确度为98.9%～101.6%，表明此种定量分析方法可应用于生物等效性研究中。

Yoshioka等［35］利用LC-APPI-TOFMS对人体血液内农药成分百草枯和敌草快进行了分析检测，血液样本经甲酸和乙腈提取，涡旋振荡后离心，上层清液进样分析，方法的线性范围为0.000 5～1.25 μg／mL，两种物质的日内回收率分别为99.0%和91.9%，相对标准偏差分别为5.8%和6.5%，检出限（S／N=3）分别为0.005 μg／mL和0.006 μg／mL，该方法与现行测定方法相比具有检出限低、分析时间短、前处理操作简单等优点。

Parker等［42］利用LC-APPI-MS／MS技术测定了人尿中异黄酮和木脂素等植物雌激素类物质，尿液样本不需要提取和预浓缩而直接检测，相对检出限0.04～0.4 ng／mL，绝对检出限低于0.1 pg，此方法对实验中超过2 500份的尿液样本进行了测定，其中95%～100%的目标物都能定量分析，这也是第一次利用APPI对尿液样本中的植物雌激素类化合物进行分析测定的报道。

3.4 APPI在卷烟烟气检测方面的应用

Ding等［32］利用LC-APPI-MS／MS技术对9种市售卷烟主流烟气中10种多环芳烃类化合物进行了测定，烟气被剑桥滤片捕集后，通过液液萃取，固相萃取小柱净化后进样分析。结果表明，此方法的检出限在11～166 pg之间，相比荧光和紫外检测器，LC-APPI-MS／MS方法对不同品牌及焦油和尼古丁含量不同的卷烟中多环芳烃测定的重复性、准确性及灵敏度都较好。

3.5 APPI在其它工业检测方面的应用

殷居易等［61］采用LC-APPI-MS／MS技术同时测定电子电器产品橡胶，塑料等材料中的16种多环芳烃的残留量。样品经粉碎后，用甲醇提取，通过C18固相萃取小柱净化，以LC-APPI-MS／MS进行检测，采用多反应监测模式同时测定16种多环芳烃浓度。该方法定量限（S／N ＞10）为0.1～0.2 μg／g，回收率为72.0%～89.6%，相对标准偏差小于10%，在0.1～10.0 μg／L的质量浓度范围内，峰面积与浓度呈良好线性关系（r=0.993 2～0.999 2）。

Bacaloni等［21］利用LC-APPI-MS／MS技术对工业生产中产生的多种溴化阻燃剂进行了同时测定，其中包括四溴双酚A(TBBP-A)和5种多溴联苯醚（BDE-47，BDE-99，BDE-100，BDE-153和BDE-154）。实验利用甲醇-丙酮-水作为流动相，丙酮作为掺杂剂，采用负离子模式进行监测。方法的线性范围在0.025～10 ng之间，线性相关系数为0.992 3～0.998 2，检出限（S／N＞3）为0.004～0.1 ng，除BDE-47为20.3 ng／L，其余物质的定量限（S／N ＞10）为0.2～3.3 ng／L，各物质含量水平与GC-MS测定结果相当。

4 展望

APPI是软电离技术应用于液质联用的最新离子化方法，它的开发与应用提高了弱极性化合物的分析灵敏度，扩大了可离子化化合物的检测范围，拓展了质谱仪的分析应用领域。LC-APPI-MS／MS技术已经广泛应用于食品、医药以及环境基质中非极性化合物的分析测定中，具有高的灵敏度和特异性。但此技术应用于烟草及烟气中有害物质含量测定的文献报道较少，随着吸烟与健康问题越来越受到社会各界广泛关注，对烟草及烟气中致癌物质的存在情况以及对烟气接触人群的身体健康进行影响评价是十分必要的。建立一种利用LC-APPI-MS／MS技术对烟草及烟气中有害物质含量定量测定的方法，既是对烟草中有机污染化合物分析测定方法的补充，也是质谱分析领域对这类弱极性化合物离子化模式分析新手段的最新应用。

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Research Progress of Atmospheric Pressure Photoionization Technique and its Application

Shi Longkai1，2， Yang Jin1， Zhang Xiaotao1， Hou Hongwei1， Hu Qingyuan1
(1. China National Tobacco Quality Supervision & Test Center， Zhengzhou 450001， China; 2. College of Grain and Food， Henan University of Technology， Zhengzhou 450052， China)

Atmospheric pressure photoionization ion source (APPI) was a new kind of soft ionization ion source applied in LC-MS／MS，which ionized the gas phase sample by photochemical effect. The analysis of weak polar compound by mass spectrometry was promoted by APPI. The basic principle and application advantages of atmospheric pressure photoionization which applied in the LC-MS／MS technology was introduced. Its application in the qualitative and quantitative detection and analysis were summarized.

LC-MS／MS; atmospheric pressure photoelectric ion source; analysis and detection

O657.63

A

1008-6145(2014)04-0099-05

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.04.030

*郑州烟草研究院院长基金项目(552013CA0130)

联系人：侯宏卫；E-mail: qsfctc@163.com

2014-04-15