声波喷雾离子化质谱技术及其应用研究进展

吕悦广 白 桦 李文涛 杨镜奎 何裕建* 马 强*

1(中国检验检疫科学研究院，北京 100176) 2(中国科学院大学化学科学学院，北京 100049)

1 引 言

质谱(Mass spectrometry, MS)技术具有灵敏度高、特异性好、分析速度快、专属性强等特点，成为近年来发展最为迅速的分析技术之一。从本质上说，质谱是一门制备、操控和检测气态离子的科学，如何便捷、高效地产生气态离子是质谱学发展的关键之一。在质谱发展历程中，每一次离子化技术的突破性进展都极大拓展了质谱的应用范围。在过去长达一个世纪的时间里，人们曾普遍认为气态离子只能从气态分子中得到，而不能直接从溶液中转移和生成气态离子。基质辅助激光解吸电离(Matrix assisted laser desorption/ionization, MALDI)和电喷雾电离(Electrospray ionization, ESI)这两种软电离技术的出现，打破了人们传统的认知，可实现直接从溶液中得到气态离子，使蛋白质、核酸等生物大分子的质谱分析成为可能，并逐渐成为质谱领域应用最广泛的两种离子化技术。

液相色谱-质谱联用技术(Liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)很好地融合了液相色谱的分离能力和质谱的组分鉴别能力，是分离分析复杂有机混合物的有效工具。在该技术发展之初，液相色谱和质谱之间的常压离子源接口一直是人们研究的重点。大气压化学电离(Atmospheric pressure chemical ionization, APCI)[1]、热喷雾(Thermo spray, TS)[2]、电喷雾[3]、大气压喷雾(Atmospheric pressure spray, APS)[4]等离子化技术都被成功应用为液相色谱-质谱联用技术的离子源接口。声波喷雾离子化(Sonic-spray ionization, SSI)也是一种常压软电离技术，该技术无需施加高压或加热，在常温常压条件下即可产生带电小液滴，被认为是最简单的离子化技术。在与离子源毛细管同轴气流的作用下，毛细管中的溶液被喷雾带出，当气体速度达到一定值时，喷雾中便产生了带电小液滴和气态离子，通常气体在气体流速接近声速时离子化效率最高[5]。在声波喷雾离子化技术发展之初，主要作为液相色谱-质谱联用技术的一种新型常压离子源接口被应用于多肽[6]、蛋白质[7]、药物[8]等各个分析领域。同时，还有研究对比了声波喷雾离子化与大气压化学电离[9]、电喷雾电离[10, 11]等传统离子源作为液相色谱-质谱联用接口对于分析结果的影响。由于离子化过程不需要加热，声波喷雾离子化技术在分析多肽、神经传导介质等热不稳定物质时显示出独特的优势。

另一方面，敞开式离子化质谱(Ambient ionization mass spectrometry, AIMS)是近年来质谱技术发展的一个重要方向。顾名思义，敞开式离子化质谱是在不需要或者仅需要简单样品前处理，且在常压开放的环境中便可实现样品离子化，然后进行质谱分析的技术。该技术在早期刚被提出时常被叫做常压离子化，考虑到电喷雾电离和大气压化学电离的电离环境亦为常压，故取名为敞开式或开放式离子化，以强调电离环境不只是常压，同时也是开放环境[12]。2004年，Takts等[13]提出了第一种具有里程碑意义的敞开式离子化技术——解吸电喷雾电离(Desorption electrospray ionization, DESI)，这被认为是敞开式离子化质谱研究的开端。2005年，Cody等[14]提出了另一种基于等离子体的敞开式离子化技术——实时直接分析(Direct analysis in real time, DART)。这两种离子化技术是发明最早，同时也是应用最为广泛的敞开式离子化技术。在此之后，又陆续发展了几十种敞开式离子化技术。2006年，Haddad 等[15]基于声波喷雾离子化的原理，受解吸电喷雾电离技术的启发，提出了解吸声波喷雾离子化(Desorption sonic-spray ionization, DeSSI)技术，也是应用较为广泛的敞开式离子化技术之一。实际上，声波喷雾离子化技术真正被人们熟知并且广泛应用是始于此。考虑到其简单、方便的特性，Haddad 等[16,17]后来将其更名为简易敞开式声波喷雾离子化(Easy ambient sonic-spray ionization, EASI)。在众多敞开式离子化技术中，简易敞开式声波喷雾离子化无需电压、加热、激光、电晕放电等辅助方式，只需要高速气流作用便可实现样品溶液离子化，是最简单、最温和且最容易搭建实施的离子化技术。

本文介绍了声波喷雾离子化技术的原理、特点及其作为液相色谱-质谱联用技术接口的应用研究，综述了基于声波喷雾离子化技术发展起来的简易敞开式声波喷雾离子化等衍生敞开式离子化技术在各相关领域的应用研究进展，并对其发展趋势进行了展望。

2 声波喷雾离子化的原理及特点

Hirabayashi等[5]首次提出了声波喷雾离子化这种新型离子化技术。实验中甲醇-水溶液通过蠕动泵以30 μL/min的流速输送至石英毛细管(内径0.1 mm、外径0.2 mm)，石英毛细管被安装在一段起到固定支撑作用的不锈钢管(内径0.25 mm、外径1.7 mm)中。石英毛细管尖端插入金属铝板正中的小孔(直径0.4 mm)，并伸出小孔0.6 mm，二者水平同轴，毛细管喷雾尖端距质谱进样口距离为5 mm。高速氮气也从此小孔中流出，氮气在标准状态(20℃、1 atm)下的流速通过质量流量控制器控制。声波喷雾离子源装置剖面图如图1所示。

图1 声波喷雾离子化装置示意图[5]Fig.1 Schematic diagram of sonic-spray ionization (SSI) source dvice[5]

声波喷雾离子化无需施加高电压、无需加热，只要在毛细管同轴方向通入高速氮气，即可实现样品溶液离子化，被认为是最简单的离子化技术。实验通过该方法得到了赖氨酸、多巴胺、短杆菌肽S的质谱图，检测到了单电荷和双电荷的分子离子峰和丰度较低的碎片离子峰。实验还发现，气相离子信号响应强度与同轴氮气流速有直接关系，作者测试了双电荷短杆菌肽S的离子信号强度与氮气流速之间的关系，如图2所示，实验表明：(1)在氮气流速达到1.3 L/min时，开始有短杆菌肽S离子信号被检测到；(2)离子信号强度随着氮气流速的增加而增大，在3.0 L/min时达到最大值；(3)氮气流速大于3.0 L/min后，随着氮气流速的增加反而导致离子信号强度减弱。同时，随着氮气流速增加，气流的马赫数也不断增加。作者采用纹影法拍摄了氮气在不同质量流速时流动状态的照片，在流速2.2 L/min时，气流为亚声速流动状态，在流速为4.0 L/min时，为超声速流动状态，据此推断，在跨声速流动状态时，该方法有最大的离子化效率。此时气流的马赫数≈1，即氮气线速度接近声速，因此将其命名为声波喷雾离子化技术。

图2 离子电流和双电荷的短杆菌肽S离子信号强度与氮气流速之间的关系[18]Fig.2 Ion current and ion intensity of doubly charged gramicidin-S molecule as a function of gas flow rate[18]

图2中的离子电流代表实验过程中带电小液滴和气相离子带电量的总和，离子电流与离子响应信号强度一样，均是在氮气流速为3.0 L/min时达到最大值。然而，值得注意的是，在氮气流速为1.0 L/min时，带电小液滴已经产生，但此时并没有气相离子被检测到； 在氮气流速低于0.8 L/min时，喷雾产生的小液滴还没有带上电。说明带电小液滴以及气相离子的产生与小液滴的大小有直接关系，在亚声速流动状态，随着氮气流速增加，喷雾产生小液滴的直径不断减小。Hirabayashi等[18]还对比了肾上腺素、去甲基肾上腺素、多巴胺等物质分别以声波喷雾离子化和传统电喷雾电离方式得到的质谱图，发现两种途径得到的质谱图十分相似。同时，在声波喷雾离子化模式下，待测物质表现出更容易带多电荷的倾向[19]。传统电喷雾电离方式[3]是在高电场作用下溶液在毛细管尖端形成泰勒锥(Taylor cone)，当泰勒锥尖端的溶液达到瑞丽极限(Rayleigh limit)，即表面电荷的库仑斥力与溶液表面张力相当的临界点时，便会有带电小液滴从泰勒锥尖端喷射出来[20]，在辅助雾化气作用下，溶剂不断蒸发并发生库伦爆炸，最终形成气态离子[3]。值得注意的是，电喷雾过程的雾化气流速较低，远低于声波喷雾离子化模式下的气体流速，当流速达到或超过100 m/s时，便不能形成稳定的泰勒锥。

对于声波喷雾离子化这一新型离子化技术，其机理研究显得尤为重要。Hirabayashi等[19]对比研究了3种带电模型(摩擦带电、电双层带电和统计学带电)，以探究声波喷雾离子化的机理。对于摩擦带电模型，不同的毛细管材料理论上有不同的电化学电势，作者对比了几何形状相同、材质不同的玻璃毛细管和不锈钢毛细管的喷雾离子化效果，实验结果并没有差别，因此该方法不是摩擦带电的离子化机理。另一方面，在接近毛细管壁表面的溶液中会形成电双层，在电双层中离子浓度不均一，且毛细管壁带负电，因此靠近壁面的质子浓度比较高[21]，从而在溶剂快速蒸发的过程中产生带电小液滴。基于这个模型，钝化的石英玻璃毛细管会严重减小电双层效应，作者对比研究了裸露的和钝化过的几何尺寸相同的两种玻璃毛细管，发现实验结果并没有差异，因此也否定了电双层带电机理。Dodd[22]提出的统计学带电模型常被用于解释热喷雾离子化技术[23]的带电过程。溶液在很短时间内快速蒸发变成等体积的小液滴，对于大部分小液滴，其正、负离子数量是相等的，整体表现为电中性。然而在另一些小液滴中，其正离子数量大于负离子数量，整体表现为带正电，反之则带负电。这是由于溶液中离子浓度的微观波动而导致的带电过程，按照这个模型，小液滴的平均带电量〈|q|〉与溶液中离子浓度N的平方根成正比，即：

基于这个模型和关系式，检测到的离子电流应该随着溶液中离子浓度的增大而增大，然而实验发现随着溶液中乙酸铵浓度的增大，检测到的离子电流反而减小，使用三氟乙酸也得到了相同的结果，所以声波喷雾离子化也不是统计学带电机理。

Hirabayashi等[18,19]的研究发现，检测到的离子电流不仅与气体流速有关，还与气体介质有直接关系，在气体流速为3.0 L/min时，氮气和氧气介质时的离子电流是氩气介质时的3倍。这是因为不同的气体介质导致气液界面有不同的表面电势，受表面电势的影响，正、负离子在溶液表面的分布是不均衡的，如pH=5的水溶液，在溶液表面会形成厚约100 nm的电双层，负电荷在外表面，正电荷位于内层。在声波喷雾过程中，气体介质和溶液的界面受表面电势影响也存在电双层。受高速气流强力冲击作用，微小液滴将从溶液表面被“剥离”，进而由于静态电荷分布不平衡而有机会带电。当正电荷数量大于负电荷时，小液滴带正电，相应地会有其它小液滴带负电。上述提到的溶液中乙酸铵、三氟乙酸等浓度越大，检测到的离子电流反而越小的实验结果也很好地印证了这一机理。随着溶液中离子浓度的增加，离子对的浓度也逐渐增加，因此导致在溶液表面形成的电双层的厚度减小，也就是说，扩散电双层的厚度与溶液中离子浓度的平方根成反比[24]。因此在小液滴中，随着离子浓度的增大，正、负离子浓度的变化值反而减小。综上所述，在表面电势的作用下, 气液界面使小液滴中的离子对产生电荷分离，高速气流作用使电荷浓度发生波动, 电荷静态分布不平衡, 从而使小液滴带电, 这是声波喷雾离子化带电最有可能的机理。后续在气体流动作用下，带电小液滴经过与传统电喷雾类似的溶剂挥发、库伦爆炸等过程，最终通过电荷残余模型形成气态离子而被质谱检测。

基于上述声波喷雾离子化装置和带电机理，气体压力、溶液流速和装置的物理尺寸是影响该技术离子化效率的主要因素[25]，优化这些参数可以显著提高声波喷雾离子化的灵敏度和适用范围。声波喷雾离子化的机理使其可以同时产生正、负离子，这对于正、负模式同时进行质谱高通量快速检测大有裨益。声波喷雾离子化技术与其它离子化技术的异同和优缺点对比结果见表1，声波喷雾离子化是最简单、普适的离子化技术。同时，由于未施加高电压/电流和加热，声波喷雾产生的气态离子内能较低，可以保留分子间弱的非共价作用, 因此该离子化技术可用于研究分子内和分子间的弱相互作用，为生物分子的离子化和分析提供了新方向。此外，对于生物大分子分析，相比传统的电喷雾电离，声波喷雾离子化可以提供更宽的电荷分布范围。

表1 声波喷雾离子化技术与其它离子化技术对比

Table 1 Comparison between sonic-spray ionization (SSI) and other ionization techniques

离子源Ion source软电离Soft ionization多电荷Multi charge极性Polarity气Gas电压/电流Voltage/Current热Heat参考文献Reference电喷雾电离Electrospray ionization (ESI)是Yes是Yes中等极性/强极性Moderate/strong polarity是Yes是Yes是Yes[3]大气压化学电离Atmospheric pressurechemical ionization (APCI)是Yes否No弱极性Weak polarity是Yes是Yes是Yes[1]大气压喷雾Atmospheric pressurespray (APS)是Yes否No中等极性/强极性Moderate/strong polarity是Yes是Yes是Yes[4]热喷雾Thermo spray(TS)是Yes是Yes中等极性/强极性Moderate/strong polarity否No是Yes是Yes[2]声波喷雾离子化 SSI是Yes是Yes中等极性/强极性Moderate/strong polarity是Yes否No否No[5]

3 声波喷雾离子化衍生技术

3.1 简易敞开式声波喷雾离子化

图3 解吸声波喷雾离子化分析药片中药物成分示意图[15]Fig.3 Schematic of desorption sonic-spray ionization(DSSI) analysis for drugs in tablets[15]

鉴于解吸声波喷雾离子化无需加热、电压、激光、紫外光或特殊气体等辅助措施，是装置最简单、操作最简便的离子化技术[26]，Haddad 等将解吸声波喷雾离子化更名为简易敞开式声波喷雾离子化(Easy ambient sonic-spray ionization, EASI)[16]，以突出该技术在敞开式环境下实施和简单的特点(easy与EASI同音)。整个分析过程大概分为三步：(1) 声波喷雾将溶剂离子化；(2) 双极性(带正、负电荷)的小液滴束轰击样品表面，将待测物解吸附出来；(3) 经过质子或者阳离子(通常为Na+、K+)转移反应使待测物离子化，最终变成气态离子被质谱检测。

3.2 文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化

为了进一步简化离子化装置，2011年，Santos等[27]在简易敞开式声波喷雾离子化的基础上做了改进，去除了蠕动泵等流体控制装置，提出了文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化(Venturi-easy ambient sonic-spray ionization, V-EASI)。该技术在简易声波喷雾离子化的基础上，利用毛细管周围流过的高速气流产生的文丘里效应将喷雾溶液带出毛细管并形成喷雾离子化。与之前技术相比，文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化产生的双极性带电液滴携带的平均电量较低，提高了离子化选择性和检测灵敏度。装置主体部分包含一个套管尺寸合适的三通，雾化气流经一根53 mm长的不锈钢针筒(内径400 μm、外径728 μm)，其内部同轴的石英毛细管(内径100 μm、外径125 μm)用于吸取溶液和尖端喷雾。经过条件优化，最终确定雾化气氮气气压为10 bar，流速为3.5 L/min，对于纯甲醇溶液流速为20 μL/min，纯水溶液约为5～10 μL/min ，酸性甲醇溶液中可卡因的检出限为0.2 ng/mL。文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化同样是一种软电离技术，基本没有碎片离子峰。虽然与传统电喷雾电离技术相比，其待测物的绝对响应强度有所降低，但是同样背景噪音也很低，总体而言信噪比较高。声波喷雾离子化的机理使文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化技术可以同时产生正、负离子，该技术可以直接对溶液和固体表面进行分析，拓宽了其应用范围。对纯水溶液中生物分子检测的优异表现，表明该技术适用于生理溶液和生物流体中蛋白质和多肽的分析。

3.3 精简型-简易敞开式声波喷雾离子化

为了真正做到简易和便携，Schwab等[28]发展了精简型-简易敞开式声波喷雾离子化(Spartan-easy ambient sonic-spray ionization, S-EASI)。该技术仅需要一个便携式压缩空气罐即可实现文丘里自吸效应和声波喷雾离子化。便携式压缩空气罐替代了传统氮气钢瓶及相关气体调节器，其它组件也均廉价易得，如外科两通导管代替了三通组件、皮下注射针代替了不锈钢套管，真正实现了自组装、便携化的特点。实验进行了可卡因、草甘膦、聚乙二醇600及多肽分析，证明其保留了文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化的所有优点。这种简易自组装的离子源被认为是已报道的适用于液体和固体表面直接分析的最简单、廉价的敞开式离子源。简易敞开式声波喷雾离子化系列技术的迭代发展过程见图4。

图4 简易敞开式声波喷雾离子化到文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化、精简型-简易敞开式声波喷雾离子化的迭代发展过程[29]Fig.4 Schematic of easy ambient sonic-spray ionization (EASI), Venturi-easy ambient sonic-spray ionization (V-EASI) and spartan-easy ambient sonic-spray ionization (S-EASI) [29]

4 声波喷雾离子化及其衍生化技术与其它技术联用

4.1 声波喷雾离子化与液相色谱技术联用

图5 声波喷雾离子源作为液相色谱质谱联用接口示意图[30]Fig.5 Schematic of sonic-spray ionization interface for liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)[30]

在声波喷雾离子化刚被提出时，作为一种新型常压离子化方式，研究者致力于将其作为液相色谱-质谱串接分析的离子源接口。Hirabayashi等[6]在1996年首次将半微量液相色谱与声波喷雾离子化质谱联用进行农药残留分析。实验研究了取样锥孔温度、氮气流速等与质谱信号响应之间的关系，通过提高锥孔温度到120℃以及控制流动相流速为100 μL/min，可以将半微量液相色谱与声波喷雾离子化质谱直接串接起来。西玛津在1 pmol～1 nmol的范围内线性良好，检出限为300 fmol。Björkman等[30]对液相色谱-声波喷雾离子化质谱联用条件进行了优化。 如图5所示，通过析因设计对各个设置参数进行了评估，用于分析模型药物托特罗定。研究者还对比了声波喷雾离子化和电喷雾电离对托洛丁、托洛丁代谢物及一系列类固醇的分析效果。结果表明，声波喷雾离子化由于流速较大，导致托洛丁分析的重现性稍差、峰形较宽，但是灵敏度是电喷雾电离的两倍。对孕烯醇酮的分析表明，声波喷雾离子化有较小的水分损失，因为该离子化过程中转移到待测物的能量较少。类似地，Dams等[31]也对比研究了这种新型离子源与传统电喷雾离子源作为液相色谱-质谱联用接口时分析效果的异同。实验涉及流动相中的有机改性剂、挥发性缓冲盐等对两种离子化方式的影响，实验结果表明，有机改性剂可以提高电喷雾和声波喷雾的离子化效率，然而挥发性缓冲盐有明显的离子抑制效应。研究者将声波喷雾离子源作为液相色谱-质谱联用接口，鉴定了7种海洛因杂质中的生物碱。采用硅胶整体柱，以5.0 mL/min的流速梯度洗脱，7种物质在5 min内即可实现良好分离，设置柱后1∶20的分流比，实现了快速液相分离和声波喷雾离子化质谱的串接。

4.2 声波喷雾离子化与微流控芯片技术联用

图6 微流体芯片声波喷雾离子化装置示意图 ：(A)声波喷雾相对于质谱入口不同角度：0°、45°和90°；(B)装置俯视图[32]Fig.6 Schematic of the microchip sonic-spray ionization arrangement: (A) Different angles of the sonic spray versus MS orifice plate were tested: 0°, 45° and 90°; (B) Top view of the microchip SSI arrangement[32]

2007年，Pól等[32]首次提出将集成在微流控芯片中的声波喷雾离子源作为质谱分析的一种常压离子化方式，如图6所示，仅对微流控芯片施加高速雾化气即可实现正、负离子模式下对极性化合物的温和、高效离子化。微流控芯片由刻蚀的雾化气入口、石英毛细管腔体、蒸发通道和出口喷嘴构成，雾化气进入蒸发通道, 与石英毛细管引入的样品混合，将其喷雾离子化。结果表明，芯片相对于质谱入口的位置、气体和样品流速对检测结果有很大影响。实验分析了叔丁基铵、维拉帕米、睾酮、血管紧张素Ⅰ等物质，离子信号稳定，动态线性范围与电喷雾电离相当，重现性良好，检出限为15 nmol/L～4 μmol/L。2016年，Yu等[33]制备了一种新型自吸式声波喷雾离子化芯片，该离子化芯片采用3D打印技术，不需要额外制造喷雾尖端，首先通过计算机模拟优化芯片结构，并进行实验验证。实验结果表明，该技术在雾化气压力大大低于传统声波喷雾离子化所需压力的情况下便可实现样品溶液离子化。同时, 研究者还发展了一种双通道自吸式声波喷雾离子化芯片，当两个通道中均为相同样品溶液时，信号明显增强；当通道中为不同溶液时，则有效降低了离子抑制效应，该技术有效提高了芯片集成度, 并简化了操作流程。

4.3 声波喷雾离子化与薄层色谱技术联用

图7 薄层色谱-简易敞开式声波喷雾离子化质谱分析示意图[16]Fig.7 Schematic diagram of thin layer chromatography (TLC)-EASI-MS analysis[16]

简易敞开式声波喷雾离子化是最简单、最温和的离子化技术，而薄层色谱(Thin-layer chromatography, TLC)是最便捷、最快速的色谱分离技术。2008年，Haddad等[16]首次将简易敞开式声波喷雾离子化与薄层色谱技术联用。薄层色谱板上面分开的点可以直接通过简易敞开式声波喷雾离子化分析采集质谱信息。实验中，喷雾溶剂为0.01%甲酸-甲醇(1∶1,V/V)溶液，流速20 μL/min，雾化气气压30 bar，门帘气气压5 bar，去簇电压100 V，喷雾尖端到薄层色谱板的距离约2 mm，毛细管-薄层色谱板-质谱入口之间夹角约为30°(实验装置示意图见图7)。实验分析了半极性含氮化合物、药物和蔬菜油，同时还将该技术用于有机反应监测。薄层色谱板和简易敞开式声波喷雾离子化技术联用整合了色谱高效分离和质谱高灵敏检测的优势, 拓展了简易敞开式声波喷雾离子化技术的应用范围。Eberlin等[34]采用薄层色谱-简易敞开式声波喷雾离子化质谱联用技术分析鉴定了生物柴油(B100)和生物柴油-矿物柴油混合物(BX)中的主要成份。高效薄层色谱板可以实现油品组分的分离，简易敞开式声波喷雾离子化可以原位对薄层色谱板上分开的点逐点进行质谱检测。结果表明，在B100和BX样品中都检测到了脂肪酸甲酯的钠离子加合特征峰，可用于鉴别生物柴油。对于矿物柴油组分，其质谱图含有一系列烷基吡啶的分子离子峰，可作为矿物柴油的特征性定性鉴别标准。对于混合柴油，其特征峰则是甘油三酯的加钠峰。该方法适用于生物柴油和矿物柴油的定性鉴别和质量控制。

4.4 声波喷雾离子化与其它技术联用

Haddad等[17]还将纤维素透析膜应用到简易敞开式声波喷雾离子化技术中，纤维素透析膜虽为固体，但具有良好的渗透性和柔韧性。这种结合有助于带电小液滴对纤维素膜表面的待分析物进行解吸附，同时待测物在膜表面的选择性渗透有利于质谱定性定量分析。实验表明，纤维素膜可以作为接口界面用于简易敞开式声波喷雾离子化直接分析溶液中成分。纤维素膜界面由一个聚四氟乙烯容器与两根硅胶管构成，开口处封上纤维素膜即可。药物溶液通过蠕动泵控制流速为20 mL/min循环通过膜系统，喷雾溶剂为0.01%甲酸-甲醇(1∶1,V/V)溶液，喷雾尖端与膜之间的夹角为30°，产生的带电小液滴不断轰击膜表面将渗透好的待测物解吸附并离子化, 进行质谱分析。该方法也可应用于连续原位监测分析环境流体中的极性和半极性化合物，由于膜可以阻挡固体颗粒还被用于在线监测发酵和生物转化，透析膜也可以用于监测血液透析过程，进行体内血液分析。Figueiredo等[33]发展了一种分子印迹聚合物作为待测物选择和富集界面，应用于简易敞开式声波喷雾离子化质谱分析。实验中首先用分子印迹聚合物在萃取/清洗池中吸附尿液中的氯丙嗪、三氟丙嗪等化合物，清洗除去其它杂质后，转移分子印迹聚合物探针到简易敞开式声波喷雾离子源的合适位置。喷雾溶剂为0.01%乙酸-甲醇 (1∶9,V/V)溶液，在检测过程中，通过人为移动探针保证所有的探针面积(约40 mm2)暴露在喷雾范围内并持续1 min，每种化合物分子离子峰作为定量分析的依据。实验结果表明，该分子印迹聚合物可作为尿液中氯丙嗪类药物的化学选择界面，用于简易敞开式声波喷雾离子化质谱分析。该方法具有灵敏度高、选择性好、分析时间短等特点，同时分子印迹聚合物还具有使用寿命长、直接分析无需预处理和萃取/清洗简单等优势。这些特性使得该方法可以大大降低基质的离子抑制效应，适用于生物样品和环境流体等复杂基质样品的分析。

5 声波喷雾离子化及其衍生技术的应用研究进展

作为一种简单、通用的常压离子化技术，声波喷雾离子化自20世纪90年代被提出以来，如今其应用已遍布生命科学、食品安全、法庭化学和反应监测等多个领域。表2列出了声波喷雾离子化技术的研究和应用情况，包括不同的研究对象、衍生化技术方法和检出限等信息。

5.1 生命科学

生命科学是21世纪最为活跃的学科，生命体系大多是复杂体系，因此对分析技术也提出了越来越高的要求。声波喷雾离子化及其衍生技术在生命科学领域被广泛应用[36～40]。Arao等[41]通过配有声波喷雾离子源接口的液相色谱-三重四极杆质谱联用系统，连续鉴定了血液中的欧夹竹桃苷及其3种衍生物(脱乙酰甘油三酯、夹竹桃苷元和鬼臼皂苷元)。欧夹竹桃苷、脱乙酰甘油三酯和夹竹桃苷元在5～100 ng/mL浓度范围内线性良好，血液中欧夹竹桃苷和脱乙酰甘油三酯的方法检出限为2 ng/mL，鬼臼皂苷元为3 ng/mL。Mortier等[8]建立了鉴定生物基质样品中对甲氧基安非他明、3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺和3,4-亚甲基二氧基苯丙胺的液相色谱-声波喷雾离子化-离子阱质谱联用分析方法。该方法适用于全血、尿液、组织样品的分析，方法日内和日间精密度小于17.5%，精确度小于16.2%。实验还建立了不同基质的标准曲线，线性相关系数均大于0.995。Arinobu等[42]通过声波喷雾离子源建立了人体血液中喷他佐辛的液相色谱-质谱联用快速鉴定方法，采用右美沙芬作为内标验证方法的可靠性，检出限为19.5 ng/mL，该方法检测一个人体血液样品中的喷他佐辛仅需4 min。Alberici等[43]采用简易敞开式声波喷雾离子化技术直接分析脂质复合物，探究患有高甘油三脂血症小鼠和正常甘油三脂小鼠脂质样本的差异。该方法在正离子模式下观察到了很强的磷脂酰胆碱和三酰甘油的离子信号，在负离子模式下可以观察到磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇的信号。实验分析了脂质中游离脂肪酸，发现对于患有高甘油三脂血症的小鼠样本，其磷脂酰胆碱和三酰甘油复合物中有更高比例的油酸，同时磷脂酰肌醇中花生四烯酸的丰度也更高，并且小鼠体内整体有明显的游离脂肪酸分布。

表2 声波喷雾离子化的应用情况

Table 2 Application of SSI

样品Sample检测物质Analyte方法Method线性范围Liner range检出限LOD参考文献Reference血液 Blood欧夹竹桃苷 OleandrinLC-SSI-MS5～100 ng/mL2 ng/mL[35]生物样品Biological samples对甲氧基安非他明AmphetamineLC-SSI-MS10～1000 ng/mL5 ng/mL[8]药片 Tablet地西泮 DiazepamDeSSI-MS[15]柴油 Diesel oil脂肪酸甲酯 FAMETLC-EASI-MS[29]蔬菜油 Vegetable oils三酰甘油酯 TAGEASI-MS[38]鱼、肉 Fish and meat三酰甘油酯 TAGTI-EASI-MS[39]墨水 Ink碱性紫3 Basic violet 3EASI-MS[48]药片 Tablet可卡因 CocaineV-EASI-MS[23]

5.2 食品安全

Simas等[44]通过简易敞开式声波喷雾离子化技术建立了一套快速、可靠的蔬菜油分析方法，可以在敞开式环境对蔬菜油中的主要成分进行高效解吸附和离子化。该方法装置简单、操作简便，分析时仅需要滴一滴蔬菜油在惰性表面即可，无需任何预处理。正离子模式下三酰甘油脂的离子形式为[TAG+Na]+，负离子模式下游离脂肪酸的离子形式为[FFA-H]-。简易敞开式声波喷雾离子化是一种软电离技术，三酰甘油脂不会碎裂，因此可以测定二酰甘油脂和单酰甘油脂及其含量，据此可以对蔬菜油进行认证和质量控制，探究蔬菜油的掺假、酸度、氧化、水解水平。Porcari等[45]将热压印(Thermal imprinting, TI)与简易敞开式声波喷雾离子化技术结合，仅使用极少量的溶剂便可将肉、脂肪、鱼等食物中的三酰甘油脂化合物转印在纸上，然后利用简易敞开式声波喷雾离子化实现甘油三脂的快速鉴定分析，整个分析过程仅需数分钟和极少量的样品和溶剂，实验结果与气相色谱以及基质辅助激光解吸离子化质谱分析的结果十分相似。该方法可以现场收集样品的热压印纸，然后送至实验室检测，已有报道将该技术应用于俄罗斯鱼子酱[46]和伊比利亚火腿[47]的质量监控中。Sawaya等[48]通过简易敞开式声波喷雾离子化技术收集了世界范围内49种蜂胶醇提物的一系列化学信息，对所得数据中树脂的植物来源进行主成分分析，可以推断蜂胶的地理起源。

5.3 法庭化学

迄今，简易敞开式声波喷雾离子化最主要的应用领域是法庭化学[49]，基于其操作简单、快速的特点，被广泛用于样品鉴别分析[44,48,50～53]。Lalli等[54]采用简易敞开式声波喷雾离子化技术建立了对圆珠笔书写纸张表面使用墨水的指纹鉴别以及书写时间推断的方法。从墨水笔画处得到的质谱信息表明，不同品牌的墨水具有不同的特征化学信息，墨水中含有碱性紫3、碱性蓝26、碱性蓝7、碱性紫10、镍钛菁和1,3-二甲基-1,3-二硝基胍等染料，不同颜色的墨水含有的染料种类不同，同种颜色、不同品牌的墨水中各种染料的含量比例也不同，因此可以根据得到的指纹图谱信息推断墨水品牌。同时，对于染料碱性紫3，随着时间推移发生了一系列降解反应，其降解产物的丰度呈线性变化，因此可以作为表示墨水年龄的“化学钟表”，为法庭鉴定签名是否为伪造提供了有力的技术手段。Carbral等[55]采用文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化技术鉴别树木种类。桃花心木是一种濒临灭绝的珍贵热带植物，这种微红色木质中含有一种典型的植物化学标记物芦荟素类化合物，通过文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化可直接在木材表面或者细小木屑的甲醇提取液中检测到该物质。实验结果表明，通过比较桃花心木和其它木材的化学物质特征图谱，可以帮助控制桃花心木以及其它濒危树木的非法伐木交易，并且创建其认证标准。假冒伪劣香水是在世界范围内普遍存在的一种现象，造成巨大的经济损失和潜在的消费风险。 Haddad等[56]建立了一种几乎可以瞬间完成的香水种类和真伪的鉴别方法。实验中将香水直接喷射到玻璃棒或者纸片上，样品经过几秒钟干燥，随后进行简易敞开式声波喷雾离子化质谱检测，在1 min内便可得到香水中大部分极性化合物信息，这些信息提供了真品香水特殊的化学特征，且重复性良好，可对香水样品进行真伪鉴别。

5.4 反应监测

图8 文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化质谱实时监测自组装反应示意图[63]Fig.8 Schematic view of Venturi-sonic-spray ionization-mass spectrometry set up used for real-time measurements of self-assemble reactions[63]

简易敞开式声波喷雾离子化可进行原位、实时质谱分析，因此在反应监测领域表现出很大优势[57～64]，对于优化反应物配比、控制反应进程以及推测反应机理有着重要指导意义。Na等[63]利用文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化技术实时监测了核酸碱基的自组装过程。K+通过注射器引入到反应体系中，通过文丘里-简易敞开式声波喷雾离子化技术实时观察核酸碱基自组装产生的簇离子(反应装置如图8所示)。监测过程中发现了很多核酸碱基的簇峰，证明阳离子在核酸碱基自组装过程中发挥作用，同时说明该方法作为一种软电离技术，适用于自组装过程中的非共价作用研究。Jansson等[65]发展了一种监测狭窄空间的表面反应的方法。实验将两根石英毛细管浸入到溶液中，两根毛细管与反应表面之间彼此紧密靠近，形成了一个层流反应区, 体积约为5 pL, 通过蠕动泵和其中一根石英毛细管向反应表面提供反应原料。另外一根毛细管跟离子源相连，相比于补液毛细管，该毛细管取样流速稍快。补液和取样的综合效应使溶液平流传递而不扩散，维持了一个稳定的化学微环境。实验首先将乙酰胆碱酯酶通过静电相互作用固定在有机硅氧烷聚合物表面，随后进行了乙酰胆碱酯酶催化乙酰胆碱形成胆碱的实时反应监测，同时优化了不同乙酰胆碱浓度、石英毛细管形状以及流速等条件。实验结果表明，转化速率随着乙酰胆碱浓度的提高而增大，表明该方法适用于实时反应监测。

6 总结与展望

声波喷雾离子化技术从早期作为一种液相色谱-质谱联用的新型离子源接口，到后来发展的简易敞开式声波喷雾离子化，都被认为是最简单、最便捷的常压敞开式离子化方式，并已经成功应用于众多领域。期间，离子化装置不断改进、简化，展示了其简单、快速、便携的特点。虽然尚未商业化，但声波喷雾离子化已经逐渐成为最热门的敞开式离子化技术之一。Teunissen等[66]综述了简易敞开式声波喷雾离子化近十年的发展，从敞开式离子化技术的角度重点阐述了装置从简易敞开式声波喷雾离子化到文丘里-简易声波喷雾离子化、再到精简型-简易声波喷雾离子化的精简过程，以及这种敞开式离子化技术在医药、食品、燃料、法庭化学和生物样品等领域的应用。本文从最初的声波喷雾离子化技术开始，阐述其基本原理和发展过程。在装置发展和应用方面，涵盖了其最初作为液相色谱/毛细管电泳串联质谱的接口到后来发展成为敞开式离子化技术，以及该方法与微流体芯片、薄层色谱板等技术联用的情况。目前，该技术在质谱成像等领域也崭露头角[67]，未来必将拓宽到更多应用领域。