瓜子壳作为新型木质电喷雾材料的分析性能研究

刘喆 郭云龙 许庆轩 刘淑莹

摘 要 ：建立了一种简单经济实用的电喷雾质谱技术 （ESIMS），利用一次性前端削尖的瓜子壳承载样品，并使其离子化。采用瓜子壳蘸取样品溶液，或通过移液器将样品加入到瓜子壳的凹槽中。瓜子壳的尖端角度在60°～90°范围内， 瓜子壳尖端与质谱仪入口之间的距离在2～3 mm范围内， 关闭所有去溶剂化气体， 在尖端施加3.5～4.0 kV高压后，可获得理想的质谱效果。实验结果表明，这种新技术适用于多种样品的分析，包括木质素、人参皂苷、氨基酸和蛋白质等。将其与传统电喷雾和牙签木尖喷雾进行对比，在检测木质素类物质和人参皂苷及蛋白质分子时，瓜子壳木尖喷雾相较于其它两种电离方式效果更佳。本方法还可分析一些不能通过传统的电喷雾技术直接分析的样品，如固体粉末样品等。在本研究中，参照ESI的单针进样方式设计了一种可连续进样的装置，利用此装置对人参粉末进行在线提取，获得持续稳定的总离子流图，并得到了十分丰富的质谱信息。

关键词 ：质谱; 电喷雾; 木尖喷雾; 瓜子壳; 在线提取

1 引 言

电喷雾电离质谱 （ESIMS）[～3]可分析多种类型的化合物，甚至能够分析热不稳定、不易挥发的各种生物及合成的大分子聚合物，具有很高的分析灵敏度，可与分离技术 （如液相色谱、毛细管电泳） 非常方便地联用[4]，在多个领域应用广泛[5，6]。ESIMS与大气压化学电离 （APCI）[7，8]一起成为了目前广泛使用的大气压电离方法，合称大气压电离 （API） 技术。与真空条件下操作的质谱 （如电子轰击质谱（EIMS）、基质辅助激光解吸质谱 （MALDIMS） ） 相比，尽管API质谱使用更方便，但在通常情况下仍需要进行复杂的前处理，即对样品进行提取和净化，甚至还需进一步分离，因此，分析过程依然繁琐耗时，效率很低。为了提高分析效率及样品分析通量，近年来开发了各种原位电离技术，不需要样品前处理，也不需要色谱 （或毛细管电泳） 分离，实际样品直接分析[9～13]。这些原位电离技术都是将现有电离技术进行某种程度的改进，并与各种取样技术有机结合，从而产生传统质谱所不具有的原位分析功能。其中，基于电喷雾的原位电离技术的一个重要发展方向是将封闭式 （即样品通过毛细管发生喷雾） 转化为开放式 （非毛细管电喷雾），并对用于电喷雾的材料进行各种尝试，包括电喷雾探针技术 （Probe electrospray ionization，PESI）[4]、直接电离技术 （Direct ionization）[5]、紙喷雾电离 （Paper spray ionization，PSI）[6，17]、叶喷雾电离 （Leaf spray）[8，19]、圆珠笔电喷雾 （Ballpoint electrospray ionization，BPESI）[20]、多功能碳纤维电离 （Carbon fiber ionization，CFI）[21]、组织电喷雾 （Tissue spray） [22，23]和木尖喷雾电离 （Wooden tips spray）[24，25]等。电喷雾探针技术 （PESI） 主要采用金属丝或金属针作为探针，使用探针尖蘸取少量液体样品，并在探针上施加高电压，样品在探针尖上产生喷雾[26]。近几年使用木质尖取代金属作为探针，与金属探针相比具有很多优良性能，其中木材的亲水性和多孔性使得样品溶液能有效粘附在尖端表面上 [27]，有利于样品检测，且不会因为检测时尖端发生放电现象而失效。叶喷雾、组织喷雾和直接电离这3种技术十分相似，与探针喷雾不同，它们均不需要专门的喷雾装置，可直接将植物、动物的组织加工成三角形，将高电压和溶剂施加在组织上，溶剂将组织中的成分提取出来，在三角形样品的尖端处产生电喷雾，将其中的化学物质离子化送入质谱仪中检测，待测物本身既作为喷雾探针， 又作为样品。迄今为止，使用该电离技术已成功分析了人参、桑树叶、天麻以及动物组织等样品，提供了有关糖、氨基酸、脂肪酸、脂类和生物碱的实时高质量的质谱信息[22，28，29]。

虽然各式新型的电喷雾技术相继被开发，但对于不同类型样品的检测还有一定的局限性。例如使用牙签作为喷雾探针时，由于其尖端体积很小，能够承载的样品溶液很少。直接电离方法操作虽然比牙签喷雾简便，克服了牙签承载样品量少的限制，但是电喷雾的产生要求喷雾材料有一个尖端，以保证施加电压时能够在尖端产生稳定的泰勒锥 （Taylor cone），但是将高淀粉含量的粉末状或膏状的样品加工成一个符合要求的尖端并不容易。瓜子壳作为木尖喷雾的材料，可将提取和检测在线耦合到一起，有利于提高信号强度。 本研究以瓜子壳作为木质喷雾离子化装置， 其凹槽是一个天然的样品池， 可承载较大的液体或固体样品量，若再连接一个溶剂 （或溶液） 连续注入装置，就可获得连续不间断的离子信号。

3 结果与讨论

3.1 瓜子壳喷雾实验条件优化

3.1.1 瓜子壳尖端与质谱仪入口距离 以五味子丙素为模型样品进行各项参数优化。其中，瓜子壳尖端与质谱仪入口的距离是重要的影响因素。实验表明，当瓜子壳的尖端与质谱仪入口的距离较远时，瓜子壳的尖端无法在施加溶剂及高压后形成Taylor cone，产生相应的离子信号; 将瓜子壳的尖端置于距质谱仪入口2～3 mm，可得到良好的离子信号。

3.1.2 电压选择 将瓜子壳的木质尖端置于距入口2～3 mm处，当施加电压低于1.5 kV时，在质谱中几乎观察不到样品离子的信号; 施加2.5 kV电压，在质谱中可观察到较弱的离子信息。随电压逐渐增加，信号也随之增强，当电压达到3.5 kV时，样品在质谱中的离子信号良好且稳定。电压增加直至4.0 kV以上，离子强度变化不大，且在检测的过程中易发生放电现象。因此，将喷雾电压设定在3.5～4.0 kV。

3.1.3 瓜子壳喷雾尖端角度选择 瓜子壳主要成分为纤维素，小分子化合物很少，为避免在检测过程中产生干扰，需要进行简单清洗。依次用超纯水和甲醇各超声15 min，去除杂质，并将瓜子壳尖端剪成任意角度。图2为瓜子壳的空白背景木尖喷雾质谱图。在此基础上，加长超声时间，质谱图中的背景峰变化不大。将瓜子壳的尖端剪成不同的角度放在质谱仪入口进行检测，如图3所示，当瓜子壳的角度在30°时，质谱的离子强度很弱，几乎观察不到目标化合物的信号; 当角度为45°时，质谱的离子信号增加了约两个数量级; 当角度到达60°时，可在质谱中观察到稳定的离子信号。角度增加至90°，信号未减弱且十分稳定; 当角度增加至90°～120°时，可观察到离子强度明显下降; 当角度增加至150°时，质谱信号出现不稳定的现象，观察到的信号几乎与30°时相同，目标化合物信号消失。因此，60°～90°是瓜子壳的尖端最佳角度。

4 结 论

瓜子壳木尖喷雾电离在多类样品的检测中都具有良好的实用性。此新型离子源中使用的瓜子壳容易获得，并可与具有大气压接口的各种质谱仪联用。样品检测简单、方便、快速。瓜子壳天然的载样功能可获得持久稳定的离子信号。实验结果表明，这种新型改良离子源可用于多种小分子化合物以及大分子蛋白质的常规分析。新方法的电离与电喷雾电离均温和。此外，在中药有效成分的检测过程中，瓜子壳木尖喷雾相对于电喷雾电离源显示出了明显优势。在线提取装置将固体样品提取和质谱分析相结合，可像封闭式电喷雾的单针进样一样，获得持续稳定的离子信号，并可作为色谱和质谱的接口，实现液相色谱质谱联用分析。本方法在中药分析、临床和法医分析中具有较大的应用潜力。

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