原位电离与小型质谱在公共安全领域的应用

王 南，卜杰洵，李玉玉，张云峰，欧阳证,*

(1.清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084；2.北京清谱科技有限公司，北京 100084；3.公安部物证鉴定中心，北京 100038)

现场快速检测在公共安全领域的需求长期存在，且越发受到重视。相比于传统大型实验室检测模式，现场快速检测具有样品新鲜、结果即时、成本低、决策迅速的优点，但要求分析方法能够获得精确可靠的结果[1-2]。在物质检测领域，便携式仪器通常比试剂盒具有更高的准确度[3]。目前常见的用于化学物质分析的便携式小型仪器包括拉曼光谱仪[4]和离子迁移谱仪[5]，二者分别通过拉曼光谱和离子迁移来区分不同的被分析物。然而这两种仪器均要求被分析物的纯度较高，且结果容易受基质或杂质的干扰[6-7]。

质谱作为一种强大的分析方法，具有高确定性、高选择性和高灵敏度的特点，可通过被分析物的分子量进行物质鉴定[8]。通过多级质谱串联，二级质谱中的碎片峰质荷比能给出被分析物分子结构的同时，也通过被分析物在质荷比维度的分离，提高信噪比，实现复杂基质中痕量物质的检测[9]。现在已经有小型质谱开发的成果，其便携性与结果精确度均可满足现场快速检测的要求[10]。然而，传统的质谱进样方法要求样品无盐无基质，这使得复杂样品需经过漫长繁复的样品前处理过程，同时也对操作人员的专业素质有较高要求[11](图1)。

图1 质谱适用于公共安全领域检测，但复杂耗时的样品前处理不利于现场快速检测，原位电离与小型质谱相结合是实现现场快速检测的有效途径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

由于样品前处理对质谱应用的限制，原位电离方法应运而生[12]。原位电离方法是指无需样品前处理，直接对样品进行质谱检测的电离源。将原位电离方法与小型质谱相结合，既利用了小型质谱高确定性、高选择性、高灵敏度的仪器特点，又解除了样品前处理对样品种类和操作的要求，是国际新兴的现场快速检测方案。

1 原位电离方法及其应用

由于减少样品前处理的需要，原位电离方法，即无须样品前处理对样品直接进行电离的方法，成为新兴的质谱电离方法。原位电离方法因可对样品直接检测且操作简便，相比于传统电离方法具有极大优势，包括适用于现场实时快速检测和无须专业人员操作等。自2004年最早的原位电离方法出现至今，有大量的原位电离方法被发明和改进，基本可归纳为四大类：(1)基于放电/等离子体的方法(如实时直接分析电离(Direct analysis in real time,DART)[13])；(2)基于喷雾的方法(如解吸附电喷雾电离(Desorption electrospray ionization,DESI)[14])；(3)基于激光解吸附的方法(如电喷雾激光解吸附电离(Electrospray-assisted laser desorption/ionization,ELDI)[15]和激光烧蚀电喷雾电离(Laser ablation electrospray ionization,LAESI)[16])；(4)基于色谱与电离直接结合的方法(如纸喷雾电离[17])。其中，有多种原位电离源已用于商业化，如DART(JEOL[18]、IonSense[19])、DESI(Waters[20])和纸喷雾(Thermo[21])等。

由于原位电离方法种类繁多，本综述将重点选择其中几种进行介绍，包括基于喷雾方法的DESI、基于放电/等离子体方法的DART、基于激光解吸附的LAESI和基于色谱与电离直接结合的纸喷雾电离技术。同时，因定量对公共安全应用的重要性，还针对性地介绍了原位电离现场定量方法的进展。

1.1 解吸附电喷雾电离

解吸附电喷雾电离(DESI)是最早出现的原位电离技术之一，2004年由美国普渡大学的Cooks教授团队提出[14]。该电离源对管中流动的溶剂施加高压，形成带电的溶剂液滴束打到样品上，解吸附样品中的分子，使其形成被分析物离子，然后进入质谱检测(图2A)。它产生离子的方式与传统电喷雾电离(Electrospray ionization,ESI)类似，但在DESI中被分析物是通过带电液滴解吸附进入液滴的，因而减少了基质和杂质对被分析物检出的影响，实现复杂样品无需前处理的原位电离分析。

DESI可用于多种公共安全领域的样品。在毒品检测方面，Fu课题组[22]使用DESI电离源检测缉查得到的可卡因毒品(图2B)，检出限为3.47 μg/mm2，日内精密度与日间精密度分别为11%和42%，并通过二级质谱分析了制造可卡因的副产物与可能的毒品来源地。在爆炸物检测方面，Cooks实验室[23]采用DESI检测含有三硝基甲苯(Trinitrotoluene,TNT)、黑索金(Royal demolition eXplosive,RDX)、奥克托今(High-velocity military eXplosive,HMX)、季戊四醇四硝酸酯(PentaErythritol TetraNitrate,PETN)的织物表面的爆炸物混合物(图2C)，检出限为pg级。DESI还被广泛应用于质谱成像，在公安领域可用于指纹或血迹及其隐藏信息的分析，如Cooks实验室[24]采用DESI电离源对沾过可卡因的手指指纹进行分析，并通过可卡因强度来进行指纹成像(图2D)，使得指纹不仅可用于人员的确定，还可通过其化学物质分布得到更多信息。

图2 DESI原理图(A)[14]及其在可卡因(B)[22]、爆炸物混合物(C)[23]和可卡因指纹成像(D)[24]上的应用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 实时直接分析电离

实时直接分析电离(DART)是2005年由Cody等发表的一种原位电离方法[25]。它通过对氦气或氮气施加电压，使其放电形成含离子、电子、激发态原子或分子的等离子体，然后等离子体经过DART末尾的网格加热后，打到样品上，使样品解吸附并电离进入质谱(图3A)[26-27]。它是最早被开发和商业化的原位电离技术之一，广泛应用于药物合成监测[28]、司法物证检验[29]等诸多领域。关于DART电离源更具体的原理和进展已有综述详尽介绍[30-32]。

DART有着大量公安相关的应用实例。如采用DART直接检测管制药品的实际样品(3,4-亚甲二氧基甲卡西酮(Methylone)、氯苯丙胺(p-Chloroamphetamine)、硝甲西泮(Nimetazepam))，检出限为ng/mL级(图3B)[33]；在爆炸物混合物方面，可直接检出含有7种爆炸物的混合物(图3C)[26]；在尿液中可直接检测可卡因(图3D)[35]。作为一种原位电离方法，DART还被用于各种基质样品(如可乐、橙汁等液体基质[33]，血浆[34]、尿液[35]等生物基质，油墨等固体样品基质[36]，等等)，均表现出较好的电离效果。

图3 DART原理图(A)[27]及其在实际非法药物样品(B)[33]、多种爆炸物(C)[26]和尿液中的可卡因(D)[35]上的应用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 激光烧蚀电喷雾电离

激光烧蚀电喷雾电离(LAESI)是一种基于激光解吸附并结合电喷雾的电离方法，由Nemes和Vertes在2007年发表[16]。它主要是利用红外激光将样品解吸附，同时用电喷雾带电离子束经过解吸附的分子使其进入液滴并带电，而后进入质谱检测(图4A)[37]。更早期也有相同或相似原理的离子源发表，如2005年发表的电喷雾辅助激光解吸附电离(Electrospray-assisted laser desorption/ionization,ELDI)[38]和2006年发表的基质辅助激光解吸附电喷雾电离(Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization,MALDESI)[39]。

LAESI曾应用于公共安全领域中毒品、爆炸物和食品毒素的检测。在毒品方面，被用于不同条件和基质下的管制药品或毒品的检测，包括可待因、可卡因、吗啡、四氢大麻酚、大麻二酚等(图4B中为使用LAESI检测头发上的吗啡)，其对常规毒品如苯丙胺和甲基苯丙胺的检出限为0.01 mg/mL，对毛发中吗啡、可待因和可卡因的检出限为10 ng/mg[40]。LAESI还可用于爆炸物检测，在负离子模式下成功检出爆炸物三硝基甲苯(图4C)[41]。同时，由于LAESI特别适用于生物样品，可用来检测食品中的毒素毒物，如检测贻贝中的毒素软骨藻酸，检出限为1 mg/kg(图4D)[42]。

图4 LAESI原理图(A)[37]及其在头发中吗啡(B)[40]、爆炸物TNT(C)[41]和神经毒素软骨藻酸(D) [42]上的应用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 纸喷雾电离与纸毛细管喷雾电离

纸喷雾电离(Paper Spray Ionization,PS)与普通电喷雾电离源类似，区别在于样品是先加到纸上，再滴加电离溶剂来进行样品电离(图5A)[17,43]。纸喷雾电离通过纸对基质的吸附，使得电离溶剂可以洗脱不容易吸附在纸上的被分析物，然后对纸施加高压来电离被洗脱的分子，进入质谱检测。该方法使用纸这种常见材料，且方法简单，因而得到广泛关注与应用[44]。同时由于纸的易加工性，纸喷雾更易被制成试剂盒来使用[45]。

纸毛细管喷雾电离(Paper capillary spray,PCS)是基于纸喷雾的改良方法。它结合了纸喷雾电离和电喷雾电离二者的优点，通过后端的纸来减小复杂基质对质谱分析的影响，同时使用前端的毛细管来稳定电喷雾的气流，从而使电离源的性能更加稳定(图5B)[46]。目前已有基于PCS的商业化试剂盒[47]用于农药的检测(图5C和图5D)，在血液基质样品中检出限为ng/mL级[48]。

图5 纸喷雾(A)[43]与PCS试剂盒(B)[46]原理图及PCS在农药敌草快(C)[48]和百草枯(D)上的应用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 原位电离现场定量方法

原位电离方法的开发均会考虑其定量性能[49-52]。质谱定量需添加固定量内标(Internal standard,IS)，由于内标与目标物的相似性，通过二者信号的比值，可抵消由于离子源的不稳定带来的不同检测间的信号差异[8]。这对现场检测方法提出了更高要求，一方面需确定浓度的内标溶液，另一方面需精确取用固定体积的内标溶液。确定浓度的内标溶液可能会由于带到现场而发生浓度变化，由于现场环境的复杂，固定体积的溶液取用也会较难操作。为此，许多简化内标添加方式被开发出来。

一种方式是预先将内标溶液添加到离子源上(图6A)，采用纸上预添加一定量内标的方式，可实现8%的相对标准偏差(RSD)[53]。另一种方式，则是在取样设备上预先加入定量内标(图6B)，在定量取样器(毛细管)的管壁内，预先吸入定量体积的内标溶液，干燥后即在内壁上沾有固定量内标[54]。其后，再使用已预加载内标的毛细管去吸取样品后上样，则可直接使用固定量的内标进行目标物的定量(RSD<10%)。弹状流微萃取技术(Slug flow microextraction,SFME)[55]也是一种耗材少、操作简便的现场前处理方式。它通过微量的液体弹状流，实现快速的液相微萃取平衡，将目标物从基质中提取入喷雾溶剂中。使用SFME时，内标可以加入喷雾溶液中(图6C)[55]，也可通过选用与目标物分配系数相差较大的内标(图6D)[56]，使得进入喷雾溶液中的目标物与内标的比例是确定的，从而实现无需精确定体积的取样。

图6 预加内标的纸喷雾(A) [53]、预加内标的定量取样器(B)[54]、喷雾溶剂中加入内标的SFME(C)[55]和无需精确样品体积的SFME采样方法(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 原位电离小型质谱的发展与应用

原位电离技术和小型质谱仪器的发展都是为了实现无需专业人员操作的现场快速检测，然而小型质谱的发展(20世纪70年代起[57-59])远早于原位电离技术(2004年[13-14])。这可能是因为质谱小型化是技术难点，在实现质谱小型化之前，样品进样的难易不是考虑的重点，直至小型质谱的研制初具雏形后，原位电离技术的重要性才引起人们注意。因此，本文首先介绍原位电离小型质谱的发展进程，再进行原位电离小型质谱的应用举例。

2.1 原位电离小型质谱的发展

质谱在小型化过程中，主要针对的是体积小型化与功率低型化的需求[60]。为满足这两个需求，质谱系统采用低功率的小真空泵，但这直接产生了真空度较难达到最优测试区间的问题。早期的小型质谱为了避免真空度问题，使用了放置在真空中的电离源(主要是电子轰击电离源(Electron ionization,EI))[61-63]，但这种电离源只适用于易挥发的被测物(如低分子量的有机物)，无法应用于常规的非挥发性物质。其他常规离子源虽没有前述对于被分析物的要求，但要求小型质谱有大气接口。

为了在大气接口的存在下维持质谱系统的真空度，同时使用小功率真空泵来减小仪器体积，研究者开发出两种进样接口。一种是由清华大学欧阳证团队开发出来的非连续进样接口(Discontinuous atmospheric pressure interface,DAPI)[64]，除进样以外的时间进样口均为封闭状态，使得真空可达到合适的范围，也能保持足够的进样量，该进样方式的优点在于降低真空泵功率要求，极大地减小了质谱仪器体积，该进样接口经欧阳证团队的多年发展，已持续应用于多代小型质谱的开发[65-66]，并用于商业化小型质谱仪器[67]。与此同时，其他科研团队也开始使用DAPI作为其小型质谱的接口[68-69]。另一种是连续进样接口(Continuous atmospheric pressure interface,CAPI)[70]，该接口通过使用长的小孔径进样管和分级抽真空系统，以维持质谱真空度。尽管这种方式会使得质谱的体积相对较大，也要求使用更高功率的真空泵，但进样更稳定，因而有部分小型质谱的开发是基于CAPI接口[71]。由于篇幅原因此处仅介绍非连续进样的小型质谱发展，其他类型的小型质谱发展参考相关综述[10,60,72-74]。

继质谱零件的小型化之后，小型质谱在美国普渡大学和清华大学实验室不断开拓发展(图7)。从最初的小型化离子阱(Mini trap)[59]，到之后研制出的几台小型质谱[61-63]，因其仅能使用真空下的内置离子源来检测挥发性物质，可被划为第一代小型质谱。2006年，Mini 10[65]的成功研制标志着第二代小型质谱的出现。相比于第一代小型质谱，它使用非连续大气接口[64]，可搭配大气下的常规离子源检测非挥发性物质，如图7中的管控化学品甲基膦酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate,DMMP)和毒品可卡因[64]。2013年，Mini 12[66]和背包Mini S质谱[75]的开发标志着目前已进入第三代小型质谱的开发阶段，将原位电离源与小型质谱相结合，使其可实现各种物质的现场快速检测。

图7 小型质谱的发展及其在公安上的应用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检测管控化学品DMMP和Mini 11检测毒品可卡因[64])

2.2 原位电离小型质谱的应用

原位电离小型质谱结合了二者的应用优势，无需样品前处理的操作特点以及高灵敏度、高选择性、高确定性的检测特点，使其十分适用于如爆炸物、毒品、毒物、食品药品环境安全检测等公共安全领域。

2.2.1 毒品现场检测与吸毒人员排查毒品现场检测包括已知毒品检测、未知粉末检测、新型毒品检测和吸毒人员判断等不同的应用场景。图 8是PCS-Mini小型质谱系统在毒品检测方面的应用。如毒品芬太尼通过一级质谱和二级质谱判定(图8A)，在牛奶、啤酒、可乐中的检出限低于10 ng/mL[76]；使用纸喷雾-Mini 12小型质谱系统的二级质谱检出新型精神活性物质(“新精活”)JWH-081(图8B)，对于表面新精活的检出限小于2 ng[77]。由于合成大麻素有相似的二级质谱子离子峰[77]，还可以利用二级谱的相似性判断其他合成大麻素的新精活毒品。图 8C为使用PCS-Mini小型质谱系统检测毒品在体液(包括血样、尿样和唾液样品)中的代谢物[78]，检出限可达50 ng/mL，从而可应用于吸毒人员的现场判断。因此，原位电离小型质谱系统可以应用于毒品现场检测的各种场景。

图8 PCS-mini质谱系统检测芬太尼(A)[76]、新精活JWH-081(B)[77]和血、尿、唾液中毒品代谢物检测(C1～C3)[78]等多种毒品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 爆炸物现场侦察爆炸物由于爆炸范围广、杀伤力大，会带来重大的公共安全隐患。在现实生活中若发现可疑包裹或可疑粉末，需快速进行现场检测，从而提供依据实现即时决策。目前已有多个关于原位电离小型质谱在爆炸物检测方面的应用报道。如同步放电电离源与小型质谱Mini 10相结合(图9A)可实现爆炸物检测[79]，对爆炸物三硝基苯甲硝胺(Tetryl)(图9B)和爆炸物TNT(图9C)的检出限可达ng级。DESI也被用于与小型质谱联合，在负离子模式下直接电离待测表面的爆炸物混合物，检出TNT、三硝基苯甲硝胺(Tetryl)和HMX(图9D)[80]。

图9 原位电离小型质谱系统搭配同步放电电离源(A)和DESI源进行非极性或弱极性爆炸物三硝基苯甲硝胺(B)、TNT(C)和3种爆炸物混合物(D)的检测[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 食品安全之农用化学品检测食品安全在公共安全领域属于重大议题，从食品源头到食品终端(如餐厅、食堂、超市)均需进行检测，确认其安全性。以化肥、农药、兽药、生长调节剂等农用化学品为例，其不当使用与过量使用均会带来广大的公共安全影响。农用化学品的现场快速检测，可使食物的滞留时间缩短，还可实现食物在生长培育过程中更好地监控。部分原位电离小型质谱系统可用于农用化学品的检测，如LTP-手持小型质谱可用于苹果表面抗氧化剂二苯胺的测定(图10A)，并区分该物质在苹果不同部位的含量，检出限为15 μg/mL[81];纸喷雾-手持小型质谱被应用于超市直接检测橙子表面的抗真菌药滋必灵(图10B)[81];同步放电电离源小型质谱可检测ng级杀虫剂马拉硫磷(图10C)和杀螟松[79]。原位电离小型质谱还可用于农药混合物的检测，如DESI小型质谱可用于检测含待乙妥(N,N-Diethyl-meta-toluamide,DEET)、莠去津、甲草胺的农药混合物(图10D)[82]。

图10 原位电离小型质谱对农用化学品苹果表面抗氧化剂二苯胺(A)[81]、橙子表面抗真菌药涕必灵(B)[81]、杀虫剂马拉硫磷 (C)[79]和3种农药混合物(D)[82]的检测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 药物质量检查药物质量检查与人民生活息息相关。目前药物质量不合格主要包括：①以假药代替药品有效成分；②在药品中非法掺杂无关违法物质；③在非药品类商品(如保健品)中非法添加药品。图 11中展现了PCS-Mini小型质谱应用于药物相关安全领域的检测结果。如通过一级和二级质谱区分真假镇定药物(地西泮，Diazepam)(图11A)，以二级质谱判断出非法染色的中成药黄柏，并半定量检出掺假药物中的染料金胺O含量为68 mg/kg(图11B)[83]；用二级质谱鉴定出减肥保健产品中的西药非法添加，检出限为ng/mL级(图 11C)[84]。由此可见，原位电离小型质谱系统可广泛应用于药物安全监测领域。

图11 PCS-mini质谱系统在药物质量上的检测[83-84]Fig.11 Drug authentication by PCS-miniature MS system[83-84]A:real and fake diazepam (真假地西泮药),B:illicit addition of pigment in traditional Chinese medicine(中成药中的色素非法添加),C:illicit addition of synthetic drug in nutrition supplements(保健产品中添加西药成分)

3 结论与展望

原位电离与小型质谱相结合是小型质谱发展的必然趋势，通过结合质谱高确定性、高选择性、高灵敏度的优点，以及小型质谱的便携性与原位电离的直接样品检测优势，可应用于多种领域，特别适用于公共安全领域的现场快速检测。未来公共安全检测的发展趋势，是使用像原位电离小型质谱系统这类多功能、高准确度的方法，将分析带到现场，并通过操作智能化和简便化方便一线人员检测。对于突发情况，可将小型仪器置于车上，迅速到达现场。云数据平台也是重要的发展方向，化学品数据库既有利于统一全国检测标准，又有利于现场检测数据的快速上传汇总与统筹决策。