激光辅助聚焦等离子体电离源-质谱分析技术的开发及应用研究*

向志成，史 俊，郑亚君，左倩倩，张智平

(西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065)

常压电离源技术(Ambient Ionization Source, AMS)可直接在大气压环境下对目标化合物实现快速解吸和电离，该过程只需较少步骤或不需要样品预处理便可对样品进行分析，如上优点促使其广泛应用于环境、生物、医疗等诸多领域。同时AMS能在开放环境中允许快速切换样品，所以AMS也是高通量分析的理想选择。根据电离机制，可大致分为喷雾型电离源(Spray-based Ionization)和等离子型电离源(Plasma-based Sources)。尽管有部分学者认为光致电离(Photo Ionization, PI)也应设为一类单独的电离技术，但在大部分光致电离技术中，能够直接被光致电离的样品种类很少，大部分样品都需要其它电离源的辅助促使其对样品的电离。为了简便，人们通常将光致电离归为大气压化学电离的一部分。尽管如此，这并不能说明光致电离在实际样品解吸电离过程中不重要，相反将其与一般电离源相结合，可有效提升样品的解吸和电离效率。

早在常压电离源的概念提出之前，研究人员已发展出大气压基质辅助激光解吸/电离 (Atmospheric pressure laser matrix-assisted desorption ionization，APMALDI)[3-4]和激光解吸-大气压化学电离(Laser desorbed-atmospheric pressure chemical ionization，LD-APCI)技术。但上述两种技术在操作过程中，需要首先将样品制备成基质，所以通常认为这两种技术不属于常压电离源范畴。随着Cooks等报道的解吸电喷雾电离(Desorption electrospray ionization, DESI)和Cody团队开发的实时直接分析电离源(Direct analysis in real time, DART)[10-11]的出现，基于电喷雾和等离子体的常压电离源分别被首次提出。随后，多种常压解吸/电离技术相继出现，其中包括低温等离子体电离源(Low temperature plasma, LTP)、介质阻挡放电电离源 (Dielectric barrier discharge ionization, DBDI)等，这些技术有相当数量是利用气体辅助解吸和电离样品台上的液态或固态样品，它们的缺陷是对于挥发性较弱的化合物解吸效率低，导致最终质谱分析灵敏度较低。众所周知，激光照射样品的目的主要是解吸比离子更为稳定的中性分子。根据这一特性将激光和电离源相结合，特别是常压电离源技术，可极大提高样品的解吸和电离效率。例如，与电喷雾电离相结合的电喷雾辅助激光解吸电离(Electrospray-assisted laser desorption ionization，ELDI)[17]、基质辅助激光解吸电喷雾电离(Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization，MALDESI)、激光诱导声解吸电喷雾电离(Laser-induced acoustic desorption with electrospray ionization，LIAD-ESI)[19]。此外，基于等离子体的相关技术也与激光相结合，例如，激光烧蚀流动大气压余辉电离源(Laser ablation with flowing atmospheric-pressure afterglow，LA-FAPA)[20]，激光辅助实时直接分析电离源(Laser-assisted direct analysis in real time，LA-DART)，激光解吸介质阻挡放电电离源(Laser desorption dielectric barrier discharge ionization，LD-DBDI)，这些电离源与EDLI源类似，先由激光解吸产生气化的中性物质，再通过等离子体对其离子化。

为了提高聚焦等离子体电离源(Focusing plasma desorption/ionization，FPDI)的分析性能，本文将其与激光解吸相结合开发出激光辅助聚焦等离子体电离源(Laser-assisted focusing plasma desorption/ionization，LA-FPDI)，并用于样品中目标化合物的质谱分析灵敏度提高，进而将其用于复杂样品基质中挥发性较差的农药残留化合物的快速质谱分析。从同时，系统考察了采样模式、电离源几何参数等对目标化合物分析灵敏度的影响。该研究为复杂样品中目标化合物的新型、高效分析技术的开发提供了参考。

1 实 验

1.1 试 剂

甲醇(高效液相色谱级)，北京百灵威科技有限公司；异丙醇(高效液相色谱级)，北京百灵威科技有限公司；异丙甲草胺(纯度≥98.5%)，上海将来实业股份有限公司；氨基碳纳米管(纯度≥95%)，北京德科岛金科技有限公司；可溶性淀粉，天津市天力化学试剂有限公司；氦气(纯度≥99.999%)，西安腾龙化工有限公司；定量滤纸(中速，直径为11 cm)，杭州特种纸业有限公司；银丝电极(纯度≥99.9999%，直径为0.3 mm)，昆山盛世新新材料有限公司；激光光源(蓝光450 nm)，义乌市森唯电子商务有限公司。

1.2 仪 器

本文实验数据均来源于TSQ Quantum Access Max质谱仪(赛默飞世尔科技有限公司)。在实验过程中，质谱进样口传输管温度为270 ℃，均使用正离子模式进行分析，使用Thermo Fisher Scientific Xcalibur 2.0软件处理数据。聚焦等离子体电离源的放电电压3500 V，氦气流量为300 mL·min-1，一次性移液器吸头前端内径为0.4 mm，直径为0.3 mm银作为电极材料，银丝电极距离聚合物移液器吸头尖端为6 mm，纸电极距离聚合物尖端8 mm。

2 结果与讨论

2.1 激光辅助聚焦等离子体电离源的建立

电离源结构如图1所示，主要由金属丝电极、不锈钢网格、移液器吸头组成，其中金属丝电极置于吸头中，并施加直流高压电，不锈钢网格接地并置于移液器吸头前端，三者同轴放置，在氦气的辅助下，产生的等离子体从吸头内延伸到网格上。该过程中，金属网格不仅作为对电极，同时也作为样品载体。此外，激光光源放置在移液器吸头上方，产生的激光直接照射网格上的样品。

图1 激光辅助聚焦等离子体电离源示意图(a)和实物图(b)

2.2 激光辅助解吸的作用

在已有等离子体型电离源中，部分电离源由于其对样品解吸能力较差，限制了其在低挥发性化合物分析方面的应用。解决该问题最常见的方法是加热样品，如DART、DCBI等电离源通过加热放电气体来提高电离源的解吸能力，但这种方式热损失较大，且对电离源本身材质要求很高，使得电离源结构变得复杂。另一种是直接对样品台进行加热，这种方式虽然加热效率有所提高，但加热的分辨率低。激光的主要优点是高效率对样品局部加热，在高通量分析时，采用激光加热只会针对正在分析的样品，而不会影响下一个样品分析，且激光光源一般是独立工作的，与电离源互不干扰。

本实验采用450 nm的蓝光作为解吸辅助激光，实验结果表明，当FPDI电离源不工作时，仅激光照射样品，质谱中没有出现任何信号，这说明本研究中所用激光不能直接使样品电离。当电离源正常工作时(激光关闭)，利用异丙甲草胺作为目标分析物，如图2a所示，全谱图没有出现明显的异丙甲草胺相关质谱峰；当激光和电离源同时工作时(图2b)，谱图中出现明显的m/z 284和m/z 252的质谱峰，可归属为异丙甲草胺的准分子离子峰和相应的碎片离子峰。以m/z 284的信号强度为标准，相比于未加激光的体系，激光辅助聚焦等离子体电离源的质谱分析灵敏度提高了18.8倍。

图2 激光辅助聚焦等离子体电离源对异丙甲草胺的分析

2.3 实验参数对激光辅助聚焦等离子体电离源的影响

2.3.1 采样模式的影响

图3 激光辅助聚焦等离子体电离源不同采样模式的示意图和对应模式分析异丙甲草胺所得质谱图

对于大多数等离子体电离源而言，有两种采样模式，一种是反射模式(如图3a所示)，例如LTP、DBDI、DESI等电离源一般采用的是这种模式，这类电离源与样品台呈一定的角度，接着解吸电离后的样品随气体流进入质谱仪进行分析。另一种方式是穿透模式(如图3b～图3c所示)，如DART、FAPA等电离源。该模式利用金属网格、玻璃棒作为样品载体，使产生的等离子体直接朝向质谱进样口，中途穿过负载样品的网格或玻璃棒。本文考察了激光辅助聚焦等离子体电离源的采样模式对分析结果的影响，以除草剂异丙甲草胺为目标分析化合物。图3a～图3c是不同模式激光辅助聚焦等离子体电离源的示意图，图3a’～图3c’是相应采样模式下对异丙甲草胺分析的质谱图。当采用模式A对异丙甲草胺进行分析时，由所得质谱图可看出(图3a’)，仅观察到m/z 217、279和304等背景峰，没有出现异丙甲草胺相关的质谱峰。在模式B中，利用滤纸作为样品载体，质谱图中m/z 200～300范围内出现很多背景干扰峰，同样也没有出现异丙甲草胺相关的质谱峰。当利用模式C对异丙甲草胺分析时，质谱图中出现明显两个质谱峰(m/z 284和m/z 252)，其中m/z 284是异丙甲草胺的准分子离子峰，m/z 252是其碎片离子，其原因是当使用网格时，激光的能量可有效传递到网格的其它部位，当样品加载到网格上时，样品可快速挥发，同时在电离源作用下，促使目标化合物有效电离，随后进入质谱仪进行分析。

2.3.2 激光光源和金属网格距离的影响

在激光辅助聚焦等离子体电离源的发展过程，我们发现激光光源的位置对分析性能产生了极大影响。为了探究激光光源与网格间距对分析性能的影响，本研究系统考察了不同间距下异丙甲草胺的分析性能，具体如图4所示。当激光光源和网格间距为2 cm时，绿色柱状图代表异丙甲草胺分析所得的准分子离子峰(m/z 284)信号强度最高；随着两者间距的增大，异丙甲草胺的信号逐渐降低。如上现象可归属为随着激光光源与网格间距的逐步增大，金属网格表面的温度逐步降低所引起的结果。图4蓝色曲线代表在不同的激光光源和金属网格间距时，金属网格表面的温度。可以看出，随着两者间距的增大，网格表面温度降低，导致对异丙甲草胺的解吸效率降低，最终质谱分析灵敏度下降。另一方面，由于激光光源体积的限制，激光光源与网格的最小间距为2 cm，该条件下分析灵敏度最高。

图4 激光光源与金属网格之间的距离对分析结果的影响

2.4 激光辅助解吸聚焦等离子体电离源在复杂样品中的应用

食品中的农药残留是公众关注的话题，其中果蔬汁、牛奶等复杂基质中农残的快速检测是研究热点，常规的分析方法需要耗时的样品预处理过程，然后采用色谱-质谱等方法进行分析，现有许多常压电离源技术已经应用到复杂样品中的农残检测。本研究利用开发的LA-FPDI技术，直接对复杂样品中的除草剂进行检测，该过程无需复杂的前处理，即先将配制好含有浓度为5 μg·mL-1除草剂的牛奶或果汁样品移取2 μL滴加在金属网格表面，然后进行质谱分析，所得结果如图5所示。当对牛奶中除草剂的分析时，可观察到明显的除草剂质谱峰，其中m/z 239是双苯酰草胺的准分子离子峰、m/z 270是甲草胺的准分子离子峰、m/z 284是异丙甲草胺的准分子离子峰、m/z 312是丙草胺的准分子离子峰，而m/z 252是异丙甲草胺和丙草胺的特征碎片离子峰；对于复杂的果汁样品，也出现同样的分析结果(图5b所示)。如上结果表明，激光辅助聚焦等离子体技术能够有效的对复杂样品中农药化合物进行分析。

图5 激光辅助聚焦等离子体电离源对复杂样品中除草剂的分析质谱图

3 结 论

本文基于激光辅助解吸样品的方式，发展了激光辅助聚焦等离子体电离源，该源使用激光直接照射金属网格的样品载体，提高了农药化合物的解吸效率和质谱分析灵敏度。此外，发展的电离方式可有效避免复杂样品中基体对分析目标化合物的干扰，同时具备操作简单、无需样品预处理等优点，适用于复杂食品样品中农药化合物的高效分析。