大气压化学电离技术及其应用

汪晨韬,江 游,金尚忠,张 谛,戴新华,方 向

(1.中国计量大学 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018;2.中国计量科学研究院 前沿计量科学中心 国家市场监管技术创新中心(质谱),北京 100029)

质谱技术在多种分析检测方法中,凭借其特有的检测灵敏度、检测速度等优势,在近些年内不断发展,现已经在医疗化学、生物材料等多个研究领域得到了广泛的应用。质谱技术通过离子源对待测样品进行离子化,然后在质量分析器中将不同质荷比的离子区分开,通过检测器检测,然后分析计算,从而得到待测样品的各种信息。离子源承担将待测物离子化的重要步骤,在质谱技术中占据重要位置。

随着质谱技术的不断发展,大气压电离技术应运而生,这一技术具有与其它系统联用方便,适用范围广等优点,现在已经被广泛的应用到各个领域。常用气相色谱和液相色谱与大气压电离技术进行联用,其中与液相色谱的联用更是当前研究的热门。液相色谱是一类分离与分析技术,其特点是以液体作为流动相,通过简单地将质谱仪与液相色谱耦合,可以很容易地扩展传统高效液相色谱法的检测能力。经过不断的改进,液质联用系统功能强大且易于使用,并且具有很高的特异性。质谱检测液体样品最常用的方法是大气压电离,作为一种重要工具,大气压电离质谱得到了广泛的认可。对于大气压电离,液体样品被去溶剂、电离、质荷比检测和分析。大气压化学电离[1-2]是一种典型的大气压电离方法,在大气压化学电离中多种电离机制同时运行,具有高的电离效率,在电离极性化合物时,不太容易受到基质影响,因此可以考虑扩展其应用的范围。

本文主要对大气压化学电离的基本原理[3]、离子源结构以及该技术的研究进展作了主要介绍,同时对主要的几种大气压直接电离技术作简要介绍及对比,并对大气压化学电离技术的主要应用进行归纳整理,进而展望了其发展趋势。

1 大气压化学电离技术

大气压化学电离技术在1974年由Horning团队[1]提出,同时还提出了将其应用于液质联用技术,但是在1985年Fenn团队的研究成果[2]发布之后,该技术才开始被快速的研究并逐渐的商业化。之后随着色谱技术的进一步发展,液相色谱的分离度、分离速度和灵敏度被逐渐提高,色谱技术在检测技术中重要性进一步加强,自此液质联用技术也得到了进一步发展。大气压化学电离作为液质联用接口的主要技术之一,被广泛的应用并不断发展,同时其它的大气压电离技术也被不断创新,目前被主要使用的大气压直接电离技术有电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)、大气压光电离(APPI)等。

1.1 大气压化学电离(APCI)原理

APCI是一种气相化学电离过程。因此,分析物样品需要处于气相中才能进行离子化。APCI原理示意图如图1。液体样品通过一根探针被传输入离子源内,APCI通过加热以及雾化气体将待测液体样品汽化,这种样品汽化方式使得形成的气体溶剂保持了样品的分子特性。APCI通过一根位于大气压接口倒锥前的电晕针高压放电,放电主要将离子源内的气体电离,产生的气体离子与溶剂分子反应产生溶剂离子,然后溶剂离子与样品分子碰撞从而电离样品分子。

图1 APCI源原理图

气体帮助液体样品汽化并将其带入加热器,溶液快速蒸发和去溶剂化,一定程度上减少了样品的热分解,形成的气体样品在探针的尖端后部被电晕针放电电离,基质溶液的电离发生在大气压下,因此分子自由程相对较短,具有较高的碰撞频率,电离的效率较高,并且有助于溶液的汽化。除此之外,电晕放电也可以直接电离样品,通过与其它自由基离子发生电荷交换或其它亚稳态物质反应完成。

1.2 大气压化学电离适用条件

APCI中样品的电离是在气相进行的,在大气压环境下,先由环境气体电离,生成初级离子,再由初级离子与样品溶液的溶液基质反应,生成次级离子,次级离子再将样品分子电离。目前常用氮气作为APCI中的缓冲气体以及水分子的存在,最初的一系列反应通常为[3]:

(1)

(2)

(3)

H2O++H2O→H3O++OH·,

(4)

H3O++H2O+N2→H+(H2O)2+N2,

(5)

H+(H2O)2+H2O+N2→H+(H2O)3+N2。

(6)

环境气体以及溶剂的质量通常对于APCI电离的电离能力具有较大程度的影响,产生的试剂离子数量很大程度上决定了能够被电离的样品物质的数量,因此APCI应该是对液体样品的进样速度及浓度有一定的依赖性,而且这种电离模式可以接受一个相对较大的流速。

在Kolakowski等对APCI正离子模式下的研究中[4-5],显示了APCI源产生的粒子数量和类型是离子源内气体和溶液之间的复杂变量,他们使用的Quattro APCI源使用不同的气体进行实验,观察到具有最高质子亲和性的物种能够产生最稳定的离子,这与Dono等[6]研究湿空气的APCI光谱时得到的结果类似。同时在使用过程中应该避免使用可能会对电晕针或其他结构造成损伤的气体,例如氢气、一氧化碳等。

而对于溶剂来说,样品离子的产生是由样品分子在气相通过酸碱反应完成的,根据溶剂离子和样品分子的相对质子亲和力,溶剂离子可以通过质子转移、提取或加合反应等,使样品分子电离,生成分子类的离子。对于正离子模式,溶剂需要能够提供质子,并且样品分析物必须具有比溶剂气体更高的质子亲和力;在负离子模式时,溶剂气体需要能够提取质子或提供电子。通常指定质子化产生[M+H]+离子,去质子化产生[M-H]-离子。

APCI主要用于极性较弱的化合物,相对分子质量应在1 500 u内。虽然APCI在被测物电荷位置彼此分离的情况下也能够获得双电荷离子,但通常只产生单电荷离子。由于分析物需要处于气相才能发生电离,所以挥发性溶剂较为适合APCI,且APCI源需要对液体样品先汽化,采用加热器加温,所以需要被测样品具有一定的热稳定性。

1.3 大气压化学电离源结构

质谱能产生的谱图高度依赖于离子源的结构。离子源的结构如探针的温度,探针与锥孔之间的相对位置以及电晕针的放电位置都会对电离效率及离子传输率造成一定程度的影响,因此不同的离子源结构是离子源的性能不同的关键因素。

Horning团队使用的APCI源将使用的气体流和液体流都进行加热,该液体流通过位于锥孔旁边的电晕放电电离[3]。Kebarle实验室使用的Sciex taga6000 APCI源对通过电晕放电的气流进行采样,电晕放电到采样孔的距离可以改变[7]。离子源内将纯氮作为反吹气,气体流动方向与离子向质量分析仪运动方向相反。Kolakowski等使用的Quattro源使用三个同心加热的气体流,与加热的液体流和离子的运动一致[4]。该离子源是部分密封的,并不直接向大气开放,离子源内部气压稍大于大气压,多余的气体会被排气系统排出,因此源的气体环境基本取决于所使用的溶剂和通过三种气体流进入源的气体。Krieger等[8]提出了一种直接入口探针的APCI源,通过温度控制样品汽化,在通入气体的帮助下,可以直接对极少量的液体样品或在不进行样品制备的情况下对白芷和当归中的香豆素进行鉴定,也体现了APCI源可用于复杂样品的快速鉴定。Thermo的大气压电离离子源Ion Max NG和EASY-Max NG提供了一种可供方便更改电离模式的离子源结构,通过更改离子源上的探针,以及可拆卸的APCI电晕针和APPI光源,可以较简便在ESI、APCI及APPI模式之间进行切换。Brecht等[9]在近些年设计了一种快速切换双离子源,在大气压下,通过将ESI和APCI探针耦合在一个离子源内,通过六通阀控制液体样品进入的探针,同时控制电压和气体流量,周期性的控制ESI和APCI的运行条件来达到快速切换电离模式的目的。

2 相关离子源及区别

大气压离子化技术主要包括直接电离、解吸电离和辅助解吸电离三种模式。本文仅讨论直接电离技术,其中三种典型的大气压直接电离方法是ESI、APCI和APPI。由于不同电离方法的电离原理及过程存在区别,因此不同的分析物由于极性、热稳定性等条件适用于不同的电离检测方法。

2.1 电喷雾电离(ESI)

采用ESI为机理的大气压电离技术,离子主要由电化学过程和液滴中电荷聚集共同作用产生[10]。ESI的主要过程为探针内的液体在常压下被施加一个强电场,在液体的流速较慢的情况下,强电场使得电荷聚集在探针尖端的液体表面,液体分散成液滴后将携带较高电荷量,同时在辅助气体的帮助下,液滴经过一段被加热的细管从而被蒸发,液滴逐渐收缩,单位体积的液滴所含的电荷进一步增加。在强电场的作用下,聚集较多电荷的液滴发生形变,当液体的表面张力不能支持在电荷斥力下维持液滴形状时,液滴就就会被分解,形成更小的液滴,该过程不断重复,直至样品离子最终被解析或被喷射到气相中[11-17]。ESI的简要原理如图2所示。

图2 ESI源原理图

2.2 大气压光致电离(APPI)

APPI源的原理如图3,与APCI源的整体结构类似,溶液中的样品由加热器雾化,在辅助气体的帮助下进入离子源腔内,蒸发后的样品分子在光电离源(通常为紫外灯)的作用下,与光子发生一系列气相反应,从而电离,APPI与APCI主要的区别是电离模式从电晕针提供电子换成了光电离源提供光子。通常使用的光电离源能提供的光子能量高于样品的电离势,但低于大气气体和所用溶剂的电离势,这样就能够有针对性的对样品分子进行电离,能很大程度上降低背景噪声。通过使用掺杂剂,作为电离样品的中间体,还可以很大程度上改变电离效率[18-20]。APPI可以同时电离极性和非极性物质,可以在检测时分析更多的化合物,并且检测过程中基质效应和相对离子抑制作用的影响较小,因此样品的前处理步骤要求较小[21-22]。

图3 APPI源原理图

2.3 对比ESI、APCI和APPI

ESI不适宜使用强非极性样品,因为此类样品电荷感应效率低将会导致信号较弱,APCI和APPI处理这类样品会取得更好的效果。APPI的一个主要特点是它能够电离某些APCI和ESI无法电离的化合物,它是大气压电离技术的一个重要补充[23]。ESI在流速较低条件下工作较好,且对于溶液的浓度具有一定的敏感性[24]。在离子源中有大量的离子分子反应,对于未经过足够前处理的复杂样品,因为在大气压环境下电离源中的电离过程并不是特异的,所以可能会受到基质效应的影响例如离子抑制等,这种现象在电喷雾电离方法中尤其值得注意[25-27]。ESI方法产生的离子包含单电荷和多电荷,这与APCI基本上只产生单电荷离子有所差别。

Leito等[28],Oss等[29],Kruve等[30]分别建立了ESI在正离子和负离子模式下的电离效率表,随之还有各种加合物的研究。Riin Rebane等[31]提出了APCI在正离子模式下的电离效率标度,有助于更好的理解APCI的机制,对于更好的选择电离方式来应用具有积极的作用。通过比较在ESI和APCI中不同化合物的电离效率,结果表明APCI与ESI的电离机制相似度大于差异,且APCI电离过程可能存在多种电离机制同时运行[32],ESI的电离效率在数值上会稍好一些,因此ESI在检测限方面可能占有一定的优势,虽然APCI模式对极性化合物的响应比ESI模式低,但APCI模式在动态线性范围、多矩阵定量精度、减少基质效应等方面有望优于ESI模式。此外,APCI可用于检测不适合于ESI的化合物。

3 大气压化学电离源的应用

APCI主要应用于中极性到非极性化合物的电离,根据其电离模式,一般只产生单电荷离子,所以适用相对分子质量较低的化合物。在李中权等人关于质谱直接定量分析技术的应用进展[33]的文献中记录了数十种质谱分析技术的应用,其中就有提到APCI适用于香烟挥发性有害成分[34]和食用油中脂肪酸甘油酯[35]的检测。近些年随着液相色谱的进一步发展,APCI在应用方面的研究也逐渐增多,同时随着实时分析需求的增加、样品复杂变量影响等原因,APCI机制在快速检测中的重要性再次提高,新型的基于APCI原理的离子源被不断开发出来,以满足研究和市场的需要。

3.1 气体成分及含量检测

气体中的成分对于生态环境安全、工业气体污染[36-37]以及高纯气体检测[38]等方面都具有重要影响。例如二氧化碳或其它痕量气体[39]的含量变化对全球气候的影响是巨大的,温室效应主要就是由二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等气体的积累引起的,气候的改变将很直接的影响人类及其它动植物的生存环境。

实验研究中很多仪器需要在特定环境下才能正常工作,某些精密仪器需工作在干燥环境下,那么环境气体中的湿度检测[40]对仪器的正常工作就显得尤为重要。湿度是指气体中的水汽含量,大气压电离质谱法在测量气体中的微量水分可以达到很高的灵敏度,且可靠性高。

高纯气体在半导体器件生产中既作为保护气又充当原材料,重要性不言而喻,随着半导体工业的发展,对气体纯度的要求也越来越高。大气压电离质谱法能在大气压条件下电离杂质,电离效率高,且具有极高的灵敏度,可以对高纯气体杂质进行有效监测。对于不同气体,不同的杂质成分检出限也不同[41],表1列出了大气压电离质谱对部分常用气体进行检测时多种杂质的检出限。

表1 检测气体杂质的检出限[41]

3.2 环境和食品检测

环境决定性地影响动植物的生存,食物是人类生产生活中的重要组成部分,有些食品添加成分超过一定含量就会对食用者造成严重伤害,故对环境和食品中的有害性元素进行检测是必不可少的。对某些环境或是人工制造的产物进行分析检测,不仅对于安全防范具有重要作用,同时还影响到地区的经济、文化发展,质谱技术的准确定性定量能力对于检测这一类物质具有很大优势。

以多溴联苯醚(Polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)[42]为例,它有四溴、五溴、八溴联苯醚等200余种同系物,作为一种阻燃剂常被添加到复合材料中。PBDEs具有一定的挥发性,可以扩散到空气中,随着气流运动进行较大距离的传递。进入大气中的PBDEs能通过大气沉降向水体和土壤转移,同时PBDEs亲脂性强,化学性质稳定,不易被降解,能够在生物链中被不断富集。虽然PBDEs的急性毒性很低,但其慢性毒性却很多,且主要能对神经系统造成损伤,干扰内分泌功能,并且有可能致癌,因此基于质谱法对PBDEs的精确检测分析是非常有必要的。由于PBDEs极性比较低,一般情况下不适合用ESI电离,而采用APCI电离模式式可以有效地检测PBDEs。温泉等[43]建立了基于APCI的方法分析鱼油中的多种PBDEs残留,检测的线性度好,相对标准偏差低,表现了APCI用于检测该类物质结果准确,且方法简单,重现性好。

食品的包装影响到食品的储存、传递等各个方面,对于罐装食品,罐装的涂料有可能将复杂的化合物释放到储存的食品中,对于这些潜在的化合物,通过APCI与气相、液相色谱联用的方式,可以很有效的进行检测。Lestido Cardama等[44]应用APCI对罐头食物聚合物涂层中潜在的挥发性和半挥发性迁移化合物进行了检测,并能够较好的检测出化合物中的双酚类物质。图4为在液相色谱与APCI质谱联用条件下,部分化合物在0.1 mg/L条件下的混合溶液得到的质谱图。

图4 0.1 mg/L混合溶液的LC-MS/MS色谱图[44]

亚硝胺用于肉制品的保存具有悠久的历史,目前也仍作为一种防腐剂被使用,但其在肉制品中会发生化学反应从而产生些许毒性物质,其含量与食用者患上癌症类疾病的联系存在一定的关联,因此对该类物质的检测是相当重要的。Herrmann等[45]建立了一种高灵敏、有选择性且通用的大气压化学电离方法,对肉制品中的挥发性亚硝胺和非挥发性亚硝胺含量进行检测。应用APCI检测方法,朱铭立等[46]对烘焙咖啡中丙烯酰胺进行分析,张耀利等[47]建立了食用油中甘油三酯的直接分析检测方法等等。除此之外国内外学者还应用APCI方法对日常生活中的多种食品进行了检测。

3.3 公共安全检测

地铁机场等人员密集,人流量大的场所对于安全性的要求很高,为防止恐怖事件的发生,因此爆炸物等危险物品的痕量检测至关重要。用于检测的仪器需要满足无需样品前处理即可完成复杂基质中目标化合物的定性或定量分析;爆炸物爆炸还可能造成地下水和地表水污染,其衍生物的毒性也会存在一定程度的公共健康风险,因此对检测方法的灵敏度与选择性有较高要求。Chen等[48]利用DAPCI技术检测了布料表面的痕量RDX及TNT爆炸物,并用二级质谱验证检测结果,爆炸物在二级质谱检测中的最低检测限可达pg级。Badjagbo等[49]开发并验证了一种检测方法,通过串联质谱,应用激光二极管热脱附技术与APCI技术,不需要复杂的预处理或是色谱分离步骤,能够直接对水中的痕量爆炸性化合物和残留物进行分析。方法以氯化铵(NH4Cl)作为添加剂,整体检测灵敏度高,选择性好,且分析方法简单快速,图5为该方法检测添加了多种爆炸性化合物的圣劳伦斯河水样本的质谱图。其中TNT为2,4,6-三硝基甲苯,DNT为二硝基甲苯,PETN为季戊四醇四硝酸酯,NG为硝化甘油,RDX为环三亚甲基三硝胺,HMX为环四亚甲基四硝胺。

图5 添加TNT、DNT、RDX、HMX、NG、PETN(10 μg/L、20 μg/L)和NH4Cl(0.5 mm)的圣劳伦斯河水样的典型质谱图[49]

安捷伦公司研究了常见有机炸药在APCI离子源下的飞行时间质谱定量检验方法,除硝基苯等少数样品外,22种有机炸药均有理想的分辨率和重现性。

表2 8种物质的日内、日间变异系数(cv)和方法回收率[51]

3.4 药品成分检测与临床医学研究

药品的质量以及药物的创新研发关系到人类与生态环境的健康发展。质谱技术的快速分析能力,可以提高药品质量控制及研发的效率。药物在体内经过复杂的生物转化过程,它包括药物在体内的吸收、分解、代谢转化等。不同的离子化技术对不同性质样品的灵敏度具有差异,对弱极性的药品,APCI技术具有较高的离子化效率,对大多数药品,APCI均显示出较高的灵敏度[52]。王也牧等[53]使用串联质谱描述了APCI可应用于生物样品手性药物立体选择性定量测定。姚枝玉等[54]在文章LC-MS法分析研究依达拉奉中有关物质中描述了将APCI用于依达拉奉中有关物质的分析,为其药品质量控制提供了重要手段。徐友宣等[55]应用大气压化学电离源和液质联用技术(LC-APCI-MS)对小分子药物在人体内的代谢进行了研究,其结果表明了该技术可以准确的测定小分子药物在人体内的代谢产物,且对样品的前处理过程要求不高,提供了一种不作前处理的代谢产物检测思路。

邓晶晶等[56]综述了液质联用技术在研究药物代谢中的应用,主要包含中药、抗菌药物等多种药物及其代谢物的分析检测。王璐璐[57]综述了液相色谱-质谱联用技术在药物分析中的应用中,着重列举了其在定性定量两大方面的应用,并对几种联用技术做了简单的比较。He[58]等验证了液相色谱-串联质谱的方法,能够提高测定时的选择性和灵敏度,并将其应用于同时测定血浆和脑脊液中的R-巴氯芬和S-巴氯芬及其代谢物。在APCI的条件下,达到良好的选择性、准确性、可靠性等优势,并将该方法成功应用于临床人体血浆和脑脊液药代动力学研究。图6为(a)巴氯芬、(b)巴氯芬-d4和(c)CHBA代谢物在正、负大气压化学电离(APCI)模式下的质谱图,在正模式下,巴氯芬和氯芬-d4的前驱体离子峰分别位于质荷比214.10和218.10处,CHBA代谢物在负离子模式中显示质荷比213.15为前体离子峰。

图6 巴氯芬、巴氯芬-d4和CHBA代谢物在正、负离子模式下的质谱图[58]

液质联用技术在药学研究方面的应用越来越广泛,凭借APCI技术在药物检测方面的优势,将对药物研究以及临床医学的发展起很大的推动作用。

3.5 动植物组织成分研究

所有动植物都是基于细胞组织成长发展的,任何组织成分内的细微变化都有可能对个体产生巨大影响,表型类似的物质在组织结构内也可能具有很大差异。对动植物组学的研究对于了解动植物组织结构,深入挖掘生物功能信息以及研究组织代谢、变异等过程及原理具有重要作用。

Katherine等[59]研究了橄榄树中,包括叶、茎、种子等八种样品,使用高分辨质谱通过对比ESI和APCI在液质联用和气质联用模式下鉴定了约150种化合物,揭示了APCI技术在研究物质代谢物方面也具有独特的优势。其中在LC-APCI-MS负离子模式下非常适合电离五环三萜酸,在正离子模式下对甾醇和生育酚电离效果较好。GC-APCI-MS对于测定单酚类和脂肪酸相关分析物具有较好效果。通过高效的液质、气质联用技术以及ESI和APCI进的应用,对橄榄树及其次生代谢产物的全面检测分析,并提供了其植物化学分布的可靠信息。图7显示了使用ESI和APCI源在不同模式(正离子或负离子)下和色谱(GC和LC)组合检测,对不同化合物类的归一化区域图。图8为LC-APCI-MS平台下,对橄榄油中所确定的化合物进行的分析。

图7 从橄榄油中发现的化合物的面积汇总[59]

图8 橄榄油中化合物的质谱图[59]

程红艳[60]采用高效液相色谱-大气压化学电离多级质谱联用技术,对浒苔种的叶绿素及其衍生物进行了快速鉴别分析,并对其中的质谱裂解规律进行了研究,为浒苔种的叶绿素及其衍生物的降解规律提供了科学依据。陈万东等[61]利用高效液相色谱,在APCI正离子模式下对鼠类粪便中类固醇的定性及定量测量,实验结果表面在进行合适的前处理情况下,配合其它生物化学方法,可以做到对检测目标高度专一及高灵敏度的分析。

3.6 其它应用

大气压化学电离技术的应用不局限于上述的几个方面,在痕量元素、微量营养素检测、体内激素检测、遗传病检测、蛋白质组学及其代谢等方面的检测都有广泛的应用[62-65]。在化工工业方面,如利用APCI与GC串联对二恶英进行定性和定量的能力也被充分的证明[66],除此之外,石油化工如机油检测等方面也已经广泛的使用APCI技术[67]。此外还有卫生预防、动植物保护、资源开发利用等等领域都得到了广泛的发展,它已经渗透进了人类生活和研究的各个方面,各行各业都有它发挥所长的位置。

4 总 结

离子化技术的进步、样品制备方法的优化,以及质量分析器分辨率和灵敏度的提高,都将使质谱分析技术成为备受期待的检测方式。当前大气压化学电离技术已经被广泛应用在社会生活、科学研究等多个方面。大气压化学电离技术对复杂样品的分析有很高的灵敏度和选择性,可对感兴趣的化合物进行特异性分析。根据其电离机制,可以保存伪分子离子信息,在识别未知化合物方面具有重要意义。虽然大气压化学电离技术在检测物质选择方面有所限制,但结合当前已有的各类转化、分离及定性定量等技术,在提高特定化合物的检测灵敏度、速度等方面都具有重要研究价值。针对不同的分析物,或者复杂的样品物质,将会有不同的样品前处理过程以及不同的分析技术相结合,来达到最优的质谱分析条件。通过与电喷雾电离等技术的互补,大气压电离技术的分析能力将更加全面,将在分析检测中占据越来越重要的作用。除此之外,样品的快速分析需求也越来越多,直接定量定性分析技术,及不需要或极简前处理的情况下直接对样品进行检测分析的分析技术也成为质谱技术发展的一种趋势,APCI技术也因此被不断创新应用。随着研究需要的增加,新型的离子源开发也是当前的研究热门,基于APCI这一电离原理的新技术也必将不断出现。