便携式电弧打火机质谱离子源及其在快速鉴定分析中的应用

朱苏珍 郭寅龙

1（浙江大学衢州研究院，衢州 324000）

2（中国科学院上海有机化学研究所，上海 200032）

敞开式离子化技术是一类可实现样品在无需或仅需很少前处理条件下的原位、实时、在线分析的离子化技术。近20 年来，各种敞开式离子化技术层出不穷，极大地丰富了质谱离子源的类型，并突破了传统质谱离子化技术的局限[1-3]。质谱分析不再受限于样品的状态，免除了对样品进行溶解、气化和共结晶等繁冗费力的前处理过程，可最大程度地反映样品的原始状态[4-5]。其中，以实时直接分析电离源（Direct analysis in real time，DART）、介质阻挡放电离子源（Dielectric barrier discharge ionization，DBDI）和低温等离子体探针（Low temperature plasma probe，LTP）等为代表的基于等离子体原理的离子源[2,6-7]是一类重要的敞开式质谱离子源，具有装置改装搭建便捷、基质效应小和离子化效果优良等优点，已在药物分析、材料表征、环境监测和刑侦检测等诸多领域展现出广阔的应用前景[8-10]。目前，在敞开式离子源研发中应用较多的为冷等离子体，气体温度约为室温，一般不超过700 开尔文。低温等离子体离子化过程能获得化合物完整分子形成的离子（自由基阳离子和质子化分子离子等），得到的碎片较少，可实现目标分析物的“软”电离。但是，该类离子源存在解吸能力弱、定性分析准确度低以及只能进行表面分析等缺陷[11]；并且，该类离子源通常使用惰性气体作为放电气体，在参数特定的电压条件下才能实现放电过程，气体储存罐及电源模块等辅助装置使得离子源难以便携，难以用于现场实时分析[12]。

电弧放电是一种常见的热等离子体产生方式，其本质是强电流促使绝缘气体发生击穿而产生的一种自持型强烈放电现象。相比于电晕放电、辉光放电等其它放电形式，电弧等离子体的一个重要特点是当电流增大时，极间电压下降，弧柱的电位梯度低，但电流密度大。因此，电极会因大电流产生的焦耳热而升温达到很高的温度（弧柱中心一般为几千摄氏度，有时可达上万摄氏度）[13]。电弧等离子体由大量自由电子、离子、激发态原子和分子等活性物种组成，具有高温、高能的特点和特殊的化学反应性。1975 年，Gary[14]首次应用毛细管电弧作为质谱离子源，可对水溶液中的Hg、Pb、Co 等金属离子的多元素同时分析，其中，对Pb 的检出限低至50 ng/L。2020 年，本研究组开发了基于电弧等离子体的新型离子源APD（Arc plasma-based dissociation），实现了大气压环境下小分子化合物和高分子聚合物的指纹分析[15-16]。该方法突破了传统冷等离子体的局限，可同时产生化合物的分子离子和反映化合物结构信息的多种碎片离子，获得了常压环境下的“硬”电离分析结果，提高了定性分析的准确性。2021 年，潘远江研究组报道了一种电弧离子源AEAI（Ambient electric arc ionization），这种AEAI 对多种不同极性的化合物都展现出优异的分析能力，并且具有良好的耐盐性和抗基质效应[17-18]。随后，该研究组将电弧作用于进样注射器尖端，产生电晕放电，快速检测了草莓样品中6 种有机膦杀虫剂[19]。此外，该研究组还发现，在电弧等离子体特殊的化学环境中，可产生NO3–，对大多数爆炸物进行离子化，从而发展了一种痕量爆炸物的快速定量分析方法[20]。这些研究结果表明，电弧等离子体离子源具有构造简单、解吸及离子化能力强、可分析的化合物性质多样、耐盐性好等特点。

为了适应现场分析的需求，开发便携式的电弧等离子体离子源具有重要意义。潘远江研究组[17]将AEAI 离子源进行便携式设计，使其便于后续改造。聂宗秀研究组[21]通过对电弧打火机改造，开发了一款“MasSpec Pointer”的无线电弧离子源，其大小与质量仅与一支激光笔相当，该离子源能产生丰富的活性氧物种，可应用于脂肪酸双键异构体的区分。该研究在离子源中引入空气泵以便于进样，同时将等离子体温度降低至40 ℃，实现了苹果和手指表面化学成分的快速检测。

本研究采用低成本的便携式电弧打火机作为敞开式离子源，在操作者手持状态下即可实现气体、液体和固体状态样品的快速解吸与离子化，对不同极性的化合物均具有较好的离子化能力，获得了理想的质谱图。在市售固体药物片剂的直接分析以及人体呼气实验等实际应用场景中，此离子源实现了快速、准确定性鉴别，展示出了优良的性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Thermo TSQ Quantum Access 三重四极杆质谱仪（美国Thermo Fisher 公司）。

咖啡因、抑霉唑、蒽、1,2-二苯乙烯、戊胺、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、2-氟萘、2-氟苯酚、2-甲基环己酮、丙酮、芘和甲苯（上海泰坦试剂公司）；糖精钠、安赛蜜、L-亮氨酸、L-苏氨酸、L-脯氨酸和L-谷氨酰胺（上海麦克林试剂有限公司）；二氯甲烷和甲醇（色谱级，默克公司）。复方对乙酰氨基酚片、复方氨酚伪麻美芬片、阿奇霉素分散片和氯雷他定片购于本地药店。实验用水为IQ-7000 纯水仪（美国默克公司）制备的超纯水（18.2 MΩ·cm）。

1.2 电弧打火机离子源

实验中所使用的便携式电弧打火机购买于当地商店，该电弧打火机工作原理为使用振荡电路和升压线圈将锂电池提供的3.5 V 直流电压转换为约5 kV 脉冲高压。打火机放电状态实物图及打火机内部电路图如图1 所示。

图1 （A）电弧打火机放电状态实物图；（B）电弧打火机电路图Fig.1 (A) Picture of arc lighter in its discharge mode;(B) Circuit diagram of arc lighter

1.3 实验参数与采样方法

质谱仪参数设置如下：离子传输毛细管温度275 ℃，扫描宽度1.0 u，扫描时间0.5 s，Q1 宽度0.4 u。该仪器自带的ESI 离子源在实验之前被移除，使用便携式电弧打火机作为离子源。

对于挥发性样品，直接将试剂瓶敞口放置于距离质谱进样口约50 cm 处，电弧打火机在操作者的手动控制下在距离质谱进样口5 mm 处瞬时放电。将蒽和1,2-二苯乙烯以色谱级二氯甲烷溶解配制成浓度为10 mg/L 的标准溶液；咖啡因、抑霉唑和氨基酸均以甲醇/水混合溶剂（1∶1，V/V）溶解配制成浓度为5 mg/L 的标准溶液。液体样品通过玻璃棒蘸取上样，固体样品（安赛蜜、糖精钠和市售药片）不经任何前处理直接以镊子夹持法进行上样（图2）。质谱仪处于一级质谱图全扫模式。当按压电弧打火机开关后，将样品靠近电弧弧柱中心位置进行检测。

图2 以电弧打火机为离子源分析（A）挥发性样品、（B）液体样品和（C）固体样品的装置示意图Fig.2 Diagrams of different samples analyzed by arc lighter ion source:(A)Volatile sample;(B)Liquid sample;(C) Solid sample

2 结果与讨论

2.1 电弧打火机离子源分析不同状态化合物标准品

2.1.1 挥发性样品分析

对于戊胺、DMF、2-氟萘、2-氟苯酚、2-甲基环己酮、丙酮、芘和甲苯这8 种挥发性试剂，通过直接挥发法进样。在电弧打火机放电数秒后，即可在所得质谱图中观察到相应化合物的信号峰（图3）。

由图3 可见，所分析的化合物在瞬时电弧等离子体作用下未发生明显的裂解现象，都能以完整分子的形式被检测。其中，第一电离能相对较大的化合物，如戊胺（9.30 eV）、DMF（9.14 eV）、2-甲基环己酮（9.05 eV）和丙酮（9.70 eV）主要以[M+H]+的形式被检测；而电离能较小的2-氟萘（8.23 eV）和芘（7.43 eV）容易失去电子，主要以分子离子的形式（M+·）被检测。甲苯（8.83 eV）在相同的条件下主要以[M–H]+的形式被检测[22]，因其电离能较小，同样可能优先失去电子产生自由基阳离子M+·，随后发生重排并失去氢原子，得到m/z91 的䓬鎓离子信号。2-氟苯酚（8.68 eV）在负离子模式下主要得到M–的信号。上述所得质谱图背景干扰峰很少，谱图简洁易解析。本研究以丙酮为标准化合物，比较了3 种不同品牌电弧打火机作为离子源的检测效果，所得谱图没有显著性差异，仅在信号强度上有区别。

2.1.2 液体样品分析

选取不同极性的化合物咖啡因、抑霉唑、蒽和1,2-二苯乙烯的标准溶液（浓度均为10 mg/L）为分析对象，以玻璃样品棒蘸取少量液体于样品棒尖端，靠近电弧打火机所产生的弧柱中心位置，即可在几秒内得到包含液体样品信息的质谱图（图4）。咖啡因得到质子化分子[M+H]+（m/z195）的信号峰。抑霉唑、蒽和1,2-二苯乙烯则主要以其分子的自由基阳离子M+·形式被检测，分别得到m/z297、178 和180的信号峰。其中，可以查得蒽（7.44 eV）和1,2-二苯乙烯（7.66 eV）同样具有较小的电离能，质谱结果与2.1.1 节一致。电弧打火机离子源对这些化合物的响应强度均超过106，说明此离子源对极性不同的液体样品都具有良好的分析能力，可作为一种快速定性分析技术。

图4 以电弧打火机为离子源分析液体样品的质谱图：（A）咖啡因；（B）抑霉唑；（C）蒽；（D）1,2-二苯乙烯Fig.4 Mass spectra of liquid samples analyzed by electric arc lighter ion source: (A) Caffeine;(B) Imazalil;(C) Anthracene;(D) Stilbene

同时，不同于DBDI[6]，此离子源对极性较大的化合物（如氨基酸）也可实现良好分析。本研究选取4 种常见的天然氨基酸的标准溶液，以玻璃样品棒蘸取法进行直接分析，在瞬时的电弧等离子作用下，可分别测得m/z132、120、116 和147 离子信号，对应质子化的L-亮氨酸、L-苏氨酸、L-脯氨酸和L-谷氨酰胺（图5）。

图5 以电弧打火机为离子源分析极性大的液体样品的质谱图：（A）L-亮氨酸；（B）L-苏氨酸；（C） L-脯氨酸；（D） L-谷氨酰胺Fig.5 Mass spectra of polar liquid samples analyzed by electric arc lighter ion source: (A) L-Leucine;(B) L-Threonine;(C) L-Proline;(D) L-Glutamine

2.1.3 固体样品分析

在经典的离子源中，固体样品通常需要溶解于适当溶剂中才可上样分析，这不利于药物制剂、生物组织和爆炸物等样本的分析。然而，在大多数敞开式离子化技术中，固体样品的充分解吸是一个较为困难的问题[7]。对于粉末或颗粒状固体，液相萃取法较为适合样品的离子化；而对于块状固体，通常需要等离子体、热能或激光等高能手段实现充分解吸与离子化[23]。电弧等离子体具有较明显的热效应，对于需要较强解吸能力的固体样品的分析具有优势，可实现不同形态固体样品的直接分析[16-17]。

糖精钠和安赛蜜是两种常见的人工甜味剂，研究表明，长期过量摄入人工甜味剂对人体有害[24]。目前，已报道的质谱检测方法包括高效液相色谱-质谱联用法（HPLC-MS）、DART、敞开式火焰离子化法（AFI-MS）和以富勒烯醇为基质的基质辅助激光解吸离子化质谱（MALDI-MS）法[25]。在这些方法中，甜味剂标准品和实际食物样品都需要经过溶解和萃取等前处理过程才能进行检测。采用电弧打火机作为离子源，以镊子夹持法直接分析安赛蜜和糖精钠两种块状样品，在负离子模式下，可分别检测到m/z162 的安赛蜜[M–K]–信号和m/z182 的糖精钠[M–Na]–信号，以及m/z62 的NO3–信号，表明此离子源有良好的解吸和离子化能力（图6）。

图6 以电弧打火机离子源分析离子型固体化合物的质谱图：（A）安赛蜜；（B）糖精钠Fig.6 Mass spectra of ionic compounds solid samples analyzed by electric arc lighter ion source:(A) Acesulfame;(B) Saccharin sodium

2.2 电弧打火机离子源应用于实际样品的快速定性鉴定

电弧等离子体具有热效应与优良的离子化性能，对于需要较强解吸能力的固体样品的分析具有优势，可实现固体样品的直接分析，这在药物片剂的快速筛查领域具有应用潜力。选取复方对乙酰氨基酚片、复方氨酚伪麻美芬片、阿奇霉素分散片和氯雷他定片4 种固体药物片剂，以镊子夹持法在电弧打火机产生的瞬时等离子体上进行直接分析，可以观察到4 种药物中的主要活性成分都能从辅料基质中解吸，并实现离子化（图7）。在复方对乙酰氨基酚片中，主要检测到质子化对乙酰氨基酚（m/z152）和咖啡因（m/z195）的[M+H]+离子信号。在复方氨酚伪麻美芬药片中，可同时检测到质子化对乙酰氨基酚（m/z152）、伪麻黄碱（m/z166）、苯海拉明（m/z256）和右美沙芬（m/z272）4 种有效成分的[M+H]+离子信号。对于分子量较大的阿奇霉素，也能较单一地检测到M+.信号（m/z749）。在氯雷他定片中检测到主成分质子化氯雷他定[M+H]+（m/z383）为主的离子信号。上述实验结果表明，电弧打火机离子源在分析固体片剂时，具备快捷、灵敏、受药片基质辅料干扰小等优势，这使得其在药品的快速筛查中具有良好的应用前景。

图7 （A）复方对乙酰氨基酚片、（B）复方氨酚伪麻美芬片、（C）阿奇霉素分散片和（D）氯雷他定片的质谱图Fig.7 Mass spectra of 4 kinds of drug tablets analyzed by electric arc lighter ion source: (A) Compound acetaminophen tablet;(B) Compound paracetamol pseudoephedrine tablet;(C) Azithromycin dispersible tablet;(D) Loratadine tablet

此外，通过两个呼气实验模拟了实际检测场景。空白实验表明，志愿者在实验前均不能在其呼气中检测到咖啡因、尼古丁或可替宁的质谱信号。随后，志愿者A 摄入15 mL 咖啡后间隔3 min，对着电弧打火机的弧柱进行呼气，同时打火机置于质谱进样口前方，质谱处于一级全扫描模式，几秒后在所得质谱图中观察到明显的咖啡因[M+H]+信号（m/z195）（图8A）。志愿者B 吸烟后间隔3 min，对着电弧打火机的弧柱呼气，同时打火机置于质谱进样口前方，质谱处于一级全扫描模式，几秒后即能检测到志愿者呼气中尼古丁[M+H]+的信号峰（m/z163）以及其代谢产物可替宁[M+H]+的信号峰（m/z177）[26]（图8B）。

图8 （A）志愿者A 摄入咖啡后的呼气检测质谱图；（B）志愿者B 吸烟后的呼气检测质谱图；（C）呼气检测示意图Fig.8 Applications of electric arc lighter ion source: (A) Mass spectrum of breath detection after volunteer A drinking coffee;(B)Mass spectrum of breath detection after volunteer B smoking;(C)Diagram of breath detection

在以上两个呼气检测的实际场景应用中，样品的分析均无需繁琐的前处理过程，且所得质谱图可实时、在线地反映样品的信息。综上，电弧打火机离子源具有快捷、便利、灵敏、准确定性分析的特点，有望作为一种实用的鉴别手段应用于刑侦和药物检测等领域。

3 结论

利用便携式电弧打火机产生的瞬时电弧等离子体，实现了气体、液体和固体状态样品的直接分析。在高温、高能及富含大量活性物种的等离子体作用下，不同形态、不同极性及难以解吸的固体化合物均可获得快速准确的定性分析结果。市售的片剂药物可在无需任何前处理的条件下在此离子源上获得多种活性成分信息；同时，在不同场景下的人体直接呼气检测中可获得有价值的呼气成分信息。此敞开式离子化技术成本低廉、灵活便携、快捷高效、解吸能力强、离子化性能优良，有望成为快速鉴定筛查的实用工具，在原位监测和现场分析中发挥重要作用。