鄭亞君,路芳芳,張智平
(西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065)
質(zhì)譜技術(shù)因具有靈敏度高、選擇性好、特異性強(qiáng)等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、生物、食品等各種復(fù)雜樣品的檢測分析。在諸多質(zhì)譜分析方法中,色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是現(xiàn)今復(fù)雜樣品分析最權(quán)威、最可靠的方法,但這種技術(shù)在分析前需對樣品進(jìn)行繁瑣的預(yù)處理,無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品的快速分析。為了解決這一問題,2004年美國普度大學(xué)Cooks教授[1]提出了常壓離子化質(zhì)譜(Ambient ionization mass spectrometry,AIMS)分析技術(shù),該技術(shù)具有無需樣品預(yù)處理、操作簡單、分析時間短、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品的實(shí)時、快速檢測等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)今已發(fā)展出不同類型的常壓電離源技術(shù),如解吸電噴霧電離源(Desorption electrospray ionization,DESI)[2]、實(shí)時直接分析(Direct analysis in real time,DART)[3]、紙噴霧電離源(Paper spray ionization,PSI)[4]等。雖然AIMS分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域,但其在復(fù)雜樣品的電離過程中,基質(zhì)中的干擾化合物(如金屬鹽)與待測目標(biāo)化合物將同時被電離,在一定程度上嚴(yán)重抑制了待測化合物的高靈敏分析。為了提高對復(fù)雜樣品的分析性能,有必要在AIMS分析前進(jìn)行目標(biāo)化合物富集或者樣品基質(zhì)的去除。
固相微萃取(Solid phase microextraction,SPME)是1990年加拿大滑鐵盧大學(xué)Arthur和Pawliszyn[5]提出的一種樣品制備技術(shù),它將樣品的采集、萃取、濃縮和分析整合為一步,極大地簡化了樣品的制備過程和分析流程,為復(fù)雜基質(zhì)中目標(biāo)化合物的高靈敏度分析提供了有效途徑。固相微萃取是將少量固體吸附材料涂覆或鍵合在不同基體表面(如纖維、攪拌子、毛細(xì)管內(nèi)壁、金屬絲外壁等),由于該技術(shù)無需溶劑、易于微型化、便于攜帶和自動化,已廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)境、藥品和生物樣品等諸多領(lǐng)域[6-9]。將AIMS與SPME耦合,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品的快速、高靈敏度分析,現(xiàn)今已發(fā)展起來多種SPME-AIMS分析方式。本文系統(tǒng)總結(jié)了近年來新發(fā)展的可直接與常壓電離源相聯(lián)用或可原位電離目標(biāo)化合物的固相微萃取技術(shù),主要包括探針式、管內(nèi)富集式、葉片式、網(wǎng)格式、表面涂層式、濾膜/濾紙分離式等,并詳細(xì)論述了其工作原理及質(zhì)譜分析性能,展望了該技術(shù)的發(fā)展趨勢。
探針式固相微萃取(Probe-based SPME)是現(xiàn)今使用最為廣泛的一種樣品富集技術(shù),其采樣及樣品解吸電離過程如圖1所示。該技術(shù)首先是將吸附劑材料或化合物官能團(tuán)負(fù)載在金屬絲、金屬針或纖維的尖端,然后在樣品采集前采用合適溶劑對探針尖端的吸附材料進(jìn)行活化和表面吸附雜質(zhì)的去除,接著用其吸附復(fù)雜樣品中的目標(biāo)化合物,待吸附完成后再采用適當(dāng)溶劑將探針吸附層表面的樣品基質(zhì)或干擾物洗滌,最后將探針吸附層放入含有噴霧溶劑的毛細(xì)管中進(jìn)行原位解吸、電離以及質(zhì)譜分析。采用該技術(shù),人們已對不同復(fù)雜樣品進(jìn)行了快速、高靈敏度分析。如Deng等[10]通過二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化銨修飾的金屬探針對目標(biāo)化合物進(jìn)行富集,并將其與納升電噴霧電離源(Nanoelectrospray ionization,nanoESI)相聯(lián)用分析了大型蚤卵細(xì)胞中的全氟辛基磺酸和全氟辛酸化合物,檢出限可達(dá)20~30 pg·mL-1。Hou等[11]采用共價有機(jī)框架材料涂覆的金屬探針富集環(huán)境水樣和血樣中的氟烷基化合物,然后與納升電噴霧質(zhì)譜分析相結(jié)合,可在1~5 000 ng·L-1質(zhì)量濃度范圍內(nèi)分析水樣中14種氟烷基化合物,線性相關(guān)性良好,檢出限為0.02~0.8 ng·L-1。Gómez-Ríos等[12]采用生物兼容性的C18-SCX修飾金屬探針分析了不同生物樣品(如磷酸鹽緩沖溶液、尿樣、血樣)中的多種藥物化合物,每個樣品的分析時間小于2 min,分析靈敏度可達(dá)30~100 pg·mL-1。Zhao等[13]采用納米TiO2修飾的金屬探針富集胰蛋白酶解β-酪蛋白和牛血清蛋白中磷酸肽,然后將探針直接放入納升電噴霧毛細(xì)管中對目標(biāo)化合物進(jìn)行解吸和質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)該方法對復(fù)雜生物基質(zhì)中磷酸肽具有獨(dú)特的富集選擇性和分析靈敏度。Gong等[14]采用尖端直徑為1 μm、表面氧化的鎢絲作為探針,直接對洋蔥單細(xì)胞中的代謝物(如果聚糖、脂類、黃酮衍生物等)進(jìn)行富集,然后將溶劑加載在鎢絲尖端對代謝物進(jìn)行洗脫和質(zhì)譜分析。相比于傳統(tǒng)方法先將富集化合物從探針尖端洗脫下來再進(jìn)行質(zhì)譜分析,該方法的靈敏度提升了30倍。金屬探針因其獨(dú)特的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸可調(diào)變性,再經(jīng)表面修飾后不僅適用于常量樣品中目標(biāo)化合物的富集,同時也在微量/痕量樣品(如單細(xì)胞)分析方面發(fā)揮了重要作用。隨著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,探針式固相微萃取將會在復(fù)雜生物體系代謝組學(xué)、生理功能等研究方面起到關(guān)鍵作用。
圖1 探針式固相微萃取用于采樣和質(zhì)譜分析過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of probe-based SPME for sampling targets and mass spectrometric analysis
除金屬材質(zhì)可作為探針外,纖維、牙簽等也可作為探針用于復(fù)雜樣品基質(zhì)中目標(biāo)化合物的富集。Yang等[15]利用C18修飾纖維選擇性富集尿樣中5種羥基化多環(huán)芳烴,并在納升毛細(xì)管中解吸、電離和質(zhì)譜分析,方法的線性范圍為0.1~5.0 ng·L-1,檢出限低于0.05 ng·L-1,回收率可達(dá)85.3%~95.3%。Wang等[16]將SPME與熱解吸電噴霧電離(Thermal desorption electrospray ionization,TDESI)相結(jié)合,考察了聚丙烯酸酯涂覆纖維對水中雙酚A的富集效果,檢出限低于1 ng·mL-1;同時發(fā)現(xiàn)在萃取過程中,纖維探針的數(shù)量越多,目標(biāo)化合物的富集效率越高。Wu等[17]將C18鍵合SPME纖維與醫(yī)用棉簽相結(jié)合,富集口腔、鼻腔及皮膚表面的環(huán)境污染物和藥物,隨后將其插入納升毛細(xì)管進(jìn)行解吸和質(zhì)譜分析,檢出限可達(dá)1.0 pg·mL-1。Mirabelli和Zenobi[18]以PDMS纖維為固相微萃取相,與大氣壓光電離(Atmospheric pressure photo ionization,APPI)相結(jié)合,用于分析極性或非極性的農(nóng)殘、藥物和多環(huán)芳烴化合物,靈敏度可達(dá)pg·mL-1,分析時間小于2 min。Hu等[19]采用C18、NH2、SO3H等官能團(tuán)修飾的牙簽作為探針,富集和分析芥子酸膽堿、甘氨酸-甘氨酸-組氨酸-丙氨酸(Gly-Gly-His-Ala)、丙氨酸、天冬氨酸等目標(biāo)化合物。但纖維、牙簽等材質(zhì)由于自身的強(qiáng)度或尺寸限制,目前在痕量樣品的分析方面應(yīng)用較少。
管內(nèi)富集式固相微萃取(In-tube enrichment based SPME)早期主要用于色譜分析前復(fù)雜樣品中目標(biāo)化合物的分離富集[20-21]。該技術(shù)是采用鍵合固定相、吸附劑、纖維、整體柱材料等對石英毛細(xì)管內(nèi)壁進(jìn)行修飾或填充,然后利用毛細(xì)管內(nèi)固定相或吸附劑富集樣品中待測化合物。目前管內(nèi)富集式SPME除了與色譜等技術(shù)聯(lián)用外,許多研究也將其與常壓電離源(如nanoESI、DART等)相結(jié)合,用于目標(biāo)化合物的快速質(zhì)譜分析(圖2)。Chang等[22]將氣相色譜毛細(xì)管與注射器相結(jié)合,利用毛細(xì)管內(nèi)壁涂層材料的吸附性能富集母乳中有機(jī)碘化物,再經(jīng)溶劑洗脫到納升毛細(xì)管中進(jìn)行質(zhì)譜分析,整個分析過程僅需8 min,消耗樣品體積為50 μL。Wang等[23]將聚合物甲基丙烯酸-乙二醇二甲基丙烯酸酯-單壁碳納米管(MAA-EDMA-SWNT)整體柱與注射器相結(jié)合,利用整體柱中固相材料富集水樣中6種三嗪類除草劑,隨后采用DART電離源對整體柱富集的化合物進(jìn)行電離質(zhì)譜分析,檢出限可達(dá)0.06~0.46 ng·mL-1,回收率為85.0%~106%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.1%~11%。雖然管內(nèi)富集式SPME可利用柱管內(nèi)吸附劑或修飾固定相對目標(biāo)化合物進(jìn)行富集,但其最大缺陷是不能對復(fù)雜樣品(如血樣等)直接進(jìn)行萃取,否則會導(dǎo)致柱管堵塞;另一個缺陷是富集化合物柱管內(nèi)的洗脫速度受控于注射器,實(shí)現(xiàn)自動化操作較為繁瑣。
圖2 管內(nèi)富集式固相微萃取用于采樣和質(zhì)譜分析過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of in-tube enrichment based SPME for sampling targets and mass spectrometric analysis
葉片式固相微萃取(Blade-based SPME)是2014年Gómez-Ríos和Pawliszyn等[24-25]提出的一種樣品富集模式,該技術(shù)首先將有機(jī)聚合物(如C18-聚丙烯腈)涂覆在含有三角形尖端的不銹鋼薄片上,樣品分析前先采用適當(dāng)溶劑(如甲醇-水)對含有聚合物涂層的不銹鋼薄片預(yù)處理,接著在渦流振蕩的條件下,將其放入樣品溶液中對目標(biāo)化合物進(jìn)行富集,隨后用水溶液洗去不銹鋼薄片表面吸附的干擾物,最后加載噴霧溶劑進(jìn)行電離質(zhì)譜分析(如圖3)。相比探針式固相萃取,葉片式固相微萃取由于吸附劑與樣品接觸面積更大,所以富集效率更高,同時可進(jìn)行原位樣品解吸、電離。為了實(shí)現(xiàn)高通量分析,該研究小組將葉片式固相微萃取制成96孔平板,可同時對96個樣品進(jìn)行富集處理,每個樣品的分析時間小于55 s,準(zhǔn)確度大于90%,精密度為2.5%左右,濃度動力學(xué)范圍線性系數(shù)(r2)大于0.99,復(fù)雜生物樣品中目標(biāo)化合物的檢出限為0.1~10 ng·mL-1[26]?,F(xiàn)今,該方法已應(yīng)用于不同復(fù)雜樣品如血漿、血清、尿樣、生物組織等中化合物的快速質(zhì)譜分析[27-30]。葉片式固相微萃取集樣品采集與原位解吸電離于一體,可快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的富集與質(zhì)譜分析,已實(shí)現(xiàn)了96個樣品的同時萃取富集,為實(shí)現(xiàn)批量樣品的自動化操作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
圖3 葉片式固相微萃取用于采樣和質(zhì)譜分析過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of blade-based SPME for sampling targets and mass spectrometric analysis
網(wǎng)格式固相微萃取(Mesh-based SPME)源于Chipuk和Brodbelt[31]提出的傳輸模式解吸電噴霧電離源(Transmission mode desorption electrospray ionization,TMDESI)研究,最初為簡化解吸電噴霧電離源的結(jié)構(gòu),他們首先將液體樣品滴加在不同材質(zhì)的網(wǎng)格上,然后采用電噴霧電離源對網(wǎng)格上的化合物進(jìn)行解吸電離和質(zhì)譜分析。研究發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格材質(zhì)的變化,羅丹明6G的信號呈現(xiàn)出聚丙烯>聚醚醚酮(PEEK) >尼龍>滌綸>不銹鋼的變化趨勢,同時也發(fā)現(xiàn)該方法不適合未經(jīng)處理樣品的分析。隨后,Jones和Fernández[32]將不銹鋼網(wǎng)格與DART電離源聯(lián)用,用于人血清代謝指紋譜圖的研究。為了提高不銹鋼網(wǎng)格對復(fù)雜樣品中目標(biāo)化合物的分析性能,Gómez-Ríos和Pawliszyn[33]首先采用C18-聚丙烯腈材料對不銹鋼網(wǎng)格進(jìn)行修飾,然后利用修飾后的網(wǎng)格作為固相微萃取固定相富集復(fù)雜樣品中的目標(biāo)化合物,再進(jìn)行DART電離源解吸和質(zhì)譜分析(如圖4),結(jié)果表明復(fù)雜基質(zhì)(如磷酸鹽緩沖液)中目標(biāo)化合物的檢出限可達(dá)pg·mL-1級。同時比較了網(wǎng)格式SPME與傳統(tǒng)SPME纖維(Fibre)、薄膜結(jié)構(gòu)(Thin-film configuration)SPME和柱管結(jié)構(gòu)(In-tube configuration)SPME的性能,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)SPME纖維需在樣品分析前仔細(xì)調(diào)整纖維與進(jìn)樣口間的距離,以防DART氣流吹掃引起纖維的振動,造成樣品解吸、電離分析結(jié)果的不重復(fù)[34];對于薄膜結(jié)構(gòu)SPME,由于表面涂層的致密性,無法使DART電離源氣流有效通過薄膜,進(jìn)而影響樣品的解吸與電離;柱管結(jié)構(gòu)SPME不僅操作繁瑣,需注射泵來控制解吸溶劑的流速,同時樣品富集前需對樣品離心、過濾,以防樣品基質(zhì)材料、顆粒、纖維或蛋白等堵塞管道[23];而采用網(wǎng)格式SPME可有效避免上述缺陷。由于PEEK材料具有良好的生物兼容性、不與各種溶劑反應(yīng)、耐受高溫達(dá)350 ℃等優(yōu)點(diǎn),Vasiljevic等[35]將其涂覆在金屬網(wǎng)格表層,然后對復(fù)雜生物基體(如唾液和尿樣)中的禁用藥物進(jìn)行富集和質(zhì)譜分析,檢出限可達(dá)0.5 ng·mL-1,在0.5~200 ng·mL-1質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性系數(shù)大于0.99,回收率為80%~120%。網(wǎng)格式固相微萃取是一種與氣流吹掃式常壓電離源有效結(jié)合的樣品富集方式,其性能與葉片式固相微萃取相似,是一種非常具有前景的復(fù)雜樣品富集技術(shù)。
圖4 網(wǎng)格式固相微萃取用于采樣和質(zhì)譜分析過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh-based SPME for sampling targets and mass spectrometric analysis
表面涂層式固相微萃取(Surface coating-based SPME)是將有機(jī)聚合物材料涂覆在金屬片或鋁箔上,然后進(jìn)行固相微萃取和電噴霧電離的一種方式。Tian等[36]基于分子印跡對目標(biāo)化合物獨(dú)特的識別能力,首先采用正硅酸乙酯和3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷對不銹鋼等腰三角形金屬片進(jìn)行修飾,然后利用原位共聚的方法將分子印跡聚合在金屬片表面,接著將制備好的分子印跡金屬片放入牛奶萃取液中對氟喹諾酮抗生素(如恩諾沙星、氧氟沙星、環(huán)丙沙星、諾氟沙星和培氟沙星等)進(jìn)行富集和質(zhì)譜分析(如圖5A),檢出限可達(dá)0.1~2 ng·mL-1,回收率為78.8%~103%,RSD為4.5%~11%。So等[37]基于鋁箔膠帶表面膠的粘著性,將TiO2、C4、C8和C18等材料利用物理涂抹的方法涂覆在鋁箔膠帶的表面,以其為SPME固定相富集復(fù)雜生物基質(zhì)中的溶菌酶、短桿菌肽D、β-D-吡喃葡萄糖苷和磷酸化肽,以及尿液中羥基多環(huán)芳烴化合物,隨后進(jìn)行原位質(zhì)譜分析(如圖5B),發(fā)現(xiàn)該方法對生物基質(zhì)中目標(biāo)化合物具有很好的富集和分析效果。表面涂層式固相微萃取最大的優(yōu)勢是可通過改變涂覆材料性能來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的選擇性富集,這為復(fù)雜樣品中特定化合物的高靈敏分析提供了有效途徑。該技術(shù)今后發(fā)展的一個主要研究方向是發(fā)展新型、具有高效選擇性的分離富集材料。
圖5 表面涂層式固相微萃取用于采樣和質(zhì)譜分析過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of surface coating-based SPME for sampling targets and mass spectrometric analysisA:coated with molecularly imprinted polymer(分子印跡聚合物涂層);B:coated with adsorption materials(吸附材料層)
為了克服復(fù)雜生物樣品分析過程中小分子和金屬鹽對待測生物大分子分析的干擾,Zhang等[38]基于紙噴霧電離源,提出了一種膜分離富集方式,該方式先將復(fù)雜的生物樣品加載在多孔濾膜的表面,再利用溶劑將樣品中的小分子和金屬鹽洗脫到底層的濾紙表面,最后加載噴霧溶劑于濾膜表面,使保留在濾膜表層的待測生物大分子得以高效電離分析(圖6)。采用這種方式,NaCl含量為1%~5%的細(xì)胞色素C的分析靈敏度提高了10~20 倍,檢出限相比于納升電噴霧電離源提升了10倍。為進(jìn)一步提高分析性能,該研究小組將微滲析膜與抗體相結(jié)合,用于尿樣中細(xì)胞色素C的富集,發(fā)現(xiàn)相比于50 μg·mL-1納升電噴霧電離源的分析性能,采用這種膜富集方式的噴霧電離分析靈敏度提升了500倍,線性范圍介于10~1 250 ng·mL-1。該濾膜分離式SPME技術(shù)為生物復(fù)雜樣品的選擇性分離富集提供了新思路。
圖6 濾膜分離式固相微萃取用于采樣和質(zhì)譜分析過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of filter membrane separation-based SPME for sampling targets and mass spectrometric analysis
吸附劑材料由于具有獨(dú)特的表面性能,在分離分析方面發(fā)揮了重要作用。為了將吸附劑獨(dú)特的分離選擇性與常壓電離源(如紙噴霧電離源)相結(jié)合,本課題組最近發(fā)展了一種具有操作簡單、涂層可控的真空抽濾涂覆法[39],采用該方法可將不同固體吸附劑(如金屬氧化物[40]、二氧化硅[41]、聚苯乙烯[42]等)涂覆在濾紙表面。通過對不同復(fù)雜生物樣品(如尿樣、血樣等)中藥物化合物在涂覆濾紙表面擴(kuò)散行為的考察,發(fā)現(xiàn)藥物化合物更易富集在涂覆吸附劑的表面,而生物基質(zhì)(如血樣)更易擴(kuò)散到吸附劑的底端,這為復(fù)雜樣品中目標(biāo)化合物的原位選擇性分離富集提供了有效策略。例如,采用ZrO2涂覆紙作為紙噴霧電離源基質(zhì)時,其分析靈敏度相比于未經(jīng)涂覆的濾紙?zhí)岣吡?3~189倍;相比于商品SG81濾紙和二氧化硅單面涂覆濾紙,其分析靈敏度提高了1.5~16.5倍[40]。當(dāng)利用聚苯乙烯涂覆的濾紙作為紙噴霧電離源基質(zhì)時,其檢出限可達(dá)0.004~0.084 ng·mL-1;同時發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯材料的物理化學(xué)性質(zhì)對紙噴霧過程中目標(biāo)化合物的洗脫性能影響較大,聚苯乙烯的吸附性能越強(qiáng),藥物化合物在其表面越容易解吸,進(jìn)而促進(jìn)了質(zhì)譜對藥物化合物的高靈敏度分析[42]。以上研究表明,發(fā)展新型、高效的分離富集材料對于提高紙噴霧電離源在復(fù)雜生物樣品分析的性能方面起到了關(guān)鍵作用。
隨著分析技術(shù)的快速發(fā)展,人們對復(fù)雜樣品中目標(biāo)化合物的分析提出了更高要求,固相微萃取-直接質(zhì)譜分析技術(shù)不僅可從復(fù)雜樣品中萃取富集待測目標(biāo)化合物,同時具有操作簡單、分析效率高等特點(diǎn),現(xiàn)已在生物學(xué)、藥物化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。盡管如此,隨著新型固相微萃取材料和質(zhì)譜電離源技術(shù)的逐步演變,該技術(shù)仍然存在如下挑戰(zhàn):(1)微量/痕量樣品的高靈敏度分析。生命科學(xué)中的許多探索性研究均基于微量/痕量樣品(如單細(xì)胞或生理液體)的分析,但該過程不僅存在樣品量少、分析化合物濃度低的問題,同時樣品基質(zhì)極其復(fù)雜,為此發(fā)展選擇性好、富集效率高的固相微萃取材料顯得格外重要;(2)縮短分析時間。對于單個樣品,目前相關(guān)技術(shù)的整個分析過程所需時間基本上大于2 min,不利于大量樣品的高通量分析,為此進(jìn)一步簡化分析流程,提高樣品富集效率是今后的主要研究方向;(3)自動化操作。實(shí)現(xiàn)批量樣品的快速分析不僅可有效避免人為因素對分析結(jié)果的影響,也可提高分析效率,為此發(fā)展自動化的固相微萃取串聯(lián)質(zhì)譜裝置,可極大地拓展該技術(shù)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用;(4)現(xiàn)場、原位分析。該技術(shù)現(xiàn)今仍局限于將待測樣品帶回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,不能實(shí)時反映樣品中待測化合物的實(shí)際情況,為此發(fā)展便攜式固相微萃取裝置與微型化質(zhì)譜儀是今后的一個重要研究方向。固相微萃取-直接質(zhì)譜分析技術(shù)基于自身的直接、方便、快捷等特點(diǎn),以上問題的逐步解決將有助于其飛躍式發(fā)展。