劉成園,潘 洋
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室,安徽 合肥 230029)
原位電離質(zhì)譜技術(shù)[1-2]是指在大氣壓條件下,無需或只需極少樣品預(yù)處理即可直接電離和分析復(fù)雜基質(zhì)樣品中的待測物,具有微量、快速、靈敏、原位、實時、在線的特點。待測樣品中的待測物主要是在大氣壓下通過與初級電荷/能量載體(如帶電液滴、激發(fā)態(tài)等離子體、光子等)發(fā)生能量和電荷交換被離子化,然后引入質(zhì)譜儀檢測。自2004年美國普渡大學(xué)的Cooks和2005年日本電子美國公司的Cody分別提出解吸電噴霧電離[3](desorption electrospray ionization, DESI)和實時直接分析[4](direct analysis in real time, DART)兩種原位電離質(zhì)譜技術(shù)以來,已經(jīng)有上百種新方法、新技術(shù)被提出,在國際上出現(xiàn)了一股基于原位離子化技術(shù)的快速質(zhì)譜分析研究熱潮。雖然原位電離方法種類繁多,但主要是基于電噴霧電離(electrospray ionization, ESI)、大氣壓化學(xué)電離(atmospheric pressure chemical ionization, APCI)和大氣壓光電離(atmospheric pressure photoionization, APPI)等幾種傳統(tǒng)電離方法發(fā)展而來的。
APPI是一種“軟電離”技術(shù),具有電離效率高、碎片離子少等特點,與ESI相比,還具有無電離極性歧視和基質(zhì)效應(yīng)弱等優(yōu)點。因此,APPI已作為一種商業(yè)化的離子源與液相或氣相色譜聯(lián)用?;贏PPI的原位質(zhì)譜分析方法具有分析速度快、樣品消耗量少、靈敏度高、無需樣品預(yù)處理等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于食品篩查、藥品監(jiān)控、環(huán)境分析、反應(yīng)監(jiān)測、體液診斷、組織成像等領(lǐng)域[5]。
本工作將綜述近年來發(fā)展的幾種基于光電離的原位質(zhì)譜技術(shù),闡述原位光電離的基本原理、特點及其在開發(fā)中的價值與應(yīng)用,展望光電離技術(shù)在原位質(zhì)譜研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。
光電離是指中性粒子在光輻射作用下產(chǎn)生的電離。1956年,Tanaka等[6]發(fā)表了第一篇光電離質(zhì)譜的研究工作,首次以氪氣放電燈產(chǎn)生的真空紫外光作為質(zhì)譜電離源,測試對丁二烯和丙烷等樣品,發(fā)現(xiàn)只產(chǎn)生了母離子,證明光電離是一種比電子轟擊電離(electron impact ionization, EI)更“軟”的電離源。在高真空環(huán)境中,當(dāng)真空紫外光光子能量大于待測物電離能時,待測物(analyte, M)在真空紫外光光子輻射下可失去1個電子而被電離,示于式1。常見的紫外光源主要包括真空紫外放電燈、激光和同步輻射光源。其中,激光在真空紫外波段部分連續(xù)可調(diào),但操作較為復(fù)雜;同步輻射光源具有波長連續(xù)可調(diào)、亮度高等特點,但因為其是大科學(xué)裝置,通常只被用于基礎(chǔ)科學(xué)研究;而真空紫外放電燈具有價格低廉、體積小、便攜的特點,更容易被推廣使用。
Bruins等[7]于2000年提出了一種使用真空紫外燈在大氣壓環(huán)境下對待測物進(jìn)行電離的技術(shù),即APPI。通過向待測物溶液中添加摻雜劑(dopant, D),使光電離區(qū)域氣氛中高濃度摻雜劑優(yōu)先發(fā)生電離,其離子再通過離子-分子反應(yīng)使待測物被電離,示于式2[8]。APPI的電離機(jī)理與高真空環(huán)境下的光電離有很大差異。摻雜劑一般需要具備光電離截面大、電離效率高的特點,常用的摻雜劑主要有甲苯、丙酮、苯甲醚、氯苯、溴苯[9]。
正離子模式下,若摻雜劑的電離能高于待測物的電離能,摻雜劑離子(D·+)可通過電荷轉(zhuǎn)移方式使待測物電離,示于式3;若摻雜劑的質(zhì)子親和力低于待測物的質(zhì)子親和力,摻雜劑離子(D·+)可通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移使待測物電離[10],示于式4。此外,溶劑分子或團(tuán)簇(solvent,S)也可能參與質(zhì)子化反應(yīng)過程,示于式5~9,其首先從摻雜劑離子(D·+)獲取質(zhì)子,形成質(zhì)子化的溶劑分子或團(tuán)簇([(S)n+H]+),然后可直接通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移(式7)或者經(jīng)溶劑加和(式8)再脫溶劑的方式(式9)使待測物質(zhì)子化。本課題組在摻雜劑輔助的低壓光電離(low pressure photoionization, LPPI)環(huán)境下,通過質(zhì)譜檢測到質(zhì)子化的溶劑團(tuán)簇離子([(S)n+H]+)、溶劑加和離子(M+[(S)n+H]+)等光電離誘導(dǎo)的離子分子反應(yīng)中間產(chǎn)物[11]。
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負(fù)離子模式下,待測物的離子化過程主要是通過摻雜劑被真空紫外光激發(fā)電離(式2)產(chǎn)生大量自由電子(e-)引發(fā)的[8]。由于空氣中氧氣的電子親和力較強(qiáng)(0.451 eV),很容易與自由電子結(jié)合產(chǎn)生過氧負(fù)離子(O2·-),示于式10。如果待測物的電子親和力大于0甚至大于0.451 eV(即氧氣電子親和力),其可直接與自由電子結(jié)合(式11),亦或通過與過氧負(fù)離子之間的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)被離子化(式12)。對于電子親和力小于0 eV的待測物,可與過氧負(fù)離子之間經(jīng)過一系列的離子-分子反應(yīng)被離子化,示于式13~16。乙腈等溶劑可通過與過氧負(fù)離子之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)參與待測物的離子化,示于式17~18。
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此外,李海洋等[12]發(fā)現(xiàn),當(dāng)凈化空氣作為載氣時,高濃度的氧氣通過光化學(xué)反應(yīng)(式19~20)在光電離室產(chǎn)生大量臭氧,濃度可達(dá)1 700 mL/m3,進(jìn)而可通過直接捕獲自由電子(式21)或電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)(式22)轉(zhuǎn)化為臭氧負(fù)離子(O3·-),空氣中二氧化碳(約 300 mL/m3)可通過式23產(chǎn)生反應(yīng)性離子CO3·-,在大氣壓下可能會以溶劑加和物[CO3+(S)n]·-的形式存在,該離子可通過進(jìn)一步的離子-分子反應(yīng)使待測物在負(fù)離子模式下離子化[13]。
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光電離是一種幾乎不產(chǎn)生碎片的離子化方式,光電離質(zhì)譜適用于復(fù)雜基質(zhì)樣品的直接分析。中科院大連化學(xué)物理研究所李海洋[14-15]、中國科學(xué)院大學(xué)束繼年[16-18]、上海大學(xué)程平[19-20]等已經(jīng)做了大量工作,具有廣闊的市場化前景,目前廣州禾信分析儀器有限公司已經(jīng)開發(fā)出多款應(yīng)用于呼出氣[21-23]、揮發(fā)性有機(jī)物[24-25]、環(huán)境氣溶膠[26-28]、單細(xì)胞微生物[29]等樣品直接分析的光電離質(zhì)譜分析儀器。原位光電離質(zhì)譜是基于光電離原理開發(fā)的原位質(zhì)譜分析技術(shù),既保留了原位質(zhì)譜對復(fù)雜基質(zhì)樣品直接分析、無需樣品預(yù)處理的便利,也利用了光電離技術(shù)電離效率高、無電離極性歧視和基質(zhì)效應(yīng)低的優(yōu)點。自2007年以來,已有多種基于光電離的原位質(zhì)譜分析方法被開發(fā),主要包括解吸大氣壓光電離(desorption atmospheric pressure photoionization, DAPPI)、激光濺射大氣壓光電離(laser ablation atmospheric pressure photoionization, LAAPPI)、超聲霧化/低壓光電離(ultrasonic nebulization/low pressure photoionization, UNE/LPPI)、萃取大氣壓光電離(extractive atmospheric pressure photoionization, EAPPI)、熱解吸/大氣壓光電離(thermal desorption/atmospheric pressure photoionization, TD/APPI)、摻雜劑輔助負(fù)離子/正離子光電離(dopant assisted negative/positive photoionization, DANP/DAPP)和解吸電噴霧/二次光電離(desorption electrospray ionization/post-photoionization, DESI/PI)等,上述方法的主要應(yīng)用列于表1。
表1 原位光電離質(zhì)譜技術(shù)及其應(yīng)用Table 1 Application of ambient photoionization mass spectrometry
DAPPI是由芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Kauppila和Kostiainen于2007年提出的[56],是早期基于光電離原理開發(fā)的一種原位質(zhì)譜分析技術(shù)。
DAPPI結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1,含有摻雜劑的溶劑經(jīng)微芯片霧化器(microchip nebulizer)霧化并加熱后,將待測物從樣品表面解吸,解吸后的待測物被真空紫外放電燈發(fā)出的真空紫外光電離,其離子化機(jī)理與摻雜劑輔助的APPI電離機(jī)理相似[57],包括直接離子化和光誘導(dǎo)的離子-分子反應(yīng)。
圖1 解吸大氣壓光電離結(jié)構(gòu)示意圖[56]Fig.1 Schematic view of the DAPPI setup[56]
注:a.從頭部至腹部;b.從腹部至頭部;o.腺體開口位置;r.腺體蓄積區(qū)域;藍(lán)線.反-2-己烯醛,m/z 99.07~99.09;紅線.反-2-己烯-4-氧代-醛,m/z 113.05~113.07;綠線.反-2-辛烯醛,m/z 127.10~127.12;紫線.反-2,4-癸二烯醛,m/z 153.12~153.14;橙線.反-2-癸烯醛,m/z 155.13~155.15圖2 幾種不飽和醛類物質(zhì)沿赤條蝽中線位置的離子信號軌跡[36]Fig.2 Ion traces of unsaturated aldehydes recorded along the median line of G. lineatum[36]
LAAPPI是由喬治華盛頓大學(xué)Vertes與赫爾辛基大學(xué)Kostiainen于2012年合作開發(fā)的一種原位光電離質(zhì)譜分析技術(shù),旨在分析含有一定濕度組織表面的成分[37],其結(jié)構(gòu)示于圖3。波長2.94 μm的激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的傳輸與聚焦,將待測物從樣品表面濺射升起,與含有摻雜劑的溶劑氣流交叉融合,在側(cè)面真空紫外氪氣放電燈的光電離作用下,離子化后進(jìn)入質(zhì)譜儀被檢測。
圖3 激光濺射大氣壓光電離離子源示意圖(圖片如插圖所示)[37]Fig.3 Schematic of the LAAPPI ion source with a photo of the source shown in the inset[37]
與DAPPI相比,LAAPPI最大的優(yōu)勢是可用于組織表面的可視化分析,但是在該方法建立之初,質(zhì)譜成像的空間分辨率只能達(dá)到約300 μm[38]。到2017年,Kauppila等[64]采用延長光路策略,將激光與聚焦透鏡之間的距離從1 m延長至18 m,成功地將激光濺射光斑從440 μm縮小至44 μm,顯著提高了LAAPPI的成像分辨率。經(jīng)過長期反復(fù)測試,該系統(tǒng)可在70 μm空間分辨率下,對整個小鼠腦組織表面進(jìn)行穩(wěn)定地可視化分析。該系統(tǒng)還可以與電噴霧電離結(jié)合(LAESI)用于成像研究。小鼠腦組織切片中多種小分子代謝物和脂質(zhì)的成像結(jié)果示于圖4。其中,小分子代謝物包括氨基丁酸m/z104.07、肌酸m/z132.08、腺苷m/z268.10;脂質(zhì)主要包括磷脂酰乙醇胺(PE)(如PE(P-36∶2)m/z728.56、PE(P-36∶4)m/z722.52)、磷脂酰膽堿(PC)(如PC(37∶6)m/z792.55)和糖酯類的半乳糖酰基鞘氨醇(GalCer)(如GalCer(d42∶1)m/z810.68)。在70 μm空間分辨率下,這些物質(zhì)的分布可與小鼠腦組織中不同區(qū)域結(jié)構(gòu)匹配完好[39]。例如,GalCer(d42∶1)(圖4h)的分布主要與腦組織中髓鞘部分相匹配;PC(37∶6)(圖4g)在胼胝體中的濃度明顯低于大腦皮層與丘腦部分;然而腺苷(圖4c)和PE(P-36∶4)(圖4f)在丘腦中的含量明顯高于其他部位。一般情況下,LAPPI與LAESI可得到相似的成像結(jié)果,示于圖4a~4f。對于生物組織中某些成分,LAAPPI與LAESI兩種分析方法得到的成像結(jié)果可以相互補(bǔ)充,例如氨基丁酸(圖4a)和PC(37∶6)(圖4g)僅在LAESI中具有獨特的分布,GalCer(d42∶1)(圖4h)僅可在LAAPPI中顯示出明確的分布。
超聲霧化是利用電子高頻振蕩(1.7 MHz或2.4 MHz)使液體霧化的物理現(xiàn)象。超聲霧化常用于環(huán)境加濕,也可用作醫(yī)療器械將藥物溶液霧化后供人吸入。此外,超聲霧化還是一種有效的萃取方式[65-67]。
注:空間分辨率70 μm圖4 激光濺射大氣壓光電離和激光濺射電噴霧電離對鼠腦切片的成像[39]Fig.4 LAAPPI and LAESI MS images of mouse brain[39]
本實驗室將超聲霧化技術(shù)分別與LPPI[10]和APPI[41]質(zhì)譜相結(jié)合,可同時實現(xiàn)基質(zhì)成分的快速萃取、待測物溶液的氣化以及氣相分子的光電離和質(zhì)譜分析,示于圖5。其工作原理主要是首先將復(fù)雜基質(zhì)樣品表面和內(nèi)部的化學(xué)成分萃取至溶液中,含有待測物的溶液被霧化后,霧化液滴在載氣的作用下輸送至電離區(qū)域,光電離產(chǎn)生的離子進(jìn)入質(zhì)量分析器被檢測分析。在摻雜劑的輔助下,LPPI是一種高靈敏的電離方法,束繼年等[17,68-70]發(fā)現(xiàn),二氯甲烷(CH2Cl2)可顯著提高爆炸物、化學(xué)毒劑、揮發(fā)性醛類、苯系物等離子化效率,在合適的條件下,鄰硝基甲苯的電離效率高達(dá)28%[16,18],LPPI優(yōu)越的性能被用于呼出氣診斷[71]、光氧化產(chǎn)生的二次有機(jī)氣溶膠直接分析[72]等領(lǐng)域。李海洋等[14-15]同樣發(fā)現(xiàn)在低壓條件下,摻雜劑輔助的光電離誘導(dǎo)離子-分子反應(yīng)可顯著提高待測物的離子化效率,并用于在線監(jiān)測長鏈烷烴脫氫制烯烴[73]、甲醇制烯烴以及甲烷催化氧化[74]等反應(yīng)過程,研究催化反應(yīng)機(jī)理。
與DAPPI相比,超聲霧化/光電離可直接分析基質(zhì)內(nèi)部的化學(xué)成分,而且可直接分析液體、粘稠狀液滴、塊狀固體以及固體粉末等形態(tài)的樣品。由于在LPPI的真空環(huán)境中離子-分子碰撞頻率降低,質(zhì)譜更容易捕獲離子-分子反應(yīng)的中間過程,適合研究摻雜劑輔助的光電離反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),在摻雜劑輔助的光電離過程中,溶劑同樣參與光電離反應(yīng)過程,溶劑加和物的信號強(qiáng)度會隨著電離室壓力升高而增強(qiáng)。在負(fù)離子模式下,首次觀察到存在光電離誘導(dǎo)的過氧負(fù)離子,證明在光電離過程中,過氧負(fù)離子是使待測物氧化的直接原因[11]。
注:a插圖表示正離子模式在有或無冷凝管情況下,9,10-菲醌的信號強(qiáng)度[10];1.超聲霧化器;2.水;3.超聲換能器;4.O形圈;5.膜;6.超聲霧化池;7.樣品溶液;8.摻雜劑;9.加熱的傳輸管;10.真空紫外燈[41]圖5 超聲霧化/低壓光電離質(zhì)譜(a)和萃取大氣壓光電離質(zhì)譜(b)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematics of UNE/LPPI (a) and EAPPI (b) setup
利用EAPPI快速分析和比對湖北黃石飛云藥業(yè)(HB-TG tablet)和湖南協(xié)力藥業(yè)(HN-TG tablet)生產(chǎn)的雷公藤多苷片[42],示于圖6。兩款藥片由于提取工藝的不同,成分差別明顯,具有生理活性的雷公藤甲素(m/z359.14)和雷公藤紅素(m/z451.28)在HN-TG tablet中的含量明顯高于HB-TG tablet。以上結(jié)果表明,EAPPI作為一種原位質(zhì)譜分析技術(shù),可以在短時間內(nèi)全面分析中藥材的主要成分,在中藥材市場的品質(zhì)管控方面體現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力[42]。此外,EAPPI還被用于快速分析煙草中醇、酮、酸、酯、醛、酚、生物堿、氨基酸和萜類等化合物,結(jié)合主成分分析可快速區(qū)分不同類型卷煙煙絲[43]。
圖6 萃取大氣壓光電離質(zhì)譜分析湖北黃石飛云藥業(yè)(a)和湖南協(xié)力藥業(yè)(b)生產(chǎn)的雷公藤多苷片[42]Fig.6 EAPPI mass spectra of HB-TG tablet (a) and HN-TG tablet (b)
DAPP/DANP是一類摻雜劑輔助的大氣壓光電離技術(shù)。在DANP中,摻雜劑離子化產(chǎn)生的自由電子可顯著促進(jìn)反應(yīng)性離子O2·-或CO3·-的生成,進(jìn)而提高待測物的離子化效率,因此DANP既可與便攜式離子遷移譜聯(lián)用[12-13],亦可作為質(zhì)譜的離子源[47]用于爆炸物的現(xiàn)場快速檢測。有報道將DAPP離子遷移譜與時間分辨的熱解吸結(jié)合,用于復(fù)雜基質(zhì)中過氧化爆炸物(三過氧化三丙酮和六亞甲基三過氧化二胺)的現(xiàn)場快速檢測[46]。此外,DAPP質(zhì)譜還被用于不同海域海水中三甲胺的定性定量分析[49],DANP飛行時間質(zhì)譜利用源內(nèi)碰撞誘導(dǎo)解離高靈敏的在線分析呼氣中氰化氫(HCN),在濕度100%和4%CO2環(huán)境中,HCN定量檢測限可達(dá)到0.5 μL/m3。2019年,有報道將熱解吸DAPP與小型化離子阱質(zhì)譜結(jié)合用于現(xiàn)場快速檢測復(fù)雜基質(zhì)中毒品,摻雜劑的引入可將毒品(如麻黃堿)信號提高22倍[51]。
李海洋等[50]在熱解吸DAPP離子阱質(zhì)譜技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了一種同步閃速熱解吸、吹掃與離子注入模式下的離子阱質(zhì)譜(synchronized flash-thermal-desorption purging and ion injection-ion trap mass spectrometry, SFTDPI-ITMS)用于現(xiàn)場毒品檢測,其結(jié)構(gòu)示意圖與時序圖示于圖7。10種沸點差別達(dá)300 ℃的揮發(fā)性與半揮發(fā)性毒品在3 s內(nèi)即可同時被檢測,與熱解吸離子阱質(zhì)譜相比,不揮發(fā)性毒品的靈敏度提高了60倍,對芬太尼的定量檢測限可達(dá)50 pg。將該設(shè)備部署于中緬邊境的邊防檢查站,SFTDPI-ITMS對可疑膏體與膠囊粉末的質(zhì)譜分析結(jié)果示于圖8。在可疑膏體中檢測到嗎啡(m/z287)、可待因(m/z301)、二甲基嗎啡(m/z312)、罌粟堿(m/z340)、海洛因(m/z370)和諾司卡品(m/z414),根據(jù)常規(guī)植物藥用成分,該膏體可確認(rèn)為鴉片劑。在所測膠囊中,檢測到曲馬朵(m/z264)、芬太尼(m/z337)和海洛因(m/z370),由此推測該膠囊是摻有芬太尼的海洛因。在另一種可疑膠囊中,可檢測到N-苯乙基-4-哌啶酮(NPP,m/z204)、4-苯基氨基-1-苯乙基哌啶(ANPP,m/z279)和芬太尼(m/z337),NPP和ANPP是齊格弗里德路線合成芬太尼的重要中間體,因此推測該膠囊是不純的合成芬太尼。
圖7 同步閃速熱解吸、吹掃與離子注入-離子阱質(zhì)譜(a)和同步時序(b)[50]Fig.7 Schematic diagram of the SFTDPI-ITMS (a) and synchronized timing sequence (b)[50]
圖8 邊防檢查站繳獲疑似毒品(a)和利用同步閃速熱解吸、吹掃與離子注入-離子阱質(zhì)譜分析疑似膏體與膠囊粉末的質(zhì)譜圖(b~d)[50]Fig.8 Captured suspected drugs in frontier inspection station (a) and mass spectra of suspected paste and captured capsules obtained with SFTDPI-ITMS (b-d)[50]
TD/APPI是本課題組開發(fā)的一種將熱解吸與大氣壓光電離結(jié)合,用于復(fù)雜基質(zhì)溶液中待測物快速定性定量的實驗方法[44],其結(jié)構(gòu)示于圖9。當(dāng)樣品溶液滴入加熱的基底(thermal desorption holder,TD holder)上之后,根據(jù)萊頓弗羅斯特效應(yīng)(Leidenfrost Phenomenon),液體不會潤濕炙熱的表面,而是形成懸浮液滴,液滴底部可通過一層蒸汽與炙熱表面隔離,隨著溶劑蒸發(fā),待測物濃度逐漸增加,最后濃縮的待測物與剩余溶劑會在同一時間解吸,然后被載氣傳輸至光電離區(qū)域電離,最后進(jìn)入質(zhì)譜儀檢測。
圖9 熱解吸/大氣壓光電離質(zhì)譜結(jié)構(gòu)示意圖[44]Fig.9 Schematic of the TD/APPI setup[44]
用TD/APPI獲得水體中雌二醇、雄烯二酮、炔諾酮、甲睪酮和黃體酮等5種激素類化合物的提取離子流色譜圖(extracted ion chromatography, EIC),示于圖10a。萊頓弗羅斯特效應(yīng)可將待測物濃縮,從而提高靈敏度,使單個樣品的檢測時間小于1 min。由EIC峰面積獲得的待測物定量分析結(jié)果示于圖10b~10f。5種激素的測量動態(tài)范圍為0.1~250或0.1~500 μg/L,線性相關(guān)系數(shù)(R2)大于0.99。TD/APPI還被進(jìn)一步用于自來水、地表水和河水等復(fù)雜基質(zhì)中激素類化合物的直接定量分析。與去離子水相比,基質(zhì)效應(yīng)可將待測物的靈敏度降低2~10倍[44]。
圖10 5種1 mg/L激素類化合物的甲醇-水溶液(9∶1,V/V)的提取離子流色譜圖(a),以50 μg/L醋酸甲羥孕酮為內(nèi)標(biāo),0.1~250 μg/L雌二醇(b)、0.1~500 μg/L雄烯二酮(c)、0.1~250 μg/L炔諾酮(d)、0.1~250 μg/L甲睪酮(e)和0.1~500 μg/L黃體酮(f)的線性關(guān)系[44]Fig.10 EIC of five steroids at 1 mg/L in methanol/distilled water (9∶1, V/V) (a), calibration curves of 0.1-250 μg/L estradiol (b), 0.1-500 μg/L androstenedione (c), 0.1-250 μg/L norethindrone (d), 0.1-250 μg/L methyltestosterone (e) and 0.1-500 μg/L progestin (f) with 50 μg/L medroxyprogesterone acetate as the internal standard[44]
TD/APPI還被用于復(fù)雜有機(jī)反應(yīng)溶液中產(chǎn)物的定量分析。本課題組在咔唑被三(4-溴苯基)六氯銻酸銨氧化生成咔唑二聚體的氧化反應(yīng)中發(fā)現(xiàn),由于氧化劑三(4-溴苯基)六氯銻酸銨是一種強(qiáng)極性離子型化合物,一方面會干擾液相色譜柱的分離過程,另一方面在電噴霧電離過程中會嚴(yán)重抑制產(chǎn)物信號,造成氧化產(chǎn)物定量困難。然而,TD/APPI抗基質(zhì)效應(yīng)強(qiáng),對該反應(yīng)溶液中的咔唑二聚體可直接快速分析,并且可以準(zhǔn)確定量,該實驗結(jié)果為咔唑的二聚反應(yīng)機(jī)理提供了證據(jù)支持[45]。
生物組織表面多組分可視化分析是質(zhì)譜分析領(lǐng)域的研究熱點,以質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)的成像方法可以在無需標(biāo)記的情況下在同一張組織切片上同時分析“成百上千”種成分的空間分布,已廣泛應(yīng)用于藥物代謝、病理分析、臨床診斷等領(lǐng)域?;贒ESI的質(zhì)譜成像技術(shù)已用于各種生物組織、指紋等可視化分析。然而,由于生物組織表面高鹽的基質(zhì)環(huán)境、強(qiáng)極性脂質(zhì)成分的干擾和對非極性化合物的電離歧視,DESI對生物組織表面中性化合物的電離效率非常低[75-77]。2019年,本實驗室設(shè)計了一種基于DESI的緊湊型DESI/PI成像源,其裝置示于圖11,經(jīng)DESI解吸的中性待測物可通過傳輸管到達(dá)光電離室被真空紫外光二次電離[52]。
圖11 解吸電噴霧/二次光電離結(jié)構(gòu)示意圖(a),裝置照片(b)和真空紫外放電燈(c)[52]Fig.11 Schematic of the DESI/PI setup (a), a photograph of the setup (b) and VUV discharge lamp (c)[52]
分別用DESI與DESI/PI掃描兩片相鄰的腦組織切片,平均質(zhì)譜圖和成像結(jié)果示于圖12。通過質(zhì)譜圖對比發(fā)現(xiàn),二次光電離可使大量在DESI中離子化效率低或難以電離的待測物電離,在DESI和DESI/PI兩種模式下可實現(xiàn)多種小分子代謝物和脂質(zhì)的同時分析和成像。中性小分子代謝物,如丙氨酸/肌氨酸(m/z90.06)、氨基丁酸(m/z104.07)、肌酸(m/z132.08)、谷氨酰胺(m/z147.08)、谷氨酸(m/z148.06)、腺苷(m/z268.10),弱極性或非極性脂質(zhì),包括鞘氨醇(m/z282.28)、單?;视?18∶1)(m/z339.29)、單?;视?18∶0)(m/z341.31)、膽固醇(m/z369.35)、神經(jīng)酰胺(18∶0)(m/z548.54)、PE(40∶6)(m/z651.54)、GalCer(d18∶1/C22∶1)(m/z782.65)、GalCer(d18∶1/C24∶2)(m/z808.67)、GalCer(d18∶1/C24∶1)(m/z810.68)和GalCer(t42∶0)(m/z828.69)可在DESI/PI模式下掃描并成像;極性PC脂,如PC(32∶0)(m/z713.45、756.55、772.53)、PC(36∶4)(m/z820.53)、PC(36∶1)(m/z826.57)、PC(38∶6)(m/z844.53)、PC(38∶4)(m/z848.56)和PC(40∶6)(m/z872.56)可通過DESI掃描并成像。DESI/PI可顯著提高小鼠腦組織切片小分子代謝物、神經(jīng)遞質(zhì)、中性脂質(zhì)等多種成分的離子化效率,部分中性化合物的質(zhì)譜信號可提高2個數(shù)量級,為研究膽固醇在脊髓組織和大腦海馬組織相關(guān)生理作用,以及長期使用他汀類藥物引起的認(rèn)知功能損傷機(jī)制提供了更多線索[53-54]。DESI/PI還成功用于茶葉葉莖組織表面多種低極性兒茶素類成分的同時成像,二次光電離可以使極性咖啡因信號增強(qiáng)10倍左右。近期,借助DESI與DESI/PI兩種互補(bǔ)的質(zhì)譜成像分析技術(shù),可檢測到黑素細(xì)胞痣樣本中多達(dá)118種化合物,結(jié)合多元統(tǒng)計分析和免疫組化實驗,發(fā)現(xiàn)膽固醇可作為黑素細(xì)胞痣的生物標(biāo)志物用來診斷黑素細(xì)胞痣,該結(jié)果為黑素細(xì)胞痣的治療提供了一種新思路,即通過控制膽固醇的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝進(jìn)而調(diào)控黑色素的生成[55]。
基于光電離的原位離子化技術(shù)因具有碎片離子少、無極性歧視和基質(zhì)效應(yīng)弱等優(yōu)點,已成為原位質(zhì)譜分析技術(shù)的重要組成部分。該技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,彌補(bǔ)了DESI等離子化技術(shù)的不足,展現(xiàn)了獨特的工作模式和應(yīng)用領(lǐng)域,已廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染、食品安全、體液診斷、組織成像、農(nóng)殘檢測、爆炸物檢測、呼氣診斷、毒品篩查等領(lǐng)域。原位光電離質(zhì)譜在實際應(yīng)用中的價值已經(jīng)逐漸顯現(xiàn),在未來儀器商品化過程中,還需做好以下工作:1) 改進(jìn)大氣壓下離子傳輸系統(tǒng),增加離子捕獲效率,提高檢測靈敏度;2) 研制體積緊湊、便攜、高亮度、穩(wěn)定的真空紫外光源,同時需引入恒量揮發(fā)性物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)矯正光強(qiáng)的衰減;3) 研制匹配不同商品化質(zhì)譜的原位光電離源,同時耦合其他的原位質(zhì)譜技術(shù),提高方法在不同場景的適用性。
注:圖中比例尺為1 mm,成像分辨率約200 μm圖12 正離子模式下,解吸電噴霧電離/二次光電離(a~p)和解吸電噴霧電離(q~x)獲取的質(zhì)譜成像[52]Fig.12 MS images of DESI/PI (a-p) and DESI (q-x)[52]