高选择性固体基底电喷雾质谱离子源的研究进展

张 峰，母国栋,2，刘 通

(1.中国检验检疫科学研究院食品安全研究所，北京 100176；2. 北京工商大学轻工科学技术学院，北京 100048)

质谱技术在地质科学、材料科学、生命科学、药物开发与临床诊断、食品和环境检测等领域具有不可替代的作用，但传统的色谱-质谱联用方法在分析复杂样品中痕量目标物时需要进行繁琐、耗时的样品前处理和色谱分离，难以满足原位、实时、快速的检测需求。2004年，Cooks团队[1]发明了解吸电喷雾电离(DESI)技术，首次提出了“敞开式质谱”的概念。这一技术的出现极大地提高了检测效率，为复杂样品的原位快速检测提供了理论基础。敞开式质谱无需或仅需简单的样品前处理，可在大气压环境下对样品直接电离，从而快速获得样品信息。随后发展了多种敞开式电离技术，如实时直接分析(DART)[2]、萃取电喷雾电离(EESI)[3]、介质阻挡放电电离(DBDI)[4-5]、低温等离子体(LTP)[6]等，这些基于不同电离原理的技术对质谱发展起到了推动作用[7]。

自2010年纸喷雾电离技术报道[8-10]以来，其他固体材料也被尝试用作基底来负载样品进行直接喷雾电离，如木材[11]、金属[12]、生物组织[13]等。这种利用固体基底承载样品进行电喷雾电离的敞开式质谱被称为固体基底电喷雾质谱(SSEI-MS)[14]。由于固体基底对目标物没有选择性或选择性较差，会导致基质效应明显，仪器检出限较高，难以实现对痕量物质的精准测定，对复杂基质中微量甚至痕量水平目标物的检测灵敏度较低。因此，研制具有高选择性吸附能力的固体基底电喷雾离子源成为新的发展方向。通过对离子源的固体基底进行修饰，可以得到比传统敞开式质谱离子源更高的吸附选择性和检测灵敏度。

本文将总结近年来敞开式质谱中离子源的研究进展，常见固体基底电喷雾离子源的类型，以及高选择性敞开式固体基底电喷雾质谱离子源的开发策略和实际应用，并对未来发展趋势和面临的挑战进行讨论。

1 固体基底电喷雾质谱的基本原理

固体基底电喷雾质谱是由固体基底、电喷雾溶剂、外加电场和质谱检测器组成，其示意图示于图1。待测目标物在固体基底尖端形成喷雾，带电液滴不断蒸发，溶剂电荷密度增加，分裂为更小的液滴，此过程不断循环，最终形成待测目标物离子进入质谱分析[15]。

图1 固体基底电喷雾质谱示意图Fig.1 Schematic diagram of solid substrate electrospray mass spectrometry

固体基底电喷雾质谱可分为在线检测和离线检测2种模式。在线模式是指对样品中的待测目标物进行原位检测；离线模式是指固体基底承载预处理后的待测目标物，脱离样品后进行检测。在电喷雾电离过程中，固体基底电喷雾质谱的各组成部分都发挥了重要作用。固体基底可以作为承载样品的平台对目标分子进行富集、分离，还可以作为样品的反应平台实时监测目标物质在反应过程中的变化。电喷雾溶剂将固体基底上的待测物解吸，同时作为外加电场与待测物之间的导电剂对其优化以改善目标物解吸效果，提高检测灵敏度。外加电场是形成电喷雾的动力，对电压的优化可以改善目标物的离子化程度，提高目标物的响应。

2 固体基底电喷雾离子源的基底材料

目前，用于固体基底的材料主要有3类：多孔类、金属类、其他类型。常见的固体基底材料类型及其应用情况列于表1。

表1 不同类型的固体基底及其应用Table 1 Different types of solid substrates and their applications

2.1 多孔材料

多孔材料具有封闭或贯通的孔洞结构，典型的材料有纸和木材。纸喷雾质谱(PS-MS)利用纸张承载样品，在高压电作用下，滴加的试剂在纸尖端发生电喷雾离子化后进入质谱分析。Taverna等[16]利用PS-MS测定苏打饮料和止痛片中的咖啡因含量，定量限分别为1.2和1.6 mg/L，准确度接近100%。Yu等[17]利用PS-MS快速检测饮料中的苯甲酸和维生素C，回收率为91.1%～108.2%。相较于传统的HPLC-MS/MS方法，PS-MS在成本和分析速度方面具有明显优势。

相较于纸材料，木材质地坚硬，木尖可直接插入样品取样[18]，且木纤维比纸纤维更规则，含有大量亲水基团，可以改善其与分析物的亲和能力，并为木尖表面修饰提供位点。Pereira等[19]利用木尖电喷雾质谱结合化学计量法进行大蒜产地溯源，将木尖穿刺大蒜瓣取样，通过建立的模型分析来自不同国家种植的312个大蒜样品，产地鉴别准确率达到80%以上。

此外，Cooks等[20]利用医用棉签对人体口腔内采样，对棉拭子施加电压，利用洗脱溶剂对目标物进行喷雾电离，检测了14种滥用药物，定性结果稳定可靠。该采样装置易于使用、价格低廉，在临床微生物学、DNA检测和法医学领域有广泛的应用前景。

2.2 金属材料

金属具有优良的机械性能和导电性能，采用金属材料作为承载样品的固体基底，已经发展出多种形式的电喷雾质谱。金属针作为固体基底可以分析液体、固体或半固体样品，施加高压电使目标物在针尖产生喷雾电离。Ji等[21]利用圆珠笔尖开发了一种笔尖电喷雾质谱(ballpoint-ESI-MS)技术，示于图2。圆珠笔尖的球形表面提供了比针尖更大的电离表面，有更高的离子化效率和更少的试剂消耗，以200 nL/min向圆珠笔尖的金属底座通入液体，在圆珠笔尖施加2.5 kV电压，获得稳定的总离子信号。利用笔尖电喷雾质谱技术检测草本药物粉末和食品中氨基酸、碳水化合物、黄酮类化合物和生物碱等。Hu等[22]开发的基于铝箔的电喷雾电离法可直接监测热反应，如蛋白质变性过程。金属材料成本低、易加工、可重复使用，基于金属材料的电喷雾质谱有望发展成为一种经济、通用的质谱分析方法。

图2 圆珠笔尖电喷雾质谱法的概念图[21]Fig.2 Concept illustration of ballpoint electrospray mass spectrometry[21]

2.3 其他类材料

一些生物样品具有自然形成的尖端结构，可直接施加电压进行质谱分析。Hu等[23]在新鲜菠菜叶上加入甲醇-水溶液(1∶1,V/V)并施加3 kV高压电，叶片尖端产生电喷雾电离，能在1 min内完成1个组织样本的检测，最终检测到脂类、生物碱、糖苷、木质素、药物和蛋白质等化合物。直接的组织电离是质谱成像的补充技术，但其机理还需进一步研究。Freund等[24]对纳米喷雾电离源进行调整，开发了叶片喷雾质谱(leaf spray MS)，根据样品体积和水分含量加入0～50 μL电喷雾溶剂，直接分析植物组织，通常需要30～60 s完成1个样品的检测，是一种快速表征植物组织的活体分析技术，直接获取的生物信息对于人们在健康、营养、农业和能源方面的植物培养具有指导意义。此外，还有报道[25-26]利用内部萃取电喷雾电离质谱(iEESI-MS)法对动植物组织进行原位检测，将电喷雾溶剂通过动植物组织，从组织内部连续萃取目标待测物，在组织天然/剪切形成的尖端形成电喷雾用于质谱检测。Chen等[25]利用iEESI-MS分析了氨基酸、糖类和生物碱等化学物质，以区分不同种类的银杏和不同成熟阶段的草莓，并对吊兰的生理/病理状态进行表征。Liu等[26]利用iEESI-MS直接分析斑马鱼肝组织中氟虫腈及其衍生物代谢物，研究表明，斑马鱼在氟虫腈及其衍生物中暴露处理后产生了32个差异信号，其中甘油磷脂代谢变化最显著，为环境毒理学研究提供了一种新方法。通过对植物和动物组织进行直接电离，为实现分子水平上原位实时分析提供了一种简单、快速的方法，在生物学、医学和临床研究中具有重要意义，但在检测精度上还存在局限性。

3 提高固体基底电喷雾质谱离子源选择性的方法

为提高固体基底电喷雾质谱对复杂样品中痕量成分的检测能力，一方面，需要减少基质干扰对检测灵敏度的影响，尽可能多地收集目标分析物；另一方面，在电喷雾溶剂洗脱形成电喷雾的过程中，需要提高溶剂解吸能力和目标物离子化效率。利用功能性材料对固体基底进行表面修饰，通过改善选择性和极性达到减少基质干扰、提高选择性和吸附性、改善分离效率、提高检测灵敏度的目的[58-59]。目前报道的修饰材料主要有碳基材料、高分子聚合物和免疫材料[60]。

3.1 碳基材料修饰

3.1.1C4、C8和C18色谱柱填料 C4、C8和C18是常见的色谱柱填料，含对应碳原子数目的硅烷，可根据碳原子数目分离不同极性的物质。通过C4、C8和C18等对固体基底表面进行修饰，改变表面性质，可对复杂基质中的物质起到分离和富集作用，提高固体基底的选择性[61]。So等[62]将C4、C8和C18颗粒粘附在铝箔表面以提高铝箔基底的选择性吸附能力，可以从复杂生物基质中富集蛋白质、磷酸肽等生物大分子。Hu等[63]在木尖表面修饰疏水性(-C18)、酸性(-SO3)和碱性(-NH2)官能团，实现选择性富集和分离目标物，有效去除杂质以减少干扰。Deng等[64]通过对木头表面含有C8链和磺基的吸附剂层进行硅烷化和磺化改性，提高水中痕量氟喹诺酮类和大环内酯类抗生素的检测灵敏度，方法检出限低至1.8～4.5 ng/L。

3.1.2石墨烯类 石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)以及还原氧化石墨烯(rGO)是碳原子由sp2杂化连接而成的单层二维蜂窝状纳米材料，具有极高的理论表面积和较大的离域π电子体系，可以通过产生强π-π堆积作用吸附有机分子，有着优异的力学、热学和电化学性能[65]。Wei等[66]采用自然沉积法制备了氧化石墨烯修饰尼龙网膜，以此建立的膜喷雾质谱技术可以实现鱼肉中孔雀石绿的简单、快速定量分析，定量限0.65 μg/kg，回收率92.4%～96.7%。Ji等[67]以甲基接枝二氧化硅纳米球为模板，制备介孔石墨烯泡沫材料(MGFs)，并利用MGFs对纸张表面改性，采用纸质谱检测唾液中的安非他命，石墨烯提供了巨大的比表面积和静电堆积作用，提高了萃取和富集效果，与未修饰的纸基相比，检测的线性范围扩大了10倍，定量限降低了10倍。Song等[68]利用氧化石墨烯颗粒选择性吸附血液样品中的血红蛋白并进行iEESI-MS检测，基于血红蛋白分子组成的差异，成功鉴别了鸡、鸭、羊等不同动物的全血样品，并可检测仅掺假2%鸡血的羊血样品，该方法具有特异性高、分析速度快、灵敏度高、前处理简便和样品消耗低等特点。石墨烯类材料被称为“未来材料”，具有优异的性能，但作为吸附材料，在抗基质干扰能力和选择性上还有待改善。

3.1.3碳纳米管 碳纳米管(CNTs)[69]具有极强的力学结构、优异的导电性能、稳定的化学性质、巨大的疏水空间[70]，它赋予了纸基更大的比表面积、更小的孔径和更高的导电性。Han等[71]利用CNTs修饰的纸喷雾质谱技术实现了电泳后凝胶内完整蛋白的直接提取、解吸和电离，该技术作为一种全新的蛋白提取和检测方式在蛋白组学研究中具有应用潜力。Song等[72]将CNTs引入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中合成导电复合基底，并建立了导电聚合物喷雾电离方法，疏水性基底减少了对亲水杂质的吸附，亲水目标物在生物基质中的离子化效率提高了2～25倍，这是传统纸喷雾质谱难以实现的。该方法成功实现了生物基质中的亲水性药物、糖类、肽和蛋白质的直接质谱分析。CNTs作为吸附剂同样存在抗基质干扰能力和亲水性差的问题，限制了该材料在修饰固体基底的使用。

3.2 高分子聚合物材料修饰

3.2.1共价有机框架材料 共价有机框架(COFs)是由原子通过强共价键连接而成的多孔有机聚合物材料，可以通过预先设计得到特定的晶型结构，具有低密度、高稳定性、高比表面积、易调节孔径等特性，是一种优异的吸附材料[73]。Zhang等[74]以1,3,5-三甲酰间苯二酚和联苯胺为单体制备共价交联聚合物并对纸基进行修饰，检测环境样品中的四溴双酚A，与裸纸基底相比，COFs修饰的基底定量灵敏度提高了50倍。Gao等[75]以1,3,5-三甲酰间苯二酚和联苯胺为单体制备COFs，利用硅酮胶将合成的COFs颗粒涂覆在玻璃纤维上，建立了一种基于COFs的固相微萃取(SPME)与恒流解吸电离质谱，将其应用于环境水样中四溴双酚A的检测，检出限和定量限分别为0.92和3.1 ng/L，整个检测过程能在7 min内完成。

相比于其他高分子聚合材料，COFs对pH值、离子强度、温度具有更强的适应能力[76]。但在许多情况下，通过各种缩聚反应合成的COFs框架结晶度和孔隙度有限，影响COFs改性固体基底的多次重复使用，如何生产高结晶度框架材料仍是一个巨大挑战[77]。

3.2.2分子印迹聚合物 分子印迹聚合物(MIPs)是以模板分子的形状、大小和官能团定制的受体，是人工合成的抗原-抗体系统的类似物[78]，具有优异的化学和机械稳定性、对目标化合物的高特异性和良好的可重复使用性等，在对复杂样品基质的痕量物质检测中展现出优势[79]。Liu等[80]建立了一种分子印迹聚合物涂覆木尖电喷雾质谱法，以罗红霉素为模板，甲基丙烯酸为单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，合成的MIPs应用于水、蜂蜜和牛奶中5种大环内酯类抗生素的分析，富集因子的范围为12～1 604倍，检出限为0.003～15.8 ng/g，回收率为73.4%～98.1%。Huang等[81]通过将有机硅改性的丙烯酸酯分子印迹乳液滴加到木尖的表面进行修饰，使木尖能够选择性地从水产品中富集孔雀石绿(MG)及其代谢物，开发了分子印迹聚合物包覆的木尖电喷雾电离方法(MIPCWT-ESI)，并成功应用于自来水、河水和鱼类样品中MG的分析，检出限为0.05 μg/L，回收率为92%～113%。本实验室[82]将分子印迹技术与导电基板结合，首次合成了分子印迹聚合材料涂布的不锈钢片(MIPCS)，并将MIPCS与高压电源等装置集成，研制出新型高选择性敞开式离子源，将其应用于牛奶中5种氟喹诺酮类抗生素的检测，可在几十秒内完成，检出限与定量限分别为0.1～2 μg/L和1～5 μg/L。考虑到分子印迹聚合物的亲水性差，本实验室[83]选择甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和MPB含亲水基团的化合物作为功能单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为交联剂，在铁片表面合成了亲水性分子印迹聚合物(HMIPs)，结合敞开式质谱检测蜂蜜中5种磺胺类抗生素残留，仅需对蜂蜜进行比例稀释，无需复杂的前处理操作。该类敞开式离子源的开发不仅为食品快速检测技术提供了研究思路，也为药物研发、医疗诊断、环境保护等领域的研究提供了新方法。

MIPs制备工艺简单、成本低、稳定性好、选择性高，在固体基底表面修饰分子印迹，减少了吸附位点包埋现象，具有快速的传质速率和高表面活性等特性，为高选择性离子源制备开辟了新的途径[84]。然而，未洗脱完全的模板分子的“泄露”会对分析结果的准确性和可靠性产生影响，这也是实际应用中值得关注的问题。

3.2.3金属有机框架材料 金属有机框架材料(MOFs)是由单个金属离子或簇与有机基团连接组合的高度有序结构的晶体材料，具有低密度、高比表面积的特点。由于可用于合成MOFs的金属离子和有机配体的种类繁多，因此MOFs在结构设计和合成上具有很大的灵活性，可以根据目标物的特性合成特定结构，以增强其对目标物的选择性吸附能力[85-86]。Wang等[87]利用UiO-66(Zr)涂层对纸基进行修饰，成功应用于血液中氯氮平、阿米磺胺、喹硫平、利培酮和阿立哌唑5种精神病药物的分析，定量限低至0.04～0.65 μg/L，比未修饰的纸喷雾方法降低了8.5～46.6倍。

近年来，MOFs作为吸附材料多用于样品前处理对目标物进行萃取[88-89]，而用于固体基底修饰的报道尚不多见，这可能是受限于MOFs的成本偏高、稳定性稍差。因此，将MOFs应用于固体基底修饰还需要降低材料成本，提高材料稳定性。

3.2.4其他高分子聚合物 Wang等[90]通过简单的分散聚合法在纸基上包覆聚苯乙烯(PS)微球，用于生物基质中治疗药物的高灵敏度分析。PS粒子的修饰有利于将分析物从基体上洗脱下来，与未修饰的纸基相比，PS修饰纸喷雾的灵敏度最多提高了546倍，定量限为0.004～0.084 μg/L。Giovanna等[91]在不锈钢针表面修饰聚吡咯(PPy)涂层，用于检测尿中3,4-亚甲基二氧基甲基苯丙胺(MDMA)和4,5-亚甲基二氧基苯丙胺(MDA)，灵敏度可达30 μg/L，回收率接近100%。

Gómez-Ríos等[92]将具有生物相容性的高分子聚合物C18-聚丙烯腈涂布在不锈钢刀片上，开发了涂层刀片喷雾(CBS)，对血液中精神抑制药物的分析时间不超过3 min，检测结果线性关系良好，准确度高(RSD≤7%)，与传统的液相色谱-串联质谱法的结果差异不大，表明CBS是一种成本效益高的一次性痕量分析工具，可在现场提供快速可靠的检测信息。

3.3 免疫材料修饰

免疫材料修饰主要利用抗原-抗体之间的相互作用为固体基底提供强选择性，结合免疫反应平台可应用于单细胞和临床诊断。Chen等[93]将免疫反应与纸喷雾质谱结合，建立了基于纸喷雾质谱的免疫分析平台。目标物作为抗原与修饰于纸基上的抗体发生反应，抗体捕获抗原，抗原再捕获游离的抗体，在这些游离的抗体上修饰可分离的离子探针，最终通过离子探针的含量进行疟疾和癌症相关抗原分析，为生物标志物定量分析提供了一种环境友好、灵敏度高的方法。Xu等[94]建立了高灵敏度的敞开式免疫分析平台用于单细胞规模的多种蛋白质检测，以罗丹明(红色荧光染料)作为质谱标签，在没有交叉干扰的情况下原位检测癌细胞的3种膜蛋白，灵敏度提高了107倍，与昂贵的无机质谱标记相比，有机质谱标记将为免疫分析提供丰富的可能性。该平台可以在1滴样品中或在单细胞尺度上对数十种蛋白质生物标志物进行多路检测，用于临床诊断和治疗。Chen等[95]将膜上实验平台结合纸喷雾质谱高通量检测前列腺特异性抗原(PSA)，示于图3。生物素链霉亲和素支架的合成使PSA的捕获效率提高了5倍，同时利用金纳米颗粒修饰纸基放大信号，检测限为3 ng/L。最后，对人血清样品进行分析，使用该平台确定的PSA浓度与常规化学发光免疫法的结果一致，表明该平台适用于临床环境中前列腺癌的诊断。

图3 基于敞开式质谱的免疫反应平台[95] Fig.3 Immune response platform based on AMS[95]

4 总结与展望

本文针对敞开式固体基底质谱离子源，总结了常见的固体基底材料类型，以及近年来为提高离子源的选择性对固体基底进行改性和修饰的研究进展。通过对固体基底材料进行表面改性，使其具备了良好的分析能力和广泛的应用范围。在临床医学上，纸喷雾、组织喷雾和棉拭子喷雾的应用，提高了尿检、血检、癌症筛查的效率，同时减少了检测成本；在食品安全、环境和刑侦等检测领域，这种非破坏、快速、简便的方法极大地提高了检测效率；在单细胞分析和蛋白组学研究领域，高选择性离子源能够保持生物大分子的活性，是未来最具潜力的复杂生物大分子分析工具之一。

目前，高选择性敞开式离子源的研发仍面临着挑战。一方面，固体基底材料的改性多是由实验室自主研发，使用的材料和改性的方式各不相同，商品化的高选择性离子源尚未见报道；另一方面，敞开式离子源的精确定量能力有待提高，为满足实际样品的检测需要，固体基底在富集过程中的抗基质干扰能力和实验方法的重现性还需要继续研究。未来，高选择性敞开式离子源将朝着高特异性、强抗干扰能力、便携式、低成本的方向发展。随着质谱小型化的快速发展，将微型质谱与高选择性敞开式离子源结合，研制便携式高选择性质谱仪，在现场快速检测方面有着广阔的应用前景。