納流液相分離與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究新進(jìn)展

丁芳芳, 朱 玨, 郭 睿, 張 博*

(1. 廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 福建 廈門(mén) 361005; 2. 浙江省食品藥品檢驗(yàn)研究院， 浙江 杭州 310051)

近年來(lái),分析科學(xué)研究越來(lái)越關(guān)注微納尺度樣品檢測(cè)。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的硬電離技術(shù)電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS),因其檢出限低、通量高、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn),正逐步成為微納尺度分析中不可或缺的元素分析工具。ICP離子源溫度高達(dá)6 000～10 000 K[1],足以使樣品中化學(xué)鍵斷裂,同位素離子化成為帶正電的陽(yáng)離子。因此,ICP-MS對(duì)元素的檢測(cè)與所處分子環(huán)境無(wú)關(guān),受基體影響小,常用于獲取金屬和部分非金屬元素及其同位素的定量信息,是目前研究的熱點(diǎn)。

隨著現(xiàn)代生命科學(xué)研究對(duì)元素形態(tài)分析的關(guān)注,液相分離與ICP質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用也愈加廣泛。微量元素的生物活性及毒性不僅與該元素的總量有關(guān),更依賴(lài)于該元素的賦存形態(tài):同種元素的不同化學(xué)形態(tài),其生物活性和毒性相差甚遠(yuǎn),從而導(dǎo)致不同的環(huán)境毒害與生物效應(yīng)。因此,微量元素的形態(tài)分析變得越發(fā)重要,僅檢測(cè)微量元素總量已無(wú)法滿(mǎn)足不斷發(fā)展的生物化學(xué)、毒理學(xué)和營(yíng)養(yǎng)學(xué)等領(lǐng)域的研究需要,還需進(jìn)一步提供微量元素的形態(tài)鑒定及定量信息。

對(duì)有限的生物樣品中的微量元素進(jìn)行表征,需要納流液相分離技術(shù)和元素質(zhì)譜技術(shù)的耦合。納流液相分離是指體積流量在幾十～幾百納升/分鐘的液相分離技術(shù),包括納流液相色譜(nanoLC)、毛細(xì)管電泳(CE)以及微流控芯片(micro-chip LC, CE)[2],其顯著區(qū)別于經(jīng)典的高效液相色譜技術(shù)通常使用的毫升/分鐘的體積流量。由于其極低的體積流量,納流液相分離技術(shù)一方面能夠顯著減少樣品和溶劑消耗、降低分析成本、減小樣品稀釋程度、提高分析檢測(cè)靈敏度,與微尺度樣品有優(yōu)良的匹配性;另一方面,低速、微量的液流輸入還能顯著降低下游質(zhì)譜離子源的負(fù)擔(dān),因而與質(zhì)譜檢測(cè)器有良好的兼容性。納流液相分離技術(shù)與ICP質(zhì)譜分析聯(lián)用(見(jiàn)圖1),既具有前端分離技術(shù)高選擇性、高靈敏度、快速、低樣品消耗的特點(diǎn),又結(jié)合了后端ICP-MS檢測(cè)分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、可絕對(duì)定量等優(yōu)勢(shì),正在發(fā)展成為一種重要的分析手段。

圖 1 納流液相分離與ICP-MS聯(lián)用分析平臺(tái)Fig. 1 Hyphenation of nanoflow liquid phase separation techniques with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)

接口技術(shù)是實(shí)現(xiàn)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的關(guān)鍵,納流液相分離-ICP-MS聯(lián)用平臺(tái)包括在線聯(lián)用和離線聯(lián)用兩種方式。離線聯(lián)用的關(guān)鍵是對(duì)已分離樣品的有效收集。分離和檢測(cè)在時(shí)空上相對(duì)獨(dú)立,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)前端液相分離流出物在最佳流速下沉積存儲(chǔ),后端質(zhì)譜根據(jù)需要選取合適的數(shù)據(jù)采集速率[3,4]。與離線聯(lián)用相比,在線聯(lián)用則具有樣品損失少、自動(dòng)化程度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。在線聯(lián)用需要設(shè)計(jì)合適的接口,用于將已分離的樣品轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜儀中,接口裝置通常包括霧化器和霧化室兩部分,為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的噴霧效果、高效的離子化和盡量小的死體積,人們不斷對(duì)接口裝置進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。

微納液相分離與ICP-MS聯(lián)用技術(shù),此前已有多篇綜述報(bào)道。1997年,Garraud[5]最早綜述了微徑柱液相分離與原子光譜技術(shù)聯(lián)用;2007年,Schauml?ffel[6]對(duì)nanoLC與元素質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行了簡(jiǎn)短綜述;2014年,Grotti等[7]對(duì)微柱HPLC與ICP-MS聯(lián)用做出了系統(tǒng)綜述。2010年,Pr?frock[8]對(duì)包括毛細(xì)管液相色譜、nanoLC、CE等微尺度分離技術(shù)與元素質(zhì)譜聯(lián)用在蛋白組領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行過(guò)綜述。本文總結(jié)了納流液相色譜、毛細(xì)管電泳、微流控芯片等納流液相分離技術(shù)與ICP-MS聯(lián)用裝置的基本構(gòu)造,介紹了2010年以來(lái)納流液相分離技術(shù)與ICP-MS聯(lián)用發(fā)展新趨勢(shì),就其聯(lián)用技術(shù)新進(jìn)展及其在各分析領(lǐng)域的應(yīng)用予以綜述,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 納流液相分離與ICP-MS的聯(lián)用

納流液相分離通常在100 μm內(nèi)徑以下的石英毛細(xì)管或微流控芯片通道內(nèi)中進(jìn)行,流量范圍多為50～500 nL/min。而常規(guī)ICP-MS樣品引入系統(tǒng)一般包括氣動(dòng)霧化器和雙程霧化室兩部分,霧化器適用流量約為1 mL/min,且霧化室死體積較大(40～100 cm3),會(huì)導(dǎo)致譜帶展寬[9]。因此,納流分離與ICP-MS聯(lián)用要解決的是洗脫液流速與霧化器消耗量匹配的問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)合適的接口用于納流液相分離和ICP-MS聯(lián)用。納流液相分離與ICP-MS接口的設(shè)計(jì)可追溯至1995年,最早由Olesik等[10]提出CE與ICP-MS聯(lián)用。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展,已出現(xiàn)數(shù)十種類(lèi)型的接口,其中有的接口已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。按接口結(jié)構(gòu),可主要?jiǎng)澐譃閮纱箢?lèi):鞘液接口和無(wú)鞘液接口。

鞘液接口是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的接口類(lèi)型,其特點(diǎn)在于通過(guò)引入鞘液,提高總樣品流量使其與霧化器消耗量匹配。為降低稀釋效應(yīng)影響,鞘液接口多基于微流消耗量的氣動(dòng)霧化器。目前主要有兩種類(lèi)型:霧化器/霧化室式接口、直接注射式接口。

微流霧化器一般分為兩種類(lèi)型:同心式霧化器和非同心式霧化器。隨著研究的不斷發(fā)展,微型同心霧化器接口樣品提取量可低至3～7 μL/min[9]。通過(guò)降低同心霧化器中央毛細(xì)管尺寸或減小出口氣孔內(nèi)徑,能有效提高霧化器霧化效率,但會(huì)降低霧化器耐鹽性。因此,出現(xiàn)了氣相和液相結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立的非同心式霧化器,非同心式霧化器包括錯(cuò)流式、并行路徑式等,解決了耐鹽性問(wèn)題,但氣溶膠均一度不夠好,霧化效率不夠高。

常規(guī)的霧化器/霧化室式接口的樣品傳遞效率較低(通常2%～20%),會(huì)導(dǎo)致樣品浪費(fèi)和記憶效應(yīng)的產(chǎn)生。直接注射式接口(DIN)的出現(xiàn),解決了樣品傳遞效率的問(wèn)題。DIN接口的噴頭固定在等離子體后幾個(gè)毫米的位置[11],不使用噴霧室的基礎(chǔ)上,樣品傳遞效率可達(dá)到100%。DIN接口缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴,操作復(fù)雜且較為脆弱,因此出現(xiàn)了DIN和高效霧化室(HEN)結(jié)合構(gòu)建的直接注射高效霧化接口(DIHEN)[12],該接口綜合了DIN樣品傳遞效率高和HEN氣溶膠液滴粒徑分布窄且均勻的特點(diǎn),通過(guò)內(nèi)接毛細(xì)管(內(nèi)徑20 μm,外徑90 μm)設(shè)計(jì)[13],有效降低DIHEN的死體積。為克服DIHEN霧化器噴針易堵塞的缺陷,出現(xiàn)了可拆卸式DIHEN(d-DIHEN)[14,15],可隨時(shí)更換堵塞或熔融的毛細(xì)管,從而降低成本。

隨著分析檢測(cè)對(duì)儀器的靈敏度要求越來(lái)越高,無(wú)鞘液接口由于不存在任何稀釋效應(yīng)而逐漸受到青睞。相比于鞘液接口,無(wú)鞘液接口因其易堵塞或斷流,設(shè)計(jì)難度較大。接口設(shè)計(jì)多基于納流消耗量的霧化器[16],通過(guò)進(jìn)一步降低噴霧毛細(xì)管的內(nèi)徑和壁厚,以及氣體出口部分的面積,并在其后連接更低死體積的單程霧化室,適用流量可低于500 nL/min。

2 納流液相分離與ICP-MS聯(lián)用研究新進(jìn)展

2.1 CE-ICP-MS接口技術(shù)

CE技術(shù)是以石英毛細(xì)管為分離通道,高壓直流電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力,依據(jù)樣品各組分在電遷移行為上的差異而實(shí)現(xiàn)分離的分析方法。通常,毛細(xì)管電泳的電滲流流速在0.1～1.0 μL/min。CE-ICP-MS聯(lián)用裝置需要滿(mǎn)足以下條件:(1)提供穩(wěn)定的電流和電連接;(2)CE/MS接口流速與CE毛細(xì)管中電滲流的速度相容;(3)避免因CE毛細(xì)管兩端壓力差引起的層流[17]。迄今為止,主要有鞘液接口、無(wú)鞘液接口和其他接口技術(shù)。

2.1.1鞘液接口技術(shù)

鞘液接口是最早建立且實(shí)現(xiàn)商品化的CE-ICP-MS接口技術(shù)。通過(guò)引入鞘液,提高總樣品流速使其與霧化器流速匹配,同時(shí)能有效克服因氣動(dòng)霧化在毛細(xì)管出口端產(chǎn)生的負(fù)壓,避免層流的產(chǎn)生。

用于CE-ICP-MS聯(lián)用的各類(lèi)商品化接口,目前已得到了廣泛應(yīng)用。CETAC公司設(shè)計(jì)的CEI-100型接口[18],在自吸模式下,適應(yīng)流速約為5.4 μL/min[19]。用于粉煤灰和鯊魚(yú)肝中As、Se元素形態(tài)分析時(shí),檢出限分別達(dá)到0.6～1.8 ng/mL和0.5～1.4 ng/mL[20]。Agilent公司的CE-ICP-MS聯(lián)用儀(Agilent 7500ce)搭配Mira Mist CE霧化器(Burgener Research Inc.,加拿大)和Scott-type霧化室,用于環(huán)境中穩(wěn)定存在的氧化態(tài)Np(IV)和Np(V)形態(tài)分析時(shí),檢出限分別為1×10-9和5×10-10mol/L[21]。另一種商品化MicroMist霧化器(GE,澳大利亞)也被用作CE-ICP-MS連接接口,通過(guò)兩種不同電泳方法考察了4種有機(jī)錫化合物與人血清白蛋白相互作用[22],測(cè)得結(jié)合常數(shù)的RSD值為6.0%～8.3%,表明該CE-ICP-MS聯(lián)用裝置的準(zhǔn)確度高。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,商品化鞘液接口的易用性和準(zhǔn)確度已得到廣泛認(rèn)可。

商品化CE-ESI-MS噴霧接口[23,24](G1607A, Agilent, USA)也被用作CE-ICP-MS的霧化器。CE流出物與鞘液在CE毛細(xì)管出口端直接混合并噴霧,有效避免了霧化之前產(chǎn)生死體積,用于10種含As化合物中As元素的形態(tài)分析時(shí),檢出限低至19～65 fg[25]。進(jìn)一步優(yōu)化后,在CE-ESI-MS霧化器后端接自制的DIHEN霧化室(見(jiàn)圖2),有效提高了樣品傳遞效率,且裝置易于搭建,檢出限低至0.11 μg/L[26]。

圖 2 基于商品化CE-ESI-MS霧化器的CE-ICP-MS接口[26]Fig. 2 CE-ICP-MS interface based on commercial CE-ESI-MS sprayer[26]

圖 3 基于3層套管結(jié)構(gòu)的高效同軸霧化接口[27]Fig. 3 High performance concentric nebulizer based on triple tube configuration[27]PEEK: polyetheretherketone; PTFE: polytetrafluoroethylene; HPCN-PT: high performance concentric nebulizer with the PTFE tube.

2010年以來(lái),一些課題組對(duì)CE-ICP-MS聯(lián)用裝置進(jìn)行了新的技術(shù)探索。Fujii等[27]發(fā)展了一種高效同軸霧化接口,如圖3所示。該接口裝置包括3層套管霧化器、微體積霧化室以及一根固定在霧化室內(nèi)的石英毛細(xì)管作為液流通路,3層管路的設(shè)計(jì)有效提高了裝置的耐鹽性[28]。此后,該課題組[29]對(duì)裝置進(jìn)行了改進(jìn),將液流通路毛細(xì)管內(nèi)徑逐漸減小,使得尖端外徑為20 μm,尖端壁厚<8 μm。將其用于雙鏈DNA的定量分析[27],在液流速度為10 μL/min,霧化氣流速為1 L/min時(shí),基于流式聚焦效應(yīng),產(chǎn)生更穩(wěn)定的氣溶膠,生成的初級(jí)氣溶膠平均粒徑為3.4 μm,磷的檢出限和絕對(duì)檢出限分別達(dá)到3.7 μg/kg和0.6 pg(相當(dāng)于6 pg DNA)。

另一種基于流式聚焦的霧化平臺(tái)與上述設(shè)計(jì)類(lèi)似[30],采用十字連接器,四端分別連接分離毛細(xì)管、鉑電極和噴霧氣(Ar),最后一端通過(guò)毛細(xì)管連接到霧化器內(nèi),其后連接單通道噴霧室,Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)和總Cr的檢出限分別為0.1、0.2和0.03 μg/L。

2.1.2無(wú)鞘液接口技術(shù)

無(wú)鞘液接口一般將CE出口毛細(xì)管直接與ICP-MS霧化器相連,不通過(guò)鞘液來(lái)抵消霧化器吸力,因而不存在稀釋效應(yīng),但設(shè)計(jì)難度較大。Yang等[31]設(shè)計(jì)的無(wú)鞘液式CE-ICP-MS接口,如圖4所示。將毛細(xì)管裝入一個(gè)不銹鋼管套中,利用不銹鋼管形成電流回路;管后連接蠕動(dòng)泵1,再與一個(gè)三通相連,三通的另兩個(gè)通路分別與蠕動(dòng)泵2和質(zhì)譜檢測(cè)器連接。這個(gè)設(shè)計(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)在于可以隔離霧化氣和CE,使霧化氣的吸力作用不影響CE分離;同時(shí),接口死體積降至5 nL以?xún)?nèi)。但此裝置需要使用兩個(gè)蠕動(dòng)泵,進(jìn)行多次驅(qū)動(dòng)和暫停來(lái)完成一次分析,操作較繁瑣;且在暫停時(shí),不可避免地會(huì)有已分離組分的擴(kuò)散和返混,降低CE分離效率。

圖 4 無(wú)鞘液式CE-ICP-MS接口[31]Fig. 4 Sheathless interface for CE-ICP-MS[31]

Cheng等[32]成功設(shè)計(jì)了一種帶尖端的可拆卸霧化器接口(d-CMN),用于CE-ICP-MS聯(lián)用。該接口由霧化器主體、帶尖端的石英毛細(xì)管和聚四氟乙烯適配器組成,自吸流速低至4.77 μL/min;內(nèi)插的石英毛細(xì)管尖端處內(nèi)徑為30 μm,壁厚5 μm,霧化器氣孔直徑為200 μm。由于文丘里效應(yīng)(Venturi effect),有利于在低載流流速下形成均一且穩(wěn)定的氣溶膠,用于碘化物和碘酸鹽分析時(shí),絕對(duì)檢出限達(dá)到0.20和0.29 fg,可拆卸式設(shè)計(jì)使得毛細(xì)管堵塞或損壞時(shí)易于替換,大大改善了接口的可操作性和壽命。

2.1.3其他接口技術(shù)

氫化物發(fā)生(HG)進(jìn)樣技術(shù),是利用能產(chǎn)生初生態(tài)氫原子的還原劑,將樣品溶液中的待測(cè)元素還原為沸點(diǎn)較低的揮發(fā)性化合物,進(jìn)而在載氣的攜帶下進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。采用氫化物發(fā)生進(jìn)樣技術(shù),分析物的傳輸效率接近100%,并且還能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析物與復(fù)雜樣品基體的分離,為某些重要元素(As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Hg等)的形態(tài)分析提供了一種優(yōu)良的途徑。但目前,該技術(shù)的局限性在于在通入氫氣和衍生化過(guò)程中,過(guò)量的氫氣會(huì)導(dǎo)致CE背壓升高,不利于分離;且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜只適用于少數(shù)幾種元素的分析,因而應(yīng)用范圍相對(duì)較窄,近年來(lái)并沒(méi)有新的研究報(bào)道。此前,Magnuson等[33,34]報(bào)道了兩種CE-HG-ICP-MS接口,利用多個(gè)蠕動(dòng)泵,將CE和HG系統(tǒng)分隔開(kāi),避免硼氫化鈉-酸還原體系產(chǎn)生的大量氫氣影響CE分離。另外一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的CE-HG-ICP-MS接口,采用低死體積氣旋霧化室分離氣液兩相,同時(shí)減少氫氣產(chǎn)生并降低稀釋效應(yīng)[35]。

2.2 nanoLC-ICP-MS接口技術(shù)

相比CE-ICP-MS聯(lián)用,nanoLC-ICP-MS接口裝置更為簡(jiǎn)單。部分基于微流霧化器的商品化CE-ICP-MS接口在nanoLC-ICP-MS聯(lián)用中已得到廣泛應(yīng)用。

nDS-200型納流霧化器的出現(xiàn)[16],首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)鞘液式nanoLC-ICP-MS聯(lián)用。其后,Rappel等[36]又改進(jìn)設(shè)計(jì)了新型的納流霧化器nDS-200e,以?xún)?nèi)徑20 μm、外徑90 μm的薄壁石英毛細(xì)管取代空心石英針頭,有效降低背壓,減少堵塞現(xiàn)象,樣品適應(yīng)流速范圍更寬(50～4 000 nL/min);還可通過(guò)不同尺寸霧化器及霧化室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),構(gòu)建鞘液或無(wú)鞘液接口。Holste等[37]利用十通閥,在上述nanoLC-ICP-MS聯(lián)用裝置基礎(chǔ)上增加了在線預(yù)清洗步驟:用于分析鑭系元素標(biāo)記的多肽時(shí),先進(jìn)行6 min預(yù)清洗,背景金屬信號(hào)值降至樣品峰高0.44%,多肽回收率得到顯著提高。

對(duì)于自行構(gòu)建的nanoLC-ICP-MS聯(lián)用平臺(tái),在元件方面有了更自由的選擇,普遍采用自制的納流液相色譜柱。本小組在微柱制備方面有較好的積累,基于單顆粒柱塞法不僅能夠制備用于nanoLC、CEC的毛細(xì)管微柱[38-42],還嘗試了短柱床[43]、超長(zhǎng)柱長(zhǎng)[44]、多級(jí)柱床[45]、多檢測(cè)點(diǎn)微柱[46]等多種柱型,為nanoLC-ICP-MS聯(lián)用提供了豐富選擇。這一單顆粒柱塞法已被同行用于CE-ESI-MS聯(lián)用[43],并在最近也應(yīng)用到了nanoLC-ICP-MS聯(lián)用中[47,48]。

Cheng等[32]基于先期設(shè)計(jì)的無(wú)鞘液式CE-ICP-MS可拆卸霧化器接口,最近還開(kāi)展了nanoLC-ICP-MS研究[47]。由于該裝置顯著降低的死體積(60 nL),他們采用毛細(xì)管色譜柱獲得了亞砷酸鹽、砷酸鹽、甲基砷酸鹽、二甲基砷酸鹽高分辨分離與高靈敏檢測(cè)。在最新的工作中,Cheng等[48]進(jìn)一步改進(jìn)了裝置設(shè)計(jì),發(fā)展了共軸雙層毛細(xì)管結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5):將毛細(xì)管填充色譜柱作為內(nèi)毛細(xì)管直接引入至霧化器中,外毛細(xì)管作為載氣引入通道。這一接口不僅使得死體積最小化,還可以相對(duì)獨(dú)立地分別優(yōu)化霧化效率和樣品傳輸效率,從而在納流液相色譜條件下獲得高靈敏度、高分辨率和低檢測(cè)限。相比于商品化的霧化器,Cheng等[48]發(fā)展的霧化裝置不僅制作簡(jiǎn)單、快速,且重現(xiàn)性好、成本低廉,具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖 5 基于毛細(xì)管柱直接插入式霧化器的nanoLC-ICP-MS接口[48]Fig. 5 An in-column high-pressure nebulizer-based nanoLC-ICP-MS interface[48]

圖 6 基于單分散微液滴樣品引入接口的nanoLC-ICP-MS 聯(lián)用裝置[49]Fig. 6 Monodisperse microdroplets-based nanoLC-ICP-MS interface[49]

不同于傳統(tǒng)的連續(xù)流霧化裝置,Groh等[49]提出單分散微液滴(MDMD)樣品引入接口,如圖6所示。將納流液相流出物直接與內(nèi)徑30 μm的壓電噴頭毛細(xì)管相連,生成40～50 μm(33～65 pL)大小的液滴,然后引入到ICP炬中檢測(cè)。此裝置適合在低損耗條件下的微量樣品引入,樣品引入效率達(dá)100%,檢出限低至fg級(jí)。缺點(diǎn)在于商品化的液滴生成裝置死體積較大(50 nL),如果能與微流控芯片技術(shù)結(jié)合,將顯著減小樣品死體積,提高檢測(cè)分辨率。

2.3 微流控芯片ICP-MS接口技術(shù)

微流控芯片是利用微機(jī)電加工(MEMS)技術(shù)在玻璃、硅、石英和有機(jī)高分子聚合物等基片表面,構(gòu)建微管道、微閥、微泵等分析單元和系統(tǒng),完成進(jìn)樣、樣品預(yù)處理、生物或化學(xué)反應(yīng)、分離和檢測(cè)等操作,具有低樣品消耗、高通量、易于集成化等優(yōu)勢(shì)[50],是化學(xué)與生化分析的優(yōu)良工具。

芯片電泳(MCE)與常規(guī)毛細(xì)管電泳相比,體積小、分析路徑短、樣品譜帶展寬效應(yīng)弱,分析速度更快。而且,通過(guò)芯片多通道設(shè)計(jì)或者芯片并聯(lián),更容易實(shí)現(xiàn)多通道/多維分離,可以大大提高分析通量;特別是芯片與MS接口技術(shù)的發(fā)展將大大促進(jìn)MCE-MS聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展。MCE-ICP-MS聯(lián)用的方法主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是將ICP源和CE微芯片整合在一起;另一類(lèi)是將毛細(xì)管?chē)婌F器附加在CE微芯片內(nèi)。對(duì)于前者,目前已有報(bào)道利用低流速的商品化噴霧器[51,52]或可拆卸的微流噴霧器[32,53]作為接口,這些接口裝置對(duì)于大多種元素的檢測(cè),檢出限可達(dá)ppm級(jí),已用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。而后者的應(yīng)用更有利于裝置的微型化,對(duì)于這種附加終端毛細(xì)管?chē)婌F器的接口,需考慮兩個(gè)重要因素:一是連接處的死體積,另一個(gè)是通道間的對(duì)準(zhǔn)。液接型無(wú)鞘液接口雖然對(duì)準(zhǔn)容易,但死體積大,因此很少使用。而鞘液型接口由于其對(duì)樣品的稀釋作用會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低?？傮w而言,MCE-ICP-MS接口技術(shù)還不成熟,但由于芯片電泳具有分離時(shí)間短、樣品消耗少、高通量的優(yōu)點(diǎn),這種接口技術(shù)已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

液滴微流控基于兩相不混溶的流體生成微小液體單元,通過(guò)分裂、融合、混合、分選、存儲(chǔ)和編碼等操作實(shí)現(xiàn)微小樣品單元的精密操控,是新一代的微流控技術(shù)。我們?cè)M(jìn)行過(guò)該主題的綜述[54,55]。

最近,Verboket等[56]報(bào)道了基于液滴微流控芯片與ICP-MS聯(lián)用的技術(shù);液滴切割是在流式聚焦(flow-focusing)構(gòu)型的PDMS微流控芯片孔道內(nèi)進(jìn)行。在樣品通道的末端兩個(gè)分支孔道內(nèi)引入不相溶的油相(PFH),油相將樣品液流切分成納升級(jí)的液滴單元,樣品以微液滴的形式收集并能保證無(wú)擴(kuò)散的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移;最后通過(guò)膜去溶裝置蒸發(fā)去除油相,再引入ICP-MS中分析檢測(cè)。該方法可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞中的元素分析,但該報(bào)道中并未涉及樣品引入前端的高效分離裝置。

圖 7 基于離線接口的CE-MALDI-MS/ICP-MS離線聯(lián)用裝置[65]Fig. 7 Off-line interface for CE-MALDI-MS and CE-ICP-MS[65]

由于其微納尺度的分辨率,液滴微流控技術(shù)能夠與納流液相分離很好地匹配[57-59]。我們?cè)谠缙诘墓ぷ髦袊L試了納流液相分離與液滴微流控芯片的耦合[60]。將納流液相色譜分離后的樣品以納升級(jí)液滴的方式存儲(chǔ)下來(lái),這樣一方面保存了液相色譜所獲得的分離度;同時(shí)也使得樣品能夠相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)入第二維毛細(xì)管電泳,并實(shí)現(xiàn)色譜與電泳的分別優(yōu)化。事實(shí)證明,液滴微流控是一種高效的微納尺度二維分離解決方案,適合微小尺度樣品的二維分離分析[61]。在后續(xù)的工作中[62],我們將液滴微流控技術(shù)結(jié)合我組建立的單顆粒塞微柱制造技術(shù)[38-40],構(gòu)建了基于納流液相色譜-毛細(xì)管電泳的二維微納分離平臺(tái),以人尿液蛋白質(zhì)組體系為分析對(duì)象,我們獲得了12 000的高峰容量?？梢云诖?液滴微流控技術(shù)與ICP-MS技術(shù)的結(jié)合將為高分辨和高靈敏度的生物醫(yī)學(xué)研究,如金屬蛋白組學(xué),提供全新的分析工具。

2.4 離線聯(lián)用技術(shù)

納流液相分離與ICP-MS離線聯(lián)用也正在引起研究者的關(guān)注。離線聯(lián)用將分離與檢測(cè)過(guò)程在時(shí)空上分隔開(kāi)來(lái),能夠分別同時(shí)滿(mǎn)足分離與檢測(cè)的最優(yōu)化。激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)[63]、基底輔助激光解吸電感耦合等離子體質(zhì)譜(SALD-ICP-MS)[64,65]等新型ICP-MS技術(shù)的出現(xiàn),為離線聯(lián)用提供了可能。將經(jīng)過(guò)納流液相色譜或電泳分離后的組分,以連續(xù)流或液滴流的方式,收集到合適的靶板上;蒸發(fā)、導(dǎo)入到上述ICP-MS平臺(tái)上檢測(cè)。這類(lèi)方法更易于操控樣品,不需額外設(shè)計(jì)接口,初次MS檢測(cè)沒(méi)有消耗完的珍稀樣品,還可儲(chǔ)存以待下次分析。

Tomalova等[64]將CE分離后的樣品收集到特制的聚乙烯對(duì)苯乙二醇(PETG)靶板上,PETG作為輔助基質(zhì),有利于樣品充分的熔融、解離,以實(shí)現(xiàn)后端ICP-MS對(duì)元素的定量分析。后來(lái),他們改進(jìn)該方法[65],在PETG靶板上預(yù)先濺射了10 nm厚的金涂層,用于金屬硫蛋白(MTs)分析,能同時(shí)滿(mǎn)足后端MALDI-MS和ICP-MS兩種檢測(cè)方式的實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖7)。目前,離線聯(lián)用技術(shù)的精確度、靈敏度不夠高[66],還有待發(fā)展。

3 納流液相分離與ICP-MS聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用

隨著聯(lián)用接口技術(shù)的日趨豐富與成熟,微納液相分離-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)已成為現(xiàn)代化學(xué)與生化分析中有力的研究工具。由于能夠跟蹤被測(cè)元素在不同形態(tài)下的信號(hào)變化,該技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及生命體系,水、土壤等環(huán)境監(jiān)測(cè)以及新材料與新能源等領(lǐng)域。它不僅可以分析金屬配位絡(luò)合物的元素形態(tài),進(jìn)行元素形態(tài)的確認(rèn)和定量分析,還能夠解析重金屬或過(guò)渡金屬與有機(jī)物反應(yīng)和遷移的化學(xué)機(jī)理、毒性機(jī)理,這些研究為疾病診斷、藥物開(kāi)發(fā)、食品監(jiān)測(cè)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等提供了重要依據(jù)。

3.1 蛋白質(zhì)分析與生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學(xué)研究在臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用,其中蛋白質(zhì)的定量分析對(duì)于腫瘤標(biāo)志物測(cè)定、臨床疾病的診斷和治療、蛋白質(zhì)和多肽藥物的質(zhì)量控制等具有重要意義[67]。ICP-MS是檢測(cè)生物系統(tǒng)中微量和痕量元素的理想工具,不僅靈敏度高、特異性好,而且測(cè)量時(shí)不易受基體的干擾。生命體系中ICP-MS的研究主要面向:以非共價(jià)鍵偶聯(lián)的金屬蛋白質(zhì)組,如Cu、Zn、Cd、Fe等;以共價(jià)鍵偶聯(lián)的雜原子蛋白組,如P、S、Se、I等;加入元素標(biāo)記的非金屬蛋白組,如I、Hg、鑭系金屬標(biāo)記等[68]。

2012年,Timerbaev等[69]對(duì)CE-ICP-MS在抗癌藥物與金屬蛋白質(zhì)組形態(tài)分析中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,研究金屬基抗癌藥在血液中富集、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞及在癌細(xì)胞內(nèi)的作用過(guò)程。Aleksenko等[70]采用CEI-100接口作為CE-ICP-MS連接裝置,研究了體外細(xì)胞內(nèi)條件下含釕抗癌藥物血清蛋白加合物的形態(tài)。Nguyen等[71,72]利用Mira-Mist接口分離了脂質(zhì)體包裹順鉑和蛋白質(zhì)結(jié)合順鉑中的游離順鉑,檢出限可低至29 ng/mL。生物體內(nèi)的溶菌酶含量與乳腺癌息息相關(guān)[73], Fu等[74]采用Gd3+標(biāo)記技術(shù),結(jié)合自制的CE-ICP-MS接口用于生物體內(nèi)溶菌酶的定量分析,檢出限低至3.89 amol,同樣的裝置用于銪標(biāo)記的3種β-CMs多肽的定量分析時(shí),檢出限可達(dá)1.79～2.13 amol[75]。

3.2 納米材料分析中的應(yīng)用

納米材料具有異于常規(guī)材料的物理化學(xué)性質(zhì)(如高比表面積、粒徑調(diào)控?zé)晒?、電子隧道效?yīng)等)[76,77],由于這些特殊的物理化學(xué)性質(zhì),納米材料在光學(xué)、電子、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[78,79]。目前,納米材料作為藥物載體、催化劑、分子診斷標(biāo)記物等已經(jīng)得到實(shí)際的應(yīng)用[80],主要應(yīng)用于抗菌劑、醫(yī)藥、生物傳感器等產(chǎn)品中[81-83]。這些應(yīng)用使納米材料跟人體密切接觸并被釋放到環(huán)境中[84,85],因此納米材料的健康效應(yīng)以及環(huán)境安全性引起了人們的關(guān)注。

研究表明,納米尺度內(nèi),粒徑較小的納米顆粒更容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),從而導(dǎo)致更強(qiáng)的生物活性及生物損傷[86]。納米銀是應(yīng)用最為廣泛的納米材料之一,當(dāng)納米銀的穩(wěn)定性遭到破壞,納米銀顆粒將發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,顆粒粒徑增加,部分或全部失去納米材料的特征性質(zhì)。顆粒的團(tuán)聚將影響細(xì)胞對(duì)顆粒的吸收和吞噬作用[87],從而影響顆粒的生物可利用性和毒性。近年來(lái),毛細(xì)管電泳技術(shù)被廣泛用于納米材料的表征[88-92]:基于斯托克斯效應(yīng),不同類(lèi)型及粒徑的多分散球形納米粒子,因其表面電荷數(shù)的差異,可經(jīng)CE-ICP-MS技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步分離與檢測(cè)。在毛細(xì)管電泳過(guò)程中加入高濃度表面活性劑作為電解液[93],還可以有效提高10 nm以下納米粒子的分辨率。該技術(shù)相比于透射電鏡或動(dòng)態(tài)光散射,準(zhǔn)確度更高,可用于復(fù)雜基體中納米粒子的尺寸鑒定,但局限在于其只適用于表面電荷均勻的球形納米粒子。

ICP-MS在單顆粒模式下運(yùn)行,可用于分析稀溶液中的納米粒子。其原理在于,單個(gè)納米顆粒的離子氛信號(hào)與其質(zhì)量成正比,由此可以推知納米粒子的尺寸,同時(shí)還可以獲得顆粒濃度信息。實(shí)踐中,單顆粒ICP-MS的效果與顆粒的駐留時(shí)間和信號(hào)處理方法密切相關(guān)。Franze等[94]基于CE與單顆粒(SP-ICP-MS)聯(lián)用,實(shí)現(xiàn)了10～60 nm金納米顆粒的分析,然而其駐留時(shí)間仍在毫秒水平。最近的工作中,這一研究小組[95]通過(guò)改進(jìn)信號(hào)處理算法,將可分辨的駐留時(shí)間縮短到微秒水平,并實(shí)現(xiàn)了20～60 nm銀納米顆粒的高分辨分離分析。

在設(shè)計(jì)與研發(fā)應(yīng)用于人體的功能納米材料時(shí),不可避免地需要評(píng)價(jià)納米顆粒與蛋白質(zhì)的加成物,因而迫切需要能夠分辨和表征納米顆粒-蛋白加成物的分析工具[96]。Legat等[97]基于CE-ICP-MS技術(shù)以及前期自行開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理算法[98],研究了不同形狀、尺寸和表面功能化的金納米粒子與血清蛋白的相互作用行為,通過(guò)系統(tǒng)地優(yōu)化CE分離條件,成功獲得了游離納米粒子以及不同納米粒子-蛋白加成物的基線分離。這一分析策略的實(shí)現(xiàn)使得監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)生理?xiàng)l件下金納米顆粒的形態(tài)變化成為可能[99]。

3.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.4 食品分析中的應(yīng)用

食品安全與功能食品研究已成為全球關(guān)注的議題。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展。環(huán)境污染、化學(xué)合成品的使用量增加,重金屬元素隨食物鏈傳遞,最易在食品中富集。食品中的污染元素與人類(lèi)健康密切相關(guān),對(duì)食品的質(zhì)量控制及食品中殘留的農(nóng)藥及抗生素類(lèi)藥物檢測(cè)對(duì)人類(lèi)健康極為重要。Qu等[106]采用α-淀粉酶輔助水相微波提取方法結(jié)合CE-ICP-MS技術(shù)對(duì)大米中的4種常見(jiàn)形態(tài)的砷進(jìn)行檢測(cè),檢出限為0.15～0.27 ng/g。Chen等[107]對(duì)海鮮中的鉛進(jìn)行形態(tài)分析,在20分鐘內(nèi)測(cè)定蛤和牡蠣組織中的Pb2+、氯化三甲基鉛(TML)和氯化三乙基鉛(TEL), RSD<5%(n=6),回收率為91%～104%。Fu等[108]成功測(cè)定了營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑(吡啶甲酸鉻酵母片)中的Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)和吡啶甲酸鉻,檢出限分別為0.10、0.18和0.20 ng Cr/mL。Fu等[109]報(bào)道了一種分散式固相萃取法,即在攪拌條件下,將萃取劑直接投入到樣品溶液中吸附并富集分析物。使用該方法,他們提取并富集了水樣中的MeHg、EtHg和Hg2+,并基于CE-ICP-MS,同步分析了痕量的MeHg、EtHg和Hg2+。海產(chǎn)品尤其是貝殼類(lèi)海產(chǎn)品會(huì)富集蛤蚌毒素,并通過(guò)食物鏈傳遞給人類(lèi)。Fu等[110]通過(guò)Eu3+螯合物標(biāo)記策略實(shí)現(xiàn)了蛤蚌毒素的間接檢測(cè),方法具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好以及靈敏度高等諸多優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,納流液相分離-ICP-MS聯(lián)用已成為重要的分離分析手段,在各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。本文綜述了近年來(lái)納流液相分離-ICP-MS聯(lián)用接口技術(shù)的發(fā)展及其在化學(xué)與生命分析領(lǐng)域的應(yīng)用。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),仍將集中在提高液相色譜分離能力、新型接口技術(shù)以及應(yīng)用研究方面。

(1)隨著色譜儀器與色譜填料技術(shù)的不斷進(jìn)步,液相色譜的分辨能力有了很大的提升。但對(duì)于高度復(fù)雜的生物體系(如蛋白質(zhì)組)來(lái)說(shuō),單維液相色譜1 000多的峰容量仍然顯得不足。多維分離可以通過(guò)耦合不同的單維分離技術(shù)獲得更高的分辨率。可以期待,多維分離與ICP-MS的聯(lián)用將能提供更豐富的樣品信息。

(2)引入在線富集技術(shù),如SPE微柱在線聯(lián)用或者毛細(xì)管柱上富集,將進(jìn)一步提高液相分離-ICP-MS聯(lián)用的選擇性和靈敏度,簡(jiǎn)化基質(zhì)復(fù)雜的生物樣品的分析流程,減少樣品的損失,提高分析通量。

(3)應(yīng)用研究的進(jìn)一步拓展。元素質(zhì)譜技術(shù)(ICP-MS)和分子質(zhì)譜技術(shù)(ESI-MS、MALDI-MS)是兩種互補(bǔ)的質(zhì)譜技術(shù),元素質(zhì)譜具有無(wú)可比擬的元素定量能力和高靈敏度,而分子質(zhì)譜能夠提供豐富的分子結(jié)構(gòu)信息[111, 112]。元素質(zhì)譜和分子質(zhì)譜與前端液相分離的同步聯(lián)用將有望提供復(fù)雜分子體系全面的信息,這樣的聯(lián)用平臺(tái)將在蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等重要生命科學(xué)前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。