瓜子殼作為新型木質(zhì)電噴霧材料的分析性能研究

劉喆 郭云龍 許慶軒 劉淑瑩

摘 要 ：建立了一種簡單經(jīng)濟實用的電噴霧質(zhì)譜技術(shù) （ESIMS），利用一次性前端削尖的瓜子殼承載樣品，并使其離子化。采用瓜子殼蘸取樣品溶液，或通過移液器將樣品加入到瓜子殼的凹槽中。瓜子殼的尖端角度在60°～90°范圍內(nèi)， 瓜子殼尖端與質(zhì)譜儀入口之間的距離在2～3 mm范圍內(nèi)， 關(guān)閉所有去溶劑化氣體， 在尖端施加3.5～4.0 kV高壓后，可獲得理想的質(zhì)譜效果。實驗結(jié)果表明，這種新技術(shù)適用于多種樣品的分析，包括木質(zhì)素、人參皂苷、氨基酸和蛋白質(zhì)等。將其與傳統(tǒng)電噴霧和牙簽?zāi)炯鈬婌F進行對比，在檢測木質(zhì)素類物質(zhì)和人參皂苷及蛋白質(zhì)分子時，瓜子殼木尖噴霧相較于其它兩種電離方式效果更佳。本方法還可分析一些不能通過傳統(tǒng)的電噴霧技術(shù)直接分析的樣品，如固體粉末樣品等。在本研究中，參照ESI的單針進樣方式設(shè)計了一種可連續(xù)進樣的裝置，利用此裝置對人參粉末進行在線提取，獲得持續(xù)穩(wěn)定的總離子流圖，并得到了十分豐富的質(zhì)譜信息。

關(guān)鍵詞 ：質(zhì)譜; 電噴霧; 木尖噴霧; 瓜子殼; 在線提取

1 引 言

電噴霧電離質(zhì)譜 （ESIMS）[～3]可分析多種類型的化合物，甚至能夠分析熱不穩(wěn)定、不易揮發(fā)的各種生物及合成的大分子聚合物，具有很高的分析靈敏度，可與分離技術(shù) （如液相色譜、毛細管電泳） 非常方便地聯(lián)用[4]，在多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5，6]。ESIMS與大氣壓化學(xué)電離 （APCI）[7，8]一起成為了目前廣泛使用的大氣壓電離方法，合稱大氣壓電離 （API） 技術(shù)。與真空條件下操作的質(zhì)譜 （如電子轟擊質(zhì)譜（EIMS）、基質(zhì)輔助激光解吸質(zhì)譜 （MALDIMS） ） 相比，盡管API質(zhì)譜使用更方便，但在通常情況下仍需要進行復(fù)雜的前處理，即對樣品進行提取和凈化，甚至還需進一步分離，因此，分析過程依然繁瑣耗時，效率很低。為了提高分析效率及樣品分析通量，近年來開發(fā)了各種原位電離技術(shù)，不需要樣品前處理，也不需要色譜 （或毛細管電泳） 分離，實際樣品直接分析[9～13]。這些原位電離技術(shù)都是將現(xiàn)有電離技術(shù)進行某種程度的改進，并與各種取樣技術(shù)有機結(jié)合，從而產(chǎn)生傳統(tǒng)質(zhì)譜所不具有的原位分析功能。其中，基于電噴霧的原位電離技術(shù)的一個重要發(fā)展方向是將封閉式 （即樣品通過毛細管發(fā)生噴霧） 轉(zhuǎn)化為開放式 （非毛細管電噴霧），并對用于電噴霧的材料進行各種嘗試，包括電噴霧探針技術(shù) （Probe electrospray ionization，PESI）[4]、直接電離技術(shù) （Direct ionization）[5]、紙噴霧電離 （Paper spray ionization，PSI）[6，17]、葉噴霧電離 （Leaf spray）[8，19]、圓珠筆電噴霧 （Ballpoint electrospray ionization，BPESI）[20]、多功能碳纖維電離 （Carbon fiber ionization，CFI）[21]、組織電噴霧 （Tissue spray） [22，23]和木尖噴霧電離 （Wooden tips spray）[24，25]等。電噴霧探針技術(shù) （PESI） 主要采用金屬絲或金屬針作為探針，使用探針尖蘸取少量液體樣品，并在探針上施加高電壓，樣品在探針尖上產(chǎn)生噴霧[26]。近幾年使用木質(zhì)尖取代金屬作為探針，與金屬探針相比具有很多優(yōu)良性能，其中木材的親水性和多孔性使得樣品溶液能有效粘附在尖端表面上 [27]，有利于樣品檢測，且不會因為檢測時尖端發(fā)生放電現(xiàn)象而失效。葉噴霧、組織噴霧和直接電離這3種技術(shù)十分相似，與探針噴霧不同，它們均不需要專門的噴霧裝置，可直接將植物、動物的組織加工成三角形，將高電壓和溶劑施加在組織上，溶劑將組織中的成分提取出來，在三角形樣品的尖端處產(chǎn)生電噴霧，將其中的化學(xué)物質(zhì)離子化送入質(zhì)譜儀中檢測，待測物本身既作為噴霧探針， 又作為樣品。迄今為止，使用該電離技術(shù)已成功分析了人參、桑樹葉、天麻以及動物組織等樣品，提供了有關(guān)糖、氨基酸、脂肪酸、脂類和生物堿的實時高質(zhì)量的質(zhì)譜信息[22，28，29]。

雖然各式新型的電噴霧技術(shù)相繼被開發(fā)，但對于不同類型樣品的檢測還有一定的局限性。例如使用牙簽作為噴霧探針時，由于其尖端體積很小，能夠承載的樣品溶液很少。直接電離方法操作雖然比牙簽噴霧簡便，克服了牙簽承載樣品量少的限制，但是電噴霧的產(chǎn)生要求噴霧材料有一個尖端，以保證施加電壓時能夠在尖端產(chǎn)生穩(wěn)定的泰勒錐 （Taylor cone），但是將高淀粉含量的粉末狀或膏狀的樣品加工成一個符合要求的尖端并不容易。瓜子殼作為木尖噴霧的材料，可將提取和檢測在線耦合到一起，有利于提高信號強度。 本研究以瓜子殼作為木質(zhì)噴霧離子化裝置， 其凹槽是一個天然的樣品池， 可承載較大的液體或固體樣品量，若再連接一個溶劑 （或溶液） 連續(xù)注入裝置，就可獲得連續(xù)不間斷的離子信號。

3 結(jié)果與討論

3.1 瓜子殼噴霧實驗條件優(yōu)化

3.1.1 瓜子殼尖端與質(zhì)譜儀入口距離 以五味子丙素為模型樣品進行各項參數(shù)優(yōu)化。其中，瓜子殼尖端與質(zhì)譜儀入口的距離是重要的影響因素。實驗表明，當(dāng)瓜子殼的尖端與質(zhì)譜儀入口的距離較遠時，瓜子殼的尖端無法在施加溶劑及高壓后形成Taylor cone，產(chǎn)生相應(yīng)的離子信號; 將瓜子殼的尖端置于距質(zhì)譜儀入口2～3 mm，可得到良好的離子信號。

3.1.2 電壓選擇 將瓜子殼的木質(zhì)尖端置于距入口2～3 mm處，當(dāng)施加電壓低于1.5 kV時，在質(zhì)譜中幾乎觀察不到樣品離子的信號; 施加2.5 kV電壓，在質(zhì)譜中可觀察到較弱的離子信息。隨電壓逐漸增加，信號也隨之增強，當(dāng)電壓達到3.5 kV時，樣品在質(zhì)譜中的離子信號良好且穩(wěn)定。電壓增加直至4.0 kV以上，離子強度變化不大，且在檢測的過程中易發(fā)生放電現(xiàn)象。因此，將噴霧電壓設(shè)定在3.5～4.0 kV。

3.1.3 瓜子殼噴霧尖端角度選擇 瓜子殼主要成分為纖維素，小分子化合物很少，為避免在檢測過程中產(chǎn)生干擾，需要進行簡單清洗。依次用超純水和甲醇各超聲15 min，去除雜質(zhì)，并將瓜子殼尖端剪成任意角度。圖2為瓜子殼的空白背景木尖噴霧質(zhì)譜圖。在此基礎(chǔ)上，加長超聲時間，質(zhì)譜圖中的背景峰變化不大。將瓜子殼的尖端剪成不同的角度放在質(zhì)譜儀入口進行檢測，如圖3所示，當(dāng)瓜子殼的角度在30°時，質(zhì)譜的離子強度很弱，幾乎觀察不到目標化合物的信號; 當(dāng)角度為45°時，質(zhì)譜的離子信號增加了約兩個數(shù)量級; 當(dāng)角度到達60°時，可在質(zhì)譜中觀察到穩(wěn)定的離子信號。角度增加至90°，信號未減弱且十分穩(wěn)定; 當(dāng)角度增加至90°～120°時，可觀察到離子強度明顯下降; 當(dāng)角度增加至150°時，質(zhì)譜信號出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，觀察到的信號幾乎與30°時相同，目標化合物信號消失。因此，60°～90°是瓜子殼的尖端最佳角度。

4 結(jié) 論

瓜子殼木尖噴霧電離在多類樣品的檢測中都具有良好的實用性。此新型離子源中使用的瓜子殼容易獲得，并可與具有大氣壓接口的各種質(zhì)譜儀聯(lián)用。樣品檢測簡單、方便、快速。瓜子殼天然的載樣功能可獲得持久穩(wěn)定的離子信號。實驗結(jié)果表明，這種新型改良離子源可用于多種小分子化合物以及大分子蛋白質(zhì)的常規(guī)分析。新方法的電離與電噴霧電離均溫和。此外，在中藥有效成分的檢測過程中，瓜子殼木尖噴霧相對于電噴霧電離源顯示出了明顯優(yōu)勢。在線提取裝置將固體樣品提取和質(zhì)譜分析相結(jié)合，可像封閉式電噴霧的單針進樣一樣，獲得持續(xù)穩(wěn)定的離子信號，并可作為色譜和質(zhì)譜的接口，實現(xiàn)液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析。本方法在中藥分析、臨床和法醫(yī)分析中具有較大的應(yīng)用潛力。

References

1 Fenn J B， Mann M， Meng C K， Wong S F， Whitehouse C M. Science， 1989， 246（4926）： 64-71

2 Cech N B， Enke C G. Mass Spectrom. Rev.， 2001，? 20（6）： 362-387

3 Pei J， Hsu C C， Yu K， Wang Y， Huang G. Anal. Chim. Acta， 2018，? 1011： 59-67

4 Sarver S A， Schiavone N M， Arceo J， Peuchen E H， Zhang Z， Sun L， Dovichi N J. Talanta，? 2017，? 165： 522-525

5 CHEN HuanWen， ZHANG Xie，? LUO MingBiao. Chinese J. Anal. Chem.? 2006，? 34（4）： 464-468

陳煥文， 張 燮， 羅明標.分析化學(xué)， 2006，? 34（4）： 464-468

6 LU HaiYan， ZHANG JianYong， ZHOU Wei， WEI YiPing， CHEN HuanWen. Chinese J. Anal. Chem.， 2016，? 44（3）： 329-334

盧海艷， 張建勇， 周 煒， 魏益平， 陳煥文. 分析化學(xué)，? 2016，? 44（3）： 329-334

7 Andrade F J， Shelley J T， Wetzel WC， Webb M R， Gamez G， Ray S J， Hieftje G M. Anal. Chem.，? 2008，? 80（8）： 2646-2653

8 Larson E A， Hutchinson C P， Lee Y J. J. Am. Soc. Mass Spectrom.，? 2018，? 29（9）： 1-11

9 CHEN HuanWen， HU Bin， ZHANG Xie. Chinese J. Anal. Chem.， 2010， 38（8）： 1069-1083

陳煥文， 胡 斌， 張 燮. 分析化學(xué)， 2010， 38（8）： 1069-1083

10 Chen H， Gamez G， Zenobi R. J. Am. Chem. Soc.，? 2009，? 20（11）：1947-1963

11 Harris G A， Galhena A S， Fernández F M. Anal. Chem.，? 2011，? 83（12）： 4508-4538

12 Peacock P M， Zhang W J， Trimpin S. Anal. Chem.，? 2017，? 89（1）： 372-388

13 Hu B， Yao Z P. Scientia Sinica，? 2017，? 47 （12）： 1365-1378

14 Chen L C， Nishidate K， Saito Y， Mori K， Asakawa D， Takeda S， Kubota T， Terada N， Hashimoto Y， Hori H， Hiraoka K. Rapid Commun. Mass Spectrom.，? 2010，? 22（15）： 2366-2374

15 Hu B， Lai Y H， So P K， Chen H， Yao Z P. Analyst，? 2012，? 137（16）： 3613-3619

16 Wang H， Liu J， Cooks R G， Ouyang Z. Angew. Chem. Int. Ed.， 2010，? 49： 877-880

17 Narayanan R， Pradeep T. Anal. Chem.，? 2017，? 89（20）： 10696-10701

18 Liu J， Wang H， Cooks R G， Ouyang Z. Anal. Chem.， 2011，? 83， 7608-7613

19 Zhang J I， Li X， Ouyang Z， Cooks R G. Analyst，? 2012，? 137（13）： 3091-3098

20 Ji B， Bing X， Gao Y， Ma F， Ding L S. Anal. Chem.，? 2016，? 88（10）： 5072-5079

21 Wu M X， Wang H Y， Zhang J T. Anal. Chem.， 2016，? 88（19）： 9547-9553

22 Chan L F， Wong Y M， Tang H W， Che C M， Ng K M. Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2011，? 25（19）： 2837-2843

23 Wong H Y， Wong M Y， Hu B， So P K， Chan C O， Mok D K， Yao Z P. Anal. Chim. Acta，? 2015，? 999： 99-106

24 Hu B， So P K， Chen H， Yao Z P. Anal. Chem.，? 2011，? 83（21）： 8201-8207

25 Xin G Z， Hu B， Shi Z Q， Lam Y C， Dong T T， Li P， Yao Z P， Tsim K W. Anal. Chim. Acta， 2014，? 820： 84-91

26 Hiraoka K， Nishidate K， Mori K， Asakawa D， Suzuki S. Rapid Commun. Mass Spectrom.， 2007，? 21： 3139-3144

27 Liu J J， Wang H， Manicke N E， Lin J M， Cooks R G， Ouyang Z. Anal. Chem.，? 2010，? 82（6）： 2463-2471

28 Zhang N， Li Y， Zhou Y， Hou J， He Q， Hu X G， Jia Y M， Yu C Y， Nie Z. Anal. Methods，? 2013，? 5（10）： 2455-2460

29 Mandal M K， Yoshimura K， Saha S， Yu Z， Takeda S， Hiraoka K. Anal. Chem.，? 2014，? 86（2）： 987-992