原位光電離質(zhì)譜技術(shù)原理及應用

劉成園，潘 洋

(中國科學技術(shù)大學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處理即可直接電離和分析復雜基質(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、無需樣品預處理等優(yōu)點，被廣泛應用于食品篩查、藥品監(jiān)控、環(huán)境分析、反應監(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。

1 光電離原理

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，但因為其是大科學裝置，通常只被用于基礎(chǔ)科學研究；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-分子反應使待測物被電離，示于式2[8]。APPI的電離機理與高真空環(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，溶劑分子或團簇(solvent，S)也可能參與質(zhì)子化反應過程，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)子化的溶劑團簇離子([(S)n+H]+)、溶劑加和離子(M+[(S)n+H]+)等光電離誘導的離子分子反應中間產(chǎn)物[11]。

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負離子模式下，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(0.451 eV)，很容易與自由電子結(jié)合產(chǎn)生過氧負離子(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)，亦或通過與過氧負離子之間的電子轉(zhuǎn)移反應被離子化(式12)。對于電子親和力小于0 eV的待測物，可與過氧負離子之間經(jīng)過一系列的離子-分子反應被離子化，示于式13～16。乙腈等溶劑可通過與過氧負離子之間質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應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)，當凈化空氣作為載氣時，高濃度的氧氣通過光化學反應(式19～20)在光電離室產(chǎn)生大量臭氧，濃度可達1 700 mL/m3，進而可通過直接捕獲自由電子(式21)或電子轉(zhuǎn)移反應(式22)轉(zhuǎn)化為臭氧負離子(O3·-)，空氣中二氧化碳(約 300 mL/m3)可通過式23產(chǎn)生反應性離子CO3·-，在大氣壓下可能會以溶劑加和物[CO3+(S)n]·-的形式存在，該離子可通過進一步的離子-分子反應使待測物在負離子模式下離子化[13]。

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2 幾種原位光電離質(zhì)譜技術(shù)及應用

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)譜適用于復雜基質(zhì)樣品的直接分析。中科院大連化學物理研究所李海洋[14-15]、中國科學院大學束繼年[16-18]、上海大學程平[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)出多款應用于呼出氣[21-23]、揮發(fā)性有機物[24-25]、環(huán)境氣溶膠[26-28]、單細胞微生物[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)譜對復雜基質(zhì)樣品直接分析、無需樣品預處理的便利，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，上述方法的主要應用列于表1。

表1 原位光電離質(zhì)譜技術(shù)及其應用Table 1 Application of ambient photoionization mass spectrometry

2.1 解吸大氣壓光電離(DAPPI)

DAPPI是由芬蘭赫爾辛基大學的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，其離子化機理與摻雜劑輔助的APPI電離機理相似[57]，包括直接離子化和光誘導的離子-分子反應。

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]

2.2 激光濺射大氣壓光電離(LAAPPI)

LAAPPI是由喬治華盛頓大學Vertes與赫爾辛基大學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?；拾贝?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。

2.3 超聲霧化/光電離(UNE/LPPI & EAPPI)

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雜基質(zhì)樣品表面和內(nèi)部的化學成分萃取至溶液中，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離子-分子反應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]等反應過程，研究催化反應機理。

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-分子反應的中間過程，適合研究摻雜劑輔助的光電離反應機理。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過程，溶劑加和物的信號強度會隨著電離室壓力升高而增強。在負離子模式下，首次觀察到存在光電離誘導的過氧負離子，證明在光電離過程中，過氧負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)

2.4 摻雜劑輔助負離子/正離子光電離(DAPP/DANP)

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反應性離子O2·-或CO3·-的生成，進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]

2.5 熱解吸/大氣壓光電離(TD/APPI)

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(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還被進一步用于自來水、地表水和河水等復雜基質(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，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還被用于復雜有機反應溶液中產(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中發(fā)現(xiàn)，由于氧化劑三(4-溴苯基)六氯銻酸銨是一種強極性離子型化合物，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)效應強，對該反應溶液中的咔唑二聚體可直接快速分析，并且可以準確定量，該實驗結(jié)果為咔唑的二聚反應機理提供了證據(jù)支持[45]。

2.6 解吸電噴霧電離/二次光電離(DESI/PI)

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知功能損傷機制提供了更多線索[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10倍左右。近期，借助DESI與DESI/PI兩種互補的質(zhì)譜成像分析技術(shù)，可檢測到黑素細胞痣樣本中多達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胞痣的生物標志物用來診斷黑素細胞痣，該結(jié)果為黑素細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)運和代謝進而調(diào)控黑色素的生成[55]。

3 結(jié)論

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用領(lǐng)域，已廣泛應用于環(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)標矯正光強的衰減；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]