敞開(kāi)式離子化質(zhì)譜技術(shù)及其在煙草化學(xué)中的應(yīng)用

徐珩漪，李明雷，付英杰，孫世豪，王丁眾，席 輝，張建勛

中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

2004年，Cooks課題組［1］提出的解吸電噴霧電離（Desorption electrospray ionization，DESI）開(kāi)啟了敞開(kāi)式離子化質(zhì)譜（Ambient ionization mass spectrometry，AIMS）技術(shù)的新時(shí)代；2005年，Cody等［2］提出的基于等離子體的實(shí)時(shí)直接分析（Direct analysis in real time，DART）技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了樣品制備過(guò)程，預(yù)處理步驟中無(wú)需或僅需少量樣品即能實(shí)現(xiàn)痕量物質(zhì)的快速分析，為高通量、高靈敏質(zhì)譜分析方法的開(kāi)發(fā)打開(kāi)了一個(gè)新窗口。近十幾年來(lái)，已經(jīng)有多種AIMS技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于復(fù)雜基質(zhì)樣品的分析。AIMS在直接樣品分析中有很多優(yōu)勢(shì)，如速度快、使用方便等，促使其應(yīng)用在許多科學(xué)領(lǐng)域，包括生物醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品安全、化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)以及元素分析等。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，煙草化學(xué)研究主要圍繞吸煙與健康和卷煙風(fēng)味展開(kāi)。隨著研究的深入，研究人員更加注重于從分子層面解釋這些科學(xué)問(wèn)題，這大幅提高了對(duì)樣品原位分析、在線分析和形成過(guò)程分析的要求。煙草化學(xué)成分種類繁多，卷煙煙氣形成過(guò)程復(fù)雜，這就需要更加快速、準(zhǔn)確的分析手段去獲得更加有效的數(shù)據(jù)，這種需求促使AIMS技術(shù)在煙草化學(xué)相關(guān)研究中得到了迅速應(yīng)用。為了梳理AIMS在煙草化學(xué)研究中的應(yīng)用方向，綜述了AIMS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在煙草化學(xué)研究中的應(yīng)用情況，并對(duì)AIMS在煙草化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 敞開(kāi)式離子化質(zhì)譜技術(shù)

根據(jù)解吸方式的不同，AIMS技術(shù)大致可分為3類：基于電噴霧原理、基于等離子體原理和基于激光燒蝕原理。

1.1 基于電噴霧原理的AIMS技術(shù)

電噴霧電離（Electrospray ionization，ESI）是以電場(chǎng)作用為主的電離技術(shù)，將待電離樣品直接引入電場(chǎng)中形成離子。ESI通常適用于分析極性分子和生物大分子。以電噴霧為基礎(chǔ)的AIMS技術(shù)，大多數(shù)可以歸為液體萃取技術(shù)，利用溶劑從樣品表面提取和解吸分子。液體萃取技術(shù)通常分為3類：噴霧萃?。⊿pray-based extraction）技術(shù)、直接液體萃?。―irect liquid extraction）技術(shù)和底物噴霧（Substrate spray）技術(shù)［3］?；陔妵婌F原理的電離源的基本特征見(jiàn)表1。

1.1.1 噴霧萃?。⊿pray-based extraction）技術(shù)

表1 基于電噴霧原理的AIMS技術(shù)Tab.1 AIMS technology based on electrospray principle

噴霧萃取技術(shù)是利用溶劑噴霧產(chǎn)生的液滴羽流解吸樣品表面的分子，然后由質(zhì)量分析器進(jìn)行分析。包括解吸電噴霧電離（DESI）、常壓超聲噴霧電離（Easy ambient sonicspray ionization，EASI）、萃取電 噴 霧 電 離（Extractive electrospray ionization，EESI）和二次電噴霧電離（Secondary electrospray ionization，SESI）等。各種噴霧萃取技術(shù)的原理見(jiàn)圖1。

DESI是利用電壓產(chǎn)生電噴霧將電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)移到帶電的微小液滴中，噴射到樣品表面，液滴中的溶劑迅速與待測(cè)物表面發(fā)生相互作用，在樣品表面發(fā)生萃取、溶解過(guò)程，從樣品表面提取和電離被分析物，然后進(jìn)入質(zhì)量分析器分析［1］。

EASI與DESI的相似之處在于，均是通過(guò)溶劑噴霧解吸樣品，不同之處在于EASI不需要加熱，也不需要高壓電場(chǎng)，而是通過(guò)聲波噴霧機(jī)制產(chǎn)生離子，這使得質(zhì)譜圖更干凈，工作環(huán)境更安全；且具有較少的溶劑團(tuán)簇離子和高強(qiáng)度的信號(hào)，這些特征使EASI便于檢測(cè)低摩爾質(zhì)量組分或雜質(zhì)［22］。與DESI和EASI不同，EESI是由兩個(gè)通道組成，一個(gè)包含萃取性電噴霧試劑，一個(gè)包含樣品溶液，樣品以噴霧的形式與萃取性電噴霧試劑產(chǎn)生的小液滴發(fā)生碰撞、萃取，并通過(guò)去溶劑等過(guò)程實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，使待測(cè)樣品分子電離［23］，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的ND-EESI等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)固體表面及黏稠樣品內(nèi)部待測(cè)組分的檢測(cè)［24-25］。SESI與EESI相似，均是通過(guò)ESI溶劑羽流提取和電離分析物；不同之處在于，SESI分析的是氣體樣品。

提高敞開(kāi)式電離源分析的重復(fù)性和靈敏度是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。以DESI為例，DESI的性能主要依賴于幾何參數(shù)的優(yōu)化，包括噴嘴、樣品表面和質(zhì)譜錐孔之間的距離和夾角，源參數(shù)的微小變化會(huì)極大地影響目標(biāo)分析物的離子信號(hào)強(qiáng)度［26］。Tillner等［27］指出溶劑毛細(xì)管和氣體毛細(xì)管的位置是造成溶劑噴霧信號(hào)強(qiáng)度差異的主要原因，通過(guò)固定溶劑毛細(xì)管，減少毛細(xì)管的抖動(dòng)，分析物信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了9.1%，大大提高了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。

1.1.2 直接液體萃?。―irect liquid extraction）技術(shù)

直接液體萃取技術(shù)是利用固-液萃取原理，溶劑與樣品直接相互作用提取分析物，然后將分析物轉(zhuǎn)移和電離，再進(jìn)入質(zhì)量分析器中進(jìn)行分析。液體微結(jié)表面取樣探針（Liquid microjunction surface sampling probe，LMJ-SSP）是最早發(fā)展起來(lái)的直接液體萃取技術(shù)，由一個(gè)不銹鋼三通和兩個(gè)同軸毛細(xì)管組成的機(jī)械探針精確定位在樣品表面的垂直方位，溶劑連續(xù)地從探針中流出與樣品表面接觸，外毛細(xì)管中的溶劑與樣品表面相互作用并從樣品表面提取分子，通過(guò)文丘里效應(yīng)將溶液吸入內(nèi)毛細(xì)管，內(nèi)毛細(xì)管通過(guò)三通耦合到質(zhì)譜儀的電噴霧源上，最后進(jìn)入質(zhì)量分析器分析［28］。與LMJ-SSP不同，液體萃取表面分析（Liquid extraction surface analysis，LESA）是利用機(jī)械手臂將納米電噴霧尖端的溶劑對(duì)準(zhǔn)樣品，直接從樣品表面提取分子，而不是通過(guò)連續(xù)流動(dòng)，溶劑與樣品相互作用一段時(shí)間（一般為幾秒）后，再吸入納米電噴霧尖端，將提取的分子放置在質(zhì)譜接口內(nèi)的ESI芯片上，電離后進(jìn)入質(zhì)量分析器分析［29］。

與噴霧萃取相比，直接液體萃取通常具有更高的靈敏度，這是因?yàn)檩腿∪軇┡c樣品表面直接接觸的時(shí)間更長(zhǎng)，而且分析物可最大程度地進(jìn)入質(zhì)量分析器進(jìn)行分析。然而，直接液體萃取容易受到萃取溶劑擴(kuò)散的影響，其空間分辨率和重復(fù)性往往低于噴霧萃取技術(shù)。為了提高LESA的重復(fù)性，Meurs等［30］采用了一種超疏水邊界包圍的超親水點(diǎn)陣列組成的材料作為采樣表面，防止溶劑擴(kuò)散，可顯著改善表面提取和譜圖的重復(fù)性。

圖1 基于電噴霧原理的AIMS技術(shù)的原理示意圖Fig.1 Schematic diagrams of AIMS techniques based on electrospray principle

1.1.3 底物噴霧（Substrate spray）技術(shù)

底物噴霧技術(shù)與噴霧萃取技術(shù)、直接液體萃取技術(shù)的不同之處在于，該技術(shù)是直接從樣品或包含樣品的底物中產(chǎn)生離子。紙噴霧電離（Paper spray ionization，PSI）和 探 頭 電 噴 霧 電 離（Probe electrospray ionization，PESI）是具有代表性的底物噴霧技術(shù)。PSI是將液體樣品滴加到三角形紙的尖端上并使其干燥，然后向紙片滴加噴霧試劑并連接高壓電源進(jìn)行電離，再引入質(zhì)量分析器進(jìn)行分析，過(guò)程中不需要?dú)鈩?dòng)輔助［31］。作為PSI的另一種形式，PESI由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)針頭垂直上下移動(dòng)吸取液體樣品，在針上施加高壓，對(duì)針尖上的樣品進(jìn)行電噴涂［32］。

PSI對(duì)復(fù)雜基質(zhì)（如鹽）干擾物的耐受性更高，與其他敞開(kāi)式離子化質(zhì)譜相比，具有更高的靈敏度和重復(fù)性，因此，PSI更適用于臨床和法醫(yī)樣品的定量分析。然而，由于紙基的親水性，用傳統(tǒng)PSI分析親水性化合物是一個(gè)挑戰(zhàn)［33］，而且紙基經(jīng)施加高壓后存在尖端電暈放電現(xiàn)象，使得在負(fù)離子模式下分析樣品變得困難。最常見(jiàn)的改進(jìn)方法是對(duì)紙基進(jìn)行物理修飾，提高對(duì)目標(biāo)分析物的靈敏度，Wang等［34］用金屬有機(jī)骨架材料覆蓋紙張基底，以減少親水性紙張和血液樣本中藥物之間的相互作用，定量限顯著降低，提高了檢測(cè)靈敏度。也可以通過(guò)其他方法提高PSI的性能，如將激光聚集在紙噴霧尖端以增強(qiáng)多環(huán)芳烴的電離效果［35］，或?qū)⑶蕷夂途劢雇哥R集成在紙噴霧筒內(nèi)以提高整體靈敏度［36］等。

1.2 基于等離子體原理的AIMS技術(shù)

與電噴霧技術(shù)相比，等離子體AIMS技術(shù)消除了有機(jī)溶劑對(duì)電離過(guò)程的影響，是一種更“軟”的離子化技術(shù)，能夠在正負(fù)兩種電離模式下電離各種分子（＜1 000 Da）?；诘入x子體的AIMS技術(shù)是利用放電過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體來(lái)解吸和電離分析物，大多數(shù)情況下，放電過(guò)程是借助直流電壓、交流電壓或微波輻射等，作用于流動(dòng)的氣體（通常是N2、He、Ar或空氣）實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)氣體放電類型的不同可以分為電暈放電（Corona discharge）、輝光放電（Glow discharge）、介 質(zhì) 阻 擋 放 電（Dielectric barrier discharge）和微波誘導(dǎo)等離子體（Microwave induced plasma）4種類型［37］。相關(guān)的基于等離子體原理的電離源的基本特征見(jiàn)表2?；诘入x子體的AIMS電離源的原理圖見(jiàn)圖2。

表2 基于等離子體原理的AIMS技術(shù)Tab.2 AIMS technology based on plasma principle

1.2.1 基于電暈放電的電離源

DART是第一個(gè)報(bào)道的基于等離子體的AIMS技術(shù)，且一直沿用至今。DART是通過(guò)電暈放電激發(fā)He等氣體（通常是He、Ar或N2）產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的He*分子，激發(fā)態(tài)的He*分子撞擊樣品表面的待測(cè)分子，將其從樣品表面解吸出來(lái)并將能量傳遞給待測(cè)分子使其電離［2］。

由于分析物在電離前需要解吸為氣態(tài)，DART僅限于分析分子量小于1 000 Da的揮發(fā)性有機(jī)物，且通常需要加熱氣體對(duì)分析物進(jìn)行熱解吸，一般不適用于熱敏樣品的分析。通過(guò)改進(jìn)進(jìn)樣端，進(jìn)而提高DART方法的靈敏度是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Geng等［38］在DART和質(zhì)譜進(jìn)樣口之間連接了一個(gè)T型裝置，用于聚集樣品離子，減少或消除揮發(fā)性氣態(tài)樣品的擴(kuò)散損失和環(huán)境干擾，能夠獲得比傳統(tǒng)的DART更低的檢測(cè)限。

解吸大氣壓化學(xué)電離（Desorption atmospheric pressure chemical ionization，DAPCI）也是通過(guò)電暈放電的方式將試劑分子電離，生成初級(jí)試劑離子（H2O+，H3O+·等）作用于樣品表面解吸出待測(cè)物分子，發(fā)生分子-離子反應(yīng)，進(jìn)行能量和電荷的交換而電離［39］。作為DESI的補(bǔ)充技術(shù)，DAPCI既可以分析揮發(fā)性物質(zhì)，也可以分析非揮發(fā)性物質(zhì)，對(duì)低極性和小質(zhì)量化合物的分析靈敏度更高。2015年，推出了一種商業(yè)手持DAPCI源，與便攜式質(zhì)譜儀搭配使用，用于檢測(cè)硝基芳香爆炸物［40］和食品污染物［41］。為了提高DAPCI的靈敏度，通過(guò)應(yīng)用10 GΩ電阻器，最小化放電電極距離，并對(duì)DAPCI源進(jìn)行優(yōu)化，成功地在幾分鐘內(nèi)完成非揮發(fā)性和揮發(fā)性化合物以及生物樣品的分析［42］。

大氣固體分析探頭（Atmospheric solids analysis probe，ASAP）也是典型的基于電暈放電的電離源，其是在ESI源或APCI源上進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，通過(guò)特氟龍管夾持熔融毛細(xì)管，毛細(xì)管末端的固體或液體樣品被熱氮?dú)饨馕舭l(fā)，然后通過(guò)放電針電暈放電進(jìn)行電離，可在幾秒內(nèi)分析固體和液體樣品，ASAP的一個(gè)重要特征是能夠電離極性和非極性化合物［43］。

圖2 基于等離子體原理的AIMS技術(shù)的原理示意圖Fig.2 Schematic diagrams of AIMS techniques based on plasma principle

1.2.2 基于輝光放電的電離源

流動(dòng)大氣壓余輝（Flowing atmospheric pressure afterglow，F(xiàn)APA）電離是大氣壓輝光放電（Atmospheric pressure glow discharge，APGD）方法的一種變體。FAPA法是利用He或Ar輝光放電產(chǎn)生的等離子體解吸和電離樣品，相比于DART，F(xiàn)APA利用更高的電流來(lái)改善樣品的解吸，但是更高的電流會(huì)產(chǎn)生更多種類的試劑氣體離子，包括NO+·、O2+·［47］。近些年，有很多對(duì)于FAPA參數(shù)的研究，F(xiàn)APA氣體溫度作為內(nèi)部參數(shù)，其值越高，靈敏度越高，同時(shí)分析物的碎裂程度也越高；相對(duì)濕度是外部參數(shù)，只有極端干燥的條件才會(huì)提高電離效率，而不產(chǎn)生大量碎片［46］。Zeiri等［48］開(kāi)發(fā)出了一種基于直流微等離子體的FAPA源，利用同心電極結(jié)構(gòu)，分析物檢測(cè)的質(zhì)量范圍可達(dá)2 500 Da以上。

1.2.3 基于介質(zhì)阻擋放電的電離源

介質(zhì)阻擋放電（Dielectric-barrier discharges，DBD）產(chǎn)生的低溫等離子體，具有非平衡等離子體特性，且在大氣壓下穩(wěn)定、簡(jiǎn)單高效，因而得到廣泛應(yīng)用［49］。低溫等離子體通常會(huì)減少樣品損失和分子碎裂［50］，介質(zhì)阻擋放電電離（Dielectric barrier discharge ionization，DBDI）和低溫等離子體（Low temperature plasma，LTP）電離就是通過(guò)低溫等離子體對(duì)樣品進(jìn)行電離的AIMS技術(shù)。在DBDI中，在針狀電極和銅片電極之間施加3.5～4.5 kV的交流電壓，在針尖和玻璃片之間產(chǎn)生穩(wěn)定的低溫等離子體，玻璃片既可作為介質(zhì)屏障也可作為樣品板，玻璃片表面的被分析物被等離子體解吸并電離［45］。與DBDI不同，LTP使用手持式探頭配置，高壓電極安裝在介質(zhì)阻擋層外，接地電極位于介質(zhì)阻擋層內(nèi)，使用He、Ar、N2或環(huán)境空氣作為放電氣體，由于這種配置不要求樣品位于兩個(gè)電極之間，LTP更適合活體分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［45］。

基于等離子體的AIMS技術(shù)是通過(guò)電子轉(zhuǎn)移電離機(jī)制進(jìn)行，適合非極性化合物的分析。為了提高電離效率，Huba等［51］通過(guò)在氮?dú)庵屑尤敕胶吐缺酱蟠筇岣吡薉BDI對(duì)于多環(huán)芳烴的電離效率，這表明氣體摻雜劑的添加促進(jìn)了自由基陽(yáng)離子的形成。Brandt等［52］提出了一種新的、穩(wěn)定且小尺寸的放電設(shè)計(jì)，將電極安裝到惰性的柔性熔融石英毛細(xì)管中，在負(fù)離子模式下，檢測(cè)限比DBDI提高了3倍，比LTP提高了8倍。

1.2.4 基于微波誘導(dǎo)等離子體的電離源

微波誘導(dǎo)等離子體解吸/電離（Microwaveinduced plasma desorption/ionization，MIPDI）是 由Zhan等［44］于2013年提出的，zhan等還首次將微波誘導(dǎo)等離子體（MIP）應(yīng)用于敞開(kāi)式電離源。MIPDI的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)銅質(zhì)微波同軸腔，在其中插入熔融石英毛細(xì)管，以Ar或N2作為放電氣體，當(dāng)頻率為2 450 MHz的微波耦合到微波腔時(shí)，石英放電管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的非平衡等離子體，MIPDI可以分析復(fù)雜基質(zhì)中的固體和液體樣品，無(wú)需專門(mén)制備樣品，分析物的分子量可高達(dá)1 200 Da［44］。MIPDI既是一個(gè)硬電離源也是個(gè)軟電離源，可通過(guò)切換參數(shù)提供大量碎片離子或相對(duì)穩(wěn)定的分子離子［53］。

1.3 基于激光燒蝕原理的AIMS技術(shù)

激光燒蝕是通過(guò)光學(xué)聚焦促進(jìn)樣品解吸和電離，具有優(yōu)越的空間分辨率和脈沖頻率。然而，激光燒蝕過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的中性粒子，而產(chǎn)生的帶電離子較少，因此激光源的電離效率很低，大多數(shù)基于激光的AIMS技術(shù)均與二次電離源（如ESI、APCI、DART和大氣壓光致電離）聯(lián)用，以提高電離效率和靈敏度［54］。通常采用紫外（UV）或紅外（IR）作為激光源?；诩す鉄g的AIMS電離源的原理圖見(jiàn)圖3。

激光燒蝕電噴霧電離（Laser ablation electrospray ionization，LAESI）和基質(zhì)輔助激光解吸電噴霧電離（Matrix assisted laser desorption electrospray ionization，MALDESI）一直是基于激光燒蝕原理AIMS的主流技術(shù)［55］。LAESI利用紅外激光燒蝕樣品表面，產(chǎn)生的中性粒子和微粒與電噴霧形成的液滴之間相互作用發(fā)生分子離子反應(yīng)，并將其導(dǎo)入質(zhì)量分析器進(jìn)行檢測(cè)［56］。

圖3 基于激光燒蝕原理的AIMS技術(shù)的原理示意圖Fig.3 Schematic diagrams of AIMS techniques based on laser ablation principle

與ESI方法一樣，LAESI更傾向于電離極性分子，雖然LAESI無(wú)需樣品預(yù)處理或任何基質(zhì)的添加，但樣品需要富含水分，以便樣品吸收紅外激光，更好地激發(fā)目標(biāo)分子。提高LAESI方法的靈敏度是當(dāng)下的研究重點(diǎn)，Li等［56］通過(guò)改變電噴霧的溶劑梯度，提高了不同分析物在極性和弱極性溶劑中的溶解度，擴(kuò)大了生物樣品分析的分子覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)極性和弱極性分析物的LAESI分析。MALDESI最初是作為一種結(jié)合MALDI、激光燒蝕與ESI技術(shù)而開(kāi)發(fā)的，因此，樣品必須與有機(jī)基質(zhì)共結(jié)晶以吸收激光，然后用紫外激光進(jìn)行燒蝕，隨后通過(guò)ESI進(jìn)行電離。IR-MALDESI被證明可以用于大氣壓環(huán)境下解吸和電離分子量范圍為1.2～17.0 kDa的生物分子，僅需極少的樣品，就可以電離和檢測(cè)蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)［57］。最近，LAESI和MALDESI的發(fā)展主要集中在質(zhì)譜成像上。Taylor等［58］將LAESI與傅里葉變換質(zhì)譜耦合，對(duì)洋蔥和銀蓮花的單細(xì)胞進(jìn)行了高空間分辨率為40 μm的成像，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有簡(jiǎn)化環(huán)境單細(xì)胞分析和高空間分辨率成像的潛力。

激光燒蝕環(huán)境電離質(zhì)譜的新技術(shù)還有皮秒紅外激光（Picosecond infrared laser，PIRL）［59-60］和自動(dòng)捕集質(zhì)譜技術(shù)（SpiderMass techniques）［61-62］，這兩種技術(shù)均是利用紅外光源促進(jìn)解吸和電離。這些方法通過(guò)共振紅外激光消融激發(fā)水合樣品（通常是生物組織）中水的氫氧鍵的伸縮振動(dòng)帶解吸和電離分子，產(chǎn)生的離子通過(guò)傳輸管傳輸?shù)劫|(zhì)量分析器中進(jìn)行分析。在PIRL中，使用的是皮秒紅外激光，而SpiderMass使用的是納秒紅外激光，因此可能會(huì)在樣品表面產(chǎn)生不同的分子沉淀以及生成不同的分子離子［59］。

基于激光燒蝕電離源也可以與其他電離方法結(jié)合，如激光二極管熱解吸耦合大氣壓光電離（Laser diode thermal desorption-atmospheric pressure photoionization，LDTD-APPI）［63］，激光誘導(dǎo)聲學(xué)解吸大氣壓光電離（Laser-induced acoustic desorptionatmospheric pressure photoionization，LIAD-APPI）［64］。LDTD-APPI和LIAD-APPI均利用光電離作為電離方法，即高能紫外光子與具有低電離勢(shì)的中性氣相分子（如低極性分子）相互作用并電離。

按照時(shí)間的先后順序，將近十幾年主流的AIMS技術(shù)以時(shí)間軸的方式歸納，見(jiàn)圖4。

圖4 AIMS技術(shù)發(fā)展時(shí)間軸Fig.4 Timeline of AIMS technology development

2 AIMS在煙草化學(xué)研究中的應(yīng)用

AIMS技術(shù)正被越來(lái)越多地應(yīng)用于煙草化學(xué)相關(guān)的研究中，從煙草、煙草制品、煙氣的化學(xué)成分分析到煙草的風(fēng)味構(gòu)成研究以及煙草相關(guān)成分在體內(nèi)的代謝，樣品形態(tài)涉及固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)以及氣溶膠等。

2.1 卷煙煙氣成分分析

由于煙草煙氣成分的復(fù)雜性，很難同時(shí)測(cè)量卷煙煙氣中氣體和顆粒物的不同化學(xué)成分，目前，分析主流煙氣（Mainstream smoke，MSS）的常用方法是LC、GC或LC/GC-MS［65-66］。色譜方法繁瑣、分析速度慢，而且難以很好地拆分MSS中的大量化合物，分析性能較差。AIMS可在大氣壓條件下快速引入和分析復(fù)雜樣品，且前處理簡(jiǎn)單，減少了樣品損失，可以做到對(duì)煙草煙氣釋放的現(xiàn)場(chǎng)快速分析，因此，AIMS技術(shù)是很好的分析煙氣成分的方法。

2013年，Marcus等［67］使用液體采樣大氣壓輝光放 電（Liquid sampling-atmospheric pressure glow discharge，LS-APGD）電離源與離子阱質(zhì)譜聯(lián)用，測(cè)定了卷煙煙氣的成分，也是AIMS技術(shù)首次應(yīng)用于煙氣分析，用該裝置檢測(cè)雪茄煙葉燃燒的環(huán)境煙氣，與傳統(tǒng)的ESI源相比，LS-APGD源檢測(cè)煙堿和多環(huán)芳烴（蒽、菲）的信號(hào)強(qiáng)度提高了7倍，信噪比提高了3倍。Du等［68］首次提出用解吸電暈束電離（Desorption corona beam ionization，DCBI）質(zhì)譜進(jìn)行吸附材料收集氣溶膠的直接原位分析，研究氣溶膠在吸附材料中的遷移行為，探究卷煙煙氣中苯酚在濾嘴中的空間分布特征，在醋酸纖維尖端苯酚的空間分布特性分析方面，與HPLC相比，DCBI-MS分析的簡(jiǎn)便性顯著提高。Hertz-Schünemann等［69］通過(guò)使用微探針從燃燒的卷煙內(nèi)部提取形成的氣體，并將其與光電離質(zhì)譜結(jié)合，用于研究2 s內(nèi)卷煙燃燒期間有機(jī)氣體的演變，在線監(jiān)測(cè)卷煙內(nèi)不同采樣點(diǎn)的各種熱解和燃燒產(chǎn)物的濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微探針采樣光電離質(zhì)譜技術(shù)可以用于卷煙尖端燃燒產(chǎn)物的檢測(cè)。Cui等［70］建立了一種用于卷煙主流煙氣在線檢測(cè)的萃取電噴霧質(zhì)譜（EESI-MS）方法，通過(guò)單孔道吸煙機(jī)對(duì)卷煙進(jìn)行逐口抽吸，通過(guò)主成分分析可以快速區(qū)分和表征主流煙氣，并通過(guò)碰撞解離實(shí)驗(yàn)對(duì)煙氣中煙堿進(jìn)行定性分析。Liu等［71］將EESI-MS與離子阱質(zhì)譜儀結(jié)合，建立了一種在線分析煙氣中乙烯基吡啶和茄尼醇的方法。

實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜（DART-MS）也是檢測(cè)煙草煙氣成分的常用方法。Li等［72］應(yīng)用DART-MS測(cè)定卷煙主流煙氣中的6種生物堿，與傳統(tǒng)GC-MS方法相比，DART-MS方法檢出限更低，線性范圍更廣。Wang等［73］采用DART-MS快速同步分析主流煙氣中的多種顆粒物成分，可以在幾秒鐘內(nèi)完成，質(zhì)量誤差小于10 μg/g，并且使用氘代煙堿（煙堿-d4）作內(nèi)標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙堿的準(zhǔn)確定量，結(jié)果表明，DART-MS可用于快速獲取卷煙中有害化合物的指紋圖譜，為質(zhì)量控制提供了高效的方法，可以定量致癌物以評(píng)估其危害性。Forbes等［74］利用DART-MS直接與市售電子煙連接，無(wú)需樣品制備即可在30 s內(nèi)完成分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子煙氣溶膠的直接分析，而不需要在表征前收集或冷凝樣品，減少了樣品的損失和污染。

2.2 煙草及煙草制品成分分析

AIMS作為一種快速分析生物樣品的方法，現(xiàn)已在煙葉化學(xué)成分分析中得到廣泛應(yīng)用。過(guò)去的幾年中，在利用AIMS技術(shù)進(jìn)行質(zhì)譜成像的方法方面取得了許多進(jìn)展，進(jìn)一步擴(kuò)展了檢測(cè)范圍并能更好地表征檢測(cè)到的分子，這使得AIMS技術(shù)在煙葉組織成像等領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。目前，市場(chǎng)上卷煙的質(zhì)量可能存在很大差異。因此，開(kāi)發(fā)測(cè)量卷煙中不同成分的分析方法，以表征卷煙的化學(xué)特征，并生成用于質(zhì)量控制的指紋圖譜，是煙草化學(xué)成分分析的研究重點(diǎn)。卷煙中的化學(xué)物質(zhì)性質(zhì)多樣，濃度范圍廣，給成分分析帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的分析技術(shù)很難對(duì)大量的煙草制品進(jìn)行高速、高通量的篩選，AIMS技術(shù)因其分析優(yōu)勢(shì)，可以快速定性和定量煙草制品中的微量元素、生物堿等化學(xué)成分，為煙草化學(xué)成分檢測(cè)和表征開(kāi)拓了新途徑。

2.2.1 煙葉化學(xué)成分分析

Musharraf等［75］提出了一種直接激光解吸電離（Direct laser desorption ionization，DLDI）方法，可以直接檢測(cè)煙葉中的煙堿，結(jié)合高分辨率的質(zhì)量分析器進(jìn)行分析，此方法可以直接且高通量地分析煙葉中的天然產(chǎn)物和復(fù)雜生物樣品中的代謝物等。O’Brien等［76］利用環(huán)境紅 外激光燒蝕質(zhì) 譜（Ambient infrared laser ablation mass spectrometry，

AIRLAB-MS）對(duì)煙葉中的煙堿和尿苷進(jìn)行表征，結(jié)果表明，AIRLAB-MS具有良好的重復(fù)性，每個(gè)區(qū)域尿苷信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%。Martínez-Jarquín等［77］采用低溫等離子體電離質(zhì)譜（LTP-MS）監(jiān)測(cè)煙草中受生長(zhǎng)素調(diào)節(jié)的煙堿的合成，為活體內(nèi)測(cè)量植物表面的生物合成特性提供了技術(shù)手段，研究證明LTP-MS是生物活體研究的一種有價(jià)值的分析工具。Moreno-Pedraza等［78］將405 nm的連續(xù)波紫外激光器耦合到LTP探針上，對(duì)樣品進(jìn)行成像，使用連續(xù)波紫外激光器進(jìn)行解吸，可實(shí)現(xiàn)快速成像測(cè)量，并可直接從原生組織中測(cè)量天然產(chǎn)物，表明激光解吸低溫等離子體質(zhì)譜成像在植物化學(xué)中的應(yīng)用很廣泛。

2.2.2 煙草制品化學(xué)成分分析

Keating等［79］利用紙噴霧串聯(lián)質(zhì)譜（PS-MS/MS）測(cè)定新型煙草復(fù)雜基質(zhì)中的煙堿和可替寧，與GC-MS/MS方法相比，PS-MS/MS更快速、方便且定量限更低。Song等［80］建立了一種利用光輻射熱解吸輔助LTP源與離子阱質(zhì)譜聯(lián)用的方法，用于快速檢測(cè)和確認(rèn)煙絲中的風(fēng)味物質(zhì)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件，使每個(gè)煙草樣品及其萃取液在加熱20 s內(nèi)即可完成分析，該方法具有快速、高通量測(cè)定復(fù)雜基質(zhì)中風(fēng)味化合物的潛力。Zhao等［81］利用超聲霧化萃取大氣壓光電離質(zhì)譜（Extractive atmospheric pressure photoionization mass spectrometry，EAPPI-MS）快速分析5種卷煙煙絲中的化學(xué)成分，鑒別出醇類、酮類、酸類、醛類、酯類以及生物堿等46種化合物，檢測(cè)速度快，定性定量準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)，與傳統(tǒng)的LC-MS聯(lián)用相比，EAPPI-MS具有基質(zhì)干擾小、無(wú)極性歧視等優(yōu)點(diǎn)。Ahmed等［82］利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）和飛行時(shí)間質(zhì)譜儀耦合對(duì)不同品牌卷煙中的微量元素（鈣、鎂、鈉、鉀、硅、鍶、鋇、鋰和鋁等）進(jìn)行了定性和定量分析，結(jié)果表明，LIBS與飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用是分析固體樣品中微量元素的一種強(qiáng)有力的技術(shù)。Jiang等［83］將 機(jī) 械 化 學(xué) 萃 ?。∕echanochemical extraction，MCE）和DART-MS相結(jié)合，用于同時(shí)測(cè)定煙草填料中的多種化學(xué)成分，成功提取了包括煙堿、煙草生物堿、碳水化合物、有機(jī)酸、保潤(rùn)劑和其他添加劑在內(nèi)的不同種類的物質(zhì)，并通過(guò)高分辨率DART-MS進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)量誤差小于10 μg/g，從測(cè)定煙草填料到獲得半定量結(jié)果僅需幾分鐘，操作簡(jiǎn)單，通量高。Jurisch等［84］用PSI-MS提取和分析合法和非法來(lái)源的卷煙樣品，用分析結(jié)果建立化學(xué)計(jì)量模型，使用偏最小二乘法分析區(qū)分合法和非法樣品，準(zhǔn)確率達(dá)到82%；與ESI方法相比，PSI技術(shù)速度更快、成本更低、靈敏度更高，且沒(méi)有顯著的離子抑制效應(yīng)。

2.3 AIMS在其他煙草相關(guān)方向的應(yīng)用

AIMS技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)電子煙補(bǔ)充液成分進(jìn)行分析。Poklis等［85］采用DART對(duì)同一廠家生產(chǎn)的9種電子煙補(bǔ)充液中的非法添加成分進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Bruno等［86］將PSI電離源與便攜式質(zhì)譜相耦合，檢測(cè)電子煙補(bǔ)充液中的摻假成分。

AIMS技術(shù)可以通過(guò)分析吸煙者的呼氣、唾液等生物樣本，了解煙草在吸煙者體內(nèi)的代謝情況，也可以對(duì)物品表面煙氣中氣溶膠顆粒的痕量殘留進(jìn)行原位快速分析。Zhang等［87］利用微波等離子體炬（Microwave plasma torch，MPT）在常壓下產(chǎn)生微波等離子體，用于監(jiān)測(cè)呼氣中煙堿的衰減曲線，結(jié)果表明，MPT-MS是一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體樣品的有效方法。Carrizo等［88］采用大氣壓固體分析探針（ASAP）耦合高分辨率四極桿質(zhì)譜儀和時(shí)間偏光檢測(cè)器對(duì)大量吸煙者的唾液和尿液樣本進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)，ASAP作為直接分析生物樣品的技術(shù)已被證明非常有效，不需要樣品前處理，能夠完成快速分析。Kuki等［89］采用DART-MS檢測(cè)吸煙者服飾上殘留的煙草煙霧污染（三手煙），還對(duì)實(shí)驗(yàn)室空氣中的二手煙進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)作為煙草煙霧污染指標(biāo)的煙堿的靈敏和選擇性分析。Min等［90］采用解吸電暈束電離-串聯(lián)質(zhì)譜（DCBI-MS/MS）技術(shù)，對(duì)不同樣品表面的典型三羥色胺環(huán)境標(biāo)志物——煙堿和可替寧進(jìn)行定量分析，二者的檢出限均為1.4 μg/m2。

3 結(jié)果與展望

作為一種新興的、有影響力的分析技術(shù)，AIMS因在高通量、實(shí)時(shí)、原位和活體分子分析方面的優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)。相比于傳統(tǒng)的分析方法，AIMS無(wú)需復(fù)雜的預(yù)處理步驟，例如，氣溶膠的初始收集和蒸汽的捕集等，更加快速、方便，已經(jīng)成功應(yīng)用于煙草煙氣成分分析、煙葉生物組織成分分析及組織成像、煙草中化學(xué)成分檢測(cè)及電子煙非法成分添加的監(jiān)測(cè)等研究，未來(lái)圍繞吸煙與健康和煙草風(fēng)味成分分析等方向還有很大的應(yīng)用空間。

目前已經(jīng)有很多種敞開(kāi)式離子化電離源被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但大多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，并沒(méi)有被商品化，AIMS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中依舊面臨著很多挑戰(zhàn)［91］，例如：①重復(fù)性。樣品的幾何形狀、樣品表面、樣品性質(zhì)（硬度、形狀、黏度和基質(zhì)）、周圍環(huán)境（溫度、相對(duì)濕度、空氣流動(dòng)情況等）、操作人員素質(zhì)以及電離源內(nèi)部參數(shù)等，這些因素涉及樣品引入、解吸、電離和離子傳輸?shù)母鱾€(gè)過(guò)程，均影響AIMS的穩(wěn)定性和重復(fù)性。②定量。AIMS技術(shù)已經(jīng)從快速定性篩選演變?yōu)槎抗ぞ?，然而?duì)于復(fù)雜樣品分析存在離子抑制和基質(zhì)效應(yīng)，會(huì)嚴(yán)重限制定量能力。③分子覆蓋率和靈敏度。由于敞開(kāi)式電離源易受外界環(huán)境干擾，即使優(yōu)化了條件參數(shù)，AIMS技術(shù)的電離效率通常也比傳統(tǒng)的電離源（如ESI和MALDI）低。因此，在使用AIMS技術(shù)時(shí)，分析物覆蓋率低和靈敏度低是其面臨的很大挑戰(zhàn)。這主要是由4個(gè)方面的原因造成的：電離效率不足，嚴(yán)重的離子抑制，選擇性差，無(wú)法區(qū)分同分異構(gòu)體。④數(shù)據(jù)復(fù)雜性。天然樣品和外界環(huán)境中存在的多個(gè)分析物通常會(huì)使圖譜更加復(fù)雜，難以解釋。且不同原理的敞開(kāi)式電離源對(duì)同一物質(zhì)電離可能會(huì)產(chǎn)生不同的譜圖，這均為樣品譜圖識(shí)別與檢索帶來(lái)不便。

為改善AIMS技術(shù)的分析性能，其未來(lái)的發(fā)展應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方向：①提高檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量或復(fù)雜樣品基質(zhì)中目標(biāo)化合物的準(zhǔn)確定量，以擴(kuò)大檢測(cè)覆蓋范圍；②構(gòu)建公共數(shù)據(jù)庫(kù)，方便分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；③開(kāi)發(fā)用于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的全自動(dòng)平臺(tái)，降低人為干擾，加快實(shí)驗(yàn)速度；④實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。近年來(lái)該領(lǐng)域的新應(yīng)用和發(fā)展有力地表明，AIMS技術(shù)已經(jīng)并將繼續(xù)對(duì)煙草領(lǐng)域的研究產(chǎn)生持久的影響。