激光輔助聚焦等離子體電離源-質譜分析技術的開發(fā)及應用研究*

向志成，史 俊，鄭亞君，左倩倩，張智平

(西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065)

常壓電離源技術(Ambient Ionization Source, AMS)可直接在大氣壓環(huán)境下對目標化合物實現(xiàn)快速解吸和電離，該過程只需較少步驟或不需要樣品預處理便可對樣品進行分析，如上優(yōu)點促使其廣泛應用于環(huán)境、生物、醫(yī)療等諸多領域。同時AMS能在開放環(huán)境中允許快速切換樣品，所以AMS也是高通量分析的理想選擇。根據電離機制，可大致分為噴霧型電離源(Spray-based Ionization)和等離子型電離源(Plasma-based Sources)。盡管有部分學者認為光致電離(Photo Ionization, PI)也應設為一類單獨的電離技術，但在大部分光致電離技術中，能夠直接被光致電離的樣品種類很少，大部分樣品都需要其它電離源的輔助促使其對樣品的電離。為了簡便，人們通常將光致電離歸為大氣壓化學電離的一部分。盡管如此，這并不能說明光致電離在實際樣品解吸電離過程中不重要，相反將其與一般電離源相結合，可有效提升樣品的解吸和電離效率。

早在常壓電離源的概念提出之前，研究人員已發(fā)展出大氣壓基質輔助激光解吸/電離 (Atmospheric pressure laser matrix-assisted desorption ionization，APMALDI)[3-4]和激光解吸-大氣壓化學電離(Laser desorbed-atmospheric pressure chemical ionization，LD-APCI)技術。但上述兩種技術在操作過程中，需要首先將樣品制備成基質，所以通常認為這兩種技術不屬于常壓電離源范疇。隨著Cooks等報道的解吸電噴霧電離(Desorption electrospray ionization, DESI)和Cody團隊開發(fā)的實時直接分析電離源(Direct analysis in real time, DART)[10-11]的出現(xiàn)，基于電噴霧和等離子體的常壓電離源分別被首次提出。隨后，多種常壓解吸/電離技術相繼出現(xiàn)，其中包括低溫等離子體電離源(Low temperature plasma, LTP)、介質阻擋放電電離源 (Dielectric barrier discharge ionization, DBDI)等，這些技術有相當數(shù)量是利用氣體輔助解吸和電離樣品臺上的液態(tài)或固態(tài)樣品，它們的缺陷是對于揮發(fā)性較弱的化合物解吸效率低，導致最終質譜分析靈敏度較低。眾所周知，激光照射樣品的目的主要是解吸比離子更為穩(wěn)定的中性分子。根據這一特性將激光和電離源相結合，特別是常壓電離源技術，可極大提高樣品的解吸和電離效率。例如，與電噴霧電離相結合的電噴霧輔助激光解吸電離(Electrospray-assisted laser desorption ionization，ELDI)[17]、基質輔助激光解吸電噴霧電離(Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization，MALDESI)、激光誘導聲解吸電噴霧電離(Laser-induced acoustic desorption with electrospray ionization，LIAD-ESI)[19]。此外，基于等離子體的相關技術也與激光相結合，例如，激光燒蝕流動大氣壓余輝電離源(Laser ablation with flowing atmospheric-pressure afterglow，LA-FAPA)[20]，激光輔助實時直接分析電離源(Laser-assisted direct analysis in real time，LA-DART)，激光解吸介質阻擋放電電離源(Laser desorption dielectric barrier discharge ionization，LD-DBDI)，這些電離源與EDLI源類似，先由激光解吸產生氣化的中性物質，再通過等離子體對其離子化。

為了提高聚焦等離子體電離源(Focusing plasma desorption/ionization，F(xiàn)PDI)的分析性能，本文將其與激光解吸相結合開發(fā)出激光輔助聚焦等離子體電離源(Laser-assisted focusing plasma desorption/ionization，LA-FPDI)，并用于樣品中目標化合物的質譜分析靈敏度提高，進而將其用于復雜樣品基質中揮發(fā)性較差的農藥殘留化合物的快速質譜分析。從同時，系統(tǒng)考察了采樣模式、電離源幾何參數(shù)等對目標化合物分析靈敏度的影響。該研究為復雜樣品中目標化合物的新型、高效分析技術的開發(fā)提供了參考。

1 實 驗

1.1 試 劑

甲醇(高效液相色譜級)，北京百靈威科技有限公司；異丙醇(高效液相色譜級)，北京百靈威科技有限公司；異丙甲草胺(純度≥98.5%)，上海將來實業(yè)股份有限公司；氨基碳納米管(純度≥95%)，北京德科島金科技有限公司；可溶性淀粉，天津市天力化學試劑有限公司；氦氣(純度≥99.999%)，西安騰龍化工有限公司；定量濾紙(中速，直徑為11 cm)，杭州特種紙業(yè)有限公司；銀絲電極(純度≥99.9999%，直徑為0.3 mm)，昆山盛世新新材料有限公司；激光光源(藍光450 nm)，義烏市森唯電子商務有限公司。

1.2 儀 器

本文實驗數(shù)據均來源于TSQ Quantum Access Max質譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)。在實驗過程中，質譜進樣口傳輸管溫度為270 ℃，均使用正離子模式進行分析，使用Thermo Fisher Scientific Xcalibur 2.0軟件處理數(shù)據。聚焦等離子體電離源的放電電壓3500 V，氦氣流量為300 mL·min-1，一次性移液器吸頭前端內徑為0.4 mm，直徑為0.3 mm銀作為電極材料，銀絲電極距離聚合物移液器吸頭尖端為6 mm，紙電極距離聚合物尖端8 mm。

2 結果與討論

2.1 激光輔助聚焦等離子體電離源的建立

電離源結構如圖1所示，主要由金屬絲電極、不銹鋼網格、移液器吸頭組成，其中金屬絲電極置于吸頭中，并施加直流高壓電，不銹鋼網格接地并置于移液器吸頭前端，三者同軸放置，在氦氣的輔助下，產生的等離子體從吸頭內延伸到網格上。該過程中，金屬網格不僅作為對電極，同時也作為樣品載體。此外，激光光源放置在移液器吸頭上方，產生的激光直接照射網格上的樣品。

圖1 激光輔助聚焦等離子體電離源示意圖(a)和實物圖(b)

2.2 激光輔助解吸的作用

在已有等離子體型電離源中，部分電離源由于其對樣品解吸能力較差，限制了其在低揮發(fā)性化合物分析方面的應用。解決該問題最常見的方法是加熱樣品，如DART、DCBI等電離源通過加熱放電氣體來提高電離源的解吸能力，但這種方式熱損失較大，且對電離源本身材質要求很高，使得電離源結構變得復雜。另一種是直接對樣品臺進行加熱，這種方式雖然加熱效率有所提高，但加熱的分辨率低。激光的主要優(yōu)點是高效率對樣品局部加熱，在高通量分析時，采用激光加熱只會針對正在分析的樣品，而不會影響下一個樣品分析，且激光光源一般是獨立工作的，與電離源互不干擾。

本實驗采用450 nm的藍光作為解吸輔助激光，實驗結果表明，當FPDI電離源不工作時，僅激光照射樣品，質譜中沒有出現(xiàn)任何信號，這說明本研究中所用激光不能直接使樣品電離。當電離源正常工作時(激光關閉)，利用異丙甲草胺作為目標分析物，如圖2a所示，全譜圖沒有出現(xiàn)明顯的異丙甲草胺相關質譜峰；當激光和電離源同時工作時(圖2b)，譜圖中出現(xiàn)明顯的m/z 284和m/z 252的質譜峰，可歸屬為異丙甲草胺的準分子離子峰和相應的碎片離子峰。以m/z 284的信號強度為標準，相比于未加激光的體系，激光輔助聚焦等離子體電離源的質譜分析靈敏度提高了18.8倍。

圖2 激光輔助聚焦等離子體電離源對異丙甲草胺的分析

2.3 實驗參數(shù)對激光輔助聚焦等離子體電離源的影響

2.3.1 采樣模式的影響

圖3 激光輔助聚焦等離子體電離源不同采樣模式的示意圖和對應模式分析異丙甲草胺所得質譜圖

對于大多數(shù)等離子體電離源而言，有兩種采樣模式，一種是反射模式(如圖3a所示)，例如LTP、DBDI、DESI等電離源一般采用的是這種模式，這類電離源與樣品臺呈一定的角度，接著解吸電離后的樣品隨氣體流進入質譜儀進行分析。另一種方式是穿透模式(如圖3b～圖3c所示)，如DART、FAPA等電離源。該模式利用金屬網格、玻璃棒作為樣品載體，使產生的等離子體直接朝向質譜進樣口，中途穿過負載樣品的網格或玻璃棒。本文考察了激光輔助聚焦等離子體電離源的采樣模式對分析結果的影響，以除草劑異丙甲草胺為目標分析化合物。圖3a～圖3c是不同模式激光輔助聚焦等離子體電離源的示意圖，圖3a’～圖3c’是相應采樣模式下對異丙甲草胺分析的質譜圖。當采用模式A對異丙甲草胺進行分析時，由所得質譜圖可看出(圖3a’)，僅觀察到m/z 217、279和304等背景峰，沒有出現(xiàn)異丙甲草胺相關的質譜峰。在模式B中，利用濾紙作為樣品載體，質譜圖中m/z 200～300范圍內出現(xiàn)很多背景干擾峰，同樣也沒有出現(xiàn)異丙甲草胺相關的質譜峰。當利用模式C對異丙甲草胺分析時，質譜圖中出現(xiàn)明顯兩個質譜峰(m/z 284和m/z 252)，其中m/z 284是異丙甲草胺的準分子離子峰，m/z 252是其碎片離子，其原因是當使用網格時，激光的能量可有效傳遞到網格的其它部位，當樣品加載到網格上時，樣品可快速揮發(fā)，同時在電離源作用下，促使目標化合物有效電離，隨后進入質譜儀進行分析。

2.3.2 激光光源和金屬網格距離的影響

在激光輔助聚焦等離子體電離源的發(fā)展過程，我們發(fā)現(xiàn)激光光源的位置對分析性能產生了極大影響。為了探究激光光源與網格間距對分析性能的影響，本研究系統(tǒng)考察了不同間距下異丙甲草胺的分析性能，具體如圖4所示。當激光光源和網格間距為2 cm時，綠色柱狀圖代表異丙甲草胺分析所得的準分子離子峰(m/z 284)信號強度最高；隨著兩者間距的增大，異丙甲草胺的信號逐漸降低。如上現(xiàn)象可歸屬為隨著激光光源與網格間距的逐步增大，金屬網格表面的溫度逐步降低所引起的結果。圖4藍色曲線代表在不同的激光光源和金屬網格間距時，金屬網格表面的溫度?？梢钥闯?，隨著兩者間距的增大，網格表面溫度降低，導致對異丙甲草胺的解吸效率降低，最終質譜分析靈敏度下降。另一方面，由于激光光源體積的限制，激光光源與網格的最小間距為2 cm，該條件下分析靈敏度最高。

圖4 激光光源與金屬網格之間的距離對分析結果的影響

2.4 激光輔助解吸聚焦等離子體電離源在復雜樣品中的應用

食品中的農藥殘留是公眾關注的話題，其中果蔬汁、牛奶等復雜基質中農殘的快速檢測是研究熱點，常規(guī)的分析方法需要耗時的樣品預處理過程，然后采用色譜-質譜等方法進行分析，現(xiàn)有許多常壓電離源技術已經應用到復雜樣品中的農殘檢測。本研究利用開發(fā)的LA-FPDI技術，直接對復雜樣品中的除草劑進行檢測，該過程無需復雜的前處理，即先將配制好含有濃度為5 μg·mL-1除草劑的牛奶或果汁樣品移取2 μL滴加在金屬網格表面，然后進行質譜分析，所得結果如圖5所示。當對牛奶中除草劑的分析時，可觀察到明顯的除草劑質譜峰，其中m/z 239是雙苯酰草胺的準分子離子峰、m/z 270是甲草胺的準分子離子峰、m/z 284是異丙甲草胺的準分子離子峰、m/z 312是丙草胺的準分子離子峰，而m/z 252是異丙甲草胺和丙草胺的特征碎片離子峰；對于復雜的果汁樣品，也出現(xiàn)同樣的分析結果(圖5b所示)。如上結果表明，激光輔助聚焦等離子體技術能夠有效的對復雜樣品中農藥化合物進行分析。

圖5 激光輔助聚焦等離子體電離源對復雜樣品中除草劑的分析質譜圖

3 結 論

本文基于激光輔助解吸樣品的方式，發(fā)展了激光輔助聚焦等離子體電離源，該源使用激光直接照射金屬網格的樣品載體，提高了農藥化合物的解吸效率和質譜分析靈敏度。此外，發(fā)展的電離方式可有效避免復雜樣品中基體對分析目標化合物的干擾，同時具備操作簡單、無需樣品預處理等優(yōu)點，適用于復雜食品樣品中農藥化合物的高效分析。