混雜樣品各組分順次電離裝置的研制與應(yīng)用

張興磊，原雪燕，徐加泉，樂長高，陳煥文

(1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013；2.江西中醫(yī)藥大學(xué)，江西 南昌 330004)

混雜樣品是指由多種理化性質(zhì)不同的組分通過物理和/或化學(xué)作用混雜交互疊積在一起的樣品，廣泛存在于生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中?？焖俸啽愕孬@取不同類型混雜樣品中各組分的分子結(jié)構(gòu)、含量和空間分布情況等信息，以及深入探究混雜樣品在所處微環(huán)境中的化學(xué)行為，對進(jìn)一步理解樣品的物理化學(xué)性質(zhì)、形成過程與機理具有重要意義。

由于混雜樣品組分的復(fù)雜性，目前的分析方法需要在檢測混雜樣品前根據(jù)混雜樣品中特定的研究對象進(jìn)行預(yù)處理，使特定組分與其他物質(zhì)發(fā)生分離或富集，隨后進(jìn)行檢測。這一過程不僅增加了樣品分析的時間和成本，還有可能丟失重要的信息，造成分析數(shù)據(jù)的不完整與不準(zhǔn)確。目前，混雜樣品仍需通過不同的分析手段、采用多次分析測試，才能夠獲得較全面的分子結(jié)構(gòu)、豐度、空間分布等信息。近年來，隨著直接質(zhì)譜分析技術(shù)的發(fā)展，無需樣品預(yù)處理也可以獲得復(fù)雜基體樣品中待測物的分子種類及含量信息。如Cooks等[1]發(fā)展的解吸電噴霧電離(DESI)質(zhì)譜技術(shù)及衍生的成像技術(shù)可直接快速地獲取生物組織中的分子分布信息；Cody等[2]發(fā)展的實時直接質(zhì)譜分析電離技術(shù)(DART)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等復(fù)雜樣品的分析檢測。但是，直接質(zhì)譜分析技術(shù)以有機組分的快速檢測為主[3-12]，對混雜樣品中存在的無機組分(如無機鹽、金屬氧化物、金屬單質(zhì)等)少有報道。另外，目前使用質(zhì)譜成像技術(shù)在組織成像等領(lǐng)域取得的研究成果也局限于有機組分在樣品中的分布及相關(guān)信息[13-17]。近年來，光譜技術(shù)發(fā)展迅速，能檢測單細(xì)胞[18]、單分子[19-20]水平，獲得樣品形貌以及組分(如發(fā)色官能團)在樣品中的濃度和分布信息，但只能跟蹤或檢測特定的標(biāo)記分子，難以適應(yīng)混雜樣品的實際分析要求。目前，有機固體科學(xué)[21]、特殊功能納米材料的開發(fā)[22]等前沿研究迅猛發(fā)展，這對同時檢測樣品中不同組分物質(zhì)信息提出了迫切需求，也對分析測試技術(shù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。

在這種情況下，亟需建立一種新的分析方法，實現(xiàn)以最少的樣品消耗、最短的分析時間，獲得混雜樣品中不同組分的分子結(jié)構(gòu)、豐度、空間分布等多層面、全方位的信息，深入理解樣品的理化性質(zhì)、形成機理以及構(gòu)效關(guān)系等。因此，本文擬設(shè)計一種能夠?qū)祀s樣品中各組分進(jìn)行順次電離，并依次進(jìn)行高靈敏度檢測(如質(zhì)譜分析)的裝置。該裝置以混雜樣品各組分順次電離裝置為關(guān)鍵組件，與常見的質(zhì)譜儀聯(lián)用，可實現(xiàn)高靈敏度的質(zhì)譜分析?；谛卵兄频幕祀s樣品順次電離質(zhì)譜分析平臺，探索典型混雜樣品中各組分電離原理并總結(jié)其規(guī)律，獲取合金、巖石礦物、生物樣品等物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、豐度、空間分布的信息，希望為其他不同類型的混雜樣品分析提供參考。

1 裝置研制

1.1 研制原理與工作流程

混雜樣品的組分復(fù)雜、性質(zhì)差異較大，如何同時滿足混雜樣品中不同組分的直接電離是關(guān)鍵問題，也是制約混雜樣品直接質(zhì)譜分析的瓶頸。為此，本團隊提出了一種混雜樣品各組分順次電離原理：通過選擇合適的試劑和能量，在分子層次精確調(diào)控試劑與混雜樣品的作用過程，以實現(xiàn)混雜樣品中不同組分的順次提取、輸送和離子化，然后在質(zhì)量分析器中進(jìn)行分析，獲得樣品中組分的結(jié)構(gòu)信息(M)及其質(zhì)譜信號強度(I)隨時間(T)變化的關(guān)系，即y(M，I)=f(T)。在質(zhì)譜分析的同時，采用顯微形貌分析技術(shù)實時記錄樣品的形貌，獲得樣品形貌(S)隨時間變化的關(guān)系，即y(S)=f(T)。結(jié)合y(M，I)=f(T)和y(S)=f(T)，可得y(M，I)=f(S)，從而獲得混雜樣品中組分的分子結(jié)構(gòu)(M)、豐度(A)、空間分布(D)等信息。

混雜樣品順次電離裝置的工作流程示于圖1。首先將混雜樣品裝載到特定樣品池中，根據(jù)樣品中不同組分的性質(zhì)選擇特定溶劑(如環(huán)己烷等)，溶劑與能量源中特定形式的能量(如溫度、微波、電場等)進(jìn)行耦合，形成攜帶有能量和電荷的能荷載體試劑，在樣品池與混雜樣品進(jìn)行作用。能荷載體試劑選擇性地與混雜樣品中的非極性組分作用，使其與混雜樣品母體分離并進(jìn)入溶劑中，合適的溫度、超聲波等條件可以加快樣品組分的溶解。溶解后含有特定組分的溶液經(jīng)極性調(diào)節(jié)(如添加H+供體)與能荷調(diào)節(jié)(電離方式、電壓、溫度、霧化氣壓等)形成離子，進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行分析。在質(zhì)譜分析的同時，通過顯微成像技術(shù)實時獲取混雜樣品溶解過程的形貌變化。結(jié)合質(zhì)譜分析和顯微成像結(jié)果，能夠獲得該組分中物質(zhì)的種類、相關(guān)性、相對豐度及含量等信息。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

圖1 混雜樣品順次電離裝置工作流程圖Fig.1 Workflow diagram of the miscellaneous sample sequential ionization device

本裝置采用模塊化設(shè)計進(jìn)行科學(xué)配置，總體結(jié)構(gòu)示于圖2，共分為8個模塊。時序觸發(fā)與智能模塊控制整個裝置；試劑定量添加與混配模塊對試劑進(jìn)行選擇并按一定比例均勻混配；配制完成后，通過微量液體布輸模塊向其他模塊輸送分析所需的載體試劑；微型電解池模塊作為整個裝置的核心，混雜樣品將在該模塊中與試劑和能量進(jìn)行作用，完成組分的選擇性提??；場能量耦合與調(diào)控模塊將特定形式的能量(如溫度、微波、超聲波)轉(zhuǎn)移耦合到選定載體試劑和需要順次電離的混雜樣品中，使攜帶能量或電荷的載體分子在微型電解池模塊中與混雜樣品作用；高效電離模塊與微型電解池模塊連接，使隨載體試劑進(jìn)入溶液相的樣品組分離子化，供質(zhì)譜分析；顯微形貌分析模塊實時監(jiān)測微型電解池模塊中混雜樣品組分的提取過程。各模塊按照一定的順序安裝在支撐聯(lián)接模塊上，共同形成一個完備的裝置。

圖2 儀器裝置分布管理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the instrumentation distribution management

裝置的外觀與內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)示于圖3。在工作過程中，混雜樣品應(yīng)始終保持在顯微形貌分析視線內(nèi)，確?？梢詫崟r在線采集樣品的形貌尺寸數(shù)據(jù)；混雜樣品與微電極直接接觸，溶解后的樣品組分必須可控地進(jìn)入液體載流模塊，從而傳輸至高效電離模塊形成離子供質(zhì)譜檢測。

1.2.1試劑定量添加與混配模塊 試劑定量添加與混配模塊能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行試劑選擇，并按一定比例將各試劑均勻混配?；炫涑貫槿?16不銹鋼結(jié)構(gòu)，耐酸、堿及有機溶劑，其底部配有超聲波振蕩器，根據(jù)不同工作情況調(diào)控輸出頻率。儀器內(nèi)部的精密蠕動泵通過聚四氟乙烯管道將不同的溶液輸送至混配池進(jìn)行混配。溶液存儲容積500 mL，混配池200 mL，試劑緩存箱50 mL。注射泵可切換雙向流動，流量范圍0.1～10 000 μL/min，控制精度0.01 μL/min?？刂崎y用于控制輸液管路的流動狀態(tài)，量程為0.1～1 000 μL/min，控制精度0.01 μL/min，通常情況下設(shè)定某一默認(rèn)值(5 μL/min)，實際應(yīng)用過程中根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；超聲振蕩發(fā)生器功率200 W，振子功率170 W。該模塊原理功能與結(jié)構(gòu)示意圖示于圖4。

1.2.2微量液體布輸模塊 微量液體布輸模塊提供分析所需的載體試劑，主要包括輸液管路、控制閥及流體耦合部分。輸液管路用于連接儀器各液體存儲及使用模塊，為各模塊提供所需的液體。調(diào)理液(E4管路)與樣品萃取液(E5管路)在微流控芯片操控下Y形混合，降低層流效應(yīng)，加強湍流充分混合，交匯于X處。該部分管路的流速由微量注射泵和精密電磁控制閥控制。微量注射泵的輸入直流電壓24 V，為液體的輸送提供動力。通入脈沖電壓后，精密電磁控制閥中的電磁驅(qū)動器會產(chǎn)生動力，在工作軸的帶動下，活塞內(nèi)的柱塞做水平往復(fù)運動。微量液體布輸模塊的流速可在0.1～10 000 μL/min內(nèi)調(diào)節(jié)，管路由聚醚醚酮(PEEK)材料制成，各連接處能承受100 μL/min流速產(chǎn)生的壓力，為減小整個模塊的液體死體積，除特殊說明外，模塊所用輸液管均為內(nèi)徑100 μm，示于圖5。

注：a.主體部分外觀效果；b.內(nèi)部結(jié)構(gòu)與模塊分布圖3 順次電離裝置設(shè)計示意圖Fig.3 Schematic diagrams of the design of the sequential ionization device

注：S1.pH傳感器；S2.電導(dǎo)率傳感器；S3.溫度傳感器；E1.電解池入口1；E2.電解池入口2；E3.電解池入口3；E4.離子源入口圖4 試劑定量添加與混配模塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of the reagent dosing and mixing module

注：E1.電解池入口1；E2.電解池入口2；E3.電解池入口3；E4.離子源入口；E5.電解池出口；X.流體耦合模塊圖5 微量液體布輸模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of the microfluidic distribution module

圖6 顯微形貌分析模塊示意圖Fig.6 Schematic diagram of the microscopic morphology analysis module

1.2.3顯微形貌分析模塊 顯微形貌分析模塊能夠?qū)崿F(xiàn)混雜樣品形貌和尺寸信息的實時監(jiān)測，記錄混雜樣品組分實時溶解與電解的全過程，該模塊示意圖示于圖6。顯微鏡和高速攝像機通過伺服電機、電路控制及軟件控制，實現(xiàn)顯微鏡鏡頭的電動切換、自動對焦、高速攝像機的自動成像。顯微鏡放大倍數(shù)為50～1 000倍，具備明場觀察功能，攝像機最快拍攝速度可達(dá)500幀/秒，搭配計算機與控制軟件可實現(xiàn)混雜樣品形貌和尺寸信息的實時監(jiān)測。

1.2.4微型電解池模塊 微型電解池模塊是混雜樣品順次電離裝置的核心，根據(jù)樣品需要順次引入攜帶能量、符合理化性能要求的試劑，在電解池內(nèi)實現(xiàn)能荷載體分子與混雜樣品組分的選擇性作用，使混雜樣品中選定的組分脫離混雜樣品母體進(jìn)入溶液中，用于后續(xù)的質(zhì)譜分析。該模塊主要由電解池腔體、流體管路接口、工作電極、對電極、工作電極位置調(diào)節(jié)桿、電極導(dǎo)線、電學(xué)設(shè)備、顯微成像模塊觀測窗等構(gòu)成，各部件設(shè)計參數(shù)列于表1。

表1 電解池及其各模塊設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of the electrolytic cell and its modules

微型電解池殼體整體采用7075鋁合金制成。殼體外壁設(shè)有溶液輸送接口，與內(nèi)部電解池腔體聯(lián)通。電解池腔體采用二氧化硅透明石英玻璃制成，外壁使用PEEK材料保護。電極底端引出高壓導(dǎo)線，連接直流高壓電源和電化學(xué)工作站。腔體內(nèi)部采用全密封設(shè)計，注入導(dǎo)熱油，通過電阻加熱實現(xiàn)0～200 ℃的變溫控制對樣品進(jìn)行電解，示于圖7。

圖7 微型電解池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the micro electrolytic cell structure

1.2.5場能量耦合與調(diào)控模塊 場能量耦合與調(diào)控模塊包括微波加熱裝置、超聲裝置、溫控元件。在溶劑混配部分，超聲波頻率可達(dá)200 kHz，超聲波發(fā)生器總功率1.5 kW，工作溫度為 30～60 ℃。電解池外部通過油浴加熱，受熱均衡。溫控元件通過過熱管加熱，實現(xiàn)電解池邊界介質(zhì)0～200 ℃的變溫控制，加熱速率通過熱電偶反饋進(jìn)行控制，示于圖8。

圖8 場能量耦合與調(diào)控模塊示意圖Fig.8 Schematic diagram of the field energy coupling and modulation module

1.2.6高效電離模塊 高效電離模塊包括極性調(diào)節(jié)模塊、能荷調(diào)理模塊以及離子傳輸效率調(diào)整模塊。該模塊與儀器的微型電解池模塊連接，通過調(diào)節(jié)溶液相的極性，快速電離隨著載體試劑進(jìn)入溶液相的樣品組分，形成所溶解組分的離子后進(jìn)行質(zhì)譜分析。通過調(diào)整方向、角度、距離、電壓、去溶劑氣流壓力等參數(shù)實現(xiàn)進(jìn)樣速率達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)樣裝置精度達(dá)10-9L，進(jìn)樣速率低至10-9L/s；電離裝置電壓調(diào)節(jié)范圍達(dá)±8 kV；2個離子源噴頭可以分別在x、y、z軸移動和轉(zhuǎn)動。其中，移動精度達(dá)到μm級，噴頭角度調(diào)節(jié)范圍為0～90°，調(diào)節(jié)精度達(dá)0.1°；通過配備減壓閥和流量計控制去溶劑氣流，其中壓強可控范圍為0～2 MPa，流量可控范圍為0～10 mL/min。在此實驗條件下，噴霧形成的微小液滴最小可達(dá)10 μm，樣品消耗量可低至10-9g級。此外，該模塊還可根據(jù)需要連接或耦合不同的電離裝置，如連接納升電噴霧電離源、電感耦合等離子體電離源(ICP)，耦合大氣壓化學(xué)電離源(APCI)、微波等離子體炬(MPT)等。

1.2.7時序觸發(fā)與智能控制模塊 時序觸發(fā)與智能控制模塊將儀器的另外7個模塊有序連接，使其按指令協(xié)同運作，完成混雜樣品的全組分分析。該模塊主要由基于嵌入式微處理器的硬件子模塊和基于嵌入式實時操作模塊的軟件子模塊組成。軟件操作界面示于圖9a，軟件子系統(tǒng)以labview圖形界面系統(tǒng)為軟件平臺進(jìn)行開發(fā)。該模塊的性能指標(biāo)響應(yīng)時間達(dá)ms級，精準(zhǔn)度(如位移控制、流速控制等)誤差小于5%。硬件模塊示于圖9b，采用雙核ARM Cortex-A9處理器，能夠在超過1 GHz頻率的設(shè)備中運行，在工作狀態(tài)每個循環(huán)可執(zhí)行多達(dá)4條指令。該模塊可降低主流八級處理器的成本并提高效率。結(jié)合電子傳感器、集成運放放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器以及穩(wěn)壓器關(guān)鍵數(shù)字芯片共同構(gòu)成硬件外圍電路。

圖9 時序觸發(fā)與智能控制模塊的軟件操作界面(a)及硬件模塊(b)Fig.9 Software operation interface (a) and hardware module (b) of the timing trigger and intelligent control module

1.2.8電源與支撐聯(lián)接模塊 電源與支撐聯(lián)接模塊安裝于特定硬件支撐模塊上，形成一個完整的儀器骨架，示于圖10。電源的峰值負(fù)載可達(dá)150%，操作海拔高度可達(dá)5 000 m，支撐聯(lián)接模塊整體采用7075鋁合金，使用角形連接塊對連接處固定，整體穩(wěn)定可靠。

根據(jù)上述設(shè)計，分別測試各模塊及總裝后儀器的電/磁、光、溫度、氣密性、調(diào)節(jié)范圍、化學(xué)兼容與穩(wěn)定性、控制精度、整體匹配度等指標(biāo)，完成了儀器硬件物理性能測試。儀器整體裝置圖示于圖11。

圖10 支撐聯(lián)接模塊示意圖Fig.10 Schematic diagram of the support connection module

2 儀器應(yīng)用

2.1 金屬樣品

2.1.1金屬材料的電解輔助順次電離質(zhì)譜分析 快速檢測合金中金屬元素成分具有重要意義[23]，但如何實現(xiàn)金屬材料中金屬組分的直接軟電離質(zhì)譜分析是直接質(zhì)譜分析的難點。因此，本團隊將金屬置于微型電解池中，基于金屬電解的原理，通過在合金樣品上施加一定的電解電壓，將金屬單質(zhì)轉(zhuǎn)化為金屬離子，然后與電解液中的有機配體發(fā)生原位反應(yīng)，制備金屬-有機絡(luò)合物，離子化后用于質(zhì)譜分析，即電化學(xué)電離質(zhì)譜(ECI-MS)，其原理示于圖12。以表面覆蓋甘氨酸的黃銅為分析對象，首先采用CH3OH為萃取劑，以2.0 μL/min流速流入電解池，提取黃銅表面存在的有機物(甘氨酸)，并在線傳輸至電噴霧電離源中進(jìn)行離子化，用于質(zhì)譜分析，示于圖13a；有機組分分析結(jié)束后，以H2O/CH3CN/Phen(鄰菲羅啉)為電解液，通過改變電解電位將黃銅合金中的Cu和Zn順次電解為相應(yīng)的金屬離子，示于圖13b；金屬離子與電解液中的Phen原位發(fā)生金屬-絡(luò)合反應(yīng)形成相應(yīng)的金屬-有機絡(luò)合物，然后在線傳輸至電噴霧電離源中進(jìn)行離子化，獲得相應(yīng)的金屬-有機化合物的質(zhì)譜信號，示于圖13c。該方法可在無需樣品預(yù)處理的條件下實現(xiàn)合金樣品表面有機組分和金屬組分的順次電離質(zhì)譜分析，解決了傳統(tǒng)ICP-MS難以實現(xiàn)的有機組分分析和直接質(zhì)譜技術(shù)難以實現(xiàn)的金屬組分直接分析。

圖11 混雜樣品順次電離裝置的裝配效果圖(a)及實物圖(b)Fig.11 Assembly effect (a) and physical drawing (b) of the mixed sample sequential ionization device

圖12 金屬材料順次電離質(zhì)譜分析示意圖Fig.12 Schematic diagram of sequential ionization mass spectrometry analysis of metallic materials

注：a.CH3OH電解液中黃銅樣品的ECI-MS譜圖；b.銅、鋅和黃銅在-1.0～1.0 V下的電解曲線(電位掃描速度0.1 V/s)；c.黃銅在H2O/CH3CN/Phen電解液中不同電解電位(-0.85、-0.6、-0.4、0、0.2 V)下的ECI-MS譜圖圖13 有機物覆蓋的黃銅樣品順次分析圖Fig.13 Successive analysis of glycine covered brass

圖14 電化學(xué)微探針順次電離-質(zhì)譜法分析金屬材料微區(qū)示意圖Fig.14 Schematic diagram of microzone analysis of metallic materials by electrochemical microprobe sequential ionization-mass spectrometry

2.1.2塊狀合金的電化學(xué)微探針質(zhì)譜分析

電化學(xué)微探針質(zhì)譜法(μECP-MS)是結(jié)合電化學(xué)微探針(μECP)微區(qū)采樣與納升電噴霧電離質(zhì)譜(NanoESI-MS)發(fā)展的檢測方法[24]。將直徑100 μm的鉑絲插入尖端直徑5 μm的微移液管中制備μECP。利用微型注射器將電解質(zhì)溶液(10 mg/L鄰菲羅啉的H2O/CH3CN(1∶1，V/V)溶液通過μECP尖端吸入，電解液體積約為2.5 nL，通過顯微鏡下的微型注射器固定液體高度進(jìn)行控制。在微操作器和顯微鏡的調(diào)控下，μECP與金屬樣品接觸，其尖端中的電解液連接了尖端和金屬樣品表面。μECP上的鉑絲作為對電極，金屬樣品作為工作電極，在鉑絲和金屬間施加不同的電解電位，樣品中的金屬元素轉(zhuǎn)化為金屬離子進(jìn)入μECP尖端電解液中與有機配體反應(yīng)形成絡(luò)合物，實現(xiàn)對合金表面不同組分的順次采樣，示于圖14。研究表明，在電解電位為0 V時，選擇性采樣中性RhB；向μECP施加+0.2 V電位，采樣Zn組分；將電解電位改為+0.4 V，采樣Cu組分。完成采樣后，將μECP作為納升電噴霧噴頭，采用NanoESI-MS技術(shù)對μECP中的電解液進(jìn)行質(zhì)譜分析，示于圖15。

2.1.3金屬雜質(zhì)的電化學(xué)質(zhì)譜分析[25]基于金屬電解的原理，將混雜樣品順次電離裝置應(yīng)用于重金屬制品的無損分析，示于圖16。首先在0.05 mmol/L EDTA的H2O/CH3CN(1∶1，V/V)溶液中制備一系列不同濃度(0.2、1、10、20、50、100、200、500、1 000 μg/L)的Ni2+、Cu2+和Pb2+工作溶液，用于考察裝置對金屬有機絡(luò)合物的分析性能。Ni2+、Cu2+和Pb2+的校準(zhǔn)曲線及電解后摻雜金首飾電解質(zhì)的質(zhì)譜圖示于圖17a，可以看出，3種金屬-有機絡(luò)合物的濃度與質(zhì)譜信號強度間具有良好的線性關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線可計算出相應(yīng)的檢出限，最低可達(dá)0.05 μg/L。在實際樣品分析中，將金屬制品(如黃金首飾)置于微型電解池中，以0.05 mmol/L EDTA的H2O/CH3CN(1∶1，V/V)作為電解液，在樣品上施加+0.8 V的電解電位，首飾中的Cu、Pb、Ni等雜質(zhì)金屬將通過電解作用轉(zhuǎn)化為金屬離子，并與EDTA發(fā)生原位絡(luò)合反應(yīng)，生成金屬-有機絡(luò)合物，然后傳輸至電噴霧電離源中進(jìn)行離子化，供質(zhì)譜分析，結(jié)果示于圖17b。由于Au具有較高的電解電位，在該條件下難以電解為離子，因此該技術(shù)是一種無損的重金屬首飾分析方法。

注：a.+0.6 V電解電位；b.+0.6 V電解電位；c.金屬的質(zhì)譜信號強度與電解電位之間的關(guān)系；d.不施加電解電位情況下采樣的RhB質(zhì)譜圖；e.-0.2 V電解電位；f.+0.6 V電解電位圖15 μECP-MS對金屬材料的定性分析Fig.15 Qualitative analysis of metal materials by μECP-MS

圖16 電化學(xué)電離源質(zhì)譜技術(shù)快速無損分析金屬中雜質(zhì)Fig.16 Rapid non-destructive analysis of impurities in metals by electrochemical ionization source mass spectrometry

2.2 地礦樣品

2.2.1水鐵礦中砷組分的在線順次電離質(zhì)譜分析[26]以合成的水鐵礦作為吸附劑對砷元素進(jìn)行吸附，吸附后的沉淀經(jīng)收集與干燥后作為待測樣品。實驗時，將樣品裝載至微型電解池中，使用去離子水、5% NH4NO3、NH4H2PO4(0.2 mol)、(NH4)2(C2O4)(0.1 mol，pH 3)和0.5% HF-5%HNO3混合溶液等作為洗脫劑順次洗脫樣品，并以超聲和加熱進(jìn)行輔助，順次提取砷的水溶性組分(砷組分1)、非特異性吸附組分(砷組分2)、特異性吸附組分(砷組分3)、鐵氧化物結(jié)合組分(砷組分4)和殘余組分(砷組分5)，洗脫的組分在線傳輸至ICP-MS分析，示于圖18。實驗分別對單一體系和共存體系(砷、銻2種元素)中的砷進(jìn)行吸附，檢測到水溶性組分和非特異性組分的砷占比極少，以氧化鐵結(jié)合的砷為主(占比>80%)，特異性吸附的砷和殘余組分的砷占10%。此外，砷(Ⅲ)在單一體系中的特異性組分(13%)高于共存體系(9%)，這是由于砷(Ⅲ)和銻(Ⅲ)在體系中的共存導(dǎo)致它們對水鐵礦表面的吸附位點形成競爭。而砷(Ⅴ)在單一體系和共存體系中的組分差異不大，表明銻(Ⅴ)與砷(Ⅴ)在體系中的共存不影響砷(Ⅴ)的吸附，示于圖19。通過該研究思路得到了砷在水鐵礦表面吸附的含量和各組分的分配情況，拓展了對其毒性和遷移的研究思路。另外，相較于傳統(tǒng)的離線分步提取方法，該方法僅需極少量的樣品(約1 mg)，無需樣品前處理，降低了人力、物力成本，有望在礦物樣品的直接分析、環(huán)境水樣的污染監(jiān)測、毒性元素的遷移及其吸附作用研究等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖17 Ni2+、Cu2+和Pb2+的校準(zhǔn)曲線(a)及電解后摻雜金首飾電解質(zhì)的質(zhì)譜圖(b)Fig.17 Calibration curves of Ni2+, Cu2+, Pb2+ (a) and mass spectrum (b) of the electrolyte of doped gold jewelry after electrolysis

2.2.2恐龍化石中稀土元素的順次電離質(zhì)譜分析[27]恐龍骨骼在石化過程中存在稀土元素侵入其中的磷灰石并富集到化石中的現(xiàn)象，利用脊椎動物骨骼中的稀土元素特征可解決化石研究中的部分難題。實驗時，將樣品置于微型電解池中，依次用H2O、0.3 mol/L NH4Ac、0.1 mol/L NH2OH·HCl、0.5 mol/L HNO3+1% H2O2、0.01 mol/L HF+1 mol/L HNO3等溶液提取樣品中的水溶態(tài)、可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)5種不同形態(tài)的稀土元素組分，然后在線傳輸至ICP-MS進(jìn)行分析，示于圖20。當(dāng)前一組分的信號降至基線后，更換下一溶劑進(jìn)行分析。采用該方法可在1 h內(nèi)獲得樣品中15種稀土元素的5種形態(tài)信息。對比該方法與標(biāo)準(zhǔn)離線消化法的分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，該方法具有良好的分析準(zhǔn)確度(>90%)，示于圖21。該方法相對傳統(tǒng)的射線衍射(XRL)、X射線熒光光譜(XRFS)等方法具有無需復(fù)雜的預(yù)處理、分析速度快、能耗低等優(yōu)點，可快速完成15種稀土元素的含量分析和形態(tài)分析。

有報道[28]利用該方法實現(xiàn)了稀土礦樣中15種稀土元素(鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥)及其伴生金屬(如鐵、錳等)的快速分析，為礦石和化石等復(fù)雜樣品中稀土元素的快速定量分餾分析提供了強有力的檢測工具。

圖18 在線順次洗脫-電感耦合等離子體質(zhì)譜直接分析固體樣品Fig.18 Direct analysis of solid samples by on-line sequential elution coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry

圖19 在單一和二元體系(As(Ⅲ)+Sb(Ⅲ)或As(Ⅴ)+Sb(Ⅴ))中順次在線檢測As(Ⅲ)和As(Ⅴ)Fig.19 Sequential online detection of As (Ⅲ) and As (Ⅴ) in single and binary systems (As (Ⅲ)+Sb (Ⅲ) or As (Ⅴ)+Sb (Ⅴ))

圖20 恐龍化石中不同形態(tài)稀土元素順次電離質(zhì)譜分析示意圖Fig.20 Schematic diagrams of the sequential ionization mass spectrometry of different forms of rare earth elements in dinosaur fossils

注：插圖為低含量元素信號放大圖圖21 離線消化法和順次電離質(zhì)譜法測定15種稀土元素含量Fig.21 Determination of 15 rare earth elements by an offline digestion and sequential ionization mass spectrometry

2.3 生物樣品

以臨床組織樣本為研究對象，尋找與疾病密切相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物有助于在分子水平上高精度識別癌癥，提高診斷的準(zhǔn)確度[29]。將豬肺組織樣品置于微型電解池中，然后將電解池中進(jìn)樣端毛細(xì)管插入組織內(nèi)部，并在電解池的電極上施加+4.5 kV電壓，使帶電的萃取劑直接通入組織內(nèi)部，通過改變萃取劑組成對組織內(nèi)部的小分子代謝物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)進(jìn)行順次萃取，最終形成電噴霧實現(xiàn)離子化，供質(zhì)譜分析，示于圖22。實驗中對27種溶劑進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后采用甲醇-水萃取劑(35∶65，V/V)對脂質(zhì)進(jìn)行萃取，萃取結(jié)束后，在相同實驗條件下連續(xù)萃取30～80 min，萃取小分子代謝物，然后將萃取劑改為甲醇-水-乙酸(35∶65∶10，V/V/V)，實現(xiàn)蛋白質(zhì)的選擇性萃取，結(jié)果示于圖23。利用該方法獲得了來自13名患者57份肺組織樣本中的小分子代謝物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的綜合信息，肺癌預(yù)測的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確度均達(dá)到了100%。該方法具有樣品耗量低(約2.0 mg)和操作簡便等優(yōu)點，在提高臨床肺癌診斷的準(zhǔn)確度和模塊生物學(xué)研究方面具有潛在的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

本工作研制了可以實現(xiàn)混雜樣品中不同組分順次電離的裝置，圍繞試劑及能量與混雜樣品的作用，設(shè)計了試劑添加與混配模塊、微量液體布輸模塊、微型電解池模塊、顯微形貌分析模塊、場能耦合與調(diào)控模塊、高效電離模塊、時序控制模塊和支撐聯(lián)接模塊。通過調(diào)控能量的大小、形式及施加方式以調(diào)節(jié)相應(yīng)的電離參數(shù)，從而精確地調(diào)控混雜樣品中各組分的順次電離過程，獲得不同物質(zhì)含量相對于分析時間的關(guān)系。同時，通過儀器裝置的顯微觀測系統(tǒng)可獲取不同分析時間結(jié)點處的樣品影像信息，建立各類物質(zhì)在空間分布、時間、豐度之間的關(guān)聯(lián)。其次，根據(jù)這些信息之間的關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)混雜樣品的納微結(jié)構(gòu)及形貌特征。目前，該儀器已實現(xiàn)對礦石、金屬、生物樣品中有機及無機組分的順次檢測，為混雜樣品的成分檢測提供了簡便、快捷、全面的方法，未來有望在材料、能源、地球、生命等科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖22 順次萃取-質(zhì)譜分析同一組織樣本內(nèi)脂類、小分子代謝物和蛋白質(zhì)的示意圖Fig.22 Schematic diagrams of lipids, small metabolites and proteins of the same tissue sampleby sequential extraction-mass spectrometry

注：a.水；b.甲醇；c.乙醇；d.甲醇-水(35∶65,V/V)；e.乙酸；f.丙酮；g.甲醇-水-乙酸(35∶65∶2.5,V/V/V)；h.甲醇-水-乙酸(35∶65∶10,V/V/V)