常压电离源—纸喷雾电离技术及应用.docx

常压电离源—纸喷雾电离技术及应用 摘要：常压电离源由于具有简便、高效、无需样品预处理等特点，近年来备受关注纸喷雾电离源技术是新开展起来的一种常压电离技术，该技术不仅具有一般常压电离源的特点，同时兼具操作简单、低廉和别离的特性，在食品、药物化合物等的高通量分析方面表现出了良好应用前景本文针对纸喷雾电离技术的开展进行了全面评述，着重阐述了该电离技术的根本原理、影响因素、分析性能和应用，介绍了该技术的优缺点，并展望了其开展方向关键词：常压电离源；纸喷雾电离；质谱；评述1引言随着现代科技的高速开展，当前分析技术已取得了长足进步，各种分析仪器和分析办法在目标样品分析的适用性和灵敏度方面都得到了全面提升，并已在生命科学、环境科学、药物科学、食品科学等领域发挥着巨大作用尽管如此，各种学科的开展给分析化学提出了更高要求，特别是复杂样品的分析现今已开展起来多种分析技术用于复杂样品的分析，如气相色谱质谱法【1】、液相色谱质谱法【2】、液相色谱紫外检测法【3】、毛细管电泳法【4】等，这些技术的建立极大地促进了分析化学的开展在这些分析办法中，色谱质谱技术是当前分析复杂样品最权威和可靠的办法，但是采用这种技术对复杂样品进行分析时，需采用繁琐的步骤对样品进行前处理，不能在较短的时间内对复杂样品中目标分析物进行快速分析。

为此，开展简便、高效、无需样品预处理的技术用于复杂基体中目标化合物的分析检测显得尤为重要常压电离源〔Ambientionizationsource，AIS〕是一类有别于真空电离源〔如电子轰击电离源〕、在常温常压下可对复杂样品直接进行电离分析的技术【5】该技术具有在样品分析前无需预处理、分析速度快、本钱低、操作简单等特点，分析的对象包括固体、液体和气体样品等1989年美国耶鲁大学Fenn教授提出了常压电离源电喷雾电离技术〔Electrosprayionization，ESI〕【6】，该技术的提出对于解决液相色谱质谱接口问题起到了关键作用，同时也为生物大分子样品的质谱分析开辟了新的途径尽管如此，采用ESI技术只能分析经过处理后基质干扰较小的样品，而对复杂样品〔如血样等〕中目标化合物的直接分析却显的性能较差基于该电离技术，2008年美国普渡大学Cooks教授提出解吸电喷雾电离源〔Desorptionelectrosprayionization，DESI〕技术【7】，尔后常压电离源得到了迅速开展和广泛的应用，现今已开展起来的常压电离源主要有实时直接分析电离源〔Directanalysisinrealtime，DART〕[8]、低温等离子体〔Lowtemperatureplasma，LTP〕[9]或介质阻挡放电电离源〔Dielectricbarrierdischargeionization，DBDI〕[10]、萃取电喷雾电离源〔Extractiveelectrosprayionization，EESI〕[11]等，Monge等最近对不同类型的常压电离源进行了详细论述[12]。

纸喷雾电离技术〔Papersprayionization〕是2008年开展起来的一种新型常压电离源[13～16]该技术首先是将固体或液体样品加载在纤维素和半纤维组成的纸基质外表，然后采用高压电驱动的形式使溶剂将复杂样品中的化合物溶解、迁移和电离，进而在纸的尖端发生电喷雾，最终通过质谱进行实时检测由于该电离技术具有快速、低廉、高效等特点，已被用于血样、尿样、食品、生物组织样品、藻类等样品中化合物的分析检测，同时也在化学反馈过程的研究中起到了重要作用类似于纸喷雾电离源的电离机理，现今也开展起来一些其它类型的常压电离源，如叶子喷雾[17]、牙签喷雾[18，19]、多孔聚合物针尖喷雾[20]、金属针尖喷雾[21]和不同材料的纤维喷雾[22～24]等本文对纸喷雾电离技术的根本工作原理、影响因素、分析性能及应用等进行综述2根本原理纸喷雾电离源是以纸为基质和载体，将样品加载在一个底宽为5mm，长为10mm三角形纸的中心，如图1所示当对样品分析时，参加约30μL溶剂，一般为甲醇/水的混合物；然后施加3.5kV的直流电压，电压的大小可根据溶剂的不同进行调变在电驱动作用下，溶剂便会向纸的尖端迁移如上所述，纸喷雾的性能主要取决于样品化合物在纸外表的迁移效率和在纸尖端的电喷雾性能。

因此，采用纸喷雾对目标化合物进行分析时，为得到较高的灵敏度，必须使洗脱溶剂最大程度地溶解复杂基质中的目标化合物，并迁移到纸的尖端，然后发生稳定的电喷雾行为下列分别讨论影响纸喷雾过程的主要因素3.1纸基质的影响纸的主要成分是纤维素和半纤维素，其外表含有大量的羟基，在化合物的别离过程中可根据化合物的极性不同将混合样品在其外表得以别离纸是一类重要的色谱别离基质，已广泛地用于不同化合物的别离分析在纸喷雾溶剂的迁移过程中，复杂基质中化合物可根据极性的不同得以别离，在不同的喷雾时间可得到不同的质谱信息Ren等[26]采用甲醇作为洗脱溶剂，研究了甲基紫2B和甲基蓝在Grade1色谱纸上的洗脱行为发现相对于甲基紫2B，由于纸基质与甲基蓝之间较强的作用力，在纸喷雾起始阶段质谱图中只能察看到明显甲基紫2B的特征峰；随着喷雾时间的延长，甲基蓝的质谱峰逐渐增强，而甲基紫2B的信号随之降低以上结果表明了纸喷雾不仅具有电喷雾的特性，同时也兼具色谱的别离特性，可根据化合物极性不同在纸的外表将其进行别离目标化合物在纸外表的迁移过程中，其迁移效率在一定程度上取决于纸外表的物理结构和化学性质Liu等[16]研究了3μm，4～7μm，8μm，11μm孔尺寸结构的滤纸、玻璃纤维纸和0.18mm厚度的色谱纸对200μg/L可卡因的分析性能，发现0.18mm厚度的色谱纸分析性能最正确，所得可卡因特征峰的绝对峰强度比其它类型纸的信号高出两个数量级，玻璃纤维纸的性能最差。

Zhang等[14]系统考察了3种类型色谱纸〔硅胶涂覆纸、Grade4和GradeET31〕对含有戊酸丙胺药物的规范样品和血样分析性能，发现当采用硅胶涂覆色谱纸时，第一次洗脱效率比其它两种类型色谱纸高1～2个数量级，约有70%的戊酸丙胺药物可从纸外表有效洗脱下来该现象被认为是由于硅胶涂覆纸外表含有大量的细小硅胶颗粒，这些颗粒可有效阻止分析样品的扩散，使其吸附在纸的外表；在洗脱过程中，溶剂可快速溶解纸外表的样品并迁移到纸的尖端发生电喷雾同时，他们也研究了这3种类型色谱纸在分析血样中药物化合物的灵敏度，发现相对于Grade4和GradeET31色谱纸，采用硅胶涂覆纸可将检出限降低两个数量级以上结果说明，纸基质的选择在纸喷雾过程中起到了关键作用3.2纸尖端角度的影响在纸喷雾过程中，纸尖端是保证纸喷雾发生的前提Yang等[27]研究了不同角度纸尖端的电喷雾行为，发现当把纸尖端剪切成圆弧状时，无法察看到纸喷雾现象；相反，具有一定角度的纸尖端可明显观测到纸喷雾现象〔图2a〕为了系统了解不同角度纸尖端对纸喷雾性能的影响，他们比拟了不同纸尖端角度的电喷雾性能〔图2b和2c〕，发现随着角度的增加，起始喷雾电压随之升高，即当角度为30°和60°时，起始喷雾电压为3kV；当角度为90°和120°时，起始喷雾电压为4kV；当喷雾电压超过6kV时，会发生严重的电晕放电，所以150°无法察看到电喷雾现象。

通过对纸尖端喷雾电流的考察，发现在相同的电压下，喷雾电流随着纸尖端角度的增大而降低他们也研究了目标化合物的信号强度与角度、施加电压之间的关系，结果说明，随着角度的增加，最正确喷雾电压和目标化合物的信号随之增大，即当角度分别为30°，60°和90°时，最正确喷雾电压分别为4.0，4.5和5.0kVLin研究组[28，29]为了克服纸喷雾过程溶剂挥发的现象，提出了一种笔尖辅助〔Nibassisted〕纸喷雾的电离装置，将一个底宽为3mm，长为5mm的三角形纸放在一个铜笔尖上，然后通过一个液体注射器将洗脱溶液连续加到纸基质上进行喷雾他们系统考察了不同纸尖端角度〔5°，10°，15°，20°，30°〕对纸喷雾过程目标化合物离子信号强度的影响，发现随着角度的增加，信号强度呈现出先增加后降低的趋势，当角度为15°时所得信号强度最正确Lin研究组[28，29]采用的笔尖辅助纸喷雾与Yang等[27]所得最正确喷雾角度有着较大差别这种差别可能是由于当采用笔尖辅助纸喷雾时，金属笔尖的电场会很大程度上会改变纸喷雾尖端的电场，进而影响到纸尖端角度与目标化合物信号强度之间的关系3.3溶剂的影响纸喷雾过程中洗脱溶剂不仅决定了目标化合物从纸外表的洗脱效率，同时也决定了在纸尖端的电喷雾性能。

Zhang等[14]研究了不同溶剂体系下，硅胶涂覆纸基质对血样中戊酸丙胺药物的分析性能，发现相比于水、正己烷、二氯甲烷、甲醇、乙醇和丁醇等溶剂，异丙醇对戊酸丙胺药物具有较好的分析效果通常在纸喷雾分析过程中，溶剂的极性和挥发性对分析性能也具有很大的影响为了提高分析灵敏度，常在极性溶剂中参加弱极性或非极性的溶剂来促进喷雾过程中带电离子的去溶剂化效果Zhang等发现，在甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇体系中参加低沸点的二氯甲烷可有效降低干血样中药物化合物分析的检出限，当二氯甲烷的含量为90%时所得信号最正确在几种考察的醇类溶剂中，异丙醇体系表现出较好的分析性能但是将90%二氯甲烷/异丙醇作为溶剂用于常用色谱纸基质时，相比于90%甲醇/水溶剂，其纸喷雾性能降低了至少一个数量级[14]分析样品种类的不同，纸喷雾溶剂也不同Ren等[26]采用硅胶涂覆的色谱纸作为纸喷雾基质，研究了甲醇和甲醇丙酮〔50∶50，V/V〕作为溶剂对血样中脂类化合物的洗脱行为，发现相对于新鲜血样的质谱图，采用甲醇对干血样进行分析时，可察看到血红蛋白的质谱信息，而脂类化合物的质谱峰信号较弱；然而当利用甲醇/丙酮〔50∶50，V/V〕作为洗脱溶剂时，脂类化合物的特征质谱峰明显增强，作者认为该现象一方面是由于参加的丙酮对脂类化合物具有较好的洗脱效率，另一方面是由于血样中的蛋白不溶于丙酮，形成沉淀，在纸喷雾过程的洗脱效率降低，进而减小了对脂类化合物质谱分析的干扰[21]。

溶剂体系对不同纸喷雾基质的性能也有很大的影响Wang等[30]采用Grade1色谱纸作为纸喷雾基质，考察了不同溶剂对生物组织样品中伊马替尼药物、荷尔蒙肾上腺素、磷脂38∶4GPCho分析性能的影响通过对二甲基甲酰胺、丙酮、乙腈、氯仿/甲醇混合液、甲醇/水混合液的研究，发现只有甲醇/水溶剂在分析时可得到稳定而较强的信号，其它溶剂由于对分析化合物具有较低的溶解度或较差的喷雾效果，所得质谱信号均较弱同时他们研究了不同配比甲醇/水溶剂体系对分析这3类化合物的影响，发现随着甲醇含量的增加，伊马替尼药物的质谱信号随之增强，但是荷尔蒙肾上腺素、磷脂38∶4GPCho的质谱信号强度随着甲醇含量的变化呈现出相反变化趋势具体而言，荷尔蒙肾上腺素的信号随着甲醇含量的增加呈现出先增加后降低的趋势，70%甲醇/水溶剂体系信号最正确；相反，磷脂38∶4GPCho的信号随甲醇含量的增加呈现出先降低后增加的趋势，约60%甲醇/水体系信号最低通过对以上规范样品和生物组织中样品的分析比拟，察看到甲醇/水体系对这3种化合物规范样品的影响也有着较大差别，表明了样品基质效应对纸喷雾过程中溶剂的选择有着重要的影响以上研究说明，在实际样品分析过程中，可根据不同样品分析的要求，选择不同的溶剂体系，到达目标化合物的最正确分析效果。

3.4其它因素的影响纸喷雾的分析性能决定于纸基质、纸尖端角度和溶剂，同时也受到其它因素的影响，如样品加载量、纸尖端与质谱进样口之间的距离、内标化合物的参加方式等Wang等[30]考察了不同加样量对纸喷雾过程中伊马替尼药物分析的影响，发现加样量从0.5μL增加到5.0μL时，该药物化合物的信号强度有着较大的差别；当加样量为1.5μL时，所得质谱信号最正确Yang等[27]考察了纸喷雾样品加载量与纸尺寸之间的关系，发现对于面积比为1∶2.5∶5的三角形纸基质。