聲波噴霧離子化質(zhì)譜技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

呂悅廣 白 樺 李文濤 楊鏡奎 何裕建* 馬 強(qiáng)*

1(中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院，北京 100176) 2(中國科學(xué)院大學(xué)化學(xué)科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

1 引 言

質(zhì)譜(Mass spectrometry, MS)技術(shù)具有靈敏度高、特異性好、分析速度快、專屬性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為近年來發(fā)展最為迅速的分析技術(shù)之一。從本質(zhì)上說，質(zhì)譜是一門制備、操控和檢測氣態(tài)離子的科學(xué)，如何便捷、高效地產(chǎn)生氣態(tài)離子是質(zhì)譜學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵之一。在質(zhì)譜發(fā)展歷程中，每一次離子化技術(shù)的突破性進(jìn)展都極大拓展了質(zhì)譜的應(yīng)用范圍。在過去長達(dá)一個世紀(jì)的時間里，人們曾普遍認(rèn)為氣態(tài)離子只能從氣態(tài)分子中得到，而不能直接從溶液中轉(zhuǎn)移和生成氣態(tài)離子?；|(zhì)輔助激光解吸電離(Matrix assisted laser desorption/ionization, MALDI)和電噴霧電離(Electrospray ionization, ESI)這兩種軟電離技術(shù)的出現(xiàn)，打破了人們傳統(tǒng)的認(rèn)知，可實(shí)現(xiàn)直接從溶液中得到氣態(tài)離子，使蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的質(zhì)譜分析成為可能，并逐漸成為質(zhì)譜領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的兩種離子化技術(shù)。

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)很好地融合了液相色譜的分離能力和質(zhì)譜的組分鑒別能力，是分離分析復(fù)雜有機(jī)混合物的有效工具。在該技術(shù)發(fā)展之初，液相色譜和質(zhì)譜之間的常壓離子源接口一直是人們研究的重點(diǎn)。大氣壓化學(xué)電離(Atmospheric pressure chemical ionization, APCI)[1]、熱噴霧(Thermo spray, TS)[2]、電噴霧[3]、大氣壓噴霧(Atmospheric pressure spray, APS)[4]等離子化技術(shù)都被成功應(yīng)用為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的離子源接口。聲波噴霧離子化(Sonic-spray ionization, SSI)也是一種常壓軟電離技術(shù)，該技術(shù)無需施加高壓或加熱，在常溫常壓條件下即可產(chǎn)生帶電小液滴，被認(rèn)為是最簡單的離子化技術(shù)。在與離子源毛細(xì)管同軸氣流的作用下，毛細(xì)管中的溶液被噴霧帶出，當(dāng)氣體速度達(dá)到一定值時，噴霧中便產(chǎn)生了帶電小液滴和氣態(tài)離子，通常氣體在氣體流速接近聲速時離子化效率最高[5]。在聲波噴霧離子化技術(shù)發(fā)展之初，主要作為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的一種新型常壓離子源接口被應(yīng)用于多肽[6]、蛋白質(zhì)[7]、藥物[8]等各個分析領(lǐng)域。同時，還有研究對比了聲波噴霧離子化與大氣壓化學(xué)電離[9]、電噴霧電離[10, 11]等傳統(tǒng)離子源作為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用接口對于分析結(jié)果的影響。由于離子化過程不需要加熱，聲波噴霧離子化技術(shù)在分析多肽、神經(jīng)傳導(dǎo)介質(zhì)等熱不穩(wěn)定物質(zhì)時顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。

另一方面，敞開式離子化質(zhì)譜(Ambient ionization mass spectrometry, AIMS)是近年來質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。顧名思義，敞開式離子化質(zhì)譜是在不需要或者僅需要簡單樣品前處理，且在常壓開放的環(huán)境中便可實(shí)現(xiàn)樣品離子化，然后進(jìn)行質(zhì)譜分析的技術(shù)。該技術(shù)在早期剛被提出時常被叫做常壓離子化，考慮到電噴霧電離和大氣壓化學(xué)電離的電離環(huán)境亦為常壓，故取名為敞開式或開放式離子化，以強(qiáng)調(diào)電離環(huán)境不只是常壓，同時也是開放環(huán)境[12]。2004年，Takts等[13]提出了第一種具有里程碑意義的敞開式離子化技術(shù)——解吸電噴霧電離(Desorption electrospray ionization, DESI)，這被認(rèn)為是敞開式離子化質(zhì)譜研究的開端。2005年，Cody等[14]提出了另一種基于等離子體的敞開式離子化技術(shù)——實(shí)時直接分析(Direct analysis in real time, DART)。這兩種離子化技術(shù)是發(fā)明最早，同時也是應(yīng)用最為廣泛的敞開式離子化技術(shù)。在此之后，又陸續(xù)發(fā)展了幾十種敞開式離子化技術(shù)。2006年，Haddad 等[15]基于聲波噴霧離子化的原理，受解吸電噴霧電離技術(shù)的啟發(fā)，提出了解吸聲波噴霧離子化(Desorption sonic-spray ionization, DeSSI)技術(shù)，也是應(yīng)用較為廣泛的敞開式離子化技術(shù)之一。實(shí)際上，聲波噴霧離子化技術(shù)真正被人們熟知并且廣泛應(yīng)用是始于此?？紤]到其簡單、方便的特性，Haddad 等[16,17]后來將其更名為簡易敞開式聲波噴霧離子化(Easy ambient sonic-spray ionization, EASI)。在眾多敞開式離子化技術(shù)中，簡易敞開式聲波噴霧離子化無需電壓、加熱、激光、電暈放電等輔助方式，只需要高速氣流作用便可實(shí)現(xiàn)樣品溶液離子化，是最簡單、最溫和且最容易搭建實(shí)施的離子化技術(shù)。

本文介紹了聲波噴霧離子化技術(shù)的原理、特點(diǎn)及其作為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)接口的應(yīng)用研究，綜述了基于聲波噴霧離子化技術(shù)發(fā)展起來的簡易敞開式聲波噴霧離子化等衍生敞開式離子化技術(shù)在各相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 聲波噴霧離子化的原理及特點(diǎn)

Hirabayashi等[5]首次提出了聲波噴霧離子化這種新型離子化技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中甲醇-水溶液通過蠕動泵以30 μL/min的流速輸送至石英毛細(xì)管(內(nèi)徑0.1 mm、外徑0.2 mm)，石英毛細(xì)管被安裝在一段起到固定支撐作用的不銹鋼管(內(nèi)徑0.25 mm、外徑1.7 mm)中。石英毛細(xì)管尖端插入金屬鋁板正中的小孔(直徑0.4 mm)，并伸出小孔0.6 mm，二者水平同軸，毛細(xì)管噴霧尖端距質(zhì)譜進(jìn)樣口距離為5 mm。高速氮?dú)庖矎拇诵】字辛鞒?，氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20℃、1 atm)下的流速通過質(zhì)量流量控制器控制。聲波噴霧離子源裝置剖面圖如圖1所示。

圖1 聲波噴霧離子化裝置示意圖[5]Fig.1 Schematic diagram of sonic-spray ionization (SSI) source dvice[5]

聲波噴霧離子化無需施加高電壓、無需加熱，只要在毛細(xì)管同軸方向通入高速氮?dú)猓纯蓪?shí)現(xiàn)樣品溶液離子化，被認(rèn)為是最簡單的離子化技術(shù)。實(shí)驗(yàn)通過該方法得到了賴氨酸、多巴胺、短桿菌肽S的質(zhì)譜圖，檢測到了單電荷和雙電荷的分子離子峰和豐度較低的碎片離子峰。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，氣相離子信號響應(yīng)強(qiáng)度與同軸氮?dú)饬魉儆兄苯雨P(guān)系，作者測試了雙電荷短桿菌肽S的離子信號強(qiáng)度與氮?dú)饬魉僦g的關(guān)系，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)表明：(1)在氮?dú)饬魉龠_(dá)到1.3 L/min時，開始有短桿菌肽S離子信號被檢測到；(2)離子信號強(qiáng)度隨著氮?dú)饬魉俚脑黾佣龃螅?.0 L/min時達(dá)到最大值；(3)氮?dú)饬魉俅笥?.0 L/min后，隨著氮?dú)饬魉俚脑黾臃炊鴮?dǎo)致離子信號強(qiáng)度減弱。同時，隨著氮?dú)饬魉僭黾?，氣流的馬赫數(shù)也不斷增加。作者采用紋影法拍攝了氮?dú)庠诓煌|(zhì)量流速時流動狀態(tài)的照片，在流速2.2 L/min時，氣流為亞聲速流動狀態(tài)，在流速為4.0 L/min時，為超聲速流動狀態(tài)，據(jù)此推斷，在跨聲速流動狀態(tài)時，該方法有最大的離子化效率。此時氣流的馬赫數(shù)≈1，即氮?dú)饩€速度接近聲速，因此將其命名為聲波噴霧離子化技術(shù)。

圖2 離子電流和雙電荷的短桿菌肽S離子信號強(qiáng)度與氮?dú)饬魉僦g的關(guān)系[18]Fig.2 Ion current and ion intensity of doubly charged gramicidin-S molecule as a function of gas flow rate[18]

圖2中的離子電流代表實(shí)驗(yàn)過程中帶電小液滴和氣相離子帶電量的總和，離子電流與離子響應(yīng)信號強(qiáng)度一樣，均是在氮?dú)饬魉贋?.0 L/min時達(dá)到最大值。然而，值得注意的是，在氮?dú)饬魉贋?.0 L/min時，帶電小液滴已經(jīng)產(chǎn)生，但此時并沒有氣相離子被檢測到； 在氮?dú)饬魉俚陀?.8 L/min時，噴霧產(chǎn)生的小液滴還沒有帶上電。說明帶電小液滴以及氣相離子的產(chǎn)生與小液滴的大小有直接關(guān)系，在亞聲速流動狀態(tài)，隨著氮?dú)饬魉僭黾樱瑖婌F產(chǎn)生小液滴的直徑不斷減小。Hirabayashi等[18]還對比了腎上腺素、去甲基腎上腺素、多巴胺等物質(zhì)分別以聲波噴霧離子化和傳統(tǒng)電噴霧電離方式得到的質(zhì)譜圖，發(fā)現(xiàn)兩種途徑得到的質(zhì)譜圖十分相似。同時，在聲波噴霧離子化模式下，待測物質(zhì)表現(xiàn)出更容易帶多電荷的傾向[19]。傳統(tǒng)電噴霧電離方式[3]是在高電場作用下溶液在毛細(xì)管尖端形成泰勒錐(Taylor cone)，當(dāng)泰勒錐尖端的溶液達(dá)到瑞麗極限(Rayleigh limit)，即表面電荷的庫侖斥力與溶液表面張力相當(dāng)?shù)呐R界點(diǎn)時，便會有帶電小液滴從泰勒錐尖端噴射出來[20]，在輔助霧化氣作用下，溶劑不斷蒸發(fā)并發(fā)生庫倫爆炸，最終形成氣態(tài)離子[3]。值得注意的是，電噴霧過程的霧化氣流速較低，遠(yuǎn)低于聲波噴霧離子化模式下的氣體流速，當(dāng)流速達(dá)到或超過100 m/s時，便不能形成穩(wěn)定的泰勒錐。

對于聲波噴霧離子化這一新型離子化技術(shù)，其機(jī)理研究顯得尤為重要。Hirabayashi等[19]對比研究了3種帶電模型(摩擦帶電、電雙層帶電和統(tǒng)計(jì)學(xué)帶電)，以探究聲波噴霧離子化的機(jī)理。對于摩擦帶電模型，不同的毛細(xì)管材料理論上有不同的電化學(xué)電勢，作者對比了幾何形狀相同、材質(zhì)不同的玻璃毛細(xì)管和不銹鋼毛細(xì)管的噴霧離子化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有差別，因此該方法不是摩擦帶電的離子化機(jī)理。另一方面，在接近毛細(xì)管壁表面的溶液中會形成電雙層，在電雙層中離子濃度不均一，且毛細(xì)管壁帶負(fù)電，因此靠近壁面的質(zhì)子濃度比較高[21]，從而在溶劑快速蒸發(fā)的過程中產(chǎn)生帶電小液滴?；谶@個模型，鈍化的石英玻璃毛細(xì)管會嚴(yán)重減小電雙層效應(yīng)，作者對比研究了裸露的和鈍化過的幾何尺寸相同的兩種玻璃毛細(xì)管，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有差異，因此也否定了電雙層帶電機(jī)理。Dodd[22]提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)帶電模型常被用于解釋熱噴霧離子化技術(shù)[23]的帶電過程。溶液在很短時間內(nèi)快速蒸發(fā)變成等體積的小液滴，對于大部分小液滴，其正、負(fù)離子數(shù)量是相等的，整體表現(xiàn)為電中性。然而在另一些小液滴中，其正離子數(shù)量大于負(fù)離子數(shù)量，整體表現(xiàn)為帶正電，反之則帶負(fù)電。這是由于溶液中離子濃度的微觀波動而導(dǎo)致的帶電過程，按照這個模型，小液滴的平均帶電量〈|q|〉與溶液中離子濃度N的平方根成正比，即：

基于這個模型和關(guān)系式，檢測到的離子電流應(yīng)該隨著溶液中離子濃度的增大而增大，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著溶液中乙酸銨濃度的增大，檢測到的離子電流反而減小，使用三氟乙酸也得到了相同的結(jié)果，所以聲波噴霧離子化也不是統(tǒng)計(jì)學(xué)帶電機(jī)理。

Hirabayashi等[18,19]的研究發(fā)現(xiàn)，檢測到的離子電流不僅與氣體流速有關(guān)，還與氣體介質(zhì)有直接關(guān)系，在氣體流速為3.0 L/min時，氮?dú)夂脱鯕饨橘|(zhì)時的離子電流是氬氣介質(zhì)時的3倍。這是因?yàn)椴煌臍怏w介質(zhì)導(dǎo)致氣液界面有不同的表面電勢，受表面電勢的影響，正、負(fù)離子在溶液表面的分布是不均衡的，如pH=5的水溶液，在溶液表面會形成厚約100 nm的電雙層，負(fù)電荷在外表面，正電荷位于內(nèi)層。在聲波噴霧過程中，氣體介質(zhì)和溶液的界面受表面電勢影響也存在電雙層。受高速氣流強(qiáng)力沖擊作用，微小液滴將從溶液表面被“剝離”，進(jìn)而由于靜態(tài)電荷分布不平衡而有機(jī)會帶電。當(dāng)正電荷數(shù)量大于負(fù)電荷時，小液滴帶正電，相應(yīng)地會有其它小液滴帶負(fù)電。上述提到的溶液中乙酸銨、三氟乙酸等濃度越大，檢測到的離子電流反而越小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很好地印證了這一機(jī)理。隨著溶液中離子濃度的增加，離子對的濃度也逐漸增加，因此導(dǎo)致在溶液表面形成的電雙層的厚度減小，也就是說，擴(kuò)散電雙層的厚度與溶液中離子濃度的平方根成反比[24]。因此在小液滴中，隨著離子濃度的增大，正、負(fù)離子濃度的變化值反而減小。綜上所述，在表面電勢的作用下, 氣液界面使小液滴中的離子對產(chǎn)生電荷分離，高速氣流作用使電荷濃度發(fā)生波動, 電荷靜態(tài)分布不平衡, 從而使小液滴帶電, 這是聲波噴霧離子化帶電最有可能的機(jī)理。后續(xù)在氣體流動作用下，帶電小液滴經(jīng)過與傳統(tǒng)電噴霧類似的溶劑揮發(fā)、庫倫爆炸等過程，最終通過電荷殘余模型形成氣態(tài)離子而被質(zhì)譜檢測。

基于上述聲波噴霧離子化裝置和帶電機(jī)理，氣體壓力、溶液流速和裝置的物理尺寸是影響該技術(shù)離子化效率的主要因素[25]，優(yōu)化這些參數(shù)可以顯著提高聲波噴霧離子化的靈敏度和適用范圍。聲波噴霧離子化的機(jī)理使其可以同時產(chǎn)生正、負(fù)離子，這對于正、負(fù)模式同時進(jìn)行質(zhì)譜高通量快速檢測大有裨益。聲波噴霧離子化技術(shù)與其它離子化技術(shù)的異同和優(yōu)缺點(diǎn)對比結(jié)果見表1，聲波噴霧離子化是最簡單、普適的離子化技術(shù)。同時，由于未施加高電壓/電流和加熱，聲波噴霧產(chǎn)生的氣態(tài)離子內(nèi)能較低，可以保留分子間弱的非共價作用, 因此該離子化技術(shù)可用于研究分子內(nèi)和分子間的弱相互作用，為生物分子的離子化和分析提供了新方向。此外，對于生物大分子分析，相比傳統(tǒng)的電噴霧電離，聲波噴霧離子化可以提供更寬的電荷分布范圍。

表1 聲波噴霧離子化技術(shù)與其它離子化技術(shù)對比

Table 1 Comparison between sonic-spray ionization (SSI) and other ionization techniques

離子源Ion source軟電離Soft ionization多電荷Multi charge極性Polarity氣Gas電壓/電流Voltage/Current熱Heat參考文獻(xiàn)Reference電噴霧電離Electrospray ionization (ESI)是Yes是Yes中等極性/強(qiáng)極性Moderate/strong polarity是Yes是Yes是Yes[3]大氣壓化學(xué)電離Atmospheric pressurechemical ionization (APCI)是Yes否No弱極性Weak polarity是Yes是Yes是Yes[1]大氣壓噴霧Atmospheric pressurespray (APS)是Yes否No中等極性/強(qiáng)極性Moderate/strong polarity是Yes是Yes是Yes[4]熱噴霧Thermo spray(TS)是Yes是Yes中等極性/強(qiáng)極性Moderate/strong polarity否No是Yes是Yes[2]聲波噴霧離子化 SSI是Yes是Yes中等極性/強(qiáng)極性Moderate/strong polarity是Yes否No否No[5]

3 聲波噴霧離子化衍生技術(shù)

3.1 簡易敞開式聲波噴霧離子化

圖3 解吸聲波噴霧離子化分析藥片中藥物成分示意圖[15]Fig.3 Schematic of desorption sonic-spray ionization(DSSI) analysis for drugs in tablets[15]

鑒于解吸聲波噴霧離子化無需加熱、電壓、激光、紫外光或特殊氣體等輔助措施，是裝置最簡單、操作最簡便的離子化技術(shù)[26]，Haddad 等將解吸聲波噴霧離子化更名為簡易敞開式聲波噴霧離子化(Easy ambient sonic-spray ionization, EASI)[16]，以突出該技術(shù)在敞開式環(huán)境下實(shí)施和簡單的特點(diǎn)(easy與EASI同音)。整個分析過程大概分為三步：(1) 聲波噴霧將溶劑離子化；(2) 雙極性(帶正、負(fù)電荷)的小液滴束轟擊樣品表面，將待測物解吸附出來；(3) 經(jīng)過質(zhì)子或者陽離子(通常為Na+、K+)轉(zhuǎn)移反應(yīng)使待測物離子化，最終變成氣態(tài)離子被質(zhì)譜檢測。

3.2 文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化

為了進(jìn)一步簡化離子化裝置，2011年，Santos等[27]在簡易敞開式聲波噴霧離子化的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，去除了蠕動泵等流體控制裝置，提出了文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化(Venturi-easy ambient sonic-spray ionization, V-EASI)。該技術(shù)在簡易聲波噴霧離子化的基礎(chǔ)上，利用毛細(xì)管周圍流過的高速氣流產(chǎn)生的文丘里效應(yīng)將噴霧溶液帶出毛細(xì)管并形成噴霧離子化。與之前技術(shù)相比，文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化產(chǎn)生的雙極性帶電液滴攜帶的平均電量較低，提高了離子化選擇性和檢測靈敏度。裝置主體部分包含一個套管尺寸合適的三通，霧化氣流經(jīng)一根53 mm長的不銹鋼針筒(內(nèi)徑400 μm、外徑728 μm)，其內(nèi)部同軸的石英毛細(xì)管(內(nèi)徑100 μm、外徑125 μm)用于吸取溶液和尖端噴霧。經(jīng)過條件優(yōu)化，最終確定霧化氣氮?dú)鈿鈮簽?0 bar，流速為3.5 L/min，對于純甲醇溶液流速為20 μL/min，純水溶液約為5～10 μL/min ，酸性甲醇溶液中可卡因的檢出限為0.2 ng/mL。文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化同樣是一種軟電離技術(shù)，基本沒有碎片離子峰。雖然與傳統(tǒng)電噴霧電離技術(shù)相比，其待測物的絕對響應(yīng)強(qiáng)度有所降低，但是同樣背景噪音也很低，總體而言信噪比較高。聲波噴霧離子化的機(jī)理使文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)可以同時產(chǎn)生正、負(fù)離子，該技術(shù)可以直接對溶液和固體表面進(jìn)行分析，拓寬了其應(yīng)用范圍。對純水溶液中生物分子檢測的優(yōu)異表現(xiàn)，表明該技術(shù)適用于生理溶液和生物流體中蛋白質(zhì)和多肽的分析。

3.3 精簡型-簡易敞開式聲波噴霧離子化

為了真正做到簡易和便攜，Schwab等[28]發(fā)展了精簡型-簡易敞開式聲波噴霧離子化(Spartan-easy ambient sonic-spray ionization, S-EASI)。該技術(shù)僅需要一個便攜式壓縮空氣罐即可實(shí)現(xiàn)文丘里自吸效應(yīng)和聲波噴霧離子化。便攜式壓縮空氣罐替代了傳統(tǒng)氮?dú)怃撈考跋嚓P(guān)氣體調(diào)節(jié)器，其它組件也均廉價易得，如外科兩通導(dǎo)管代替了三通組件、皮下注射針代替了不銹鋼套管，真正實(shí)現(xiàn)了自組裝、便攜化的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可卡因、草甘膦、聚乙二醇600及多肽分析，證明其保留了文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化的所有優(yōu)點(diǎn)。這種簡易自組裝的離子源被認(rèn)為是已報(bào)道的適用于液體和固體表面直接分析的最簡單、廉價的敞開式離子源。簡易敞開式聲波噴霧離子化系列技術(shù)的迭代發(fā)展過程見圖4。

圖4 簡易敞開式聲波噴霧離子化到文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化、精簡型-簡易敞開式聲波噴霧離子化的迭代發(fā)展過程[29]Fig.4 Schematic of easy ambient sonic-spray ionization (EASI), Venturi-easy ambient sonic-spray ionization (V-EASI) and spartan-easy ambient sonic-spray ionization (S-EASI) [29]

4 聲波噴霧離子化及其衍生化技術(shù)與其它技術(shù)聯(lián)用

4.1 聲波噴霧離子化與液相色譜技術(shù)聯(lián)用

圖5 聲波噴霧離子源作為液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用接口示意圖[30]Fig.5 Schematic of sonic-spray ionization interface for liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)[30]

在聲波噴霧離子化剛被提出時，作為一種新型常壓離子化方式，研究者致力于將其作為液相色譜-質(zhì)譜串接分析的離子源接口。Hirabayashi等[6]在1996年首次將半微量液相色譜與聲波噴霧離子化質(zhì)譜聯(lián)用進(jìn)行農(nóng)藥殘留分析。實(shí)驗(yàn)研究了取樣錐孔溫度、氮?dú)饬魉俚扰c質(zhì)譜信號響應(yīng)之間的關(guān)系，通過提高錐孔溫度到120℃以及控制流動相流速為100 μL/min，可以將半微量液相色譜與聲波噴霧離子化質(zhì)譜直接串接起來。西瑪津在1 pmol～1 nmol的范圍內(nèi)線性良好，檢出限為300 fmol。Bj?rkman等[30]對液相色譜-聲波噴霧離子化質(zhì)譜聯(lián)用條件進(jìn)行了優(yōu)化。 如圖5所示，通過析因設(shè)計(jì)對各個設(shè)置參數(shù)進(jìn)行了評估，用于分析模型藥物托特羅定。研究者還對比了聲波噴霧離子化和電噴霧電離對托洛丁、托洛丁代謝物及一系列類固醇的分析效果。結(jié)果表明，聲波噴霧離子化由于流速較大，導(dǎo)致托洛丁分析的重現(xiàn)性稍差、峰形較寬，但是靈敏度是電噴霧電離的兩倍。對孕烯醇酮的分析表明，聲波噴霧離子化有較小的水分損失，因?yàn)樵撾x子化過程中轉(zhuǎn)移到待測物的能量較少。類似地，Dams等[31]也對比研究了這種新型離子源與傳統(tǒng)電噴霧離子源作為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用接口時分析效果的異同。實(shí)驗(yàn)涉及流動相中的有機(jī)改性劑、揮發(fā)性緩沖鹽等對兩種離子化方式的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)改性劑可以提高電噴霧和聲波噴霧的離子化效率，然而揮發(fā)性緩沖鹽有明顯的離子抑制效應(yīng)。研究者將聲波噴霧離子源作為液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用接口，鑒定了7種海洛因雜質(zhì)中的生物堿。采用硅膠整體柱，以5.0 mL/min的流速梯度洗脫，7種物質(zhì)在5 min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)良好分離，設(shè)置柱后1∶20的分流比，實(shí)現(xiàn)了快速液相分離和聲波噴霧離子化質(zhì)譜的串接。

4.2 聲波噴霧離子化與微流控芯片技術(shù)聯(lián)用

圖6 微流體芯片聲波噴霧離子化裝置示意圖 ：(A)聲波噴霧相對于質(zhì)譜入口不同角度：0°、45°和90°；(B)裝置俯視圖[32]Fig.6 Schematic of the microchip sonic-spray ionization arrangement: (A) Different angles of the sonic spray versus MS orifice plate were tested: 0°, 45° and 90°; (B) Top view of the microchip SSI arrangement[32]

2007年，Pól等[32]首次提出將集成在微流控芯片中的聲波噴霧離子源作為質(zhì)譜分析的一種常壓離子化方式，如圖6所示，僅對微流控芯片施加高速霧化氣即可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)離子模式下對極性化合物的溫和、高效離子化。微流控芯片由刻蝕的霧化氣入口、石英毛細(xì)管腔體、蒸發(fā)通道和出口噴嘴構(gòu)成，霧化氣進(jìn)入蒸發(fā)通道, 與石英毛細(xì)管引入的樣品混合，將其噴霧離子化。結(jié)果表明，芯片相對于質(zhì)譜入口的位置、氣體和樣品流速對檢測結(jié)果有很大影響。實(shí)驗(yàn)分析了叔丁基銨、維拉帕米、睪酮、血管緊張素Ⅰ等物質(zhì)，離子信號穩(wěn)定，動態(tài)線性范圍與電噴霧電離相當(dāng)，重現(xiàn)性良好，檢出限為15 nmol/L～4 μmol/L。2016年，Yu等[33]制備了一種新型自吸式聲波噴霧離子化芯片，該離子化芯片采用3D打印技術(shù)，不需要額外制造噴霧尖端，首先通過計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)在霧化氣壓力大大低于傳統(tǒng)聲波噴霧離子化所需壓力的情況下便可實(shí)現(xiàn)樣品溶液離子化。同時, 研究者還發(fā)展了一種雙通道自吸式聲波噴霧離子化芯片，當(dāng)兩個通道中均為相同樣品溶液時，信號明顯增強(qiáng)；當(dāng)通道中為不同溶液時，則有效降低了離子抑制效應(yīng)，該技術(shù)有效提高了芯片集成度, 并簡化了操作流程。

4.3 聲波噴霧離子化與薄層色譜技術(shù)聯(lián)用

圖7 薄層色譜-簡易敞開式聲波噴霧離子化質(zhì)譜分析示意圖[16]Fig.7 Schematic diagram of thin layer chromatography (TLC)-EASI-MS analysis[16]

簡易敞開式聲波噴霧離子化是最簡單、最溫和的離子化技術(shù)，而薄層色譜(Thin-layer chromatography, TLC)是最便捷、最快速的色譜分離技術(shù)。2008年，Haddad等[16]首次將簡易敞開式聲波噴霧離子化與薄層色譜技術(shù)聯(lián)用。薄層色譜板上面分開的點(diǎn)可以直接通過簡易敞開式聲波噴霧離子化分析采集質(zhì)譜信息。實(shí)驗(yàn)中，噴霧溶劑為0.01%甲酸-甲醇(1∶1,V/V)溶液，流速20 μL/min，霧化氣氣壓30 bar，門簾氣氣壓5 bar，去簇電壓100 V，噴霧尖端到薄層色譜板的距離約2 mm，毛細(xì)管-薄層色譜板-質(zhì)譜入口之間夾角約為30°(實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖7)。實(shí)驗(yàn)分析了半極性含氮化合物、藥物和蔬菜油，同時還將該技術(shù)用于有機(jī)反應(yīng)監(jiān)測。薄層色譜板和簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)聯(lián)用整合了色譜高效分離和質(zhì)譜高靈敏檢測的優(yōu)勢, 拓展了簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)的應(yīng)用范圍。Eberlin等[34]采用薄層色譜-簡易敞開式聲波噴霧離子化質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析鑒定了生物柴油(B100)和生物柴油-礦物柴油混合物(BX)中的主要成份。高效薄層色譜板可以實(shí)現(xiàn)油品組分的分離，簡易敞開式聲波噴霧離子化可以原位對薄層色譜板上分開的點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)譜檢測。結(jié)果表明，在B100和BX樣品中都檢測到了脂肪酸甲酯的鈉離子加合特征峰，可用于鑒別生物柴油。對于礦物柴油組分，其質(zhì)譜圖含有一系列烷基吡啶的分子離子峰，可作為礦物柴油的特征性定性鑒別標(biāo)準(zhǔn)。對于混合柴油，其特征峰則是甘油三酯的加鈉峰。該方法適用于生物柴油和礦物柴油的定性鑒別和質(zhì)量控制。

4.4 聲波噴霧離子化與其它技術(shù)聯(lián)用

Haddad等[17]還將纖維素透析膜應(yīng)用到簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)中，纖維素透析膜雖為固體，但具有良好的滲透性和柔韌性。這種結(jié)合有助于帶電小液滴對纖維素膜表面的待分析物進(jìn)行解吸附，同時待測物在膜表面的選擇性滲透有利于質(zhì)譜定性定量分析。實(shí)驗(yàn)表明，纖維素膜可以作為接口界面用于簡易敞開式聲波噴霧離子化直接分析溶液中成分。纖維素膜界面由一個聚四氟乙烯容器與兩根硅膠管構(gòu)成，開口處封上纖維素膜即可。藥物溶液通過蠕動泵控制流速為20 mL/min循環(huán)通過膜系統(tǒng)，噴霧溶劑為0.01%甲酸-甲醇(1∶1,V/V)溶液，噴霧尖端與膜之間的夾角為30°，產(chǎn)生的帶電小液滴不斷轟擊膜表面將滲透好的待測物解吸附并離子化, 進(jìn)行質(zhì)譜分析。該方法也可應(yīng)用于連續(xù)原位監(jiān)測分析環(huán)境流體中的極性和半極性化合物，由于膜可以阻擋固體顆粒還被用于在線監(jiān)測發(fā)酵和生物轉(zhuǎn)化，透析膜也可以用于監(jiān)測血液透析過程，進(jìn)行體內(nèi)血液分析。Figueiredo等[33]發(fā)展了一種分子印跡聚合物作為待測物選擇和富集界面，應(yīng)用于簡易敞開式聲波噴霧離子化質(zhì)譜分析。實(shí)驗(yàn)中首先用分子印跡聚合物在萃取/清洗池中吸附尿液中的氯丙嗪、三氟丙嗪等化合物，清洗除去其它雜質(zhì)后，轉(zhuǎn)移分子印跡聚合物探針到簡易敞開式聲波噴霧離子源的合適位置。噴霧溶劑為0.01%乙酸-甲醇 (1∶9,V/V)溶液，在檢測過程中，通過人為移動探針保證所有的探針面積(約40 mm2)暴露在噴霧范圍內(nèi)并持續(xù)1 min，每種化合物分子離子峰作為定量分析的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該分子印跡聚合物可作為尿液中氯丙嗪類藥物的化學(xué)選擇界面，用于簡易敞開式聲波噴霧離子化質(zhì)譜分析。該方法具有靈敏度高、選擇性好、分析時間短等特點(diǎn)，同時分子印跡聚合物還具有使用壽命長、直接分析無需預(yù)處理和萃取/清洗簡單等優(yōu)勢。這些特性使得該方法可以大大降低基質(zhì)的離子抑制效應(yīng)，適用于生物樣品和環(huán)境流體等復(fù)雜基質(zhì)樣品的分析。

5 聲波噴霧離子化及其衍生技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展

作為一種簡單、通用的常壓離子化技術(shù)，聲波噴霧離子化自20世紀(jì)90年代被提出以來，如今其應(yīng)用已遍布生命科學(xué)、食品安全、法庭化學(xué)和反應(yīng)監(jiān)測等多個領(lǐng)域。表2列出了聲波噴霧離子化技術(shù)的研究和應(yīng)用情況，包括不同的研究對象、衍生化技術(shù)方法和檢出限等信息。

5.1 生命科學(xué)

生命科學(xué)是21世紀(jì)最為活躍的學(xué)科，生命體系大多是復(fù)雜體系，因此對分析技術(shù)也提出了越來越高的要求。聲波噴霧離子化及其衍生技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[36～40]。Arao等[41]通過配有聲波噴霧離子源接口的液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，連續(xù)鑒定了血液中的歐夾竹桃苷及其3種衍生物(脫乙酰甘油三酯、夾竹桃苷元和鬼臼皂苷元)。歐夾竹桃苷、脫乙酰甘油三酯和夾竹桃苷元在5～100 ng/mL濃度范圍內(nèi)線性良好，血液中歐夾竹桃苷和脫乙酰甘油三酯的方法檢出限為2 ng/mL，鬼臼皂苷元為3 ng/mL。Mortier等[8]建立了鑒定生物基質(zhì)樣品中對甲氧基安非他明、3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺和3,4-亞甲基二氧基苯丙胺的液相色譜-聲波噴霧離子化-離子阱質(zhì)譜聯(lián)用分析方法。該方法適用于全血、尿液、組織樣品的分析，方法日內(nèi)和日間精密度小于17.5%，精確度小于16.2%。實(shí)驗(yàn)還建立了不同基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性相關(guān)系數(shù)均大于0.995。Arinobu等[42]通過聲波噴霧離子源建立了人體血液中噴他佐辛的液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速鑒定方法，采用右美沙芬作為內(nèi)標(biāo)驗(yàn)證方法的可靠性，檢出限為19.5 ng/mL，該方法檢測一個人體血液樣品中的噴他佐辛僅需4 min。Alberici等[43]采用簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)直接分析脂質(zhì)復(fù)合物，探究患有高甘油三脂血癥小鼠和正常甘油三脂小鼠脂質(zhì)樣本的差異。該方法在正離子模式下觀察到了很強(qiáng)的磷脂酰膽堿和三酰甘油的離子信號，在負(fù)離子模式下可以觀察到磷脂酰乙醇胺和磷脂酰肌醇的信號。實(shí)驗(yàn)分析了脂質(zhì)中游離脂肪酸，發(fā)現(xiàn)對于患有高甘油三脂血癥的小鼠樣本，其磷脂酰膽堿和三酰甘油復(fù)合物中有更高比例的油酸，同時磷脂酰肌醇中花生四烯酸的豐度也更高，并且小鼠體內(nèi)整體有明顯的游離脂肪酸分布。

表2 聲波噴霧離子化的應(yīng)用情況

Table 2 Application of SSI

樣品Sample檢測物質(zhì)Analyte方法Method線性范圍Liner range檢出限LOD參考文獻(xiàn)Reference血液 Blood歐夾竹桃苷 OleandrinLC-SSI-MS5～100 ng/mL2 ng/mL[35]生物樣品Biological samples對甲氧基安非他明AmphetamineLC-SSI-MS10～1000 ng/mL5 ng/mL[8]藥片 Tablet地西泮 DiazepamDeSSI-MS[15]柴油 Diesel oil脂肪酸甲酯 FAMETLC-EASI-MS[29]蔬菜油 Vegetable oils三酰甘油酯 TAGEASI-MS[38]魚、肉 Fish and meat三酰甘油酯 TAGTI-EASI-MS[39]墨水 Ink堿性紫3 Basic violet 3EASI-MS[48]藥片 Tablet可卡因 CocaineV-EASI-MS[23]

5.2 食品安全

Simas等[44]通過簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)建立了一套快速、可靠的蔬菜油分析方法，可以在敞開式環(huán)境對蔬菜油中的主要成分進(jìn)行高效解吸附和離子化。該方法裝置簡單、操作簡便，分析時僅需要滴一滴蔬菜油在惰性表面即可，無需任何預(yù)處理。正離子模式下三酰甘油脂的離子形式為[TAG+Na]+，負(fù)離子模式下游離脂肪酸的離子形式為[FFA-H]-。簡易敞開式聲波噴霧離子化是一種軟電離技術(shù)，三酰甘油脂不會碎裂，因此可以測定二酰甘油脂和單酰甘油脂及其含量，據(jù)此可以對蔬菜油進(jìn)行認(rèn)證和質(zhì)量控制，探究蔬菜油的摻假、酸度、氧化、水解水平。Porcari等[45]將熱壓印(Thermal imprinting, TI)與簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)結(jié)合，僅使用極少量的溶劑便可將肉、脂肪、魚等食物中的三酰甘油脂化合物轉(zhuǎn)印在紙上，然后利用簡易敞開式聲波噴霧離子化實(shí)現(xiàn)甘油三脂的快速鑒定分析，整個分析過程僅需數(shù)分鐘和極少量的樣品和溶劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與氣相色譜以及基質(zhì)輔助激光解吸離子化質(zhì)譜分析的結(jié)果十分相似。該方法可以現(xiàn)場收集樣品的熱壓印紙，然后送至實(shí)驗(yàn)室檢測，已有報(bào)道將該技術(shù)應(yīng)用于俄羅斯魚子醬[46]和伊比利亞火腿[47]的質(zhì)量監(jiān)控中。Sawaya等[48]通過簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)收集了世界范圍內(nèi)49種蜂膠醇提物的一系列化學(xué)信息，對所得數(shù)據(jù)中樹脂的植物來源進(jìn)行主成分分析，可以推斷蜂膠的地理起源。

5.3 法庭化學(xué)

迄今，簡易敞開式聲波噴霧離子化最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是法庭化學(xué)[49]，基于其操作簡單、快速的特點(diǎn)，被廣泛用于樣品鑒別分析[44,48,50～53]。Lalli等[54]采用簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)建立了對圓珠筆書寫紙張表面使用墨水的指紋鑒別以及書寫時間推斷的方法。從墨水筆畫處得到的質(zhì)譜信息表明，不同品牌的墨水具有不同的特征化學(xué)信息，墨水中含有堿性紫3、堿性藍(lán)26、堿性藍(lán)7、堿性紫10、鎳鈦菁和1,3-二甲基-1,3-二硝基胍等染料，不同顏色的墨水含有的染料種類不同，同種顏色、不同品牌的墨水中各種染料的含量比例也不同，因此可以根據(jù)得到的指紋圖譜信息推斷墨水品牌。同時，對于染料堿性紫3，隨著時間推移發(fā)生了一系列降解反應(yīng)，其降解產(chǎn)物的豐度呈線性變化，因此可以作為表示墨水年齡的“化學(xué)鐘表”，為法庭鑒定簽名是否為偽造提供了有力的技術(shù)手段。Carbral等[55]采用文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)鑒別樹木種類。桃花心木是一種瀕臨滅絕的珍貴熱帶植物，這種微紅色木質(zhì)中含有一種典型的植物化學(xué)標(biāo)記物蘆薈素類化合物，通過文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化可直接在木材表面或者細(xì)小木屑的甲醇提取液中檢測到該物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過比較桃花心木和其它木材的化學(xué)物質(zhì)特征圖譜，可以幫助控制桃花心木以及其它瀕危樹木的非法伐木交易，并且創(chuàng)建其認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。假冒偽劣香水是在世界范圍內(nèi)普遍存在的一種現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和潛在的消費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)。 Haddad等[56]建立了一種幾乎可以瞬間完成的香水種類和真?zhèn)蔚蔫b別方法。實(shí)驗(yàn)中將香水直接噴射到玻璃棒或者紙片上，樣品經(jīng)過幾秒鐘干燥，隨后進(jìn)行簡易敞開式聲波噴霧離子化質(zhì)譜檢測，在1 min內(nèi)便可得到香水中大部分極性化合物信息，這些信息提供了真品香水特殊的化學(xué)特征，且重復(fù)性良好，可對香水樣品進(jìn)行真?zhèn)舞b別。

5.4 反應(yīng)監(jiān)測

圖8 文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化質(zhì)譜實(shí)時監(jiān)測自組裝反應(yīng)示意圖[63]Fig.8 Schematic view of Venturi-sonic-spray ionization-mass spectrometry set up used for real-time measurements of self-assemble reactions[63]

簡易敞開式聲波噴霧離子化可進(jìn)行原位、實(shí)時質(zhì)譜分析，因此在反應(yīng)監(jiān)測領(lǐng)域表現(xiàn)出很大優(yōu)勢[57～64]，對于優(yōu)化反應(yīng)物配比、控制反應(yīng)進(jìn)程以及推測反應(yīng)機(jī)理有著重要指導(dǎo)意義。Na等[63]利用文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)實(shí)時監(jiān)測了核酸堿基的自組裝過程。K+通過注射器引入到反應(yīng)體系中，通過文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術(shù)實(shí)時觀察核酸堿基自組裝產(chǎn)生的簇離子(反應(yīng)裝置如圖8所示)。監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)了很多核酸堿基的簇峰，證明陽離子在核酸堿基自組裝過程中發(fā)揮作用，同時說明該方法作為一種軟電離技術(shù)，適用于自組裝過程中的非共價作用研究。Jansson等[65]發(fā)展了一種監(jiān)測狹窄空間的表面反應(yīng)的方法。實(shí)驗(yàn)將兩根石英毛細(xì)管浸入到溶液中，兩根毛細(xì)管與反應(yīng)表面之間彼此緊密靠近，形成了一個層流反應(yīng)區(qū), 體積約為5 pL, 通過蠕動泵和其中一根石英毛細(xì)管向反應(yīng)表面提供反應(yīng)原料。另外一根毛細(xì)管跟離子源相連，相比于補(bǔ)液毛細(xì)管，該毛細(xì)管取樣流速稍快。補(bǔ)液和取樣的綜合效應(yīng)使溶液平流傳遞而不擴(kuò)散，維持了一個穩(wěn)定的化學(xué)微環(huán)境。實(shí)驗(yàn)首先將乙酰膽堿酯酶通過靜電相互作用固定在有機(jī)硅氧烷聚合物表面，隨后進(jìn)行了乙酰膽堿酯酶催化乙酰膽堿形成膽堿的實(shí)時反應(yīng)監(jiān)測，同時優(yōu)化了不同乙酰膽堿濃度、石英毛細(xì)管形狀以及流速等條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化速率隨著乙酰膽堿濃度的提高而增大，表明該方法適用于實(shí)時反應(yīng)監(jiān)測。

6 總結(jié)與展望

聲波噴霧離子化技術(shù)從早期作為一種液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的新型離子源接口，到后來發(fā)展的簡易敞開式聲波噴霧離子化，都被認(rèn)為是最簡單、最便捷的常壓敞開式離子化方式，并已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。期間，離子化裝置不斷改進(jìn)、簡化，展示了其簡單、快速、便攜的特點(diǎn)。雖然尚未商業(yè)化，但聲波噴霧離子化已經(jīng)逐漸成為最熱門的敞開式離子化技術(shù)之一。Teunissen等[66]綜述了簡易敞開式聲波噴霧離子化近十年的發(fā)展，從敞開式離子化技術(shù)的角度重點(diǎn)闡述了裝置從簡易敞開式聲波噴霧離子化到文丘里-簡易聲波噴霧離子化、再到精簡型-簡易聲波噴霧離子化的精簡過程，以及這種敞開式離子化技術(shù)在醫(yī)藥、食品、燃料、法庭化學(xué)和生物樣品等領(lǐng)域的應(yīng)用。本文從最初的聲波噴霧離子化技術(shù)開始，闡述其基本原理和發(fā)展過程。在裝置發(fā)展和應(yīng)用方面，涵蓋了其最初作為液相色譜/毛細(xì)管電泳串聯(lián)質(zhì)譜的接口到后來發(fā)展成為敞開式離子化技術(shù)，以及該方法與微流體芯片、薄層色譜板等技術(shù)聯(lián)用的情況。目前，該技術(shù)在質(zhì)譜成像等領(lǐng)域也嶄露頭角[67]，未來必將拓寬到更多應(yīng)用領(lǐng)域。