复杂样品质谱分析技术的原理与应用.pdf

第38卷
分析化学( FENXI HUAXUE)特约来稿
第8期
2010年8月
Chinese Journal of Analytical Chemistry
1069~1088
たたいたら
特约来稿
らっんいリ
DO:10.3724/SP.J.1096.2010.01069
复杂样品质谱分析技术的原理与应用
陈焕文”胡斌张燮
(东华理工大学化学生物与材料科学学院,抚州34400
摘要原位、实时、在线、非破坏、高通量、低耗损的质谱学方法是质谱分析技术发展的重要趋势。在无需样
品预处理的条件下对复杂基体样品中痕量待测物直接离子化技术的出现,极大地提高了质谱分析的效率,使
实际样品的快速质谱分析成为可能。本文着重综述了能够在无需样品预处理情况下对复杂基体样品离子化
的新兴质谱技术及其应用研究,系统阐述了直接离子化技术的基本原理和方法,介绍了几种典型的常压直接
离子化技术和装置,对直接离子化质谱分析技术在食品、药品、环境、活体分析、代谢组学、貨白质组学以及生
物组织质谱成像等领域的典型应用进行了述评,讨论了提高复杂样品快速质谱分析选择性的可能方法,并展
了常压直接离子化技术未来发展的可能趋势。
关键词快速分析质谱;直接离子化技术;仪器装置;评述
质谱技术是现代众多分析测试技术中同时具备了灵敏度高、特异性好、响应速度快的普适性方法。
对于绝大多数质谱仪器而言,从待测物离子产生到获得离子的响应信号仅仅需要毫秒级的时间。然而
如采用目前大部分实验室装配的质谱仪器完成一个实际样品(如尿样中痕量药物沙丁胺醇及其代谢产
物)的定性和定量分析,需要采用色谱等分离技术将待测物组分分离后オ可以进行后续的质谱检测,通
常需要数小时的时间。可见,实际样品的预处理过程是制约现代质谱技术分析效率的关键因素。
2004年, Cooks等在无需进行样品预处理的情况下,利用电喷雾解吸电离(DFSI)技术,在常压下对固
体表面上痕量待测物直接离子化,成功获得了不同表面上痕量物质的质谱,为实现无需样品预处理的常
压快速质谱分析打开了一个窗口,随即在国际上掀起了基于直接离子化技术的快速质谱分析研究热潮,
标志着常压快速质谱分析技术研究新时代的来临。
常压快速分析质谱技术是泛指能够在无需样品预处理的条件下直接对各种复杂基体样品进行快速
分析的新兴质谱技术。因为进行快速质谱分析的关键是新兴的复杂基体样品的直接离子化技术,因此
在一般的讨论中,常压快速分析质谱技术的重点是离子化技术。经过约5年的发展,目前已经出现了多
种直接离子化技术,建立了各具特色的实际样品快速质谱分析方法,对相关学科和领域的发展起到了重
要的推动作用。本文着重介绍常压条件下对复杂基体样品直接离子化技术的基本原理、实验装置和典
型应用,比较相关技术在概念和原理上的区別与联系,评述这些方法的优缺点,展望其可能的发展方向。
2基本原理
2.1复杂基体样品直接离子化技术的工作模式
直接离子化技术开发体现了从传统封闭式到敞开式,从块状固体样品到各种固体,再扩大到包括膏
体、胶体、液体、气体等各种形态的样品,从二维平面电离到三维空间电离,从非生命静物分析到生命过
程的活体分析的思维过程,并通过实践一理论一实践循环往复进行,充分体现了辨证法的哲学思想。
2010-01-19收稿;2010-04-13接受
本文系国家科技部侧新方法专项基金(No.2008IMO40400),国际科技合作项目(No.2009DFA30800),国家自然科学基金
(No.20827007)资助
E-mail:chw8868(@gmail.com
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分析化学
第38卷
封闭式的电离技术主要是指经典的质谐离子化技术,包括电喷雾电离(ESI)?、大气压化学电离
(APCI)、基体辅助激光解吸电离( MALDI)、电子轰击电离?以及低真空化学电离(CI)劉等。这些
技术的共同特点是:(1)封闭式电离分析样品需要封闭在一定的管道(如ESI,APCI)或者一定的真空
环境(如经典的 MALDI,EI,CI等)中;(2)必要的样品预处理分析样品均需经过至少两步的样品预
处理阶段,将不同物质形态的样品转化成为分析样品。经过数十年的发展,ESレAPCI技术已经很成熟,
而且 ESIMALDI技术还因为实现了生物大分子的质谱分析而获得了2002年的诺贝尔化学奖?。然
而,各种实际样品均含有大量物理及化学性质各异的基体物质,因此需要经过繁琐而复杂的样品预处理
后才能够用经典质谱技术对其进行检测(图1),导致分析效率较低,难以满足现代分析化学对原位、实
时、在线、非破坏、高通量低耗损等质谱学方法的迫切需要。
预处理
传统的离子化方法
Traditional ionization methods
样品
液C
预处理后的样品
进入质谱
气相GC
Clean sample
气体液
萃取
固体样品
Extractio不含基质的分析样品(2)ESI
待测物离子
Gas/liquid /solid raw
lons of
富集
APCI
matenals
Enrichment
ithout matti
analyte.
MALD
分离
Separ
图1传统的离子化技术工作流程
ig. 1 Conceptual illustration of traditional ways to generate ions of analytes
关键步骤1( Key step):将不同状态的样品通过预处理,转化为不含大量复杂基体的分析样品( Cornplex matrices
of raw samples must be separated);关键步骤2( Key step2):采用合适的离子化技术在特定的条件下进行离子化,产
生待测物离子( Using different ionization tcchniques under appropriate conditions)。
由能量守恒和电荷不灭定律可知,能量交换和电荷传递完全可以在常压条件下进行。以此为出发
点,结合大量的实验过程,可总结出复杂基体样品直接离子化的工作模式,而发展出适用于指导复杂基
体样品直接电离技术研究的二维模型和三维模型(图2a)。不同类型的能量源(如光子,电场等)通过
关键两个步骤:(1)作用于特定载体(如试剂,微小液滴等)上,形成具有一定能量的带电体(如初级试剂
离子,带电液滴等);(2)采用一定手段将此电荷和能量的载体与二维表面或三维空间中的原生态样品
直接作用,在相对开放的空间内把能量和电荷传递给待测物分子,完成待测物的离子化,形成待测物离
子后进入质谱仪中进行后续分析。图2b为二维理论模型下DFSI离子源对表面中痕量物质进行解吸电
离的基本过程。在DESI技术中,经过步骤1(即电喷雾ESI),将电场的能量转移到带电的微小液滴中;
这些负载了能量和电荷的液滴被喷射到二维表面上,液滴中含有的溶剂(如甲醇,水等)立即与固体体
表的待测物发生作用,发生二维表而的萃取、溶解过程;同时,液滴从表面反弹后形成更加细小的液滴,
导致溶剂快速蒸发,发生由液相转变为气相(即相转移)过程,导致电荷残留在溶剂内的待测物分子中,
从而完成了二维表面中待测物分子的离子化过程,即关键步骤2。该过程目前已被