常压电离质谱在公共安全化学毒物检测的应用

时间：2021年04月21日分类：科学技术论文次数：

摘要:常压电离质谱技术(Ambientionizationmassspectrometry，AIMS)以其敞开式环境、简便操作、原位、实时、高通量等优势，成为公共安全化学毒物检测领域的研究热点。该文基于文献计量分析，简要概述了AIMS的分类、发展趋势及其在公共安全化学毒物检测领域的

　　摘要:常压电离质谱技术(Ambientionizationmassspectrometry，AIMS)以其敞开式环境、简便操作、原位、实时、高通量等优势，成为公共安全化学毒物检测领域的研究热点。该文基于文献计量分析，简要概述了AIMS的分类、发展趋势及其在公共安全化学毒物检测领域的发展现状，重点从检测灵敏度、样品前处理兼容性以及现场检测的小型化质谱适配性等方面，归类总结了AIMS在毒品、爆炸物、化学战剂和生物毒素等分析检测方面的应用特点，最后对其技术特点及未来发展待解决问题等进行了评述，为相关领域研究人员提供有益参考。

　　关键词:常压电离质谱;现场快检;公共安全;化学毒物;综述

化学管理

　　当今国际形势多元化、多极化明显，恐怖、突发事件等时有发生，例如传统毒品和新精神活性物质滥用、化学品爆炸及爆炸式恐怖袭击、化学战剂恐怖刺杀、生物毒素中毒等化学突发事件频繁发生，对于公共安全的危害日益增加。原位、实时、灵敏的现场检测技术是应对和处置公共安全事件的关键要素。特别地，包括新型毒品、新型爆炸物、新一代化学战剂、新型生物毒素等在内的化学毒物种类繁多且具备可扩充性，迫切需要建立结构确证性强的检测鉴定技术手段。

　　自2004年美国普渡大学Cooks课题组[1]提出常压电离质谱(Ambientionizationmassspectrometry，AIMS)概念至今，质谱分析迈向了无需密闭的真空环境、原位实时、快速高效的新时代。AIMS又称环境电离质谱、敞开式电离质谱，是一类在常压条件下对样品直接进行电离的质谱技术，无需或仅需简单的样品前处理，在开放环境中便可实现复杂基质样品的进样和离子化[2-4]。

　　其克服了以往在进行剧高毒化学危害物质的质谱或色谱-质谱联用分析时，依赖于大型真空精密仪器以及复杂样品前处理耗时费工的问题，可简化质谱分析的操作流程，缩短分析时间，在毒品(含新精神活性物质)、爆炸物、化学战剂及生物毒素的现场原位、实时、快速高通量分析检测中具有突出优势。特别是随着小型化质谱仪的迭代更新，AIMS在现场快速检测方面的潜力和优势进一步凸显[5-7]。目前已报道了超过50种各具特色的AIMS技术，本文针对飞速发展的AIMS技术及其在公共安全化学毒物检测领域(毒品、爆炸物、化学战剂及生物毒素)的应用进行综合论述，并对其发展趋势和应用前景进行展望，以期为相关领域研究提供有益参考。

　　1AIMS分类及文献聚类分析2004年，Cooks等[1]报道了第一种常压电离技术———解吸电喷雾电离(Desorptionelectrosprayioniza-tion，DESI);2005年，Cody等[8]研发出实时直接分析(Directanalysisinrealtime，DART)技术，自此开启了由传统封闭式到敞开式的新型电离质谱技术研究热潮。经过十余年的发展，各种不同类型常压电离技术层出不穷，按其分析策略可分为直接解吸附/电离的一步常压电离技术和先解吸附后电离的两步常压电离技术。

　　在一步常压电离技术中，当喷雾、等离子体、超声波等作用于样品后，分析物从样品表面逸出，此时分析物的电离与解吸附几乎同时发生;在两步常压电离技术中，分析物先在一种能量形式下从样品表面解吸附，再利用一种离子源(如电喷雾、化学电离、等离子体等)产生的离子与解吸附的分析物发生分子-离子反应，从而产生分析物离子[9]。

　　对WebofScience核心合集下2004～2020年AIMS相关文献进行检索(2021年1月6日)，去重后整理得到2685篇文献。使用文献计量分析软件VOSviewer[12]进行国家、机构、作者和关键词聚类分析。结果显示，全世界已有70余个国家和地区在AIMS领域开展研究，其中发文量和被引量较多的前5个国家或地区为美国(1028篇，46672次)、中国(521篇，10526次)、德国(217篇，5535次)、英国(127篇，3908次)和巴西(133篇，3468)。其中普渡大学(美国)、中国科学院(中国)、金边大学(巴西)、清华大学(中国)、佐治亚理工学院(美国)和R.GrahamCooks(普渡大学，美国)、MarcosN.Eberlin(金边大学，巴西)、欧阳证(清华大学，中国)、陈焕文(东华理工大学，中国)、DemianR.Ifa(约克大学，加拿大)分别为发文量排名前5的高产机构和研究学者。

　　从国家、机构和作者分析可知，中国无论从国家整体发文量还是从高产机构和学者来看，均处于世界领先水平，也代表着中国在AIMS领域具有较高的科技影响力。进行关键词聚类分析时，设置出现次数大于3的关键词，对关键词合并、清洗后得到67个关键词及7个聚类。聚类Ⅰ集中在基于等离子体电离源的介质阻挡放电电离(Dielectricbarrierdischargeionization，DBDI)和低温等离子体(Low-temperatureplasmaprobe，LTP)及其在爆炸物、化学战剂等方面的研究;聚类Ⅱ集中于纸喷雾(Papersprayionization，PSI)和小型便携式质谱研发及其在法庭科学、环境科学方面的研究;聚类Ⅲ集中在基于DART分析及其在食品安全、农残分析方面的研究;聚类Ⅳ集中在基于DESI分析及其在天然产物分析领域的应用;聚类Ⅴ集中在基于AIMS的组学及质谱成像研究;聚类Ⅵ集中于药物筛选与肿瘤标志物研究;聚类Ⅶ则集中于药物与定量分析领域。

　　此外，各类AIMS技术在多个研究领域交叉汇通，相互之间联系密切。从时间轴分析，AIMS逐渐向满足现场检测应用需求、实现便携性的方向发展，与之适配的常压电离技术如DBDI、DART和PSI等也成为近年来的研究热点。此外，研究者多通过热、激光等高效解吸附技术，或结合固相微萃取(Solidphasemicroextraction，SPME)等多种快速前处理净化富集技术进行系统改进，以提高AIMS检测的灵敏度、重现性和定量分析能力。

　　2AIMS在公共安全领域的应用

　　公共安全化学毒物检测领域的代表性AIMS技术及应用实例。由数据可以看出，丰富、多模式的常压电离技术可适配于不同类型的质量分析器，进行定性鉴定或准确定量测定，特别地，可有机结合对真空度要求不高的小型化离子阱质谱，实现现场快速检测。目前已针对多种形式不同、内容复杂的样品基质(如体液、表面、食品等)开展了成功实践，化学战剂、毒品等(易)挥发物质、爆炸物等高能化合物在多种常压电离模式下均可达到ng/mL水平的检测灵敏度。大多数技术尚需在定量分析方面继续挖掘潜力。当然，需要提及的是，多种AIMS电离技术，其解吸附和电离机制尚待深入阐明，AIMS在公共安全领域的相关应用实践，亟待从经验、试错、归纳等手段上升到理论引领层面。

　　2.1毒品筛查

　　针对包括鸦片类、合成苯丙胺类精神兴奋剂、新精神活性物质(Newpsychoactivesubstances，NPS)等三代毒品，AIMS提供了强有力的技术手段，结合多种质量分析器，通过构建比对数据库、靶向和非靶向筛查等实现快速筛查、检测和鉴定。例如，Gwak等[46]对26种合成卡西酮、9种合成大麻素和苯乙胺类NPS进行快速筛查，DART-QTOF-MS/MS的检出限(Limitofdetection，LOD)为300～340pg，虽较离子迁移谱高约10倍，但其线性范围更宽。

　　且可同时提供全扫描和子离子扫描信息，准确性更高;Lian等[47]采用DART-TOF-MS和试剂分子辅助光电离正离子迁移谱两种技术构建了分析物的母离子和碎片离子的精确质量数及离子迁移率数据库，结合所提出的标准筛查程序和阳性检出判定标准，可实现包括传统毒品、合成苯丙胺类和NPS在内的53种滥用药物的快速筛查;Duvivier等[48]采用DART-Q-Orbitrap筛查了头发中的可卡因、安非他明和3，4-亚甲二氧基甲基苯丙胺等多种毒品及其代谢物，无需样品前处理，LOD达0.5ng/mg。对于代谢物在内的痕量毒品筛查，研究者多通过提高电离效率、改善解吸附、结合简便的样品前处理等方式实现高灵敏检测。

　　例如，提高分析物的电离效率方面，本课题组利用LTP-QTOF-MS/MS初步探究了干血斑中芬太尼类化合物的快速检测方法，通过尖端套管对LTP探针进行结构改造以聚焦等离子体束，芬太尼类化合物的峰强度响应增强2～3.5倍;以石墨涂覆辅助激光照射，可增加基底的导电和导热性能，分析物峰强度响应可进一步提高1.4～2.2倍[49]。Cooks课题组提出，在DESI-MS/MS中采用极性喷雾溶剂有利于提高极性分析物的电离效率[50]，对可待因、海洛因和安定的LOD达ng级水平;且更大喷雾面积的DESI离子源可显著改善分析物在载体表面的不均匀分布对检测结果的干扰，提高方法重现性[13]。

　　提高解吸附效率亦是提高检测灵敏度的重要因素之一。Sisco等[19]采用热解吸(Thermaldesorption，TD)-DART-MS和离子迁移谱对17种芬太尼类化合物和5种阿片类药物进行快速和灵敏的检测，单次擦拭巾上可被检出的分析物最低质量为pg～ng水平，两种方法均能在海洛因样品中检出掺杂低至0.1%的芬太尼。

　　Wang等[20]采用LTP-MS/MS对唾液中11种NPS进行快速筛查和定量分析，通过加热辅助样品解吸附，戊烯酮和5F-AKB-48等NPS的相对峰面积增加约3～10倍，LOD可达3.0～15.2ng/mL。Cheng等[22]采用TD-电喷雾电离(Electrosprayionization，ESI)-MS/MS结合探针采样技术，对饮料、粉末、果冻糖、邮票等可疑样品中的苯丙胺、甲氧麻黄酮、3，4-亚甲二氧基甲基苯丙胺和氟硝西泮等12种违禁药品进行快速分析，整个分析过程耗时不到30s，方法快速且高通量。结合简单样品前处理可降低复杂样品基质干扰，从而提高检测灵敏度。LaPointe等[16]利用SPME处理尿液，进一步降低了基质背景干扰，对尿样中3种合成卡西酮及其代谢产物进行DART-TOF-MS直接快速鉴定及半定量分析，信号强度增加5～60倍，达pg/mL水平，可满足临床检测需求。

　　Vasiljevic等[51]报道了一种SPME传输模式与DART-MS/MS联合的阿片类化合物高通量检测系统，在与96孔板尺寸适配的高通量SPME装置上修饰涂层材料，1.5h内即可完成96份生物样品的萃取和分析，LOD达0.1～5ng/mL。Yang等[52]利用毛细管弹状流微萃取，快速萃取全血和尿液样本中痕量的安非他明类非法药物，然后直接进行PSI-MS检测，灵敏度较常规PSI-MS提高了1～2个数量级，LOD可达0.01～0.05ng/mL。现场检测时，车载或便携式质谱是AIMS的主要适配目标，如Brown等[53]将DART与便携式离子阱MS结合，对大麻叶、疑似“K2”样品、可卡因、海洛因、甲基苯丙胺、羟考酮片和阿普唑仑片等进行现场实时分析，结果与场外气相色谱-质谱检测结果一致。

　　Fedick等[24]将金纳米颗粒修饰的纸基底同时作为手持式表面增强拉曼光谱(SurfaceenhancedRamanspectroscopy，SERS)的检测基底和便携式MS的常压电离源，对模拟实际场景的6种环境表面进行pSERS-PSI-MS分析，均可检出芬太尼，其实现SERS和MS快速检测双用途，有助于结果的互相印证，提高分析准确性。2019年，欧阳证课题组[54]研发出一款便携式线性双离子阱质谱，并实现了微管纸喷雾(Paper-capillaryspray，PCS)原位电离试剂盒的无缝应用。Kang等[23]利用PCS-MS/MS检出摄入吗啡和甲基苯丙胺病人尿样中的原型药物，并可通过分析尿样中可卡因及其代谢物浓度比的变化推测可卡因摄入时间，LOD为50～250ng/mL;随后利用此技术分析多种饮料中和塑料袋表面的芬太尼类化合物，LOD分别为10ng/mL和1ng/cm2[55]。

　　2.2爆炸物

　　爆炸袭击是现代恐怖活动的主要手段。AIMS可对金属、皮肤、塑料、聚四氟乙烯等多种环境表面爆炸物进行直接检测[56]，还可拓展用于潜手印中ng级爆炸物的分析[27]。Cooks课题组最早对爆炸物进行了系列的AIMS检测研究，采用DESI-MS/MS对纸张、塑料、金属表面的三硝基甲苯(2，4，6-Trinitrotoluene，TNT)、环三亚甲基三硝胺(1，3，5-Trinitroperhydro-1，3，5-triazine，RDX)、环四亚甲基四硝胺(1，3，5，7-Tetranitro-1，3，5，7-tetraazacyclooctane，HMX)、季戊四醇四硝酸酯(Pentaerythritoltetranitrate，PETN)等多种爆炸物检测，LOD达pg～ng水平[57]。

　　该课题组随后发展的Reactive-DESI，在喷雾溶剂中添加氯化物等反应试剂，通过分子/离子反应形成[RDX+Cl]-加合离子，对RDX的检测灵敏度提高了1个数量级，达10pg水平[58]，还可对人体皮肤表面的多种爆炸物进行快速无损检测[59];结合不锈钢离子传输管的远距离传输，还可实现距离质谱仪3m远的样品表面的痕量爆炸物和化学战剂模拟剂检测，灵敏度仍保持在ng水平[60]。DESI-MS和解吸常压化学电离(Desorptionatmosphericpressurechemicalionization，DAPCI)-MS检测过氧化物类爆炸物，两种方法的LOD均能达到ng水平[61]。

　　2.3化学战剂

　　大规模杀伤性化学武器、化学恐怖袭击始终是人类生存的重大威胁，目前已涌现出多份化学战剂及其相关物质、实际样品的AIMS分析检测、测试评估等研究[27]。事实上，AIMS技术被誉为化学战剂的“下一代现场检测新技术”之一。

　　目前，AIMS技术在化学战剂检测中的应用以快速定性/半定量分析为主，技术和相应设备还有待进一步开发和提高。其关键在于结合化学战剂剧毒、中/高挥发性等特点，进行技术改进或适配，以实现快速检测和精确筛查。技术改进或适配方面，Dumlao等[67]采用活性毛细管等离子体电离(Activecapillaryplasmaionization)结合台式质谱对法医学样品中的神经性毒剂模拟剂进行实时检测。Wolf等[34，68]建立了新型活性毛细管DBDI-MS检测系列化学战剂(神经性毒剂、糜烂性毒剂、失能剂)及其结构类似物的方法，利用压力辅助加热蒸发纳米喷雾技术将分析物气化后直接进行检测，LOD低至pg/mL水平，定量曲线相关系数(R2)>0.9969。

　　为提高灵敏度，Zhang等[38]采用金纳米颗粒(Goldnanoparticles，AuNPs)修饰的纸基底进行LTP-MS检测，发现由于AuNPs与等离子体高频电磁场间的相互作用，使纸基底上神经性毒剂模拟剂甲基膦酸二甲酯(Dimethylmethylphosphonate，DMMP)和甲基膦酸二异丙酯的检测灵敏度提高了800倍，LOD分别为0.1ng/mL和0.3ng/mL;在其后续研究中，采用铜针作为检测基底，对铜针尖端的神经性毒剂及芥子气水解产物进行LTP-MS检测，与非导电性基底相比，大幅提高了分析物的解吸附和离子化效率，LOD为0.5～0.98ng/mL[39]。

　　多种功能化材料结合样品前处理技术成为提高化学战剂定性、定量能力的一种手段。AIMS发展早期，DAgostino等[31]即将顶空SPME与DESI-MS/MS相结合，实现了多种室内基质(墙面、纤维、纸张)上塔崩、沙林、梭曼和芥子气等的快速检测，成功应用于实际野外条件下军事演习中采集的沙林样品的快速分析。最近，Dumlao等[35]将SPME与LTP-MS结合，将修饰微孔材料的不锈钢针同时作为采样工具和离子化喷针，直接快速检测尿液中的神经性毒剂模拟剂DMMP和膦酸二乙酯及水解产物片呐醇甲基膦酸，LOD为100ng/mL。

　　3总结与展望

　　AIMS技术以其开放环境、简便操作、原位、实时、高通量等特点，一经提出，在公共安全检测领域备受重视，近年来在新型电离方式、与复杂基质样品形式的兼容性、与现场检测方式的适配性等方面均取得了令人瞩目的进展。当然，尚需有效克服AIMS相关的系列技术挑战，包括重现性、定量能力、分析物范围(类型)、灵敏度及复杂数据的解析能力等。

　　未来尚需集中于以下几点进行深入研究、积累突破:①原理引领灵活设计，提高样品检测普适性和灵敏度。包括进一步明确和阐释常压电离解吸附和电离机制，深入思考和融合多种不同原理的解吸附和电离方式，根据分析物的物理和化学性质引入适当的电离增强试剂，创新化学策略适配常压电离技术特点等;②创造高重现性环境，提高定量能力。影响AIMS重现性的因素涉及样品导入、解吸附、电离及质量传输的多个环节，涵盖采样几何形状、采样表面、样品性质、周围环境、离子源内部参数等多种因素。

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　　因此应从选择高效的解吸附和电离技术、引入内标、结合多种快速前处理净化富集途径、提高样品负载稳定性、甚至发展自动化采样进样平台等多方面进行系统改进;③适配现场检测应用需求，实现便携性。包括创制适用的常压电离源与便携式、小型化质谱的兼容接口，结合3D打印、仿真模拟等实现结构设计和理论模型优化等;④联合其它检测技术，保障确证性。公共安全应急检测往往需要多种检测技术多角度共同确证。AIMS无疑从结构确证角度提供了有效手段，未来可望配合目前的主流检测技术(如离子迁移谱、红外/拉曼光谱、便携式气相色谱-质谱等)使用，在样品适配检测、数据库共享、软件自动分析等方面发挥强有力的联合优势。

　　参考文献:

　　[1]TakatsZ，WisemanJM，GologanB，CooksRG.Science，2004，306(5695):471-473.

　　[2]CooksRG，OuyangZ，TakatsZ，WisemanJM.Science，2006，311(5767):1566-1570.

　　[3]KuoTH，DutkiewiczEP，PeiJ，HsuCC.Anal.Chem.，2020，92(3):2353-2363.

　　[4]ZhangXL，ZhangH，WangXC，HuangKK，WangD，ChenHW.Chin.J.Anal.Chem.，2018，46(11):1703-1713.

　　[5]MaXX，OuyangZ.TrAC，TrendAnal.Chem.，2016，85:10-19.

　　[6]SnyderDT，PulliamCJ，OuyangZ，CooksRG.Anal.Chem.，2016，88(1):2-29.

　　[7]GuoXY，HuangXM，ZhaiJF，BaiH，LiXX，MaXX，MaQ.Chin.J.Anal.Chem.，2019，47(3):335-346.

　　[8]CodyRB，LaraméeJA，DurstHD.Anal.Chem.，2005，77(8):2297-2302.

　　作者：朱颖洁1#，李冬梅1，2#，黄元轩1，徐斌1，郭磊1*，谢剑炜1

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