聲波噴霧離子化質譜技術及其應用研究進展

呂悅廣 白 樺 李文濤 楊鏡奎 何裕建* 馬 強*

1(中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176) 2(中國科學院大學化學科學學院，北京 100049)

1 引 言

質譜(Mass spectrometry, MS)技術具有靈敏度高、特異性好、分析速度快、專屬性強等特點，成為近年來發展最為迅速的分析技術之一。從本質上說，質譜是一門制備、操控和檢測氣態離子的科學，如何便捷、高效地產生氣態離子是質譜學發展的關鍵之一。在質譜發展歷程中，每一次離子化技術的突破性進展都極大拓展了質譜的應用范圍。在過去長達一個世紀的時間里，人們曾普遍認為氣態離子只能從氣態分子中得到，而不能直接從溶液中轉移和生成氣態離子?；|輔助激光解吸電離(Matrix assisted laser desorption/ionization, MALDI)和電噴霧電離(Electrospray ionization, ESI)這兩種軟電離技術的出現，打破了人們傳統的認知，可實現直接從溶液中得到氣態離子，使蛋白質、核酸等生物大分子的質譜分析成為可能，并逐漸成為質譜領域應用最廣泛的兩種離子化技術。

液相色譜-質譜聯用技術(Liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)很好地融合了液相色譜的分離能力和質譜的組分鑒別能力，是分離分析復雜有機混合物的有效工具。在該技術發展之初，液相色譜和質譜之間的常壓離子源接口一直是人們研究的重點。大氣壓化學電離(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]等離子化技術都被成功應用為液相色譜-質譜聯用技術的離子源接口。聲波噴霧離子化(Sonic-spray ionization, SSI)也是一種常壓軟電離技術，該技術無需施加高壓或加熱，在常溫常壓條件下即可產生帶電小液滴，被認為是最簡單的離子化技術。在與離子源毛細管同軸氣流的作用下，毛細管中的溶液被噴霧帶出，當氣體速度達到一定值時，噴霧中便產生了帶電小液滴和氣態離子，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發展之初，主要作為液相色譜-質譜聯用技術的一種新型常壓離子源接口被應用于多肽[6]、蛋白質[7]、藥物[8]等各個分析領域。同時，還有研究對比了聲波噴霧離子化與大氣壓化學電離[9]、電噴霧電離[10, 11]等傳統離子源作為液相色譜-質譜聯用接口對于分析結果的影響。由于離子化過程不需要加熱，聲波噴霧離子化技術在分析多肽、神經傳導介質等熱不穩定物質時顯示出獨特的優勢。

另一方面，敞開式離子化質譜(Ambient ionization mass spectrometry, AIMS)是近年來質譜技術發展的一個重要方向。顧名思義，敞開式離子化質譜是在不需要或者僅需要簡單樣品前處理，且在常壓開放的環境中便可實現樣品離子化，然后進行質譜分析的技術。該技術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電離的電離環境亦為常壓，故取名為敞開式或開放式離子化，以強調電離環境不只是常壓，同時也是開放環境[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——解吸電噴霧電離(Desorption electrospray ionization, DESI)，這被認為是敞開式離子化質譜研究的開端。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——實時直接分析(Direct analysis in real time, DART)。這兩種離子化技術是發明最早，同時也是應用最為廣泛的敞開式離子化技術。在此之后，又陸續發展了幾十種敞開式離子化技術。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的啟發，提出了解吸聲波噴霧離子化(Desorption sonic-spray ionization, DeSSI)技術，也是應用較為廣泛的敞開式離子化技術之一。實際上，聲波噴霧離子化技術真正被人們熟知并且廣泛應用是始于此?？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現樣品溶液離子化，是最簡單、最溫和且最容易搭建實施的離子化技術。

本文介紹了聲波噴霧離子化技術的原理、特點及其作為液相色譜-質譜聯用技術接口的應用研究，綜述了基于聲波噴霧離子化技術發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在各相關領域的應用研究進展，并對其發展趨勢進行了展望。

2 聲波噴霧離子化的原理及特點

Hirabayashi等[5]首次提出了聲波噴霧離子化這種新型離子化技術。實驗中甲醇-水溶液通過蠕動泵以30 μL/min的流速輸送至石英毛細管(內徑0.1 mm、外徑0.2 mm)，石英毛細管被安裝在一段起到固定支撐作用的不銹鋼管(內徑0.25 mm、外徑1.7 mm)中。石英毛細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，毛細管噴霧尖端距質譜進樣口距離為5 mm。高速氮氣也從此小孔中流出，氮氣在標準狀態(20℃、1 atm)下的流速通過質量流量控制器控制。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，只要在毛細管同軸方向通入高速氮氣，即可實現樣品溶液離子化，被認為是最簡單的離子化技術。實驗通過該方法得到了賴氨酸、多巴胺、短桿菌肽S的質譜圖，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。實驗還發現，氣相離子信號響應強度與同軸氮氣流速有直接關系，作者測試了雙電荷短桿菌肽S的離子信號強度與氮氣流速之間的關系，如圖2所示，實驗表明：(1)在氮氣流速達到1.3 L/min時，開始有短桿菌肽S離子信號被檢測到；(2)離子信號強度隨著氮氣流速的增加而增大，在3.0 L/min時達到最大值；(3)氮氣流速大于3.0 L/min后，隨著氮氣流速的增加反而導致離子信號強度減弱。同時，隨著氮氣流速增加，氣流的馬赫數也不斷增加。作者采用紋影法拍攝了氮氣在不同質量流速時流動狀態的照片，在流速2.2 L/min時，氣流為亞聲速流動狀態，在流速為4.0 L/min時，為超聲速流動狀態，據此推斷，在跨聲速流動狀態時，該方法有最大的離子化效率。此時氣流的馬赫數≈1，即氮氣線速度接近聲速，因此將其命名為聲波噴霧離子化技術。

圖2 離子電流和雙電荷的短桿菌肽S離子信號強度與氮氣流速之間的關系[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驗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信號強度一樣，均是在氮氣流速為3.0 L/min時達到最大值。然而，值得注意的是，在氮氣流速為1.0 L/min時，帶電小液滴已經產生，但此時并沒有氣相離子被檢測到； 在氮氣流速低于0.8 L/min時，噴霧產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生與小液滴的大小有直接關系，在亞聲速流動狀態，隨著氮氣流速增加，噴霧產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、多巴胺等物質分別以聲波噴霧離子化和傳統電噴霧電離方式得到的質譜圖，發現兩種途徑得到的質譜圖十分相似。同時，在聲波噴霧離子化模式下，待測物質表現出更容易帶多電荷的傾向[19]。傳統電噴霧電離方式[3]是在高電場作用下溶液在毛細管尖端形成泰勒錐(Taylor cone)，當泰勒錐尖端的溶液達到瑞麗極限(Rayleigh limit)，即表面電荷的庫侖斥力與溶液表面張力相當的臨界點時，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，溶劑不斷蒸發并發生庫倫爆炸，最終形成氣態離子[3]。值得注意的是，電噴霧過程的霧化氣流速較低，遠低于聲波噴霧離子化模式下的氣體流速，當流速達到或超過100 m/s時，便不能形成穩定的泰勒錐。

對于聲波噴霧離子化這一新型離子化技術，其機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、電雙層帶電和統計學帶電)，以探究聲波噴霧離子化的機理。對于摩擦帶電模型，不同的毛細管材料理論上有不同的電化學電勢，作者對比了幾何形狀相同、材質不同的玻璃毛細管和不銹鋼毛細管的噴霧離子化效果，實驗結果并沒有差別，因此該方法不是摩擦帶電的離子化機理。另一方面，在接近毛細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，且毛細管壁帶負電，因此靠近壁面的質子濃度比較高[21]，從而在溶劑快速蒸發的過程中產生帶電小液滴?；谶@個模型，鈍化的石英玻璃毛細管會嚴重減小電雙層效應，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管，發現實驗結果并沒有差異，因此也否定了電雙層帶電機理。Dodd[22]提出的統計學帶電模型常被用于解釋熱噴霧離子化技術[23]的帶電過程。溶液在很短時間內快速蒸發變成等體積的小液滴，對于大部分小液滴，其正、負離子數量是相等的，整體表現為電中性。然而在另一些小液滴中，其正離子數量大于負離子數量，整體表現為帶正電，反之則帶負電。這是由于溶液中離子濃度的微觀波動而導致的帶電過程，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：

基于這個模型和關系式，檢測到的離子電流應該隨著溶液中離子濃度的增大而增大，然而實驗發現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果，所以聲波噴霧離子化也不是統計學帶電機理。

Hirabayashi等[18,19]的研究發現，檢測到的離子電流不僅與氣體流速有關，還與氣體介質有直接關系，在氣體流速為3.0 L/min時，氮氣和氧氣介質時的離子電流是氬氣介質時的3倍。這是因為不同的氣體介質導致氣液界面有不同的表面電勢，受表面電勢的影響，正、負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，負電荷在外表面，正電荷位于內層。在聲波噴霧過程中，氣體介質和溶液的界面受表面電勢影響也存在電雙層。受高速氣流強力沖擊作用，微小液滴將從溶液表面被“剝離”，進而由于靜態電荷分布不平衡而有機會帶電。當正電荷數量大于負電荷時，小液滴帶正電，相應地會有其它小液滴帶負電。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驗結果也很好地印證了這一機理。隨著溶液中離子濃度的增加，離子對的濃度也逐漸增加，因此導致在溶液表面形成的電雙層的厚度減小，也就是說，擴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生電荷分離，高速氣流作用使電荷濃度發生波動, 電荷靜態分布不平衡, 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理。后續在氣體流動作用下，帶電小液滴經過與傳統電噴霧類似的溶劑揮發、庫倫爆炸等過程，最終通過電荷殘余模型形成氣態離子而被質譜檢測。

基于上述聲波噴霧離子化裝置和帶電機理，氣體壓力、溶液流速和裝置的物理尺寸是影響該技術離子化效率的主要因素[25]，優化這些參數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理使其可以同時產生正、負離子，這對于正、負模式同時進行質譜高通量快速檢測大有裨益。聲波噴霧離子化技術與其它離子化技術的異同和優缺點對比結果見表1，聲波噴霧離子化是最簡單、普適的離子化技術。同時，由于未施加高電壓/電流和加熱，聲波噴霧產生的氣態離子內能較低，可以保留分子間弱的非共價作用, 因此該離子化技術可用于研究分子內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與其它離子化技術對比

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Reference電噴霧電離Electrospray ionization (ESI)是Yes是Yes中等極性/強極性Moderate/strong polarity是Yes是Yes是Yes[3]大氣壓化學電離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/強極性Moderate/strong polarity是Yes否No否No[5]

3 聲波噴霧離子化衍生技術

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[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]，以突出該技術在敞開式環境下實施和簡單的特點(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、負電荷)的小液滴束轟擊樣品表面，將待測物解吸附出來；(3) 經過質子或者陽離子(通常為Na+、K+)轉移反應使待測物離子化，最終變成氣態離子被質譜檢測。

3.2 文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化

為了進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上做了改進，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)。該技術在簡易聲波噴霧離子化的基礎上，利用毛細管周圍流過的高速氣流產生的文丘里效應將噴霧溶液帶出毛細管并形成噴霧離子化。與之前技術相比，文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化產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，霧化氣流經一根53 mm長的不銹鋼針筒(內徑400 μm、外徑728 μm)，其內部同軸的石英毛細管(內徑100 μm、外徑125 μm)用于吸取溶液和尖端噴霧。經過條件優化，最終確定霧化氣氮氣氣壓為10 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，基本沒有碎片離子峰。雖然與傳統電噴霧電離技術相比，其待測物的絕對響應強度有所降低，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理使文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術可以同時產生正、負離子，該技術可以直接對溶液和固體表面進行分析，拓寬了其應用范圍。對純水溶液中生物分子檢測的優異表現，表明該技術適用于生理溶液和生物流體中蛋白質和多肽的分析。

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)。該技術僅需要一個便攜式壓縮空氣罐即可實現文丘里自吸效應和聲波噴霧離子化。便攜式壓縮空氣罐替代了傳統氮氣鋼瓶及相關氣體調節器，其它組件也均廉價易得，如外科兩通導管代替了三通組件、皮下注射針代替了不銹鋼套管，真正實現了自組裝、便攜化的特點。實驗進行了可卡因、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點。這種簡易自組裝的離子源被認為是已報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的迭代發展過程見圖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與其它技術聯用

4.1 聲波噴霧離子化與液相色譜技術聯用

圖5 聲波噴霧離子源作為液相色譜質譜聯用接口示意圖[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譜聯用進行農藥殘留分析。實驗研究了取樣錐孔溫度、氮氣流速等與質譜信號響應之間的關系，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譜直接串接起來。西瑪津在1 pmol～1 nmol的范圍內線性良好，檢出限為300 fmol。Bj?rkman等[30]對液相色譜-聲波噴霧離子化質譜聯用條件進行了優化。 如圖5所示，通過析因設計對各個設置參數進行了評估，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。結果表明，聲波噴霧離子化由于流速較大，導致托洛丁分析的重現性稍差、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，因為該離子化過程中轉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電噴霧離子源作為液相色譜-質譜聯用接口時分析效果的異同。實驗涉及流動相中的有機改性劑、揮發性緩沖鹽等對兩種離子化方式的影響，實驗結果表明，有機改性劑可以提高電噴霧和聲波噴霧的離子化效率，然而揮發性緩沖鹽有明顯的離子抑制效應。研究者將聲波噴霧離子源作為液相色譜-質譜聯用接口，鑒定了7種海洛因雜質中的生物堿。采用硅膠整體柱，以5.0 mL/min的流速梯度洗脫，7種物質在5 min內即可實現良好分離，設置柱后1∶20的分流比，實現了快速液相分離和聲波噴霧離子化質譜的串接。

4.2 聲波噴霧離子化與微流控芯片技術聯用

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現正、負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、石英毛細管腔體、蒸發通道和出口噴嘴構成，霧化氣進入蒸發通道, 與石英毛細管引入的樣品混合，將其噴霧離子化。結果表明，芯片相對于質譜入口的位置、氣體和樣品流速對檢測結果有很大影響。實驗分析了叔丁基銨、維拉帕米、睪酮、血管緊張素Ⅰ等物質，離子信號穩定，動態線性范圍與電噴霧電離相當，重現性良好，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，不需要額外制造噴霧尖端，首先通過計算機模擬優化芯片結構，并進行實驗驗證。實驗結果表明，該技術在霧化氣壓力大大低于傳統聲波噴霧離子化所需壓力的情況下便可實現樣品溶液離子化。同時, 研究者還發展了一種雙通道自吸式聲波噴霧離子化芯片，當兩個通道中均為相同樣品溶液時，信號明顯增強；當通道中為不同溶液時，則有效降低了離子抑制效應，該技術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聯用

圖7 薄層色譜-簡易敞開式聲波噴霧離子化質譜分析示意圖[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，而薄層色譜(Thin-layer chromatography, TLC)是最便捷、最快速的色譜分離技術。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聯用。薄層色譜板上面分開的點可以直接通過簡易敞開式聲波噴霧離子化分析采集質譜信息。實驗中，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，毛細管-薄層色譜板-質譜入口之間夾角約為30°(實驗裝置示意圖見圖7)。實驗分析了半極性含氮化合物、藥物和蔬菜油，同時還將該技術用于有機反應監測。薄層色譜板和簡易敞開式聲波噴霧離子化技術聯用整合了色譜高效分離和質譜高靈敏檢測的優勢, 拓展了簡易敞開式聲波噴霧離子化技術的應用范圍。Eberlin等[34]采用薄層色譜-簡易敞開式聲波噴霧離子化質譜聯用技術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現油品組分的分離，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逐點進行質譜檢測。結果表明，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準。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量控制。

4.4 聲波噴霧離子化與其它技術聯用

Haddad等[17]還將纖維素透析膜應用到簡易敞開式聲波噴霧離子化技術中，纖維素透析膜雖為固體，但具有良好的滲透性和柔韌性。這種結合有助于帶電小液滴對纖維素膜表面的待分析物進行解吸附，同時待測物在膜表面的選擇性滲透有利于質譜定性定量分析。實驗表明，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循環通過膜系統，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, 進行質譜分析。該方法也可應用于連續原位監測分析環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測發酵和生物轉化，透析膜也可以用于監測血液透析過程，進行體內血液分析。Figueiredo等[33]發展了一種分子印跡聚合物作為待測物選擇和富集界面，應用于簡易敞開式聲波噴霧離子化質譜分析。實驗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，清洗除去其它雜質后，轉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)暴露在噴霧范圍內并持續1 min，每種化合物分子離子峰作為定量分析的依據。實驗結果表明，該分子印跡聚合物可作為尿液中氯丙嗪類藥物的化學選擇界面，用于簡易敞開式聲波噴霧離子化質譜分析。該方法具有靈敏度高、選擇性好、分析時間短等特點，同時分子印跡聚合物還具有使用壽命長、直接分析無需預處理和萃取/清洗簡單等優勢。這些特性使得該方法可以大大降低基質的離子抑制效應，適用于生物樣品和環境流體等復雜基質樣品的分析。

5 聲波噴霧離子化及其衍生技術的應用研究進展

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

5.1 生命科學

生命科學是21世紀最為活躍的學科，生命體系大多是復雜體系，因此對分析技術也提出了越來越高的要求。聲波噴霧離子化及其衍生技術在生命科學領域被廣泛應用[36～40]。Arao等[41]通過配有聲波噴霧離子源接口的液相色譜-三重四極桿質譜聯用系統，連續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-離子阱質譜聯用分析方法。該方法適用于全血、尿液、組織樣品的分析，方法日內和日間精密度小于17.5%，精確度小于16.2%。實驗還建立了不同基質的標準曲線，線性相關系數均大于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-質譜聯用快速鑒定方法，采用右美沙芬作為內標驗證方法的可靠性，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直接分析脂質復合物，探究患有高甘油三脂血癥小鼠和正常甘油三脂小鼠脂質樣本的差異。該方法在正離子模式下觀察到了很強的磷脂酰膽堿和三酰甘油的離子信號，在負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。實驗分析了脂質中游離脂肪酸，發現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，并且小鼠體內整體有明顯的游離脂肪酸分布。

表2 聲波噴霧離子化的應用情況

Table 2 Application of SSI

樣品Sample檢測物質Analyte方法Method線性范圍Liner range檢出限LOD參考文獻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建立了一套快速、可靠的蔬菜油分析方法，可以在敞開式環境對蔬菜油中的主要成分進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，無需任何預處理。正離子模式下三酰甘油脂的離子形式為[TAG+Na]+，負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，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，據此可以對蔬菜油進行認證和質量控制，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結合，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印在紙上，然后利用簡易敞開式聲波噴霧離子化實現甘油三脂的快速鑒定分析，整個分析過程僅需數分鐘和極少量的樣品和溶劑，實驗結果與氣相色譜以及基質輔助激光解吸離子化質譜分析的結果十分相似。該方法可以現場收集樣品的熱壓印紙，然后送至實驗室檢測，已有報道將該技術應用于俄羅斯魚子醬[46]和伊比利亞火腿[47]的質量監控中。Sawaya等[48]通過簡易敞開式聲波噴霧離子化技術收集了世界范圍內49種蜂膠醇提物的一系列化學信息，對所得數據中樹脂的植物來源進行主成分分析，可以推斷蜂膠的地理起源。

5.3 法庭化學

迄今，簡易敞開式聲波噴霧離子化最主要的應用領域是法庭化學[49]，基于其操作簡單、快速的特點，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譜信息表明，不同品牌的墨水具有不同的特征化學信息，墨水中含有堿性紫3、堿性藍26、堿性藍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，隨著時間推移發生了一系列降解反應，其降解產物的豐度呈線性變化，因此可以作為表示墨水年齡的“化學鐘表”，為法庭鑒定簽名是否為偽造提供了有力的技術手段。Carbral等[55]采用文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術鑒別樹木種類。桃花心木是一種瀕臨滅絕的珍貴熱帶植物，這種微紅色木質中含有一種典型的植物化學標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小木屑的甲醇提取液中檢測到該物質。實驗結果表明，通過比較桃花心木和其它木材的化學物質特征圖譜，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，并且創建其認證標準。假冒偽劣香水是在世界范圍內普遍存在的一種現象，造成巨大的經濟損失和潛在的消費風險。 Haddad等[56]建立了一種幾乎可以瞬間完成的香水種類和真偽的鑒別方法。實驗中將香水直接噴射到玻璃棒或者紙片上，樣品經過幾秒鐘干燥，隨后進行簡易敞開式聲波噴霧離子化質譜檢測，在1 min內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特征，且重復性良好，可對香水樣品進行真偽鑒別。

5.4 反應監測

圖8 文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化質譜實時監測自組裝反應示意圖[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行原位、實時質譜分析，因此在反應監測領域表現出很大優勢[57～64]，對于優化反應物配比、控制反應進程以及推測反應機理有著重要指導意義。Na等[63]利用文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術實時監測了核酸堿基的自組裝過程。K+通過注射器引入到反應體系中，通過文丘里-簡易敞開式聲波噴霧離子化技術實時觀察核酸堿基自組裝產生的簇離子(反應裝置如圖8所示)。監測過程中發現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揮作用，同時說明該方法作為一種軟電離技術，適用于自組裝過程中的非共價作用研究。Jansson等[65]發展了一種監測狹窄空間的表面反應的方法。實驗將兩根石英毛細管浸入到溶液中，兩根毛細管與反應表面之間彼此緊密靠近，形成了一個層流反應區, 體積約為5 pL, 通過蠕動泵和其中一根石英毛細管向反應表面提供反應原料。另外一根毛細管跟離子源相連，相比于補液毛細管，該毛細管取樣流速稍快。補液和取樣的綜合效應使溶液平流傳遞而不擴散，維持了一個穩定的化學微環境。實驗首先將乙酰膽堿酯酶通過靜電相互作用固定在有機硅氧烷聚合物表面，隨后進行了乙酰膽堿酯酶催化乙酰膽堿形成膽堿的實時反應監測，同時優化了不同乙酰膽堿濃度、石英毛細管形狀以及流速等條件。實驗結果表明，轉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時反應監測。

6 總結與展望

聲波噴霧離子化技術從早期作為一種液相色譜-質譜聯用的新型離子源接口，到后來發展的簡易敞開式聲波噴霧離子化，都被認為是最簡單、最便捷的常壓敞開式離子化方式，并已經成功應用于眾多領域。期間，離子化裝置不斷改進、簡化，展示了其簡單、快速、便攜的特點。雖然尚未商業化，但聲波噴霧離子化已經逐漸成為最熱門的敞開式離子化技術之一。Teunissen等[66]綜述了簡易敞開式聲波噴霧離子化近十年的發展，從敞開式離子化技術的角度重點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在醫藥、食品、燃料、法庭化學和生物樣品等領域的應用。本文從最初的聲波噴霧離子化技術開始，闡述其基本原理和發展過程。在裝置發展和應用方面，涵蓋了其最初作為液相色譜/毛細管電泳串聯質譜的接口到后來發展成為敞開式離子化技術，以及該方法與微流體芯片、薄層色譜板等技術聯用的情況。目前，該技術在質譜成像等領域也嶄露頭角[67]，未來必將拓寬到更多應用領域。