质谱学报
Journal of Chinese Mass Spectrometry Society
Vol. 39 No. #
Jul. 2018
介质阻挡放电电离技术
及其应用研究进展
王春1!,孟宪双1,李文涛1,王长海2,闻路红3,
赵
鹏
3,白
桦
1,马
强
1
(1.中国检验检疫科学研究院,北京100176;2.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏南京210095;
3.宁波大学髙等技术研究院,浙江宁波315211)
摘要:介质阻挡放电电离源是一种非表面接触型的常压敞开式电离源,借助大气压下惰性气体的介质阻 挡放电产生稳定的低温等离子体,可在几秒钟内实现液态、固态和气态样品的解吸附离子化,将其用于 质谱检测,无需复杂的样品前处理,在常温、常压环境下即可对样品进行原位、实时、快速和无损检测。 介质阻挡放电电离源自提出以来发展迅速,现已被广泛应用于食品安全、公共安全、药物分析、环境监 测、生命科学等诸多领域。本文综述了介质阻挡放电电离源的发展历程、电离机理、结构分类、影响因素 及应用进展,并对其发展趋势进行了展望。关键词:介质阻挡放电电离;原位电离质谱;综述中图分类号:0657. 63 doi: 10. 7538/zpxb. 2018. 0003
文献标志码:A
文章编号!004-2997(2018)04-0500-13
Research Progress of Dielectric Barrier Discharge Ionization and Its Application
WANGChun
1,2,M
ENGXianong
-sh
uang
1,L
lWen
-tao1,W
1,M
A
ANGChang-hai2,
WENLu
-h3,Z
HAOPeng
3,B
AIHua
Q
iang
1
(1. Chinese Academy of Inspection and Quarantine,Beijing 100176,China;2. College of Resources and Environmental Sciences,
NanjingAgricultural University,Nanjing 210095,China;3. The Research Institute of Advanced Technologies,Ningbo University,Ningbo 315211,China)
Abstract: Ambient ionization
has
been
developed
for direct MS analysis of
the
in untreated samples,and represents a promising solution for simplification or elimina
tion of sample pretreatment procedures in on-site analysis. Since desorption electrospray
收稿日期!018-01-08;修回日期!018-03-20 基金项目:国家重点研发计划(2016YFF0203704)资助
作者筒介:王春(1992—),男(汉族),安徽人,硕士研究生,海洋科学专业。E-mail: wangchun217@126. com
通信作者:马强(1979—),男(回族),吉林人,研究员,从事产品质量安全检测技术研究。E-mail: maqiang@caiq. gov. cn
白桦(19—),女(汉族),山西人,研究员,从事产品质量安全检测技术研究。E-mail: baih@caiq. gov. cn
第4期 王春等:介质阻挡放电电离技术及其应用研究进展501
ionization (DESI) and direct analysis in real time (DART) were reported in 2004 and 2005, respectively, more than 40 ambient ionization methods have been developed. Sample pretreatment and chromatographic separation, traditionally required for MS-based analysis can be bypassed now. Dielectric barrier discharge ionization (DBDI) is a non-surface contact ambient ionization technique, which can achieve desorption/ ionization of liquid, solid and gaseous samples in a few seconds by the stable low temperature plasma generated by dielectric barrier discharge (DBD) in inert gases at atmospheric pressure. The mechanism of DBDI is related to a polarization of the dielectric barrier (glass wall) followed by charging of the inner wall. The amount of charges formed at the inner glass wall by polarization/charging is proportional to the change of the voltage. Therefore,
instead of
the
use
of an
ordinary
sinusoidal
genera
wave generator would be of great interest. Combined with a smaller dimension of the capillary not only a pin-ring shape but also a ring-ring shaped DBD can be operated more reproducibly and in
case
of using He as plasma
gas,
it
can
be operated
in
a homo
plasma mode which is preferable for soft ionization. Sample analysis by the DBDI source coupled to MS does not require complicated sample preparation and can be realized insitu, real-time, rapid and non-destructive detection under ambient conditions. DBDI has become very popular for applications in analytical science because of its outstandingfeatures, including flexibility and simplicity of setup, good portability, and high chemical activity. DBDI source has been widely used in various of research fields such as food safety, public security, pharmaceuticals analysis, environmental monitoring, life science, and so on. The versatility of DBDI has been thoroughly revealed for a series of applications. This paper reviewed the origin, ionization mechanism, classification, influencing factors and application of DBDI, and discussed its future development trend.
Key words: dielectric barrier discharge ionization (DBDI); ambient ionization mass
spectrometry (AIMS) ; review
电离源在质谱仪中处于核心地位。近年 来,新型质谱检测方法的开发及应用大多是 针对电离源的研制和改进[1]。大气压电离
(atmospheric pressure ionization, API),如电
现,目前已达几十种[410],是质谱快速分析领 域的研究热点。其中,原位电离技术中基于 气体放电的离子化方式得到蓬勃发展。2005 年,日本电子公司Cody教授[11]开发了实时直 接分析(DART)技术。经多年发展,该技术已 成为代表性的原位电离技术之一,并成功实 现商业化。
介质阻挡放电是在两放电电极之间放置阻 挡介质,一般为玻璃、石英、陶瓷等绝缘体,放电 区域内充满惰性气体或者混合气体,当放电电 极上施加的电压超过帕邢击穿电压时,电极间 的气体会被击穿,从而形成介质阻挡放电[12], 又称无声放电。绝缘介质的作用可以被看成放 电的“熄灭器”,避免电弧等剧烈放电现象的形
成[1!],使整个放电过程更均匀、温和。在介质 阻挡放电过程中,会产生大量的自由基、电子、
喷雾电离(electrospray ionization, ESI)和大气 压化学电离(atmospheric pressure chemical
ionization, APCI),在检测之前,一般需要对样
品进行复杂的前处理,使之转化为适合质谱分
析的特定样品形态[2]。原位电离(ambient ion
ization) 能够在大气压条件下,无需或只需简单
的样品预处理即可对样品进行直接解吸附离子 化。2004年,美国普渡大学Cooks教授[]提出 解吸电喷雾电离(desorption electrospray ioni
zation, DESI) 技术,极大地推动了原位电离技
术的发展,在国际上掀起了快速质谱分析研 究的热潮。此后,各种原位电离技术相继出
502离子、激发态原子和分子碎片,这些化学活性物 质具有一定的电荷和能量,是介质阻挡放电应 用的基础。基于此,清华大学张新荣等[14]提出 一种基于低温等离子体的原位电离技术——
介
质阻挡放电电离(dielectricbarrier discharge
ionization,DBDI),其结构示意图示于图1。采
用一根中空的不锈钢针作为高压电极,薄铜片 作为接地电极,并在铜片上粘附绝缘体载玻片 充当阻挡介质与样品载体。解吸附气体(He、
Ar)以12〜48 m/s通过中空不锈钢放电针流
向铜片。当在两电极间施加电压为3. 5〜4 5 kV、 频率为20. 3 kHz的交流电时,可在电极之间 形成稳定的等离子体束,实现对载玻片上样品 的解吸附与离子化,形成的带电离子被气流携 带进入质谱仪进行检测。
图1
介质阻挡放电电离源示意图[14]
Fig. 1 Schematic diagram of the DBDI source[14]
结合近年来有关介质阻挡放电电离源的研 究成果,本工作将介绍介质阻挡放电电离技术 的发展历程、电离机理、结构分类、影响因素及 其在质谱快速分析领域的应用进展,并展望其 发展趋势。
1发展历程
关于介质阻挡放电的研究已有较长历
史[15],该技术在杀菌消毒、等离子体表面处理、 薄膜材料等领域已得到广泛应用[13,1516]。2001 年,Miclea等[17]率先尝试将介质阻挡放电技术 应用于分析检测领域,提出了一种小体积、低功
质谱学报 第39卷
率并具有优异解离能力的微型平面介质阻挡放 电设备,在惰性气体或空气与惰性气体混合的 气氛中,利用等离子体调制二极管激光原子吸 收光谱法对卤代烃等物质进行测定,获得了良 好的分析结果,这表明介质阻挡放电在分析检 测领域具有应用潜力。
自张新荣教授[14]提出介质阻挡放电电离 的概念,在随后的十几年里,该技术得到迅速发 展,并衍生出很多不同类型的介质阻挡放电电 离源,如改变装置结构的双圆柱介质阻挡放电 离子源[18 ]和将介质阻挡放电电离与色谱技术 联用的液相色谱-介质阻挡放电电离质谱[19] 等。其含义也不仅局限于某一类别的电离源, 而是泛指所有基于介质阻挡放电原理发展而来 的原位电离源,并由此可以分为等离子体喷射 电离源、蒸汽导入电离源和复合模式电离源等 三大类型[20]。
2 电离机理
介质阻挡放电电离源是基于大气压惰性 气体介质阻挡放电所产生的低温等离子体来 实现对分析物的解吸附和离子化,其中起主 要作用的是具有较高能量和较长寿命的亚稳 态粒子。由于亚稳态的粒子不稳定,会发生 由高能量向低能量转变,同时将额外的能量 释放出去。因此,当放电气氛中存在其他原 子或分子时(如空气中的H)0、N2、02等),粒
子之间相互碰撞,亚稳态气体原子的能量会 被转移,当前者的激发能大于后者的电离能, 后者将被电离,这一过程被称为“彭宁电离”
(Penning ionization
),是介质阻挡放电电离源
的主要电离方式。
由于亚稳态的惰性气体能量较高,介质阻 挡放电电离源常选用高纯度的惰性气体作为电 离气体。罗海云等[1]详细比较了大气压下不 同惰性气体介质阻挡放电的特性;发现A r
不
易实现覆盖整个电极的均匀放电,且放电通道
中的电流密度高达7. 5 A/cm2;H
e
、N
e
可实现
稳定均匀放电,且放电模式为辉光放电,但
He
的价格更低廉,可以减少样品的损伤及碎片离 子的产生,使电离源更“软”,谱图更“干净”,另 外,H
e
的28s1激发能可达19. 8
eV
[22],能够
电离大部分气体[3],因此具有低击穿场强和低
第4期 王春等:介质阻挡放电电离技术及其应用研究进展
503
电流密度的H
e
为首选电离气体。而
Ar
—般 只作为特定物质分析的解吸附气体[24] $
Kratzer
等*5+比较了基于低温等离子体的
介质阻挡放电电离、实时直接分析和大气压辉 光放电(
atmosphericpressureglow
d
ischarge
,
APGD
)3种原位电离技术,发现其电离原理相
似。McEwen
等™认为,大气压化学电离源
的电离机理与初始电离方式没有直接联系。 因此,与实时直接分析电离源类似,介质阻挡 放电电离源以He
作为电离气体时,在正离子 模式下,电离机理主要为彭宁电离与电荷转
移机理。在DBDI
的电离气氛中,H
e
首先被激 发转变为H
e
*,然后He
*使空气中的N2电离生
成(2+,(2+可看作“试剂离子”或“反应中间 体”,最后N2 +再与环境或样品中的水发生多级 气相反应,生成水分子簇[(H20)„+1+H
]+[27], 这一步骤有助于电离分析物。当分析物的质
子亲和势(protonaffinity
,P
A
)大于 H2 0 和
[(H20)„+i + H
]+的质子亲和势时,水分子簇会
与分析物M之间发生质子交换反应*8],产生
[M+
H
]+离子。此外,He*还可直接与空气中的
H
2 0发生反应,生成水分子簇*
H
2 0)„++ +
H
]+。
同样,如果分析物M的电离能小于19. 8eV
,
亚稳态的H
e
*会与分析物M直接发生彭宁电
离,生成M+_离子。由于介质阻挡放电电离源 的离子生成机制具有多样性,因此,对于电喷雾 电离源难以电离的弱极性、难挥发物质,可以在 该电离源上实现离子化。
在负离子模式下,其电离机理主要为电子捕 获。空气中的02能够捕获彭宁电离过程中产生 的自由电子,形成02的阴离子自由基0厂_[26], 02一_能够与分析物M发生质子交换、电荷转 移、加合反应等反应*9]。
虽然介质阻挡放电电离与实时直接分析的 电离机理类似,但二者的气体放电类型和离子 化区域粒子成分存在明显的差异。目前,有关 实时直接分析中气体放电类型的普遍说法是电 晕-辉光放电*031],且放电比较剧烈;而介质阻 挡放电电离中气体放电类型则只存在辉光放 电,同时,由于绝缘介质层了气体放电的规 模,所以相对于实时直接分析,介质阻挡放电电 离中气体放电更温和、均匀,容易形成非平衡态 等离子体。实时直接分析的离子化区域粒子主
要为亚稳定态的H
e
原子,成分较单一;而介质
阻挡放电电离的离子化区域除了亚稳定态的
He
原子,还分布着N2+、0、N2、H和0
H
等粒 子,且这些粒子在空间上分布不均,受He
流速
等多种因素影响[3233]。
由于介质阻挡放电电离源是由介质阻挡放 电技术发展而来,因此,对于介质阻挡放电机理 的研究在一定程度上有助于深人研究该电离源 的电离机理,并由此提高其工作性能。例如,郝
艳捧等[4]利用放电起始电压与发射光谱两种 方法研究了含空气杂质的大气压He
介质阻挡
放电,发现H
e
中含有一定比例的空气杂质对
彭宁电离有增强作用,这是因为杂质导致的彭 宁电离能形成有效的预电离水平,有利于放电 的击穿;Wright
等*5]通过在解吸附气体中混
人
H
2提高电离源的离子化能力,实验表明,当
混人0. 9 % H2时,咖啡因的信号强度提高了约 12. 5 倍。
I
结构分类
介质阻挡放电装置结构多种多样,研究人
员常根据不同的实验需求设计不同结构的介质 阻挡放电电离源。按照放电电极的数量,可分 为单电极电离源与双电极电离源;按照两电极 间阻挡介质的数量,可分为单阻挡介质电离源 与双阻挡介质电离源。3.1不同放电电极数量的电离源
3. 1.1
单电极电离源单电极电离源在实际
中应用较少,有关该电离源的文献报道也较 少。放电电极包括环电极[36]与针电极*-]两 种类型,其优点是没有绝对的接地电极,可以 获得较高的放电电压;在外施电压的负半周 期时,高能电子能够随气流喷出,汇聚成更强 的流注崩头能量,更容易电离工作气体,使产 生的等离子体束喷射的距离更长[6]。其缺点 是当外加电压增大到一定程度时,会发生回 流放电现象,针对这一问题,宁录胜等[38]通过 改变高压电极形状和增加陶瓷绝缘介质部件 调整电场,设计了一种稳定的单电极介质阻 挡放电电离源,提高了工作气体的电离效率 和电离源的稳定性。3. 1.2
双电极电离源双电极电离源较常见,
可分为针-盘、环-环和针-环类型。针-盘类型电
504离源由金属针与金属盘组成放电电极,张新荣 等[14]提出介质阻挡放电电离源的概念时,使用 的即是该类型电离源。环-环类型电离源最早 由T
eschke
等*9]提出,由2个金属圆环组成放
电电极,2个金属圆环可以均位于放电管外部, 也可以分别位于放电管的外部和内部。针-环 类型电离源是在环-环类型电离源的基础上,将 其中1个金属圆环替换为1根金属针,并置于 放电管内部的中心位置。
目前,双电极电离源存在的主要问题是放 电气体在高电场中形成的流注崩头能量较弱, 等离子体喷射距离较短。为解决这一问题,L/ 等*0]通过在针电极上再覆盖一层阻挡介质,组 成针-环双电极、双阻挡介质的介质阻挡放电电 离源,可以使高电场沿着等离子体射流的方向 产生,有利于产生更长的等离子体束和更多的 化学活性物质[41],由此形成的等离子体束可达 11cm,有效改善了等离子体喷射距离较短的 问题。3.2
不同阻挡介质数量的电离源
Kogelschatz
等*2]研究报道,介质阻挡放
电时,两电极之间必须存在至少1个阻挡介质。 在现有文献报道中,出现过单阻挡介质与双阻 挡介质两种类型。阻挡介质数量的多少,对介 质阻挡放电电离源的解吸和电离特性有一定影 响。L/等[37]报道的通过在放电电极的一端再 覆盖一层阻挡介质,构成了双阻挡介质的介质 阻挡放电电离源。由该电离源产生的等离子体 束的长度得到显著增加,有助于提高电离源的 电离性能。
此外,介质阻挡放电与实时直接分析相 比,对等离子体束接触材料的导电性能有更 高要求,一般需要接触材料为绝缘体。如果 与介质阻挡放电电离源等离子体射流接触的 材料有导电性,会使温和均匀的放电转换成 火花或弧光等剧烈放电,这种放电电流更大、 功率更高。而实时直接分析只有亚稳态的气 体分子可以通过源出口,因此对于接触材料 的导电性没有特殊要求,并且其配套的很多 模块都是金属材质。
4影响因素
影响介质阻挡放电电离效率的因素有很
质谱学报 第39卷
多,分为外部因素和内部因素。外部因素包括 风速、空气湿度等;内部因素除了工作气体的种 类以外,还包括电极电压、电离源温度、结构组 成等,该类因素对介质阻挡放电的电离效率影 响更大。4.1 电极电压
施加在放电电极上电压的大小是影响介 质阻挡放电电离源性能的重要参数之一。当 施加的电压超过一定数值时(一般为所使用 气体的击穿电压值#会引起工作气体的辉光 放电。有研究表明[4344],以
He
为放电气体的
介质阻挡放电,其放电模式会随着工作电压 的改变在均匀放电与细丝放电之间相互切 换。当工作电压小于4
kV
时,介质阻挡放电
以均匀放电模式存在;当工作电压大于4
kV
时,则以细丝放电模式存在,示于图2a。其 中,均匀放电模式更有利于提高介质阻挡放 电的电离性能。Meyer
等[45]通过激光解吸-介
质阻挡放电电离质谱分析玻璃表面样品,发
现扑灭津[M+H] +
在均勻放电模式的信号强
度约是细丝放电模式的3倍。
4.2
热解吸辅助离子化
热解吸辅助离子化是介质阻挡放电电离的 一种方式,可以通过直接加热分析物和间接通 过加热的工作气体吹扫分析物两种方式实现。 一般要求热解吸过程发生在分析物被等离子体 束离子化之前,且设定的温度取决于分析物的 理化性质。对于热稳定性物质,升高温度有利 于分析物解吸,从而获得更高的离子信号强度& 对于热不稳定物质,升高温度可能会降低离子 信号[4@—4-]甚至使信号消失[48]。宁录胜等[41]采 用中空陶瓷加热棒对工作气体进行加热,提高 样品的解吸附效率,实验表明,随着温度的升 高,咖啡因溶液样品的信噪比逐渐增加,并在 1〇o°c时达到平衡。此外,也有通过直接加热 分析物以提高检测的灵敏度。S
aha
等*9]在介
质阻挡放电电离源与质谱进样口之间放置了 1个加热装置,并在加热装置上滴加样品溶液, 利用莱顿弗罗斯特现象,可将样品溶液中痕量 分析物解吸附出来,再通过介质阻挡放电电离 解吸附出来的目标物分子。这种电离方法可直 接分析检测药物、违禁物和多肽类物质,检出限 可达10—@ m
g
/k
g
水平。
第4期 王春等:介质阻挡放电电离技术及其应用研究进展505
图2均匀放电模式与细丝放电模式下的电压和电流信号[43](%);双工作模式介质阻挡放电电离源结构示意图[52] (b)
Fig. 2 DBDI voltage and current signals[43] recorded in the homogeneousand filamentary modes (a) and
the schematic diagrams of the dual-mode LTP-MS system[52] (b)
4.3结构组成
介质阻挡放电电离源的结构与电离结果密 切相关。对于同一份样品,采用不同结构的电 离源产生的谱图特征差异较大。Na等[50]采用 针-盘和平行板式两种不同结构的介质阻挡放 电电离源检测2,4,6-三硝基甲苯,在针-盘结构 下,可以很容易地观察到特征离子m/z 197、
226与227,且丰度较高;在平行板式结构下,仅
性好且能够电离弱极性、难挥发化合物等特点。 因此,该技术被广泛应用于食品安全、公共安 全、药物分析、环境监测、生命科学等领域。5.1
食品安全
由于介质阻挡放电电离源具有较高的电离 效率和对弱极性化合物较强的离子化能力,在 食品安全检测方面得到了广泛应用。M
imbelli
等[53]采用介质阻挡放电电离质谱与纳升液相 色谱联用,分析了食品中的农药残留,采用静 电场轨道阱高分辨质谱,在全扫描模式下进 行定性、定量分析,获得了极高的灵敏度,检出 限低于10n
H/L
观察到m/z 197离子,且丰度较低。该结果可 能与放电电极的组成和空间位置有关。低温等 离子体电离源[51+是将介质阻挡放电电离源中针 状接地电极改为环状接地电极,使样品不直接接 触介质阻挡放电区域,从而产生的分子离子信号 比介质阻挡放电电离源更强。此外,阻挡介质的 数量也会影响到解吸附或离子化特性。
Almasian等[52+通过结合针-盘与针-环结构,开发
,定量限远低于欧盟最大残留
QuEChERS
限量的相关规定。将该方法应用于苹果和婴儿 食品中农药残留的检测,样品经与10 #H
L
方法提取后,检出限能够达到H级别,〇. 1、1. 〇
/L
3个添加水平的回收率相对标准偏
ilbert-
出一种具有双工作模式的介质阻挡放电电离源, 示于图2b。与Na等[50+的研究结果相似,对于同 一样品,该电离源在两种工作模式下产生的质谱 图差别很大,其中,针-环结构电离源产生的碎片 离子峰更多。原因可能为针-盘工作模式下,两 电极之间存在2个阻挡介质,而在针-环工作模 式下,两电极之间仅存在1个阻挡介质。
差分别为 21. 2%、17. 6% 和 3. 9%。G6P
ew
等[54]系统地比较了介质阻挡放电电离、
电喷雾电离和大气压化学电离对蔬菜和水果表 面残留杀虫剂的检测能力,并评估了液相色谱- 介质阻挡放电电离质谱方法的实用性。结果表 明,与电喷雾电离相比,介质阻挡放电电离质谱 对电喷雾电离源难以电离的化合物具有较高的 电离能力;与大气压化学电离相比,介质阻挡放 电电离具有基质干扰小、耐受能力强的优点。
Chen
5应用进展
与其他原位电离质谱技术相比,介质阻挡
等[55 56]使用密闭式样品引入方式,设计了
放电电离具有离子化效率高、背景噪声小、耐盐一种新型的介质阻挡放电电离源,并利用该电
506离源检测市售瓶装水、饮料等液体样品中的
H
202,结果表明,液体样品中的
H
202能以
[H202 +02]_形式被检出,检出限可达#g/kg 级别。Z
hou
等[5-]通过将中性解吸(
neutral
desorption
,ND
)装置与介质阻挡放电电离质
谱结合,建立了一种能够在大气压条件下快速 准确辨别地沟油和食用油样品的方法。利用该 方法在负离子模式下成功检出了游离脂肪酸 (如油酸、亚油酸、棕榈酸等)。采用主成分分析 法对所得数据进行处理,可以判断食用油样品 是否合格。中性解吸-介质阻挡放电电离质谱 法在快速分析油等粘稠样品方面具有较高的应 用价值。5.2
公共安全
爆炸物检测是介质阻挡放电电离质谱应用 的主要方向之一。Na
等*0]采用针-盘电极结
构,在负离子模式下,得到2,4,6-三硝基甲苯
(T
NT
)、环三甲基三硝胺(RD
X
)、季戊四醇四
酯(PETN) 3种爆炸物的检出限分别为
10pg、0. l
ng
和lng
;并评估了介质阻挡放电
电离源检测爆炸物的可靠性,在不同基质下(纸 张、衣物、化学纤维、玻璃、颜料和土壤等),所测 得的[
TNT
— N0]—(rn/z 197)信号强度的标准
偏差约为5. 57%,表明介质阻挡放电电离源可 满足不同基质中爆炸物检测的需要。
Wolf
等[58]提出了一种新型的毛细管介质阻挡放电 电离源,用于直接检测13种化学战剂及相关化 学物质,并与二次电喷雾电离(
secondary
electrospray ionization
, S
ESI
) 进行比较。 结果表
明,虽然介质阻挡放电电离源与二次电喷雾电 离源的灵敏度相似,对所测化合物的检出限均 低于1 n
g/L
,但由于毛细管介质阻挡放电电离
源能够通过改变外加交流电压值的大小而直接 调节其灵敏度,因此将介质阻挡放电电离源与 手持式仪器联用更适用于化学战剂的现场监 测。H
agenhoff
等*9]尝试将介质阻挡放电电
离源用于快速检测样品表面痕量的三丙酮三过
氧化物(TATP)及其同系物双丙酮二过氧化物 (D
ADP
)。结果表明,该方法对T
ATP
的检出
限可达15n
g
,检测性能与解吸电喷雾电离等
原位电离质谱技术相当。5.3药物分析
由于介质阻挡放电电离源具有直接分析的
质谱学报 第39卷
优点,因此在药物分析方面也有广泛应用。
Sugiyama
等*0]提出了一种低压介质阻挡放电
电离源,在加热条件下,样品中的挥发性组分由 载气以1. 5 L/m
in
携带通过介质阻挡放电装置
内部,并由等离子体束将其离子化。该电离源 灵敏度高,在正离子模式下,对水杨酸甲酯和 2-十一烷酮的检测灵敏度分别是传统大气压化 学电离源的44倍和39倍。M
irabel
等*1]通
过将气相色谱与毛细管介质阻挡放电电离源联 用,建立了一种能够快速检测违禁药物的气相 色谱-介质阻挡放电电离质谱方法,其检出限为 30 ng/L。通过采用固相微萃取方法萃取样品 中的目标分析物,检出限显著提高,可达30 pg/L。
Liu
等[62]采用低温等离子体质谱技术对类固
醇、磺胺类抗炎药等11种商品化药片中的有 效成分进行快速筛查,借助移动式样品平台,
检测通量可达600个/h。Miabelii等*3]采用 介质阻挡放电电离源与固相微萃取联用,通 过将样品的解吸附与离子化过程分开,提高 了药物分析方法的重复性,并降低了离子抑 制现象,检出限低于0. 3ng/L,线性动态范围 不低于3个数量级,并避免了常规色谱分离步 骤,大大缩短了分析检测时间。K
umano
等[]
开发了一种便携式质谱仪,该质谱仪以低压 介质阻挡放电电离源作为离子源,检测了液 体样品中的甲基苯丙胺、苯丙胺、3,4-亚甲基 二氧基甲基苯丙胺和可卡因等药物,检出限 分别为 0. 1、1、1 和 10 m
g
/L。
合成药物和中草药有效成分的快速检测是 医学研究的重点问题。洪欢欢等[65]采用基于单 电极技术的新型介质阻挡放电电离源检测了 4 种弱极性合成药物,可明显观察到各合成药物的 [M
+H
]+离子。利用介质阻挡放电电离源耐盐
性的特点,Zhang
等[6]开发出一种毛细管电泳-
质谱接口,使介质阻挡放电电离质谱可直接与毛 细管电泳联用,在正离子模式下,可实现对甲硝 哇和对乙酰氨基酚药物的直接质谱检测,检出限 分别为0. 15和0. 11 nm
〇l/L,相对标准偏差分别
为 0. 39%和 0. 37%。
5. 4
环境监测
介质阻挡放电电离技术在环境监测领域应 用广泛。全氟化合物主要包括全氟羧酸、全氟 磺酸等,是一类新型有机污染物。全氟辛酸、全
第4期 王春等:介质阻挡放电电离技术及其应用研究进展507
氟辛烷磺酸等可以很容易被电喷雾等相关技术 离子化和检测,而全氟烷烃等其他全氟化合物 则难以被电喷雾电离源和大气压化学电离源电 离。S
chiitz
等*7+通过介质阻挡放电电离质谱
检测全氟烷烃,由于该电离源产生的等离子体 中含有大量N2+,N2 +会与全氟烷烃分子发生 碰撞,使全氟烷烃的氟原子丢失,空缺的氟位点 会被氧原子代替,进而发生氟-氧交换,最终形 成[M+0 — F]-和[M—3]-碎片离子峰。该 方法能够在负离子模式下对全氟化合物进行快 速筛查,对全氟辛烷和全氟壬烷的检出限为 5 #L/L,全氟庚烷的检出限为10 #L/L。
多环芳烃也是一种重要的环境污染物。
Gilbert-L
6p
ez
等*8]将介质阻挡放电电离质谱
与液相色谱联用,分析了包括蒽、菲、芘等在内 的多种多环芳烃化合物,通过固相萃取法富集 环境样品中的多环芳烃,获得了较高的灵敏度, 目标分析物的检出限均低于20 #g/k
g
。
Chen
等首次将介质阻挡放电电离质谱
法成功应用于环境空气中H)02的检测,通过 将环境样品置于亚稳定态H
e
气氛中,可使 H
)〇2 以[H2〇2+〇2]—(to/z 66)形式检出,检
出限可达0.03%。Gong
等[70]设计了一种能够
快速检测室内挥发性有机物的介质阻挡放电电 离源,该电离源以空气作为放电气体,利用1个
T
型三通阀使放电产生的低温等离子体与环境
空气样品接触,通过彭宁电离,空气中挥发性有 机物被离子化并进人质谱进行检测。5. 5
生命科学
生命体系包含的化合物种类繁多、性质各 异。由于介质阻挡放电电离质谱能够对复杂样 品体系进行直接分析,无需样品预处理过程,因 此其在生命科学领域有很好的应用前景。
Hiraoka
等™将放电管置于样品传输管的同轴
外侧,设计出一种双圆柱介质阻挡放电电离源, 该电离源在内外管之间产生等离子体束,生物 组织中挥发性成分从内管中出来后直接与等离 子体接触而实现离子化,该方法可用于生物组 织的直接质谱分析。此外,H
iraoka
等[72-73]尝
试将介质阻挡放电电离质谱与各种解吸附技术 联用,如与热解吸、超声刀解吸联用,适用于分 析氨基酸、多肽甚至是蛋白质等生物大分子,且 分析过程无需样品预处理。G
ilbert-L
6pez
等[73]将介质阻挡放电电离质谱与半导体激光 解吸联用,分析了样品表面的难挥发性化合物。 其中,连续波长半导体近红外激光可解吸样品, 介质阻挡放电产生的等离子体对解吸出的样品 进行离子化。质谱成像作为质谱领域的研究前 沿,近年来受到高度关注[74—76]。L
iu
等[77]通过
改进介质阻挡放电装置的结构,在内径100 的石英毛细管中进行介质阻挡放电,获得了非 常细的等离子体束。利用改进后的介质阻挡放 电电离源对物体表面的分析物进行解吸附与离 子化,能够得到约250
的平面分辨率。
Zhang
等[78]开发了一种表面解吸介质阻挡放
电电离质谱,通过将钨纳米管和质谱仪毛细管 作为放电电极,中间放置的样品载玻片作为阻 挡介质,可在表面解吸介质阻挡放电电离装置 表面产生微放电,且等离子体密度非常高。利 用表面解吸介质阻挡放电电离质谱进行质谱成 像分析,获得了约22 的空间分辨率。另
外,介质阻挡放电电离质谱还可用于生物体的
原位检测。S
moluch
等[7\"]将介质阻挡放电电
离质谱应用于中草药中大麻素类化合物的原位 检测,将热解吸与介质阻挡放电电离质谱联用, 在解吸温度从20 °C逐渐上升至180 °C,再自然 降温至20 b的过程中,8种大麻素类化合物的 信号强度均呈现出先升后降的趋势。通过加热 辅助解吸,检测灵敏度显著提高,且该方法消耗 样品量少,仅需要数百#g中草药样品量,即可 实现对样品中大麻素化合物的痕量检测。
6结语与展望
介质阻挡放电电离无需复杂的样品前处
理,在常温常压下即可对样品进行原位、实时、 快速和无损检测,应用领域广泛。但是,该技术 也存在一些问题,主要是由其结构和电离方式 决定的。在未来的研究中,应当重视其结构的 研究,以降低结构对电离性能的影响;介质阻挡 放电产生的等离子体束内部电子密度较高,容 易发生“过度”电离,可通过将等离子体束与样 品离子化区域分开来避免这一问题。另外,关 于介质阻挡放电电离技术的文献报道多为定性 检测,在定量或半定量检测方面鲜有报道,如何 采用介质阻挡放电电离源进行定量分析,是未 来重点研究的方向之一。
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2018年中国质谱学术大会
(第二轮通知)
由中国质谱学会(中国物理学会质谱分会)、中国化学会质谱分析专业委员会和中国仪器仪表 学会分析仪器分会质谱仪器专业委员会联合主办的全国质谱学术大会定名为“2018年中国质谱学 术大会-CMSC 2018),定于2018年11月23!26日在广州市举办。本次会议由中国广州分析测 试中心、中山大学承办,广东省分析测试协会及广东省质谱学会协办。
1. 学术报告
本次会议的“大会报告”人选和内容,经学会的理事长会议集体讨论确定;分会的“邀请报告”和 “口头报告”人选,则将分别由组委会推荐和个人申请相结合的方式确定;同时,还将设立专题论坛 和墙报展示。组委会对青年学者、博士和硕士研究生等设立优秀论文奖(包括优秀口头报告和墙报 奖),届时将组织专家进行评选。
请大家按第一轮会议通知要求提交报告及墙报摘要、以及提交参会信息时,选择所属主题。第一 轮会议通知见如下链接:http:#www. cmss. org. cn/index. php? r=site%2Fnews-detailknid=370。
2. 墙报制作要求:
墙报展示作为本次会议的一种主要形式,要求制作规范,内容体现研究工作的创新点。在准备墙 报时需注意以下几个方面:)墙报尺寸:高110 cmX宽80 cm&)墙报内容以图文为主,主要体现研究 工作的创新性,主要结果和结论&)墙报右上侧写上论文编号(论文编号将在会前告知)。
3. 会议注册
请大家登录质谱网会议主页查看会议注册的相关信息,包括预定房间、提交报告题目及缴纳会 议注册费等。http: #www. cmss. org. cn/index. php? r= site%2Fcae-homekmid = 5。
更多详情,请关注“质谱学报”微信公众号查看全文版会议通知。
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