- 课题组简介
- 电喷雾萃取电离源(EESI)的原理
EESI源主要由电喷雾通道和样品引入通道构成。带电试剂(如甲醇或水)在高压电场的作用下经由电喷雾通道喷出,形成大量微小带电液滴。这些带电液滴与样品通道喷出的中性样品液滴发生交叉融合,在离子源与质谱仪器离子入口之间的三维空间中发生能量和电荷的传递作用,使得样品中待测物获得电荷和能量,成为带电液滴,最终经历去溶剂过程成为气态离子,供后续质谱分析,如图1(a)。【Chen HW,Venter A,Cooks RG. Chem Commun, 2006(19): 2042-2044】。
EESI的操作相对灵活,在实验中可根据样品的形态和待测物的性质等对EESI的各参数进行调整,以达到最好的检测效果。可调节的仪器条件主要包括:样品通道与质谱仪进样口的角度(α),距离(a),电喷雾通道与样品通道间角度(β),距离(b),以及雾化气流速、试剂和样品流速、电离电压等,如图1(b)。此外,在实际实验过程中,还必须确保样品通道轴线、电喷雾通道轴线和质谱进样通道轴线于同一平面内相交,以提高电喷雾液滴与样品液滴间的碰撞概率,获得较好的分析灵敏度。在样品喷雾过程中, 样品中的待测物和基体中对待测物电离具有较强抑制作用的物质(盐等)会分散在不同的样品液滴中,分别与带电液滴发生碰撞。这一过程能够最大程度的限制盐等物质对电荷的竞争, 提高待测物的离子化效率, 使EESI 能够耐受复杂基体影响。【Law WS, Wang R, Hu B, Berchtold C, Meier L, Chen HW, Zenobi R. Anal Chem., 2010, 82(11): 4494-4500】【Gu HW, Xu N, Chen HW. Analytical and bioanalytical chemistry, 2012, 403(8): 2145-2153】
- 电喷雾萃取电离源(EESI)的发展历程
电喷雾萃取电离(EESI)技术最早是为了分析复杂液体样品而发明的一种快速质谱分析技术,经过几年的发展,EESI技术实现了检测多种形态样品的五个阶段(如图2所示)。
第一阶段,直接分析液态样品,无需样品预处理快速分析液态样品(如尿液、牛奶等);
第二阶段,直接分析气溶胶样品,可检测人体呼出的气体(如尿素、葡萄糖、乙腈、一氧化氮等),实现痕量有机物的原位、实时、在线的分析,进而用于临床诊断;
第三阶段,直接分析固态样品,中性解吸电喷雾萃取电离质谱技术(ND-EESI-MS)可将待测物解吸过程和电离过程在空间和时间的分离,能够最大限度的保障样品安全、无损;
第四阶段,直接分析凝聚态样品,ND-EESI-MS能够检测各种黏性样品(离子液体、食用油、蜂蜜、奶酪、牙膏、化妆品、痰样等),可分析样品的黏性分布范围从几厘泊到300000厘泊(1厘泊=10-3Pas);
第五阶段,直接分析气态样品,纯气相待测物直接进样后也可以被EESI电离,如空气污染在线检测、ND收集的气相待测物。 - 电喷雾萃取电离源(EESI)的工程化开发
为了精确调节EESI源的三维空间位置参数,陈焕文课题组研制了一种双通道左右对称式的调节装置,如图3所示,主要包括:
1. 四轴调节系统;
2. LTQ接口;
3. 电喷雾萃取电离源;
4. LTQ进样口;
5. 高压接口。
四轴调节系统可用于分别调节电喷雾通道与样品通道的空间位置,从而精确定量调节离子源的空间位置参数,以保证实验整体的稳定性和可重现性;这种条件又可满足对不同样品的分析,拓宽了实验方法的通用性。【一种用于电喷雾萃取电离源的可调装置 董晓峰;顾海巍;许柠;陈焕文 ZL 2013 2 0083092.5】【董晓峰,刘林,王姜,许柠,顾海巍,周书民,陈焕文 质谱学报. 2014, 35(5):226-231】
- 应用一:原位活体分析
2007 年首次采用基于EESI-ToF-MS 的方法对人体呼出气体进行质谱分析(图4(a)),成功地在呼出气体中检测到诸多与人体生命活动相关的有机物质。这项技术的运用,可以帮助医生快速诊断病人的病情,也许不久之后,病人只要对着一台仪器呼一口气,就能判断出自己究竟得了什么病,而无需通过抽血体检等方式。【Chen HW, Wortmann A, Zhang WH, Zenobi R. Angew Chem Int Ed, 2007, 46(4): 580-583】【Ding JH, Yang SP, Liang DP, Chen HW , Wu ZZ, Zhang LL, Ren YL. Analyst, 2009,134(10):2040-2050】【Gamez G, Zhu L, Disko A, Chen HW, Azov V, Chingin K, Krämer G, Zenobi R. Chem. Commun., 2011,47(17):4884-4886】
EESI-MS能在1s内快速获得呼出气体样品指纹谱图。对中医确诊为阴虚/阳虚证患者和健康人的呼出气体进行活体EESI-MS分析,结合主成分分析(PCA)方法,成功地区分了阴虚、阳虚、阴阳两虚和健康人群的指纹谱图。采用随机选取未知人群呼出气体样本进行验证,结果匹配。EESI耦合高分辨质谱或者结合多级串联质谱分析,还可对指纹谱图中发现的任何感兴趣组分进行分子式和结构鉴定,既满足了快速检测的需要,又确保了测量结果的可靠性,如图4(b)。
乙腈、一氧化氮等作为人体呼出气体中的重要成分,它的存在和含量往往和人体健康有密切关系。EESI-MS技术在无需样品预处理的前提下,成功实现了呼出气体中乙腈和一氧化氮的原位活体定量检测(图4(c)和(d)),并应用于呼出气体中乙腈和一氧化氮的代谢动力学研究。发现吸烟后乙腈含量在4小时内呈现波动式上升和下降,但最终会回到测试前水平。而FeNO(与一氧化碳成正比)立即下降,在降至最低点前(约30分钟)会回升,3小时 后FeNO 恢复到正常水平。结果发现,乙腈和一氧化碳的代谢途径与以往报道的其它有机小分子完全不同:常见挥发性有机物在呼吸系统内采用简单扩散方式排出体外,而乙腈和一氧化氮则是以某种物质协同作用的易化扩散方式进行代谢。这项新发现将有助于推动生物学、代谢组学、毒理学等学科的深入研究。【Li M, Ding JH, Gu HW, Zhang Y, Pan SS, Xu N, Chen HW&Li HM. Scientific reports, 2013, 3(1205)】
- 应用二:公共安全分析
采用ND-EESI 技术对人体皮肤表面的爆炸物(如TNT, RDX, HMX, TATP 和NG等)进行原位的直接质谱检测,该方法对爆炸物的检出限范围为0.5~10 pg/cm2, 其中RDX 的线性范围0.01~100 ng/cm2,如图5。研究表明,ND-EESI 在刑事侦查和公共安全等领域有着广阔的应用前景。【Chen HW, Hu B, Hu Y, Huan YF, Zhou ZQ, Qiao XL. J Am Soc Mass Spectrom, 2009, 20(4): 719–722】
- 应用三:蛋白质分析
表征蛋白质构象及其复合物结构是从分子水平上阐述生命现象、药物机理的重要基础,并可为药物的筛选提供科学依据。质谱技术,尤其是电喷雾质谱技术(ESI-MS)在该领域的应用日益受到重视,然而ESI的离子化条件使其在表征非共价相互作用方面存在一定局限性。采用EESI-MS和ESI-MS比较分析了溶菌酶、阿尔法糜蛋白、肌红蛋白的价态分布(Charge State Distribution,CSD),发现EESI-MS电离技术更软,显示出更低水平的平均价态。表明了蛋白质的构象在EESI-MS的检测条件下获得了较少电离的破坏,具有更少的应激性,能保持良好的生物活性,有利于保持溶液中非共价相互作用(如图6)。【Chen HW, Yang SP, Gu HW, Li M, Hu B, Li JQ, Wang J. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49(17): 3053 –3056】【Hu B, Yang SP, Li M, Gu HW, Chen HW. Analyst. 2011, 136(18): 3599-3601】
- 应用四:环境检测
环境污染不仅影响人们的工作和生活,而且直接威胁人们的身体健康。EESI-MS与其它环境检测技术相比具有快速、现场、准确、灵敏的特点,在大气、水体、物体表面中的痕量有毒、有害的化学品检测有广泛的应用。
EESI不需要直接对带电粒子或高能亚稳态原子进行轰击,是一种软电离技术,能够用于直接分析环境水样中的金属离子,对其进行形态分析,有助于分析络合物中有用的结构信息。如图7(a)【Liu CX, Ouyang YZ, Shi JB, Jia B, Zhu ZQ, Chen HW, J Mass Spectrom, 2012, 47(6): 769-777】
多环芳烃(PAHs)是备受关注的致癌性环境有机污染物。质谱因具有选择性好、灵敏度高、检出限低及样品无需衍生化等特点,在现有的OH-PAHs 检测技术中优势显著。采用EESI-MS分析了1-羟基芘(1-OHP),该结果可为环境中1-OHP的高通量分析提供重要的科学依据。【Li X, Fang XW, Yu ZQ, Sheng GY, Wu MH, Fu JM, Chen HW. Anal Methods, 2013, 5: 2816-2821】
四溴双酚A(TBBPA)及其衍生物是一种潜在的新型持久性有机污染物,能在环境和生物体内积累,对环境和生物产生严重的影响。运用Ag+反应EESI-MS串联质谱可实现对四溴双酚A双烯丙醚(TBBPA-BAE)、四溴双酚A双(2-羟乙基)醚(TBBPA-BHEE)、四溴双酚A双缩水甘油醚(TBBPA-BGE)和四溴双酚S双烯丙醚(TBBPs-BAE)的分析,结果发现工业废水中TBBPA-BAE含量高达19.3±0.3μg L−1,如图7(b)。由此可见,此方法对于工业废水、河流、自来水中的四溴双酚A(TBBPA)衍生物检测具有重要意义。【Tian Y, Chen J, Ouyang YZ, Qu GB, Liu AF, Wang XM, Liu CX, Shi JB, Chen HW, Jiang GB. Analytica Chimica Acta, 2014, 814: 49-54】
- 应用五:食品安全分析
通过食品中农兽药残留、食品微生物、生物毒素、食品添加剂等的检测可以加强食品的质量安全控制,对维护人们的身体健康和防止食源性疾病发生具有重要作用。EESI-MS技术在食品安全检测方面具有快速、简便、准确、灵敏的特点。
利用ND-EESI对各种水果散发出的挥发物进行快速指纹图谱分析,可区分不同成熟期的香蕉、葡萄和草莓。与水果成熟度检测类似,根据微生物在鱼肉上代谢的生物胺成功地区分了不同新鲜程度的鱼肉,除此之外,ND-EESI技术也可用于检测受大肠杆菌污染的蔬菜,如图8(a)所示。【Chen HW, Yang SP, Wortmann A, Zenobi R. Angew Chem. Int. Ed. 2007, 46(40): 7591-7594】
采用nano EESI-MS法,无需样品预处理,能对牛奶中的三聚氰胺进行了现场直接测定;对功能饮料(如红牛)中的有效成分如牛磺酸、咖啡因、赖氨酸、肌醇、烟酰胺、维生素B6和软饮料(如可口可乐、百事可乐等)中的主要成分如咖啡因、磷酸、果糖和脱水果糖等,可以进行高通量的现场测定,几秒内即可完成一个样品的分析。如图8(b)【Li M, Hu B, Li JQ, Chen R, Zhang X, Chen HW. Anal. Chem. 2009, 81(18): 7724-7731】。
应用微型喷气进样结合EESI-MS对橄榄油(EVOO)进行快速的特性描述和等级划分。研究发现,当改变主要的ESI喷雾溶剂组成时,同一个EVOO样品的质谱分析显示不同的结果。这证明了用改变不同喷雾溶剂的极性来萃取目标分子信息的技术能力,因此产生出大量的EVOO分子信息。而且,借助于微型喷气发动机进样,一些挥发性的化合物(如E-2-己烯醛, 2,4-庚二烯, 对羟苯基乙醇和二羟基桂皮酸)能同时被检测。EVOO的质谱数据也可以同其它一些食用油的数据比较,运用PCA方法来区别EVOO 和掺杂一些食用油的EVOO。因此,用微型喷气的EESI-MS技术,无需任何复杂的样品预处理过程即可简单、快速(单个样品分析少于2 分钟)和有力地获得EVOO的指纹谱图,如图8(c)【Law WS, Chen HW, Balabin R, Berchtold C, Meier L, Zenobi R.Analyst, 2010, 135: 773–778】。
采用ND-EESI 技术,对啤酒进行了无需样品预处理的直接质谱分析,并从啤酒中同时检测到了挥发性的酯、游离脂肪酸和非挥发性的氨基酸、有机/无机酸等物质。【Zhu L , Zhang TT, Zenobi R, Hu Z, Gamez G, Law WS, Chen HW, Yang SP, Chingin K, Balabin RM, Wang R. Anal Bioana Chem, 2010, 398(1): 405–413】。
运用ND-EESI技术实现了来自不同厂家生产的不同品种的奶酪进行快速识别和分类;并从奶酪样品中较灵敏的检出丁酸、戊酸和癸烯酸等物质。【Wu ZC, Chingin K, Chen HW, Zhu L , Jia B, Zenobi R.Anal Bioanal Chem, 2010, 397(4): 1549–1556】。
- 应用六:放射性核素分析
放射性核素的分析和检测对于保护公众安全和生态环境,对了解核地质以及核设施的运进和维护情况具有重要意义。放射性核素常常具有复杂多变的化学形态,要准确对其进行测定,必须要有灵敏可靠的检测方法。
电喷雾萃取电离串联质谱法(EESI-MS)可快速分析硝酸铀酰的质谱行为,直接检测铀矿硝酸提取液中的235U和238U,-并通过天然矿样的235U和238U硝酸化合物的串联质谱的特征信号的丰度比测定了实际样品中235U和238U的丰都比,相对误差为0.05%~0.12 %。相对标准偏差(RSD)为1.81~2.31 %。并检测了河水、湖水和自来水中的铀,该方法对每个样品的分析只需10s,检测限能达10-3 ng/L,具有快速、灵敏等特点,可对铀的形态进行快速直接分析,为核工业领域铀及同位素的分析测定、在线监测提供了一个新的快速方法,如图9(a)。【Luo MB, Hu B, Zhang X, Peng DF, Chen HW, Zhang LL, Huan YF. Anal. Chem., 2010,82(1):282–289】【Liu CX, Hu B, Shi JB, Li JQ, Zhang XL, Chen HW. J Anal Atom Spectrom., 2011,26: 2045-2051】
采用电喷雾萃取电离质谱(EESI-MS)技术对气态129I进行模拟定量分析。实验为了排除假阳性信号,先利用过量Na2SO3溶液将气态129I2完全还原为129I-,再加入过量的127I2形成129+127*2I3-,最后进行串联质谱分析,采用二级碎片离子129I-进行定量分析。实验获得宽的线性范围0.01 ppb~1000 ppb(R2=0.991),最低检出限LOD=4.5 ppt,相对标准偏差为4.0~13.1%(n=5),方法的加标回收率为82.6~110.5%。研究结果表明EESI-MS可成功用于气态放射性129I的定量分析,为核爆、核泄露和相关领域提供了一种有用的分析方法,如图9(b)。【Wu ZC, Zhou YF, Xu N, Lin T, Chen HW. J Anal At Spectrom, 2013, 28(5): 697-701.】
- 应用七:Internal EESI技术
生物组织经常被用于药物开发,不同药物和其代谢产物可能分布在不同器官的组织样本中。基于电喷雾萃取电离源(EESI)的独特优点,可将EESI的ESI通道放入组织样内,而组织样的毛细管是天然的中性样品通道,可利用EESI的原理对生物组织样品进行直接分析。Internal EESI可以认为是常规EESI的简化装置,也可分为两个通道。其中一个通道是ESI,但不需要传统的去溶剂化过程和任何辅助气体;另外一个通道是样品通道,由具有一定体积的固体样品所取代。将EESI装置中喷射溶剂的毛细管尖端平行于样品表面插入样品内部,溶剂将选择性地对样品内部的待测物进行萃取,然后在电场作用下朝着质谱口定向移动并在样品其表面形成电喷雾,获得待测物离子后便可进行质谱分析(如图10)。【Zhang H, Gu HW, Yan FY, Wang NN, Wei Y P, Xu JJ&Chen HW. Scientific reports, 2013, 3(2495)】【Zhang H, Zhu L, Luo L, Wang NN, Chingin K, Guo XL, Chen HW. J Agric Food Chem, 2013, 61: 10691–10698】
采用Internet EESI技术,实现了对红霉素软膏释放度进行实时在线分析,释放时间相比药典方法缩短了近60倍,且区分度良好。首先,将红霉素软膏以薄膜形式,涂抹在注射针头内部,然后通过一定流速的萃取剂,以保持良好的漏槽条件,并在高电压的作用下,将萃取溶液进行电喷雾。实验结果表明,这种方法能加速红霉素软膏的释放。此外,实验室自制了水溶性基质和油溶性基质,两种具有不同释放速率的红霉素软膏,并用Internet EESI技术进行区分,结果表明,区分效果良好。本法对药物制剂的实时在线评估具有潜在的应用价值。
- 上述应用所涉及的质谱仪器
仪器:LTQ 线性离子阱质谱仪 厂家:赛默飞世尔