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敞开式离子化质谱及其在体内药物分析中的应用

2020-01-02 16:36 出处:未知 人气: 评论(0
  摘要:敞开式离子化质谱是近十年来逐渐新兴的一种无需对样品进行复杂前处理或色谱分离,在常温常压环境下直接通过质谱分析样品中痕量物质信息的新型质谱技术。该技术极大地提高了质谱分析效率,使得原位实时快速分析样品成为可能,并在食品安全、环境监测、生物医药等领域得到广泛应用。本文系统综述包括解吸电喷雾电离、纸喷雾电离、实时直接分析等典型敞开式离子化质谱的基本原理与操作方法,述评各技术在体内药物分析领域的典型应用,并展望敞开式离子化质谱技术的应用前景。
 
  关键词:敞开式离子化质谱;电喷雾电离;纸喷雾电离;实时直接分析;大气压固态分析探针;解吸大气压化学电离;体内药物分析技术;进展
 
  敞开式离子化质谱(ambientmassspectrometry,AMS),又名常压敞开式质谱、直接离子化质谱、原位直接电离质谱,是一类以大气压电离技术为基础,无需或仅需简单样品前处理,常温常压下即可对样品中复杂待测物直接分析的质谱技术[1]。相对于电子轰击电离等传统离子源,该离子源具有大气压电离源类的软电离特性,离子化效率高,准分子离子峰丰度高,碎片离子少;而同电喷雾电离等大气压电离源相比,该离子源又具有耐基质干扰,溶剂损耗少,高灵敏度等突出优点。
 
  对于该技术的报道最初来自于2004年普渡大学Cooks课题组[2]。该课题组利用解吸电喷雾电离技术(desorptionelectrosprayionization,DESI),无需前处理即在常压下对固体表面痕量待测物直接离子化,成功获得了不同表面痕量物质的质谱图,拉开了AMS研究的序幕。该理念一经提出的即得到广泛关注并迅速发展,目前已出现多达40余种AMS技术,如萃取电喷雾电离(extractiveelectrosprayionization,EESI)[3]、探针电喷雾电离(probeelectrosprayionization,PESI)[4]、纸喷雾电离(papersprayionization,PSI)[5]、实时直接分析(directanalysisinrealtime,DART)[6]、大气压固态分析探针(atmosphericpressuresolidanalysisprobe,ASAP)[7]、解吸大气压化学电离(desorptionatmosphericpressurechemicalionization,DAPCI)[8]及低温等离子体(low-temperatureplasma,LTP)[9]。目前,已有多篇综述报道了AMS的原理、特点、分类、发展历史及其在食品安全、环境监测、刑侦诊断、生物医药等领域的应用[1,10-15]。
 
  体内药物分析是指通过对生物样品(生物体液、器官或组织)中药物及其代谢产物或内源性生物活性物质的定量分析,评价药物体内吸收代谢过程、药效机制以及临床使用的安全性和有效性。其分析的生物样品具有种类繁多,采样量少,待测物浓度低,内源性物质干扰强等特点。目前,液质联用技术以其高分离度、高灵敏度优势成为体内药物分析的主流方法。但该技术仍存在前处理方法烦琐,样本易受污染,代谢物易在前处理及分析过程中转化降解,分析成本高等缺陷。AMS的出现,彻底改变了液质联用技术需对样品进行复杂预处理与色谱分离过程后再引入封闭体系分析的理念,可直接采集样本分析,具有原位、实时、非破坏、高通量与低损耗等优点。
 
  本综述旨在介绍目前与体内药物分析联系最为紧密的AMS技术及其在相关生物样本分析中的应用,并展望该技术的应用前景。
 
  1敞开式离子化质谱
 
  目前已有多种解吸附技术与大气压电离技术相结合,形成了各具特色的AMS。对此,研究者们尝试了多种分类方法[12]:(1)按解吸附与离子化发生的先后顺序;(2)按所使用的辅助技术,比如基于喷雾和固液萃取的离子化技术、基于等离子体的离子化技术与基于热、激光或声波等物理解吸消融的离子化技术等;(3)按热解吸、激光解吸与动力解吸等多种解吸机理;(4)按分析物的激发过程。不同分类各有特点,但也存在技术间界限交叉的问题。比如热解吸与动力解吸机理几乎存在于所有敞开式离子化质谱,若仅根据解吸机理分类,则易出现技术交叉。为了便于介绍与体内药物分析联系最为紧密的离子化技术,本综述根据基本离子化方法大致将整个AMS技术分为基于电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)原理的两大种类:电喷雾电离机理包含了“溶剂蒸发”和“库仑爆炸”等离子形成过程,代表性离子源有DESI、EESI、PESI、PSI等;大气压化学电离机理包含了“质子转移”和“电子转移”等分子离子反应过程,代表性离子源有DART、DAPCI、ASAP、LTP等。
 
  1.1基于电喷雾电离机理的技术
 
  1.1.1DESI自Cooks课题组研发出解吸电喷雾离子源以来,该技术已成为目前研究和应用最为广泛的AMS技术之一。其典型装置由传统ESI装置与承载样品表面两部分组成,其中喷雾毛细管被移出质谱真空进样接口以留出空间放置样品,并且毛细管、承载样品表面与质谱进样孔三者呈彼此相距数毫米的V字结构。如图1,通过在电喷雾毛细管喷嘴上施加一定高电压,喷雾溶剂(如甲醇,水等)从雾化器的内套管流出,并被外套管中喷出的高压氮气迅速雾化形成平均粒径约为3μm,速度约为150m·s-1的带电液滴[2]。这些负载了能量和电荷的初级液滴以一定角度(≤10°)轰击样本表面并覆盖成膜,液滴中的溶剂立即萃取溶解基质中的待测物;同时,后续液滴的不断涌入使得表面溅射出更细小的次级带电液滴(chemicalsputtering),并由氮气吹扫干燥去溶剂化与电荷残留库仑裂解分析物,最终产生气态带电分析物离子[16]。在分析过程中,样品可不断移动空间位置,3D调节架与移动台可调节雾化器和样品表面的相对位置从而优化喷雾毛细管、样品表面与质谱真空进样接口三者之间的夹角,甚至可以用移动传输带或样品盘替代表面组件,从而保证高离子化效率与高通量分析[17]。DESI既可以分析小分子,又可以分析大分子,通常被分析物均为极性分子,得到的是带单电荷或多电荷的离子峰。
  图1DESI示意图
 
  Fig.1AschematicdiagramofDESItechnique[2]
 
  纳升解吸电喷雾电离(nanospraydesorptionelec-trosprayionization,Nano-DESI)是对DESI的进一步优化。它用两根呈一定角度的毛细管组成的探针替代DESI喷雾管,此外在毛细管末端及质谱入口加载了约6kV高压(如图2)。当喷雾溶剂从一根毛细管喷向另一根时,会在两根之间形成“液体桥”,该液体桥与样本表面接触后可携带微萃取的带电药物液滴进入质谱进样孔。由于更多纳米级液滴涌入质谱,Nano-DESI的离子化效率更高,分析灵敏度也更好[18]。

图 2 nano-DESI 示 意 图
Fig. 2   A schematic diagram of nano-DESI technique  18
1.1.2EESIEESI作为DESI的延伸,其装置主要由电喷雾通道和中性样品通道两部分以一定角度交叉组成(如图3)。在大气压环境下,EESI一般通过电喷雾酸性甲醇水溶液制备带电液滴。带电液滴与从样品通道产生的样品液滴在空间进行碰撞融合,发生液液萃取和电荷转移作用,继而发生去溶剂作用,从而获得待测物离子供后续质谱分析。带电液滴与中性待测物的接触时间和有效空间较长,使得EESI具有较高的灵敏度和稳定性[3]。与其他技术不同,在EESI中,样品的主体与电场或带电粒子等隔离,不受有机溶剂如甲醇等干扰,因而是一种比ESI更加温和的软电离技术,能在质谱分析时最大限度地保证样品不受试剂与操作条件影响,同时更能耐受基质引起的离子抑制效应,特别有利于进行生物样品、动植物活体质谱分析,尤其是在活体代谢组学等方面具有极佳应用潜力[19]。
 
  1.1.3PESIPESI通常使用尖端直径低于1μm的
 
  一次性针灸针或金属丝作为导电探针(如图4)。电动马达驱动可上下垂直移动的探针先下降接触样品,可使样品表面或内部的物质粘附在探头上,从而完成采样;随后探针上升至尖端离质谱进样孔约2~5mm位置并加载约3kV高电压,从而在其尖端产生的电喷雾可进入质量分析器[4]。样品取样量取决于探针尺寸、穿刺深度、样本粘度与表面张力以及探
         图 3 EESI 示 意 图
  Fig.3AschematicdiagramofEESItechnique[20]
 
  针表面的疏水性。例如,对于普遍使用的直径为700nm、尖角为60°的一次性不锈钢针灸针,当插入大鼠尿样液面下10μm时取样量约为0.35pL[14]。PESI比传统的ESI源更能耐受去污剂等杂质与生物基质中的盐类干扰,活体取样后无明显创口,动物仍可继续存活,但分析对象只能是溶液或者“湿的”固体样本。
  图4PESI示意图
 
  Fig.4AschematicdiagramofPESItechnique[4]
 
  1.1.4PSI采用固相载体(如层析纸、牙签、刀片等)可有效避免传统毛细管电喷雾离子源发生的阻塞问题并提高取样便捷性。其中,PSI是由Wang等人于2010年研究出的用于分析复杂混合物中待测物的新型敞开式离子化技术[5]。如图5,只需将样本(≤10μL)滴加于预先用少量溶剂(如甲醇溶液)润湿的三角形层析纸或其他多孔材料上并使纸尖端对准质谱入口。仅需在纸尖端对侧加载3~5kV电压,尖端产生的高电场即可促使带有分析物离子的带电微滴产生。层析纸特有的毛细作用与电泳过程促使待测物从基质中解吸附并向尖端迁移,而尖端泰勒锥的形成说明PSI气相中离子形成机理类似于ESI过程[21]。因此,纸张特性影响着分析物从基质中释放,在层析纸中扩散与最后的离子化等一系列过程。有研究表明,当纸尖角为30~45°时,可在相对低电压的条件下获得更强的喷雾流;甚至当使用附有碳纳米管的纸张时,仅3V低压即可快速电离分析物[14,22]。

        图5PSI示意图
  Fig.5AschematicdiagramofPSItechnique[23]
 
  1.2基于大气压化学电离机理的技术
 
  1.2.1DARTDART技术的研究对象是相对分子质量小于1000的小分子药物。如图6,其装置由载气、离子发生器、加热管以及温控部分等组成,使用He或N2作为工作气,通过在放电室内部的阴极和阳极之间施加一个高达5kV电压导致高压辉光放电,使工作气电离成含离子、电子和长寿命电子激发态原子的等离子体气流。该气流流经穿孔电极选择性移除离子成分后被加热至500℃,仅激发态气流喷出至样品表面,完成热辅助的解吸附过程。尖端包裹的绝缘帽可有效保护样本不受电场伤害[6]。在正离子模式下,该激发态氦原子电离环境中的水分子,形成水合离子[(HO)+H]+;在负离子模式下,该激发态氦原子电离空气中的氧分子,形成超氧离子[O]-。该水合离子或超氧离子作为反应离子与脱附至气相中的化合物分子发生质子交换,最终产生加减一个质子的分子离子峰。离子化机理目前认为包含彭宁离子化(Penningionization)、质子转移以及电荷交换等过程[24]。DART离子化时不需溶剂辅助,几乎无离子抑制现象发生,也无金属加合离子产生。另外,由于DART离子化发生于气相,在负离子操作模式下,困扰ESI的溶液pH调节将不复存在。通常在LC-MS中不够灵敏的负离子模式,在DART质谱方法中却非常出色[25]。
  图6DART示意图
 
  Fig.6AschematicdiagramofDARTtechnique[26]
 
  1.2.2ASAP与DAPCIASAP与DAPCI均是对传统APCI离子源的简单改进,因而具有比DESI和DART更广泛的适用性,一般用于分析相对分子质量低于1000的中等极性化合物[15]。
 
  ASAP只需将熔融硼酸石英毛细管插入封闭APCI腔室内即可。如图7,置于毛细管尖端的挥发性/半挥发性分析物先被来自雾化器加热至400~500℃的氮气解吸附气化,随后被加载6kV电压的电晕放电针电离进入真空管[7]。
  图7ASAP示意图
 
  Fig.7AschematicdiagramofASAPtechnique[23]
 
  DAPCI采用常压电晕放电为基本手段,在无有机溶剂和高速雾化气流的条件下工作时,利用空气中的水生成初级离子进行工作,该离子被电场加速后溅射到样本表面,直接与裸露固体表面的待测物发生电荷传递作用,完成分析物的离子化过程(如图8)。对于同基质牢固结合的分析物,需要利用溶剂电晕放电获得高密度带电液滴,该液滴通过在固体表面溶解分析物并受热气化,完成药物离子化[8]。
 
  1.2.3LTP如图9,LTP使用玻璃管作为介电材料分
 
  割外部铜带电极与内部接地电极。通过管路的He、Ar
 
  或空气等气体在2.5~5kV与2~5kHz的交流电场放电

        图8DAPCI示意图
  Fig.8AschematicdiagramofDAPCItechnique[10]
 
  作用下,产生温度约为30℃的等离子体,进而喷射至样品表面,使待测物解吸并离子化。解吸机制目前尚未明确,但推断与热解吸及化学溅射过程有关[9]。采用He作为放电气体,既可促进能量传递,又能电离空气的N2发挥彭宁电离作用。但由于He更易离子化,使用He存在比使用空气或N2产生更强的背景离子峰干扰的情况[12]。该技术特点在于放电电极被嵌于仪器内部因而不易损伤样品,反应温度接近有机体生理温度,产生的离子碎片少,尤其适用于皮肤表面药物分析。此外,LTP也可被应用于分析传统大气压离子源所难以分析的非极性化合物[27]。
  图 9 LTP 示 意 图
Fig. 9 A schematic diagram of LTP technique26
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