实时原位在线分析技术：解析大数据的神器

质谱技术是现代众多分析测试技术中同时具备灵敏度高、特异性好、响应速度快的普适性方法。近年来，直接电离质谱技术在有机物快速检测和在线监测方面取得了较大进展。直接电离质谱通常采用软电离方式将有机物分子电离成离子或准分子离子，来完成有机物的直接分析，具有较快的分析速度。目前，直接电离质谱以原位、实时、在线、无损、高通量等为特征，已成为质谱发展的一个重要趋势。

化学界的权威专家、哈佛大学George McClelland Whitesides教授在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemite International Edition》发表文章Reinventing Chemistry，该文章讨论了化学未来的发展方向，并罗列了化学领域未来需要解决24个的问题（表10－1）。其中，第16条为开创新的研究领域的分析化学技术。作为重要检测手段的分析化学技术目前依然处于非常活跃的研究发展状态，新技术的开发向微观可用于探知分子水平等，向宏观可用于管理大气水平的检测领域。总体而言，分析检测技术发展趋向高灵敏度、高选择性、高通量、自动化、智能化、微型化等，未来应开发出具有或者部分具有上述特征的实时的、原位的和无损的分析化学检测技术，应用于已有领域革新或者新领域开发。

表10－1 未来化学需要解决的24个重点问题

续表

大多数化学检测器需要在一定的条件下、封闭的空间中进行检测，如质谱扫描技术需要在密闭高真空条件下进行，无法进行原位实时分析。近几年，以 “常压敞开式电离质谱”为代表的原位电离质谱（统称AIMS）技术发展迅猛，挑战了传统的分析检测流程，极大地影响着下一代分析检测技术的开发和利用。

根据文献报道，目前已经有几十种常压敞开式离子化方法。其中解吸电喷雾电离（desorption electrospray ionization，DESI）是第一种被报道的常压下敞开式离子化技术，也是目前常压敞开式离子化质谱研究最多的方法之一。如图10－1所示，在雾化器的带动下在与样品表面的分子接触过程中，将部分被分析物分子溶解，并且形成次级带电液滴束；次级带电液滴束以合适的角度喷入质谱入口，进而进行检测和分析。

常压敞开式离子化技术主要具有以下几个方面的特点：①离子化过程在常压或者开放环境中进行；②无需或者只需简单地样品前处理；③可以和绝大多数商品化的质谱仪结合；④电离方式软，产生的碎片较少。因此，该技术被誉为 “将质谱带入现实世界”的技术手段，未来有望在以下领域大大地扩展质谱的应用范围：①用于现场实时分析的小型化便携质谱；②有害物质、违禁物质的快速筛查；③实际样品的质谱成像等。例如，有研究者将敞开式离子化技术应用于皮肤和其他表面上枪击残留物的原位快速检测（图10－2），结果表明这种测试方法可以快速有效地区分开枪者和未开枪者。

图10－1 DESI原理示意图

图10－2 DESI－MSMS应用于手枪残留

目前，虽然敞开式质谱技术在定量分析方面存在巨大的挑战，然而利用敞开式质谱进行各类分析鉴定的工作被不断报道，展现了该技术的巨大应用潜力，未来可能需要科学家在追求实时检测的同时降低来自环境基体的干扰。

在未来几十年中，一旦制约原位检测器的难题得到解决，例如，化学计量学和新颖数学方法发展用以进一步解决原位光谱技术在线分析的问题，原位检测器的技术将直接使得相关实验室具备实时检测能力，解决目前质量检测领域中的难题，如尿液中药代产物的实时检测，吸烟者口腔生物标志物的原位检测等。

可能用于卷烟烟气中化合物在线分析的直接电离质谱技术主要包括：质子转移反应质谱（PTR－MS）、离子分子反应质谱（IMR－MS）、单光子电离质谱（SPI－MS）、大气压化学电离质谱（APCI－MS）、实时直接分析离子源质谱（DART－MS）等。

1. 质子转移反应质谱

质子转移反应质谱（PTR）是1种采用化学电离方式的软电离质谱技术，主要由离子源、离子－分子反应流动管和离子检测系统等3个部分组成，如图10－3所示。

图10－3 质子转移反应质谱示意图

该技术可以在秒量级的时间内获得ppt量级的探测灵敏度，非常适合于对挥发性有机化合物（VOCs）的在线检测。其原理是先将水蒸气在离子源的空心阴极放电区（HC）中进行放电，产生的母体离子H₃O⁺经过短流动管区（SD）后能得到高浓度的H₃O⁺，这些H₃O⁺通过离子源区与反应区之间的小孔进入到反应区，然后在离子－分子反应流动管中H₃O⁺与待测的VOCs分子反应，将VOCs分子转换成唯一的（VOCs）H⁺离子，产生的离子最后进入流动管末端的质谱进行检测。由于除了CH₄和C₂H₄等少数有机物以及N₂、O₂、CO、CO₂和Ar等无机成分外，大多数的VOCs分子的质子亲和势都大于水，因此，质子转移反应质谱基本上可以检测绝大多数挥发性有机化合物。另外，由于质子转移反应质谱对待测物质进行定量如式（10－4）所示：

式中：［ VOC］——待测物质的浓度；

i［（ VOC）H⁺］和i［H₃O⁺］——检测系统得到的（VOC）H⁺和H₃O⁺的离子强度；

k——VOC和H₃O⁺的反应速率常数；

t——通过离子－分子反应流动管的时间。

所有的这些量均可以测得。

因此，质子转移反应质谱可以实现对待测物进行绝对量测量而不需要定标，这是质子转移反应质谱的一个优势。但是，质子转移反应质谱主要依靠分子质量进行定性，不能分辨具有相同分子质量的同分异构体，在谱图分析过程中需要对待测物质有充分了解才能进行准确定性。质子转移反应电离技术是以H₃O⁺为反应试剂离子，与待测物分子发生质子转移反应，形成准分子离子，测试结果容易受到样品湿度的影响，高湿度的气体样品会生成含水团簇的离子干扰质谱的分析。

该技术在环境、医药卫生、食品、造纸以及汽车尾气等在线检测方面已有了广泛的应用。目前，在烟气在线分析方面质子转移反应质谱的应用并不多见，已有的报道主要集中在环境烟气的检测方面。

2. 离子分子反应质谱

采用离子分子反应技术，利用低离子能的Hg⁺、Xe⁺、Kr⁺等把待分析化合物分子离子化后经过四极杆质量分析器后得到分子计数，由软件系统来采集并处理、保存、传输数据，进行实时监控。不需要样品预处理，直接采样即时分析；对极性、非极性化合物等均可分析。

离子－分子反应质谱（IMR－MS）主要由离子源、八极杆、四极杆和检测器等4个部分组成，如图10－4所示。它与质子转移反应质谱的原理基本相同，都是依靠化学电离方式产生离子，所不同的是离子－分子质谱首先电离的不是H₂O分子，而是Kr、Xe和Hg等惰性气体。其原理是首先在离子源的预电离区采用电子轰击法（25eV）将源气体（Kr、Xe和Hg）离子化，然后利用所得较低能量（10～14eV）的源离子（Kr⁺、Xe⁺和Hg⁺）将被测气体分子（B₁，B₂，B₃… B_n）完全电离成分子离子而不导致破碎。如下所示：

图10－4 IMR－MS结构示意图

B₁+ Hg⁺（10.44eV）→B₁⁺+ Hg

B₂+ Xe⁺（12.13eV）→ B₂⁺+ Xe

B₃+ Kr⁺（14.00eV）→B₃⁺+ K

再通过采用整体式八极杆离子导入装置聚焦源离子和去除干扰物，经过四极杆选择不同质量数的离子，最后由检测器进行进一步的定性和定量分析。离子－分子反应质谱能检测电离能小于14eV和分子质量在500范围内的分子，可以通过分子质量和预先给定的电离能对待测目标物进行准确定性，而且还可以通过测定单标或混标的方法对待测物进行定量。

具体为首先采用电子轰击法（25eV）将源气体（Hg，Xe和Kr）离子化，产生较低能量的源离子（Hg⁺10.44eV，Xe⁺12.13eV和Kr⁺14.00eV），进入第一个八级杆分离器聚焦，经过90度的转弯至第二个八级杆离子交换室内和样品分子反应。此后新生成的样品离子从第二个八级杆中被提取经聚焦后进入四级杆质量过滤器中。被四级杆分离后的样品离子被引出四级杆装置，进入电子倍增检测器。

IMR－MS是化学电离，是一种软电离技术，软电离使用一种能量较低的反应离子和样品分子进行反应形成分子离子，保持了分子的整体特性。IMR－MS配备三种不同电离能的源气体，对分子质量相同，但结构不同的分子，可以根据其电离能的差异（每个分子都有一个独特的电离能），采用不同的源气体进行鉴别。

在卷烟烟气的检测报道中，奥地利瓦藤斯公司生产离子－分子反应质谱（IMR－MS）是在线过程快速多组分分析质谱。由于它无需对样品进行前处理，每个化合物的检测时间只需1ms，完全可实现卷烟烟气的在线逐口分析。Zemann等采用该技术在线检测单口卷烟烟气的化学成分，获得了烟气中20多种产物的分析结果。

奥地利瓦藤斯公司将离子－分子反应质谱仪和单通道吸烟机连接，在剑桥滤片前取部分烟气，用氮气稀释后分析了卷烟烟气Hoffman清单中的部分物质。他们对整个部件进行加热，防止吸附和堵塞，见图10－5。还采用顶空进样的方式对烟草和烟气中的香味物质进行分析。

图10－5 瓦藤斯改造后的烟气捕集方式

上海烟草集团通过完善烟气采集模式实现了20通道转盘式吸烟机与IMR－MS联用的接口构建和优化，建立了卷烟烟气气相主要物质的IMR－MS质谱数据库。(www.xing528.com)

3. 单光子电离－飞行时间质谱

飞行时间质谱（Time of－Flight Mass Spectrometry，TOF－MS）是利用动能相同，质荷比不同的离子在恒定电场中运动，经过恒定距离所需时间不同的原理对物质成分和结构进行测定的一种质谱分析方法。TOF－MS具有质量范围宽、分辨率高、灵敏度好、分析速度快等优点，再配合可反射真空紫外光电离源、电喷雾离子源基体辅助激光解析离子源、大气压化学电离源等离子源，已广泛应用于基因、蛋白质、生物化学、医药学以及病毒学等领域。TOF－MS作为一种当今最有发展前景的质谱仪，广泛应用于烟草化学成分分析，将有利于烟草行业对降焦减害、卷烟配方设计、卷烟设计及增香保润的研究。

单光子电离－飞行时间质谱（SPI－TOF－MS）通常使用真空紫外灯、激光或者同步辐射光作为电离光源，能够以软电离的方式对有机化合物进行电离，几乎只产生待测物的母体离子，而不产生碎片，所以，该技术非常适合于复杂混合物的研究。该技术具有响应速度快（一般在0.1s以内）、选择性高（光谱与质谱双重选择）、灵敏度高和适合多组分检测等优点，是一种非常优秀的、普适的和快速的探测手段。但是由于激光的调谐范围较窄，在真空紫外波段不能连续可调，因而不能通过光电离效率谱（PIE）的测量来区别同分异构体；另外，激光所产生的最高光子能量是10.5eV ，因此也无法探测电离能较高的分子。近年来，Mitschke等采用以激光作光源的单光子电离、共振增强多光子电离－飞行时间质谱技术成功在线分析了单口卷烟烟气化学成分，对卷烟烟气中的小分子量化合物进行了鉴定；通过分析单口烟气对参比卷烟、白肋烟、烤烟、香料烟以及马里兰烟进行分析比较。如图10－6所示。

图10－6 光致电离飞行时间质谱仪原理图

近年来，建立和发展起来的同步辐射真空紫外单光子电离结合分子束质谱技术非常适合于探测燃烧产物，包括各种中间体，有望为烟气的实时分析带来新的突破。同步辐射是20世纪50年代以后兴起的先进光源，它是速度接近光速的带电粒子在做曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射，具有高亮度、高准直和波长连续可调等特性。由于同步辐射在真空紫外波段的电离是单光子过程，因此它能够对有机化合物有效地进行软电离，而不产生碎片；而分子束质谱技术能够实现超声分子束原位取样，取样后分子无任何碰撞，可以有效地冷却分子和自由基。

在定性分析方面，同步辐射真空紫外单光子电离－分子束质谱技术除了能根据待测物质的分子质量进行初步定性外，还可以根据化合物的电离能准确进行定性分析。由于同步辐射具有波长连续可调的特点，可以通过扫描光子的能量测量某一选定质量的离子信号强度，随光子能量的变化获得光电离效率谱（PIE）曲线，同时运用线性外推法可以准确得到该物质的电离能，据此可以确定质谱峰对应的物种，并对同分异构体进行区分。

在定量分析方面，同步辐射真空紫外单光子电离－分子束质谱技术可以根据测量和计算的光电离截面，得到各种产物的绝对浓度。目前，国内只有中国科技大学国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站开展了将单光子电离－分子束质谱技术应用于燃烧火焰和热解产物实时分析的相关工作，并获得了一些重要的成果。另外，由于同步辐射真空紫外单光子电离－分子束质谱技术克服了上述质谱的许多不足，该技术在卷烟烟气分析、汽车发动机尾气分析、石油替代能源和汽油添加剂的燃烧性能评估等研究领域也具有广阔的应用前景。

4. 大气压化学电离质谱

大气压化学电离质谱（APCI）通过电晕放电使反应气电离，反应气离子与待测物分子发生离子分析反应，使待测物分子离子化。大气压化学电离质谱的电离效率高，适合于小分子质量、低极性有机化合物，但是离子－分子反应过程中产生的离子种类较多，不利于复杂样品质谱图的解析。大气压化学电离质谱（APCI－MS）作为近年来发展起来的软电离质谱技术，具有操作简便，检测限低、定量分析结果准确度高、重复性好等优点，已被应用于直接分析环境空气中的有机污染物，在环境烟气标志物及有机化合物的快速分析方面的尝试也已见报道。

APCI的离子化作用机制有以下三种机理：经典APCI（classical APCI）、离子蒸发（ion evaporation）和摩擦电APCI（triboelectric APCI）。当流动相和待分析物进入喷口时，被喷雾气撕裂成小雾滴，在此过程中会导致气液界面上因摩擦而满电，并使分析物离子化，这种满电不取决于放电针产生的电子，即使在放电电压较低或无放电电压时也可能使样品离子化。

（1）经典APCI机理 首先，高压放电针通过尖端放电释放出大量的电子，这些电子不断轰击空气中的氧气、氮气、水蒸气以及溶剂分子（甲醇等）使其生成相应的带正电的离子，然后这些初级离子与被测样品分子发生分子－离子交换（质子交换和电子交换），最终使样品分子带电。该过程可用如下通式表述：

质子交换：RH⁺+T→TH⁺+R或R^－+TH→T^－+RH

电子交换：R⁺+T→T⁺+R或R^－+T→T^－+R

其中，质子交换以水合质子或质子化的水簇状物按照如下通式进行：

H₃O⁺（H₂O）_n+T→TH⁺（H₂O）_m+ （n－m－1）H₂O

在进入质量分析器之前，质子交换过程产生的TH⁺（H₂O）_m、中的水须在辅助器或高真空作用下脱去生成TH⁺。但是甲醇等一些性质稳定的化合物通常在质谱中以如下形式存在：

CH₃OH₂+ （m/z 33），CH₃OH₂⁺·H₂O （m/z 51），CH₃OH₂⁺· （CH₃OH）_n（m/z 65，97，…）。

经典APCI离子化方式适用于分析检测中等以及小极性的化合物。

（2）离子蒸发机理 离子蒸发机理不仅适用于ESI过程，而且适用于APCI过程。这种机理类似ESI的离子化机制，非常适合分析检测一些可在溶剂中预先电离生成相应离子化合物的强极性分子。

大气压化学电离（APCI）接口的结构如图10－7所示。

APCI接口相比ESI接口，区别如下：

①增加了一根能够发射自由电子的电晕放电针，对共地点的电压设置为±（1200～2000）V，该放电针对离子化过程的启动起着至关重要的作用；

②采用直接加热喷雾气体的方式，拓宽了干燥气体的可加热范围；

③流动相的组成对喷雾气体的加热和APCI的离子化过程影响较小，因此在APCI接口的LC－MS中可以使用水相比例较高的流动相。

APCI接口的工作原理为：电晕放电针释放的电子首先轰击空气中的氧气、氮气以及水蒸气并生成相应的带正电的初级离子，然后初级离子与样品分子发生分子－离子交换使样品分子离子化。

图10－7 HPLC－MSD－APCI接口示意图

1—液相入口 2—雾化喷口 3—APCI蒸发器 4—电晕放电针 5—毛细管 6—CID区 7—锥形分离器 8—八极杆 9—四极杆 10—HED检测器

5. 实时直接分析离子源

常温常压质谱（ambient mass spectrometry）是2004年Cooks等提出的可实现无需样品预处理的快速质谱分析技术。所谓常温常压质谱是指在实验室开放环境中以及维持被分析物本身性质的条件下，直接完成对样品的离子化以及进样的方法。常温常压离子化方法的典型特征是无需或只需要简单的样品制备过程就可以完成对样品的分析，因此它提供了更为简单的工作流程，大大提高了质谱仪器的易用性。真空是产生和维持离子传输的条件，然而它却不是使化合物离子化的必要条件。事实上，在大气压条件下同样可以产生离子，如常温常压直接离子化技术。它开启了由传统封闭式到敞开式新型离子源质谱在快速质谱分析领域的研究热潮。

实时直接分析离子源（DART）为新型原位电离新技术，是继LC－MS电喷雾离子化（ESI）及大气压化学电离（APCI）成功解决生物和有机分子分析后，有一具有革命性的当代质谱离子化技术，能够满足实验室对样品高通量分析的需求和对现场、无损、快速、低碳、原位、直接分析的需求。相比于现行通用的GC－MS、LC－MS技术，DART－MS联用技术更为广谱，将不排斥但不必要采用耗时的色谱分离和繁杂的样品前处理技术。

DART横截面示意图见于图10－8。采用DART电离待测物时，电离过程可分为两步：气体等离子体的制备和待测物的电离。

图10－8 DART离子源横截面示意图

首先，气体（He 、Ar或N₂）进入放电室，与放电室中的放电针（电压1～5kV）接触后，形成辉光放电，产生气体氦原子（He^∗，19.8eV）、氩原子（Ar^∗，11.5eV）或激发态的氮气分子（N₂^∗，8.5～11.5eV，有些更高能态可能大于15eV），在腔室内形成离子、电子和激发态气体分子，随后流动到可进行加热的第2个室中，然后经格栅电极过滤，最后从离子源中喷出。

从DART离子源喷出的等离子体进一步与环境中的介质作用或直接与待测物作用，将待测物进行解吸附离子化。其中，在正离子模式下，最可能发生的反应包括彭宁离子化、质子转移和电荷转移。对于大多数有机物来说，离子化能大约为10eV，而激发态的氦原子内能为19.8eV，能够使有机物分子电离而又不产生过多的碎片离子。环境中少量的水分导致了离子化过程中的另外一个重要反应——质子转移。激发态氦原子可将水分子高效电离（电离能IE＝12.6eV），生成的水分子阳离子进一步与其他水分子作用，从而产生［（H₂O）_nH］⁺水分子簇阳离子。当待测物分子（M）的质子亲和能大于水分子的质子亲和能时，便会发生质子转移，形成MH⁺。分子离子峰的一种可能生成途径是电荷交换。激发态的工作气体使空气中的氧分子（电离能IE＝12.07eV）电离，产生氧正离子自由基，它进一步夺取待测物分子中的电子，形成待测物阳离子。

在DART的负离子模式中，激发态的氦原子与N₂发生彭宁离子化反应，产生热电子。空气中的氧气捕获热电子形成氧气负离子，其进一步与待测物作用，形成待测物与氧气的加合负离子或者该加合负离子解离形成待测物负离子。根据待测物的性质，待测物分子也可直接与热电子作用，形成待测物负离子。

经历了约10年的发展，DART－MS已广泛地应用于环境监测、食品药品安全、生物医学检验、公共安全管理等领域，在快速、直接分析方面展现出了巨大的优势，是一种高效的分析方法。随着DART－MS的进一步发展，它将在更多的领域发挥更加重要的作用。尽管DART－MS比传统的LC－MS等具有更多的优势，但该方法在某些方面仍需要进一步提高，比如如何实现待测物的简单、快速、准确定量，特别是如何实现组织样品内部化学组分快速、直接的定量分析，是DART－MS研究的一个重要方面。