实时直接分析质谱(DART-MS)及应用

1、Page 1实时直接分析质谱（DART-MS ）及应用刘娜，刘春胜华质泰科生物技术（北京）有限公司Email: rachel.liuaspectech no 摘要:最近几年兴起的实时直接分析（DART?）是一种非表面接触型热解析/环境离子化新技术，是继电喷雾离子化（ESI）及大气压化学电离（APCI）成功解 决了生物分子的分析之后，又一个具有革命性的质谱离子化技术，满足了实验室对 样品高通量分析的要求和现场、直接、无损、快速、原位分析的需求。其原理是在环境空气条件下，气体（如氮气、氦气或氩气）经放电产生的激发态原子瞬间解 吸并离子化样品表面的化合物分子。样品可以是气态、液态、固态，或任何几何形

2、 状，无需繁杂的化学处理和冗长的色谱分离，或仅需要简单的前处理。化合物离子 以质谱或串联质谱检测。本文重点介绍该技术的原理，以及和与传统色谱-质谱联用，尤其是和基于ESI的技术如液-质联用（LC-MS ）和解吸电喷雾离子化（DESI）相比较，其在技术、操作和应用上的优势，此外还介绍了DART在食品质量控制、食品安全检测、药物研发、材料及物证分析等行业中的最新应用进展。关键词：实时直接分析；DART ;环境离子化；质谱；液质联用；LC/MS ；1.引言现代色谱-质谱联用结合了质谱的高灵敏度、高选择性检测与色谱的高分离能 力，在分析与检测领域发挥着极其重要的作用。今天，LC-MS已经成为进行食品中

3、多组分农药和兽药残留分析，以及在新药研发与生物分析中所必备的最主要的分LIUCCPage 7析检测手段之一。然而，现代LC-MS技术的发展，依然不能满足实验室对样品高 通量和现场原位分析的要求。样品的制备和色谱分离繁琐、耗时，样品提取和衍生 化等可能存在样品降解和歧视效应。大量毒性化学溶剂的使用易造成二次污染，且 电喷雾（ESI）离子化过程中存在严重的离子抑制、溶剂及基质效应。近几年兴起的环境离子化质谱技术，如解吸电喷雾离子化（DESI）、实时直接分析（DART）、介质阻挡放电离子化（DBDI）、大气压固体分析探针（ASAP）、激光解析电喷雾离子化（ELDI）等，由于其独特的样品脱附/离子化进

4、样机制，无需或极少需要样品前处理，在生物医药、食品安全、反恐、环境应急事件、取证分析等领域，得到了广泛的关注和应用。目前已经商品化的环境离子化技术只有 DART和DESI两种。DESI于2004年 由美国普渡大学的Cooks研究组首先提出。作为大气压下直接电离技术，DESI对表面上的非极性的小分子化合物和极性大分子化合物（如肽和蛋白质）都得到较好 的结果。然而DESI在定量方面仍存在明显不足。其实验要调节的参数较多，操作 繁琐，离子化需要的气体流量较大，样品难以固定，结果重现性不好。同时， DESI需要的辅助喷雾液会对样品产生污染；溶液和基质离子化产生的干扰多，存 在信号抑制效应。相形之下，D

5、ART技术的商品化较早，也较为成熟，行业使用范围更广泛。DART由美国JOEL公司的Cody等人于2003年首次提出，并于2005年商品化 与DESI相比较，DART技术无需液体流动相，可供调节的实验参数较少，操作更 为简便。如今，DART对在果蔬、水产等食品中的农药、兽药残留；对原料药和制 剂及假药；对包装材料和玩具中的毒性成份；对现场化学品、爆炸物、毒品；对体 液和代谢组学及活体组织中的药物成像；对室内、器皿等现场污染物或化学反应； 对文件、伪钞等表面的印章和定色等，均可进行实时的无接触、无损耗分析检测。2. DART原理DART通常被归类为复合型解吸附/离子化电离模式，其电离机理视实验条

6、件 不同而有差异。如图所示，样品置放于 DART源出口和一台液-质联用仪的离子采 样锥口。当氮气或氦气流量为3-5 L/分，电晕放电针在4-5 kV电压时，将电离氦气 或氮气，产生包括离子、电子、和激发态亚稳氦原子或激发态亚稳氮分子在内的等 离子体。气流继续进入腔体第二部分后，穿孔电极将滤掉气流中的离子成份。接 着，气流继续进入腔体第三部分后，由第三组穿孔或栅网电极将激发态原子或分子送至样品区域。栅网电极同时除掉反电荷离子，阻止正、负离子间的重合HeatedNeedle （35KV）ElectrodesCoronaBlockHe in letDischargeRegio n250500VSam

7、pleMS In terfaceIn letOrifice在正离子模式下，第二组穿孔电极和最后栅网出口电极通常设为+100V的偏转电压；在负离子模式下，设为-250V的偏转电压。气流温度可以调节，自室温至550°C不等。DART可以固定角度和固定位置操作，也可以调整角度和距离极性化合物和非极性化合物均能在 DART条件下产生灵敏的离子信号。DART 没有Na+和+的加合离子或多电荷离子产生，离子信号单纯，质谱图干净，便于解 析。同时，与DESI或ESI相比，DART不需要溶剂，没有离子抑制的发生。即使 有溶剂（如四氢呋喃，二甲基亚砜，十二烷基硫酸钠等）和盐类（如饱和氯化钠， 磷酸盐，

8、硼酸盐等）存在，化合物的 DART离子化过程也不受抑制。这些溶剂和缓 冲液通常严重抑制或淬灭 DESI和ESI离子化过程。另外，由于 DART离子化发生 在气相中，在负离子操作模式下，困扰 ESI和DESI的溶液pH问题，将不复存 在。因此， DART 负离子方式尤为出色。3谷物中多种霉菌毒素的测定DART与基于Orbitrap （静电场轨道阱）技术的（超）高分辨质谱相结合，已 在多种霉菌毒素的快速定量分析中得到应用，样品为经改良QuEChERS方法提取的小麦和玉米。 使用 DART 分析几组霉菌毒素，大部分毒素有很强的离子化效 率。最低校正限（LCL ）在50到150旧/kg之间。采用同位素

9、13C标记稀释技术进 行定量分析，添加500血/kg时获得了良好的回收率（100-108%）和重现性（RSD 5.4-6.9%）。用基质匹配校正进行定量分析，回收率和重现性也分别为84-118% 和7.9-12.0% （RSD）。通过分析小麦/玉米有证标准物质（CRM）验证了 DARTOrbitrap 质谱所得数据的准确性。所测结果与用超高效液相色谱 -飞行时间质谱（ UHPLC-TOF） _方法所得文献值完全一致。4定量测定血浆中的药物小分子把在大气压下以接地电位操作的 DART 离子源，直接安装在 API 4000串联质 谱上，将血浆样品直接导入 DART-MS/MS 系统中进行分析。所测

10、生理体液中各种 化合物均获得了良好的精密度和准确度（%CV和误差均10%）。此外，80%所 测化合物的最低检测限均达到5 n g/mL或更低，完全能支持药物开发研究。实验中 对明显影响分析性能的实验条件进行了优化和限定。 DART 获取数据速度非常快（3-5秒）、成本低，将在生物基质的定量药物分析中发挥重要作用。5食品包装添加剂的快速鉴定聚合材料在食品生产、运输和零售过程中起着重要的安全卫生保障作用。聚 合物中添加的增软、增色、防油脂、防氧化等添加剂在食品储存和运输过程中，极 易渗入食品内，改变食品的颜色、味道、和安全品质。传统的检测方法需要繁琐的溶剂提取，效率低，样品歧视大，有些化合物在提取

11、过程中发生严重的热分解或光 降解。为此，美国FDA利用DART串联三联四极杆质谱，分析鉴定了二十种包装 材料中的13种常见塑料添加剂和抗氧化剂。结果显示，包装材料中含有的添加剂 产生的离子信号与相对应标准品相似，分别含有3个特征离子和相似的MS/MS子离子谱图。尽管DART定量分析方法还在进一步完善，其定性能力和分析速度、自 动化和操作简便性方面，已远远优于常用的裂解色谱-质谱方法。6 高通量筛选几百种药物残留食品及农产品中兽药、农药及毒素类有毒有害物质残留分析对灵敏度、重现性与选择性的要求非常高，常常需要在复杂的基质中检测ppb级甚至二低浓度水平的痕量残留物质。Fern dndez等开发了穿

12、透性-DART快速、重现、通量分析杀虫 剂处理过的纱布的方法。该方法采用固定的样品支架，DART气流穿过纱布并直接脱附/离子化纱布上的杀虫剂，自动化程度高，重现性好。美国FDA司法鉴定中心今年初也报道了透过性 DART串联Exactive高分辨质 谱快速（1.8分钟）筛选几百种农药的方法。将农药标准品的溶液（每种农药 12ng）滴在商品化的海棉片上。质谱仪在高分辨（50,000分辨率）状态下运行。 350多种农药在正离子操作模式下产生灵敏、重现的结果。7. DART结合精确质量TOF质谱快速确证石膏板中的含硫化合物石膏墙板也叫石膏板、灰板或干墙（drywall）。最近关于“中国进口的石膏墙板

13、质量纠纷”在美愈演愈烈。美国消费品安全委员会说，已经接到大约1500个投诉报告，涉及数十亿美元的赔偿投诉。投诉者称，他们所居住新房子上的中国制石膏 墙板散发出类似臭鸡蛋味儿的含硫气体，腐蚀电缆铜线和金属管道，并且时常使人 出现头痛、喉咙痛等症状。为此，美国太平洋大学的太平洋质谱实验室受委托应急 检测了中美两国生产的石膏板，分析采用 DART和精确质量TOF质谱，TOF分辨率为 7000。样品未经萃取或任何化学前处理，直接放置于DART 源和质谱接口处。结果显示，在室温下，美国和中国生产的石膏板没有显著区别，都没有含硫化 合物离子存在。当 DART 快速升温至 250oC 时，中国产石膏板明显释

14、放出臭味。质 谱鉴定，中国石膏板含有的硫化物是美国产品的 46 倍。其中含有的组分包括 S2-(63.9440 Da、SO2- (63.9615 Da)、SO3-、S2O-、S3-、S4-等。8. 结论DART 能在几秒钟内分析存在于气体、液体、固体或材料表面的化合物，从 而对样品无损耗定性和定量。通过调节 DART 的气流温度，可对表面分子进行差 异化解析并离子化，实现质谱成像。相比于现行通用的 LC-MS 技术， DART-MS 分析将不再需要繁杂的样品制备和耗时的色谱分离，以及对化学溶剂的消耗与依 赖，从而急剧缩短样品分析周期。各种类型的质谱仪如 TOF、 离子阱、四极杆或 串接质谱均已成功和 DART 联用，在药物研发、食品和药品安全控制与检测、司法 鉴定、临床检验、材料分析、天然产物品质鉴定、及相关化学和生物化学分析等领 域有着广阔的应用前景。参考文献1. Tak ts,乙 et al. Science2004, 306(5695), 471-4732. Cody, R. et al. Anal Chem. 2005, 77(8), 2297-23023. Fern nd