1.3 無(wú)機(jī)基質(zhì)的研究進(jìn)展

為擴(kuò)展基質(zhì)輔助激光離子源在分析領(lǐng)域的應(yīng)用，研究者在基質(zhì)開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展了大量工作。隨著有機(jī)基質(zhì)的不斷進(jìn)展，基質(zhì)在激光照射中產(chǎn)生的干擾碎片逐漸減少，對(duì)分析檢測(cè)結(jié)果的影響也逐漸降低。然而，更低基質(zhì)干擾和更干凈基質(zhì)峰的實(shí)現(xiàn)卻稍顯困難。與有機(jī)基質(zhì)不同，以碳材料和多孔材料為代表的多數(shù)無(wú)機(jī)基質(zhì)在AP-MALDI條件下自身不易發(fā)生電離或信號(hào)低，不會(huì)形成較強(qiáng)的碎片離子峰，且更大的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)使樣品分子分散更均勻。與傳統(tǒng)基質(zhì)相比，無(wú)機(jī)基質(zhì)的背景信號(hào)峰普遍更低，基本不會(huì)對(duì)分析物的檢測(cè)造成干擾。因此，對(duì)無(wú)機(jī)基質(zhì)材料的探索逐漸興起。

 圖2 可用于輔助基質(zhì)的碳基材料及其常見(jiàn)修飾策略
 

Fig.2 Carbonaceous materials for auxiliary substrates and their modification strategies[30]

1.3.1 碳基納米材料

在所有無(wú)機(jī)材料中，碳材料(包括石墨、石墨烯、碳納米管等)因具有良好的光吸收性和電荷轉(zhuǎn)移能力，不易發(fā)生電離和碎裂，且具有高度生物相容性而吸引了大量研究人員的關(guān)注[29]。碳材料的引入最早起源于石墨在MALDI中的應(yīng)用，但這種三維層片狀結(jié)構(gòu)并不能很好地分散于溶劑中。條狀碳納米管是二維結(jié)構(gòu)，由于體積的縮小，該材料在溶液中的分散性得到了很大改善，但其與靶板的親和力較小，易在激光照射時(shí)脫離靶板而污染離子源。為改善新材料對(duì)靶板的吸附效果和在溶液中的分散性，對(duì)碳材料進(jìn)行修飾成為研究者的首選(見(jiàn)圖2)。

2010年，石墨烯首次被報(bào)道作為新基質(zhì)使用，其片層結(jié)構(gòu)和較大的比表面積被認(rèn)為是成功應(yīng)用于AP-MALDI的顯著優(yōu)勢(shì)，且克服了小分子范圍內(nèi)碎片干擾峰頻出的問(wèn)題，對(duì)多種化合物(如聚胺、核苷、氨基酸等小分子)表現(xiàn)出很好的檢測(cè)性能。因此，對(duì)石墨烯及以石墨烯為基礎(chǔ)的改性或功能化材料的研究和探索也顯著增加。Gulbakan等將氧化石墨烯和適配體結(jié)合生成適配體功能化氧化石墨烯，這種新材料對(duì)血液中的可卡因和腺苷表現(xiàn)出很好的富集作用。Min等考慮到雜原子與石墨烯結(jié)合可以形成穩(wěn)定的π鍵，既可吸收足夠的能量又具有捕獲質(zhì)子的潛力，使用熱退火合成方法，以氣態(tài)三聚氰胺作為氮源合成氮摻雜石墨烯。合成的新基質(zhì)在正離子模式下產(chǎn)生大量且復(fù)雜的加成物離子峰，但在負(fù)離子模式下僅產(chǎn)生相應(yīng)的分子離子峰，且無(wú)背景離子峰。

石墨烯具有特殊的電子和自組裝特性，這為新材料的發(fā)展提供了更多機(jī)會(huì)。而六隅體的結(jié)構(gòu)具有極高穩(wěn)定性和低化學(xué)反應(yīng)活性，尤其是盤(pán)狀多環(huán)芳烴類高純度有機(jī)材料。其中，典型的盤(pán)狀多環(huán)芳烴為苯并菲以及六環(huán)六苯并蔻(HBC)衍生物。在2014年對(duì)HBC的合成和使用進(jìn)行了突破后，Wei課題組首次使用該類材料作為輔助基質(zhì)檢測(cè)3種磺胺類抗菌藥，并與CHCA等3種傳統(tǒng)基質(zhì)和常規(guī)石墨烯進(jìn)行了比較，結(jié)果說(shuō)明該課題組合成的新基質(zhì)對(duì)于磺胺混合物具有很好的信噪比和區(qū)分能力，同時(shí)背景離子峰少，具有更好的檢測(cè)靈敏度。

碳點(diǎn)是迄今為止發(fā)現(xiàn)并投入使用的最小碳納米材料，尺寸一般在10 nm以下。與其他碳材料相似，碳點(diǎn)在低分子量處難電離，僅會(huì)出現(xiàn)比較集中且易于區(qū)分的碳簇峰，m/z超過(guò)120以后則無(wú)背景峰，這是有機(jī)基質(zhì)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。不同于普通碳材料，碳量子點(diǎn)表面含有豐富的親水基團(tuán)(如羥基、羧基)，在溶液中具有良好的分散性，因此具有作為輔助基質(zhì)的巨大潛力。2013年，氮摻雜碳量子點(diǎn)首次被用作基質(zhì)并取得了矚目的成果，自此，開(kāi)發(fā)新的碳量子點(diǎn)基質(zhì)成為分析行業(yè)內(nèi)的潮流。Wang等通過(guò)水熱法制備氮和硫共摻雜碳量子點(diǎn)，并對(duì)其作為基質(zhì)的性能進(jìn)行了鑒定和比較，結(jié)果證明該方法無(wú)基質(zhì)相關(guān)峰的干擾，且對(duì)于多種小分子具有較強(qiáng)的適用性。

1.3.2 磁性功能材料

磁性材料的優(yōu)勢(shì)是使樣品具有在外磁場(chǎng)作用下易于分離的性能。在實(shí)際檢測(cè)中，磁性材料的添加可以簡(jiǎn)化前處理步驟，節(jié)省檢測(cè)時(shí)間和勞動(dòng)力消耗。分析流程如圖3所示。常用的磁性材料包括鐵、鈷、鎳及其氧化物(如四氧化三鐵、三氧化二鐵)、合金材料及其混合物等。目前應(yīng)用最廣的磁性材料為四氧化三鐵，其納米顆粒具有磁性強(qiáng)、尺寸小、比表面積大和生物兼容性良好的優(yōu)點(diǎn)，常被制作成納米微球磁性復(fù)合材料。功能化修飾是對(duì)磁性功能材料進(jìn)行加工的基本方法之一，Liu等對(duì)四氧化三鐵納米氧化石墨烯材料進(jìn)行聚丙烯酸功能化修飾，發(fā)現(xiàn)其對(duì)正離子有機(jī)物具有明顯的吸附和分離效果。將磁性顆粒包裹于碳材料的表面制備磁性復(fù)合材料則是另一個(gè)主流方向。使用這種方法合成的磁性石墨烯/碳納米管復(fù)合材料，不僅具有很強(qiáng)的磁性，還有效避免了碳納米管和石墨烯的團(tuán)聚。

 圖3 磁性輔助基質(zhì)用于激光離子源的樣品預(yù)處理及其分析流程
 

Fig.3 Sample pretreatment and analysis process of magnetic matrix applied to laser based ionization source

Wei課題組使用Hummers法合成了氧化石墨，隨后對(duì)其進(jìn)行超聲剝離得到氧化石墨烯，再利用氧化還原反應(yīng)合成了磁性氧化石墨烯，最后在其表面覆蓋1層二氧化硅。該方法不僅解決了磁性材料脫落問(wèn)題，還保持了材料的磁性以供多次重復(fù)使用。該團(tuán)隊(duì)將合成的新材料作為基質(zhì)直接用于喹諾酮類藥物的快速檢測(cè)，前處理和樣品富集耗時(shí)大大縮短。與CHCA相比，新基質(zhì)不僅背景干擾小，而且具有極高的靈敏度和信噪比。

1.3.3 其他無(wú)機(jī)材料

在輔助基質(zhì)中，硅材料(如二氧化硅)和金屬材料(如金納米顆粒)等占據(jù)重要的位置。Abdelhamid等[30]首次提出了用介孔二氧化硅(G@SiO2)包覆石墨烯作為輔助基質(zhì)，石墨烯通過(guò)表面活性劑作用于SiO2，表面活性劑作為引發(fā)劑引起進(jìn)一步電離。與傳統(tǒng)基質(zhì)不同，該G@SiO2成功產(chǎn)生了多電荷多糖，為多電荷電離方法的進(jìn)展提供了參考。沸石是一種典型的具有介孔結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽材料，作為典型的骨架型硅酸鹽，其結(jié)構(gòu)包括硅(鋁)氧四面體-環(huán)-籠-分子篩，被廣泛用作工業(yè)催化劑與吸附劑。因沸石本身不具有共軛結(jié)構(gòu)，因此大多作為添加劑或修飾材料使用，但其表面的陽(yáng)離子交換功能可使其呈現(xiàn)出不同的酸度，因此可作為質(zhì)子供體或質(zhì)子宿主，用以提高分析物的峰響應(yīng)。Suzuki等使用鋰修飾沸石結(jié)合THAP形成新基質(zhì)，該基質(zhì)能夠?qū)鹘y(tǒng)MALDI難以檢測(cè)的低分子量物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，且對(duì)乙酰水楊酸和苯巴比妥也表現(xiàn)出較好的檢測(cè)能力。

2 AP-MALDI在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

食品含有多種營(yíng)養(yǎng)成分，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、肽、脂類、氨基酸和有機(jī)酸。除營(yíng)養(yǎng)成分外，食品還可能含有害物質(zhì)，如農(nóng)獸藥殘留、真菌毒素、有害食品添加劑和致癌物質(zhì)等。因此，從食品安全角度來(lái)看，分析和檢驗(yàn)食品的組成成分至關(guān)重要，而這些成分因理化性質(zhì)不同需要不同的分析檢測(cè)手段進(jìn)行定性定量。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)和高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)是分析食品成分的常用方法。其中，針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的鑒定和分析多采用GC-MS法，如多元醇和維生素等，或使用衍生化試劑對(duì)非揮發(fā)性化合物進(jìn)行處理后檢測(cè)。HPLC-MS法利用被分析組分的極性差異進(jìn)行分離后再進(jìn)行質(zhì)譜鑒定，可用于分析多種不同性質(zhì)的化合物。雖然這些方法具有通用性，但往往面臨冗長(zhǎng)而繁瑣的前處理過(guò)程，且對(duì)于特殊性質(zhì)的物質(zhì)，傳統(tǒng)方法難以滿足檢測(cè)需求。除了定量研究，空間分布檢測(cè)在食品加工、真假鑒別和食品安全中也發(fā)揮著重要作用，而這一檢測(cè)目標(biāo)需要更特別、有效的分析方法。

基于AP-MALDI的質(zhì)譜成像是一種先進(jìn)的二維分析方法，既無(wú)需對(duì)組織切片進(jìn)行復(fù)雜的提取、純化、分離，也無(wú)需對(duì)分析物進(jìn)行標(biāo)記，是一種方便有效的檢測(cè)手段。表1歸納了近幾年AP-MALDI相關(guān)分析方法在食品分析領(lǐng)域的應(yīng)用。Nakabayashi等將制備的切片直接轉(zhuǎn)移到具有ITO涂層的玻璃玻片上，隨后進(jìn)行質(zhì)譜成像分析，顯著改善了植物組織樣品制備階段水分的控制。Enomoto等使用傳統(tǒng)DHB基質(zhì)對(duì)豬肉中的?；衔锖湍憠A類化合物進(jìn)行成像分析，并以此作為食品質(zhì)量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。De Oliveira等基于MALDI結(jié)合質(zhì)譜成像針對(duì)巧克力中的可可開(kāi)發(fā)了一種半定量技術(shù)，不僅可以有效檢測(cè)其分布，還能為健康食用巧克力提供參考。新基質(zhì)也被應(yīng)用于食品的質(zhì)譜成像分析。Wisman等采用鹽類作為基質(zhì)對(duì)水稻中的米曲霉菌絲進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)化選擇N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽(NEDC)作為基質(zhì)，以期能夠通過(guò)此方法提高食品安全性。納米材料的發(fā)展極大地改善了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分析表現(xiàn)。Nizio?等開(kāi)發(fā)了一種109Ag納米粒子增強(qiáng)靶板(109AgNPET)用于對(duì)草莓中的多類小分子有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，使小分子化合物的檢出限明顯降低。張峰團(tuán)隊(duì)通過(guò)質(zhì)譜成像技術(shù)分析了土豆芽中生物堿的空間分布情況，并建立了時(shí)間變化規(guī)律模型，這對(duì)于食品安全風(fēng)險(xiǎn)捕捉與規(guī)律挖掘具有重要意義。常壓基質(zhì)輔助激光原位質(zhì)譜成像技術(shù)是可視化食品分子組成的一種有價(jià)值的工具，不僅可以識(shí)別食品的營(yíng)養(yǎng)成分含量，還可通過(guò)組分的分布特點(diǎn)提高食品安全性，對(duì)于機(jī)理研究、原位分析、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等具有實(shí)際價(jià)值。

表1 常壓基質(zhì)輔助激光離子化質(zhì)譜在食品分析及食品安全中的應(yīng)用

Table 1 Application of food analysis and food safety using atmospheric pressure matrix assisted laser ionization source mass spectrometry

(續(xù)表1)

3 結(jié)論與展望

常壓基質(zhì)輔助激光技術(shù)的出現(xiàn)改善了LDI中難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的高分子量樣品的離子化問(wèn)題，并在一定程度上擴(kuò)展了可檢測(cè)范圍，為分析應(yīng)用提供了新的方向。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，形成了幾個(gè)較通用的傳統(tǒng)基質(zhì)如CHCA、DHB、THAP等，這些基質(zhì)雖然檢測(cè)大分子物質(zhì)的效果良好，但對(duì)于低分子量化合物，由于自身電離產(chǎn)生的干擾峰以及“熱點(diǎn)”現(xiàn)象等局限，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用，也推進(jìn)了不同的基質(zhì)及基質(zhì)添加劑的進(jìn)展。從最基礎(chǔ)的傳統(tǒng)基質(zhì)修飾，到液體基質(zhì)、無(wú)機(jī)基質(zhì)的引入，AP-MALDI的應(yīng)用范圍不斷加大。納米材料、磁性材料、碳材料以及硅材料的結(jié)合及其不斷創(chuàng)新，使基質(zhì)背景峰干擾越來(lái)越少，甚至達(dá)到幾乎無(wú)背景干擾。伴隨著靈敏度和信噪比的不斷提升，前處理步驟也逐漸減少，使得AP-MALDI方法更易與便攜設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速分析。新基質(zhì)材料的引入不僅使離子化效果得到改善，還減少了分析方法對(duì)硬件設(shè)備性能的依賴，大大降低了分析成本。另一方面，擴(kuò)展的化合物種類(尤其是各類小分子物質(zhì))也拓展了其應(yīng)用范圍，通過(guò)多學(xué)科融合，推進(jìn)了特定應(yīng)用領(lǐng)域(如食品分析領(lǐng)域)研究的廣度與深度，也促進(jìn)了新型便攜設(shè)備、新型離子源、新原理分析方法的研發(fā)。從本文可以看出，快速現(xiàn)場(chǎng)分析今后的發(fā)展方向是提高檢測(cè)靈敏度和分析選擇性、簡(jiǎn)化流程以及降低成本。輔助基質(zhì)的創(chuàng)新工作，必將大大促進(jìn)基于激光離子化質(zhì)譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。輔助基質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)不再局限于簡(jiǎn)單的化學(xué)改性，多類材料及納米材料的聯(lián)合應(yīng)用將是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

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