1.3 無(wú)機基質(zhì)的研究進(jìn)展

為擴展基質(zhì)輔助激光離子源在分析領(lǐng)域的應用，研究者在基質(zhì)開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展了大量工作。隨著(zhù)有機基質(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，對分析檢測結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)現卻稍顯困難。與有機基質(zhì)不同，以碳材料和多孔材料為代表的多數無(wú)機基質(zhì)在A(yíng)P-MALDI條件下自身不易發(fā)生電離或信號低，不會(huì )形成較強的碎片離子峰，且更大的比表面積和多孔結構使樣品分子分散更均勻。與傳統基質(zhì)相比，無(wú)機基質(zhì)的背景信號峰普遍更低，基本不會(huì )對分析物的檢測造成干擾。因此，對無(wú)機基質(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中的應用，但這種三維層片狀結構并不能很好地分散于溶劑中。條狀碳納米管是二維結構，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。為改善新材料對靶板的吸附效果和在溶液中的分散性，對碳材料進(jìn)行修飾成為研究者的首選(見(jiàn)圖2)。

2010年，石墨烯首次被報道作為新基質(zhì)使用，其片層結構和較大的比表面積被認為是成功應用于A(yíng)P-MALDI的顯著(zhù)優(yōu)勢，且克服了小分子范圍內碎片干擾峰頻出的問(wèn)題，對多種化合物(如聚胺、核苷、氨基酸等小分子)表現出很好的檢測性能。因此，對石墨烯及以石墨烯為基礎的改性或功能化材料的研究和探索也顯著(zhù)增加。Gulbakan等將氧化石墨烯和適配體結合生成適配體功能化氧化石墨烯，這種新材料對血液中的可卡因和腺苷表現出很好的富集作用。Min等考慮到雜原子與石墨烯結合可以形成穩定的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)生大量且復雜的加成物離子峰，但在負離子模式下僅產(chǎn)生相應的分子離子峰，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)展提供了更多機會(huì )。而六隅體的結構具有極高穩定性和低化學(xué)反應活性，尤其是盤(pán)狀多環(huán)芳烴類(lèi)高純度有機材料。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HBC的合成和使用進(jìn)行了突破后，Wei課題組首次使用該類(lèi)材料作為輔助基質(zhì)檢測3種磺胺類(lèi)抗菌藥，并與CHCA等3種傳統基質(zhì)和常規石墨烯進(jìn)行了比較，結果說(shuō)明該課題組合成的新基質(zhì)對于磺胺混合物具有很好的信噪比和區分能力，同時(shí)背景離子峰少，具有更好的檢測靈敏度。

碳點(diǎn)是迄今為止發(fā)現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 )出現比較集中且易于區分的碳簇峰，m/z超過(guò)120以后則無(wú)背景峰，這是有機基質(zhì)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢。不同于普通碳材料，碳量子點(diǎn)表面含有豐富的親水基團(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)，并對其作為基質(zhì)的性能進(jìn)行了鑒定和比較，結果證明該方法無(wú)基質(zhì)相關(guān)峰的干擾，且對于多種小分子具有較強的適用性。

1.3.2 磁性功能材料

磁性材料的優(yōu)勢是使樣品具有在外磁場(chǎng)作用下易于分離的性能。在實(shí)際檢測中，磁性材料的添加可以簡(jiǎn)化前處理步驟，節省檢測時(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。目前應用最廣的磁性材料為四氧化三鐵，其納米顆粒具有磁性強、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合材料。功能化修飾是對磁性功能材料進(jìn)行加工的基本方法之一，Liu等對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)現其對正離子有機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/碳納米管復合材料，不僅具有很強的磁性，還有效避免了碳納米管和石墨烯的團聚。

 圖3 磁性輔助基質(zhì)用于激光離子源的樣品預處理及其分析流程
 

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，隨后對其進(jìn)行超聲剝離得到氧化石墨烯，再利用氧化還原反應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使用。該團隊將合成的新材料作為基質(zhì)直接用于喹諾酮類(lèi)藥物的快速檢測，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構的硅鋁酸鹽材料，作為典型的骨架型硅酸鹽，其結構包括硅(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構，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。Suzuki等使用鋰修飾沸石結合THAP形成新基質(zhì)，該基質(zhì)能夠對傳統MALDI難以檢測的低分子量物質(zhì)進(jìn)行檢測，且對乙酰水楊酸和苯巴比妥也表現出較好的檢測能力。

2 AP-MALDI在食品領(lǐng)域的應用

食品含有多種營(yíng)養成分，如碳水化合物、蛋白質(zhì)、肽、脂類(lèi)、氨基酸和有機酸。除營(yíng)養成分外，食品還可能含有害物質(zhì)，如農獸藥殘留、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，針對揮發(fā)性有機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非揮發(fā)性化合物進(jìn)行處理后檢測。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(cháng)而繁瑣的前處理過(guò)程，且對于特殊性質(zhì)的物質(zhì)，傳統方法難以滿(mǎn)足檢測需求。除了定量研究，空間分布檢測在食品加工、真假鑒別和食品安全中也發(fā)揮著(zhù)重要作用，而這一檢測目標需要更特別、有效的分析方法。

基于A(yíng)P-MALDI的質(zhì)譜成像是一種先進(jìn)的二維分析方法，既無(wú)需對組織切片進(jìn)行復雜的提取、純化、分離，也無(wú)需對分析物進(jìn)行標記，是一種方便有效的檢測手段。表1歸納了近幾年AP-MALDI相關(guān)分析方法在食品分析領(lǐng)域的應用。Nakabayashi等將制備的切片直接轉移到具有ITO涂層的玻璃玻片上，隨后進(jìn)行質(zhì)譜成像分析，顯著(zhù)改善了植物組織樣品制備階段水分的控制。Enomoto等使用傳統DHB基質(zhì)對豬肉中的?；衔锖湍憠A類(lèi)化合物進(jìn)行成像分析，并以此作為食品質(zhì)量評價(jià)的標準。De Oliveira等基于MALDI結合質(zhì)譜成像針對巧克力中的可可開(kāi)發(fā)了一種半定量技術(shù)，不僅可以有效檢測其分布，還能為健康食用巧克力提供參考。新基質(zhì)也被應用于食品的質(zhì)譜成像分析。Wisman等采用鹽類(lèi)作為基質(zhì)對水稻中的米曲霉菌絲進(jìn)行檢測，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)養物質(zhì)的分析表現。Nizio?等開(kāi)發(fā)了一種109Ag納米粒子增強靶板(109AgNPET)用于對草莓中的多類(lèi)小分子有機物進(jìn)行檢測，使小分子化合物的檢出限明顯降低。張峰團隊通過(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)間變化規律模型，這對于食品安全風(fēng)險捕捉與規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，不僅可以識別食品的營(yíng)養成分含量，還可通過(guò)組分的分布特點(diǎn)提高食品安全性，對于機理研究、原位分析、現場(chǎng)檢測等具有實(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用

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

(續表1)

3 結論與展望

常壓基質(zhì)輔助激光技術(shù)的出現改善了LDI中難揮發(fā)和熱不穩定的高分子量樣品的離子化問(wèn)題，并在一定程度上擴展了可檢測范圍，為分析應用提供了新的方向。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，形成了幾個(gè)較通用的傳統基質(zhì)如CHCA、DHB、THAP等，這些基質(zhì)雖然檢測大分子物質(zhì)的效果良好，但對于低分子量化合物，由于自身電離產(chǎn)生的干擾峰以及“熱點(diǎn)”現象等局限，限制了其進(jìn)一步的應用，也推進(jìn)了不同的基質(zhì)及基質(zhì)添加劑的進(jìn)展。從最基礎的傳統基質(zhì)修飾，到液體基質(zhì)、無(wú)機基質(zhì)的引入，AP-MALDI的應用范圍不斷加大。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，甚至達到幾乎無(wú)背景干擾。伴隨著(zhù)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方法更易與便攜設備結合，實(shí)現現場(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硬件設備性能的依賴(lài)，大大降低了分析成本。另一方面，擴展的化合物種類(lèi)(尤其是各類(lèi)小分子物質(zhì))也拓展了其應用范圍，通過(guò)多學(xué)科融合，推進(jìn)了特定應用領(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，快速現場(chǎng)分析今后的發(fā)展方向是提高檢測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)的廣泛應用。輔助基質(zhì)的發(fā)展趨勢不再局限于簡(jiǎn)單的化學(xué)改性，多類(lèi)材料及納米材料的聯(lián)合應用將是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢。

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