1.3 無機基質的研究進展

為擴展基質輔助激光離子源在分析領域的應用，研究者在基質開發(fā)方面開展了大量工作。隨著有機基質的不斷進展，基質在激光照射中產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，更低基質干擾和更干凈基質峰的實現卻稍顯困難。與有機基質不同，以碳材料和多孔材料為代表的多數無機基質在AP-MALDI條件下自身不易發(fā)生電離或信號低，不會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。與傳統基質相比，無機基質的背景信號峰普遍更低，基本不會對分析物的檢測造成干擾。因此，對無機基質材料的探索逐漸興起。

 圖2 可用于輔助基質的碳基材料及其常見修飾策略
 

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，對碳材料進行修飾成為研究者的首選(見圖2)。

2010年，石墨烯首次被報道作為新基質使用，其片層結構和較大的比表面積被認為是成功應用于AP-MALDI的顯著優(yōu)勢，且克服了小分子范圍內碎片干擾峰頻出的問題，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(wěn)定的π鍵，既可吸收足夠的能量又具有捕獲質子的潛力，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。合成的新基質在正離子模式下產生大量且復雜的加成物離子峰，但在負離子模式下僅產生相應的分子離子峰，且無背景離子峰。

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。而六隅體的結構具有極高穩(wěn)定性和低化學反應活性，尤其是盤狀多環(huán)芳烴類高純度有機材料。其中，典型的盤狀多環(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的合成和使用進行了突破后，Wei課題組首次使用該類材料作為輔助基質檢測3種磺胺類抗菌藥，并與CHCA等3種傳統基質和常規(guī)石墨烯進行了比較，結果說明該課題組合成的新基質對于磺胺混合物具有很好的信噪比和區(qū)分能力，同時背景離子峰少，具有更好的檢測靈敏度。

碳點是迄今為止發(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，碳點在低分子量處難電離，僅會出現比較集中且易于區(qū)分的碳簇峰，m/z超過120以后則無背景峰，這是有機基質所無法比擬的優(yōu)勢。不同于普通碳材料，碳量子點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的巨大潛力。2013年，氮摻雜碳量子點首次被用作基質并取得了矚目的成果，自此，開發(fā)新的碳量子點基質成為分析行業(yè)內的潮流。Wang等通過水熱法制備氮和硫共摻雜碳量子點，并對其作為基質的性能進行了鑒定和比較，結果證明該方法無基質相關峰的干擾，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作用下易于分離的性能。在實際檢測中，磁性材料的添加可以簡化前處理步驟，節(jié)省檢測時間和勞動力消耗。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，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直接用于喹諾酮類藥物的快速檢測，前處理和樣品富集耗時大大縮短。與CHCA相比，新基質不僅背景干擾小，而且具有極高的靈敏度和信噪比。

1.3.3 其他無機材料

在輔助基質中，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，石墨烯通過表面活性劑作用于SiO2，表面活性劑作為引發(fā)劑引起進一步電離。與傳統基質不同，該G@SiO2成功產生了多電荷多糖，為多電荷電離方法的進展提供了參考。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，但其表面的陽離子交換功能可使其呈現出不同的酸度，因此可作為質子供體或質子宿主，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，該基質能夠對傳統MALDI難以檢測的低分子量物質進行檢測，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在食品領域的應用

食品含有多種營養(yǎng)成分，如碳水化合物、蛋白質、肽、脂類、氨基酸和有機酸。除營養(yǎng)成分外，食品還可能含有害物質，如農獸藥殘留、真菌毒素、有害食品添加劑和致癌物質等。因此，從食品安全角度來看，分析和檢驗食品的組成成分至關重要，而這些成分因理化性質不同需要不同的分析檢測手段進行定性定量。氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)和高效液相色譜-質譜聯用(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)性化合物進行處理后檢測。HPLC-MS法利用被分析組分的極性差異進行分離后再進行質譜鑒定，可用于分析多種不同性質的化合物。雖然這些方法具有通用性，但往往面臨冗長而繁瑣的前處理過程，且對于特殊性質的物質，傳統方法難以滿足檢測需求。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AP-MALDI的質譜成像是一種先進的二維分析方法，既無需對組織切片進行復雜的提取、純化、分離，也無需對分析物進行標記，是一種方便有效的檢測手段。表1歸納了近幾年AP-MALDI相關分析方法在食品分析領域的應用。Nakabayashi等將制備的切片直接轉移到具有ITO涂層的玻璃玻片上，隨后進行質譜成像分析，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DHB基質對豬肉中的?；衔锖湍憠A類化合物進行成像分析，并以此作為食品質量評價的標準。De Oliveira等基于MALDI結合質譜成像針對巧克力中的可可開發(fā)了一種半定量技術，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。新基質也被應用于食品的質譜成像分析。Wisman等采用鹽類作為基質對水稻中的米曲霉菌絲進行檢測，優(yōu)化選擇N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽(NEDC)作為基質，以期能夠通過此方法提高食品安全性。納米材料的發(fā)展極大地改善了營養(yǎng)物質的分析表現。Nizio?等開發(fā)了一種109Ag納米粒子增強靶板(109AgNPET)用于對草莓中的多類小分子有機物進行檢測，使小分子化合物的檢出限明顯降低。張峰團隊通過質譜成像技術分析了土豆芽中生物堿的空間分布情況，并建立了時間變化規(guī)律模型，這對于食品安全風險捕捉與規(guī)律挖掘具有重要意義。常壓基質輔助激光原位質譜成像技術是可視化食品分子組成的一種有價值的工具，不僅可以識別食品的營養(yǎng)成分含量，還可通過組分的分布特點提高食品安全性，對于機理研究、原位分析、現場檢測等具有實際價值。

表1 常壓基質輔助激光離子化質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(xù)表1)

3 結論與展望

常壓基質輔助激光技術的出現改善了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。經過近幾十年的發(fā)展，形成了幾個較通用的傳統基質如CHCA、DHB、THAP等，這些基質雖然檢測大分子物質的效果良好，但對于低分子量化合物，由于自身電離產生的干擾峰以及“熱點”現象等局限，限制了其進一步的應用，也推進了不同的基質及基質添加劑的進展。從最基礎的傳統基質修飾，到液體基質、無機基質的引入，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，使基質背景峰干擾越來越少，甚至達到幾乎無背景干擾。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方法更易與便攜設備結合，實現現場快速分析。新基質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，大大降低了分析成本。另一方面，擴展的化合物種類(尤其是各類小分子物質)也拓展了其應用范圍，通過多學科融合，推進了特定應用領域(如食品分析領域)研究的廣度與深度，也促進了新型便攜設備、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、簡化流程以及降低成本。輔助基質的創(chuàng)新工作，必將大大促進基于激光離子化質譜技術的廣泛應用。輔助基質的發(fā)展趨勢不再局限于簡單的化學改性，多類材料及納米材料的聯合應用將是未來的主要發(fā)展趨勢。

聲明：本文所用圖片、文字來源《分析測試學報》，版權歸原作者所有。如涉及作品內容、版權等問題，請與本網聯系刪除

相關鏈接：硅酸鹽，真菌毒素，維生素，三聚氰胺