原理和裝置
經典質譜離子化技術包括電噴霧電離（ESI，Electrospray ionization）1、大氣壓化學電離（APCI）2、基體輔助雷射解吸電離（MALDI）3、電子轟擊電離（EI）4和化學電離（CI）3等雖然各有優點，但也有一些共同的特點，包括：1）封閉式電離，分析樣品需要封閉在一定的管道（如ESI，APCI）或者一定的真空環境（如經典的MALDI, EI, CI等）中；2）需要樣品預處理，不同物質形態的樣品均須經過2步以上的預處理才能轉化成為分析樣品，供後續的ESI/APCI-MS分析。
根據能量守恆和電荷不滅的基本原理可知，能量傳播和電荷傳遞可以在常壓條件下進行。以此為出發點，結合實驗研究過程中的大量事實總結出復雜基體樣品直接離子化的基本工作模式大體分為二維模型和三維模型（如圖1 a所示）兩種類型。在離子化過程中，不同類型的能量源（如光子，電場等）通過關鍵步驟①作用於特定載體（如試劑，微小液滴等）使其形成具有一定能量的帶電體（如初級試劑離子，帶電液滴等），然後採用一定手段將此電荷和能量的載體與二維表面或三維空間中的原生態樣品直接作用（關鍵步驟②），在相對開放的空間內把能量和電荷傳遞給待測物分子，完成待測物的離子化，最後形成的待測物離子進入質譜儀進行後續分析。
圖1 b圖示了三維模型下電噴霧萃取電離（EESI）5, 6技術的工作原理和基本過程。在步驟①中將電場的能量轉移到帶電的載體中，這些載體在三維空間內與中性物質相互接觸，發生能/荷傳遞作用，從而完成三維空間中待測物分子的離子化過程，即關鍵步驟②。
複雜基體樣品在EESI離子源中被分散在一個相對較大的三維空間內，能量與電荷的傳遞以及中性物質的萃取和離子化過程均在此三維空間內完成。根據能量和電荷載體的不同，三維空間內可以根據需要發生選擇性的萃取或化學反應，增加了該過程的靈活性。由於進一步分散了複雜基體，EESI對各種複雜基體的承受能力相比於二維模型進一步加強，並可對各種樣品進行長時間的穩定監測，使得EESI成為實時、線上質譜分析的重要工具。獨特的三維模型決定了EESI具有更高的靈活性和寬廣的套用範疇，目前EESI已逐步成為生物活體分析、原位線上分析和遠距離分析的有效質譜方法。諾貝爾獎得主、ESI技術發明人John Fenn教授也曾公開預言了EESI技術的廣闊用途和良好分析性能7。二維模型與三維模型之間既存在本質的區別，在一定的條件下也可以相互轉化（如圖1 a所示）。如將液體樣品滴加在固體樣品的表面乾燥後既可採用典型的二維技術如DESi，DAPCI等進行分析，也可以將液體樣品直接引入到三維空間內利用EESI等三維技術進行分析。與此類似，於固體表面的樣品可以直接採用DESI等進行分析，也可以採用中性解吸（ND）的辦法將樣品引入到一個相對開闊的三維空間內，然後採用
圖1 直接電離質譜的基本方式圖 1 直接電離質譜技術的基本方式； a 複雜基體樣品直接電離技術研究的二維模型和三維模型；b 三維模型下EESI電離技術的工作原理和基本過程8, 9
在大多數的實驗中，電噴霧萃取電離（EESI）裝置主要由電噴霧通道和中性樣品通道兩部分以一定角度交叉組成，如圖2所示。通過調節樣品霧化管與質譜進樣口的角度（α）、電離試劑霧化管與質譜進樣口距離（a）以及兩個通道間的角度（β）、距離（b），在合適的霧化氣流速、電離試劑、電離電壓等條件下對某些物質（如尼古丁等）甚至可以獲得比ESI更好的檢測限。與其它技術不同，EESI中，樣品的主體與電場或帶電粒子等隔離，不受刺激性試劑如甲醇、乙酸等的污染，而且是一種比ESI更溫和的軟電離技術10，能夠在質譜分析時最大限度地保證樣品不受試劑和操作環境的影響，從而在生物樣品、化學反應體系、動植物的活體質譜分析，在活體代謝組學等方面具有巨大的套用潛力。
圖2 EESI裝置示意圖
圖2 EESI裝置示意圖技術進展
EESI技術最早是為了實時線上地連續監測液體樣品而發明的一種快速質譜分析技術，後來逐漸拓展到氣溶膠、固體、膠體和粘稠物的分析，其分析對象已經涵蓋了各種樣品形態，在活體質譜分析和粘稠物分析中顯示了較為優越的性能。為了將難以霧化的樣品（如粉末、固體、粘稠物、非均相樣品等）進行EESI-MS分析，一般可用合適的中性氣流解吸出少量樣品，並通過密閉的管道輸送到EESI源中進行萃取電離，如圖3所示。這種與中性解吸（ND）聯用的ND-EESI11-16技術結合了樣品解吸方法與三維空間內萃取電離的優點，並將採樣與電離過程從時間和空間上截然分開，因此可作為遠程分析，特別是惡劣環境如高溫、低溫、生物危害或放射性等進行遠距離的質譜分析。此外，中性氣體解吸採樣技術是一種沒有明顯損傷的溫和技術，在取樣過程中可根據分析對象的需要採用氮氣或氬氣等惰性氣體，對樣品尤其是生物體無化學污染，對動植物生理或病理狀態沒有明顯干擾，因此特別適合進行生物體表的活體分析。ND-EESI技術將採樣和電離過程分開，通過中性氣流對蔬菜、水果表面進行解吸採樣，然後將採集的樣品引入到EESI進行電離，可以進行線上分析和遠程分析，對食品等樣品沒有化學污染和破壞作用。
圖3 典型用於冷凍生物樣品快速質譜分析的ND-EESI-TOF-MS原理示意圖
圖3 用於冰凍樣品的典型ND-EESI-MS裝置套用進展
因EESI-MS所具有的獨特優越性， EESI技術已逐步套用於食品、環境、藥物、呼出氣體等實際樣品的分析，近年來EESI更進一步嘗試套用於生物樣品的活體分析中。
Li等17採用nanoEESI-MS法，無需樣品預處理即可實現(1)牛奶中的三聚氰胺的現場直接測定，測定結果與DAPCI-MS法的測定結果相一致；(2)功能飲料（如紅牛）的功能成分如牛磺酸、咖啡因、賴氨酸、肌醇、煙醯胺、維生素B6和軟飲料（如可口可樂、百事可樂等）中的主要成分如咖啡因、磷酸、果糖和脫水果糖等的高通量、快速的現場測定。Hu等18採用nanoEESI-MS法快速、靈敏地篩檢飲料中的古柯鹼等痕量禁用物質，檢測限可達7~15 fg。Chen等19利用 ND-EESI對各種水果散發出的揮發物進行快速指紋圖譜分析，實現了香蕉、葡萄和草莓成熟度的區分。與水果成熟度檢測類似，根據微生物在魚肉上代謝的生物胺，Chen等還成功地實現了魚肉新鮮程度的區分11，並且檢測出受大腸桿菌污染的蔬菜。
醫藥藥品真偽和質量的好壞，直接影響著疾病的治療效果。EESI-MS技術在原料藥的質量檢測、藥品微生物檢測、藥品包裝材料以及對成品的西藥片劑、注射劑和中藥的有效成份的檢測中有重要套用。Gu等20採用nanoEESI-MS在無需樣品預處理的情況下，直接噴霧即可實現對多種氣霧劑藥物的高通量檢測，如：治療疼痛的複方水楊酸甲酯苯海拉明噴霧劑、治療哮喘的沙丁胺醇和硫酸特布他林氣霧劑有效成分的現場快速測定，該方法對活性成分的檢測限為10 pg/mL，單個樣品檢測時間約1 秒，可套用於藥品質量的現場監測（如監測藥品是否過期等）。
環境污染不僅影響人們的工作和生活，而且直接威脅人們的身體健康。隨著生活水平的提高，人們對環境質量的要求越來越高。通過環境監測及時、準確、全面地反映環境質量狀況，為公共安全、環境管理、環境科學研究提供依據。常壓質譜技術與其它環境檢測技術相比具有快速、現場、準確、靈敏的特點，在大氣、水體、物體表面等中的痕量有毒、有害的化學品以及爆炸物的檢測有廣泛的套用。比如，Li等21採用EESI檢測了塑膠等飾材建造的運動場地上方空氣中的游離甲苯-2, 4-二異氰酸酯，具有操作簡單，無需樣品前處理，1 s內能完成單個樣品的測定，無干擾，檢出限低於0. 04% (S/N = 100, n = 5)等優點。Luo等9採用EESI串聯質譜檢測了天然水中的痕量鈾，可獲得鈾的形態信息和同位素豐度，表明該方法不但可檢測水體中鈾的濃度，且可用於快速準確地篩查核武器試驗現場，對核工業和核能的和平利用具有積極的作用。Li等17採用nanoEESI-MS法，無需任何樣品預處理，可對雜環類農藥百草枯和擬除蟲菊酯類農藥氯氰菊酯進行了現場快速直接檢測，百草枯和氯氰菊酯的檢測限分別可達10 ng/mL和6 ng/mL，均低於它們的工業排放標準（前者為0.1 μg/mL，後者為0.01 μg/mL）。
粘稠物在日常生活中很常見且在眾多領域中發揮著重要作用，但是對基質複雜的粘稠物中的待測物的快速靈敏檢測卻一直是分析科學中極具挑戰性的工作。Law等16採用改裝的ND-EESI，如圖4a所示，在無需樣品預處理的條件下即實現了粘稠物的快速直接分析，並成功地將該方法套用於蜂蜜、橄欖油等複雜基質粘稠樣品的快速直接分析以及粘性離子液體中化學反應過程的跟蹤，不但為粘稠物的快速分析打開了一個視窗，而且使EESI-MS的套用範圍得到了進一步擴展。
圖4 用於分析粘稠物的ND-EESI原理與結構示意圖， a) 用於粘度較小的粘稠液體分析的ND-EESI-MS的原理和結構簡圖b)用於粘度較大的粘稠物分析的ND-EESI-MS的原理和結構簡圖
圖4 用於分析粘稠物的ND-EESI示意圖活體質譜分析是在不作任何預處理的情況下對活體樣品直接進行質譜分析。目前原位活體分析主要包括生物體表的代謝分析、人或動物的呼吸氣體分析。代謝產物的微量成份分析可為考察內在的生化過程提供有益的參考，揭示有關代謝動力學的相關信息，尤其是對生理病理研究方面具有重要意義。Chen等6, 23基於 EESI-ToF-MS 方法對活體呼吸氣體進行線上質譜分析，在1秒鐘內即獲得了樣品的指紋譜圖並對結果進行比較分析得出眾多有益信息。例如，人體在極端飢餓或病理條件下呼出氣體中尿素含量大幅度增加，該結果與體內採用蛋白質、脂肪來代替糖類供能的結果吻合；檢測到吸菸者呼吸氣體的生物標誌物，如2，3，5-三甲基吡啶，異前列腺素，和花生四烯酸等，並檢測了人吸菸前後不同時間的呼吸氣體中尼古丁與代謝物甲基嗎啡的信號比，揭示了新陳代謝的動態變化過程，也給許多疾病的診斷提供了依據。Chen等6利用 ND-EESI對人不同部位的皮膚代謝產物進行檢測，從不同表皮的質譜指紋譜圖揭示人體皮膚的代謝。Ding等15採用電噴霧萃取電離質譜（EESI-MS），利用多級串聯質譜平台進行快速呼吸氣體分析考察新陳代謝的變化，在無需樣品預處理的情況下，對尼古丁的檢測限為0.05 fg/mL (S/N =3, RSD=5.0%, n=10)；線性範圍是0.0155 pg/ mL~ 155 pg/ mL。
除了以呼出氣體為樣品外，EESI還可以結合ND技術，將不同生物體表的物質採集到EESI中進行萃取電離，獲得滿意的分析結果。目前的研究主要集中在採用ND技術進行微生物11、人體皮膚12、植物19等方面的研究中中。如Chen等12採用ND-EESI遠程檢測了人體皮膚上的TNT、RDX、NG、HMX和TATP等爆炸物。與DESI等技術相比，ND-EESI更加靈敏，而且具有較強的遠程線上分析的能力，這對於安全檢測、反恐防爆等具有積極的意義。研究表明，EESI-MS是一個功能強大的分析平台，為生命科學尤其是生物體代謝組學中複雜樣品的半定量分析提供了一種高靈敏度、高特異性及高效率的研究平台。但是，作為活體質譜分析的重要技術，這些工作剛剛起步，還有許多工作需要做。
代謝組學通常採用液相色譜-質譜聯用（LC-MS）的方法24，需要對樣品進行多個步驟的預處理，從而存在分析速度低、樣品耗量大等缺點。在無需樣品預處理的情況下，Gu等25用EESI監控分析了不同飲食（正常進食、整夜不進食、餵食火雞）大鼠的尿樣，對比了尿樣中的四氧嘧啶、3-羥基犬尿氨酸、葡萄糖酸和葡萄糖的信號強度，研究了尿素循環和胺基酸的新陳代謝途徑，並對尿樣的EESI-MS和NMR數據進行分析，成功區分了三組大鼠飲食的生物代謝物之間的差異，表明EESI具有監測特定的生化變異途徑的潛在套用。
EESI用於蛋白質檢測的研究目前還鮮見報導。Zhou等26與Chen等10採用EESI分別檢測了多肽與蛋白質，對比與ESI檢測的信號，發現EESI能檢測價態更低的蛋白質的峰，這也表明了氣相萃取機理與解吸機理的顯著不同。最近，Chen等27再次證明EESI能夠最大程度地保持蛋白質的原始構象，而且很少受基體等物質的影響。這無疑對蛋白質分析具有積極的意義。
前景展望
EESI技術目前雖然在食品和生活用品質量監測、藥物檢測、環境監測、過程分析、核工業檢測、活體分析、代謝組學、蛋白質組學、法醫刑偵等研究領域均有套用，但是，這些套用都還僅僅在初級階段，離工業化大規模套用還有很大的距離。不過，根據EESI的結構可知，EESI技術具有如下特點：1）在敞開環境下的三維空間內發生選擇性萃取、化學反應等過程，完成能量和電荷的交換從而獲得待測物離子；2）電離之前無需樣品預處理，能承受複雜基體樣品，獲得更為豐富的樣品信息；3）待測樣品由中性通道引入離子源，避免受到電場作用、化學污染或物理損傷；4）能對多種形態，包括氣體、液體、膏體、膠體、固體表面的樣品進行分析；5）易於小型化和集成化，方便與小型質譜儀聯用； 6）分析速度快，與高靈敏質譜串聯質譜聯用時，能夠在極短時間內（數秒）完成單個樣品的分析測定，從而實現對樣品的高通量檢測。因此，EESI-MS將在實時線上分析、遠程分析、過程控制、粘性物質分析、活體分析等方面發揮一些有特色的作用。此外，根據EESI的機理可以將EESI用作合成工具，比如在納米材料的製備、納米器件的組裝、特殊反應中間體的製備和探測等方面可能具有潛在的套用前景。
EESI的歷史還不到5年，技術還有待於完善。在國際上，EESI技術具有一定的影響，但從事EESI技術研究的小組不多。因此，EESI相關的研究結果可以比較方便快捷地進行發表。但是，相關領域的進步還有待於大家共同努力。
