一种管式纸电离-质谱快速分析方法

技术领域

本发明属于药物、代谢产物、蛋白、生化样品等分析技术领域，特别涉及一种管式纸电离-质谱快速分析方法。

技术背景

质谱技术由于具有灵敏度高、选择性好、特异性强等优点，已广泛应用于生命科学、环境科学、药物化学、食品科学等领域，并且发挥着重要作用。但是，随着现代科学技术的高速发展，各领域对质谱分析提出了更高要求，特别是复杂样品的快速检测。在诸多已有分析技术中，色谱-质谱联用技术如气相色谱-质谱、液相色谱-质谱等是分析复杂样品最可靠、最权威的分析方法。然而，采用如上技术对复杂样品进行分析前，必须采用繁琐的步骤对样品进行预处理，不能在短时间内对复杂样品基体中的目标化合物进行快速分析。

为了克服质谱分析过程中的如上缺陷，2004年美国普渡大学Cooks教授提出了敞开式离子源[ambient ionization source,Science 2004,306(5695),471–473]质谱分析技术，利用该方式对复杂样品进行分析时，无需样品预处理，分析效率高，操作简单，在复杂样品的快速分析方面发挥着重要作用，现今已发展起来的敞开式电离源-质谱分析方法有解吸电喷雾电离源[desorption electrospray ionization,Science 2004,306(5695),471-473]、低温等离子体[low temperature plasma,Anal.Chem.2008,80(23),9097-9104]或介质阻挡放电电离源[dielectric barrier discharge ionization,J.Am.Soc.MassSpectrom.2007,18(10),1859-1862]、实时直接分析[direct analysis in real time,Anal.Chem.2005,77(8),2297-2302]、纸喷雾电离源[paper spray ionization,Angew.Chem.Int.Ed.2010,49(5),877-880]等，关于不同类型的敞开式离子源-质谱分析技术已有许多文献综述[Anal.Chem.2020,92(3),2353-2363；2019,91(7),4266-4290；2014,86(1),233-249；2011,83(12),4508-4538；Chem.Rev.2013,113(4),2269-2308；2015,115(10),4542–4570]。虽然敞开式离子源-质谱分析技术已广泛应用于不同领域，但是该技术在复杂样品的分析过程，样品基质中干扰化合物与待测目标化合物将同时被电离，干扰化合物(如金属盐、生物基质等)在一定程度上严重抑制了待测化合物的高灵敏质谱分析。为了提高复杂样品的分析性能，有必要在敞开式离子源-质谱分析前，采用一定方式对复杂样品中的目标化合物进行富集或者样品基质的去除。

固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)是1990年加拿大滑铁卢大学Pawliszyn等[Anal.Chem.1990,62(19):2145-2148]提出的一种样品制备技术，它将样品的采集、萃取、浓缩和分析整合为一步，极大地简化了样品制备过程和分析流程，为复杂基质中目标化合物的高灵敏度分析提供了有效途径。固相微萃取是将少量的固体吸附剂材料涂覆或键合在不同基体表面(如纤维、搅拌子、毛细管内壁、金属丝外壁等)，由于该技术无需溶剂、易于微型化、便于携带和自动化，现今已广泛地应用于食品、环境、药品和生物样品等的分析[TrAC Trends Anal.Chem.2018,108,135-153；2019,111,261-278；6-9；Anal.Chem.2020,92(1),2-15]。为了提高敞开式离子源-质谱的分析性能，人们将固相微萃取与其相耦合，用于复杂样品的快速、高灵敏度分析。现今已发展起来多种相关分析技术，其中包括探针式[Anal.Chem.2016,88(2),1259-1265]、管中富集式[Anal.Chem.2017,89(7),4147-4152]、叶片式[Angew.Chem.Int.Ed.2014,53(52),14503-14507]、网格式[J.Am.Soc.Mass Spectrom.2008,19(11),1612-1620]、表面涂层式[Talanta 2020,219,121282]、滤膜/滤纸分离式[Anal.Chem.2015,87(6),3123-3128]等。固相微萃取-质谱分析技术不仅可从复杂样品中富集待测目标化合物，同时具有操作简单、分析效率高等特点，现已在生物学、药物化学、环境化学等领域发挥着重要作用。尽管如此，随着新型固相微萃取材料和质谱电离源技术的逐步演变，该技术仍然存在如下挑战：(1)分析操作较为繁琐：现今已有的技术都是在质谱分析前，先通过固相微萃取对复杂基质中目标化合物进行富集，该过程需借助机械震荡装置使溶液中的待测化合物富集在吸附材料表面，然后加载喷雾溶剂于固相萃取基质表面进行电离或借助其它电离装置对富集化合物进行解吸和电离；(2)分析时间长：对于单个样品，每个样品从富集、电离和质谱分析，整个过程所需时间基本上大于2min，不利于大量样品的高通量分析；(3)自动化操作难：实现批量样品的快速分析不仅可有效避免人为因素对分析结果的影响，也可提高分析效率，现今已有的固相微萃取-质谱分析技术很难实现全自动操作过程；(4)不利于现场、原位分析：现今技术仍然局限于将待测样品带回实验室进行分析，不能有效实现固相微萃取-微型化质谱仪的现场、原位分析，进而分析结果不能实时反映样品中待测化合物的实际情况。因此，发展操作简单、价格低廉、分析效率高、容易实现自动化的固相微萃取-质谱分析技术对于实际样品的现场、原位分析具有重要意义。

发明内容

为了克服现有固相微萃取-质谱分析技术对复杂样品分析方面的不足，本发明的目的在于提供一种管式纸电离-质谱快速分析方法，具有操作简单、分析速度快、性能稳定、富集效率高、价格低廉、易于实现自动化、便于现场、实时在线分析，整个分析过程具有重复性好、分析灵敏度高等特点，可满足复杂基质中药物、代谢产物、蛋白、生化样品等的快速、高效分析。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下:

一种管式纸电离-质谱快速分析方法，包括以下步骤：

步骤一、纸基质嵌入移液器吸头的制备：

首先将纸基质切成一个三角形，然后将切好的三角形卷成柱状嵌入移液器吸头尖端，该过程应确保纸基质尖端0.8～1.2mm在移液器吸头外端，随后将嵌有纸基质的移液器吸头与移液器相结合；

步骤二、复杂样品中目标化合物的固相微萃取：

将嵌有纸基质的移液器吸头插入复杂样品溶液，接着通过移液器使样品溶液在嵌有纸基质的吸头中循环进行吸入-排出多次，以完成复杂样品中目标化合物的富集；随后对吸附样品的纸基质用水洗涤；最后吸入喷雾溶剂，使待测化合物发生解吸并溶于其中；

步骤三、管式纸电离-质谱快速分析：

将吸入喷雾溶剂、嵌有纸基质吸头通过导电金属丝或其它方式加载直流电压，该过程中待测化合物便会随喷雾溶剂一起发生直接喷雾、电离，随后被质谱分析器检测到得到相应的质谱信息。

所述的纸基质为商品滤纸或修饰纸基质。

所述的通过移液器使样品溶液在嵌有纸基质的吸头中循环进行吸入-排出多次，次数为15次。

所述的移液器为市售商品移液器或自制移液器，能够使样品溶液吸入-排出移液器吸头，并与嵌入的纸基质相互作用，进而使目标分析物吸附在纸基质表面即可。

所述的喷雾溶剂为体积比1:1的乙腈与水混合溶液，或者体积比1:1的甲醇与水混合溶液、体积比1:1的乙醇与水混合溶液、体积比1:1的异丙醇与水混合溶液。

所述的步骤三加载直流电压为3.5kV直流电压。

本发明制备出嵌有纸基质的移液器吸头具有操作简单、价格低廉、吸附容量可根据纸基质的性能进行调变等特点，同时纸基质可为亲水性或疏水性；嵌有纸基质的移液器吸头不仅具有承载纸基质的作用，而且可使有机溶剂定量吸入，另外也可减小吸入有机溶剂的挥发损失；当嵌有纸基质的移液器吸头循环吸入-排出过程，复杂样品中目标化合物将会与纸基质纤维素或修饰吸附剂相互作用，快速富集在纸基质表面，该过程中可根据待测化合物的性质，选择合适的修饰纸基质用于目标分析物的富集；待目标化合物富集后，可通过简单的水溶液或其它溶剂洗涤的方式去除纸基质表面吸附的干扰物质；当喷雾溶剂吸入嵌有纸基质移液器吸头后，可通过金属丝或其它方式将直流高压电源加载纸基质表面，对吸附在纸基质表面的目标化合物解吸、电离和质谱分析，整个喷雾过程具有操作简单、喷雾流稳定、持续时间长、分析灵敏度高等特点。

附图说明

图1是本发明纸基质嵌入移液器吸头的制备、固相微萃取过程及质谱分析过程示意图：图1(A)是纸基质移液器吸头的制备及固相微萃取过程；图1(B)是移液器循环吸入-排出过程待测化合物、干扰物质吸附和解吸过程示意图；图1(C)是施加电压及管式纸电离喷雾、质谱分析过程。

图2是采用本发明管式纸电离-质谱分析与已有纸喷雾电离-质谱分析对七种药物化合物分析性能比较：图2(A)是本发明管式纸电离-质谱分析对25μL含有浓度分别为100ngmL

图3是采用本发明管式纸电离-质谱分析方法对血清中七种药物化合物直接进行富集、质谱分析定量分析曲线(包括阿米替林、氯氮平、氨磺必利、喹硫平、利培酮和阿立派唑；喷雾溶剂:25μL乙腈；施加电压:3.5kV)。

图4是采用本发明管式纸电离-质谱分析方法对尿样中七种药物化合物直接进行富集、质谱分析定量分析曲线(包括阿米替林、氯氮平、氨磺必利、喹硫平、利培酮和阿立派唑；喷雾溶剂:25μL乙腈；施加电压:3.5kV)。

图5是采用本发明管式纸电离-质谱分析方法对生理盐水中七种药物化合物直接进行富集、质谱分析定量分析曲线(包括阿米替林、氯氮平、氨磺必利、喹硫平、利培酮和阿立派唑；喷雾溶剂:25μL乙腈；施加电压:3.5kV)。

图6是采用本发明管式纸电离-质谱分析方法对不同复杂生物基质中蛋白等化合物富集、质谱分析性能:图6(A)是本发明发展的管式纸电离-质谱技术对含有200μg mL

具体实施方式

下面通过具体实例说明本发明关于管式纸电离-质谱快速分析方法的具体应用过程，但本发明并不限于下述实例。

参照图1，一种管式纸电离-质谱快速分析方法，包括以下步骤：

步骤一、纸基质嵌入移液器吸头的制备：

首先将纸基质如商品滤纸或修饰纸基质切成一个三角形，然后将切好的三角形卷成柱状嵌入移液器吸头尖端，该过程应确保纸基质尖端0.8～1.2mm在移液器吸头外端，随后将嵌有纸基质的移液器吸头与移液器相结合，具体如图1B。

步骤二、复杂样品中目标化合物的固相微萃取：

将嵌有纸基质的移液器吸头插入复杂样品溶液，接着通过移液器使样品溶液在嵌有纸基质的吸头中循环进行吸入-排出多次，以完成复杂样品中目标化合物的富集，移液器循环吸入-排出过程中，由于纸基质表面纤维素或修饰吸附剂的作用力，复杂样品中的目标化合物、干扰化合物将通过氢键、范德华作用力便会吸附在纸基质表面；为了去除样品基质中干扰物对目标分析化合物的干扰，随后对吸附样品的纸基质用水洗涤一次，以便去除纸基质表面吸附的干扰化合物；最后吸入喷雾溶剂，使待测化合物发生解吸并溶于其中，具体如图1B所示。

步骤三、管式纸电离-质谱快速分析：

将吸入喷雾溶剂、嵌有纸基质吸头通过导电金属丝或其它方式加载直流电压，该过程中待测化合物便会随喷雾溶剂一起发生直接喷雾、电离，随后被质谱分析器检测到得到相应的质谱信息，具体如图1C所示。

所述的纸基质为商品滤纸或修饰纸基质。

所述的通过移液器使样品溶液在嵌有纸基质的吸头中循环进行吸入-排出多次，次数为15次。

所述的移液器为市售商品移液器或自制移液器，能够使样品溶液吸入-排出移液器吸头，并与嵌入的纸基质相互作用，进而使目标分析物吸附在纸基质表面即可。

所述的喷雾溶剂为体积比1:1的乙腈与水混合溶液，或者体积比1:1的甲醇与水混合溶液、体积比1:1的乙醇与水混合溶液、体积比1:1的异丙醇与水混合溶液。

所述的步骤三加载直流电压为3.5kV直流电压。

实施例一

将商品滤纸切成一底宽为3.0mm，高为7.0mm的小三角形，然后将切好的三角形卷成柱状嵌入一移液器吸头尖端，其中应确保有1.0mm的纸基质尖端在移液器吸头外端，随后将嵌有纸基质的移液器吸头与移液器相结合，吸取20μL含有浓度为100ng mL

性能比较：图2A、2C和2B、2D分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术与已有纸喷雾电离-质谱技术对20μL含有七种药物化合物的1:1甲醇/水溶液分析性能比较。通过比较两种电离模式总体离子流，可看出相比于已有纸喷雾电离源(图2B)，采用本研究开发出的管式纸电离喷雾时间更长、质谱信号强度更高(图2A)。具体而言，采用本研究开发的管式纸电离技术的喷雾时间长达11.2min，而采用已有纸喷雾电离源的喷雾时间小于1.3min，说明了采用本发明的管式纸电离可更有效的抑制溶剂损失，提高喷雾时间；同时采用本发展的管式纸电离所得质谱最高信号强度可达2.5x 10

实施例二

将疏水性聚苯乙烯修饰滤纸切成一底宽为3.0mm，高为7.0mm的三角形，然后将切好的三角形卷成柱状嵌入一移液器吸头尖端，其中有1.0mm的纸基质尖端在移液器吸头外端，随后将嵌有纸基质的移液器吸头与移液器相结合，分别吸取20μL含有浓度为不同浓度(0.001-100ng mL

性能分析：图3分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对血清中七种药物化合物定量分析结果，可看出采用本发明发展的方法，七种药物化合物的线性范围介于0.001–1000ng mL

实施例三

同实施例二方法，区别在于将血清样品变为尿样进行药物化合物富集、洗脱和质谱分析，所得结果如图4所示。

性能分析：图4分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对尿样中七种药物化合物定量分析结果，可看出采用本发明发展的方法，七种药物化合物的线性范围介于0.001–1000ng mL

实施例四

同实施例二方法，区别在于将血清样品变为生理盐水(浓度为0.9％的氯化钠水溶液)进行药物化合物富集、洗脱和质谱分析，所得结果如图5所示。

性能分析：图5分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对生理盐水中七种药物化合物定量分析结果，可看出采用本发明发展的方法，七种药物化合物的线性范围介于0.001–1000ng mL

实施例五

同实施例二方法，区别在于将含有其中药物化合物的血清样品变为含有200μgmL

性能分析：图6A分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对磷酸盐缓冲溶液中细胞色素C的富集及质谱分析结果，可看出采用本发明发展的方法，细胞色素C可很好的富集在疏水性纸基质表面，并且被质谱高灵敏度分析，该结果表明本发明开发的管式纸基质-质谱分析方法可有效富集复杂生物基质中的细胞色素C。

实施例六

同实施例二方法，区别在于将含有其中药物化合物的血清样品变为含有200μgmL

性能分析：图6B分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对Tris缓冲溶液中肌红蛋白的富集及质谱分析结果，可看出采用本发明发展的方法，肌红蛋白可很好的富集在疏水性纸基质表面，并且被质谱高灵敏度分析，该结果表明本发明开发的管式纸基质-质谱分析方法可有效富集复杂生物基质中的肌红蛋白。

实施例七

同实施例二方法，区别在于将含有其中药物化合物的血清样品变为含有50μg mL

性能分析：图6C分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对Tris缓冲溶液中血管紧张素II和溶菌酶的富集及质谱分析结果，可看出采用本发明发展的方法，血管紧张素II和溶菌酶可很好的富集在疏水性纸基质表面，并且被质谱高灵敏度分析，该结果表明本发明开发的管式纸基质-质谱分析方法可有效富集复杂生物基质中的血管紧张素II和溶菌酶。

实施例八

同实施例二方法，区别在于将含有其中药物化合物的血清样品变为含有200μgmL

性能分析：图6D分别是本发明发展出管式纸电离-质谱技术对血清中肌红蛋白的富集及质谱分析结果，可看出采用本发明发展的方法，肌红蛋白可很好的富集在疏水性纸基质表面，并且被质谱高灵敏度分析，该结果表明本发明开发的管式纸基质-质谱分析方法可有效富集复杂生物基质如人血清中的肌红蛋白。