摘要:常壓電離質譜技術(Ambientionizationmassspectrometry，AIMS)以其敞開式環境、簡便操作、原位、實時、高通量等優勢，成為公共安全化學毒物檢測領域的研究熱點。該文基于文獻計量分析，簡要概述了AIMS的分類、發展趨勢及其在公共安全化學毒物檢測領域的發展現狀，重點從檢測靈敏度、樣品前處理兼容性以及現場檢測的小型化質譜適配性等方面，歸類總結了AIMS在毒品、爆炸物、化學戰劑和生物毒素等分析檢測方面的應用特點，最后對其技術特點及未來發展待解決問題等進行了評述，為相關領域研究人員提供有益參考。

　　關鍵詞:常壓電離質譜;現場快檢;公共安全;化學毒物;綜述

　　當今國際形勢多元化、多極化明顯，恐怖、突發事件等時有發生，例如傳統毒品和新精神活性物質濫用、化學品爆炸及爆炸式恐怖襲擊、化學戰劑恐怖刺殺、生物毒素中毒等化學突發事件頻繁發生，對于公共安全的危害日益增加。原位、實時、靈敏的現場檢測技術是應對和處置公共安全事件的關鍵要素。特別地，包括新型毒品、新型爆炸物、新一代化學戰劑、新型生物毒素等在內的化學毒物種類繁多且具備可擴充性，迫切需要建立結構確證性強的檢測鑒定技術手段。

　　自2004年美國普渡大學Cooks課題組[1]提出常壓電離質譜(Ambientionizationmassspectrometry，AIMS)概念至今，質譜分析邁向了無需密閉的真空環境、原位實時、快速高效的新時代。AIMS又稱環境電離質譜、敞開式電離質譜，是一類在常壓條件下對樣品直接進行電離的質譜技術，無需或僅需簡單的樣品前處理，在開放環境中便可實現復雜基質樣品的進樣和離子化[2-4]。

　　其克服了以往在進行劇高毒化學危害物質的質譜或色譜-質譜聯用分析時，依賴于大型真空精密儀器以及復雜樣品前處理耗時費工的問題，可簡化質譜分析的操作流程，縮短分析時間，在毒品(含新精神活性物質)、爆炸物、化學戰劑及生物毒素的現場原位、實時、快速高通量分析檢測中具有突出優勢。特別是隨著小型化質譜儀的迭代更新，AIMS在現場快速檢測方面的潛力和優勢進一步凸顯[5-7]。目前已報道了超過50種各具特色的AIMS技術，本文針對飛速發展的AIMS技術及其在公共安全化學毒物檢測領域(毒品、爆炸物、化學戰劑及生物毒素)的應用進行綜合論述，并對其發展趨勢和應用前景進行展望，以期為相關領域研究提供有益參考。

　　1AIMS分類及文獻聚類分析2004年，Cooks等[1]報道了第一種常壓電離技術———解吸電噴霧電離(Desorptionelectrosprayioniza-tion，DESI);2005年，Cody等[8]研發出實時直接分析(Directanalysisinrealtime，DART)技術，自此開啟了由傳統封閉式到敞開式的新型電離質譜技術研究熱潮。經過十余年的發展，各種不同類型常壓電離技術層出不窮，按其分析策略可分為直接解吸附/電離的一步常壓電離技術和先解吸附后電離的兩步常壓電離技術。

　　在一步常壓電離技術中，當噴霧、等離子體、超聲波等作用于樣品后，分析物從樣品表面逸出，此時分析物的電離與解吸附幾乎同時發生;在兩步常壓電離技術中，分析物先在一種能量形式下從樣品表面解吸附，再利用一種離子源(如電噴霧、化學電離、等離子體等)產生的離子與解吸附的分析物發生分子-離子反應，從而產生分析物離子[9]。

　　對WebofScience核心合集下2004～2020年AIMS相關文獻進行檢索(2021年1月6日)，去重后整理得到2685篇文獻。使用文獻計量分析軟件VOSviewer[12]進行國家、機構、作者和關鍵詞聚類分析。結果顯示，全世界已有70余個國家和地區在AIMS領域開展研究，其中發文量和被引量較多的前5個國家或地區為美國(1028篇，46672次)、中國(521篇，10526次)、德國(217篇，5535次)、英國(127篇，3908次)和巴西(133篇，3468)。其中普渡大學(美國)、中國科學院(中國)、金邊大學(巴西)、清華大學(中國)、佐治亞理工學院(美國)和R.GrahamCooks(普渡大學，美國)、MarcosN.Eberlin(金邊大學，巴西)、歐陽證(清華大學，中國)、陳煥文(東華理工大學，中國)、DemianR.Ifa(約克大學，加拿大)分別為發文量排名前5的高產機構和研究學者。

　　從國家、機構和作者分析可知，中國無論從國家整體發文量還是從高產機構和學者來看，均處于世界領先水平，也代表著中國在AIMS領域具有較高的科技影響力。進行關鍵詞聚類分析時，設置出現次數大于3的關鍵詞，對關鍵詞合并、清洗后得到67個關鍵詞及7個聚類。聚類Ⅰ集中在基于等離子體電離源的介質阻擋放電電離(Dielectricbarrierdischargeionization，DBDI)和低溫等離子體(Low-temperatureplasmaprobe，LTP)及其在爆炸物、化學戰劑等方面的研究;聚類Ⅱ集中于紙噴霧(Papersprayionization，PSI)和小型便攜式質譜研發及其在法庭科學、環境科學方面的研究;聚類Ⅲ集中在基于DART分析及其在食品安全、農殘分析方面的研究;聚類Ⅳ集中在基于DESI分析及其在天然產物分析領域的應用;聚類Ⅴ集中在基于AIMS的組學及質譜成像研究;聚類Ⅵ集中于藥物篩選與腫瘤標志物研究;聚類Ⅶ則集中于藥物與定量分析領域。

　　此外，各類AIMS技術在多個研究領域交叉匯通，相互之間聯系密切。從時間軸分析，AIMS逐漸向滿足現場檢測應用需求、實現便攜性的方向發展，與之適配的常壓電離技術如DBDI、DART和PSI等也成為近年來的研究熱點。此外，研究者多通過熱、激光等高效解吸附技術，或結合固相微萃取(Solidphasemicroextraction，SPME)等多種快速前處理凈化富集技術進行系統改進，以提高AIMS檢測的靈敏度、重現性和定量分析能力。

　　2AIMS在公共安全領域的應用

　　公共安全化學毒物檢測領域的代表性AIMS技術及應用實例。由數據可以看出，豐富、多模式的常壓電離技術可適配于不同類型的質量分析器，進行定性鑒定或準確定量測定，特別地，可有機結合對真空度要求不高的小型化離子阱質譜，實現現場快速檢測。目前已針對多種形式不同、內容復雜的樣品基質(如體液、表面、食品等)開展了成功實踐，化學戰劑、毒品等(易)揮發物質、爆炸物等高能化合物在多種常壓電離模式下均可達到ng/mL水平的檢測靈敏度。大多數技術尚需在定量分析方面繼續挖掘潛力。當然，需要提及的是，多種AIMS電離技術，其解吸附和電離機制尚待深入闡明，AIMS在公共安全領域的相關應用實踐，亟待從經驗、試錯、歸納等手段上升到理論引領層面。

　　2.1毒品篩查

　　針對包括鴉片類、合成苯丙胺類精神興奮劑、新精神活性物質(Newpsychoactivesubstances，NPS)等三代毒品，AIMS提供了強有力的技術手段，結合多種質量分析器，通過構建比對數據庫、靶向和非靶向篩查等實現快速篩查、檢測和鑒定。例如，Gwak等[46]對26種合成卡西酮、9種合成大麻素和苯乙胺類NPS進行快速篩查，DART-QTOF-MS/MS的檢出限(Limitofdetection，LOD)為300～340pg，雖較離子遷移譜高約10倍，但其線性范圍更寬。

　　且可同時提供全掃描和子離子掃描信息，準確性更高;Lian等[47]采用DART-TOF-MS和試劑分子輔助光電離正離子遷移譜兩種技術構建了分析物的母離子和碎片離子的精確質量數及離子遷移率數據庫，結合所提出的標準篩查程序和陽性檢出判定標準，可實現包括傳統毒品、合成苯丙胺類和NPS在內的53種濫用藥物的快速篩查;Duvivier等[48]采用DART-Q-Orbitrap篩查了頭發中的可卡因、安非他明和3，4-亞甲二氧基甲基苯丙胺等多種毒品及其代謝物，無需樣品前處理，LOD達0.5ng/mg。對于代謝物在內的痕量毒品篩查，研究者多通過提高電離效率、改善解吸附、結合簡便的樣品前處理等方式實現高靈敏檢測。

　　例如，提高分析物的電離效率方面，本課題組利用LTP-QTOF-MS/MS初步探究了干血斑中芬太尼類化合物的快速檢測方法，通過尖端套管對LTP探針進行結構改造以聚焦等離子體束，芬太尼類化合物的峰強度響應增強2～3.5倍;以石墨涂覆輔助激光照射，可增加基底的導電和導熱性能，分析物峰強度響應可進一步提高1.4～2.2倍[49]。Cooks課題組提出，在DESI-MS/MS中采用極性噴霧溶劑有利于提高極性分析物的電離效率[50]，對可待因、海洛因和安定的LOD達ng級水平;且更大噴霧面積的DESI離子源可顯著改善分析物在載體表面的不均勻分布對檢測結果的干擾，提高方法重現性[13]。

　　提高解吸附效率亦是提高檢測靈敏度的重要因素之一。Sisco等[19]采用熱解吸(Thermaldesorption，TD)-DART-MS和離子遷移譜對17種芬太尼類化合物和5種阿片類藥物進行快速和靈敏的檢測，單次擦拭巾上可被檢出的分析物最低質量為pg～ng水平，兩種方法均能在海洛因樣品中檢出摻雜低至0.1%的芬太尼。

　　Wang等[20]采用LTP-MS/MS對唾液中11種NPS進行快速篩查和定量分析，通過加熱輔助樣品解吸附，戊烯酮和5F-AKB-48等NPS的相對峰面積增加約3～10倍，LOD可達3.0～15.2ng/mL。Cheng等[22]采用TD-電噴霧電離(Electrosprayionization，ESI)-MS/MS結合探針采樣技術，對飲料、粉末、果凍糖、郵票等可疑樣品中的苯丙胺、甲氧麻黃酮、3，4-亞甲二氧基甲基苯丙胺和氟硝西泮等12種違禁藥品進行快速分析，整個分析過程耗時不到30s，方法快速且高通量。結合簡單樣品前處理可降低復雜樣品基質干擾，從而提高檢測靈敏度。LaPointe等[16]利用SPME處理尿液，進一步降低了基質背景干擾，對尿樣中3種合成卡西酮及其代謝產物進行DART-TOF-MS直接快速鑒定及半定量分析，信號強度增加5～60倍，達pg/mL水平，可滿足臨床檢測需求。

　　Vasiljevic等[51]報道了一種SPME傳輸模式與DART-MS/MS聯合的阿片類化合物高通量檢測系統，在與96孔板尺寸適配的高通量SPME裝置上修飾涂層材料，1.5h內即可完成96份生物樣品的萃取和分析，LOD達0.1～5ng/mL。Yang等[52]利用毛細管彈狀流微萃取，快速萃取全血和尿液樣本中痕量的安非他明類非法藥物，然后直接進行PSI-MS檢測，靈敏度較常規PSI-MS提高了1～2個數量級，LOD可達0.01～0.05ng/mL。現場檢測時，車載或便攜式質譜是AIMS的主要適配目標，如Brown等[53]將DART與便攜式離子阱MS結合，對大麻葉、疑似“K2”樣品、可卡因、海洛因、甲基苯丙胺、羥考酮片和阿普唑侖片等進行現場實時分析，結果與場外氣相色譜-質譜檢測結果一致。

　　Fedick等[24]將金納米顆粒修飾的紙基底同時作為手持式表面增強拉曼光譜(SurfaceenhancedRamanspectroscopy，SERS)的檢測基底和便攜式MS的常壓電離源，對模擬實際場景的6種環境表面進行pSERS-PSI-MS分析，均可檢出芬太尼，其實現SERS和MS快速檢測雙用途，有助于結果的互相印證，提高分析準確性。2019年，歐陽證課題組[54]研發出一款便攜式線性雙離子阱質譜，并實現了微管紙噴霧(Paper-capillaryspray，PCS)原位電離試劑盒的無縫應用。Kang等[23]利用PCS-MS/MS檢出攝入嗎啡和甲基苯丙胺病人尿樣中的原型藥物，并可通過分析尿樣中可卡因及其代謝物濃度比的變化推測可卡因攝入時間，LOD為50～250ng/mL;隨后利用此技術分析多種飲料中和塑料袋表面的芬太尼類化合物，LOD分別為10ng/mL和1ng/cm2[55]。

　　2.2爆炸物

　　爆炸襲擊是現代恐怖活動的主要手段。AIMS可對金屬、皮膚、塑料、聚四氟乙烯等多種環境表面爆炸物進行直接檢測[56]，還可拓展用于潛手印中ng級爆炸物的分析[27]。Cooks課題組最早對爆炸物進行了系列的AIMS檢測研究，采用DESI-MS/MS對紙張、塑料、金屬表面的三硝基甲苯(2，4，6-Trinitrotoluene，TNT)、環三亞甲基三硝胺(1，3，5-Trinitroperhydro-1，3，5-triazine，RDX)、環四亞甲基四硝胺(1，3，5，7-Tetranitro-1，3，5，7-tetraazacyclooctane，HMX)、季戊四醇四硝酸酯(Pentaerythritoltetranitrate，PETN)等多種爆炸物檢測，LOD達pg～ng水平[57]。

　　該課題組隨后發展的Reactive-DESI，在噴霧溶劑中添加氯化物等反應試劑，通過分子/離子反應形成[RDX+Cl]-加合離子，對RDX的檢測靈敏度提高了1個數量級，達10pg水平[58]，還可對人體皮膚表面的多種爆炸物進行快速無損檢測[59];結合不銹鋼離子傳輸管的遠距離傳輸，還可實現距離質譜儀3m遠的樣品表面的痕量爆炸物和化學戰劑模擬劑檢測，靈敏度仍保持在ng水平[60]。DESI-MS和解吸常壓化學電離(Desorptionatmosphericpressurechemicalionization，DAPCI)-MS檢測過氧化物類爆炸物，兩種方法的LOD均能達到ng水平[61]。

　　2.3化學戰劑

　　大規模殺傷性化學武器、化學恐怖襲擊始終是人類生存的重大威脅，目前已涌現出多份化學戰劑及其相關物質、實際樣品的AIMS分析檢測、測試評估等研究[27]。事實上，AIMS技術被譽為化學戰劑的“下一代現場檢測新技術”之一。

　　目前，AIMS技術在化學戰劑檢測中的應用以快速定性/半定量分析為主，技術和相應設備還有待進一步開發和提高。其關鍵在于結合化學戰劑劇毒、中/高揮發性等特點，進行技術改進或適配，以實現快速檢測和精確篩查。技術改進或適配方面，Dumlao等[67]采用活性毛細管等離子體電離(Activecapillaryplasmaionization)結合臺式質譜對法醫學樣品中的神經性毒劑模擬劑進行實時檢測。Wolf等[34，68]建立了新型活性毛細管DBDI-MS檢測系列化學戰劑(神經性毒劑、糜爛性毒劑、失能劑)及其結構類似物的方法，利用壓力輔助加熱蒸發納米噴霧技術將分析物氣化后直接進行檢測，LOD低至pg/mL水平，定量曲線相關系數(R2)>0.9969。

　　為提高靈敏度，Zhang等[38]采用金納米顆粒(Goldnanoparticles，AuNPs)修飾的紙基底進行LTP-MS檢測，發現由于AuNPs與等離子體高頻電磁場間的相互作用，使紙基底上神經性毒劑模擬劑甲基膦酸二甲酯(Dimethylmethylphosphonate，DMMP)和甲基膦酸二異丙酯的檢測靈敏度提高了800倍，LOD分別為0.1ng/mL和0.3ng/mL;在其后續研究中，采用銅針作為檢測基底，對銅針尖端的神經性毒劑及芥子氣水解產物進行LTP-MS檢測，與非導電性基底相比，大幅提高了分析物的解吸附和離子化效率，LOD為0.5～0.98ng/mL[39]。

　　多種功能化材料結合樣品前處理技術成為提高化學戰劑定性、定量能力的一種手段。AIMS發展早期，D�sAgostino等[31]即將頂空SPME與DESI-MS/MS相結合，實現了多種室內基質(墻面、纖維、紙張)上塔崩、沙林、梭曼和芥子氣等的快速檢測，成功應用于實際野外條件下軍事演習中采集的沙林樣品的快速分析。最近，Dumlao等[35]將SPME與LTP-MS結合，將修飾微孔材料的不銹鋼針同時作為采樣工具和離子化噴針，直接快速檢測尿液中的神經性毒劑模擬劑DMMP和膦酸二乙酯及水解產物片吶醇甲基膦酸，LOD為100ng/mL。

　　3總結與展望

　　AIMS技術以其開放環境、簡便操作、原位、實時、高通量等特點，一經提出，在公共安全檢測領域備受重視，近年來在新型電離方式、與復雜基質樣品形式的兼容性、與現場檢測方式的適配性等方面均取得了令人矚目的進展。當然，尚需有效克服AIMS相關的系列技術挑戰，包括重現性、定量能力、分析物范圍(類型)、靈敏度及復雜數據的解析能力等。

　　未來尚需集中于以下幾點進行深入研究、積累突破:①原理引領靈活設計，提高樣品檢測普適性和靈敏度。包括進一步明確和闡釋常壓電離解吸附和電離機制，深入思考和融合多種不同原理的解吸附和電離方式，根據分析物的物理和化學性質引入適當的電離增強試劑，創新化學策略適配常壓電離技術特點等;②創造高重現性環境，提高定量能力。影響AIMS重現性的因素涉及樣品導入、解吸附、電離及質量傳輸的多個環節，涵蓋采樣幾何形狀、采樣表面、樣品性質、周圍環境、離子源內部參數等多種因素。

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　　因此應從選擇高效的解吸附和電離技術、引入內標、結合多種快速前處理凈化富集途徑、提高樣品負載穩定性、甚至發展自動化采樣進樣平臺等多方面進行系統改進;③適配現場檢測應用需求，實現便攜性。包括創制適用的常壓電離源與便攜式、小型化質譜的兼容接口，結合3D打印、仿真模擬等實現結構設計和理論模型優化等;④聯合其它檢測技術，保障確證性。公共安全應急檢測往往需要多種檢測技術多角度共同確證。AIMS無疑從結構確證角度提供了有效手段，未來可望配合目前的主流檢測技術(如離子遷移譜、紅外/拉曼光譜、便攜式氣相色譜-質譜等)使用，在樣品適配檢測、數據庫共享、軟件自動分析等方面發揮強有力的聯合優勢。

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　　作者：朱穎潔1#，李冬梅1，2#，黃元軒1，徐斌1，郭磊1*，謝劍煒1