基于激光的電離質譜具有空間分辨率高、樣品預處理簡單、易于便攜化和可實現成像分析等特點?；|輔助的激光離子源質譜可以避免高能量對分子結構的破壞，在生物大分子分析和檢測方面獲得了廣泛應用。傳統(tǒng)輔助基質在低分子量范圍的干擾較強，極大地限制了常壓基質輔助激光離子源的應用，為解決這一問題，一系列基于新型材料的輔助基質被設計和開發(fā)出來。這些新型材料可分為兩大類：新型有機基質和無機材料。質量范圍的擴展和目標化合物靈敏度的增強，顯著擴展了常壓基質輔助激光離子化技術在原位分析中的應用。該文針對新型輔助基質在常壓激光離子源及其在食品安全領域的應用進行了綜述，并展望了未來的研究趨勢。

近年來，基于激光的敞開式離子源憑借其高效、原位、高空間分辨率和易于成像等優(yōu)勢，被廣泛應用于醫(yī)學檢驗、食品安全等領域，如常壓基質輔助激光解吸電離技術(Atmospheric pressure matrix assisted laser desorption/ionization，AP-MALDI)、電噴霧輔助激光解吸電離技術(Electrospray-assisted laser desorption/ionization，ELDI)、基質輔助激光解吸電噴霧電離技術(Matrix-assisted laser desorption electrospray ionization，MALDESI)、激光燒蝕電噴霧電離技術(Laser-ablation electrospray ionization，LAESI)、激光輔助解吸電噴霧電離技術(Laser-assisted desorption electrospray ionization，LADESI)、激光解吸電噴霧電離源(Laser-desorption electrospray ionization，LDESI)、激光燒蝕大氣壓光電離技術(Laser-ablation atmospheric-pressure photoionization，LAAPPI)、激光解吸常壓化學電離源(Laser-desorption atmospheric-pressure chemical ionization，LD-APCI)等?；诩す獾碾婋x技術雖然極大地促進了質譜分析向實時、原位檢測技術的發(fā)展，但解離過程中存在分子結構破壞嚴重、激光能量轉化效率低等問題，常需要添加輔助基質以提高對激光能量的吸收，改善特定波長激光的能量轉化效率。

AP-MALDI是一種在大氣壓條件下工作的軟電離技術，也是最常用的敞開式激光電離源，對于較難離子化的大分子物質(102～106 Da)，特別是蛋白質類的生物大分子，具有一定的離子化效果。AP-MALDI技術具有分析速度快、靈敏度高、實時原位檢測等特點，與另一種軟電離方法電噴霧離子源(ESI)相比，AP-MALDI對樣品的前處理要求更寬松，且更易得到單電荷離子峰?；谝陨蟽?yōu)點，AP-MALDI在醫(yī)學、藥學、食品等行業(yè)得到了廣泛應用。最近的研究表明，AP-MALDI可與便攜質譜(Portable mass spectrometry)相結合，極大地提高現場分析能力。

AP-MALDI的工作原理是使用激光照射待測物質與基質形成的共結晶薄膜時，基質從激光中吸收能量傳遞給待測分子，而電離過程中涉及到待測物質電荷轉移和由固態(tài)至氣態(tài)的相轉變過程，最后待測物以氣態(tài)離子的形式進入質量分析器(見圖1)。此外，基質的加入還可起到分散分析物的作用，防止分析物之間發(fā)生相互作用或產生類似于二聚體的信號。在此過程中，基質及其添加劑的性質(如酸堿度、分子量，是否具有發(fā)色團)、基質的使用方法等會直接影響共結晶的厚度和均勻程度，進而對電離的整體效果和分析結果的準確性、靈敏性和重復性造成巨大影響[8]。因此，選擇合適的基質或基質添加劑對于AP-MADLI的電離效果至關重要。

 圖1 基質輔助激光解吸電離的離子源原理及新型基質研發(fā)策略
 

Fig.1 Mechanism of matrix assisted laser desorption/ionization and development strategy of new matrix

1 AP-MALDI輔助基質的研究進展

根據基質的作用和既往研究，總結出輔助基質的幾個基本特點。首先，基質和待測樣品應具有較好的互溶性，或可溶于同一類溶劑中，使得基質材料存在于溶劑蒸發(fā)后與分析物形成的共結晶中，此時可認為基質材料是待測物的固體溶劑。其次，基質必須具有較強的特征波長吸收性質。AP-MALDI中的待測物需要由基質進行激光能量的吸收和轉移來實現軟電離，以避免樣品分子在激光中不必要的斷裂。除此之外，合格的基質還應具有反應惰性，既不與待測物質發(fā)生反應改變其結構和含量，又需有一定的吸附和解吸附能力。值得注意的是，揮發(fā)性的基質一般需提前進行排除，以減少基質對檢測結果的干擾。除了考慮以上特性外，基質的選擇還需要結合待測物的分子質量范圍和理化性質進行評估。然而，現有基質常具有局限性，例如基質與樣品分子共結晶不均勻，基質與樣品間能量轉移效果差，基質自身的電離峰干擾樣品檢測，這些問題阻礙著AP-MALDI的進一步應用。開發(fā)穩(wěn)定不易電離，能夠與樣品形成均勻而分散良好的共結晶的基質是推動AP-MALDI進展的首要任務。

1.1 傳統(tǒng)基質概述

自激光離子源(LDI)問世以來，最重要的突破莫過于使用基質作為化學反應的媒介。傳統(tǒng)的基質幾乎均為有機基質，具有芳香環(huán)結構，在245～355 nm波長范圍內具有明顯的紫外吸收，且分子量主要集中于200 Da左右，例如α-氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)、4-羥基-3，5-二甲氧基肉桂酸(SA)、9-氨基吖啶(9-AA)、2，4，6-三羥基苯乙酮(THAP)和2，5-二羥基苯甲酸(DHB)等。在這類基質中，可離子化的羧基、羥基是檢測多肽、蛋白質等極性物質的基質中常見的官能團，均能表現出一定的質子親和力，可與分析物之間形成質子交換。然而，傳統(tǒng)基質在檢測樣品時易出現部分區(qū)域內的信號強度明顯增大(稱之為“熱點”)，而其他區(qū)域信號強度降低的現象。“熱點”出現的不均勻性、隨機性和難避免性導致每次檢測的信號強度會出現明顯差異，這對樣品的檢測重現性有著不利影響。此外，基質自身電離產生的碎片離子峰會掩蓋、抑制或增強樣品的峰信號，干擾后續(xù)的質譜分析。為此，對現有基質進行加工修飾或開發(fā)新基質等改善措施是刻不容緩的。

1.2 有機基質的研究進展

目前有機基質的使用最為廣泛，且適合多種目標物的分析，其中，尼克酸是最早應用于MALDI中的有機基質。隨著人們對有機基質不斷深入的研究和發(fā)展，更多的有機基質因其在MALDI中良好的適用性而被發(fā)掘，如CHCA、9-AA、DHB等。雖然這些有機小分子在基質輔助激光離子源中具有一定的通用性和穩(wěn)定性，但隨著檢測目標的擴大和檢測要求的增加，傳統(tǒng)基質的局限性限制了其進一步應用。最初，由于小分子物質的化學可塑性，人們著力于傳統(tǒng)基質的優(yōu)化，這在一定程度上提高了對某些特定對象的分析表現，但其局限性未得到有效改善。而對傳統(tǒng)基質進行修飾，或采用添加劑、混合基質等方法，是目前比較主流的改善基質輔助激光離子化效率的方法。

1.2.1 針對傳統(tǒng)基質的修飾

Fukuyama團隊通過對傳統(tǒng)DHB基質進行長鏈烷基化修飾，得到新基質烷基化二羥基苯甲酸(ADHB)。由于疏水烷基鏈的引入，基質和疏水性多肽的結合能力大大增強，從而改善了該疏水性物質的檢測效果。將ADHB與傳統(tǒng)基質CHCA進行比較，發(fā)現ADHB對疏水性肽鏈的結合效果顯著增強，檢測靈敏度提高了10～100倍，但“熱點”不均勻現象并未得到很好地改善，且ADHB因單獨作為基質缺乏離子化能力而只能被用作添加劑。該團隊進行了進一步探索：引入烷烴鏈對傳統(tǒng)基質THAP進行功能化修飾，產生新基質烷基化三羥基苯乙酮(ATHAP)。與傳統(tǒng)基質CHCA相比，該新基質規(guī)避了“熱點”的產生，檢出限降低了1個數量級。除了功能化修飾外，新原子的引入對于基質的質子親和力也具有很大影響。Jaskolla團隊以CHCA的結構為基礎引入了氯，產生的新基質Cl-CHCA相對于傳統(tǒng)CHCA表現出更強的多肽親和力以及檢測靈敏度，同時重現性也得到改善。膜蛋白對于生物系統(tǒng)至關重要，但其特殊的性質使分析和檢測成為難題，尤其是疏水性膜蛋白。Wang等對CHCA的羧基烷基鏈進行酯化修飾，并合成了一系列衍生物，其中CHCA-C3對完整蛋白分子表現出極高的檢測靈敏度。這主要歸功于該新基質的高激光消融能力以及分子間疏水親和力的提升。總體來說，針對某種特定目的進行傳統(tǒng)基質的修飾是一種簡單、可行、有效的方法。

1.2.2 基于傳統(tǒng)基質的混合基質

以傳統(tǒng)基質的理化性質為基礎，結合不同添加劑或不同性質的基質進行總體基質的改變，是近年來研究人員探索的一種較簡易的方法。Abdelhamid等將糠酸和甲芬那酸混合生成新基質，用于檢測谷胱甘肽、三磷酸腺苷、磺胺噻唑等混合物。新基質可有效吸收激光能量并進行能量轉移，減少了離子碎片峰的數量，并顯著提高離子化效率。將新基質與傳統(tǒng)基質DHB進行對比發(fā)現，新基質在真空條件下呈現出更高的穩(wěn)定性，推測是由于混合基質中的甲芬那酸具有高于DHB基質1.2倍的升華能力。Lu等以喹諾酮類物質為基質添加劑，檢測血液中的痕量喹那普利。研究發(fā)現含氮化合物可以抑制血液中共存物對喹那普利分析的干擾，而傳統(tǒng)基質CHCA即使經過優(yōu)化、修飾也不能很好解決這一難題。同時比較了氧氟沙星、雙氟沙星等喹諾酮類物質作為基質添加劑的效果，證實使用該類物質作為基質添加劑對血液中痕量喹那普利的識別和定量具有很好的效果。

1.2.3 離子液體基質

由于傳統(tǒng)基質中“熱點”不均勻問題的不可避免，在AP-MALDI檢測過程中信號處理往往需通過平均化全部光斑區(qū)域的光譜能量以獲得更可靠的結果，但經過平均化的結果準確性和重復性較差，參考意義低，不能用于量化。因此，相關解決方法必須從基質與分析物共結晶的均勻性入手，例如通過快速蒸發(fā)基質溶液或添加改性劑，但這些改進往往需要復雜操作或額外設備，難以實現現場分析效果的改善。近年來，液體基質的應用極大改善了輔助基質中共結晶不均勻問題，尤其是離子液體，受到越來越多研究者的青睞。離子液體是指在室溫下呈液態(tài)，熔點低于100 ℃的鹽，于2001年首次出現在輔助基質的報道中，但當時所用的室溫離子液體因不具有顯著的紫外吸收性質而未得到重視。隨著科技進步，研究人員在此基礎上進行了改進，通過等摩爾混合經典的酸性輔助基質(CHCA、DHB、SA)與不同的有機堿(吡啶、三丁胺、1-甲基咪唑)產生新的液體基質。這些新基質顯示出很好的兼容性與分析性能，很大程度上改善了固體基質的“熱點”問題。Shrivas團隊將CHCA-丁胺與DHB-丁胺進行等摩爾混合得到新的離子液體基質，用于鑒別小鼠肝細胞和腦切片中的磷脂及其分布。采用質譜成像技術對新基質和普通基質進行對比，結果證明離子液體基質可有效改善共結晶不均勻問題，并且高重復性證實了此方法的有效性和可靠性。由于寡糖與傳統(tǒng)基質中碎片離子的分子量較為接近，使用AP-MALDI區(qū)分和檢測寡糖較為困難。Pei等分別考察了4種生物堿與DHB合成的離子液體基質，選擇2，5-二羥基苯甲酸丁胺(DHB-BuN)作為基質用于分析寡糖樣品，并證實該方法具有較好的靈敏度和重復性。在此基礎上，對大豆和大豆葉直接切片后進行基質輔助激光解吸電離質譜(MALDI-MS)成像分析，省去了繁瑣的前處理過程，且使用該基質質譜檢測背景干擾低，寡糖的分布清晰，重復性好。Ling等開發(fā)了一種由四甲基胍和THAP以3 ∶1混合而成的離子液體基質，優(yōu)化后的基質表現出很好的重現性和耐鹽性，可在負離子模式下有效降低磷酸化肽的碎裂，選擇性地提升磷酸化肽的檢出率。這進一步說明離子液體基質在基質輔助激光離子源中具有很大的應用潛力。

1.2.4 新型有機基質

盡管采用不同的添加劑或修飾方法可在很大程度上對現有基質進行改造，但開發(fā)新的有機化合物作為基質仍是該領域的熱門方向，尤其是針對一些缺少質子化基團、穩(wěn)定性差、極性大的目標物，因為這類目標物的質譜分析往往需要冗長繁瑣的前處理程序。鹽類物質在近年也被用作新基質。Chen等發(fā)現含氮物質在負離子模式下的檢測性能更好，選擇N-(1-萘基)-乙二胺作為新輔助基質在負離子模式下分析小分子化合物，結果表明與傳統(tǒng)基質CHCA和DHB相比，新基質的碎片離子峰更少，靈敏度更高。Wang等使用香豆素類化合物作為基質用于疏水性化合物的分析，并比較了5種常見香豆素以及傳統(tǒng)基質CHCA和DHB在MALDI中的分析性能，其中6，7-二羥基香豆素-3-羧酸對于疏水性化合物表現出更好的檢測靈敏度、穩(wěn)定性以及重現性。由于糖苷鍵的不穩(wěn)定性，相應的分析檢測方法往往使用堿金屬添加劑來保持其結構穩(wěn)定。此外，一些生物特異性的識別分子也被用于基質修飾，以提高方法選擇性，如核酸適配體修飾、分子印跡修飾等。

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