納流液相分離與電感耦合等離子體質譜聯用技術研究新進展

丁芳芳, 朱 玨, 郭 睿, 張 博*

(1. 廈門大學化學化工學院, 福建 廈門 361005; 2. 浙江省食品藥品檢驗研究院， 浙江 杭州 310051)

近年來,分析科學研究越來越關注微納尺度樣品檢測。20世紀80年代出現的硬電離技術電感耦合等離子體質譜(ICP-MS),因其檢出限低、通量高、動態范圍寬等特點,正逐步成為微納尺度分析中不可或缺的元素分析工具。ICP離子源溫度高達6 000～10 000 K[1],足以使樣品中化學鍵斷裂,同位素離子化成為帶正電的陽離子。因此,ICP-MS對元素的檢測與所處分子環境無關,受基體影響小,常用于獲取金屬和部分非金屬元素及其同位素的定量信息,是目前研究的熱點。

隨著現代生命科學研究對元素形態分析的關注,液相分離與ICP質譜聯用技術的應用也愈加廣泛。微量元素的生物活性及毒性不僅與該元素的總量有關,更依賴于該元素的賦存形態:同種元素的不同化學形態,其生物活性和毒性相差甚遠,從而導致不同的環境毒害與生物效應。因此,微量元素的形態分析變得越發重要,僅檢測微量元素總量已無法滿足不斷發展的生物化學、毒理學和營養學等領域的研究需要,還需進一步提供微量元素的形態鑒定及定量信息。

對有限的生物樣品中的微量元素進行表征,需要納流液相分離技術和元素質譜技術的耦合。納流液相分離是指體積流量在幾十～幾百納升/分鐘的液相分離技術,包括納流液相色譜(nanoLC)、毛細管電泳(CE)以及微流控芯片(micro-chip LC, CE)[2],其顯著區別于經典的高效液相色譜技術通常使用的毫升/分鐘的體積流量。由于其極低的體積流量,納流液相分離技術一方面能夠顯著減少樣品和溶劑消耗、降低分析成本、減小樣品稀釋程度、提高分析檢測靈敏度,與微尺度樣品有優良的匹配性;另一方面,低速、微量的液流輸入還能顯著降低下游質譜離子源的負擔,因而與質譜檢測器有良好的兼容性。納流液相分離技術與ICP質譜分析聯用(見圖1),既具有前端分離技術高選擇性、高靈敏度、快速、低樣品消耗的特點,又結合了后端ICP-MS檢測分辨率高、動態范圍寬、可絕對定量等優勢,正在發展成為一種重要的分析手段。

圖 1 納流液相分離與ICP-MS聯用分析平臺Fig. 1 Hyphenation of nanoflow liquid phase separation techniques with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS)

接口技術是實現液相色譜-質譜聯用的關鍵,納流液相分離-ICP-MS聯用平臺包括在線聯用和離線聯用兩種方式。離線聯用的關鍵是對已分離樣品的有效收集。分離和檢測在時空上相對獨立,可同時實現前端液相分離流出物在最佳流速下沉積存儲,后端質譜根據需要選取合適的數據采集速率[3,4]。與離線聯用相比,在線聯用則具有樣品損失少、自動化程度高、分析速度快等優點。在線聯用需要設計合適的接口,用于將已分離的樣品轉移到質譜儀中,接口裝置通常包括霧化器和霧化室兩部分,為了實現穩定的噴霧效果、高效的離子化和盡量小的死體積,人們不斷對接口裝置進行創新和改進。

微納液相分離與ICP-MS聯用技術,此前已有多篇綜述報道。1997年,Garraud[5]最早綜述了微徑柱液相分離與原子光譜技術聯用;2007年,Schauml?ffel[6]對nanoLC與元素質譜技術聯用進行了簡短綜述;2014年,Grotti等[7]對微柱HPLC與ICP-MS聯用做出了系統綜述。2010年,Pr?frock[8]對包括毛細管液相色譜、nanoLC、CE等微尺度分離技術與元素質譜聯用在蛋白組領域的應用進行過綜述。本文總結了納流液相色譜、毛細管電泳、微流控芯片等納流液相分離技術與ICP-MS聯用裝置的基本構造,介紹了2010年以來納流液相分離技術與ICP-MS聯用發展新趨勢,就其聯用技術新進展及其在各分析領域的應用予以綜述,并對其發展前景進行展望。

1 納流液相分離與ICP-MS的聯用

納流液相分離通常在100 μm內徑以下的石英毛細管或微流控芯片通道內中進行,流量范圍多為50～500 nL/min。而常規ICP-MS樣品引入系統一般包括氣動霧化器和雙程霧化室兩部分,霧化器適用流量約為1 mL/min,且霧化室死體積較大(40～100 cm3),會導致譜帶展寬[9]。因此,納流分離與ICP-MS聯用要解決的是洗脫液流速與霧化器消耗量匹配的問題,需要設計合適的接口用于納流液相分離和ICP-MS聯用。納流液相分離與ICP-MS接口的設計可追溯至1995年,最早由Olesik等[10]提出CE與ICP-MS聯用。經過二十多年的發展,已出現數十種類型的接口,其中有的接口已實現商業化。按接口結構,可主要劃分為兩大類:鞘液接口和無鞘液接口。

鞘液接口是最早實現商業化的接口類型,其特點在于通過引入鞘液,提高總樣品流量使其與霧化器消耗量匹配。為降低稀釋效應影響,鞘液接口多基于微流消耗量的氣動霧化器。目前主要有兩種類型:霧化器/霧化室式接口、直接注射式接口。

微流霧化器一般分為兩種類型:同心式霧化器和非同心式霧化器。隨著研究的不斷發展,微型同心霧化器接口樣品提取量可低至3～7 μL/min[9]。通過降低同心霧化器中央毛細管尺寸或減小出口氣孔內徑,能有效提高霧化器霧化效率,但會降低霧化器耐鹽性。因此,出現了氣相和液相結構上相互獨立的非同心式霧化器,非同心式霧化器包括錯流式、并行路徑式等,解決了耐鹽性問題,但氣溶膠均一度不夠好,霧化效率不夠高。

常規的霧化器/霧化室式接口的樣品傳遞效率較低(通常2%～20%),會導致樣品浪費和記憶效應的產生。直接注射式接口(DIN)的出現,解決了樣品傳遞效率的問題。DIN接口的噴頭固定在等離子體后幾個毫米的位置[11],不使用噴霧室的基礎上,樣品傳遞效率可達到100%。DIN接口缺點在于價格昂貴,操作復雜且較為脆弱,因此出現了DIN和高效霧化室(HEN)結合構建的直接注射高效霧化接口(DIHEN)[12],該接口綜合了DIN樣品傳遞效率高和HEN氣溶膠液滴粒徑分布窄且均勻的特點,通過內接毛細管(內徑20 μm,外徑90 μm)設計[13],有效降低DIHEN的死體積。為克服DIHEN霧化器噴針易堵塞的缺陷,出現了可拆卸式DIHEN(d-DIHEN)[14,15],可隨時更換堵塞或熔融的毛細管,從而降低成本。

隨著分析檢測對儀器的靈敏度要求越來越高,無鞘液接口由于不存在任何稀釋效應而逐漸受到青睞。相比于鞘液接口,無鞘液接口因其易堵塞或斷流,設計難度較大。接口設計多基于納流消耗量的霧化器[16],通過進一步降低噴霧毛細管的內徑和壁厚,以及氣體出口部分的面積,并在其后連接更低死體積的單程霧化室,適用流量可低于500 nL/min。

2 納流液相分離與ICP-MS聯用研究新進展

2.1 CE-ICP-MS接口技術

CE技術是以石英毛細管為分離通道,高壓直流電場為驅動力,依據樣品各組分在電遷移行為上的差異而實現分離的分析方法。通常,毛細管電泳的電滲流流速在0.1～1.0 μL/min。CE-ICP-MS聯用裝置需要滿足以下條件:(1)提供穩定的電流和電連接;(2)CE/MS接口流速與CE毛細管中電滲流的速度相容;(3)避免因CE毛細管兩端壓力差引起的層流[17]。迄今為止,主要有鞘液接口、無鞘液接口和其他接口技術。

2.1.1鞘液接口技術

鞘液接口是最早建立且實現商品化的CE-ICP-MS接口技術。通過引入鞘液,提高總樣品流速使其與霧化器流速匹配,同時能有效克服因氣動霧化在毛細管出口端產生的負壓,避免層流的產生。

用于CE-ICP-MS聯用的各類商品化接口,目前已得到了廣泛應用。CETAC公司設計的CEI-100型接口[18],在自吸模式下,適應流速約為5.4 μL/min[19]。用于粉煤灰和鯊魚肝中As、Se元素形態分析時,檢出限分別達到0.6～1.8 ng/mL和0.5～1.4 ng/mL[20]。Agilent公司的CE-ICP-MS聯用儀(Agilent 7500ce)搭配Mira Mist CE霧化器(Burgener Research Inc.,加拿大)和Scott-type霧化室,用于環境中穩定存在的氧化態Np(IV)和Np(V)形態分析時,檢出限分別為1×10-9和5×10-10mol/L[21]。另一種商品化MicroMist霧化器(GE,澳大利亞)也被用作CE-ICP-MS連接接口,通過兩種不同電泳方法考察了4種有機錫化合物與人血清白蛋白相互作用[22],測得結合常數的RSD值為6.0%～8.3%,表明該CE-ICP-MS聯用裝置的準確度高。經過多年的發展,商品化鞘液接口的易用性和準確度已得到廣泛認可。

商品化CE-ESI-MS噴霧接口[23,24](G1607A, Agilent, USA)也被用作CE-ICP-MS的霧化器。CE流出物與鞘液在CE毛細管出口端直接混合并噴霧,有效避免了霧化之前產生死體積,用于10種含As化合物中As元素的形態分析時,檢出限低至19～65 fg[25]。進一步優化后,在CE-ESI-MS霧化器后端接自制的DIHEN霧化室(見圖2),有效提高了樣品傳遞效率,且裝置易于搭建,檢出限低至0.11 μg/L[26]。

圖 2 基于商品化CE-ESI-MS霧化器的CE-ICP-MS接口[26]Fig. 2 CE-ICP-MS interface based on commercial CE-ESI-MS sprayer[26]

圖 3 基于3層套管結構的高效同軸霧化接口[27]Fig. 3 High performance concentric nebulizer based on triple tube configuration[27]PEEK: polyetheretherketone; PTFE: polytetrafluoroethylene; HPCN-PT: high performance concentric nebulizer with the PTFE tube.

2010年以來,一些課題組對CE-ICP-MS聯用裝置進行了新的技術探索。Fujii等[27]發展了一種高效同軸霧化接口,如圖3所示。該接口裝置包括3層套管霧化器、微體積霧化室以及一根固定在霧化室內的石英毛細管作為液流通路,3層管路的設計有效提高了裝置的耐鹽性[28]。此后,該課題組[29]對裝置進行了改進,將液流通路毛細管內徑逐漸減小,使得尖端外徑為20 μm,尖端壁厚<8 μm。將其用于雙鏈DNA的定量分析[27],在液流速度為10 μL/min,霧化氣流速為1 L/min時,基于流式聚焦效應,產生更穩定的氣溶膠,生成的初級氣溶膠平均粒徑為3.4 μm,磷的檢出限和絕對檢出限分別達到3.7 μg/kg和0.6 pg(相當于6 pg DNA)。

另一種基于流式聚焦的霧化平臺與上述設計類似[30],采用十字連接器,四端分別連接分離毛細管、鉑電極和噴霧氣(Ar),最后一端通過毛細管連接到霧化器內,其后連接單通道噴霧室,Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)和總Cr的檢出限分別為0.1、0.2和0.03 μg/L。

2.1.2無鞘液接口技術

無鞘液接口一般將CE出口毛細管直接與ICP-MS霧化器相連,不通過鞘液來抵消霧化器吸力,因而不存在稀釋效應,但設計難度較大。Yang等[31]設計的無鞘液式CE-ICP-MS接口,如圖4所示。將毛細管裝入一個不銹鋼管套中,利用不銹鋼管形成電流回路;管后連接蠕動泵1,再與一個三通相連,三通的另兩個通路分別與蠕動泵2和質譜檢測器連接。這個設計的顯著優勢在于可以隔離霧化氣和CE,使霧化氣的吸力作用不影響CE分離;同時,接口死體積降至5 nL以內。但此裝置需要使用兩個蠕動泵,進行多次驅動和暫停來完成一次分析,操作較繁瑣;且在暫停時,不可避免地會有已分離組分的擴散和返混,降低CE分離效率。

圖 4 無鞘液式CE-ICP-MS接口[31]Fig. 4 Sheathless interface for CE-ICP-MS[31]

Cheng等[32]成功設計了一種帶尖端的可拆卸霧化器接口(d-CMN),用于CE-ICP-MS聯用。該接口由霧化器主體、帶尖端的石英毛細管和聚四氟乙烯適配器組成,自吸流速低至4.77 μL/min;內插的石英毛細管尖端處內徑為30 μm,壁厚5 μm,霧化器氣孔直徑為200 μm。由于文丘里效應(Venturi effect),有利于在低載流流速下形成均一且穩定的氣溶膠,用于碘化物和碘酸鹽分析時,絕對檢出限達到0.20和0.29 fg,可拆卸式設計使得毛細管堵塞或損壞時易于替換,大大改善了接口的可操作性和壽命。

2.1.3其他接口技術

氫化物發生(HG)進樣技術,是利用能產生初生態氫原子的還原劑,將樣品溶液中的待測元素還原為沸點較低的揮發性化合物,進而在載氣的攜帶下進入質譜檢測器進行檢測的技術。采用氫化物發生進樣技術,分析物的傳輸效率接近100%,并且還能實現目標分析物與復雜樣品基體的分離,為某些重要元素(As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Hg等)的形態分析提供了一種優良的途徑。但目前,該技術的局限性在于在通入氫氣和衍生化過程中,過量的氫氣會導致CE背壓升高,不利于分離;且裝置結構復雜只適用于少數幾種元素的分析,因而應用范圍相對較窄,近年來并沒有新的研究報道。此前,Magnuson等[33,34]報道了兩種CE-HG-ICP-MS接口,利用多個蠕動泵,將CE和HG系統分隔開,避免硼氫化鈉-酸還原體系產生的大量氫氣影響CE分離。另外一種設計簡單的CE-HG-ICP-MS接口,采用低死體積氣旋霧化室分離氣液兩相,同時減少氫氣產生并降低稀釋效應[35]。

2.2 nanoLC-ICP-MS接口技術

相比CE-ICP-MS聯用,nanoLC-ICP-MS接口裝置更為簡單。部分基于微流霧化器的商品化CE-ICP-MS接口在nanoLC-ICP-MS聯用中已得到廣泛應用。

nDS-200型納流霧化器的出現[16],首次實現了無鞘液式nanoLC-ICP-MS聯用。其后,Rappel等[36]又改進設計了新型的納流霧化器nDS-200e,以內徑20 μm、外徑90 μm的薄壁石英毛細管取代空心石英針頭,有效降低背壓,減少堵塞現象,樣品適應流速范圍更寬(50～4 000 nL/min);還可通過不同尺寸霧化器及霧化室結構的設計,構建鞘液或無鞘液接口。Holste等[37]利用十通閥,在上述nanoLC-ICP-MS聯用裝置基礎上增加了在線預清洗步驟:用于分析鑭系元素標記的多肽時,先進行6 min預清洗,背景金屬信號值降至樣品峰高0.44%,多肽回收率得到顯著提高。

對于自行構建的nanoLC-ICP-MS聯用平臺,在元件方面有了更自由的選擇,普遍采用自制的納流液相色譜柱。本小組在微柱制備方面有較好的積累,基于單顆粒柱塞法不僅能夠制備用于nanoLC、CEC的毛細管微柱[38-42],還嘗試了短柱床[43]、超長柱長[44]、多級柱床[45]、多檢測點微柱[46]等多種柱型,為nanoLC-ICP-MS聯用提供了豐富選擇。這一單顆粒柱塞法已被同行用于CE-ESI-MS聯用[43],并在最近也應用到了nanoLC-ICP-MS聯用中[47,48]。

Cheng等[32]基于先期設計的無鞘液式CE-ICP-MS可拆卸霧化器接口,最近還開展了nanoLC-ICP-MS研究[47]。由于該裝置顯著降低的死體積(60 nL),他們采用毛細管色譜柱獲得了亞砷酸鹽、砷酸鹽、甲基砷酸鹽、二甲基砷酸鹽高分辨分離與高靈敏檢測。在最新的工作中,Cheng等[48]進一步改進了裝置設計,發展了共軸雙層毛細管結構(見圖5):將毛細管填充色譜柱作為內毛細管直接引入至霧化器中,外毛細管作為載氣引入通道。這一接口不僅使得死體積最小化,還可以相對獨立地分別優化霧化效率和樣品傳輸效率,從而在納流液相色譜條件下獲得高靈敏度、高分辨率和低檢測限。相比于商品化的霧化器,Cheng等[48]發展的霧化裝置不僅制作簡單、快速,且重現性好、成本低廉,具有顯著優勢。

圖 5 基于毛細管柱直接插入式霧化器的nanoLC-ICP-MS接口[48]Fig. 5 An in-column high-pressure nebulizer-based nanoLC-ICP-MS interface[48]

圖 6 基于單分散微液滴樣品引入接口的nanoLC-ICP-MS 聯用裝置[49]Fig. 6 Monodisperse microdroplets-based nanoLC-ICP-MS interface[49]

不同于傳統的連續流霧化裝置,Groh等[49]提出單分散微液滴(MDMD)樣品引入接口,如圖6所示。將納流液相流出物直接與內徑30 μm的壓電噴頭毛細管相連,生成40～50 μm(33～65 pL)大小的液滴,然后引入到ICP炬中檢測。此裝置適合在低損耗條件下的微量樣品引入,樣品引入效率達100%,檢出限低至fg級。缺點在于商品化的液滴生成裝置死體積較大(50 nL),如果能與微流控芯片技術結合,將顯著減小樣品死體積,提高檢測分辨率。

2.3 微流控芯片ICP-MS接口技術

微流控芯片是利用微機電加工(MEMS)技術在玻璃、硅、石英和有機高分子聚合物等基片表面,構建微管道、微閥、微泵等分析單元和系統,完成進樣、樣品預處理、生物或化學反應、分離和檢測等操作,具有低樣品消耗、高通量、易于集成化等優勢[50],是化學與生化分析的優良工具。

芯片電泳(MCE)與常規毛細管電泳相比,體積小、分析路徑短、樣品譜帶展寬效應弱,分析速度更快。而且,通過芯片多通道設計或者芯片并聯,更容易實現多通道/多維分離,可以大大提高分析通量;特別是芯片與MS接口技術的發展將大大促進MCE-MS聯用技術的發展。MCE-ICP-MS聯用的方法主要分為兩類:一類是將ICP源和CE微芯片整合在一起;另一類是將毛細管噴霧器附加在CE微芯片內。對于前者,目前已有報道利用低流速的商品化噴霧器[51,52]或可拆卸的微流噴霧器[32,53]作為接口,這些接口裝置對于大多種元素的檢測,檢出限可達ppm級,已用于實際樣品的檢測。而后者的應用更有利于裝置的微型化,對于這種附加終端毛細管噴霧器的接口,需考慮兩個重要因素:一是連接處的死體積,另一個是通道間的對準。液接型無鞘液接口雖然對準容易,但死體積大,因此很少使用。而鞘液型接口由于其對樣品的稀釋作用會導致靈敏度降低。總體而言,MCE-ICP-MS接口技術還不成熟,但由于芯片電泳具有分離時間短、樣品消耗少、高通量的優點,這種接口技術已逐漸成為研究的熱點。

液滴微流控基于兩相不混溶的流體生成微小液體單元,通過分裂、融合、混合、分選、存儲和編碼等操作實現微小樣品單元的精密操控,是新一代的微流控技術。我們曾進行過該主題的綜述[54,55]。

最近,Verboket等[56]報道了基于液滴微流控芯片與ICP-MS聯用的技術;液滴切割是在流式聚焦(flow-focusing)構型的PDMS微流控芯片孔道內進行。在樣品通道的末端兩個分支孔道內引入不相溶的油相(PFH),油相將樣品液流切分成納升級的液滴單元,樣品以微液滴的形式收集并能保證無擴散的儲存和轉移;最后通過膜去溶裝置蒸發去除油相,再引入ICP-MS中分析檢測。該方法可實現單細胞中的元素分析,但該報道中并未涉及樣品引入前端的高效分離裝置。

圖 7 基于離線接口的CE-MALDI-MS/ICP-MS離線聯用裝置[65]Fig. 7 Off-line interface for CE-MALDI-MS and CE-ICP-MS[65]

由于其微納尺度的分辨率,液滴微流控技術能夠與納流液相分離很好地匹配[57-59]。我們在早期的工作中嘗試了納流液相分離與液滴微流控芯片的耦合[60]。將納流液相色譜分離后的樣品以納升級液滴的方式存儲下來,這樣一方面保存了液相色譜所獲得的分離度;同時也使得樣品能夠相對獨立地進入第二維毛細管電泳,并實現色譜與電泳的分別優化。事實證明,液滴微流控是一種高效的微納尺度二維分離解決方案,適合微小尺度樣品的二維分離分析[61]。在后續的工作中[62],我們將液滴微流控技術結合我組建立的單顆粒塞微柱制造技術[38-40],構建了基于納流液相色譜-毛細管電泳的二維微納分離平臺,以人尿液蛋白質組體系為分析對象,我們獲得了12 000的高峰容量。可以期待,液滴微流控技術與ICP-MS技術的結合將為高分辨和高靈敏度的生物醫學研究,如金屬蛋白組學,提供全新的分析工具。

2.4 離線聯用技術

納流液相分離與ICP-MS離線聯用也正在引起研究者的關注。離線聯用將分離與檢測過程在時空上分隔開來,能夠分別同時滿足分離與檢測的最優化。激光燒蝕電感耦合等離子體質譜(LA-ICP-MS)[63]、基底輔助激光解吸電感耦合等離子體質譜(SALD-ICP-MS)[64,65]等新型ICP-MS技術的出現,為離線聯用提供了可能。將經過納流液相色譜或電泳分離后的組分,以連續流或液滴流的方式,收集到合適的靶板上;蒸發、導入到上述ICP-MS平臺上檢測。這類方法更易于操控樣品,不需額外設計接口,初次MS檢測沒有消耗完的珍稀樣品,還可儲存以待下次分析。

Tomalova等[64]將CE分離后的樣品收集到特制的聚乙烯對苯乙二醇(PETG)靶板上,PETG作為輔助基質,有利于樣品充分的熔融、解離,以實現后端ICP-MS對元素的定量分析。后來,他們改進該方法[65],在PETG靶板上預先濺射了10 nm厚的金涂層,用于金屬硫蛋白(MTs)分析,能同時滿足后端MALDI-MS和ICP-MS兩種檢測方式的實現(見圖7)。目前,離線聯用技術的精確度、靈敏度不夠高[66],還有待發展。

3 納流液相分離與ICP-MS聯用技術的應用

隨著聯用接口技術的日趨豐富與成熟,微納液相分離-ICP-MS聯用技術已成為現代化學與生化分析中有力的研究工具。由于能夠跟蹤被測元素在不同形態下的信號變化,該技術的應用范圍涉及生命體系,水、土壤等環境監測以及新材料與新能源等領域。它不僅可以分析金屬配位絡合物的元素形態,進行元素形態的確認和定量分析,還能夠解析重金屬或過渡金屬與有機物反應和遷移的化學機理、毒性機理,這些研究為疾病診斷、藥物開發、食品監測、環境風險評估等提供了重要依據。

3.1 蛋白質分析與生物醫學中的應用

蛋白質組學研究在臨床檢驗、生物醫藥等領域起著關鍵作用,其中蛋白質的定量分析對于腫瘤標志物測定、臨床疾病的診斷和治療、蛋白質和多肽藥物的質量控制等具有重要意義[67]。ICP-MS是檢測生物系統中微量和痕量元素的理想工具,不僅靈敏度高、特異性好,而且測量時不易受基體的干擾。生命體系中ICP-MS的研究主要面向:以非共價鍵偶聯的金屬蛋白質組,如Cu、Zn、Cd、Fe等;以共價鍵偶聯的雜原子蛋白組,如P、S、Se、I等;加入元素標記的非金屬蛋白組,如I、Hg、鑭系金屬標記等[68]。

2012年,Timerbaev等[69]對CE-ICP-MS在抗癌藥物與金屬蛋白質組形態分析中的應用進行了綜述,研究金屬基抗癌藥在血液中富集、運輸、轉移至癌細胞及在癌細胞內的作用過程。Aleksenko等[70]采用CEI-100接口作為CE-ICP-MS連接裝置,研究了體外細胞內條件下含釕抗癌藥物血清蛋白加合物的形態。Nguyen等[71,72]利用Mira-Mist接口分離了脂質體包裹順鉑和蛋白質結合順鉑中的游離順鉑,檢出限可低至29 ng/mL。生物體內的溶菌酶含量與乳腺癌息息相關[73], Fu等[74]采用Gd3+標記技術,結合自制的CE-ICP-MS接口用于生物體內溶菌酶的定量分析,檢出限低至3.89 amol,同樣的裝置用于銪標記的3種β-CMs多肽的定量分析時,檢出限可達1.79～2.13 amol[75]。

3.2 納米材料分析中的應用

納米材料具有異于常規材料的物理化學性質(如高比表面積、粒徑調控熒光、電子隧道效應等)[76,77],由于這些特殊的物理化學性質,納米材料在光學、電子、生物、醫藥等領域具有重要的應用價值[78,79]。目前,納米材料作為藥物載體、催化劑、分子診斷標記物等已經得到實際的應用[80],主要應用于抗菌劑、醫藥、生物傳感器等產品中[81-83]。這些應用使納米材料跟人體密切接觸并被釋放到環境中[84,85],因此納米材料的健康效應以及環境安全性引起了人們的關注。

研究表明,納米尺度內,粒徑較小的納米顆粒更容易進入細胞內,從而導致更強的生物活性及生物損傷[86]。納米銀是應用最為廣泛的納米材料之一,當納米銀的穩定性遭到破壞,納米銀顆粒將發生團聚現象,顆粒粒徑增加,部分或全部失去納米材料的特征性質。顆粒的團聚將影響細胞對顆粒的吸收和吞噬作用[87],從而影響顆粒的生物可利用性和毒性。近年來,毛細管電泳技術被廣泛用于納米材料的表征[88-92]:基于斯托克斯效應,不同類型及粒徑的多分散球形納米粒子,因其表面電荷數的差異,可經CE-ICP-MS技術實現同步分離與檢測。在毛細管電泳過程中加入高濃度表面活性劑作為電解液[93],還可以有效提高10 nm以下納米粒子的分辨率。該技術相比于透射電鏡或動態光散射,準確度更高,可用于復雜基體中納米粒子的尺寸鑒定,但局限在于其只適用于表面電荷均勻的球形納米粒子。

ICP-MS在單顆粒模式下運行,可用于分析稀溶液中的納米粒子。其原理在于,單個納米顆粒的離子氛信號與其質量成正比,由此可以推知納米粒子的尺寸,同時還可以獲得顆粒濃度信息。實踐中,單顆粒ICP-MS的效果與顆粒的駐留時間和信號處理方法密切相關。Franze等[94]基于CE與單顆粒(SP-ICP-MS)聯用,實現了10～60 nm金納米顆粒的分析,然而其駐留時間仍在毫秒水平。最近的工作中,這一研究小組[95]通過改進信號處理算法,將可分辨的駐留時間縮短到微秒水平,并實現了20～60 nm銀納米顆粒的高分辨分離分析。

在設計與研發應用于人體的功能納米材料時,不可避免地需要評價納米顆粒與蛋白質的加成物,因而迫切需要能夠分辨和表征納米顆粒-蛋白加成物的分析工具[96]。Legat等[97]基于CE-ICP-MS技術以及前期自行開發的數據處理算法[98],研究了不同形狀、尺寸和表面功能化的金納米粒子與血清蛋白的相互作用行為,通過系統地優化CE分離條件,成功獲得了游離納米粒子以及不同納米粒子-蛋白加成物的基線分離。這一分析策略的實現使得監測與評價生理條件下金納米顆粒的形態變化成為可能[99]。

3.3 環境監測中的應用

3.4 食品分析中的應用

食品安全與功能食品研究已成為全球關注的議題。隨著現代工業的快速發展。環境污染、化學合成品的使用量增加,重金屬元素隨食物鏈傳遞,最易在食品中富集。食品中的污染元素與人類健康密切相關,對食品的質量控制及食品中殘留的農藥及抗生素類藥物檢測對人類健康極為重要。Qu等[106]采用α-淀粉酶輔助水相微波提取方法結合CE-ICP-MS技術對大米中的4種常見形態的砷進行檢測,檢出限為0.15～0.27 ng/g。Chen等[107]對海鮮中的鉛進行形態分析,在20分鐘內測定蛤和牡蠣組織中的Pb2+、氯化三甲基鉛(TML)和氯化三乙基鉛(TEL), RSD<5%(n=6),回收率為91%～104%。Fu等[108]成功測定了營養補充劑(吡啶甲酸鉻酵母片)中的Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)和吡啶甲酸鉻,檢出限分別為0.10、0.18和0.20 ng Cr/mL。Fu等[109]報道了一種分散式固相萃取法,即在攪拌條件下,將萃取劑直接投入到樣品溶液中吸附并富集分析物。使用該方法,他們提取并富集了水樣中的MeHg、EtHg和Hg2+,并基于CE-ICP-MS,同步分析了痕量的MeHg、EtHg和Hg2+。海產品尤其是貝殼類海產品會富集蛤蚌毒素,并通過食物鏈傳遞給人類。Fu等[110]通過Eu3+螯合物標記策略實現了蛤蚌毒素的間接檢測,方法具有抗干擾性強、穩定性好以及靈敏度高等諸多優勢。

4 總結與展望

經過30多年的發展,納流液相分離-ICP-MS聯用已成為重要的分離分析手段,在各個領域均得到廣泛的應用。本文綜述了近年來納流液相分離-ICP-MS聯用接口技術的發展及其在化學與生命分析領域的應用。未來的發展趨勢,仍將集中在提高液相色譜分離能力、新型接口技術以及應用研究方面。

(1)隨著色譜儀器與色譜填料技術的不斷進步,液相色譜的分辨能力有了很大的提升。但對于高度復雜的生物體系(如蛋白質組)來說,單維液相色譜1 000多的峰容量仍然顯得不足。多維分離可以通過耦合不同的單維分離技術獲得更高的分辨率。可以期待,多維分離與ICP-MS的聯用將能提供更豐富的樣品信息。

(2)引入在線富集技術,如SPE微柱在線聯用或者毛細管柱上富集,將進一步提高液相分離-ICP-MS聯用的選擇性和靈敏度,簡化基質復雜的生物樣品的分析流程,減少樣品的損失,提高分析通量。

(3)應用研究的進一步拓展。元素質譜技術(ICP-MS)和分子質譜技術(ESI-MS、MALDI-MS)是兩種互補的質譜技術,元素質譜具有無可比擬的元素定量能力和高靈敏度,而分子質譜能夠提供豐富的分子結構信息[111, 112]。元素質譜和分子質譜與前端液相分離的同步聯用將有望提供復雜分子體系全面的信息,這樣的聯用平臺將在蛋白質組學、代謝組學等重要生命科學前沿領域發揮重要作用。