1.3 无机基质的研究进展

为扩展基质辅助激光离子源在分析领域的应用，研究者在基质开发方面开展了大量工作。随着有机基质的不断进展，基质在激光照射中产生的干扰碎片逐渐减少，对分析检测结果的影响也逐渐降低。然而，更低基质干扰和更干净基质峰的实现却稍显困难。与有机基质不同，以碳材料和多孔材料为代表的多数无机基质在AP-MALDI条件下自身不易发生电离或信号低，不会形成较强的碎片离子峰，且更大的比表面积和多孔结构使样品分子分散更均匀。与传统基质相比，无机基质的背景信号峰普遍更低，基本不会对分析物的检测造成干扰。因此，对无机基质材料的探索逐渐兴起。

 图2 可用于辅助基质的碳基材料及其常见修饰策略
 

Fig.2 Carbonaceous materials for auxiliary substrates and their modification strategies[30]

1.3.1 碳基纳米材料

在所有无机材料中，碳材料(包括石墨、石墨烯、碳纳米管等)因具有良好的光吸收性和电荷转移能力，不易发生电离和碎裂，且具有高度生物相容性而吸引了大量研究人员的关注[29]。碳材料的引入最早起源于石墨在MALDI中的应用，但这种三维层片状结构并不能很好地分散于溶剂中。条状碳纳米管是二维结构，由于体积的缩小，该材料在溶液中的分散性得到了很大改善，但其与靶板的亲和力较小，易在激光照射时脱离靶板而污染离子源。为改善新材料对靶板的吸附效果和在溶液中的分散性，对碳材料进行修饰成为研究者的首选(见图2)。

2010年，石墨烯首次被报道作为新基质使用，其片层结构和较大的比表面积被认为是成功应用于AP-MALDI的显著优势，且克服了小分子范围内碎片干扰峰频出的问题，对多种化合物(如聚胺、核苷、氨基酸等小分子)表现出很好的检测性能。因此，对石墨烯及以石墨烯为基础的改性或功能化材料的研究和探索也显著增加。Gulbakan等将氧化石墨烯和适配体结合生成适配体功能化氧化石墨烯，这种新材料对血液中的可卡因和腺苷表现出很好的富集作用。Min等考虑到杂原子与石墨烯结合可以形成稳定的π键，既可吸收足够的能量又具有捕获质子的潜力，使用热退火合成方法，以气态三聚氰胺作为氮源合成氮掺杂石墨烯。合成的新基质在正离子模式下产生大量且复杂的加成物离子峰，但在负离子模式下仅产生相应的分子离子峰，且无背景离子峰。

石墨烯具有特殊的电子和自组装特性，这为新材料的发展提供了更多机会。而六隅体的结构具有极高稳定性和低化学反应活性，尤其是盘状多环芳烃类高纯度有机材料。其中，典型的盘状多环芳烃为苯并菲以及六环六苯并蔻(HBC)衍生物。在2014年对HBC的合成和使用进行了突破后，Wei课题组首次使用该类材料作为辅助基质检测3种磺胺类抗菌药，并与CHCA等3种传统基质和常规石墨烯进行了比较，结果说明该课题组合成的新基质对于磺胺混合物具有很好的信噪比和区分能力，同时背景离子峰少，具有更好的检测灵敏度。

碳点是迄今为止发现并投入使用的最小碳纳米材料，尺寸一般在10 nm以下。与其他碳材料相似，碳点在低分子量处难电离，仅会出现比较集中且易于区分的碳簇峰，m/z超过120以后则无背景峰，这是有机基质所无法比拟的优势。不同于普通碳材料，碳量子点表面含有丰富的亲水基团(如羟基、羧基)，在溶液中具有良好的分散性，因此具有作为辅助基质的巨大潜力。2013年，氮掺杂碳量子点首次被用作基质并取得了瞩目的成果，自此，开发新的碳量子点基质成为分析行业内的潮流。Wang等通过水热法制备氮和硫共掺杂碳量子点，并对其作为基质的性能进行了鉴定和比较，结果证明该方法无基质相关峰的干扰，且对于多种小分子具有较强的适用性。

1.3.2 磁性功能材料

磁性材料的优势是使样品具有在外磁场作用下易于分离的性能。在实际检测中，磁性材料的添加可以简化前处理步骤，节省检测时间和劳动力消耗。分析流程如图3所示。常用的磁性材料包括铁、钴、镍及其氧化物(如四氧化三铁、三氧化二铁)、合金材料及其混合物等。目前应用最广的磁性材料为四氧化三铁，其纳米颗粒具有磁性强、尺寸小、比表面积大和生物兼容性良好的优点，常被制作成纳米微球磁性复合材料。功能化修饰是对磁性功能材料进行加工的基本方法之一，Liu等对四氧化三铁纳米氧化石墨烯材料进行聚丙烯酸功能化修饰，发现其对正离子有机物具有明显的吸附和分离效果。将磁性颗粒包裹于碳材料的表面制备磁性复合材料则是另一个主流方向。使用这种方法合成的磁性石墨烯/碳纳米管复合材料，不仅具有很强的磁性，还有效避免了碳纳米管和石墨烯的团聚。

 图3 磁性辅助基质用于激光离子源的样品预处理及其分析流程
 

Fig.3 Sample pretreatment and analysis process of magnetic matrix applied to laser based ionization source

Wei课题组使用Hummers法合成了氧化石墨，随后对其进行超声剥离得到氧化石墨烯，再利用氧化还原反应合成了磁性氧化石墨烯，最后在其表面覆盖1层二氧化硅。该方法不仅解决了磁性材料脱落问题，还保持了材料的磁性以供多次重复使用。该团队将合成的新材料作为基质直接用于喹诺酮类药物的快速检测，前处理和样品富集耗时大大缩短。与CHCA相比，新基质不仅背景干扰小，而且具有极高的灵敏度和信噪比。

1.3.3 其他无机材料

在辅助基质中，硅材料(如二氧化硅)和金属材料(如金纳米颗粒)等占据重要的位置。Abdelhamid等[30]首次提出了用介孔二氧化硅(G@SiO2)包覆石墨烯作为辅助基质，石墨烯通过表面活性剂作用于SiO2，表面活性剂作为引发剂引起进一步电离。与传统基质不同，该G@SiO2成功产生了多电荷多糖，为多电荷电离方法的进展提供了参考。沸石是一种典型的具有介孔结构的硅铝酸盐材料，作为典型的骨架型硅酸盐，其结构包括硅(铝)氧四面体-环-笼-分子筛，被广泛用作工业催化剂与吸附剂。因沸石本身不具有共轭结构，因此大多作为添加剂或修饰材料使用，但其表面的阳离子交换功能可使其呈现出不同的酸度，因此可作为质子供体或质子宿主，用以提高分析物的峰响应。Suzuki等使用锂修饰沸石结合THAP形成新基质，该基质能够对传统MALDI难以检测的低分子量物质进行检测，且对乙酰水杨酸和苯巴比妥也表现出较好的检测能力。

2 AP-MALDI在食品领域的应用

食品含有多种营养成分，如碳水化合物、蛋白质、肽、脂类、氨基酸和有机酸。除营养成分外，食品还可能含有害物质，如农兽药残留、真菌毒素、有害食品添加剂和致癌物质等。因此，从食品安全角度来看，分析和检验食品的组成成分至关重要，而这些成分因理化性质不同需要不同的分析检测手段进行定性定量。气相色谱-质谱联用(GC-MS)和高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS)是分析食品成分的常用方法。其中，针对挥发性有机化合物的鉴定和分析多采用GC-MS法，如多元醇和维生素等，或使用衍生化试剂对非挥发性化合物进行处理后检测。HPLC-MS法利用被分析组分的极性差异进行分离后再进行质谱鉴定，可用于分析多种不同性质的化合物。虽然这些方法具有通用性，但往往面临冗长而繁琐的前处理过程，且对于特殊性质的物质，传统方法难以满足检测需求。除了定量研究，空间分布检测在食品加工、真假鉴别和食品安全中也发挥着重要作用，而这一检测目标需要更特别、有效的分析方法。

基于AP-MALDI的质谱成像是一种先进的二维分析方法，既无需对组织切片进行复杂的提取、纯化、分离，也无需对分析物进行标记，是一种方便有效的检测手段。表1归纳了近几年AP-MALDI相关分析方法在食品分析领域的应用。Nakabayashi等将制备的切片直接转移到具有ITO涂层的玻璃玻片上，随后进行质谱成像分析，显著改善了植物组织样品制备阶段水分的控制。Enomoto等使用传统DHB基质对猪肉中的酰基化合物和胆碱类化合物进行成像分析，并以此作为食品质量评价的标准。De Oliveira等基于MALDI结合质谱成像针对巧克力中的可可开发了一种半定量技术，不仅可以有效检测其分布，还能为健康食用巧克力提供参考。新基质也被应用于食品的质谱成像分析。Wisman等采用盐类作为基质对水稻中的米曲霉菌丝进行检测，优化选择N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐(NEDC)作为基质，以期能够通过此方法提高食品安全性。纳米材料的发展极大地改善了营养物质的分析表现。Nizioł等开发了一种109Ag纳米粒子增强靶板(109AgNPET)用于对草莓中的多类小分子有机物进行检测，使小分子化合物的检出限明显降低。张峰团队通过质谱成像技术分析了土豆芽中生物碱的空间分布情况，并建立了时间变化规律模型，这对于食品安全风险捕捉与规律挖掘具有重要意义。常压基质辅助激光原位质谱成像技术是可视化食品分子组成的一种有价值的工具，不仅可以识别食品的营养成分含量，还可通过组分的分布特点提高食品安全性，对于机理研究、原位分析、现场检测等具有实际价值。

表1 常压基质辅助激光离子化质谱在食品分析及食品安全中的应用

Table 1 Application of food analysis and food safety using atmospheric pressure matrix assisted laser ionization source mass spectrometry

(续表1)

3 结论与展望

常压基质辅助激光技术的出现改善了LDI中难挥发和热不稳定的高分子量样品的离子化问题，并在一定程度上扩展了可检测范围，为分析应用提供了新的方向。经过近几十年的发展，形成了几个较通用的传统基质如CHCA、DHB、THAP等，这些基质虽然检测大分子物质的效果良好，但对于低分子量化合物，由于自身电离产生的干扰峰以及“热点”现象等局限，限制了其进一步的应用，也推进了不同的基质及基质添加剂的进展。从最基础的传统基质修饰，到液体基质、无机基质的引入，AP-MALDI的应用范围不断加大。纳米材料、磁性材料、碳材料以及硅材料的结合及其不断创新，使基质背景峰干扰越来越少，甚至达到几乎无背景干扰。伴随着灵敏度和信噪比的不断提升，前处理步骤也逐渐减少，使得AP-MALDI方法更易与便携设备结合，实现现场快速分析。新基质材料的引入不仅使离子化效果得到改善，还减少了分析方法对硬件设备性能的依赖，大大降低了分析成本。另一方面，扩展的化合物种类(尤其是各类小分子物质)也拓展了其应用范围，通过多学科融合，推进了特定应用领域(如食品分析领域)研究的广度与深度，也促进了新型便携设备、新型离子源、新原理分析方法的研发。从本文可以看出，快速现场分析今后的发展方向是提高检测灵敏度和分析选择性、简化流程以及降低成本。辅助基质的创新工作，必将大大促进基于激光离子化质谱技术的广泛应用。辅助基质的发展趋势不再局限于简单的化学改性，多类材料及纳米材料的联合应用将是未来的主要发展趋势。

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