从创新到转化：新兴直接分析质谱平台的分析性能、定量就绪度与转化成熟度

《JOURNAL OF MASS SPECTROMETRY》：From Innovation to Translation: Emerging Direct-Analysis Mass Spectrometry Platforms

常压与直接分析质谱（ambient and direct-analysis mass spectrometry）已从以概念验证为主的快速筛查，转向具有更清晰转化潜力的日益稳健的分析平台。本聚焦性批判综述考察以下四个新兴或具有战略相关性的平台：介质阻挡放电电离（dielectric-barrier-discharge ionization, DBDI）、液体电子电离（liquid electron ionization, LEI）、纸锥喷雾电离（paper cone spray ionization, PCSI）和砂纸喷雾电离（sandpaper spray ionization, SPS）。DBDI、PCSI和SPS属于常压或类常压直接采样方法。LEI作为补充性直接分析平台纳入，因为其电子电离（electron ionization, EI）化学可提供具有结构信息的碎片化，并能弥补软电离方法的某些局限。本综述强调离子源与基底工程、分析重现性、定量就绪度、便携性以及应用驱动实施方面的近期进展。综述利用文献中的代表性证据区分已证明的分析性能与更广泛的转化潜力，同时认识到所报告的检出限和精密度值取决于方法、基质和分析物。本文并非罗列所有常压电离方法，而是批判性评价所选四个平台在法医、环境、药物和现场分析场景中的机制优势、局限、成熟度和现实实施前景。总体而言，这些技术体现了直接分析质谱的更广泛成熟化，其长期影响将日益取决于定量验证、重现性、工作流程标准化以及与实际问题分析需求的整合。

1 Introduction
质谱（mass spectrometry, MS）因灵敏度、分子特异性、结构解析能力和广泛应用仍是现代分析化学的重要技术；但传统流程常依赖样品制备、溶剂提取、色谱分离和集中仪器，限制现场或原位应用。常压电离质谱（ambient ionization mass spectrometry, AIMS）经解吸电喷雾电离（desorption electrospray ionization, DESI）和实时直接分析（direct analysis in real time, DART）等证明可直接或微准备分析。二十年来AIMS扩展为喷雾、等离子体、热、激光和混合策略，应用覆盖食品、法医、临床、环境、药物和成像等；与便携/小型化MS、高分辨质量分析器、离子迁移谱（ion mobility spectrometry, IMS）和计算工作流结合提高了现场能力、选择性、结构解析和鉴定置信度。然而方法多样化导致概念碎片化，许多平台仍为概念验证，重现性、定量稳健性、实验室间可靠性和转化就绪度不足；基质效应、离子抑制、机制理解不完整、采样异质性和标准化不足限制采用。因此近期进展更多体现为源工程、分析可靠性、定量能力、工作流整合和自动化。本文聚焦2021—2026年四个平台：DBDI、LEI、PCSI和SPS；DBDI、PCSI、SPS属常压或类常压直接采样，LEI作为补充直接分析平台因硬电离提供结构信息。选择依据机制多样性、近期发展、分析效用和工作流相关性；比较批判性评估性能、重现性、定量证据、便携性、采样约束和成熟度。

2 Dielectric-Barrier-Discharge Ionization
DBDI为等离子体常压电离，交流高压经介电屏障产生非热等离子体，反应物种促进解吸电离；源几何、气体、电参数和热条件影响性能。2007年研究用铜片、放电电极和玻璃片分析20种氨基酸，L-丙氨酸LOD 3.5 pmol（SIM）、RSD 5.78%；同年固体表面TNT、RDX、PETN LOD分别为10 pg、0.1 ng、1 ng，TNT RSD 5.57%。介电屏障减少电极侵蚀污染；源几何影响离子加热和源内碎裂。热辅助可增强挥发和解吸但慎用于热不稳定物；2025年顶空优化DBDI乙醇LOD 0.1 mM，10 mM RSD 5.6%，部分VOCs LOD 0.00025–0.005 mM。应用食品、法医、生物标志物、临床和VOCs。转化优势简单、常压、快速、少前处理；但定量值方法依赖，重现性受几何、条件、采样和基质影响，机制复杂标准化难，源设计多样限制商业化。需标准协议、实验室间基准和基质验证。总体较成熟，挑战在标准化可重现性能。

3 Liquid Electron Ionization
LEI-MS将液相流转化为气相后电子电离（EI），扩展EI至液相工作流，克服液体流与高真空EI不兼容，适合非极性、异构和小至中等分子化合物。其强项是产生重现、结构信息丰富的EI碎片，可经NIST等谱库匹配鉴定，较软电离直接分析对基质效应敏感性低，兼容低/高分辨分析器，支持靶向、非靶向、定性和半定量。接口工程（汽化微通道、毛细管、流速控制、传输效率）提高灵敏度和稳健性，并兼容纳流液相色谱，扩展法医、毒物、药物和环境应用。限制是EI广泛碎裂降低分子离子丰度，接口复杂且便携性低；但当重现EI谱和结构判别为首要目标时权衡有利。E-LEI-MS用微升溶剂常压提取表面分析物后进入EI源，无需色谱和大量前处理，产生可谱库匹配的重现碎片，用于药物、法医、违禁物和表面残留快速筛查，包括苯二氮卓类等痕量残留。总体LEI优先重现结构信息和谱库兼容。

4 Paper-Spray-Derived and Substrate-Based Platforms: PCSI and SPS
PCSI是基底直接分析MS成熟化。传统纸喷雾证明采样、提取和直接MS整合；PCSI尤其3D打印改善重现性、机械稳健性、几何控制和设计定制。3D-PCSI-MS以导电聚合物锥整合增材制造、直接采样和类电喷雾电离，提高几何重现和制造一致性，并将采样、提取、电离集成。固体/颗粒样品入锥腔，加溶剂原位提取，高压下锥尖喷雾；已检测爆后TATP，观察[TATP + Na]⁺的MS/MS。材料需按溶剂兼容选择：PVDF耐化学广但不适合PFAS等氟化分析物，PETG和热塑性共聚酯弹性体为成本有效替代。PFAS在六种土壤/沉积物中经诊断MS³谱鉴定，LOD 100 ppt–10 ppb，<2 min/样，支持高通量筛查；但不可与DBDI/LEI直接比较。PCSI契合快速、少处理、自动化和现场部署，与便携MS兼容，可适应不规则表面；限制为基质抑制、溶剂-材料兼容和实验室间验证不足。
4.1 Paper Cone Spray Ionization
上述内容表明PCSI的核心在于以工程化锥形基底集成采样、提取与喷雾电离，尤其3D打印提升重现性和定制化；其应用证据包括爆炸物和PFAS，但定量解释须受基质和验证设计约束。
4.2 Sandpaper Spray Ionization
SPS-MS由纸喷雾衍生，用磨料高表面积砂纸机械转移难采样固体表面分析物，保留类电喷雾操作。2023年概念验证用商用砂纸采样并电离，切成三角形，加甲醇和高压；用于咖啡豆表面检测咖啡因、糖和羧酸。后续扩展至药片、食用大麻和植物组织，检测活性成分、辅料和寡糖，并以PCA/HCA区分感染枫叶。转化优势低成本、简单、快速、兼容化学计量和便携MS；限制是破坏性采样、表面代表性有限、砂纸背景、基质效应及定量/实验室间验证有限。SPS当前最强贡献是硬表面机械采样，整体仍早期。

5 Comparative Overview of Emerging Direct-Analysis Mass Spectrometric Platforms and Quantitative Performance and Cross-Platform Interpretation
文中以比较性归纳区分平台特征。DBDI为等离子体常压电离，适合VOCs、液体、食品、药物和残留，定量就绪中等，便携中高，强项广兼容、少准备、低成本，限优化敏感和基质依赖，成熟中等。LEI为液转气后EI，适合药物、法医残留和环境，定量中高，便携低中，强项结构特异、重现碎片和谱库兼容，限接口复杂和便携有限，成熟中等。PCSI为类电喷雾锥喷雾，适合土壤、沉积物、爆炸物、PFAS和法医固体，定量中等、低LOD筛查，便携中高，强项集成采样/提取/电离和可定制，限基质抑制和溶剂-材料兼容，成熟中高。SPS为磨料基底辅助类电喷雾，适合药片、植物和硬固体，定量低中、验证有限，便携潜力高，强项硬表面采样和低成本，限破坏采样和验证不成熟，成熟早期至中等。定量证据包括DBDI乙醇0.1 mM、VOCs 0.00025–0.005 mM及RSD约5.6%–5.78%；LEI农药低皮克级LOD；PCSI PFAS 100 ppt–10 ppb、<2 min/样；SPS仅定性检测、无LOD/LOQ/RSD。作者强调LOD、LOQ、RSD和线性范围受方法、基质、分析物、仪器和采样配置影响，缺乏跨平台共同验证框架是转化差距。

6 Future Perspectives
未来应优先建立跨实验室、基质和仪器配置可比对的验证框架，标准化报告LOD、LOQ、精密度、线性、基质效应、采样变异和失败模式，使定量就绪度透明可重现；并控制采样几何、采用内标、自动沉积/收集和计算校正以减少操作者依赖。商业发展应聚焦标准化硬件、可互换源组件、可重现基底制造、简化界面和便携质量分析器兼容；基底平台应把溶剂兼容、背景、耐久性和制造可追溯性作为设计标准。自动化可改善定位、样品处理、采集和质控，机器人/半自动工作流在法医筛查、药品质控和环境监测中有价值。高级计算分析可提升高维谱分类和异常检测，但受监管应用需代表性训练集、外部验证、透明指标和模型漂移控制。便携性仍是目标，现场部署需质控程序界定快速结果何时足够、何时需确认分析。未来研究应区分探索性演示与验证方法，明确决策用途、采样限制、定量验证状态和仪器间可转移性；下一阶段依赖整合而非增殖，重现采样、定量可靠、操作稳健和可信验证的平台更可能持续采用。

7 Conclusions
文献表明直接分析MS从概念验证转向分析可信，强调重现性、定量证据、工程精炼和现实工作流兼容。四平台互补：DBDI广兼容、简单且有定量性能，但源/基质敏感需标准化；LEI提供重现EI碎片和强结构特异、较低基质敏感，但接口复杂限制便携；PCSI以增材制造改善采样重现、机械稳健和现场兼容；SPS以简单机械适配采样难固体表面但相对不成熟。总体进展依赖分析性能和实际工作流整合，而非仅新电离概念；比较检出限和精密度需谨慎，因分析物、基质、仪器和采样配置影响。直接分析MS应视为传统色谱互补而非普遍替代，优势在快速筛查、少前处理、直接表面、便携和分子指纹；常规采用需标准方法、实验室间验证、定量基准和稳健仪器。