李志豪，王蔚昕，石高軍，梁魯寧，光曉俐，齊鳳亮，廉 哲，張 健，鄒積鑫

（公安部物證鑒定中心，北京 100038）

質(zhì)譜成像（mass spectrometry imaging, MSI）技術是利用成像軟件識別離子掃描信息的質(zhì)譜領域的一種前沿技術。該技術由于不需要待測物有熒光反應、無需衍生化等樣品前處理步驟、可提供精細的被測物成分分布信息等諸多優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)的成像方法更加受人青睞。自范德堡大學（Vanderbilt University）的Caprioli等[1]在1997年提出基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像（matrix-assisted laser desorption ionization-mass spectrometry imaging,MALDI-MSI）技術后，該技術在蛋白質(zhì)組學、代謝組學、新藥研發(fā)以及生物醫(yī)學等領域獲得了長足的發(fā)展[2-3]。目前，有較強穩(wěn)定性的商業(yè)化質(zhì)譜成像技術包括MALDI-MSI、解吸電噴霧成像技術（desorption electrospray ionization-MSI, DESI-MSI）、 二 次 離 子質(zhì)譜成像技術（secondary ion mass spectrometry-MSI,SIMS-MSI）等。然而，在法庭科學的文件檢驗領域，由于待測樣品面積不算很小但墨跡層極薄，造成實際樣品量很小，有效成分含量較低，特別是對于一些高價值檢材（如票證、合同、書畫等），必須做到在無損或微損的情況下對成分進行準確分析，而MALDI-MSI成像技術需要在樣品表面沉淀一層基質(zhì)，再進行表面成像。SIMS-MSI則是在高度真空的環(huán)境中，利用高能初級離子束轟擊樣品表面[2]，解吸出樣品表面的待測物質(zhì)，將其離子化，產(chǎn)生的次級離子再進入質(zhì)量分析器，進而被檢測分析。因需要在真空環(huán)境下進行，不適用于樣品面積較大的檢材。同時三維金屬基質(zhì)增強二次質(zhì)譜技術（threedimensional metal-assisted-SIMS, 3D MetA-SIMS）、冷凍飛行時間二次質(zhì)譜技術（Cryo time-of-flight-SIMS, Cyro-ToF-SIMS）等新興技術也需要在表面沉淀基質(zhì)，可能對樣品造成破壞。2004年解吸電噴霧電離等常壓敞開式離子化質(zhì)譜技術[4-5]提出后，該技術由于可在常壓的條件下對樣品進行采樣，原位解吸樣品，不需在真空條件下進行，不需在樣品表面沉淀基質(zhì)，對樣品的損傷較低，因此促進了質(zhì)譜技術的應用范圍向快勘快檢、實時分析、微損檢測等領域進行拓展。DESI-MSI自提出以來已被廣泛應用于環(huán)境檢測、食品檢測、刑事技術等領域，本文對這種敞開式離子化質(zhì)譜技術在文件檢驗中的應用進行梳理，并對其發(fā)展前景進行展望。

1 DESI-MSI技術原理及處理方法

DESI-MSI技術研發(fā)基礎是ESI技術，由普渡大學（Purdue University）的Cooks等提出，相關技術發(fā)表在2004年的Science上[4]，并于2006年進行成像應用[6]。DESI的工作原理如圖1所示：在常壓敞開的環(huán)境下，溶劑（一般為甲醇等常用溶劑）通過霧化毛細管，噴射到樣品表面，同時進行解吸和電離，解吸后攜帶樣品離子的液滴通過離子傳輸管進入質(zhì)譜進樣口進行檢測[7]。

DESI-MSI相比于其他的質(zhì)譜成像技術具有如下優(yōu)勢：

1）無需真空，在敞開環(huán)境下即可進行操作，樣品前處理較為簡單[8]。

2）屬于軟電離的電離方式，其解吸離子為分子離子，分析干擾程度低，后續(xù)還可使用二級質(zhì)譜[9]。

3）無需使用基質(zhì)覆蓋，可在對樣品表面破壞性較小的情況下實現(xiàn)成分定性定量分析[10]。

4）電離源適用于極性化合物的電離，包括文件物證中常用的油墨、印油等，應用范圍較廣[11]。

5）后續(xù)質(zhì)譜儀的可拓展性強，可使用包括離子阱質(zhì)譜儀和高分辨飛行時間質(zhì)譜儀在內(nèi)的各種儀器對離子展開分析[12]。

對于文件材料樣品，使用DESI-MSI分析主要分為3個步驟：

1）樣品前處理。保持文件載體（通常為紙張）表面平整，不存在卷曲、翹起和褶皺現(xiàn)象，以保證噴頭正常工作，不會被阻擋。對于沒有條件的文件，可以仿照生物檢材采用壓印的方式間接成像。如果文件表面塑封或覆膜，則需要去除文件表面覆蓋的物質(zhì)，使紙張及墨跡直接暴露在空氣中才可分析。

2）檢測。檢測所用的溶劑攜帶高電壓隨噴射氣體從噴霧口噴出，吹掃到待測樣品表面，解吸后的表面分子形成液滴被吸進離子傳輸管[13]。

3）數(shù)據(jù)處理。樣品中每個特征離子均可形成在樣品中的豐度分布圖，可使用成像軟件進行分析比對[8-9]。可同時取多點用于化學計量學分析，包括主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘判別分析（partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA）等。

由于每次進樣都需要在表面使用液滴進行解吸與電離，其檢測結果受到噴霧口與樣品距離、離子傳輸管與樣品距離、噴霧流速及液滴大小等因素的影響，確認實驗結果的準確度是該技術實際應用的前提。Gurdak等[14]對不同實驗室間DESI-MSI儀器實驗結果的準確度展開研究，使用完全相同的分析方法和樣品，對20個實驗室中購買或自制的DESIMSI儀器的結果進行比對分析。如圖2所示，對雙面膠帶及上面的羅丹明B染料進行重復測定并進行分析。使用相同的測定方法，共55個測樣點，其中1a，22a，44a為空白點，按箭頭指示順序測樣，使用不同取樣點羅丹明B特征離子的信號強度相對標準差表示準確度。分析溶劑組成、污染程度等影響DESI過程的因素，并針對不同溶劑組成對特征離子信號強度的影響進行研究。發(fā)現(xiàn)其相對強度的RSD值低于9%，通過對電噴霧溶劑的控制，相對標準偏差值可以控制在5%以下。

2 文件/墨跡檢驗

DESI-MSI因常壓處理、對樣品微損、可形成比對圖像等優(yōu)勢已在文件/墨跡檢驗領域得到了較為廣泛的應用。該技術可對字跡墨跡進行微損檢驗，從文件表面獲取大量成分信息和空間分布信息，進而實現(xiàn)高效區(qū)分。

Ifa等[15]報道了利用DESI-MSI檢驗藍色圓珠筆書寫文件字跡添改的可行性研究，對文件的圓珠筆字跡的成分進行了無需預處理的質(zhì)譜成像分析，其X軸分辨率可達200 nm以下。將不同顏色的墨水書寫的2D圖案使用DESI-MSI成像后，發(fā)現(xiàn)在不同的質(zhì)荷比下，不同墨水存在差異性，表明使用DESI-MSI進行表面成像研究的可行性。

Eberlin等[16]進一步將DESI源聯(lián)接到一個可移動平臺上，對于DESI-MSI檢驗藍色圓珠筆字跡的重復性展開研究，使用甲醇水溶液作為噴霧溶劑，對同一字跡進行多次掃描分析，得到的結果差異性小，表明該技術可以很好地適用于法庭科學中文件物證的分析。同時，通過分析質(zhì)譜成像中不同特征離子下的成像圖片，可區(qū)分不同油墨成分的圓珠筆，基于添改筆畫與原筆畫之間成分的差異，可以很好地將添改后的字跡識別出來。

吳比躍等[17]對10支黑色簽字筆書寫的“11”被添改成“47”的90個樣品使用DESI-MSI進行分析，使用甲醇作為噴霧溶劑，XY分辨率均為100 μm。發(fā)現(xiàn)該技術能將約93.3%的樣品中的添改前后字跡分辨出來，特別是對于無熒光反應、含碳量相似，使用文檢儀無法鑒別的黑色中性筆筆跡樣品，DESIMSI仍然能很好地區(qū)分。作者還對同一區(qū)域進行二次檢驗以驗證特征離子信號強度的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)并無明顯衰減。

在對書寫/印刷墨跡成分進行分析的過程中，可對筆跡油墨成分進行微損檢驗。從文件表面直接獲取墨跡成分的分子信息及其豐度分布，進而檢驗可疑文件真?zhèn)?。然而需要注意的是，由于DESI-MSI在樣品表面進行的是一種微溶解的過程，受噴霧量及噴霧速度的影響，樣品表面的墨跡可能會存在暈染的現(xiàn)象，從而破壞樣品的完整性。

3 文物檢驗

Heaton等[18]將DESI-MSI應用到文物鑒定領域，可在不破壞文物的情況下直接分析與文物表面結合的蛋白質(zhì)。將DESI源連接到離子肼質(zhì)譜儀上后，對自制的文物樣品進行分析。使用體積比為1∶1的異丙醇水溶液作為噴霧溶劑，對自制的文物上的酪蛋白、肌紅蛋白及乳球蛋白進行分析。實驗結果發(fā)現(xiàn)，在玻璃、陶瓷、紙板等各類常見的文物材質(zhì)表面，DESI-MSI都可以在無損的情況下很好地識別出蛋白質(zhì)及其分解產(chǎn)物，并將其進行準確定位。

Watts等[19]使用DESI-MSI對油畫橫截面進行分析。其主要目的是根據(jù)對橫截面中顏料及連接料的分析，識別區(qū)分各個年代常用的顏料及連接料。使用DESI源的三重四級桿質(zhì)譜儀在正模式下對一幅17世紀巴洛克時代油畫的橫截面進行掃描分析，發(fā)現(xiàn)可根據(jù)某一特定特征離子下的質(zhì)譜成像結果分析不同類型的顏料及連接料成分，如硬脂酸，壬二酸等。表明DESI-MSI可同時對繪畫橫截面中的多種顏料及連接料成分進行定性分析。

Zhou等[20]使用DESI-MSI對新疆克孜爾石窟中的壁畫成分進行分析。使用DESI源對脫落樣品的橫截面進行分析，可以有效分辨出二元羧酸、氧化鉛、紫膠樹脂等顏料中的常用成分及其在壁畫中的分布區(qū)域。表明使用DESI源對于非水溶性油墨進行分析，可以清晰分辨出各種涂層的前后順序、顏料成分及其降解產(chǎn)物的分布。通過分析隨時間變化的油墨降解產(chǎn)物，還可對壁畫的形成時間進行初步判斷。

油畫、壁畫等文物所使用的顏料及油墨在文件印刷中也有使用，因此針對文物所使用的檢驗技術方法也可以應用至文件檢驗領域。在文物鑒定技術普遍要求無破壞、準確率高的情況下，DESI-MSI的應用已越來越廣泛。同時，對油墨降解產(chǎn)物的時間性分析及時代特征判斷方法也可為文件物質(zhì)材料的斷代提供參考。

4 總結與展望

在文件/文物檢驗領域，質(zhì)譜成像技術是一種新興的方法，目前相關文獻并不是很多，然而已有的各類文獻已表明，DESI源等各類常壓敞開式質(zhì)譜離子源的出現(xiàn)使得文件樣品的微損質(zhì)譜成分分析成為了可能[21-24]，由于DESI-MSI具有原位、微損等優(yōu)勢，是文件檢驗領域中一種值得重視的分析技術。未來仍需要進一步研究的有以下幾個方向：

1）更好地融合化學計量學手段對樣品進行分析。質(zhì)譜成像技術源于對樣品上每一個微區(qū)的質(zhì)譜成分分析，每個微區(qū)可同時提取1 000種以上的質(zhì)荷比圖像，本身就蘊藏著海量數(shù)據(jù)，可采用PCA、PLSDA等化學計量學手段對樣品的質(zhì)譜大數(shù)據(jù)進行模塊化分組并分析，找出差異并進行結果顯示。相關研究成果應可以很好地應用至種類區(qū)分、來源追蹤等領域。

2）優(yōu)化出樣品損傷更小、采樣口溫度更低的離子源及進樣方式。DESI源解吸和電離一體，對于可溶性強的油墨，如果噴霧液滴流量設置過大，容易在油墨上產(chǎn)生暈染現(xiàn)象，對文件樣品產(chǎn)生破壞，同時質(zhì)譜采樣口溫度為150℃以上，如果采樣口離樣品過近也會對檢驗方法的微損性造成破壞。每一類檢材的檢測方法都需單獨優(yōu)化，才能發(fā)揮出DESI-MSI方法的技術優(yōu)勢。

3）拓展應用范圍。目前國內(nèi)及國外文獻對于文件材料的檢驗仍停留在添改字跡檢測、油墨成分分析等較為初級的階段。在朱墨時序、文件斷代及書寫時間檢測等疑難問題上，如何應用此種新興技術取得突破仍需進一步研究。

質(zhì)譜成像技術本身就屬于質(zhì)譜檢測領域的新技術，而常壓敞開式離子源聯(lián)接質(zhì)譜成像技術也是質(zhì)譜成像領域的新興技術。DESI-MSI因微損、可重復、取樣量小、成像分辨率高等優(yōu)點已表現(xiàn)出在文件檢驗領域的優(yōu)勢，期待這種技術未來可以在法庭科學文件物質(zhì)材料檢驗領域發(fā)揮更大作用。