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谈核不色变:南开团队开发基于放射性核素Am-241的敞开式质谱离子源AmDI

近日,南开大学化学学院的张新星研究员(点击查看介绍)及其团队在敞开式离子源的研制方面取得了新进展,他们创新地利用随处可见的烟雾报警器中的放射性核素镅241衰变产生的α粒子,研制出一种新型的镅241等离子体脱附电离离子源(AmDI),这是国际上首个放射性元素被运用敞开式离子源中的例子。与常规的敞开式离子源不同,该离子源成本只需8元,不需要任何外加能量,如载气、电压、光、加热、微波、超声等,实现了对二十余种现实样品的脱附电离,是一种检测速度快、小巧便携、经济实惠的敞开式离子源。


二十一世纪初期,两种敞开式离子源技术——解吸电喷雾电离质谱技术(DESI)和实时直接分析质谱技术(DART)一经问世,便取得了巨大的成功,打开了质谱敞开式离子源研究的大门。迄今为止,研究人员已经开发了40多种敞开式离子源,并广泛的应用于生物医学、药物分析、环境监测、食品安全等领域。时至今日,对敞开式离子源的研究仍在如火如荼的进行当中。研究人员致力于采取不同的技术,研制新型的、具有高采样速度、易获取、软电离、高灵敏度和广泛适用性等优势的敞开式离子源。然而这些离子源无一例外地需要外部能量的输入,如载气、高电压、光、加热、微波、超声等等,而这些能量的输入必然伴随着除质谱仪之外其他仪器设备的介入,为质谱检测的小型化提供了障碍。


在该项研究中,研究团队取材于生活中随处可见的烟雾报警器。在烟雾报警器中,存在着一种具有放射性的元素——镅241。据了解,该镅241等离子体脱附电离离子源在电离样品的过程中,施加给样品的能量的来源主要依靠镅241衰变释放出的α粒子。衰变产生的单个α粒子具有约5.5 MeV的动能,当α粒子进入到空气后,会与空气中的分子发生碰撞,消耗动能,使空气中的分子发生电离。被电离的分子与样品表面接触,进行能量传递,实现电离和脱附。


在安全性方面,张新星表示,与“谈核色变”相反的是,“只要不吃到肚子里,就很安全。”由于α粒子在空气中只能传播4厘米,在皮肤中只能传播48微米,因此国家生态环境部将其定义为极低危险的、不会对人造成永久性损伤的第五类放射源。研究团队对实验中的镅的放射性活度进行了测试,该离子源中使用的镅241的放射性活度为1×104 Bq,即每秒钟释放10000个α粒子,小于国家环保总局对镅241的豁免值(1×105 Bq)。


在该项研究中,所检测的分子涉及药物、非法食品添加剂、成瘾剂、杀虫剂、杀菌剂、植物提取物以及脂质。样品形式涉及污渍、植物的茎叶、食品、药片、人的手指、指纹等多种表面,展现了它的普适性和广泛的应用前景。部分分析物的检测限可达几十皮克范围,检测时间也在数秒之内,体现其灵敏度高、检测速度快的特点。这种技术的开发不仅为敞开式离子源的研制提供了新思路,在未来也有望被应用在药物检测、法医鉴定、刑侦破案、食品安全和天然产物分析等领域。


相关技术已申请国家发明专利,相关应用发表在SCI知名期刊《分析化学》(Analytical Chemistry)上。本文的第一作者为南开大学硕士研究生邢栋,第二作者为南开大学本科生梁驰予,第三作者为南开大学硕士研究生苑旭


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

An 241Am plasma desorption ionization (AmDI) source scavenged from smoke detectors for ambient mass spectrometry sampling

Dong Xing(邢栋), Chiyu Liang(梁驰予), Xu Yuan(苑旭), Xinxing Zhang(张新星)*

Anal. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01704


导师介绍

张新星

https://www.x-mol.com/groups/zhangxinxing 


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