谈核不色变——基于放射性核素Am241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家家户户都有的烟雾报警器。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ZL，相关应用发表在SCI知名期刊《分析化学》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。

参考文献：

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）, Analytical Chemistry

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c01704