高分辨質(zhì)譜技術(shù)研究DART離子化條件下的背景離子及潛在應(yīng)用

沙云菲,謝雯燕，王昊陽

(1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，上海 200082；2.中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032)

質(zhì)譜儀是準(zhǔn)確稱量離子質(zhì)荷比的重要科學(xué)儀器[1]，主要用以有效解決目標(biāo)物的解吸與離子化問題。離子源作為質(zhì)譜的入口，對質(zhì)譜的各項性能及其分析結(jié)果具有重大影響[2]。離子化過程的機(jī)理影響質(zhì)譜分析結(jié)果，離子化效率影響質(zhì)譜檢測的靈敏度，離子源的通量影響質(zhì)譜分析速度。自然界以及人類生活中接觸的種類龐大的化合物(有機(jī)物、無機(jī)物、生物大分子以及聚合物材料等)，在分子量、極性、溶解性等理化性質(zhì)上有著巨大的差異，從中性樣本轉(zhuǎn)變成帶電粒子需經(jīng)歷復(fù)雜的理化過程。樣品的解吸和離子化與其理化性質(zhì)密切相關(guān)，離子源的開發(fā)和改進(jìn)歷來是質(zhì)譜學(xué)中重要和活躍的研究領(lǐng)域[3]。

實時直接分析(Direct analysis in real time，DART)離子化技術(shù)自2005年被報道后[4]逐漸受到研究者的關(guān)注[5]，廣泛應(yīng)用于不同類型樣品的原位質(zhì)譜分析[6]。目前DART已發(fā)展成為一種相對成熟的具有一定代表性的兩步電離方式的常壓離子化技術(shù)[7]。DART-MS分析通量高、響應(yīng)迅速，在很多情況下可將樣品以其天然狀態(tài)直接離子化分析和檢測。因此DART-MS技術(shù)能簡化樣品制備步驟，縮短樣品分析時間，甚至無需任何前處理即可實現(xiàn)質(zhì)譜分析[8]。DART離子源的適用范圍廣、離子化效率高，能夠在短時間內(nèi)獲得質(zhì)譜信息。DART-MS目前已被成功應(yīng)用于食品、化學(xué)品、藥品的質(zhì)量控制等領(lǐng)域[9-15]。在DART-MS實驗中，不僅可以清晰地檢測到目標(biāo)化合物的信號離子，同時還會發(fā)現(xiàn)一些穩(wěn)定出現(xiàn)的背景離子。關(guān)于DART離子化的機(jī)理和離子化效率的影響因素也受到廣泛研究和探索，研究發(fā)現(xiàn)該離子化技術(shù)會受到分析環(huán)境的影響，這與基于等離子體技術(shù)的常壓離子化技術(shù)相似。因此，探索DART-MS分析中穩(wěn)定出現(xiàn)這些背景離子的原因?qū)由钫J(rèn)識并更好地運(yùn)用DART離子化技術(shù)具有實際意義。

傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry,FTMS)具有超高分辨率和靈敏度，能對目標(biāo)化合物進(jìn)行超高精度的質(zhì)譜分析[16]。本課題組曾將基質(zhì)輔助激光解吸(MALDI)離子源與FTMS聯(lián)用進(jìn)行復(fù)雜樣品分析，該聯(lián)用技術(shù)是一個高分辨定性分析的強(qiáng)大工具，能極大簡化樣品處理步驟，在低分子量化合物的分析檢測中具有重要作用[17]。本文將DART離子源與FTMS聯(lián)用，研究了DART離子源在陽離子條件下穩(wěn)定出現(xiàn)的多種背景離子，通過得到的高精度質(zhì)量信息，進(jìn)一步推測了信號對應(yīng)的元素組成和可能的歸屬。FTMS可區(qū)分質(zhì)荷比非常接近的信號，能排除復(fù)雜基質(zhì)中的背景干擾，實現(xiàn)準(zhǔn)確的定性與定量質(zhì)譜分析。

與傳統(tǒng)的EI離子化不同，DART離子化發(fā)生在敞開條件下，不可避免會受到環(huán)境因素的影響。在開展DART-MS的研究和測試工作中發(fā)現(xiàn)，在陽離子條件下，會形成多種穩(wěn)定的背景離子。因此有必要闡明這些背景離子的化學(xué)本質(zhì)，并進(jìn)一步探究這些背景離子為測試工作提供幫助的可能性。本文基于超高分辨率的傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜分析技術(shù)對DART陽離子模式條件下產(chǎn)生的幾類較為穩(wěn)定的背景離子信號進(jìn)行了研究和歸屬，并采用一個實際樣品測定的實例，說明了解背景離子的干擾對實現(xiàn)準(zhǔn)確質(zhì)譜分析的意義。本研究發(fā)現(xiàn)，在m/z100～1 000范圍內(nèi)穩(wěn)定出現(xiàn)的一系列背景離子信號可為快速判斷高分辨質(zhì)譜儀的質(zhì)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性提供依據(jù)，有助于在無需另加標(biāo)準(zhǔn)品或校正液的情況下判斷高分辨質(zhì)譜的質(zhì)量準(zhǔn)確度，為廣大使用DART-MS技術(shù)開展研究的化學(xué)家提供參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與實驗參數(shù)

DART?SVP 離子源(IonSense,Saugus,MA,USA)與線性離子阱-傅立葉變換回旋共振質(zhì)譜(LTQ-FTICR-MS,ThermoFisher Scientific,Bermen,Germany)聯(lián)用，以獲得數(shù)據(jù)和譜圖的采集。

FTICR-MS儀器參數(shù)：脫溶劑毛細(xì)管電壓200 V；離子套管透鏡電壓100 V；毛細(xì)管溫度275 ℃。離子光學(xué)設(shè)定：Multipole 00 補(bǔ)償電壓為-4 V；Multipole 0補(bǔ)償電壓為-4.5 V；Multipole 1補(bǔ)償電壓為-15.5 V;Lens 0 電壓為-4.5 V；Lens 1 電壓為-40.0 V;Gate lens電壓為-48.0 V；Front lens電壓為-5.5 V。離子質(zhì)量掃描范圍為m/z100～1 000。數(shù)據(jù)由Xcalibur軟件采集并分析。

DART離子源參數(shù):正離子模式；氮?dú)夂秃廨敵鰵鈮簽?.5 MPa;DART氣體溫度350 ℃。電離氣體為高純氦。

連接DART離子源和FTICR-MS質(zhì)譜API接口之間區(qū)域的真空用隔膜泵(Vacuum pump,WELCH,Ilmvac)保持。DART離子源的位置，離子源出口與通入質(zhì)譜接口的陶瓷管在同一條直線上。DART離子源出口與陶瓷管的距離約15 mm。

1.2 試劑與樣品制備

取0.05 g煙末(上海煙草集團(tuán)技術(shù)中心提供)，加入2 mL乙醇(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)超聲提取5 min，用pipette點(diǎn)樣槍取2 μL待測溶液點(diǎn)在Glass(Dip-It)tip樣品棒下端，溶劑揮干后測定。實驗用乙醇未進(jìn)一步處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 DART離子化條件下背景離子的研究與歸屬

圖1 DART-FTMS在陽離子模式采集的典型背景離子的高分辨質(zhì)譜圖Fig.1 A typical high resolution mass spectrum of background ions collected by DART-FTMS in positive ion mode

圖1中可將背景離子大致分成兩類，一類是易識別的鄰苯二甲酸酯類塑化劑的信號，如：m/z149、m/z279和m/z391等。鄰苯二甲酸丁酯(DBP)或異構(gòu)體的信號([M+H]+m/z279)以及鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)或異構(gòu)體的信號([M+H]+m/z391)比較容易識別，m/z149是所有鄰苯二甲酸或其脂類產(chǎn)生的共同碎片離子。在高分子量區(qū)域的信號m/z574可能是鄰苯二甲酸丁酯產(chǎn)生的[2DBPM+NH4]+。結(jié)合文獻(xiàn)[15]，對這些信號進(jìn)行了識別和歸屬，F(xiàn)TMS準(zhǔn)確質(zhì)量的測定也支持了這一結(jié)果。信號m/z304與m/z388可能分別為癸二酸二異丙酯(DIPS)與己二酸二辛酯(DOA)形成的[M+NH4]+信號。另一類是質(zhì)荷比間隔74 u的一系列信號:m/z462、m/z536、m/z610、m/z684和m/z758等。根據(jù)經(jīng)驗，柱流失中聚二甲基硅氧烷質(zhì)譜信號連續(xù)單元分子量差值為74 u(C2H6SiO2)。因此推測該類化合物可能為聚二甲基硅氧烷，但與EI離子化條件有所不同，聚二甲基硅氧烷在DART電離條件下主要形成[M+H]+和[M+NH4]+離子。

高分辨質(zhì)譜技術(shù)對DART在陽離子條件下大部分背景離子的表征結(jié)果顯示，其主要來源為增塑劑和聚二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷可能來源于泵油揮發(fā)。表1列出了質(zhì)譜分析結(jié)果和儀器計算的質(zhì)量誤差(ppm)，其他類型的基于等離子體的常壓解吸與離子化質(zhì)譜技術(shù)也可能出現(xiàn)這些背景離子[18-20]。這些背景信號穩(wěn)定，在DART的樣品分析時豐度迅速降低，一般不會產(chǎn)生顯著干擾。此外這些系列離子覆蓋范圍較寬，由于在m/z100～1 000范圍內(nèi)提供了可參考的校正離子，因此在不添加內(nèi)標(biāo)化合物的情況下，也能考察高分辨質(zhì)譜質(zhì)量軸的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

表1 DART-MS陽離子模式下背景離子的高分辨質(zhì)譜分析結(jié)果Table 1 High resolution mass spectrometric analysis results of background ions in DART-MS cation mode

(續(xù)表1)

Source of background ionPossible ion structureIon element compositionTheoretical m/zDetected m/zRelative error(ppm)[2DBP+NH4]+C32H48O8N+574.337 44574.337 23-0.36Polydimethylsiloxanes(聚二甲基硅氧烷)C12H40NO6Si+6462.146 57462.146 31-0.57C14H46NO7Si+7536.165 36536.165 09-0.51C16H52NO8Si+8610.184 16610.183 71-0.73C18H58NO9Si+9684.202 95684.202 38-0.83C20H64NO10Si+10758.221 74758.220 89-1.12

2.2 DART離子化背景離子干擾的識別

環(huán)境空氣中所含的微量增塑劑和聚二甲基硅氧烷，在DART陽離子分析模式下會產(chǎn)生一系列特征的背景離子，因此不引入內(nèi)標(biāo)物也可以作為高分辨質(zhì)譜質(zhì)量準(zhǔn)確性考察的依據(jù)。在分析過程中，隨著樣品的競爭性解吸和電離，背景離子往往不再干擾測定。因此在運(yùn)用多個背景離子確認(rèn)FTMS的質(zhì)量準(zhǔn)確度后，可以進(jìn)行實際樣品的測定。以煙草的乙醇提取液為分析對象，所得質(zhì)譜結(jié)果見圖2。提取物中所含生物堿的質(zhì)子親合能較大，DART電離過程中尼古丁與降煙堿主要以[M+H]+的形式實現(xiàn)離子化(圖2A)。從放大的質(zhì)譜圖(圖2B)可見，煙草中所含的降煙堿分子量也為m/z149，推測鄰苯二甲酸酯類增塑劑產(chǎn)生的背景離子m/z149可能對測定產(chǎn)生干擾，采用高分辨質(zhì)譜分析方式可以盡量避免背景離子對樣品分析的干擾。

圖3 增塑劑產(chǎn)生的背景信號離子m/z 149和降煙堿[M+H]+信號的理論元素組成及精確質(zhì)量Fig.3 Theoretical elemental compositions and accurate masses of the plasticizer background signal ion at m/z 149 and [M+H]+ signal of nornicotine

實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)FTMS分辨率在300 000條件下，增塑劑(圖3)背景信號m/z149.023 2和降煙堿[M+H]+(圖3)信號m/z149.107 2可以完全分離(圖2B)。運(yùn)用高分辨和高靈敏的FTICR-MS作為DART離子化的檢測手段，可以分辨背景和待測物的信號，該方法可進(jìn)一步運(yùn)用于各類煙草樣品及其制品的快速分析檢測。DART電離過程中會持續(xù)產(chǎn)生環(huán)境中增塑劑的特征性離子m/z149，與降煙堿的[M+H]+m/z149相同。但兩者元素組成不同，高分辨質(zhì)譜分析能較好解決這一問題。運(yùn)用MS/MS方法減少質(zhì)荷比相同的干擾離子對測定的影響亦有文獻(xiàn)報道[21]，本研究結(jié)果表明采用高分辨率質(zhì)譜技術(shù)可以達(dá)到相同目的。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用傅立葉變換離子回旋共振高分辨質(zhì)譜技術(shù)對DART在陽離子條件下的一系列背景離子進(jìn)行了研究和歸屬，并且推測這些背景離子可能來源于環(huán)境中微量的增塑劑和聚二甲基硅氧烷。運(yùn)用DART-FTMS開展研究和測試時，不僅可以快速得到超高分辨質(zhì)譜分析結(jié)果，DART在陽離子模式條件下m/z100～1 000范圍內(nèi)所特有的一系列背景離子也能為考察FTMS質(zhì)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度提供參考。掌握這些背景離子信息，將有助于在DART-FTMS質(zhì)譜分析復(fù)雜體系時避免誤判。