高場不對稱波形離子遷移譜分離檢測3種二甲苯同分異構體

王晗 劉友江 李山 徐青 胡俊 馬賀 陳池來

摘?要?二甲苯的3種同分異構體鄰二甲苯、間二甲苯和對二甲苯的分離和同時檢測難度極大。本研究采用自制的真空紫外光電離源高場不對稱波形離子遷移譜儀，提出了“指紋特征獲取-分離參數選擇-異構體實驗分析”的同分異構體檢測方法，進行了鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯3種同分異構體同時檢測的研究。在二甲苯異構體指紋譜圖分析的基礎上，提取了鄰、間、對二甲苯的特征離子峰，基于分離電壓幅值-峰位置關系分析，以及譜圖疊加的方法，確定了最佳分離條件為分離電壓700 V、載氣流量400 L/h。在此條件下，得到鄰、間、對二甲苯特征離子峰峰位置分別為4.36、14.96和11.16 V，保持了較大的間距，同時與二甲苯混合物檢測譜圖中峰位置為4.33、14.71和11.25 V的離子峰保持了良好的一一對應關系，誤差僅為0.03、0.25和0.09 V。采用本方法實現了二甲苯混合物的同時分離檢測，驗證了方法的準確性。在保留特征離子峰的前提下，間二甲苯檢出限為0.047 mg/m3，低于國家標準GB/T 18883-2002規定的二甲苯室內空氣檢出量0.20 mg/m3，線性范圍為0.24～2.40 mg/m3。本研究為二甲苯異構體的檢測提供了技術支持，同時為UV-FAIMS對同分異構體的快速、高精度檢測提供了參考方法。

關鍵詞?高場不對稱波形離子遷移譜; 同分異構體; 二甲苯

1?引 言

二甲苯是指苯環上具有兩個不同位置甲基的芳香烴，包括鄰、間、對3種同分異構體。二甲苯既是有機化工的重要原料，同時也是大氣、海洋生態苯系物污染源之一[1～3]。二甲苯的有效分離檢測在環境科學、食品科學以及工業生產中具有重要意義[4，5]。二甲苯異構體具有相似的物理化學性質，分離極為困難，2016年，Sholl[6]認為二甲苯異構體的有效分離是世界七大分離挑戰之一，常規的色譜很難實現二甲苯同分異構體有效分離檢測。

近年來，各種新型色譜分離以及吸附膜分離技術開始應用于二甲苯同分異構體檢測。2011年，Yang等[7]將對鄰位異構體具有高親和力的新型材料MIL-101（Cr）用作高效液相色譜分離的固定相，對二甲苯異構體的分離檢測進行了研究，實現了乙苯及二甲苯異構體的分離檢測，其分辨率約為0.9; 2015年，Lin等[8]將新型金屬羧酸鹽骨架 MCF-50用作氣相色譜的固定相，實現了二甲苯異構體的分離、分辨率約為1.5。色譜分離技術作為二甲苯國家標準檢測方法，能有效地實現二甲苯異構體的分離檢測，但是色譜整個分析過程耗時較長，不能連續分離，現場性有待進一步提高; 同時，基于色譜技術的同分異構體分離檢測方法針對不同的同分異構體需要不同的特殊材料作為固定相。2011年，Deng等[9]基于具有納米復合結構的中空纖維B-MFI膜，在150～200℃的溫度條件下，實現了二甲苯異構體和乙苯的分離。該方法為后端檢測技術提供了較純化的樣本，但其分離度較低，對3種二甲苯分離因子僅為5，不能真正實現同分異構體分離檢測，同時，該方法對膜的材料要求較高，不同的異構體需要不同的分離膜?？傮w而言，無論是膜分離，還是柱分離，其分離時間和分離度都存在不足，尤其是其通用性較差。

高場不對稱波形離子遷移譜（High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，FAIMS）是基于離子遷移率（K）在高電場下非線性變化特性（α函數，α（E/N））實現物質離子分離識別的微量痕量物質現場檢測技術[10]。在高電場下，離子遷移率隨電場的變化而變化，即：

其中，K0為低場離子遷移率，α（E/N）為離子遷移率非線性函數，α2n為2n階非線性系數[11]。其工作方式如圖1所示，樣品在載氣的作用下，依次經過FAIMS電離區、分離區和檢測區，在電離區被電離為帶電離子，帶電離子在分離區受到高頻高幅值非對稱的分離電壓（Dispersion voltage，DV）和低頻低幅值掃描的補償電壓（Compensation voltage， CV）的作用下得到分離和篩選。離子流強度（Intensity，I）對DV和CV的依賴關系構成了FAIMS譜圖。

FAIMS在大氣環境下工作，直接進樣，無需對樣品進行預處理， 具有快速檢測、高靈敏、易于MEMS集成等特征，適合于現場檢測[12～15]，而基于非線性α（E/N）函數的分離原理使其在同分異構體檢測中得到了廣泛關注[16]。2000年，Barnett等[17]采用N2中混合5%的CO2的載氣摻雜方法，實現了鄰、間、對苯二甲酸同分異構體的分離，效果較好，揭示了FAIMS在同分異構體分離中的優勢及廣闊前景。但是該方法針對不同的物質需要特定的摻雜氣體以及特定的摻雜比例，缺乏通用性; 同時，摻雜氣的嚴格比例要求以及摻雜氣噪聲離子的引入增加了控制和分析難度，不適合現場檢測應用。2003年，Wojciech等[18]利用FAIMS-MS聯用的方式，實現了端基異構、連接異構及位置異構的二糖異構體的分離檢測，進一步拓展了FAIMS在同分異構體分離檢測中的應用。此后，基于FAIMS-MS的同分異構體的分離檢測方法在蛋白質組學、生物質譜、毒險品檢測、食品安全等領域得到了大量應用[19～24]。但是FAIMS-MS對同分異構體分析檢測，是基于實驗室大型儀器設備開展的，且前端常需要色譜預分離，完全犧牲了FAIMS現場檢測的優勢。另外，該方法常采用ESI離子源，分子離化過程中引入了碎片離子，極大地增加了小分子分離檢測的難度。

本研究面向環境現場檢測領域，針對分子量小、同分異構體眾多的揮發性有機物（Volatile organic compounds， VOCs），采用對VOCs電離具有潔凈、穩定優勢的真空紫外光電離源（Vacuum ultraviolet， UV），分離效果最佳的不對稱方波[25]，基于大氣環境下工作、無樣品預處理、檢測快速、靈敏度高、便攜式FAIMS設備對3種二甲苯異構體同時分離檢測方法進行探討。在二甲苯異構體指紋譜圖特征分析的基礎上，提取目標物質特征離子峰，通過特征離子峰的DV依賴關系分析，得到同分異構體優化分離條件，最終實現二甲苯異構體的準確分離檢測。本研究基于UV-FAIMS技術建立了“指紋特征獲取-分離參數選擇-異構體實驗分析”同分異構體檢測方法，有望為二甲苯以及其它VOCs異構體的分離和檢測提供可靠的方法。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

采用自制的FAIMS設備為實驗平臺[12，26]。設備集成離子源、分離電壓電源、補償電壓電源、離子遷移管分析器、弱電流探測器、測控系統等關鍵模塊。離子源采用10.6 eV 的真空紫外燈（Heraeus，UK）; DV源采用頻率為1 MHz，占空比為30%的不對稱方波，分離電場可調節范圍為0～1500 V; CV為范圍在30～30 V的緩變電壓; 離子遷移管分離電極尺寸為 15 mm×10 mm × 0.5 mm。載氣采用高純氮氣（純度99.999%，南京上元工業氣體廠），樣品氣組分為N2和氣態樣品（純度>99.95%，南京上元工業氣體廠）。

儀器工作方式如圖2所示，樣品氣和載氣在高精度流量計控制下，通過調節兩路氣路流量的相對大小控制進樣濃度及載氣流量。載氣依次經過分子篩及冷阱，去除水汽及其它雜質，再與樣品氣充分混合，由FAIMS進氣口進入分析器，進行分離和檢測。

2.2?實驗方法

如圖3所示，首先對單一物質進行分析，依次獲取鄰、間、對二甲苯在不同分離電壓下的補償電壓-信號強度譜圖（CV-I譜圖），提取分離電壓-峰位置指紋信息。通過對比分析指紋識別信息選取物質特征峰及有效分離區間，初步確定混合物異構體最佳分離電壓; 通過CV-I譜圖疊加的方式分析峰高、半峰寬對特征離子峰有效讀取的影響，從而進一步確定二甲苯異構體最佳分離條件; 基于特征離子峰及最佳分離條件開展二甲苯異構體混合物同時檢測實驗，通過分析混合物CV-I譜圖離子峰與單一物質特征離子峰對應程度，從而實現二甲苯混合物的同時分離檢測。

3?結果與討論

3.1?指紋特征獲取

補償電壓-信號強度掃描譜圖中，峰位置對DV的依賴關系為物質離子識別提供了關鍵的“離子指紋”特征[26，27]。在不同DV下，鄰、間、對二甲苯的CV-I譜圖及基于該譜圖提取的分離電壓-峰位置關系曲線如圖3和圖4所示。DV較小時，由于α函數在低場下變化不明顯，離子振蕩無法產生凈位移，3種物質離子峰都在CV=0 V附近; 當DV>600 V時，由于α（E/N）變化較大，鄰、間、對二甲苯離子峰分別在DV=600 V、600 V、550 V時得到完整分離。同時，

圖3?流量400 L/h條件下，濃度為0.07 mg/m3的鄰、間、對二甲苯異構體在不同分離電壓（DV）下的補償電壓-信號強度譜圖：（A）鄰二甲苯，（B）間二甲苯，（C）對二甲苯由于離子振蕩振幅和擴散系數的增加導致離子損耗信號強度（I）也逐漸降低。

3種物質離子峰均超過1個，一般認為是碎片離子峰或團簇離子峰，這些離子峰均是實現物質識別的備選特征峰[28～30]。這些峰特征及分離電壓-峰位置指紋譜圖的差異性為不同物質的識別提供了特征信息，也為混合物分離檢測中的條件參數選擇提供了特征峰基礎。

3.2?分離參數選擇

離子遷移率系數對強電場的非線性依賴關系表現為隨著分離電壓幅值的增加，峰位置處的補償電壓（CV）值將從0 V開始逐漸正向或者負向增加，表現為與0 V初始峰的偏移。圖5為3種同分異構體所有離子峰的分離電壓-峰位置關系曲線，鄰二甲苯Peak 1（記為o1）的分離電壓-峰位置關系曲線變化最為平緩，間二甲苯Peak 3（記為m3）曲線上升趨勢最為明顯，即隨著分離電壓幅值增大，峰位置變化最突出; 對二甲苯Peak 2（記為p2）也存在較為明顯的峰位置變化特性?；诖耍x取如圖5A所示的具有顯著特征的離子峰o1、m3、p2作為鄰、間、對二甲苯的特征離子峰。由圖5可知，DV在550～800 V范圍內， 3個特征峰之間及特征峰與其它干擾峰峰位置均存在較大間距; 此范圍內，特征峰最低信號強度大于0.02 pA（圖5B），完全滿足二甲苯異構體混合物同時分離檢測需求。

為實現鄰、間、對二甲苯混合物的同時分離，還需要同時考慮峰高、峰寬對特征離子峰有效讀取的影響。即峰高較弱的特征離子峰可能被峰位置相鄰且峰高較強的離子峰湮沒; 同理，由于峰寬的影響，當特征離子峰與相鄰離子峰的峰位置間距較小時，兩個峰出現重疊現象，特征離子峰被湮沒。DV優化區間內的鄰、間、對二甲苯CV-I疊加譜圖如圖6所示。當DV=550 V時（圖6A），由于峰寬和峰高的共同影響，特征離子峰o1、p2存在嚴重的重疊現象，特征離子峰m3則實現分離; 當DV=600 V時（圖6B），間二甲苯特征離子峰完全分離，特征離子峰o1、p2受峰寬的影響依舊重疊，但已呈現分離的趨勢; 當DV=700 V時（圖6C），間二甲苯特征離子峰m3、鄰二甲苯特征離子峰o1實現分離，對二甲苯特征離子峰p2雖然受相鄰的、具有較強峰高的特征離子峰m3的影響，但也基本實現分離; 當DV=800 V時（圖6D）， 對二甲苯特征離子峰p2由于峰高過低，而被噪聲湮沒。基于此，在最佳分離區間（550～800 V）內，3個特征離子峰在DV=700 V時有最佳的分離效果。

3.3?異構體實驗分析

為驗證以上分離電壓-峰位置關系分析方法和譜圖疊加方法的正確性，實現鄰、間、對二甲苯混合物的同時分離檢測，實驗選取流量為400 L/h，濃度為0.07 mg/m3的二甲苯混合物（1∶1∶1）為樣品，在分離電壓分別為500、600、700和800 V 的條件下，進行二甲苯混合物的分離檢測，獲取二甲苯混合物CV-I譜圖。分離檢測結果如圖7所示，其中每個子圖均包含相同實驗條件下單一物質鄰二甲苯（a）、間二甲苯（b）、對二甲苯（c）的CV-I譜圖及二甲苯混合物同時分離檢測的CV-I譜圖（d），以便對比分析鄰、間、對二甲苯特征離子峰峰位置與二甲苯混合物離子峰峰位置之間的對應關系。

由圖7可知，當DV=500 V時（圖7A），二甲苯異構體目標離子峰完全重疊; 當DV=600 V時（圖7B），間二甲苯特征離子峰m3分離; 當DV=700 V時（圖7C），鄰、間、對二甲苯特征離子o1、m3、p2峰均實現較好的分離; 當DV=80 V時（圖7D），對二甲苯特征離子峰p2消失，鄰二甲苯和間二甲苯特征離子峰進一步分離，這與上述基于DV-CV指紋信息及CV-I譜圖疊加分析的結果完全符合。尤其當DV=700 V時，鄰、間、對二甲苯特征離子峰o1、m3、p2峰位置分別為4.36、14.96和11.16 V，保持了較大的間距，同時與二甲苯混合物譜圖（圖7C 曲線d）中峰位置為4.33、14.71和11.25 V的離子峰保持了良好的對應關系，誤差僅為0.03、0.25和0.09 V。此條件下，在完整保存所有二甲苯混合物譜圖特征峰的同時，實現了二甲苯混合物的分離檢測。二甲苯異構體混合物同時分離檢測結果驗證了“指紋特征獲取-分離參數選擇-異構體實驗分析”同分異構體檢測方法的正確性，并揭示了混合物的同時分離檢測與單一物質的獨立檢測具有很好的疊加性。進一步對比圖6和圖7可知，單一物質的疊加譜圖和混合物的同時分離檢測譜圖具有一致的效果，即混合物的同時分離檢測的定量與單一物質定量具有一致性。

3.4?線性范圍及檢出限

基于以上疊加性的結論，以間二甲苯為樣品，進行定量檢測。在分離電壓為700 V，流量為400 L/h， 獲取不同濃度下的CV-I譜圖。如圖8A所示，濃度在0.047～2.4 mg/m3范圍內，離子特征峰峰位置保持高度的一致性。信號強度與樣品濃度關系如圖8B所示，峰位置為14.7 V的特征峰（m3）的樣品濃度在0.24～2.4 mg/m3范圍內，信號強度與樣品濃度保持較好的線性關系，相關系數為0.994。檢出限定義為信噪比為3時的檢測濃度，對應圖8B中的a點，此時獲得的檢出限為0.047 mg/m3，低于國家標準[31]?GB/T 18883-2002規定的二甲苯室內空氣檢出量0.2 mg/m3。上述結果表明，FAIMS混合物同時檢測譜圖與單一物質的獨立檢測譜圖滿足很好的疊加性; FAIMS譜圖峰位置隨樣品濃度的變化始終保持不變，即峰位置保持高度的一致性，這兩個特性為FAIMS提供了定性分析基礎。同時，峰高與樣品濃度保持良好的線性關系，此特性進一步為FAIMS提供了定量分析基礎。以上譜圖疊加性、峰位置一致性、峰高與濃度高線性等譜圖特性為FAIMS混合物的定性及定量分析提供了基礎，對FAIMS在同分異構體混合物定量及定性領域的應用具有重要意義。

4?結 論

以VOCs同分異構體的分離和檢測為目標，提出了基于FAIMS的“指紋特征獲取-分離參數選擇-異構體實驗分析”的同分異構體檢測方法。以二甲苯異構體為研究對象，對二甲苯異構體及其混合物進行分離檢測。通過DV-CV指紋特征分析及CV-I譜圖疊加分析給出了550～800 V的最佳DV區間及最佳分離電壓幅值DV=700 V。結果表明，在此條件下成功實現了二甲苯異構體的同時分離檢測，鄰、間、對二甲苯特征峰與二甲苯混合物離子峰重合誤差僅分別為0.03、0.25和0.09 V; 實驗結果與理論分析完全吻合。在保留特征離子峰可見的前提下，間二甲苯的檢出限達0.047 mg/m3，小于國家標準GB/T 18883-2002規定的二甲苯室內空氣檢出量0.2 mg/m3。本研究為環境VOCs監測領域同分異構體分離檢測提供了技術支持，同時為其它同分異構體的快速、高精度檢測提供了參考。

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