在線二維集束毛細(xì)管柱-高氣壓光電離-飛行時間質(zhì)譜用于單萜類化合物的快速測量

陳 璇,花 磊,王 艷,侯可勇,蔣吉春,謝園園,李海洋

(1.中國科學(xué)院分離分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,遼寧 大連 116023;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 311300)

森林植被在生長代謝過程中會向大氣中釋放大量的生物源揮發(fā)性有機(jī)化合物(biogenic volatile organic compounds,BVOCs),主要包括異戊二烯(C5H8)、單萜(C10H16)、倍半萜(C15H24)等烯烴,烷烴及少量含氧化合物等[1-5]。其中,除含量最高的異戊二烯外,尤以α-蒎烯為主的單萜類化合物釋放量最大,據(jù)估算單萜類化合物的年全球釋放量可達(dá)到近127 Tg[6]。這些BVOCs所含不飽和鍵具有高的反應(yīng)活性,在大氣中易發(fā)生光氧化反應(yīng),對大氣環(huán)境產(chǎn)生重要影響。BVOCs可與大氣中的NOx反應(yīng)生成臭氧,將直接影響區(qū)域臭氧的分布;同時,它還能夠與O3、OH和NO3等大氣中的主要氧化劑發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生大量的二次有機(jī)氣溶膠(secondary organic aerosols,SOA),從而引發(fā)一系列的環(huán)境問題[7-9]。因此,大氣中BVOCs的檢測一直受到廣泛的關(guān)注[10,11]。但是,由于BVOCs的大氣光化學(xué)反應(yīng)過程十分迅速,壽命僅為幾分鐘至數(shù)小時,導(dǎo)致其在大氣中的濃度低、時空變化快;而且單萜類化合物對應(yīng)多種同分異構(gòu)體[12-14],如α-蒎烯、β-蒎烯、α-萜烯、γ-萜烯等,這就對現(xiàn)有的檢測儀器和方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的氣相VOCs(volatile organic compounds)分析方法通常采用離線富集結(jié)合氣相色譜(GC)或氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行分析[15-17]。雖然能比較準(zhǔn)確地給出待測樣品的定性和定量分析結(jié)果,但是這種離線分析方法的整個采樣和分析耗時長,通常需要幾十分鐘,無法反映BVOCs的快速時空變化,更難以用于光化學(xué)過程的實(shí)時測量。因此,為了深入研究BVOCs的大氣光化學(xué)反應(yīng)過程和機(jī)理,亟待發(fā)展針對單萜等BVOCs快速定性和定量分析的在線檢測儀器和方法。

基于光電離(photoionization,PI)源的在線質(zhì)譜技術(shù)近年來發(fā)展迅速,已在大氣痕量物種的快速檢測中取得了成功。PI是一種“軟”電離技術(shù),主要產(chǎn)生待測物的分子離子,極少碎片離子,得到的譜圖簡單,易于解析,有效解決了傳統(tǒng)電子轟擊(electron ionization,EI)源因碎片化程度高而產(chǎn)生的譜峰重疊問題,使其能夠用于復(fù)雜混合物樣品的快速定性和定量分析,如石油組分分析[18]、褐煤中萃取產(chǎn)物的分析[19]、香煙煙氣在線檢測等[20]。為提高PI-MS的檢測靈敏度。Wang等[21]采用小型化的低壓氪氣(Kr)放電真空紫外(vacuum ultraviolet,VUV)燈作為PI的光源,同時將電離源氣壓升高到700 Pa,研制了高氣壓光電離-飛行時間質(zhì)譜(high-pressure photoionization time-of-flight mass spectrometry,HPPI-TOF MS),對苯的檢測限達(dá)到2.47 μg/m3。然而,針對組分復(fù)雜的混合物樣品分析,HPPI-TOF MS面臨著難以有效分辨同分異構(gòu)體的難題。雖然可以通過碰撞誘導(dǎo)解離(CID)的方式,利用不同化合物特征碎片離子的差異實(shí)現(xiàn)一些同分異構(gòu)體的分辨,這種方法僅適合于相對簡單的體系[22]。將快速GC與HPPI-TOF MS相結(jié)合構(gòu)成在線二維GC-MS聯(lián)用系統(tǒng),可在不犧牲過多分析速度的條件下,增加GC這一重要的分離維度,大大提高儀器的選擇性和分析能力。

集束毛細(xì)管柱(multi-capillary column,MCC)是一種大流速的GC色譜柱,由約1 000根內(nèi)徑均為20～100 μm的平行毛細(xì)管柱并列組成,整體長度為40～250 mm,每根柱子的內(nèi)表面均涂覆有固定相液膜。相比傳統(tǒng)的毛細(xì)管柱色譜,MCC采用短管、多束進(jìn)樣,雖然損失了一定的色譜分辨能力,但大幅縮短了分析周期,彌補(bǔ)了在線質(zhì)譜不能分辨同分異構(gòu)體的缺陷;同時,MCC的樣品進(jìn)樣流速可超過100 mL/min,能夠與HPPI-TOF MS的進(jìn)樣流速(30 mL/min)實(shí)現(xiàn)很好的匹配,有效保證二維GC-MS聯(lián)用時HPPI-TOF MS的檢測靈敏度。

本研究將具有快速預(yù)分離能力的MCC與實(shí)驗(yàn)室自行研制的高靈敏HPPI-TOF MS相結(jié)合,構(gòu)建MCC-HPPI-TOF MS二維聯(lián)用系統(tǒng),建立了復(fù)雜混合物的在線二維GC-MS分析方法,實(shí)現(xiàn)了單萜類同分異構(gòu)體混合物的在線二維檢測,并將該方法應(yīng)用于對松樹和柏樹枝葉釋放出的單萜化合物進(jìn)行快速定性和定量分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

1.1.1集束毛細(xì)管柱-高氣壓光電離-飛行時間質(zhì)譜儀

實(shí)驗(yàn)中所使用的MCC-HPPI-TOF MS聯(lián)用裝置,其結(jié)構(gòu)見圖1a,主要包括MCC采樣和分離系統(tǒng)和HPPI-TOF MS檢測系統(tǒng)[21,23]。HPPI-TOF MS檢測系統(tǒng)由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所快速分離與檢測課題組自行研制。

圖1 MCC-HPPI-TOF MS聯(lián)用裝置Fig.1 MCC-HPPI-TOF MS system a.schematic diagram;b.sampling mode;c.separation and detection mode;d.photograph of the sampling and separation device.

MCC采樣和分離系統(tǒng)由MCC、六通閥(北京捷安杰科技發(fā)展有限公司)及由直徑3 mm的不銹鋼管制成的定量環(huán)組成。MCC(OV-5,俄羅斯Multichrom公司)長度為20 cm,裝載于外徑為3 mm的不銹鋼管內(nèi)部,包括約1 000根平行的內(nèi)徑為40 μm毛細(xì)管,固定相液膜的厚度為0.2 μm。根據(jù)要分離的組分在流動相(載氣)和固定相兩相間的分配差異,使各個組分在流動相的作用下得以分離。測試開始時,儀器首先工作在進(jìn)樣模式,如圖1b所示,樣品氣經(jīng)六通閥直接進(jìn)入定量環(huán)中進(jìn)行采樣(定量環(huán)容積為0.5 mL),此時另外一路高純氮?dú)饨?jīng)過MCC進(jìn)入HPPI電離源,對MCC進(jìn)行清洗,保證背景無雜質(zhì)干擾;樣品采集5 s后切換到分析模式,如圖1c所示,定量環(huán)中存儲的樣品氣體由高純氮?dú)廨d帶進(jìn)入MCC中進(jìn)行分離,隨后到達(dá)HPPI-TOF MS中檢測。圖1d為MCC采樣和分離系統(tǒng)的實(shí)物圖。

HPPI-TOF MS檢測系統(tǒng)由HPPI電離源、離子傳輸系統(tǒng)和垂直加速反射式TOF質(zhì)量分析器組成,其具體結(jié)構(gòu)已在之前的工作中詳細(xì)描述[23],這里僅做簡要介紹。HPPI是基于單光子電離發(fā)展的一種新型電離源,通過提高電離區(qū)氣壓,增大電離區(qū)內(nèi)的樣品分子數(shù)密度,進(jìn)而有效改善離子產(chǎn)率,如公式1[21]所示,解決了因VUV-Kr燈光通量低而導(dǎo)致的靈敏度低的問題,使儀器檢測靈敏度提高到μg/m3的量級。

(1)

其中RPI代表離子產(chǎn)率(ions/s);P代表電離區(qū)氣壓(Pa);A為常數(shù),7.2×1018;I0代表VUV燈的光強(qiáng)(photons/s);L代表電離區(qū)長度(cm);c代表分析物的體積濃度(ppm(10-6));T代表電離源溫度(K)。σPI只與物質(zhì)本身的化學(xué)物理性質(zhì)相關(guān),可以視為常數(shù)。

氣體樣品在毛細(xì)管兩端壓力差的驅(qū)動下直接進(jìn)入VUV-Kr燈下端的電離區(qū),在VUV光照射下發(fā)生電離,產(chǎn)生的樣品離子經(jīng)離子傳輸系統(tǒng)的聚焦和整形后進(jìn)入TOF質(zhì)量分析器進(jìn)行質(zhì)譜分析。TOF MS采用時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter,TDC)作為數(shù)據(jù)采集卡。檢測時,TDC采集卡工作在連續(xù)觸發(fā)的Chromat/Trend模式,每張質(zhì)譜圖的采集時間設(shè)置為1 s,然后通過記錄每張質(zhì)譜圖的總離子強(qiáng)度(counts)與保留時間(s)來獲得色譜圖,從而實(shí)現(xiàn)二維GC-MS數(shù)據(jù)的采集。

1.1.2試劑與材料

α-蒎烯、β-蒎烯(純度98%,北京百靈威科技有限公司);α-萜烯(純度>90%,薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司);γ-萜烯(純度>95%,薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司);3-蒈烯(90%,北京百靈威科技有限公司);檸檬烯(純度97%,阿法埃莎(天津)化學(xué)有限公司);高純氮?dú)?純度99.999%,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所)。

雪松及龍柏樹枝樣品取自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所園區(qū)內(nèi)。

1.1.3標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備

實(shí)驗(yàn)中所需標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品通過在線動態(tài)配氣法獲得:將待測樣品溶解于四氯化碳溶劑中配制成特定濃度的標(biāo)準(zhǔn)液,并以一定流速注入液體蒸發(fā)裝置內(nèi),使其充分氣化,同時使用一定流速的稀釋氣體(高純氮?dú)?進(jìn)行載帶,經(jīng)充分混合后獲得所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品。該方法通過簡單調(diào)節(jié)微量注射泵的流速或稀釋氣的流量就可以在線獲得不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

HPPI-TOF MS的電離區(qū)氣壓為500 Pa,采樣頻率為33.3 kHz,質(zhì)譜進(jìn)樣量為30 mL/min。MCC及各傳輸管路加熱30 ℃,載氣流速為40 mL/min。每個樣品二維GC-MS檢測時間為180 s,其中單張質(zhì)譜圖采集時間為1 s。MCC-HPPI-TOF MS的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 MCC-HPPI-TOF MS的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1 Experimental parameters of MCC-HPPI-TOF MS

2D:two-dimensional.

實(shí)際樣品進(jìn)樣方式:將松樹或柏樹頂端枝葉部分剪斷成長度為0.5 cm的小段,稱取2 g放入容積5 mL的小瓶中,室溫條件(25 ℃)下用100 mL/min高純氮?dú)庾鳛檩d氣進(jìn)行頂空吹掃,枝葉的揮發(fā)性組分隨載氣進(jìn)入MCC中分離,隨后進(jìn)入質(zhì)譜中進(jìn)行檢測,采樣裝置如圖2所示。

圖2 雪松及龍柏枝葉揮發(fā)物的采樣裝置圖Fig.2 Schematic diagram of the sampling device forthe volatiles from branches and leaves of Cedrus atlantica and Sabina chinensis

圖3 (a)MCC溫度對6種同分異構(gòu)體保留時間的影響及(b)載氣流速對MCC分離度的影響(n=3)Fig.3 (a)Retention times of the six compoundsas a function of the MCC temperature and(b)MCC resolution as a function of the carrier gas flow rate(n=3)

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.1.1MCC溫度的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)中采用質(zhì)量濃度均為6 071 μg/m3的α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯、α-萜烯、γ-萜烯和檸檬烯6種同分異構(gòu)體的混合樣品氣。將載氣流速固定在40 mL/min,傳輸管路溫度設(shè)置為30 ℃,分別在MCC溫度為30、35、40、45、50、55和60 ℃條件下平行測試3次。由圖3a可以看出,在MCC溫度為30 ℃時,6種單萜同分異構(gòu)體的保留時間各不相同,可以成功分離;隨著溫度的升高,6種化合物的保留時間均逐漸縮短,當(dāng)溫度高于35 ℃時,3-蒈烯和α-萜烯出峰時間重疊,無法實(shí)現(xiàn)有效分離。因此,為保證最佳的分離效果,MCC測試溫度選定為30 ℃。

2.1.2MCC載氣流速的優(yōu)化

為了準(zhǔn)確評價載氣流速對MCC分離效果的影響,采用色譜分離度(Rs)對所得結(jié)果進(jìn)行考察。兩個色譜峰1和2的分離度Rs可以表示為兩個峰中心之間的距離和半峰寬之和的比值:

(2)

其中t1和t2代表兩個相鄰色譜峰的保留時間,tw1和tw2代表二者峰寬。圖3b為α-蒎烯和β-蒎烯在不同MCC載氣流速下的色譜分離度。由結(jié)果可以看出,在低的載氣流速下,能夠獲得更好的色譜分離效果?？紤]到HPPI-TOF MS的進(jìn)樣流速為30 mL/min,因此選擇40 mL/min的MCC載氣流速作為測試條件。

2.2 方法學(xué)考察

2.2.1單萜同分異構(gòu)體的快速二維GC-MS分析

MCC-HPPI-TOF MS結(jié)合了MCC的快速分離能力和HPPI-TOF MS的軟電離和高靈敏優(yōu)勢,可以實(shí)現(xiàn)對6種單萜同分異構(gòu)體混合物的準(zhǔn)確、快速的二維分析。圖4是α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯、α-萜烯、γ-萜烯和檸檬烯這6種單萜同分異構(gòu)體混合樣品氣的二維GC-MS譜圖。6種化合物的質(zhì)量濃度均為6 071 μg/m3,MCC加熱30 ℃,載氣流速40 mL/min,檢測時間180 s。6種單萜同分異構(gòu)體均產(chǎn)生了較強(qiáng)的分子離子峰M+(m/z=136),其中α-蒎烯、β-蒎烯和3-蒈烯還產(chǎn)生了少量的碎片離子峰[M-C3H9]+(m/z=92)、[M-C3H8]+(m/z=93)和[M-C3H7]+(m/z=94),單獨(dú)依靠HPPI-TOF MS無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定性。在增加MCC的色譜維度后,不同的單萜同分異構(gòu)體因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異,在180 s內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)快速的色譜分離和定性分析。表2中給出了6種化合物的物化性質(zhì)、特征離子及保留時間信息。

圖4 6種單萜同分異構(gòu)體混合樣品氣體的MCC-HPPI-TOF MS二維譜圖Fig.4 2D MCC-MS plot of molecular mass against gaschromatographic retention time obtained by the MCC-HPPI-TOF MS for the gas mixture of compounds

2.2.2定量限和重復(fù)性

使用高純氮?dú)庾鳛橄♂寶?利用動態(tài)配氣方法分別獲得一系列質(zhì)量濃度分布在30～6 100 μg/m3的6種單萜同分異構(gòu)體標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品。通過對6種化合物標(biāo)準(zhǔn)氣體的測定,評價了MCC-HPPI-TOF MS的檢出限、定量限、線性范圍和重復(fù)性等性能指標(biāo),結(jié)果如表3所示。在180 s內(nèi),6種單萜同分異構(gòu)體的檢出限(S/N=3)達(dá)到2.56～5.88 μg/m3。并獲得較好的線性關(guān)系,α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯、α-萜烯、γ-萜烯和檸檬烯的線性相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.994 4、0.999 5、0.999 8、0.999 3、0.997 0和0.993 8。

表2 6種單萜同分異構(gòu)體的物化性質(zhì)、特征離子和保留時間Table2 Chemical and physical properties,characteristic ions,and retention times of the six monoterpene isomers

Chemical and physical properties are from the US National Institute of Standards and Technology (NIST).

表3 6種單萜同分異構(gòu)體的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、信號響應(yīng)強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、檢出限和定量限Table3 Linear ranges,correlation coefficients(R2),RSDs of the intensities,LODs and LOQs of the six monoterpene isomers

重復(fù)性是評價方法可行性的重要性能指標(biāo)之一。為了研究MCC-HPPI-TOF MS的重復(fù)性,連續(xù)檢測了質(zhì)量濃度均為6 071 μg/m3的α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯、α-萜烯、γ-萜烯和檸檬烯混合標(biāo)準(zhǔn)氣體,每個循環(huán)180 s。結(jié)果表明,6種化合物信號強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.65%～7.1%,展示出較好的重復(fù)性,如圖5和表3所示。

圖5 MCC-HPPI-TOF MS對6種單萜同分異構(gòu)體的氣相混合物連續(xù)3個周期測試的色譜圖Fig.5 Chromatograms of the gas mixture of sixmonoterpene isomers measured with MCC-HPPI-TOF MS for three cycles in succession Peak identifications:1.α-pinene;2.β-pinene;3.3-carene;4.α-terpinene;5.limonene;6.γ-terpinene.

2.3 實(shí)際樣品檢測

在實(shí)際樣品的檢測實(shí)驗(yàn)中,我們選取了北方地區(qū)常見的樹----雪松和龍柏作為檢測對象。于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所園區(qū)內(nèi)采集到雪松樹和龍柏樹頂端的枝葉,剪成長度為0.5 cm的小段放入小瓶中,室溫下頂空吹掃。利用MCC-HPPI-TOF MS進(jìn)行在線二維分析。在這兩種樹木枝葉中均檢測到α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯和檸檬烯組分,如圖6所示。雪松中含有較高的檸檬烯,占釋放總量的52.7%;其次為α-蒎烯(28.3%)、β-蒎烯(14.1%);3-蒈烯含量最低,僅占4.9%。龍柏釋放的單萜檢測結(jié)果中,α-蒎烯的含量最高,為34.8%;β-蒎烯含量最低,為15.8%;其余兩種3-蒈烯和檸檬烯分別占20.0%和29.4%。

圖6 雪松、龍柏枝葉中所含4種單萜同分異構(gòu)體的檢測結(jié)果Fig.6 Detection results of the four monoterpeneisomers in the branches and leaves of Cedrus atlantica and Sabina chinensis

3 結(jié)論

本研究針對大氣中釋放量巨大的單萜類BVOCs的快速在線分析,將具有快速預(yù)分離能力的MCC和高靈敏的HPPI-TOF MS進(jìn)行聯(lián)用,建立了在線二維GC-MS檢測方法。與傳統(tǒng)GC-MS富集-解析進(jìn)樣過程,以及長達(dá)數(shù)十分鐘的分析時間相比,MCC-HPPI-TOF MS得益于其大進(jìn)樣流速、軟電離及高靈敏度優(yōu)勢,無需樣品預(yù)富集及高色譜分離度,在180 s內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)單萜等復(fù)雜VOCs混合物的高靈敏、在線分析,并成功分辨6種單萜同分異構(gòu)體,檢出限低至μg/m3。

該方法的操作簡單,分析時間短,在環(huán)境監(jiān)測、過程分析等領(lǐng)域都具有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。