質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀在植物揮發(fā)物性有機(jī)物檢測(cè)中的應(yīng)用

俞　飛，　沈陽輝，　伊力塔,b

(浙江農(nóng)林大學(xué) a.林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院；b.林學(xué)類國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 臨安 311300)

0　引　言

植物揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds，VOCs)是主要來源于森林、草原、灌木和農(nóng)田等陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物次生代謝物質(zhì)。這些化合物不僅是植物抵御逆境脅迫、信息傳遞的重要手段，并且可以通過氧化、沉降等作用影響區(qū)域和全球尺度的大氣化學(xué)、生物化學(xué)循環(huán)和氣候變化[1]，因此，植物VOCs的釋放和隨后在空氣中的轉(zhuǎn)變引起了科學(xué)工作者的廣泛探索。植物VOCs研究的主要測(cè)量和分析儀器包括色譜、質(zhì)譜、REA 系統(tǒng)、FIS(Fast Isoprene System)系統(tǒng)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀(Proton Transfer Reaction Mass Spectrometer，PTR-MS)等。其中氣相色譜(Gas chromatography，GC)或氣質(zhì)聯(lián)用(gas chromatography mass spectrometer，GC-MS)是最常規(guī)的VOCs檢測(cè)技術(shù)，而PTR-MS是20世紀(jì)90年代初，Lindinger研究組在選擇離子流動(dòng)管質(zhì)譜(Selected ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS)的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)電離思想和流動(dòng)漂移管模型技術(shù)開發(fā)的在線VOCs檢測(cè)技術(shù)[2]。PTR-MS技術(shù)無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可直接測(cè)定有機(jī)物的絕對(duì)濃度，并具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、裂解度低以及不受空氣中常規(guī)組分干擾等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為痕量氣體在線檢測(cè)的潛在手段，在環(huán)境、醫(yī)療和食品領(lǐng)域的使用也越來越多。在國外PTR-MS技術(shù)也廣泛應(yīng)用于植物揮發(fā)物的檢測(cè)中，但是國內(nèi)相關(guān)研究開展較少，因此本文通過國外研究實(shí)例，從個(gè)體和生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)層面對(duì)PTR-MS在植物VOCs檢測(cè)中的應(yīng)用展開了介紹。

1　PTR-MS的原理和特點(diǎn)

1.1　PTR-MS的原理

PTR-MS主要由進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、漂移管、質(zhì)量分析器、檢測(cè)系統(tǒng)5部分組成，其工作流程為：空氣中的VOCs在漂移管與離子源產(chǎn)生的母體離子H3O+發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，將VOCs分子離子化成唯一的(VOC)H+，然后進(jìn)入質(zhì)量分析器通過質(zhì)荷比(m/z)進(jìn)行定性分析，并通過檢測(cè) H3O+和(VOC)H+強(qiáng)度的變化來定量VOCs的絕對(duì)濃度[2]。PTR-MS使用的這種電離技術(shù)稱為軟電離技術(shù)，即利用母體離子與目標(biāo)物反應(yīng)，把目標(biāo)分子轉(zhuǎn)換成離子。在VOCs檢測(cè)中，H3O+是目前為止最為理想的母體離子。這是因?yàn)镠3O+可以和大多數(shù)的VOCs分子發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)(CH4和C2H4等少數(shù)有機(jī)物不能)，但是不能與空氣的主要成分(N2、O2、CO2和Ar等)發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)[3]。關(guān)于PTR-MS儀器原理和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)闡述在多篇文獻(xiàn)中已有報(bào)道，在此就不再贅述。

2　PTR-MS在植物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1　在個(gè)體尺度植物VOCs釋放研究中的應(yīng)用

植物VOCs最初受到人們關(guān)注是因?yàn)榫哂行盘?hào)傳遞、抵抗高溫和病原體侵染、創(chuàng)傷修復(fù)以及防止細(xì)胞傷害等生理生態(tài)作用，所以VOCs釋放種類、排放速率與環(huán)境關(guān)系是植物生理生態(tài)研究的重要內(nèi)容之一。目前利用PTR-MS開展的個(gè)體和種群水平的研究主要以控制試驗(yàn)為主，有模擬氣候變化或環(huán)境污染對(duì)植物VOCs釋放的影響，如CO2濃度升高對(duì)楊樹異戊二烯釋放特性的影響，模擬氮沉降對(duì)歐洲赤松單帖釋放的影響，臭氧脅迫導(dǎo)致煙草VOCs大量釋放的研究，水淹對(duì)歐洲顫楊等3種植物VOCs釋放的影響等；還有生物脅迫造成的植物VOCs釋放變化，如被褐卷葉蛾幼蟲取食的蘋果葉片72 h內(nèi)植物VOCs的釋放變化研究；以及植物隨著自身物候變化化合物釋放的變化，如絡(luò)石VOCs釋放隨花期變化的研究[4-7]。

圖1是常見的PTR-MS檢測(cè)流程圖[7]。主要有PTR-MS儀、采樣室(chamber)、碳?xì)浠衔锊都?、抽氣泵、流量?jì)等組成。一般流程是碳?xì)浠衔锊都鲗⒊闅獗贸檫M(jìn)的空氣過濾后(去除空氣中的VOCs)輸入采樣室，然后攜帶植物釋放的VOCs進(jìn)入PTR-MS進(jìn)行測(cè)定，而流量計(jì)用于控制空氣流速。

圖1　植物VOCs采樣和檢測(cè)系統(tǒng)[7]

其中，采樣室是非常重要的配件，用于放置待測(cè)葉片、枝條甚至整個(gè)植株。因?yàn)橹参颲OCs含量低，而且活性高，極不穩(wěn)定，特制的采樣室可以保證植物釋放的VOCs能順利進(jìn)入儀器而不是揮發(fā)到空氣中，并且不改變VOCs成分。常用的采樣室材料有聚四氟乙烯(PTFE或Teflon)、不銹鋼、黃銅、玻璃等，其中PTFE/Teflon是最常見的，不能使用橡膠或塑料，因?yàn)檫@兩種材料會(huì)釋放或吸收VOCs。圖2是常見的兩種采樣室。Schuhfried[6]等就采用特制的玻璃采樣室來盛放采摘后的絡(luò)石花朵并收集VOCs(見圖3)，以研究絡(luò)石花朵凋謝過程中VOCs的釋放特征，其PTR-MS的檢測(cè)結(jié)果見圖4。也有的研究者直接將氣體交換儀的葉室作為VOC的采樣室開展研究。如Niinemets[8]等將Walz GFS-3000光合作用儀和PTR-MS進(jìn)行聯(lián)用，利用光合作用儀的葉室為VOC采樣室，同步測(cè)定楊樹葉片的氣體交換數(shù)據(jù)和異戊二烯排放速率，進(jìn)一步拓展了PTR-MS的應(yīng)用。采樣室至少要有一面是透明的以保證光線的進(jìn)入維持正常的光合作用，因?yàn)橐恍┲参锏腣OCs釋放是受光照控制的。影響植物VOCs釋放的環(huán)境生物因素有CO2濃度、濕度、臭氧變化等，這些大多數(shù)可以通過在采樣室內(nèi)安裝風(fēng)扇對(duì)葉室內(nèi)空氣速率進(jìn)行控制，從而將環(huán)境因素的影響降到最低，有的采樣室根據(jù)試驗(yàn)需要甚至安裝了控溫裝置[7]。采樣室與氣泵和儀器等各氣路也需要用PTFE或Teflon相連。

A: 玻璃采樣室

B: PTFE采樣室

圖3采摘后置于采樣室的絡(luò)石花朵照片(Trachelospermumjasminoides)[6]。

注：在第1,5,9,10,11,12和13天分別用PTR-MS進(jìn)行VOCs檢測(cè)。

圖4　絡(luò)石鮮花凋謝過程中VOCs釋放特征圖[6]

利用PTR-MS進(jìn)行VOCs研究大多會(huì)在可以控制溫度和濕度的室內(nèi)開展，以保持儀器的精度和靈敏度。在開展植物VOCs檢測(cè)時(shí)的參數(shù)設(shè)置一般為：漂移管壓強(qiáng)220 Pa左右，漂移電壓600 V左右，漂移管內(nèi)所加電場(chǎng)(E)和氣體數(shù)密度(N)比值(E/N)為100-140 Td之間。在測(cè)定前需要用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證精度。

2.2　在生態(tài)系統(tǒng)尺度植物VOCs檢測(cè)中的應(yīng)用

據(jù)估算，全球生物源揮發(fā)性化合物的年均排放量高達(dá)1 273 Tg C，其中90%左右(約1 150 Tg C)來自陸地生態(tài)系統(tǒng)，為植物生理過程中排放到大氣中的次生代謝物質(zhì)，而人為源揮發(fā)性化合物僅為110 Tg C[1]。這些VOCs可以與大氣中的活性自由基發(fā)生反應(yīng)生成二次有機(jī)氣溶膠，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧及灰霾，造成空氣污染，影響區(qū)域大氣環(huán)境；也可以在氧化過程中與O3、NO2、OH自由基反應(yīng)，降低大氣的氧化性從而延長(zhǎng)CH4等溫室氣體在大氣中的壽命，改變大氣輻射平衡，增強(qiáng)溫室效應(yīng)；還可以在大氣中經(jīng)過一系列反應(yīng)最終生成 CO2，參與到生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中，最終影響全球氣候變化。所以全球不同地區(qū)代表性生態(tài)系統(tǒng)植物VOCs釋放研究成為了生態(tài)學(xué)和大氣化學(xué)等學(xué)科研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。

PTR-MS的發(fā)明解決了陸地生態(tài)系統(tǒng)植物VOCs排放在線檢測(cè)困難的問題。這是因?yàn)楹艽笠徊糠值闹参颲OCs為高活性物質(zhì)，釋放后幾秒內(nèi)即與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)代謝為其它有機(jī)化合物，要求儀器具有實(shí)時(shí)、快速響應(yīng)的特點(diǎn)。國外利用PTR-MS開展陸地生態(tài)系統(tǒng)植物VOCs排放的研究開始于2000年左右。目前已經(jīng)對(duì)熱帶雨林，如南美亞馬遜和馬來西亞的熱帶雨林等；溫帶闊葉林，如法國地中海橡樹林，日本櫟樹林等；北方針葉林，如芬蘭的歐洲赤松林等；亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)，如美國科羅拉多州北部的針葉林等世界典型森林；還有一些農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，如歐洲西北部玉米地開展了研究[9-11]。國內(nèi)近幾年也陸續(xù)開展了不同森林類型植物VOCs排放通量的研究，使用的檢測(cè)儀器還是以GC，或者GC-MS為主，利用PTR-MS進(jìn)行的VOCs排放研究幾乎未見報(bào)道。

圖5　實(shí)驗(yàn)進(jìn)樣裝置示意圖[12]

PTR-MS參數(shù)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置：漂移管電壓600 V，壓強(qiáng)220 Pa(127 Td)。每個(gè)高度采樣2 min，PTR-MS進(jìn)行6-7次(每次20 s)掃描。PTR-MS 使用選擇離子掃描模式，根據(jù)荷質(zhì)比選擇異戊二烯、甲醇等主要的植物揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行檢測(cè)。研究結(jié)果如圖6所示，24 m高度的異戊二烯和總單萜總體高于79 m和0.5 m處，且排放量從上午9 h開始上升，到下午3 h左右達(dá)到最大值，然后下降。

圖6　異戊二烯和總單萜的日變化[12]

還有不少研究在測(cè)定植物VOCs排放速率和種類時(shí)，同步獲取氣象條件，然后結(jié)合梯度擴(kuò)散法、渦度相關(guān)法或馳豫渦旋累積法等微氣象方法，計(jì)算植物VOCs垂直通量[13]。這也是傳統(tǒng)色譜技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槟壳癡OCs通量觀測(cè)的主要技術(shù)為渦度相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)通過同步測(cè)定垂直風(fēng)速和VOCs的濃度來計(jì)算其垂直通量，要求濃度測(cè)量工具反應(yīng)時(shí)間在 1 s以內(nèi)，所以傳統(tǒng)的測(cè)量工具如GC的等達(dá)不到這些要求，而PTR-MS的響應(yīng)時(shí)間僅為100 ms，檢測(cè)限可達(dá)10-9，甚至10-12級(jí)，而且直接進(jìn)樣，完全可以滿足通量觀測(cè)的要求。

3　展　望

經(jīng)過科學(xué)研究者多年努力，PTR-MS儀器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。在進(jìn)樣技術(shù)方面，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了液體膜進(jìn)樣(MI-PTR-MS)、溶液直接注射進(jìn)樣(DAI-PTR-MS)、平衡器進(jìn)樣(EI -PTR-MS)、固相微萃取(SPME-PTR-MS)、激光解吸進(jìn)樣 (LD-PTR-MS)等多種進(jìn)樣方式，可以直接檢測(cè)液體和固體VOCs[14-15]。在質(zhì)量分析器方面，PTR-MS可分別與四極桿(Q)、離子阱(IT)、飛行時(shí)間(TOF)等結(jié)合，各有優(yōu)勢(shì)[7]。PTR-TOF-MS是目前最貴也是最先進(jìn)的在線植物揮發(fā)物檢測(cè)儀，檢測(cè)限可達(dá)萬億分之一的體積比(pptv級(jí))，是今后PTR-MS的主要發(fā)展方向。而四級(jí)桿PTR-MS(PTR-Q-MS)仍將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在植物VOCs監(jiān)測(cè)中占重要位置，因?yàn)樗p、更小，攜帶方便，價(jià)格也相對(duì)便宜，而且對(duì)數(shù)據(jù)處理器的要求也低一些，所以更適合野外使用。但是在分析同分異構(gòu)體時(shí)，還需要借助GC-FID/MS開展平行試驗(yàn)進(jìn)行鑒定。

這些研究都是針對(duì)PTR-MS儀器自身進(jìn)行的檢測(cè)范圍、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間等方面的改進(jìn)。但是在利用PTR-MS進(jìn)行植物揮發(fā)性有機(jī)物測(cè)定時(shí)，還要考慮植物自身因素。因?yàn)閂OCs釋放不僅受環(huán)境因素影響，還由植物生長(zhǎng)狀態(tài)和物候等因素決定。在個(gè)體尺度上進(jìn)行的植物VOCs在線檢測(cè)常與植物生長(zhǎng)狀態(tài)的儀器，如光合作用測(cè)量系統(tǒng)，葉綠素?zé)晒鈨x等進(jìn)行聯(lián)用，以確定VOCs檢測(cè)過程中的植物狀態(tài)。所以，如何與其它儀器進(jìn)行聯(lián)用，也將是PTR-MS在植物VOCs檢測(cè)應(yīng)用中的一個(gè)重要方向。

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