小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀的研制及其在呼吸氣成分分析中的應(yīng)用

趙忠俊，賀飛耀，郭 星，李雯雯，代漸雄，付 玉， 李 宏，鄧輔龍，蒲 娟，楊燕婷，王 旭，段憶翔

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610064；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064； 3.西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710127；4.四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院，四川 成都 610064； 5.四川大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610064；6.四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064； 7.成都艾立本科技有限公司，四川 成都 611930)

質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(proton transfer reaction mass spectrometry, PTR-MS)的成功研制實現(xiàn)了揮發(fā)性有機物(VOCs)高靈敏度、高通量的在線監(jiān)測與分析。1995年Lingdinger等[1]首次報道PTR-MS，由于其具有靈敏度高、檢出限低、可直接定量分析、軟電離及高通量監(jiān)測等特性[2]，在環(huán)境分析、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)以及食品科學(xué)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展[3-5]。

PTR-MS的諸多優(yōu)點及其廣泛應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?，促使?yīng)用于PTR-MS的各類質(zhì)譜技術(shù)層出不窮，日新月異。與其他類型的質(zhì)譜儀類似，PTR-MS主要在進樣系統(tǒng)、離子源、離子傳輸以及質(zhì)量分析器上進行改進，以有效地優(yōu)化PTR-MS的靈敏度、掃描速度、檢出限，并提高儀器對樣品的耐受程度。初期的PTR-MS主要使用四極桿作為質(zhì)量分析器[6]，選擇單離子掃描時的靈敏度較高，適用于PTR-MS的離子源研究。早期有研究者嘗試使用離子阱作為PTR-MS的質(zhì)量分析器，以獲取更高的分析速度[7]。近年來，PTR-MS的發(fā)展方向是采用飛行時間質(zhì)量分析器，以在掃描速度與靈敏度上達到平衡[8]。同時，由于飛行時間質(zhì)量分析器具有較高的分辨率，能夠分辨質(zhì)量數(shù)具有微小差異的VOCs，可以提高PTR-MS的定性準確性。PTR-MS的水合離子激發(fā)源經(jīng)過了多種形式的演變，包括空心陰極放電、微波等離子體、放射性元素射線電離等[6, 9-11]。離子傳輸系統(tǒng)的改進一直是PTR-MS技術(shù)更新的重點。由于離子源中的氣壓較高，而質(zhì)量分析器處于高真空中，因此，離子傳輸系統(tǒng)作為將離子源中的離子過渡傳輸?shù)劫|(zhì)量分析器中的裝置，在一定程度上決定了PTR-MS的性能。較簡單的離子傳輸器使用靜電透鏡作為離子源與質(zhì)量分析器之間的過渡傳輸[12]。該類型離子傳輸器的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，然而受制于高真空工作條件，離子源允許的傳輸口徑較小，限制了儀器的整體性能。離子漏斗技術(shù)在PTR-MS中的運用，實現(xiàn)了漂移反應(yīng)管中大面積離子的捕獲與聚焦，大幅度地提高了漂移管中的離子利用率[8]，使得儀器整機具有較好的性能。多極桿技術(shù)在質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜(PTR-TOF MS)中扮演了更加重要的角色，其較高的工作氣壓不僅使漂移管的末端離子出口開口更大，提高了離子總量，同時，由于其聚焦冷卻的特性，使得傳輸效率、離子束出射質(zhì)量更高，同步提高了PTR-TOF MS的靈敏度與分辨率[13]。為了擴展應(yīng)用范圍，對PTR-MS的進樣系統(tǒng)進行了改進。熱萃取解吸質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(thermal extraction desorption proton transfer reaction mass spectrometry, TED-PTR-MS)可以實現(xiàn)固態(tài)樣品(如醫(yī)療器具上殘余的VOCs)的檢測[14]。膜進樣質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(membrane inlet proton transfer reaction mass spectrometry, MI-PTR-MS)可以替代頂空分析，直接分析液態(tài)樣品中的VOCs[15]。噴霧進樣質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜(spray inlet proton transfer reaction mass spectrometry, SI-PTR-MS)可以提高液態(tài)樣品中VOCs測定的響應(yīng)時間[16]。國內(nèi)對PTR-MS儀器的研究同樣較活躍，先后有質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)-四極桿質(zhì)譜(proton transfer reaction quadrupole mass spectrometry, PTR-QMS)[17]與PTR-TOF MS[18]的相關(guān)報道。本課題組報道了基于微波等離子體的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀的研制[10]，實現(xiàn)了國內(nèi)PTR-MS的技術(shù)突破。

本研究擬研制小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀。該儀器采用水蒸氣空心陰極放電的方式為質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)提供水合離子；使用線性漂移反應(yīng)管作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的分子離子反應(yīng)器；離子傳輸采用射頻四極桿；質(zhì)量分析器采用自制的小型飛行時間質(zhì)譜。通過上述設(shè)計，希望該儀器能在較緊湊的體積內(nèi)實現(xiàn)揮發(fā)性有機物較高靈敏度與質(zhì)量分辨率的快速分析。

1 儀器裝置

自行研制的小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示于圖1。該儀器由質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)離子源、射頻離子傳輸裝置、靜電透鏡組、飛行時間質(zhì)量分析器以及真空系統(tǒng)構(gòu)成。質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)離子源通過電離水蒸氣產(chǎn)生水合離子，并將水合離子與VOCs進行氣態(tài)分子離子反應(yīng)，使VOCs發(fā)生化學(xué)電離。電離后的VOCs離子進入射頻離子傳輸裝置進行下一階真空的高效率傳輸，同時減小離子束的徑向動能。射出射頻離子傳輸裝置的離子束經(jīng)過靜電透鏡組的聚焦準直后進入飛行時間質(zhì)量分析器的加速區(qū)。儀器采用三階真空設(shè)計，射頻傳輸區(qū)、透鏡區(qū)、質(zhì)量分析器區(qū)通過多級分子泵獲取真空。分析器真空度優(yōu)于5×10-4Pa，使用6 m3/h渦旋泵保持前級真空。儀器整體分析器電壓測控板、離子源電壓測控板、射頻電壓測控板、脈沖電壓測控板、透鏡電壓測控板、真空系統(tǒng)測控經(jīng)由CAN總線與主控制板通信，再由主控制板通過以太網(wǎng)與上位機進行通信。

圖1 小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of small sized high performance PTR-TOF MS

1.1 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)離子源

圖2 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)離子源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of proton transfer reaction ion source

質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)離子源由放電區(qū)、源漂移區(qū)以及漂移反應(yīng)管構(gòu)成，示于圖2。放電區(qū)由S1、S2、S3三個不銹鋼電極組成。通過直流放電對水汽輸入管導(dǎo)入的水蒸氣進行電離，該放電區(qū)可以產(chǎn)生H2O+、OH+、O+、H+等離子。這些離子隨后進入源漂移區(qū)，通過與背景中的剩余水分子反應(yīng)等形式，最終可以轉(zhuǎn)化為H3O+離子[1]。源漂移區(qū)同時可以防止樣品氣體反流到放電區(qū)，導(dǎo)致空氣被電離，影響反應(yīng)管內(nèi)的單一質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過程。H3O+離子作為質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的試劑離子在漂移反應(yīng)管中與進樣毛細管引入的VOCs分子發(fā)生氣態(tài)分子離子反應(yīng)，將VOCs分子電離為質(zhì)子化的準分子離子[VOCH]+。放電區(qū)通過高壓電源供電，源漂移區(qū)和漂移反應(yīng)管通過高壓電源和電阻陣列分壓后，對各電極供電。反應(yīng)管整體電壓由源漂移區(qū)向尾部梯度降低。通過進樣毛細管進行限流，反應(yīng)管內(nèi)的氣壓控制在約200 Pa。配合漂移反應(yīng)管電壓約700 V，整個反應(yīng)管內(nèi)通常維持在約120 Td的狀態(tài)，以保證水合離子基本以單水合形式與VOCs反應(yīng)。反應(yīng)后生成的質(zhì)子化準分子離子以及剩余的水合離子通過漂移管尾部的小孔進入離子傳輸區(qū)。

1.2 小型飛行時間質(zhì)譜儀

小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀采用自行研制的小型飛行時間質(zhì)量分析器。分析器采用正交加速原理，以降低離子束在加速方向的動能分散，實現(xiàn)更高的分辨率?？梢酝ㄟ^降低脈沖電壓減少雙脈沖設(shè)計的脈沖加速區(qū)的脈沖干擾，同時更好地屏蔽加速場帶來的離子初始動能變動。反射式二階聚焦增加了離子的有效飛行距離，提高了不同質(zhì)荷比離子的飛行時間差。同時，二階聚焦還可以減小同質(zhì)荷比離子的飛行時間差。分析器高度合計低于360 mm，基于該小型分析器，儀器最終的實際尺寸為480 mm(高)×520 mm(長)×420 mm(寬)。分析器設(shè)計加速電壓-1 450 V，即加速區(qū)電壓由低到高遞增至-1 450 V。推斥極脈沖電壓與拉動極脈沖電壓分別為350 V和-350 V。經(jīng)調(diào)試后，反射網(wǎng)電極電壓-32 V，反射板電極電壓390 V，檢測器電壓-2 300 V。除特殊說明外，本研究中所涉及的采集過程均使用采集閾值95，采集頻率20 kHz，并積分50 s。

為提高儀器的整體性能，離子傳輸部分采用射頻四極桿作為離子源與質(zhì)量分析器連接。射頻四極桿電極采用8 mm不銹鋼圓桿制作，4個電極環(huán)繞分布，以配合射頻電場形成四極場，工作氣壓約0.1～1 Pa，工作頻率2 MHz。該工作氣壓使射頻四極桿可以較好地銜接離子源部分的較高氣壓以及離子透鏡組的較低氣壓，提高真空級間流導(dǎo)，從而增大離子通道。其次，射頻四極場可以很好地對離子源進入該區(qū)域的離子進行冷卻聚焦，提高離子傳輸效率，降低離子的徑向動能分散，提高儀器的分辨率。通過調(diào)整射頻電壓幅值，射頻四極桿可以調(diào)整被傳輸離子的q值，使目標范圍質(zhì)荷比的離子處于最佳q值區(qū)間，優(yōu)化儀器整體對目標范圍離子的檢出性能。

在射頻四極桿后設(shè)計一組靜電透鏡，透鏡組由聚焦透鏡與準直透鏡組成，可以對射頻四極桿射出的離子束進行聚焦準直，將離子束的速度分散，進一步轉(zhuǎn)換為空間分散，便于質(zhì)量分析器對離子束的分散進行補償，提高分辨率。

2 結(jié)果與討論

使用辛烷標準品表征儀器的分辨率，使用配制的丙酮、苯、甲苯標準氣體表征儀器的線性關(guān)系及檢出限。標準氣體由丙酮、苯、甲苯純品經(jīng)零級空氣逐級稀釋得到。零級空氣為高純氮氣與高純氧氣(99.999%)以4∶1配制而成，稀釋后的樣品氣體用30 L氣體采樣袋保存，樣品氣濃度梯度為10×10-9、100×10-9、300×10-9、600×10-9、1 000×10-9mol/mol。

2.1 水合離子分布

水合離子的狀態(tài)直接決定了質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀的工作狀態(tài)。自行研制的小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀的試劑離子質(zhì)譜圖示于圖3。由于射頻四極桿的低質(zhì)量截止特性，通常的射頻電壓設(shè)定會導(dǎo)致水合離子所處的質(zhì)量范圍q值過高，導(dǎo)致水合離子的運動不穩(wěn)定甚至截止傳輸，常規(guī)情況參數(shù)下的四極桿無法直接觀測到水合離子的真實強度。因此，本實驗對四極桿電壓及頻率進行了調(diào)整，在3.4 MHz頻率下觀察低質(zhì)量數(shù)范圍內(nèi)的離子。該譜圖是在120 Td反應(yīng)條件下使用5 s積分時間獲得的?？梢钥吹剑谠撈品磻?yīng)條件下，水合離子主要以單水合離子(m/z19)的狀態(tài)存在，團簇較少，僅觀察到約5%一水合離子豐度的二水合離子(m/z37)。質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜中的主要污染離子NO+(m/z30)在該儀器中的強度相較于一水合離子豐度在0.5%以內(nèi)，因此該離子源設(shè)計可以實現(xiàn)較高的試劑離子純凈度。

圖3 小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間 質(zhì)譜儀的試劑離子質(zhì)譜圖Fig.3 Reagent ion mass spectrum of small sized high performance PTR-TOF MS

2.2 分辨率

小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀測試辛烷的質(zhì)譜圖示于圖4，譜圖通過20 kHz頻率積分50 s得到。辛烷(分子質(zhì)量114 u)在該儀器中離子化以后得到了質(zhì)子化的分子離子(m/z115)，該離子在此處的半高峰寬為0.045 u，通過R=M/Δm計算可知，該儀器在m/z115處全高半峰寬(FWHM)分辨率大于2 500。

2.3 線性范圍與檢出限

軟電離的化學(xué)電離過程是質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜的優(yōu)勢，VOCs電離后只產(chǎn)生質(zhì)子化分子離子峰，幾乎不產(chǎn)生碎片離子峰，這一特性奠定了其在高通量在線分析領(lǐng)域的優(yōu)勢。1×10-7mol/mol丙酮、苯、甲苯混合樣品的質(zhì)譜圖示于圖5?？梢钥吹剑?種物質(zhì)對應(yīng)的質(zhì)子化分子離子[M+H]+m/z59、79、93都形成了對應(yīng)的質(zhì)譜峰，譜圖簡單易于辨別。質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜具有高靈敏的特性，對比譜圖中的基線噪聲可知，丙酮、苯、甲苯產(chǎn)生的3處質(zhì)子化分子離子峰的信噪比分別為60 000、3 000和14 000。

圖4 小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng) 飛行時間質(zhì)譜儀的分辨率測試質(zhì)譜圖Fig.4 Resolution test of small sized high performance PTR-TOF MS

測試了1×10-8、1×10-7、3×10-7、6×10-7、1×10-6mol/mol的丙酮、苯、甲苯混標氣體，以表征儀器的線性關(guān)系、靈敏度、檢出限。每個濃度的樣品連續(xù)測定6個數(shù)據(jù)點，取各濃度信號強度的平均值，數(shù)據(jù)波動使用誤差棒進行標示，各物質(zhì)的標準曲線示于圖6?？梢钥吹?，在該范圍內(nèi)，儀器的線性關(guān)系良好，線性相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.99。受制于氣體配制方法，沒有對更大濃度范圍的樣品進行測試。

根據(jù)線性曲線進行計算，儀器對丙酮、苯、甲苯的測試靈敏度分別為17 240/(10-9mol/mol)、1 040/(10-9mol/mol)、2 074/(10-9mol/mol)。噪聲的方差根據(jù)圖5d計算為10。按照檢出限為10倍信噪比計算，該儀器對丙酮、苯、甲苯的檢出限分別為6×10-12、9.6×10-11、4.8×10-11mol/mol。

圖5 1×10-7 mol/mol丙酮、苯、 甲苯混合樣品在m/z 59(a)、79(b)、 93(c)處的質(zhì)子化分子離子峰的信噪比及基線噪聲(d)Fig.5 Mass spectra of 1×10-7 mol/mol acetone, benzene, toluene mixture at m/z 59 (a)， 79 (b)，93 (c) and base line noise (d)

2.4 小型高性能PTR-TOF MS在人體呼吸氣檢測中的運用

由于人體新陳代謝的作用，細胞組織在生命活動中會產(chǎn)生大量的VOCs代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物隨著血液流入肺泡中，通過呼吸的形式散發(fā)到體外。因此，通過分析人體呼吸氣的成分及濃度，可以對人體的細胞組織乃至器官的代謝狀況進行判斷分析。根據(jù)呼吸氣中VOCs的變化，可以實現(xiàn)對人體某些疾病的判斷。質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜作為一種高通量、高靈敏度的VOCs分析技術(shù)，是較為理想的人體呼吸氣中VOCs分析手段。為了驗證小型高性能PTR-TOF MS的實際VOCs分析能力，本研究使用人體呼吸氣作為樣本，對該儀器的實際樣品測試能力進行初步表征。

圖6 丙酮(a)、苯(b)、甲苯(c)混合樣品在1×10-8～1×10-6 mol/mol濃度范圍內(nèi)的標準曲線Fig.6 Calibration curves of acetone (a), benzene (b) and toluene (c) ranging from 1×10-8 to 1×10-6 mol/mol

使用BIO-VOC采氣筒標準化采集呼吸氣。采集500 mL呼吸氣，使用Tedlar氣袋保存。在采集呼吸氣的同時，使用相同方法采集一袋500 mL背景空氣，以排除背景空氣中VOCs對呼吸氣成分分析的影響。采集前，用零級空氣清洗Tedlar采樣袋3次，隨后加熱到50 ℃烘10 h，再使用零級空氣清洗3次。人體呼吸氣經(jīng)小型高性能PTR-TOF MS分析后得到的質(zhì)譜圖示于圖7。該圖顯示了m/z38～320范圍內(nèi)的質(zhì)譜峰，在8×103～8×105之間的強度被打斷，以顯示更多低強度的質(zhì)譜峰。

測試到的呼吸氣中部分VOCs成分列于表1。表中所列的物質(zhì)為呼吸氣質(zhì)譜峰強度減去對應(yīng)質(zhì)荷比處背景空氣的質(zhì)譜峰強度，且有顯著差異的物質(zhì)。根據(jù)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜原理，本研究不對同分異構(gòu)體進行判別，部分物質(zhì)使用分子式表示。呼吸氣中VOCs含量在10-12～10-6mol/mol范圍內(nèi)?？梢钥吹?，在呼吸氣測試中，該濃度范圍的常見醛類、醇類、酮類、炔烴、烯烴、胺類等物質(zhì)均可以被小型高性能PTR-TOF MS檢測到。表明小型高性能PTR-TOF MS對實際樣品的檢出能力較強，具備對揮發(fā)性有機物進行快速高靈敏檢測的能力。

圖7 呼吸氣樣本經(jīng)小型高性能PTR-TOF MS分析得到的質(zhì)譜圖Fig.7 Mass spectrum of exhaled gas sample using PTR-TOF MS

表1 呼吸氣中與背景氣體差異性成分的推斷Table 1 Speculation of the difference between exhaled gas and background gas

3 結(jié)論

本工作成功研制了小型高性能質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜儀。通過小尺寸飛行時間質(zhì)量分析器與射頻四極桿技術(shù)的結(jié)合，該儀器在總高度360 mm的分析器上實現(xiàn)了較高的靈敏度與較低的檢出限。儀器采用結(jié)構(gòu)簡單可靠的空心陰極放電源作為水蒸氣電離源，線性漂移管作為分子離子反應(yīng)管，可以產(chǎn)生高純度的水合離子，保證分子離子的有效反應(yīng)。測試結(jié)果表明，水合離子主要以單水合離子(m/z19)的狀態(tài)存在，二水合離子(m/z37)的豐度是一水合離子的5%。質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜中主要污染離子NO+(m/z30)的豐度是一水合離子豐度的0.5%以內(nèi)。該儀器在m/z115處全高半峰寬分辨率優(yōu)于2 500，對丙酮、苯、甲苯的檢出限在6×10-12～9.6×10-11mol/mol之間，且在1×10-8～1×10-6mol/mol濃度范圍內(nèi)的線性關(guān)系良好。將該儀器應(yīng)用于人體呼吸氣的成分分析，取得了較好的結(jié)果。該儀器的成功研制有望為國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供一種新的快速VOCs分析手段，提高我國在質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜技術(shù)領(lǐng)域的研究水平。