基于紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法快速檢測(cè)PM2.5中的醌污染物

零 晨，石巧芳，張晶晶，韋展鵬，龐 可，裴繼影,2

(1.廣西大學(xué)海洋學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.廣西南海珊瑚礁研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530000)

PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)等效直徑等于或小于2.5 μm的大氣細(xì)顆粒物，具有質(zhì)量輕、比表面積大、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，易吸附細(xì)菌、病毒等物質(zhì)，且在大氣中滯留時(shí)間長(zhǎng)，可造成大范圍的空氣污染。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)廢氣和汽車(chē)尾氣排放量不斷增加，大氣PM2.5污染導(dǎo)致的一系列問(wèn)題受到人們的關(guān)注。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5影響呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等，能夠?qū)е录毙孕募」1]、早產(chǎn)兒及新生兒死亡率增加[2-4]、癌癥[5-6]等疾病的發(fā)生。醌類(lèi)化合物是細(xì)顆粒物中苯系物及多環(huán)芳烴(PAH)的重要衍生產(chǎn)物，通過(guò)自身氧化還原可產(chǎn)生活性氧自由基，危害人類(lèi)健康，同時(shí)具有急性毒性、免疫毒性和致癌毒性。

目前，醌類(lèi)化合物的檢測(cè)方法有化學(xué)發(fā)光法[7]、熒光法[8-10]、毛細(xì)管電泳分離法[11]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(GC-MS)[12-14]、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)[15]等。然而，這些方法通常需要復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程，不僅耗時(shí)、耗力，且需要大量的有機(jī)試劑，對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此，亟待開(kāi)發(fā)一種快速、廉價(jià)、高效的方法用于PM2.5中醌污染物的檢測(cè)。

2004年，Cooks等[16]在電噴霧離子化技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了解吸電噴霧離子化技術(shù)(DESI)，并首次提出了敞開(kāi)式大氣壓離子源[17]的概念。此后，短短幾年間相繼出現(xiàn)了30多種常壓敞開(kāi)式離子源，如實(shí)時(shí)直接分析(DART)[18]、萃取電噴霧離子源(EESI)[19-20]、文丘里超聲噴霧離子源(EASI)[21]、激光剝蝕電噴霧離子源(LAESI)[22-23]等，這些常壓敞開(kāi)式質(zhì)譜無(wú)需或僅需簡(jiǎn)單的樣品前處理步驟，即可在環(huán)境下對(duì)樣品進(jìn)行直接分析。2010年，Cooks等[24]開(kāi)發(fā)了紙噴霧離子源(paper spray)，不僅具有一般常壓電離源的特點(diǎn)，同時(shí)具有易獲取、低廉的特性，現(xiàn)已廣泛用于環(huán)境[25-27]、血液[28-29]、尿液[30]、食品[27, 31]及生物組織[32-35]等樣品的分析檢測(cè)。

本研究擬建立紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法檢測(cè)PM2.5中1,4-苯醌(BQ)、甲基對(duì)苯醌(MBQ)、1,4-萘醌(NQ)、1,4-蒽醌(AQ)等4種醌類(lèi)污染物。通過(guò)優(yōu)化巰基試劑、電壓、噴霧溶劑種類(lèi)等實(shí)驗(yàn)條件，以及使用線性、檢出限等指標(biāo)評(píng)價(jià)分析性能，將該方法應(yīng)用于PM2.5實(shí)際樣品中醌類(lèi)污染物的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與裝置

LTQ XL二維線性離子阱質(zhì)譜儀：美國(guó)賽默飛世爾科技公司產(chǎn)品，配有Xcalibur 4.1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；FA1104型電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；DHG-9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；Vortex-Genie2型漩渦混合器：美國(guó)Scientific Industries公司產(chǎn)品；Milli-Q純水儀：美國(guó)Millipore有限公司產(chǎn)品。

1.2 材料與試劑

3 mm色譜層析紙：英國(guó)Whatman公司產(chǎn)品；1,4-苯醌、甲基對(duì)苯醌、1,4-萘醌、1,4-蒽醌：上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司產(chǎn)品，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式列于表1；半胱胺：北京百靈威科技有限公司產(chǎn)品；半胱氨酸、谷胱甘肽：上海生工生物工程股份有限公司產(chǎn)品；甲醇、乙醇、乙腈、乙酸乙酯：均為L(zhǎng)C級(jí)，美國(guó)Honeywell Burdick ?Jackson公司產(chǎn)品；超純水：由Milli-Q純水儀制備。無(wú)特別說(shuō)明試劑均未進(jìn)行任何提純處理。

表1 醌類(lèi)化合物及其衍生產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)以及衍生產(chǎn)物的特征碎片離子Table 1 Structures of quinones and their derivatives, and characteristic fragment ions of derivatives

色譜紙預(yù)處理：在45 ℃下，將色譜紙浸泡在10-3mol/L HNO3溶液中3 h，用超純水清洗5次后放入70 ℃烘箱中烘干，儲(chǔ)存于常溫、干燥的密封環(huán)境。

1.3 溶液制備

4種醌母液的制備：將4種醌溶于乙腈溶液中，制備成1 000 mg/L溶液，于-20 ℃儲(chǔ)存待用；半胱胺母液的制備：將半胱胺溶于乙腈溶液中，制備成1 000 mg/L溶液，于-20 ℃儲(chǔ)存待用；半胱氨酸母液的制備：將半胱氨酸溶于水中，制備成1 000 mg/L溶液，于-20 ℃儲(chǔ)存待用；谷胱甘肽母液的制備：將谷胱甘肽溶于甲醇-水溶液(4∶1，V/V)中，制備成1 000 mg/L溶液，于-20 ℃儲(chǔ)存待用。其他不同濃度的溶液無(wú)特別說(shuō)明均使用乙腈稀釋。

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

1.4.1質(zhì)譜條件 毛細(xì)管入口溫度275 ℃；串聯(lián)質(zhì)譜碰撞氣體為氦氣，碰撞誘導(dǎo)解離能量為25%，采集時(shí)間為30 ms；在碰撞池中，母離子的隔離寬度為1.0；實(shí)驗(yàn)中其他參數(shù)均為質(zhì)譜儀默認(rèn)值。所有質(zhì)譜圖均在正離子模式下得到，使用Xcalibur 4.1軟件處理。

1.4.2離子源條件 自制ESI源：將噴霧電壓加在注射器針頭上，施加3 kV高壓；注射器中的醌與衍生試劑反應(yīng)溶液流經(jīng)1根長(zhǎng)約50 cm的熔融石英毛細(xì)管(內(nèi)徑100 μm，外徑365 μm)，由刻蝕毛細(xì)管的尖端流出，噴針尖端距質(zhì)譜入口1 cm，流速2 μL/min；外層毛細(xì)管為不銹鋼管(內(nèi)徑500 μm，外徑1.59 mm)，用于鞘氣流出、輔助溶劑霧化及樣品離子化，鞘氣為N2，設(shè)定值為3 MPa。

紙噴霧離子源：將色譜紙剪成底10 mm，高8.66 mm的等邊三角形，用不銹鋼夾夾住紙片的底邊；紙尖端距質(zhì)譜入口5 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將2 μL樣品滴至色譜紙上，再用移液槍加入5 μL衍生試劑。施加高壓后，儀器開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)在色譜紙上滴加噴霧試劑，整個(gè)衍生化反應(yīng)持續(xù)時(shí)間約20 s。每完成1個(gè)樣品更換1個(gè)新的三角形紙片，避免交叉污染。紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法測(cè)定PM2.5中醌的示意圖示于圖1。

圖1 紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法測(cè)定PM2.5中醌Fig.1 Diagram of derivative-based paperspray ionization mass spectrometry for quinone determination in PM2.5

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.1.1衍生試劑選擇 醌是一種弱極性化合物，在電噴霧過(guò)程中離子化效率較低，使用巰基試劑與其進(jìn)行衍生反應(yīng)，可在醌的分子結(jié)構(gòu)中引入1個(gè)結(jié)合質(zhì)子能力較強(qiáng)的氨基，從而提高離子化效率。因此，巰基試劑種類(lèi)是決定衍生反應(yīng)效率的關(guān)鍵因素，本實(shí)驗(yàn)選取半胱胺、半胱氨酸、谷胱甘肽作為衍生化試劑進(jìn)行考察。由于紙噴霧和電噴霧離子源的離子化機(jī)制相似[36]，電噴霧離子源的重復(fù)性比紙噴霧好，故巰基試劑種類(lèi)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)在電噴霧離子源上進(jìn)行，以得到更準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果，示于圖2?？梢?jiàn)，NQ和AQ與半胱胺反應(yīng)的產(chǎn)物信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于與谷胱甘肽和半胱氨酸；BQ與谷胱甘肽反應(yīng)的產(chǎn)物信號(hào)強(qiáng)度最高，分別約為與半胱氨酸和半胱胺的5倍和2.5倍；MBQ與3種巰基試劑反應(yīng)的產(chǎn)物信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)。綜上，半胱胺作為衍生化試劑與4種醌反應(yīng)產(chǎn)物的離子化效率最優(yōu)，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇半胱胺作為衍生化試劑。

注：誤差線代表3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖2 巰基試劑衍生物質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比Fig.2 Comparison of intensity of sulfhydryl reagents

2.1.2紙基質(zhì)修飾和碎片離子解析 色譜紙表面與樣品中極性化合物間存在較強(qiáng)的相互作用力，導(dǎo)致目標(biāo)化合物難以在較短時(shí)間內(nèi)洗脫，降低了紙噴霧質(zhì)譜的分析性能；另外，色譜紙中的雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重抑制目標(biāo)化合物的離子化。有研究[37]表明，使用硝酸對(duì)紙基進(jìn)行修飾能有效消除化學(xué)雜質(zhì)干擾。用處理前、后的色譜紙分析4種醌，結(jié)果示于圖3。經(jīng)硝酸處理后的色譜紙，紙噴霧中目標(biāo)化合物的信號(hào)強(qiáng)度較高，且背景峰的數(shù)量明顯減少。因此，在色譜紙使用前，用10-3mol/L硝酸溶液對(duì)其進(jìn)行處理，然后對(duì)4種醌進(jìn)行紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜分析，其全掃描和二級(jí)質(zhì)譜圖示于圖4。BQ、MBQ、NQ和AQ與半胱胺反應(yīng)產(chǎn)生的母離子([M+H]+)分別為m/z186、200、234、284，結(jié)構(gòu)列于表1。二級(jí)質(zhì)譜分析中，4種醌衍生產(chǎn)物的共同碎片離子為[M-17]+，即脫氨峰；此外，NQ和AQ衍生產(chǎn)物的碎片離子還包括[M-34]+和[M-60]+，推測(cè)結(jié)構(gòu)分別為[M-H2S]+和[M-CH2CH2SH]+。基于此特征碎片峰，推斷NQ和AQ與半胱胺反應(yīng)時(shí)，通過(guò)氨基進(jìn)攻羥基鄰位碳原子發(fā)生成環(huán)反應(yīng)，而B(niǎo)Q和MBQ與半胱胺反應(yīng)時(shí)未發(fā)生該反應(yīng)。

圖3 正離子模式下，使用未處理(a)和處理后(b)色譜紙的全掃描質(zhì)譜圖Fig.3 Full scan mass spectra of untreated (a) and treated (b) chromatographic paper in positive ion mode

注：Cys代表半胱胺；二級(jí)質(zhì)譜圖中碰撞誘導(dǎo)解離能量均為25%圖4 正離子模式下，紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法檢測(cè)BQ、MBQ、NQ和AQ的全掃描(a)和二級(jí)(b～e)質(zhì)譜圖Fig.4 Full scan mass spectrum (a), MS/MS spectra of BQ (b), MBQ (c), NQ (d) and AQ (e)by derivative-based paper spray ionization mass spectrometry in positive ion mode

2.1.3電壓優(yōu)化 電壓會(huì)影響紙噴霧離子化效率，當(dāng)電壓過(guò)小時(shí)，溶液在色譜紙尖端無(wú)法形成泰勒錐，進(jìn)而無(wú)法發(fā)生離子化；電壓過(guò)大時(shí)，色譜紙尖端容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，不僅會(huì)影響分析物的離子化效率，而且會(huì)對(duì)儀器造成損害[38-39]。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇3、3.5、4、4.5、5 kV進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果示于圖5?？梢钥闯觯?種醌對(duì)于電壓的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)電壓為5 kV時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度最高；繼續(xù)增大電壓會(huì)產(chǎn)生電暈放電，損害儀器，且導(dǎo)致樣品測(cè)試重復(fù)性較差。故選擇5 kV電壓進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

注：誤差線代表6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖5 電壓對(duì)BQ、MBQ、NQ和AQ衍生產(chǎn)物信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of voltage on signal intensity of BQ, MBQ, NQ and AQ derivatives

2.1.4噴霧溶劑選擇 目標(biāo)化合物在噴霧溶劑中的溶解度會(huì)影響其在紙噴霧離子源中的離子化效率。本實(shí)驗(yàn)考察了含0.1%甲酸的乙腈溶液、含0.1%甲酸的乙腈-乙醇溶液(V/V，1∶1)、含0.1%甲酸的乙腈-甲醇溶液(V/V，1∶1)、含0.1%甲酸的乙腈-乙酸乙酯溶液(V/V，1∶1)等4種溶劑對(duì)檢測(cè)效果的影響，結(jié)果示于圖6?？梢钥闯觯瑢?duì)于BQ、MBQ和AQ，乙腈和乙腈-乙醇混合液作為噴霧溶劑時(shí)的離子化效率接近，信號(hào)強(qiáng)度高于其他2種噴霧溶劑，但乙腈的重復(fù)性?xún)?yōu)于含0.1%甲酸的乙腈-乙醇溶液；對(duì)于NQ，乙腈的離子化效率最好，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他3種溶劑。綜合考慮，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇乙腈作為噴霧溶劑。

注：誤差線代表6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖6 噴霧溶劑對(duì)BQ、MBQ、NQ和AQ衍生產(chǎn)物信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of spray solvent on signal intensity of BQ, MBQ, NQ and AQ derivatives

2.2 分析性能表征

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，即選擇半胱胺作為衍生化試劑、乙腈作為噴霧溶劑、電壓設(shè)置為5 kV，對(duì)該方法的分析性能進(jìn)行表征。常壓敞開(kāi)式質(zhì)譜面臨的挑戰(zhàn)主要為重復(fù)性差和定量能力弱[40]，為減小操作條件變化對(duì)分析誤差造成的影響，采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量。由于要求內(nèi)標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)和目標(biāo)分析物結(jié)構(gòu)盡可能相似，因此選擇BQ-D4作為BQ和MBQ分析的內(nèi)標(biāo)化合物，1,4-NQ-D6作為NQ和AQ分析的內(nèi)標(biāo)化合物，定量分析標(biāo)準(zhǔn)曲線示于圖7?？梢?jiàn)，在0～100 mg/L濃度范圍內(nèi)，4種醌的信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，BQ、MBQ、NQ、AQ的線性相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.990、0.993、0.992和0.990。基于11次空白值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率的比值作為檢出限，即3×δblank/k，其中，δblank為11次空白值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率，計(jì)算得到BQ、MBQ、NQ、AQ的檢出限分別為4.49、20.89、0.13和1.71 ng。

2.3 紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法原位檢測(cè)PM2.5中的萘醌和蒽醌

將該方法應(yīng)用于PM2.5實(shí)際樣品檢測(cè)中，在采集PM2.5樣品的石英濾膜上分別加入0、50、100、200、500、1 000 μL的NQ和AQ母液(1 000 mg/L)，萃取后利用紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法測(cè)定NQ和AQ的含量，結(jié)果示于圖8～10?？瞻讓?shí)驗(yàn)中(萃取溶液中未加入NQ和AQ溶液)，未檢測(cè)到4種醌的衍生化產(chǎn)物，示于圖8，表明該樣品中醌含量在檢出限以下，且環(huán)境大氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。PM2.5樣品采集于廣西大學(xué)校園，遠(yuǎn)離工廠排放、煤炭燃燒等污染源，所以樣品中NQ和AQ含量較低。對(duì)于加標(biāo)的PM2.5樣品，由紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法可得到較好的定性和定量結(jié)果，示于圖9～10，其中，NQ和AQ的線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.980、0.997。根據(jù)文獻(xiàn)[41-43]報(bào)道，大氣中NQ的濃度為

注：BQ-D4作為BQ和MBQ定量分析的內(nèi)標(biāo)化合物；1,4-NQ-D6作為NQ和AQ定量分析的內(nèi)標(biāo)化合物；誤差線代表6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖7 紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法定量分析BQ (a)、MBQ (b)、NQ (c)和AQ (d)的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Linear dynamic curves for BQ (a), MBQ (b), NQ (c) and AQ (d) determination with the developed derivative-based paper spray ionization mass spectrometry

圖8 正離子模式下，紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法在空白實(shí)驗(yàn)中的全掃描質(zhì)譜圖Fig.8 Full scan mass spectrum of the blank control by derivative-based paper spray ionization mass spectrometry

注：1,4-NQ-D6作為內(nèi)標(biāo)化合物；誤差線代表6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖10 紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法定量分析PM2.5中NQ(a)和AQ(b)的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.10 Calibration curves for NQ (a) and AQ (b) determination in PM2.5 by derivative-based paper spray ionization mass spectrometry

注：Cys代表半胱胺；PM2.5樣品中NQ和AQ的加標(biāo)量均為40 ng圖9 正離子模式下，紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法分析PM2.5中NQ和AQ的總離子流圖(a)、全掃描質(zhì)譜圖(b)和二級(jí)質(zhì)譜圖(c～d)Fig.9 Total ion chromatogram (a), full scan (b) and MS/MS spectra (c-d) of NQ and AQ in PM2.5 by derivative-based paper spray ionization mass spectrometry

3 結(jié)論

本研究建立了一種快速、低廉、省時(shí)省力的紙噴霧離子化衍生質(zhì)譜法用于PM2.5中醌污染物的測(cè)定。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，以半胱胺為衍生化試劑、電壓5 kV、乙腈為噴霧溶劑時(shí)，BQ、MBQ、NQ和AQ的檢出限分別為4.49、20.89、0.13和1.71 ng。此外，通過(guò)分析PM2.5中的NQ和AQ，均獲得了較好的定性和定量效果。