配標(biāo)溶劑對雙區(qū)大氣壓化學(xué)電離質(zhì)譜分析環(huán)境煙氣標(biāo)志物3-乙烯基吡啶的影響

張 碩，李明雷，王丁眾，孫世豪，潘文亮，張建勛*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2. 河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，石家莊市橋西區(qū)維明南大街1 號 050051

3-乙烯基吡啶（3-Ethenylpyridine，3-EP）是環(huán)境煙草煙氣（Environmental tobacco smoke，ETS）風(fēng)險評估中較常用的標(biāo)志物之一，其在ETS 中的初始存在水平為 50 ng/L 左右［1-4］。GC-MS 法是分析 ETS中3-EP 的最常見方法［5-7］。為了滿足儀器靈敏度的要求，在進行GC-MS 分析前，通常需要耗費較長的時間（一般是6 h）收集較大體積（通常是數(shù)百升）的ETS 用于富集3-EP。顯然，通過這種方法獲取的結(jié)果難以呈現(xiàn)環(huán)境煙氣動態(tài)變化的特征。風(fēng)險評估對ETS化學(xué)構(gòu)成動態(tài)變化數(shù)據(jù)的需求促使分析工作者開發(fā)了一系列ETS的實時在線分析方法，其中，基于常壓質(zhì)譜技術(shù)的方法因簡單、快速、靈敏而備受關(guān)注［8-10］。在用常壓質(zhì)譜技術(shù)對氣體樣品進行檢測時，為了實現(xiàn)定量分析，需要配制梯度濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品用于建立外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線。通常的做法是：首先向一定體積的頂空瓶中加入一定量不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品，然后通過質(zhì)譜直接分析標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。但是，研究發(fā)現(xiàn)，在借助常壓質(zhì)譜技術(shù)進行分析時，配標(biāo)溶劑能通過質(zhì)子競爭和電荷轉(zhuǎn)移的方式顯著影響分析物在離子源內(nèi)的離子化效率，從而影響分析，這也稱為溶劑效應(yīng)；而且這種效應(yīng)在微量、痕量目標(biāo)物的分析中更為明顯。例如，二氯甲烷可以顯著提升氯苯衍生物的離子化效率［11］，甲苯可以提升多環(huán)芳香類化合物的離子化效率［12-13］，而乙腈能夠顯著降低痕量環(huán)氧化物的離子化效率［14］，此外合適的濕度能提高丙烯醛和巴豆醛的離子化效率［15］。同時不同溶劑濃度對離子化效率的影響也不同，這種溶劑效應(yīng)造成分析物離子化效率改變而引起質(zhì)譜信號強度的變化，勢必也造成分析結(jié)果存在差異。在前期開展基于大氣壓化學(xué)電離（Atmospheric pressure chemical ionization，APCI）技術(shù)的研究中，也注意到溶劑效應(yīng)對分析的干擾［15］。但迄今為止，在關(guān)于3-EP的常壓質(zhì)譜分析中，溶劑效應(yīng)并沒有受到應(yīng)有的關(guān)注。

基于此，以本研究組開發(fā)的雙區(qū)大氣壓化學(xué)電離（Double-region atmospheric pressure chemical ionization，DRAPCI）源為研究平臺，考察溶劑效應(yīng)對3-EP離子化效率的影響，比較不同溶劑背景下3-EP的分析結(jié)果，建立用于ETS 標(biāo)志物快速分析的直接DRAPCI-MS 方法，旨在為環(huán)境煙氣中3-EP 的分析提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

環(huán)己烷（≥99.9%，上海星可高純度溶劑有限公司）；乙腈、甲醇（色譜純，美國 Sigma-Aldrich公司）；丙酮（色譜純，上海安譜實驗科技股份有限公司）；3-乙烯基吡啶［≥96.0%，含對叔丁基鄰苯二酚（p-tert-butylcatechol，TBC）穩(wěn)定劑，上海阿拉丁生化科技股份有限公司］。

XevoTMTQ-MS 大氣壓化學(xué)電離串聯(lián)質(zhì)譜儀（美國Waters公司），配備MassLynx V4.1質(zhì)譜儀操作軟件（美國Waters 公司）；GenPure 超純水儀（德國Thermo Fisher 公司）；CP224S 型電子天平［感量0.000 1 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司］；石英玻璃毛細(xì)管（0.53 mm i.d.，0.68 mm o.d.，澳大利亞SGE Analytical Science公司）；20 mL棕色樣品瓶（上海安普公司）；雙區(qū)大氣壓化學(xué)電離源（自制），詳細(xì)參數(shù)參見文獻［16］；煙氣捕集瓶（自制），詳細(xì)參數(shù)參見文獻［17］。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱量25 mg 3-EP，分別以環(huán)己烷、乙腈、丙酮和甲醇為溶劑配制濃度為25 mg/L 的母液，隨后使用對應(yīng)溶劑采用逐級稀釋的方式各配制一系列濃度梯度的3-EP標(biāo)準(zhǔn)溶液。

標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品：探究溶劑量對3-EP離子化效率影響時，取2 μL母液于20 mL樣品瓶中，并且分別添加0、2、4、6、8、10 μL對應(yīng)溶劑，密封靜置，待母液和所加溶劑完全揮發(fā)后，3-EP樣品濃度為2.5 μg/L；在對目標(biāo)物進行定量分析時，分別以4種溶劑，配制濃度為1.0、2.5、5.0、10.0、25.0、50.0、100.0、250.0和500.0 μg/L，以及1.0、2.0、10.0和50.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，取10 μL 不同濃度梯度的分析物標(biāo)準(zhǔn)溶液于20 mL 棕色樣品瓶中，密封靜置待其揮發(fā)，其氣化后的濃 度 分 別 為 0.50、1.25、2.50、5.00、12.50、25.00、50.00、125.00、250.00、500.00 ng/L，以及1.00、5.00 和25.00 μg/L。質(zhì)譜及其進樣條件：

電離源：DRAPCI 源；離子化模式：正離子模式；離子源溫度：100 ℃；電暈放電電流：5 μA；APCI 探頭溫度：100 ℃；脫溶劑氣：N2，流速 250 L/h；錐孔氣：N2，流速10 L/h；掃描模式：全掃描模式、子離子掃描和多反應(yīng)檢測；掃描范圍：30～200 amu；錐孔電壓：30 V；碰撞電離能：30 eV；碰撞氣：Ar，流速0.25 mL/min；進樣深度：5 cm；進樣時間：3 s。

ETS 樣品：ETS 采樣地點為會議室（長×寬×高：8.4 m×7.3 m×3.0 m），采樣開始前，3 名志愿者在30 min 內(nèi)連續(xù)抽吸9 支卷煙后離開。煙氣捕集瓶放置于會議室中央高約1.2 m的操作臺上，每隔10 min采樣1次，連續(xù)采樣3 h，每次采樣時間持續(xù)10 min。質(zhì)譜及其進樣條件：

電離源：DRAPCI 源；離子化模式：正離子模式；離子源溫度：100 ℃；電暈放電電流：5 μA；APCI 探頭溫度：100 ℃；脫溶劑氣：N2，流速250 L/h；錐孔氣：N2，流速10 L/h；掃描模式：多反應(yīng)檢測；離子對：106＞77；錐孔電壓：30 V；碰撞電離能：30 eV；碰撞氣：Ar，流速0.25 mL/min；進樣深度：10 cm；進樣時間：3 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 ETS中3-EP的DRAPCI-MS特征

DRAPCI 源將放電區(qū)和電離區(qū)分離，可明顯減少分析物在離子源內(nèi)發(fā)生碎裂，使質(zhì)譜圖相對簡單，且能明顯提高檢測的靈敏度，在小分子揮發(fā)性成分分析研究中具有明顯優(yōu)勢［16］。結(jié)合ETS分析中對方法靈敏度的要求，嘗試用DRAPCI-MS 方法分析ETS標(biāo)志物3-EP。圖1是抽吸卷煙后會議室中ETS的典型DRAPCI-MS 質(zhì)譜圖。DRAPCI 源為較“軟”的電離源，一般只形成準(zhǔn)分子離子［M+H］+，通過二級質(zhì)譜分析可知，質(zhì)譜圖中m/z 106 的離子對應(yīng)于3-EP，表明采用 DRAPCI-MS 可以實施對 ETS 中3-EP的檢測。

圖1 室內(nèi)ETS樣品全掃描質(zhì)譜圖及3-EP（m/z 106）子離子掃描圖Fig.1 Full scan mass spectrum of indoor ETS sample and daughter scan mass spectrum of 3-EP（m/z 106）

2.2 配標(biāo)溶劑對3-EP離子化效率的影響

采用直接質(zhì)譜方法進行ETS 中3-EP 的定量分析，需要配制不同濃度的3-EP標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品?？紤]到配標(biāo)溶劑可能會對3-EP的離子化造成影響，需要考察不同配標(biāo)溶劑下3-EP的質(zhì)譜圖特征。圖2是不同配標(biāo)溶劑下3-EP樣品的質(zhì)譜圖，相關(guān)質(zhì)譜信號的歸屬見表1。可以看出，以常壓質(zhì)譜分析時常用的配標(biāo)溶劑環(huán)己烷、甲醇、乙腈和丙酮等制備3-EP 標(biāo)準(zhǔn)氣體進行質(zhì)譜分析時，配標(biāo)溶劑的背景信號并不干擾3-EP信號的呈現(xiàn)。雖然環(huán)己烷的背景譜圖復(fù)雜，但是并不影響借助二級譜圖對3-EP 進行定性定量分析。

表1 不同配標(biāo)溶劑時3-EP的DRAPCI-MS質(zhì)譜圖中的離子信號和歸屬①Tab.1 Ion signals and attribution in DRAPCI-MS mass spectrometry of 3-EP in different standard solvents

圖2 不同配標(biāo)溶劑時3-EP樣品的質(zhì)譜圖Fig.2 Full scan mass spectra of 3-EP in different standard solvents

2.2.1 配標(biāo)溶劑類型對3-EP離子化效率的影響

盡管在4 種配標(biāo)溶劑下，3-EP 均能呈現(xiàn)有效的質(zhì)譜信號，但3-EP 的絕對離子強度有所不同。在3-EP濃度相同的情況下，進一步考察不同配標(biāo)溶劑下3-EP 的絕對離子強度。結(jié)果顯示，配標(biāo)溶劑不同，3-EP的絕對離子強度不同。以環(huán)己烷為配標(biāo)溶劑時，離子化效率最高，是甲醇配標(biāo)情況下的3倍。

不同配標(biāo)溶劑造成的3-EP離子化效率的差異，可能是離子源內(nèi)溶劑分子與3-EP 競爭質(zhì)子造成的。相關(guān)研究［18］已經(jīng)表明，在以質(zhì)子遷移為基本離子化原理的常壓質(zhì)譜中，溶劑與分析物之間存在嚴(yán)重的質(zhì)子競爭現(xiàn)象，競爭能力的強弱在一定程度上取決于質(zhì)子親和勢（Proton affinity，PA），質(zhì)子親和勢越小，質(zhì)子親和能力越弱。溶劑分子的質(zhì)子親和勢越小，溶劑分子與目標(biāo)物分子競爭質(zhì)子的能力就越弱，越有利于分析物分子離子化。文獻［19］中報道，環(huán)己烷、甲醇、丙酮和乙腈的質(zhì)子親和勢分別為686.9、754.3、812.0 和779.2 kJ/mol。因此，從質(zhì)子親和勢角度講，以環(huán)己烷為配標(biāo)溶劑，3-EP 的離子化效率更高，其次是甲醇、乙腈和丙酮。但本研究中，實驗結(jié)果顯示，3-EP的離子化效率與質(zhì)子親和勢之間并不成典型的正相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 配標(biāo)溶劑量對3-EP離子化效率的影響

在3-EP濃度一定的情況下，考察溶劑量變化對3-EP 的絕對離子強度的影響，結(jié)果如圖3 所示。以環(huán)己烷為溶劑時，3-EP的響應(yīng)強度基本不隨溶劑濃度的增加發(fā)生變化；以丙酮為溶劑時，3-EP 的響應(yīng)強度也相對穩(wěn)定，但信號強度的重復(fù)性相對較差；以甲醇或乙腈為溶劑時，3-EP的響應(yīng)強度均隨溶劑濃度的增加呈下降趨勢。為了了解造成信號強度下降的原因，進一步分析配標(biāo)溶劑和配標(biāo)溶劑背景下3-EP的DRAPCI-MS譜圖。

以甲醇為配標(biāo)溶劑時，3-EP的譜圖中主要呈現(xiàn)甲醇的［S+H］+、［2S+H］+和3-EP 的［M+H］+（S 表示溶劑，M 表示3-EP）等信號峰。提高甲醇濃度后發(fā)現(xiàn)，甲醇二聚體的信號強度逐漸增加，而3-EP 的信號強度則呈降低趨勢，如圖3c所示。表明3-EP在與甲醇單體競爭質(zhì)子時處于優(yōu)勢，更容易獲得質(zhì)子而離子化；而與甲醇二聚體競爭質(zhì)子時處于劣勢。數(shù)據(jù)顯示，甲醇二聚體的質(zhì)子親和勢比甲醇單體的質(zhì)子親和勢高135 kJ/mol，推測甲醇二聚體的質(zhì)子親和勢可能高于3-EP。在DRAPCI 源中，試劑離子優(yōu)先和甲醇二聚體發(fā)生質(zhì)子交換反應(yīng)，從而抑制了3-EP的電離。此現(xiàn)象在Charles等［20］的研究中也被發(fā)現(xiàn)，水楊酸甲酯（PA 855 kJ/mol）的離子化只能通過與質(zhì)子化甲醇單體之間發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)，不能與質(zhì)子化的甲醇二聚體發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移。DRAPCI 源的離子化區(qū)域是相對封閉的腔體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)本身可能更有利于造成源內(nèi)甲醇聚集，從而促進大量甲醇二聚體形成。初步實驗數(shù)據(jù)也證明，對純甲醇進行DRAPCI-MS 分析時，提高甲醇濃度，甲醇二聚體的信號強度逐漸增加。

以丙酮為配標(biāo)溶劑時，如圖2c所示，m/z 59、117離子信號歸屬于丙酮的［S+H］+、［2S+H］+。但不同的是，丙酮二聚體的絕對離子強度并不隨丙酮濃度的升高而升高，3-EP的絕對離子強度也不會因丙酮濃度的增加發(fā)生較大變化，除了重復(fù)性相對較差外，絕對離子強度持續(xù)保持較低狀態(tài)，如圖3b所示。其原因有待進一步研究。

圖3 不同溶劑添加量時3-EP及溶劑的提取離子流圖（EIC）和溶劑添加量對3-EP離子化效率的影響（n=3）Fig.3 Extracted ion chromatography（EIC）of 3-EP and solvent at different solvent additions, and influences of solvent additions on ionization efficiency of 3-EP（n=3）

以乙腈為配標(biāo)溶劑時，質(zhì)譜圖中主要呈現(xiàn)乙腈的［S+H］+、［2S+H］+、［3S+H］+和3-EP的［M+H］+等離子信號。改變乙腈的量，其二聚體和三聚體的絕對離子強度基本保持不變，但3-EP的信號仍然會隨乙腈濃度的增加而降低，如圖3d所示。對純乙腈進行質(zhì)譜分析，［2S+H］+、［3S+H］+的信號強度也未隨乙腈濃度的增加而改變。這表明，在乙腈背景下，溶劑分子多聚體競爭質(zhì)子可能并不是3-EP 信號下降的主要原因。有研究顯示，乙腈能夠顯著降低痕量環(huán)氧化物的電離效率，并認(rèn)為是由于溶劑分子與分析物之間形成的中性分子團簇，掩蓋了分析物的質(zhì)子化位點，抑制目標(biāo)分析物的離子化［14］。推測增加乙腈濃度導(dǎo)致3-EP絕對離子強度下降的原因可能與之類似。

2.3 配標(biāo)溶劑對DRAPCI-MS方法分析性能的影響

為了進一步確認(rèn)配標(biāo)溶劑對分析方法性能的影響，考察不同配標(biāo)溶劑下，DRAPCI-MS 方法分析3-EP 時的性能參數(shù)。選擇母離子＞子離子（106＞77）離子對，在質(zhì)譜最佳實驗條件下，以多反應(yīng)監(jiān)測模式（Multiple reaction monitoring, MRM）進行分析。為了實現(xiàn)對ETS中3-EP的定量，在頂空瓶中加入一定體積不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制一系列濃度的氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品，然后通過DRAPCI-MS 方法直接分析，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4 所示?？疾炝? 種配標(biāo)溶劑下分析方法的性能參數(shù)，結(jié)果見表2。

圖4 不同溶劑下DRAPCI-MS/MS定量分析3-EP的標(biāo)準(zhǔn)曲線（n=3）Fig.4 Calibration curves of 3-EP by DRAPCI-MS/MS in different solvents（n=3）

表2 的數(shù)據(jù)顯示，以乙腈或甲醇為配標(biāo)溶劑時，檢出限（LOD）和定量限（LOQ）數(shù)值較大，但在高濃度區(qū)間線性良好；以丙酮或環(huán)己烷為配標(biāo)溶劑時，檢出限和定量限相對較低，且在低濃度區(qū)間線性良好；以環(huán)己烷為配標(biāo)溶劑時的檢出限和定量限較甲醇更低，分別為0.38 和1.15 ng/L。這些數(shù)據(jù)正好印證了前述的實驗結(jié)果，即在DRAPCI源內(nèi)，乙腈和甲醇抑制3-EP的離子化，在極低的濃度下，這種抑制現(xiàn)象更為明顯，從而影響了DRAPCI-MS 對低濃度3-EP 的檢出和定量；而環(huán)己烷和丙酮并沒有明顯的離子化抑制現(xiàn)象。文獻［1］中報道，ETS 中3-EP 的初始濃度約為50 ng/L，這是一個相對較低的量值。因此，從ETS 動態(tài)檢測的角度看，環(huán)己烷和丙酮是比較合適的配標(biāo)溶劑。

表2 不同溶劑背景下3-EP分析的性能參數(shù)（n=3）Tab.2 Performance parameters of 3-EP in different solvents（n=3）

2.4 不同配標(biāo)溶劑建立的方法下ETS中3-EP測試的比較

圖5顯示了不同配標(biāo)溶劑建立的檢測方法下，室內(nèi)ETS樣品中3-EP濃度隨時間的變化趨勢?？芍?，室內(nèi)ETS 樣品中3-EP 的濃度在2 h 內(nèi)從50.59 ng/L下降至1.42 ng/L，并且下降速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，這一結(jié)果和采用直接APCI-MS的分析結(jié)果基本一致［17］。造成這一變化趨勢的原因，一是自然通風(fēng)的環(huán)境使3-EP 濃度下降，二是3-EP 可能吸附在墻壁或者會議室內(nèi)的其他物體表面，隨著時間的推移，吸附在物體表面的3-EP又會解吸釋放到空氣中，這使得下降的趨勢變得緩慢［21］。

圖5 不同配標(biāo)溶劑建立的方法下室內(nèi)ETS中3-EP濃度隨時間的變化趨勢Fig.5 Variation of 3-EP concentration in indoor ETS sample with time detected by methods with different solvents

顯然兩種配標(biāo)溶劑建立的方法下，測試結(jié)果存在一定差異，但均能反映3-EP 的變化趨勢。在3-EP下降到一定程度后，以丙酮為配標(biāo)溶劑建立的方法不能實現(xiàn)有效的定量分析，縮短了檢測ETS 動態(tài)變化的時間范圍，這可能會限制其在ETS 風(fēng)險評估中的實際應(yīng)用。

3 結(jié)論

以環(huán)境煙氣標(biāo)志物3-EP 為目標(biāo)物，研究了DRAPCI 源內(nèi)的溶劑效應(yīng)，結(jié)果表明：①甲醇會在DRAPCI 源內(nèi)形成二聚體，并通過質(zhì)子競爭的方式抑制3-EP 的電離；②乙腈會和3-EP 形成中性分子簇，掩蓋3-EP 的質(zhì)子化位點，從而抑制3-EP 的電離；③環(huán)己烷因為其質(zhì)子親和勢低和不易形成多聚體的特點，不會影響3-EP的電離。這些研究結(jié)果表明采用常壓質(zhì)譜法進行定量分析，必須對配標(biāo)溶劑優(yōu)化。分析數(shù)據(jù)顯示，在采用DRAPCI-MS 進行ETS中3-EP的分析時，最佳的配標(biāo)溶劑是環(huán)己烷。