國(guó)產(chǎn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀*

鄒 雪 張強(qiáng)領(lǐng) 梁 渠 陸 燕 夏 磊 劉亞偉 黃超群 沈成銀 儲(chǔ)焰南

（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院健康與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所，醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜（Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，PTR-MS）技術(shù)主要用于揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的檢測(cè)分析［1］。目前VOCs檢測(cè)應(yīng)用最廣泛的是氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）、光電離或火焰電離氣相色譜儀（Gas Chromatography-Photoionization Detector，GC-PID、Gas Chromatography-Flame Ionization Detector，GC-FID）等色譜類(lèi)技術(shù)［2］。近年來(lái)，科研工作者又拓展出了多維色譜技術(shù)［3］，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百種VOCs的同時(shí)分離檢測(cè)［4］，但是也存在檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)等不足。對(duì)此，近年來(lái)發(fā)展出一系列快速光譜和質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)。其中，光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)特定數(shù)種VOCs的定向檢測(cè)，但是無(wú)法對(duì)未知樣品進(jìn)行盲測(cè)，限制了應(yīng)用前景。PTR-MS是代表性質(zhì)譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)VOCs的實(shí)時(shí)在線高靈敏檢測(cè)，檢出限已經(jīng)達(dá)到pptv級(jí)甚至更低，而且一般不需要樣品前處理［5］。

PTR-MS是一種基于質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)原理發(fā)展出來(lái)的質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)，最早由因斯布魯克大學(xué)Lindinger團(tuán)隊(duì)在 1995年發(fā)明建立［6］，并于 2008年由儲(chǔ)焰南團(tuán)隊(duì)引入中國(guó)［7］。檢測(cè)過(guò)程中，待測(cè)物與離子源中制備的反應(yīng)母離子H3O+在反應(yīng)管中發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)（Proton Transfer Reaction，PTR），獲取質(zhì)子、帶上電荷，并在電場(chǎng)作用下進(jìn)入質(zhì)量分析器，給出質(zhì)荷比和信號(hào)強(qiáng)度。PTR是一種放熱反應(yīng)，且反應(yīng)過(guò)程中能量變化較小，因而碎片離子少，利用質(zhì)荷比基本上就可以完成定性工作［8，9］；關(guān)于定量，既可利用標(biāo)樣標(biāo)定的方式進(jìn)行，也可結(jié)合質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)原理通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)［10，11］。

為了全面介紹中國(guó)PTR-MS的發(fā)展現(xiàn)狀，本文將詳細(xì)回顧該技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化歷程和應(yīng)用研究：首先介紹PTR-MS裝置的結(jié)構(gòu)和基本原理；然后回顧國(guó)產(chǎn)PTR-MS的研制歷程，介紹國(guó)產(chǎn)PTR-MS在環(huán)境、醫(yī)學(xué)、安全等領(lǐng)域應(yīng)用研究；最后，總結(jié)國(guó)產(chǎn)PTR-MS儀器的發(fā)展成果，分析與國(guó)外技術(shù)相比的優(yōu)缺點(diǎn)，展望技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用拓展方向。

1 PTR-MS簡(jiǎn)介

PTR-MS主要由三部分組成：離子源、反應(yīng)管和質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)（圖1）。工作時(shí)，水蒸氣被引入離子源，通過(guò)輝光放電產(chǎn)生高濃度H3O+，然后在電場(chǎng)作用下進(jìn)入反應(yīng)管。待測(cè)物M直接通入反應(yīng)管，和H3O+發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)獲得質(zhì)子，之后在電場(chǎng)作用下進(jìn)入質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)，給出質(zhì)荷比和信號(hào)強(qiáng)度。

圖1 PTR-MS示意圖Fig.1 Schematic Diagram of PTR-MS

1.1 PTR-MS的構(gòu)成

1.1.1 離子源

表1 離子源內(nèi)輝光放電產(chǎn)生的各種離子與H2 O發(fā)生的反應(yīng)及其速率常數(shù)Tab.1 Reactions of Various Ions Produced by Glow Discharge in Ion Source with H2 O and Its Rate Constants

1.1.2 反應(yīng)管

反應(yīng)管是待測(cè)物M與H3O+離子發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的場(chǎng)所（圖1）。如果通入的M質(zhì)子親和勢(shì)（Proton Aftinity，PA）大于水的 PA（691 kJ/mol），就可以和 H3O+發(fā)生如式（2）所示的反應(yīng)，奪取質(zhì)子，帶上電荷。常規(guī)PTR-MS反應(yīng)管是由系列等徑不銹鋼圓環(huán)串聯(lián)而成，不銹鋼圓環(huán)之間通常由聚四氟墊片隔開(kāi)。不銹鋼圓環(huán)之間通過(guò)電阻施加均勻電場(chǎng)，使產(chǎn)物離子MH+和反應(yīng)母離子H3O+在電場(chǎng)作用下向下游運(yùn)動(dòng)，通過(guò)差分小孔進(jìn)入質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)。

E/N（E是反應(yīng)管中電場(chǎng)強(qiáng)度，N是反應(yīng)管內(nèi)氣壓溫度恒定時(shí)氣體分子的數(shù)密度）是反應(yīng)管內(nèi)離子分子碰撞能的決定因素。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)可以減少產(chǎn)物中碎片離子和團(tuán)簇離子的產(chǎn)生，增加MH+的比例，提升PTR-MS的定性能力。另一方面，通過(guò)觀察不同E/N條件下碎片離子的分布和比例，可以進(jìn)一步提升 PTR-MS的定性能力［23］，特別適合于分子量相同但是元素組成不同物質(zhì)的定性。

1.1.3 質(zhì)譜探測(cè)器

四極桿質(zhì)譜（Quadrupole Mass Spectrometer，QMS）探測(cè)器是最早應(yīng)用于PTR-MS研究的質(zhì)量分析器［6］，也是商用PTR-MS最早使用的質(zhì)量分析器［24，25］，因體積小、重量輕、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣受PTR-MS儀器研發(fā)人員的喜愛(ài)。QMS由四根完全平行的電極組成，理想的電極界面為兩組完全對(duì)稱(chēng)的雙曲線，具體結(jié)構(gòu)如圖2a所示。極間的最小距離定義為2r0，在x方向的電極上施加高頻電壓U+V cosωt，在y方向的電極上施加高頻電壓-（U+V cosωt），其中 U為電壓的直流分量，V為電壓的交流幅值，ω為圓頻率，t是時(shí)間（圖2b）。在QMS上，2r0和ω都是固定值，同時(shí)對(duì)U和V進(jìn)行掃描，可以使具有不同質(zhì)量的離子先后穩(wěn)定通過(guò)四級(jí)桿，進(jìn)而被檢測(cè)到。不過(guò)QMS更適合于m/z 300以內(nèi)的離子檢測(cè)，大質(zhì)量的離子存在透過(guò)率差、靈敏度低的問(wèn)題［26，27］。

圖2 四極桿質(zhì)譜探測(cè)儀示意圖Fig.2 Schema Diagram of Quadrupole Mass Spectrometer

飛行時(shí)間質(zhì)譜（Time-of-Flight Mass Spectrometry，TOFMS）探測(cè)器是另一種常用于PTR-MS的質(zhì)量分析器，最早由英國(guó)萊斯特大學(xué)的Blake等［28］提出將其應(yīng)用于 PTR-MS，并建成了質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry，PTRTOFMS）。TOFMS包含線性和反射式兩種結(jié)構(gòu)。原理上，相同條件下的反射式結(jié)構(gòu)具有更高的分辨率，因此本文將以反射式為例進(jìn)行介紹。其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由脈沖電極、反射區(qū)和微通道板探測(cè)器（Microchannel Plates，MCP）組成。在PTR-TOFMS中，產(chǎn)物離子MH+可在電場(chǎng)引導(dǎo)下進(jìn)入TOFMS，經(jīng)脈沖電壓作用到達(dá)反射區(qū)，反射飛行后按時(shí)間順序到達(dá)MCP，每個(gè)離子在MCP中被逐個(gè)放大成電子脈沖信號(hào)，后經(jīng)前置放大器放大成高速數(shù)據(jù)采集離子計(jì)數(shù)系統(tǒng)可識(shí)別的信號(hào)強(qiáng)度，從而得到不同時(shí)間到達(dá)MCP的離子個(gè)數(shù)，最后經(jīng)過(guò)質(zhì)量校準(zhǔn)即可獲得離子的質(zhì)荷比和信號(hào)強(qiáng)度［18］。TOFMS理論上可以做到比QMS更高的質(zhì)量分辨率，沒(méi)有大質(zhì)量離子透過(guò)率低的問(wèn)題，但是存在峰位置容易漂移的問(wèn)題，需要高頻校正。

圖3 反射式TOFMS示意圖［18］Fig.3 Schema Diagram of Reflection TOFMS［18］

1.2 PTR-MS的參數(shù)

1.2.1 絕對(duì)濃度測(cè)量

根據(jù)離子分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理可以直接計(jì)算出待測(cè)物的濃度。通常痕量待測(cè)物經(jīng)過(guò)式（2）反應(yīng)后只會(huì)消耗少量母離子，H3O+信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)明顯下降，可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，那么反應(yīng)管末端的產(chǎn)物離子信號(hào)強(qiáng)度［MH+］就可以表示為［29］

式中，［H3O+］0是初始反應(yīng)離子數(shù)密度，k是反應(yīng)速率常數(shù)，t是待測(cè)物在反應(yīng)管中的反應(yīng)時(shí)間。通常待測(cè)物濃度［M］很低，k［M］t＜＜1，那么式（3）可以轉(zhuǎn)化為

式中，［MH+］和［H3O+］0可以通過(guò)質(zhì)譜探測(cè)器測(cè)得，多數(shù)物質(zhì)的反應(yīng)速率常數(shù)可以通過(guò)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)查閱，反應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)反應(yīng)管長(zhǎng)度等參數(shù)計(jì)算獲得。

1.2.2 靈敏度

反應(yīng)管中離子運(yùn)行速率 Vd＝μE［30］，式中 E是反應(yīng)管內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度，μ是離子遷移率。而約化離子遷移率μ0可以表示為

其中，P和T分別為反應(yīng)管內(nèi)氣壓和溫度，N0是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0（1 atm）和溫度（273.15 K）下的離子數(shù)密度，反應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)離子漂移速度算得：

式中，L是反應(yīng)管長(zhǎng)度。如果考慮離子透過(guò)率，式（4）可以進(jìn)一步表示為

式中，離子信號(hào)強(qiáng)度和離子數(shù)密度［MH+］、［H3O+］0成正比，是離子 MH+相對(duì)于H3O+的透過(guò)率，VMR是M的體積比，即［M］/N。靈敏度定義為反應(yīng)離子H3O+信號(hào)強(qiáng)度為106cps時(shí)，1 ppbv待測(cè)物 M測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度［MH+］［31］：

2 中國(guó)PTR-MS儀器研制進(jìn)展

中國(guó)的PTR-MS儀器最早由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的儲(chǔ)焰南團(tuán)隊(duì)研制成功［7］，初期建立了以四級(jí)桿質(zhì)譜為分析器的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)四級(jí)桿質(zhì)譜（Proton Transfer Reaction Quadrupole Mass Spectrometry，PTR-QMS），近年進(jìn)一步拓展至PTR-TOFMS［18，32］，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分產(chǎn)品的批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售，同時(shí)通過(guò)多反應(yīng)離子和靈敏度提升技術(shù)研究，逐步將中國(guó)的PTR-MS技術(shù)推向了世界前列［33］。

2.1 儀器研制

2.1.1 PTR-QMS

PTR-QMS是一種以四級(jí)桿為質(zhì)量分析器的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀器，質(zhì)量漂移小、靈敏度高，特別適合于分子量在300以內(nèi)的VOCs檢測(cè)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展出成熟的產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售。

2008年，儲(chǔ)焰南團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首次成功研制出PTR-QMS儀器，通過(guò)文獻(xiàn)報(bào)道了該裝置的基本結(jié)構(gòu)和性能［7］，著重考察了裝置的基本技術(shù)問(wèn)題，比如常見(jiàn)的水團(tuán)簇問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)管電場(chǎng)與分子密度比值為144 Td時(shí)，可以有效阻止團(tuán)簇離子H3O+（H2O）n的形成，質(zhì)譜觀察到的離子主要是H3O+（純度可達(dá)99%以上），此時(shí)H3O+與有機(jī)物分子如甲苯的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的產(chǎn)物離子也呈單一形式（C7H8·H+），團(tuán)簇離子可以得到很好的抑制。作為首臺(tái)國(guó)產(chǎn)PTR-MS，檢出限雖然未達(dá)到當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平［34］，但是線性動(dòng)態(tài)范圍跨越3個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出了良好的定量準(zhǔn)確性，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了秒級(jí)，基本滿足大氣中多種揮發(fā)性有機(jī)物的在線監(jiān)測(cè)需求。

在此基礎(chǔ)上，儲(chǔ)焰南團(tuán)隊(duì)優(yōu)化離子源反應(yīng)管結(jié)構(gòu)、離子傳輸小孔直徑、電壓施加方式，將儀器檢出限逐步優(yōu)化至7 pptv，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1 s以內(nèi)［16］。發(fā)展出質(zhì)子反轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀（Proton-Extraction-Reaction Mass Spectrometry，PERMS）［14］、雙極性質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀（Dipolar Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，DPPTR-MS）［15］、呼氣檢測(cè)儀（Breath tester）［15］、船載液體進(jìn)樣質(zhì)譜儀（Spray Inlet Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，SI-PTR-MS）［35］、車(chē)載大氣走航監(jiān)測(cè)質(zhì)譜儀（Mobile Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，M-PTR-MS）［36］、快速色譜-質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜（Fast Gas Chromatography Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，F(xiàn)GCPTR-MS）等系列產(chǎn)品。其中DP-PTR-MS、SI-PTRMS、M-PTR-MS和FGC-PTR-MS均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售，主要應(yīng)用于環(huán)境、安全、科研等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)其他團(tuán)隊(duì)也開(kāi)展了PTR-QMS研制工作，但尚未有樣機(jī)出現(xiàn)。2014年，天津大學(xué)李維康等［37］運(yùn)用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的方法對(duì)PTR-MS的關(guān)鍵部件離子源和反應(yīng)管進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)和加工組裝。用離子光學(xué)分析軟件Simion模擬了離子在不同漂移管結(jié)構(gòu)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和聚焦特性，分析了不同錐型接口結(jié)構(gòu)對(duì)試劑離子和雜質(zhì)離子的濃度影響。所研制離子源和反應(yīng)管在IONICON公司的商業(yè)PTR-MS質(zhì)譜上進(jìn)行了測(cè)試，反應(yīng)母離子H3O+的信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)2×107cps。但是僅完成了PTR-MS樣機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及真空部分的搭建工作，截至目前，暫無(wú)可以出現(xiàn)信號(hào)的樣機(jī)被報(bào)道出來(lái)。

2.1.2 PTR-TOFMS

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀是另外一種常應(yīng)用于PTRMS的質(zhì)量分析器。近年來(lái)，中國(guó)攻克了PTRTOFMS技術(shù)難題，已有三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)建立起可穩(wěn)定運(yùn)行的工程樣機(jī)，性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 三個(gè)團(tuán)隊(duì)研發(fā)PTR-TOFMS性能比較1）Tab.2 Performance Comparison of PTR-TOFMS Developed by the Three Teams1）

PTR-TOFMS裝置主要包括離子源、反應(yīng)管、傳輸區(qū)和飛行時(shí)間質(zhì)譜分析器，其中離子源和反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和作用與PTR-QMS相同，用于制造反應(yīng)母離子H3O+和發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。但是反應(yīng)管只有傳輸作用而無(wú)聚焦效果，會(huì)導(dǎo)致其末端離子發(fā)散，影響儀器分辨率。因此，一般會(huì)在傳輸區(qū)安裝四級(jí)桿、透鏡等裝置減弱影響。四級(jí)桿主要用于聚焦離子，中科院團(tuán)隊(duì)沒(méi)有使用，聚焦效果較差，因此檢出限只有3.8 ppbv；上海大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用的是靜電場(chǎng)四級(jí)桿，將檢出限降低至0.5 ppbv；四川大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用的是射頻四級(jí)桿，具有更強(qiáng)的聚焦效果，進(jìn)一步將檢出限優(yōu)化至6×10-3ppbv。離子進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器之前會(huì)有空間分散和速度分散，空間分散可以通過(guò)質(zhì)譜分析器中的反射區(qū)來(lái)補(bǔ)償，透鏡可以將離子束的速度分散轉(zhuǎn)換成空間分散［38］。

2.2 技術(shù)發(fā)展

PTR-MS是一種檢測(cè)分析技術(shù)，根據(jù)分析化學(xué)的 3S（Selectivity，Sensitivity and Speediness）要求［40］，主要朝著選擇性更好、靈敏度更高、速度更快的方向發(fā)展。在速度方面，PTR-MS本身就是一種秒級(jí)檢測(cè)技術(shù)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1 s以內(nèi)，滿足速度需求。在選擇性方面，PTR-MS一般通過(guò)更高的質(zhì)量分辨率實(shí)現(xiàn)，目前主要途徑是提升TOFMS分析器的質(zhì)量分辨率。上文已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹了幾種PTR-TOFMS技術(shù)的發(fā)展，本部分內(nèi)容主要展示中國(guó)在靈敏度提升方面的技術(shù)進(jìn)展。另外，為了擴(kuò)充可測(cè)物質(zhì)種類(lèi)，科研工作者們也發(fā)展出了多反應(yīng)離子制備技術(shù)，在此一并介紹。

2.2.1 靈敏度提升技術(shù)研究

由PTR-MS示意圖（圖1）可見(jiàn)，反應(yīng)母離子H3O+和產(chǎn)物離子MH+的傳輸會(huì)受到離子源-反應(yīng)管-質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)之間小孔的制約，離子在傳輸飛行的過(guò)程中存在偏離主線的概率，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)小孔，進(jìn)而影響靈敏度［16］。離子源和反應(yīng)管之間的小孔是為了防止反應(yīng)管中注入樣氣向離子源反流；反應(yīng)管和質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)之間的小孔是為了保持兩者之間的壓差，反應(yīng)管中氣壓相對(duì)較高（100hPa左右），可以保證離子分子充足的碰撞反應(yīng)，質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)中的氣壓相對(duì)較低（10-6hPa），用于保證質(zhì)譜系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此，小孔是PTRMS的必要組成部分，而且孔徑不能太大，一般只能通過(guò)離子聚焦的方式提升靈敏度。

1）射頻雙漏斗靈敏度增強(qiáng)技術(shù)：Shaffer等［41］于1997年發(fā)明射頻電場(chǎng)離子漏斗技術(shù)，可以將離子盡量束縛在傳輸直線上以減少損耗，之后Barber等［42］于2012年將其應(yīng)用于 PTR-MS反應(yīng)管內(nèi)的MH+離子傳輸，大大提升了儀器靈敏度。2020年，張強(qiáng)領(lǐng)等［16］進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用于離子源，提升母離子H3O+的傳輸效率，具體結(jié)構(gòu)如圖4a所示。與傳統(tǒng)反應(yīng)管由等徑圓環(huán)組成不同，離子源和反應(yīng)管均是U型漏斗（即為雙漏斗），每個(gè)漏斗主要由兩部分構(gòu)成，前面若干片圓環(huán)電極內(nèi)徑相同，后面內(nèi)徑逐漸縮小。電壓施加方式也與傳統(tǒng)反應(yīng)管不同，傳統(tǒng)反應(yīng)管各電極之間通過(guò)阻值相同的電阻串聯(lián)，直流電壓均勻分布在各電極上，U型漏斗離子源在此基礎(chǔ)上，同時(shí)通過(guò)電容給各電極施加射頻電壓，相鄰兩電極之間，射頻電壓的幅值相同、極性相反，此結(jié)構(gòu)下電極上電壓是直流電壓和射頻電壓耦合在一起，直流電壓用于促進(jìn)離子在軸向的運(yùn)動(dòng)，射頻電壓用于離子聚焦。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，雙漏斗技術(shù)可以將PTRMS靈敏度提升10倍以上，具體如圖4b所示。

圖4 雙離子漏斗的電極結(jié)構(gòu)剖視圖與全譜示例圖［16］Fig.4 Sectional View of Electrode Structure of Double Ion Funnel and Full Mass Spectrum［16］

2）靜電場(chǎng)離子漏斗靈敏度增強(qiáng)技術(shù)：張強(qiáng)領(lǐng)等提出的靜電場(chǎng)聚焦PTR-MS新技術(shù)是一種不需要射頻電源的應(yīng)用于反應(yīng)管的靜電場(chǎng)離子聚焦技術(shù)［16］。如圖5所示，應(yīng)用該技術(shù)的反應(yīng)管末端由5片球面電極組成，球的內(nèi)徑逐漸減小。該結(jié)構(gòu)在只添加靜電場(chǎng)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)離子的聚焦，與傳統(tǒng)反應(yīng)管結(jié)構(gòu)相比，可以將靈敏度提升5倍左右［16］。

圖5 靜電場(chǎng)球面電極結(jié)構(gòu)剖視圖和全譜示意圖［16］Fig.5 Sectional View of Spherical Electrode with Electrostatic Field and Full Mass Spectrum Diagram［16］

綜上可見(jiàn)，射頻雙漏斗聚焦技術(shù)對(duì)靈敏度提升幅度更高，可達(dá)10倍以上，但是需要額外增加射頻電源等裝置，更加適合于不在乎體積、重量、功耗的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)譜。靜電場(chǎng)聚焦技術(shù)對(duì)靈敏度提升幅度相對(duì)較小，但也達(dá)到了5倍，而且只需將末端5片圓環(huán)換掉即可，不會(huì)增加體積和功耗，更加適合于野外移動(dòng)監(jiān)測(cè)的小型化PTR-MS。兩種技術(shù)各有所長(zhǎng)，應(yīng)用場(chǎng)景不同，都為PTR-MS的靈敏度提升做出了重要貢獻(xiàn)。

2.2.2 多反應(yīng)離子技術(shù)研究

1）離子源內(nèi)多試劑放電技術(shù)

NO+與待測(cè)物M的反應(yīng)包括電荷轉(zhuǎn)移（式11）、氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移（式12）和加合反應(yīng)（式13）三種.

2）OH-離子技術(shù)

2014年，沈成銀等［14］在傳統(tǒng)PTR-MS的基礎(chǔ)上發(fā)明了PER-MS，不用改變離子源內(nèi)放電氣體，只通過(guò)反轉(zhuǎn)引導(dǎo)電場(chǎng)的方法，篩選出OH-反應(yīng)離子，離子分子反應(yīng)如式（16）所示，待測(cè)物M丟失一個(gè)質(zhì)子，帶上負(fù)電荷生成［M-H］-。

隨后潘月等［15］在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)PTR-MS上只通過(guò)轉(zhuǎn)換電場(chǎng)制備OH-和H3O+，建成DP-PTR-MS，反應(yīng)離子OH-和H3O+與待測(cè)物反應(yīng)，分別生成［M-H］-和［M+H］+，提升了定性能力。

Analysis on the variability of housing pattern under the family pension model

4）反應(yīng)管內(nèi)氨摻雜技術(shù)

利用此方法測(cè)固體炸藥三過(guò)氧化三丙酮（Triacetone Triperoxide，TATP），質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過(guò)程與傳統(tǒng)PTR-MS相比，放熱更小，碎片離子更少，靈敏度提升了41倍，檢出限達(dá)1.3 ppb［43］。

2.3 液體進(jìn)樣PTR-MS檢測(cè)技術(shù)

PTR-MS最早發(fā)明出來(lái)是用于氣態(tài)物質(zhì)的檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)液體樣本的直接進(jìn)樣。為了解決這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科研工作者發(fā)明了冒泡提取法和噴霧提取法，將液體樣本中的待測(cè)物在線提取和進(jìn)樣檢測(cè)。

2.3.1 冒泡提取法

2009年李建權(quán)等［44］提出利用冒泡法在線提取水中苯，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，樣本放置于長(zhǎng)筒型提取池內(nèi)，高純氮通入池子底部，并通過(guò)燒結(jié)玻璃板上的小孔進(jìn)入水溶液，形成小氣泡，在其上升過(guò)程中，溶液中的苯擴(kuò)散到氣泡內(nèi)，直到內(nèi)外平衡，最終進(jìn)入PTR-MS檢測(cè)，檢出限低至1 μg/L。當(dāng)氣泡內(nèi)外苯達(dá)到平衡時(shí)，內(nèi)部氣態(tài)苯與水中液態(tài)苯的濃度成正比，符合亨利定律，氣態(tài)苯的濃度可以通過(guò)PTR-MS測(cè)得。液態(tài)苯是配制的，濃度已知，因此，李建權(quán)等還利用此方法測(cè)量了苯的亨利常數(shù)為1.36×10-3mol·m-3·Pa-1。

圖6 冒泡提取質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜裝置示意圖［44］Fig.6 Schematic Diagram of Bubble Extraction PTR-MS［44］

2.3.2 噴霧提取法

2016年鄒雪等［35］發(fā)展出一種噴霧提取技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖7所示，液體樣品經(jīng)蠕動(dòng)泵加壓至噴嘴，霧化成細(xì)小液滴，極大地增加了液體與載氣的接觸面積，使得液體樣本中的物質(zhì)快速揮發(fā)至載氣中，然后在載氣帶動(dòng)下進(jìn)入PTR-MS檢測(cè)。檢測(cè)苯的響應(yīng)時(shí)間縮短至55 s，檢出限降至0.14 μg/L，在自來(lái)水、湖水、實(shí)驗(yàn)室廢水、藥廠廢水中的加標(biāo)回收率為98%～114%，適用于不同介質(zhì)中揮發(fā)性有機(jī)物的在線進(jìn)樣檢測(cè)。

圖7 噴霧提取質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜裝置示意圖［35］Fig.7 Schematic Diagram of Spray Extraction PTR-MS［35］

然而，上述噴霧方式只適用于大體積樣本的檢測(cè)，無(wú)法滿足微小體積樣本的檢測(cè)需求。因此，2018年鄒雪等［45］提出利用超聲霧化的方式取代噴嘴。超聲霧化所需樣本量極小，而且霧化的液滴更加細(xì)小。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，只需0.66 mL的液體樣本即可完成一副全譜掃描（m/z20-150，Δm＝1，每個(gè)離子駐留時(shí)間為1s），響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步縮短至34 s，對(duì)于甲醇、乙醛和丙酮的檢出限分別為4.47μg/L、1.98μg/L和 3.47μg/L。在尿液基質(zhì)中，加標(biāo)回收率為88.39%～94.54%。

3 國(guó)產(chǎn)PTR-MS應(yīng)用進(jìn)展

國(guó)產(chǎn)PTR-MS已經(jīng)在環(huán)境、醫(yī)學(xué)、安全等領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛應(yīng)用，比如大氣中VOCs監(jiān)測(cè)、人體呼氣中疾病標(biāo)志物的發(fā)掘、炸藥快檢等，本節(jié)將對(duì)國(guó)產(chǎn)PTR-MS應(yīng)用范圍和案例進(jìn)行陳述總結(jié)。

3.1 環(huán)境

PTR-MS是一種快速高靈敏檢測(cè)儀器，特別適用于大氣中VOCs的在線監(jiān)測(cè)［5］。國(guó)產(chǎn)PTRMS自2008年建立以后［7］，同年即開(kāi)展了針對(duì)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中11種污染物的檢測(cè)研究［46］。通過(guò)箔絲催化轉(zhuǎn)化器，可以將空氣中VOCs加熱至450℃轉(zhuǎn)化成H2O和CO2，測(cè)得檢出限為0.03～0.28 mg·m-3，均小于“無(wú)組織排放閾值”。2016年，康萌等［47］發(fā)展出新一代有機(jī)物檢測(cè)質(zhì)譜儀，在36小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)期間，盡管氣溫波動(dòng)達(dá)到5℃，濕度波動(dòng)更是達(dá)到50%以上，母離子m/z 21的信號(hào)波動(dòng)只有0.74%（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差），證明了儀器的穩(wěn)定性。儀器的檢出限降至97 ppt，在13天的實(shí)驗(yàn)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到多種濃度在1 ppbv左右有機(jī)物的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同時(shí)采樣（間隔3小時(shí)）的固相微萃取GC-MS相比，監(jiān)測(cè)到的 VOCs變化趨勢(shì)基本一致。

車(chē)載走航監(jiān)測(cè)是近年來(lái)PTR-MS的重要應(yīng)用方向。2020年梁渠等［36］將PTR-MS小型化并實(shí)現(xiàn)車(chē)載，建成M-PTR-MS，通過(guò)軟硬件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大氣中VOCs的邊走邊測(cè)，并將VOCs種類(lèi)濃度實(shí)時(shí)展現(xiàn)到電子地圖上。M-PTR-MS可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)VOCs的分布圖勾畫(huà)，也是大氣污染溯源的重要手段之一，該團(tuán)隊(duì)所建M-PTR-MS的距離分辨率最小可達(dá)0.8 m，檢出限為43.5 ppt，母離子m/z 21的信號(hào)波動(dòng)為0.45%。與英國(guó)KORE公司的PTR-MS裝置同時(shí)監(jiān)測(cè)某地區(qū)大氣，VOCs濃度變化趨勢(shì)的重合率高達(dá)92.67%。2022年，北京雪迪龍科技股份有限公司利用英國(guó)KORE公司的PTR-MS儀器，研發(fā)了一款類(lèi)似的大氣走航監(jiān)測(cè)平臺(tái)［48］，其功能與梁渠等發(fā)明的儀器相同。

3.2 醫(yī)學(xué)

人體釋放揮發(fā)物中包含近2000種VOCs，部分由人體代謝產(chǎn)生，與疾病密切相關(guān)［49］。因此，近年來(lái)已有多項(xiàng)研究致力于通過(guò)VOCs檢測(cè)進(jìn)行疾病篩查和診斷。呼氣VOCs是人體的主要代謝物，2012年，沈成銀等［50］發(fā)明了呼氣在線檢測(cè)的PTR-MS技術(shù)，主要是對(duì)PTR-MS的進(jìn)樣管路進(jìn)行改造。通過(guò)控制呼氣進(jìn)樣系統(tǒng)的旁路流量來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)樣速度，提升速度可以實(shí)現(xiàn)多離子監(jiān)測(cè)，降低速度可以開(kāi)展全譜分析。這種在線進(jìn)樣的方式避免了呼氣采樣袋對(duì)樣本的潛在交叉污染。隨后，沈成銀等［51］利用該裝置開(kāi)展了呼氣中硫化物的檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)呼氣中引起口臭的3種硫化物具有不同來(lái)源，其中甲硫醇主要來(lái)源于口腔，硫化氫和二甲基硫則來(lái)源于肺或者呼吸道，相關(guān)研究為疾病標(biāo)志物的發(fā)掘和代謝通道研究提供了部分理論支撐。

PTR-MS檢測(cè)呼氣VOCs有望應(yīng)用于疾病診斷。2013年，楊彬等［52］利用PTR-MS開(kāi)展了高血糖人群呼氣標(biāo)志物的檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)了五種標(biāo)志物離子（m/z 61、31、120、104和 82），所建判別模型的真陽(yáng)性率和真陰性率分別為86.4%和84.3%，證明了呼氣VOCs用于疾病診斷的可能性。在隨后的 2016、2017年，鄒雪和周文釗等［53，54］利用PTR-MS相繼開(kāi)展了食管癌和宮頸癌患者的呼氣標(biāo)志物研究，發(fā)現(xiàn)了兩種癌癥的呼氣標(biāo)志物，并分別建立了判別模型，其中診斷食管癌的真陽(yáng)性率和真陰性率分別達(dá)到86.2%和89.5%，診斷宮頸癌的真陽(yáng)性率和真陰性率分別達(dá)到92.3%和88.2%。但是兩組研究均未開(kāi)展多中心實(shí)驗(yàn)，結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

呼氣VOCs的快速監(jiān)測(cè)有望應(yīng)用于個(gè)性化運(yùn)動(dòng)減肥和治療方案制定。2019年，鄒雪等［55］利用PTR-MS開(kāi)展了運(yùn)動(dòng)和節(jié)食過(guò)程中呼氣丙酮的檢測(cè)研究［55］。人體脂肪代謝會(huì)產(chǎn)生丙酮副產(chǎn)物，并隨呼氣排出體外［56］。因此，呼氣中丙酮濃度變化是衡量減肥效果的一個(gè)重要指標(biāo)。鄒雪等人利用PTR-MS技術(shù)檢測(cè)研究了272名志愿者在運(yùn)動(dòng)或者節(jié)食過(guò)程中呼出丙酮的變化趨勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的人群呼氣中丙酮含量會(huì)升高40%～130%，一周內(nèi)每天不吃晚飯可以使呼氣丙酮上升140%。證明PTR-MS有望應(yīng)用于減肥效果的監(jiān)測(cè)。2022年葛殿龍等［57］利用PTR-MS技術(shù)檢測(cè)研究了志愿者在放療前后呼氣中VOCs的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)放療前后0.5小時(shí)的呼氣樣本進(jìn)行比較，可確定丙酸、三乙酸甘油酯和吲哚為放療的呼氣標(biāo)志物，其中呼氣中丙酸和三乙酸甘油酯的濃度在放療后下降，而吲哚的濃度在放療后上升。此外還發(fā)現(xiàn)多達(dá)28種呼氣VOCs（包括芳香族化合物、烷烴、醛類(lèi)、酸類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)和酯類(lèi)）的濃度在放療后6小時(shí)內(nèi)發(fā)生規(guī)律性變化。可見(jiàn)，呼氣VOCs有望用于監(jiān)測(cè)放射治療造成的機(jī)體損傷，甚至有望幫助制定個(gè)體化放療方案的可能。

PTR-MS也可以用于醫(yī)療器械中生產(chǎn)殘留物的檢測(cè)。環(huán)己酮和環(huán)氧乙烷是輸液管和注射器中的常見(jiàn)殘留劑，含量過(guò)高都會(huì)對(duì)人體造成傷害［58，59］。王玉杰等［60］利用熱解吸 PTR-MS的方法實(shí)現(xiàn)了一次性聚氯乙烯輸液器中環(huán)己酮和環(huán)氧乙烷的定性定量分析，獲得了兩種殘留物的總量，建立了一種醫(yī)療儀器中殘留物快速檢測(cè)的方法。

3.3 安全

爆炸物和易制毒化學(xué)品等物質(zhì)的快速監(jiān)測(cè)是涉及公共安全的重要應(yīng)用。TATP是一種威力與TNT相當(dāng)?shù)谋ㄎ?，在常溫下呈白色晶體狀，與食鹽、白糖類(lèi)似，易于隱藏［61］。2009年，沈成銀等［62］將PTR-MS應(yīng)用于TATP的檢測(cè)，當(dāng)把E/N調(diào)低至0.5×10-15V·cm2時(shí)，可以觀察到加氫離子［TATP+H］+。同時(shí)通過(guò)改變E/N觀察樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的碎片離子分布變化，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定性。2019年，張強(qiáng)領(lǐng)等［43］通過(guò)氨摻雜方法提升了傳統(tǒng)PTR-MS檢測(cè)TATP的靈敏度，將檢出限降低了25倍。同時(shí)考察了復(fù)雜基質(zhì)中TATP的檢測(cè)效果，證明了其實(shí)用性。

快速檢測(cè)易制毒化學(xué)品對(duì)于遏制毒品非法生產(chǎn)具有十分重要的意義。沈成銀等［23］利用PTR-MS開(kāi)展了甲苯、丁酮、乙醚三種易制毒化學(xué)品的快速檢測(cè)，在質(zhì)譜圖中可以找到各自唯一對(duì)應(yīng)的質(zhì)譜峰，定性簡(jiǎn)單。對(duì)甲苯的檢出限為5×10-2nmol/L，是一種可靠的易制毒化學(xué)品快速監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.4 其他

國(guó)產(chǎn)PTR-MS還可應(yīng)用于食品、植物、煙草等釋放氣味的檢測(cè)研究，但是應(yīng)用范圍相對(duì)較小。2012年，志中華等［63］研究了豬肉在冷藏過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)物的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新鮮的瘦肉、肥肉、五花肉頂空中均存在乙醇，而只有肥肉的頂空中存在乙醛，在冷藏的第1～9天，頂空VOCs濃度基本不變，第10～15天，乙醇等不含硫VOCs濃度迅速上升后下降，而二甲基二硫醚等含硫化合物（肉質(zhì)腐爛的特征）則在第10天后呈現(xiàn)逐步緩慢上升的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，PTR-MS可以用于豬肉新鮮度的快速檢測(cè)。2015年，李子曉等［64］利用 PTR-MS開(kāi)展了橙汁頂空VOCs的檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)不同地域不同品種的柑橘所榨橙汁釋放的VOCs存在明顯差異，可以用于橙汁產(chǎn)地的辨別。植物釋放VOCs是大氣的重要組成部分，2015年，柯麗霞等［65］利用PTR-MS開(kāi)展了桂花釋放VOCs的檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)金桂、銀桂、丹桂的揮發(fā)物都具有特征離子，可以用于計(jì)算對(duì)大氣中VOCs的貢獻(xiàn)率。非專(zhuān)業(yè)人士通過(guò)外形很難判斷卷煙的真假，對(duì)此，王玉杰等［66］利用PTR-MS開(kāi)展了卷煙釋放 VOCs的檢測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)4種煙卷中煙絲釋放VOCs存在特征性差異，利用特征離子開(kāi)展判別的準(zhǔn)確性達(dá)100%。

4 結(jié)語(yǔ)

PTR-MS是一種快速高靈敏檢測(cè)分析儀器。本文首先從離子源、反應(yīng)管、質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)三個(gè)方面介紹了技術(shù)原理，展示了待測(cè)物離子化、傳輸、以及探測(cè)的過(guò)程。然后介紹了中國(guó)自主研制的PTR-MS儀器和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，在產(chǎn)品方面，主要為PTR-QMS產(chǎn)品，已經(jīng)建成PER-MS、DP-PTRMS、Breath tester、SI-PTR-MS、M-PTR-MS、FGCPTR-MS等系列產(chǎn)品。PTR-TOFMS產(chǎn)品仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，可以穩(wěn)定運(yùn)行，但是尚未形成可銷(xiāo)售產(chǎn)品。在技術(shù)發(fā)展方面，主要包括靈敏度提升技術(shù)和多反應(yīng)離子技術(shù)，其中靈敏度提升通過(guò)射頻雙漏斗和靜電場(chǎng)離子漏斗實(shí)現(xiàn)，多反應(yīng)離子技術(shù)通過(guò)更換離子源內(nèi)放電氣體和反應(yīng)管內(nèi)氨摻雜實(shí)現(xiàn)。最后介紹了國(guó)產(chǎn)PTR-MS的應(yīng)用。在環(huán)境領(lǐng)域，主要集中在大氣中VOCs的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)突破是發(fā)展出國(guó)際領(lǐng)先的走航監(jiān)測(cè)質(zhì)譜，可以實(shí)時(shí)將大氣中VOCs的種類(lèi)和濃度展示在電子地圖上，實(shí)現(xiàn)污染溯源。另一方面，打破了PTRMS只能測(cè)氣態(tài)VOCs的限制，通過(guò)冒泡法和噴霧提取法實(shí)現(xiàn)了水中VOCs的在線監(jiān)測(cè)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PTR-MS主要應(yīng)用于呼氣中人體疾病標(biāo)志物的檢測(cè)研究，發(fā)掘了高血糖、食管癌、宮頸癌等疾病的呼氣標(biāo)志物，同時(shí)，通過(guò)PTR-MS的呼氣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了有望應(yīng)用于個(gè)性化運(yùn)動(dòng)減肥和治療方案制定的VOCs標(biāo)志物。在安全方面，建立了基于PTR-MS的TATP、易制毒化學(xué)品的定性定量檢測(cè)方法。

國(guó)產(chǎn)PTR-MS的檢出限已經(jīng)做到幾個(gè)pptv水平，但是仍然無(wú)法滿足某些極端場(chǎng)景的應(yīng)用需求。比如，根據(jù)腫瘤與人體總質(zhì)量比，我們推測(cè)人體呼氣中的疾病標(biāo)志物濃度可能在pptv以下，而且目前發(fā)現(xiàn)的呼氣標(biāo)志物確實(shí)存在無(wú)法多中心驗(yàn)證的現(xiàn)象，這些問(wèn)題可能是檢出限不足造成的。因此，國(guó)產(chǎn)PTR-MS仍然需要在降低噪音水平、提升靈敏度等方面做出更多努力。