超高效液相色譜-四級桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜法測定空氣中25種羰基化合物

李利榮，王洪乾，左 明，劉殿甲，王效國，張肇元

（天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191）

醛酮類羰基化合物（CCs）是形成空氣中多種自由基、有機(jī)酸、臭氧、過氧?；跛狨ィ≒AN）和二次有機(jī)氣溶膠（SOA）等污染物的重要前體物，是光化學(xué)煙霧的主要成分［1-3］。大多數(shù)CCs具有刺激性、免疫毒性和生殖毒性，其中甲醛和丙烯醛是可疑致癌物［2］。CCs在環(huán)境空氣［4-7］、室內(nèi)空氣［8］、車內(nèi)空氣［9］、汽車尾氣［10-11］及烹飪油煙［12］，甚至在降水［13］和顆粒物［14］中均有不同程度的檢出。1990年，美國清潔空氣法修正案（Clean Air Act Amendments，CAAA）中，將醛酮指定為危險(xiǎn)空氣污染物。我國《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）、《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883—2002）和《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 1627—1995）中也明確規(guī)定了甲醛、乙醛和丙烯醛的濃度限值。

空氣中CCs的檢測方法主要有高效液相色譜法（HPLC）［4-10，15］、氣相色譜法（GC）［16-17］、氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）［18-19］和分光光度法（SP）［20］等。其中，SP在測定CCs目標(biāo)物時(shí)，存在檢測種類單一、干擾物難以消除的缺陷；GC和GC-MS適用于低分子脂肪族CCs的測定，對于高分子CCs，由于其衍生物沸點(diǎn)較高且在高溫中穩(wěn)定性差等原因，仍存在應(yīng)用上的瓶頸；液相色譜法（LC）是目前最為常用的CCs檢測方法，但在定性檢測方面，存在“容易出現(xiàn)假陽性”的缺陷。液相色譜-質(zhì)譜法（LC-MS或LC-MS-MS）不但克服了LC定性檢測方面的缺陷，而且在定量檢測方面也具有很高的準(zhǔn)確性，大大提高了CCs的檢測水平。

LC-MS采用的離子源主要為大氣壓化學(xué)電離源（APCI）［21］或電噴霧電離源（ESI）［22］。常用的MS主要有離子阱質(zhì)譜（ITMS）和四極桿質(zhì)譜（QMS）。SAKURAGAWA等［23-24］用APCI源LCITMS/MS分析了環(huán)境及不同場所空氣中的CCs。CHI等［22，25］采用ESI源LC-MS/MS建立了大氣中32種CCs的定量分析方法；與HPLC-UV相比，LCMS/MS可以達(dá)到更低的檢測限和檢測更多的化合物，ESI源的負(fù)離子模式無論是在方法重現(xiàn)性，還在檢出限方面均優(yōu)于UV。盡管ITMS和QMS在CCs定性和定量檢測方面較LC優(yōu)勢明顯，但在定性檢測方面，由于一般只選擇一個(gè)母離子和一對子離子進(jìn)行檢測，所以仍存在較大的假陽性可能，且難以對樣品中的CCs進(jìn)行篩查。

本工作針對現(xiàn)行空氣中CCs類污染物缺少篩查方法以及篩查與定量分析同時(shí)進(jìn)行的檢測技術(shù)，基于HPLC-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Q Exactive）高準(zhǔn)確度、高通量的優(yōu)勢，建立了25種CCs的快速篩查數(shù)據(jù)庫及定量分析方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境樣品的篩查和定量分析，以滿足對空氣中CCs類污染物的篩查和檢測，為環(huán)境安全監(jiān)測、預(yù)警和執(zhí)法提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑和儀器

25種醛酮-2，4-二硝基苯肼（DNPH）標(biāo)準(zhǔn)溶液：包括甲醛（FA）、乙醛（AA）、丙烯醛（ACR）、丙酮（AK）、糠醛（2-FA）、丙醛（PA）、巴豆醛/丁烯醛（CA）、丁酮（BK）、甲基丙烯醛（MA）、丁醛（BA）、苯甲醛（BZA）、異戊醛（IVA）、環(huán)己酮（CHK）、戊二醛（GA）、戊醛（VA）、對-甲基苯甲醛（p-TA）、間-甲基苯甲醛（m-TA）、鄰-甲基苯甲醛（o-TA）、甲基異丁基酮（MIBK）、己醛（HEXA）、2，5-二甲基苯甲醛（DMBA）、庚醛（HEPA）、辛醛（OA）、壬醛（NA）和癸醛（DA），質(zhì)量濃度均為15 mg/L，美國ChemTek公司。

乙酸銨水溶液：將77 mg乙酸銨溶入1 L的超純水中。

DNPH：純度為99.5%，百靈威公司；甲醇、乙腈：色譜純，MERK公司；超純水。

Ultimate 3000-Q Exactive Focus型超高效液相色譜-電噴霧電離源-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜儀（UHPLC-ESI-Q-Orbitrap MS），配備Thermo Accucore RP-MS色譜柱（100 mm×2.1 mm，粒徑2.6 μm）：美國Thermo Fisher公司；N-EVAP111型氮吹儀：美國Organomation公司；Lab dancer S000型渦旋攪拌器：德國IKA公司；Milli-Q型超純水系統(tǒng)：美國Millipore公司；Cleanert DNPH-Silica型醛酮?dú)怏w采樣管（200 mg/3 mL）及臭氧去除管（240 mg/3 mL）：天津艾杰爾-飛諾美公司；0.22 μm尼龍水相針式濾膜：美國Supelco公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集和保存

在真空泵作用下，氣體樣品經(jīng)除臭氧小柱去除臭氧后，用DNPH柱吸附，樣品中CCs與DNPH發(fā)生衍生化反應(yīng)。采樣流量0.5 L/min，采樣體積100 L。用密封帽將采樣管管口封閉，放入密封袋中，低于4 ℃條件下避光保存，保存時(shí)間不超過7 d。

1.2.2 樣品制備

用乙腈洗脫采樣管，洗脫方向與采樣時(shí)氣流方向相反，將洗脫液收集于5 mL容量瓶中，用氮吹儀濃縮至少于0.5 mL（若存在未溶解的橘紅色顆粒物，可用少量乙腈溶解，乙腈用量不大于0.5 mL），用乙腈定容至0.5 mL，再用純水稀釋定容至1.0 mL，混勻，經(jīng)針頭過濾器過濾，濾液收集于2 mL棕色樣品瓶中，待測。

1.2.3 分析條件

1.2.3.1 色譜條件

色譜柱：Thermo Accucore RP-MS和Agilent Eclipse Plus C18（100 mm×2.1 mm，粒徑1.8 μm，美國Agilent公司）；柱溫：40 ℃；流動相A：1 mmol/mol乙酸銨水溶液；流動相B：乙腈；流速：0.3 mL/min；進(jìn)樣量：10 μL。流動相梯度洗脫程序見表1。

表1 流動相梯度洗脫程序

1.2.3.2 質(zhì)譜條件

1）離子源參數(shù)

離子化模式：加熱ESI；掃描模式：負(fù)離子模式；毛細(xì)管溫度：325 ℃；加熱溫度：350 ℃；鞘氣：N2，流速 40 arb （arb為非國際單位，在QE系列質(zhì)譜儀中，鞘氣流速1 arb相當(dāng)于0.13 L/min，輔助氣流速1 arb相當(dāng)于0.3 L/min）；輔助氣：N2，流速 10 arb；噴霧電壓：2.8 kV；透鏡電壓：60 V。

掃描模式：全掃描/自動觸發(fā)采集二級離子模式（Full MS/dd-MS2）掃描，用于篩查、定性和定量；平行反應(yīng)監(jiān)測（paralle reaction monitoring，PRM）用于數(shù)據(jù)庫建立。

Full MS參數(shù)：分辨率70 000，自動增益控制（AGC）目標(biāo)1×106，最大離子注入時(shí)間（IT）100 ms，掃描范圍質(zhì)荷比（m/z）50～600。

dd-MS2參數(shù)：分辨率17 500，AGC目標(biāo)2×105，最大IT 60 ms，動態(tài)排除時(shí)間8.0 s，碰撞池歸一化碰撞能量（NCE）25、45和65，循環(huán)次數(shù)3，隔離窗口m/z1.0。

P R M 參數(shù)：分辨率3 5 0 0 0，A G C 目標(biāo)2×105，最大IT 60 ms，NCE 25、45和65，隔離窗口m/z1.0。

1.2.3.3 軟件分析

在回程的列車上，略感疲憊的王樹林撫摸著辛娜的大腿，眼望著窗外稍縱即逝的樹木，腦子里盤旋著一件事：如果辛娜是處女就完美了。

采用軟件Trace Finder 3.3進(jìn)行分析，具體篩查條件如下。

一級母離子精確相對分子質(zhì)量參數(shù)：峰強(qiáng)度閾值10 000，信噪比閾值5.0，允許m/z偏差5.00×10-6，保留時(shí)間（RT）允許偏移時(shí)間30 s。

二級子離子參數(shù)：最少匹配數(shù)1，峰強(qiáng)度閾值5 000，允許m/z偏差5.00×10-6。

同位素模式參數(shù)：相似度閾值70%，允許m/z偏差5.00×10-6，允許強(qiáng)度偏差20%。

定量方法：基于目標(biāo)分析物一級母離子的峰面積，采用外標(biāo)法進(jìn)行定量。

定量參數(shù)：允許質(zhì)量偏差5.00×10-6，允許RT偏差±1.5 s。

定性離子峰閾值：最高離子峰面積的10%，只選擇10個(gè)峰高最高的離子。

積分參數(shù)：平滑度8，面積噪音系數(shù)5，峰噪音系數(shù)10，基線窗40。

2 結(jié)果與討論

2.1 基體效應(yīng)的影響

分別以乙腈、80%（φ，下同）乙腈水溶液、50%乙腈水溶液和20%乙腈水溶液為溶劑，配制質(zhì)量濃度均為150 μg/L的25種醛酮-DNPH混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析。圖1為不同溶劑條件下丙酮和丙烯醛的提取離子流色譜圖。由圖1a和圖1b可見：用乙腈和80%乙腈水溶液作溶劑時(shí)，對出峰在己醛前的化合物，峰形均有不同程度的前延，對RT相近的同分異構(gòu)體分離較差，影響定性和定量分析。以50%乙腈水溶液（見圖1c）和20%乙腈水溶液（見圖1d）作溶劑時(shí)，均能獲得良好的色譜峰形和分離度，表明乙腈含量不高于50%的水溶液均可滿足檢測要求，為了便于實(shí)際樣品測定，后續(xù)研究中均采用50%乙腈水溶液作溶劑進(jìn)行25種醛酮-DNPH混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制。

圖1 不同溶劑條件下丙酮和丙烯醛的提取離子流色譜圖a 乙腈；b 80%乙腈水溶液；c 50%乙腈水溶液；d 20%乙腈水溶液

2.2 色譜條件優(yōu)化

對質(zhì)量濃度均為150 μg/L的25種醛酮-DNPH混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分離測定，考察Thermo Accucore RP-MS和Agilent Eclipse Plus C18兩款色譜柱對目標(biāo)物的分離效果。結(jié)果表明：25種目標(biāo)物中丙酮和丙烯醛，糠醛和丙醛，巴豆醛、丁酮和甲基丙烯醛，環(huán)己酮和異戊醛，出峰順序在兩根色譜柱上相反；除鄰-甲基苯甲醛和間-甲基苯甲醛不能實(shí)現(xiàn)分離外，兩種色譜柱在30 min之內(nèi)均可獲得良好的分離度和尖銳對稱的色譜峰形，表明兩種色譜柱均具有良好的柱效和檢測靈敏度。

進(jìn)一步考察兩種色譜柱在使用6個(gè)月過程中對目標(biāo)物的RT，發(fā)現(xiàn)：采用Thermo Accucore RP-MS色譜柱時(shí)，25種目標(biāo)物的RT的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于1.0%，表明該色譜柱具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，后續(xù)研究將采用Thermo Accucore RP-MS色譜柱進(jìn)行分析。圖2為醛酮-DNPH混合標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)該色譜柱分離后，用UHPLC-ESI-Q-Orbitrap MS法檢測出的25種CCs的總離子流色譜圖。

圖2 醛酮-DNPH混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中25種CCs的總離子流色譜圖

2.3 質(zhì)譜條件優(yōu)化

2.3.1 離子源參數(shù)優(yōu)化

在色譜柱的柱流量為0.3 mL/min的條件下，對噴霧電壓、鞘氣流速、輔助氣流速、毛細(xì)管溫度和輔助氣加熱溫度等影響離子化過程的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。

表2 離子源優(yōu)化參數(shù)范圍

圖3為不同離子源參數(shù)對25種CCs平均信號響應(yīng)值的影響。由圖3可見：在噴霧電壓為2.8 kV、鞘氣流速為40 arb、輔助氣流速為10 arb、毛細(xì)管溫度為325 ℃和輔助氣加熱溫度為350 ℃的條件下，25種CCs的平均信號響應(yīng)值最高。

圖3 不同離子源參數(shù)對25種CCs平均信號響應(yīng)值的影響

2.3.2 碰撞能量優(yōu)化

碰撞池的碰撞能量（CE）是對定性結(jié)果影響最大的參數(shù)。在負(fù)離子模式下，考察不同二級裂解NCE條件下25種CCs的母離子和子離子碎片的響應(yīng)，結(jié)果見表3。本工作選擇大部分目標(biāo)物的［MH］-峰豐度響應(yīng)最接近20%時(shí)的NCE作為最佳CE，此時(shí)，既能保證可見［M-H］-峰，又能保證［MH］-及其碎片離子不會被過度碎裂。通過對比［MH］-峰與碎片離子最高峰響應(yīng)值之比，發(fā)現(xiàn)：甲醛和戊二醛在平均NCE為30時(shí)，有最佳的CE值；其他目標(biāo)物在平均NCE為45時(shí)，接近最佳CE值。因此，甲醛和戊二醛的最佳NCE為30，其余目標(biāo)物的最佳NCE為45。

表3 不同NCE條件下[M-H]-峰與碎片離子最高峰響應(yīng)值之比

2.3.3 質(zhì)譜分辨率優(yōu)化

高分辨質(zhì)譜最大的優(yōu)勢是通過高分辨率提取到準(zhǔn)確的目標(biāo)物m/z，消除樣品中的基質(zhì)干擾，提高選擇性和靈敏度，減少假陽性，從而提高定性和定量檢測的準(zhǔn)確性。為了得到目標(biāo)物的最佳儀器響應(yīng)值，本實(shí)驗(yàn)在Full MS/dd-MS2模式下，對一級質(zhì)譜和二級質(zhì)譜的分辨率進(jìn)行了優(yōu)化，分別對比了一級和二級質(zhì)譜在掃描分辨率為17 500，3 5000，70 000時(shí)目標(biāo)物的色譜峰形和碎片離子。結(jié)果表明：當(dāng)一級質(zhì)譜分辨率為70 000時(shí)，信噪比最高，目標(biāo)物與基質(zhì)干擾物可實(shí)現(xiàn)基線分離，色譜峰形較好；二級質(zhì)譜分辨率為17 500時(shí)，主要碎片離子不變而干擾離子最少。因此選擇一級質(zhì)譜分辨率70 000、二級質(zhì)譜分辨率17 500為Full MS /dd-MS2模式的最佳分辨率。

2.4 靶標(biāo)篩查數(shù)據(jù)庫的建立及驗(yàn)證

在上述優(yōu)化的最佳色譜和質(zhì)譜條件下，對質(zhì)量濃度均為150 μg/L的25種醛酮-DNPH混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行檢測，獲得目標(biāo)物的RT、母離子和碎片離子理論m/z及離子化形式等信息。采用TraceFinder 3.3軟件對碎片離子進(jìn)行解析，以各目標(biāo)物二級質(zhì)譜圖中子離子實(shí)測m/z與理論m/z偏差小于5×10-6、且相對豐度最高值位于前5位的離子作為確認(rèn)離子。在此基礎(chǔ)上，以目標(biāo)物的RT、母離子理論m/z和實(shí)測m/z以及特征二級子離子的理論m/z，建立篩查數(shù)據(jù)庫（見表4），用于環(huán)境介質(zhì)中CCs的篩查和定量測定。由表4可見：25種目標(biāo)物母離子的實(shí)測m/z與理論m/z的偏差均小于2×10-6，因此該數(shù)據(jù)庫能夠滿足定性檢測的需求。

表4 25種醛酮-DNPH的篩查數(shù)據(jù)庫

2.5 方法評價(jià)

配制質(zhì)量濃度分別為0.450，0.750，1.50，3.00，4.50，7.50，15.0，30.0，45.0，75.0，150，300 μg/L的系列25種醛酮-DNPH標(biāo)準(zhǔn)溶液，在最佳分析條件下，以目標(biāo)物母離子的提取色譜峰面積（y）為縱坐標(biāo)，以目標(biāo)物的質(zhì)量濃度（x）為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見表5。由表5可見：甲醛（FA）、乙醛（AA）、糠醛（2-FA）、丙烯醛（ACR）、丙醛（PA）和丁醛（BA）在質(zhì)量濃度為0.750～300 μg/L，丙酮（AK）和丁酮（BK）在質(zhì)量濃度為1.50～300 μg/L，甲基丙烯醛（MA）、異戊醛（IVA）、戊醛（VA ）、2，5-二甲基苯甲醛（DMBA）、庚醛（HEPA）和間-甲基苯甲醛（m-TA）在質(zhì)量濃度為0.450～300 μg/L，對-甲基苯甲醛（p-TA）在質(zhì)量濃度為1.50～150 μg/L，巴豆醛/丁烯醛（CA）在質(zhì)量濃度為0.750～150 μg/L，環(huán)己酮（CHK）在質(zhì)量濃度為0.450～150 μg/L，己醛（HEXA）、苯甲醛（BZA）、甲基異丁基酮（MIBK）、辛醛（OA）、壬醛（NA）和癸醛（DA）在質(zhì)量濃度為0.450～75.0 μg/L，鄰-甲基苯甲醛（o-TA）在質(zhì)量濃度為0.750～75.0 μg/L，戊二醛（GA）在質(zhì)量濃度為1.50～75.0 μg/L內(nèi)線性關(guān)系良好，R2均大于0.996。25種CCs在質(zhì)量濃度為1.50～75.0 μg/L范圍內(nèi)線性良好。

表5 25種CCs的標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限

依據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 168—2020）［26］，采用向空白醛酮采樣管中加標(biāo)的方式，測定7組加標(biāo)模擬樣品中目標(biāo)物的含量并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和方法檢出限，結(jié)果見表5。由表5可見，各目標(biāo)物的方法檢出限為1.1～3.8 ng/m3。

向6組空白醛酮采樣管中分別加入25種醛酮-DNPH標(biāo)準(zhǔn)溶液，制成加標(biāo)量分別為4.50 ng、75.0 ng和150 ng的模擬樣品，25種目標(biāo)物的平均回收率分別為80.8%～123.0%、95.2%～111.0%和90.7%～106.0%，RSD分別為3.3%～18.0%、2.8%～10.0%和2.6%～12.0%。綜上，本工作所建立的檢測方法具有線性好、檢出限低、精密度和準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，可滿足CCs定量檢測的需求。

2.6 實(shí)際樣品分析

采用本文所建立的方法，對天津市區(qū)某采樣點(diǎn)2020～2021年間所采集的5個(gè)空氣樣品進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：5個(gè)樣品中除戊二醛未檢出外，其余24種CCs的RT與篩查普庫中的RT一致；24種CCs的母離子m/z測定值與理論值與篩查普庫中的相應(yīng)母離子的m/z測定值與理論值相差均小于5×10-6；24種CCs的二級質(zhì)譜的5個(gè)碎片離子與篩查譜庫中相應(yīng)化合物的離子碎片一致，由此可見，5個(gè)樣品中均含有24種CCs。定量分析結(jié)果表明：24種CCs的平均質(zhì)量濃度為6×10-6～4.45×10-3mg/m3；其中丙酮、甲醛、乙醛、壬醛和己醛的質(zhì)量濃度大于1.00×10-3mg/m3；甲基苯甲醛、甲基丙烯醛、糠醛、丁烯醛和甲基異丁基酮的質(zhì)量濃度低于1.00 ×10-5mg/m3。

3 結(jié)論

a）本工作采用超高效液相色譜-電噴霧電離源-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜儀，建立了快速定性篩查和定量分析空氣品中25種CCs的方法。

b）采用Thermo Accucore RP-MS色譜柱、在ESI負(fù)離子模式下，以Full MS和dd-MS2掃描模式進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：25種CCs在1.50～75.0 μg/L范圍內(nèi)線性良好（R2≥0.996），方法檢出限為1.1～3.8 ng/m3，樣品回收率為80.8%～123.0%，RSD為2.8%～18.0%（n=6）。

c）采用本工作所建立的方法對天津市環(huán)境空氣樣品進(jìn)行檢測，共篩查出24種CCs，其中丙酮、甲醛、乙醛、壬醛和己醛的質(zhì)量濃度大于1.00 ×10-3mg/m3，甲基苯甲醛、甲基丙烯醛、糠醛、丁烯醛和甲基異丁基酮的質(zhì)量濃度低于1.0×10-5mg/m3。該方法快速、準(zhǔn)確、靈敏，適用于空氣中多種CCs的快速篩查及定量測定。