沈红玲+孟庆艳+贾旭+刘文杰

摘 要 利用柱后分流频率调制Chirp Z变换离子迁移谱（IMS），建立了高效液相色谱与纳流电喷雾阵列Chirp Z变换离子迁移谱（HPLCNanoESIChirp Z IMS）联用分析方法，考察了喷雾电压、溶剂组成、溶液流速等参数对NanoESIChirp Z IMS信噪比的影响。在此基础上，利用建立的方法对一系列四烷基溴化铵类化合物进行测定，并比较了Chirp Z变换法和FT变换法两种方法的信噪比和分辨率。实验结果表明，最佳实验条件为： 喷雾电压4.5 kV； 溶剂组成90%甲醇； ESI溶液流速为8 μL/min。 利用HPLCNanoESIChirp Z IMS联用方法成功测定了四丁基溴化铵、四戊基溴化铵、四己基溴化铵、四庚基溴化铵、四辛基溴化铵烷、四癸基溴化铵组成的混合样品。与传统信号平均离子迁移谱相比，Chirp Z变换离子迁移谱的信噪比更高，其迁移时间的测定精度优于傅里叶变换离子迁移谱。

关键词 Chirp Z变换； 离子迁移谱； 高效液相色谱

1 引 言

离子迁移谱（Ion mobility spectrometer， IMS）是20世纪70年代出现的一种新型快速分离检测技术[1]，其原理是根据分析物分子质量、电荷和碰撞截面（即大小和形状）来分离和辨别分析物，在军事[2]、食品[3]、制药[4]、生物[5]、环境[6]等领域得到不同程度的发展和应用。电喷雾电离（Electrospray ionization， ESI）是IMS常用的电离方法，适合对难挥发性和热不稳定物质的检测，广泛应用于违禁药品[7]、危险品[8]、医药[9]以及生物样品[10]等分析中，具有结构简单、灵敏度高、分析速度快、结果可靠等优点，但其在进行多组分样品分析时，由于离子化过程中不同物质分子之间存在电离抑制现象，会导致检测结果准确性降低[11]。

高效液相色谱（High performance liquid chromatography，HPLC）是利用保留时间的差异对样品进行分离的一种重要分析方法[12]，然而其对色谱峰中洗脱出来的几种共流出化合物无法进行表征。HPLCESIIMS 联用可以对HPLC检测器无响应或难分离的样品直接分析，但常规HPLC流动相的大流速和ESIIMS的小流速不匹配。Lee 等[13]采用液相色谱微柱与 IMS 联用系统分析了21 种糖类物质，微柱流速 50 μL/min，柱后分流10%实现 ESIIMS 流量匹配； Budimir等[14]搭建HPLCNanoESIIMS 接口技术，成功分析了药品活性成分； 陈创等[15，16]搭建了一套纳升级电喷雾离子源离子迁移谱仪，对三乙胺、二乙胺以及丁胺组成的混合样品成功分离并测定，该系统的线性响应范围均达到近两个数量级。本课题组前期研究发现，采用多喷嘴电喷雾阵列作为离子迁移谱仪（IMS）的离子源， 可使用更高的 ESI 流速，相同的条件下，12 喷嘴的电喷雾阵列离子源可提高离子化效率平均达3.8 倍[17]。

传统傅里叶变换离子迁移谱仪（Fourier transform ion mobility spectrometer，FTIMS）[18，19]是利用迁移区前后 2 个离子门加载同频同相方波扫频电压，以控制法拉第盘对离子的接收进出，形成离子流干涉谱，经FT变换得到离子的迁移谱。与传统IMS 相比，离子利用率提高了25倍，信噪比提高5倍[20]。Tarver等[21]去掉第二个离子门，采用模拟开关电路将法拉第盘接收到的离子流信号进行电路复用处理，使得离子利用率提高到50%，较单周期扫描法 IMS 的信噪比提高7倍。这两种信号调制方法都增大了离子迁移谱分析的利用率，使灵敏度有所提高，但FTIMS测量迁移时间的准确度不高，与ESI联用时由于离子化噪音大，灵敏度提高有限。

Chirp Z变换（Chirp ztransform，CZT）于1969年提出[22]， 是一种使用非常广泛的在Z平面上沿著螺旋线轨道计算有限时宽的Z变换方法，其基本原理是[23]：在折叠频率范围内，任意选择起始频率和频率分辨率，不需要经过任何调制与滤波处理，在有限带宽里对样本信号进行Z变换。因Chirp Z变换增大频域采样点数，减少干涉产生的误差，获得较高精度的信号参数，实现离子迁移谱的局部细化，提高局部光谱分辨率，许多领域都得到了应用[24]。如Tong等[25]将2D Chirp Z变换法应用于旋转核磁共振谱图的处理，结果表明ChirpZ变换法能实现点视场缩放，比线性或三阶插计算值更加准确； Lanari等[26，27] 将ChirpZ变换法应用于扫描式合成孔径雷达回波信号的成像处理，结果表明，该方法可以简化方位向处理、提高运算效率、增强图像质量。目前， 将ChirpZ变换法用于离子迁移谱的研究尚未见报道。

本实验将Chirp Z变换应用于频率调制IMS，建立了HPLCNanoESIChirp Z IMS联用分析方法。首先优化了影响NanoESIChirp Z IMS 信噪比的喷雾电压、溶剂组成、溶液流速等参数。在此基础上，利用建立的方法对一系列四烷基溴化铵类化合物进行测定，比较了FT变换法和Chirp Z变换法两种方法的信噪比和分辨率，并对此方法的检出限、线性范围、重复性和精密度进行了考察。

2 实验部分

2.1 HPLCESIIMS系统结构

HPLCNanoESIIMS联用系统装置如图1所示。系统主要包括3个部分：HPLC、柱后分流装置和NanoESIIMS。柱后分流装置（PEEK管， 100 μm i.d， 0.365 mm o.d，北京京科瑞达科技有限公司）安装在HPLC和NanoESIIMS 之间，用于实现与ESI的进样流速匹配。由于喷雾溶液中水含量升高会使去溶剂化过程变得困难，离子化效率降低，谱图的噪音增加，进而分析的灵敏度降低，柱后以甲醇为后补充液，克服溶剂组成对信噪比的影响。柱后补充泵为LC 100高压恒流泵（济南赛畅科学仪器有限公司），石英毛细管为柱后补充液管（20 μm i.d，150 μm o.d，Polymicro公司）。迁移电压为10 kV，离子门电压9.04 kV，迁移区长度为16.8 cm，脱溶剂区为50 cm，采用纳流电喷雾阵列离子源。

2.2 试剂

IMS的适宜条件是电喷雾对化合物进行离子化，适合于检测难挥发、热不稳定和无紫外吸收的化合物，四烷基溴化铵类是易电离的标准化合物，电离效率与离子迁移谱无关，故选用四烷基溴化铵类化合物。四丁基溴化铵（T4A，质量分数>99.5%）、四戊基溴化铵（T5A，质量分数>98.0%）、四己基溴化铵（T6A，质量分数>98%）、四庚基溴化铵（T7A，质量分数>99.0%）、四辛基溴化铵（T8A，质量分数>98%）、四癸基溴化铵（T10A，质量分数>99%）均购自上海士峰生物科技有限公司； 甲醇（色谱纯，美国 Sigma公司）； 乙酸（分析纯，天津市致远化学试剂有限公司）； 实验用水为MilliQ 纯水系统制备的超纯水。高纯氮气经分子筛、变色硅胶和活性炭净化后作为迁移气（Drift gas）。采用Igorpro软件绘制图谱。

2.3 标准品的配制

实验过程中T4A、T5A、T6A、T7A、T8A和T10A均用90%（V/V）甲醇配制成浓度为5 mmol/L的标准储备液（含0.1%乙酸），于 4℃冷藏待用。

2.4 混合标准溶液

准确移取适量T4A、T5A、T6A、T7A、T8A和T10A的标准储备液，使用前以90%（V/V）甲醇（含0.1%乙酸）逐级稀释成浓度为5、10、20、40、60、80和100 μmol/L的混合标准溶液。

2.5 色谱的分离条件

LC20A高效液相色谱仪（岛津公司），配InertsustainTM C18柱（100 mm×2.1 mm，3.0 μm）。流动相为含0.1%乙酸（A）甲醇（B），梯度洗脱：0～15 min，30%～100% B； 15～35 min，100% B； 体积流量0.1 mL/min； 进样量8 μL； 柱温35℃； 柱后补充液流速0.1 mL/min，所有四烷基溴化铵类化合物均在正离子模式下进行分析。

2.6 约化迁移率和分辨能力

3 结果与讨论

3.1 Chirp Z变换法与FT变换法比较

3.1.1 相关函数 传统FT变换离子迁移谱有2个离子门，离子门工作波形为方波脉冲，随着门调制频率v的变化，到达检测器的离子为 0、l/v、2/v、3/v…，不能到达检测器的离子 1/2v、3/2v、5/2v ... 用锯齿波形表示其变换趋势，可根据文献＼[30＼]中的公式（3）表现出来。

其中，|FS（v）exp|表示逆傅立叶变换，表示卷积； m（t）为很多函数的和， b为分分辨率。公式中的旁瓣信号值为主瓣信号值的1/27，旁瓣时间则为主瓣时间的3倍。由于电喷雾离子迁移谱分析时其溶剂峰的强度较大，产生的变换镜像峰可能会干扰正常的离子迁移谱图。为避免变换镜像峰的干扰，本研究采用与离子门方波Chirp信号同相的余弦信号与检测信号相关，可消除变换镜像峰的影响[31]。

3.1.2 谱图分辨率及变换镜像峰比较 以90%甲醇作为电喷雾溶剂，分别记录Chirp Z变换法和FT变换法处理的NanoESIIMS的响应谱图，结果如图2。其中Chirp Z和FT变换法的扫描时间为2000 ms，扫频速度为4000 Hz/s，采样速率为50000 p/s。从图2可见，Chirp Z变换法明显优于FT变换法，这是由于Chirp Z法增加采样点数进一步拉开密集频率成分，减少干涉产生的影响，使曲线更加圆滑，迁移时间的测量更加精确。Chirp Z变换法在实现局部溶剂峰谱图放大的同时提高了局部频域范围内的采样分辨率，与文献[32]所述相近； 而FT变换法由于采样点数少，时间间隔大， 致使曲线不够圆滑，迁移时间的测量误差较大。

从图2可见，Chirp Z变换法和FT变换法的溶剂峰出峰时间均约为8.0 ms，FT变换法在溶剂峰出峰时间的3倍位置出现一个变换镜像峰。Chirp Z变换法先将离子流进行占空比为50%的方波频率信号调制，放大后转化为数字信号曲线，其次采用方波频率信号同相或反相的正弦Chirp信号以及方波Chirp信号与数字信号的曲线分别相关，相关的相位与原方波Chirp信号相同，相关后的信号进行加窗运算（Welch函数），将加窗后的信号进行Chirp Z变换，并对变换后的信号进行比较，滤去了变换产生的镜像峰。

3.1.3 信噪比、分辨率的比较 采用Chirp Z 变换法和FT变换法两种方法分别测定T4A、T5A、T6A、T7A、T8A和T10A的信噪比和分辨率，结果分别见图3和图4。

从图3和图4可见，Chirp Z 变换法的信噪比与FT变换法的信噪比差异较小，而Chirp Z 变换法的分辨率要优于FT法的分辨率，这是因为Chirp Z变换法先测出主瓣的位置，再对主瓣进行局部细化，从而降低采样间隔，增大频域采样点数，减少干涉产生的误差，获得较高精度的漂移时间，从而提高局部光谱分辨率，使光谱图质量更高。

3.2 NanoESIIMS条件的优化

3.2.1 溶液流速对信噪比的影响 大气压下的离子迁移谱ESI 源和迁移管之间无真空接口，ESI 只能接受较低流速的溶剂，在优化条件下，考察了溶液流速为4～25 μL/min对NanoESIChirp Z IMS信噪比的影响，结果见图5。

由图5可见，流速在4～25 μL/min 范围内，6种四烷基溴化铵类化合物的信噪比逐渐增加； 流速超过8 μL/min时，信噪比呈下降的趋势。这是因为IMS的ESI只能承受μL/min流速水平的溶剂[15]； 继续增加流速会导致溶剂脱除困难，离子化效率低，同时电喷雾过程中产生的带电液滴会增加谱图的噪音，从而降低信噪比。

3.2.2 溶剂组成对信噪比影响 在优化条件下，考察20%～95%甲醇为溶剂时对NanoESIChirp Z IMS信噪比的影响。如图6所示，采用甲醇水体系时，随甲醇含量增加，离子化效率逐渐增大，噪音随之降低，6种四烷基溴化铵类化合物的信噪比均呈逐渐增加的趋势，在甲醇含量>90%时，信噪比較好并趋于稳定。

3.2.3 噴雾电压对信噪比影响 在优化条件下，考察喷雾电压为2.5～5.0 kV时对NanoESIChirp Z IMS信噪比的影响，如图7所示，喷雾电流均随喷雾电压的升高而增大，当喷雾电压为4.5 kV时，6种四烷基溴化铵的信噪比达到最大值。这是因为随着喷雾电压的增加，单位时间内生成的离子数量增加，进而提高电喷雾的离子化效率，当喷雾电压超过4.5 kV时，迁移管内容易出现电晕放电，从而使谱图变得复杂。

3.3 HPLCNanoESIIMS联用分析四烷基溴化铵离子

图8分别是采用Chirp Z变换法和FT变换法使用HPLC与NanoESIIMS 联用系统，在NanoESIIMS的优化条件下依次检测T4A、T5A、T6A、T7A、T8A和T10A混合物得到的二维图。从图8可见，方法的漂移时间略有差异，采用Chirp Z变换法6种化合物的漂移时间范围为15.4～30.05 ms，而FT变换法的漂移时间范围为15.75～30.25 ms。这是由于Chirp Z变换法增加了采样点数，拉开了密集成分，从而可获得较高精度的漂移时间。从图8可见， 6种四烷基溴化铵铵类化合物没有完全分开，但二维谱图中可清晰地观察到 6种四烷基溴化铵离子是分开的，说明液相色谱与离子迁移谱分离机理不同，相互正交，充分体现了二维分离手段在两种分离能力互补方面的特性，因而具有更高的选择性和更大的峰容量。其与已有联用研究[33]比较，Chirp Z变换法在计算方法更精准，有效地提高了分析的占空比，进而提高分析的灵敏度， 并保证第二维分离的采样频率，从而使液相色谱离子迁移谱的联用分析方法真正成为一种高峰容量、高灵敏度的分析方法。

3.4 分析方法的考察

3.4.1 标准曲线的制备 运用HPLCNanoESIIMS 联用系统，采用Chirp Z变换法依次测定混合标准溶液，以峰面积为纵坐标（y），摩尔浓度为横坐标（x），进行线性回归，得6种四烷基溴化铵的回归方程，结果见表2。用Chirp Z变换法测定的T4A、T5A、T6A、T7A、T8A和T10A的线性范围为5～100 μmol/L和10～100 μmol/L，相关系数为0.9963～0.9988。表明各化合物在相应物质的量浓度范围内线性良好。

3.4.2 检出限 运用HPLCNanoESIIMS 联用系统，采用Chirp Z变换法依次测定混合标准溶液，以S/N=3计算检出限，结果见表2。用Chirp Z变换法测定的T4A、T5A、T6A、T7A、T8A和T10A的检出限（RSD =3）分别为 2.46、2.03、2.09、3.28、5.17和7.00 μmol/L，其值高于文献[23]中检测结果（0.8～1.0 mg/L）。这主要是由于两方面原因：一是由于使用柱后补充液稀释了分析物的浓度； 二是色谱分离后化合物在流出液中的浓度大为降低，而ESIIMS为浓度型检测器，其二维分离的灵敏度与单独的IMS分析有所有同。

3.4.3 两种方法的精密度和重复性比较 选用混合标准溶液（浓度20 μmol/L）为考察样品，采用2.4节中的混合标准溶液配制方法， 用HPLCNanoESIIMS 联用系统Chirp Z变换法平行测定6次，进样体积8 μL，再平行制备6份样品溶液，在选定测试条件下依次测定，进样体积8 μL，计算各化合物峰面积的RSD值，结果见表2。Chirp Z变换法测定的6种四烷基溴化铵类混合物的相对标准偏差均<5%，表明HPLCNano ESIIMS 联用方法精密度和重复性良好，可满足分析要求。

4 结 论

IMS以其简单快速、操作方便和检测限低的优点已成为痕量化合物现场探测领域应用最成功、最广泛的技术之一。本研究成功搭建了一套 HPLCNanoESIIMS 系统，利用Chirp Z变换法和FT变换法同时对6种四烷基溴化铵类化合物进行测定。Chirp Z变换法的迁移时间精确度优于FT变换法，分辨率亦有明显提高。本方法与已有联用方法[33]相比，有效提高了分析的占空比，进而提高了分析的灵敏度，并保证第二维分离的采样频率，从而使液相色谱离子迁移谱的联用分析方法成为一种高峰容量、高灵敏度的分析方法。

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Abstract By combining frequency modulation Chirp Z transform ion mobility spectrometers （IMS） and multi nozzle electrospray array ionization source， a method of NanoESIChirp Z transform ion mobility spectrometryhigh performance liquid chromatography was developed for the determination of nalkyl ammonium bromide compounds. The parameters of NanoESIChirp Z transform IMS such as electric field intensity， solvent composition， and solution flow rate were investigated and optimized. Subsequently， four kinds of nalkyl ammonium bromide compounds were respectively detected by this developed Chirp Z transform method and Fourier transform method， and the obtained results were compared. The result indicated that the optimum conditions were electric field intensity of 4.5 kV， and ESI solution flow rate of 8 μL/min. Then a test mixture containing tetrabutylammonium bromide， tetrapentylammoniumbromide， tetrahexylammonium bromide， tetraheptylammonium bromide， tetranoctylammoniumbromideandtetrakis（decyl） ammonium bromide was successfully separated and determined by the HPLCnanoESIChirp Z IMS method.Chirp Z transform method provided higher signal to noise ratio compared to conventional signal averaging method， and was superior to FT method in the determination of drift time.

Keywords Chirp Z transform； Ion mobility spectrometry； High performance liquid chromatography

（Received 24 November 2016； accepted 17 March 2017）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 21365018）， the International Science &Technology Cooperation Program of XPCC （No.2015AH005）， and the Innovation Program of Graduate （No.TDGRI201523）.