王 禹， 高晓光， 何秀丽， 贾 建， 李建平

(1. 中国科学院电子学研究所 传感技术国家重点实验室， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100190)

用于挥发性有机物检测的二次电喷雾电离-离子迁移率谱系统

王 禹1,2， 高晓光1， 何秀丽1， 贾 建1， 李建平1

(1. 中国科学院电子学研究所 传感技术国家重点实验室， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100190)

针对呼出气体中与疾病密切相关的丙酮、 异戊二烯、 乙苯等气体， 研究了用于挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)检测的二次电喷雾电离(Secondary Electrospray Ionization, SESI)-离子迁移率谱(Ion Mobility Spectrometry, IMS)系统. 设计了样品气体流向与离子漂移方向相同的SESI电离源结构， 在提高电离效率的同时对电喷液起到冷却作用， 有利于保持电喷雾过程的稳定. 搭建了SESI-IMS系统， 分析了离化区温度、 电喷液流量、 样品气体进样流量等参数对系统检测结果的影响. 在离化区温度175 ℃、 电喷液流量1 μL/min、 进样流量200 mL/min的条件下， 系统对丙酮、 异戊二烯和乙苯的3倍噪声检测限分别为38.8, 68.9和46.9 ng/L， 具有应用于呼出气体VOCs检测的潜力.

二次电喷雾电离； 离子迁移率谱； 挥发性有机物； 呼出气体

0 引 言

人类呼出气体中含有数百种痕量挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)， 其种类及含量与人体血液中对应物质有定量的关系， 可以提供与身体状况密切相关的多种生理/病理信息. 利用呼出气体检测进行某些疾病的初筛和早期诊断具有快速、 无创以及可连续监测等优点， 已受到众多研究者的关注[1].

质谱法因具有灵敏度高、 特异性好的优点而在呼出气体痕量VOCs检测中得到广泛应用[2]. 与质谱类似， 离子迁移率谱(Ion Mobility Spectrometry, IMS)[3]也是一种将样品分子电离形成离子后进行分离检测的痕量物质检测技术， 不过与质谱中离子需在真空环境下分离不同， IMS中离子的分离是在一定气压(一般为大气压)环境下进行. 由于具有仪器结构简单、 灵敏度高、 成本低、 检测速度快等优势， IMS也越来越多地应用于呼出气体VOCs的快速检测[4]. 德国Ruzsanyi等人2005年就利用多束毛细管柱(MCC)及采用63Ni电离的IMS检测呼出气体中的痕量VOCs， 对不同VOCs的检测限在ng/L到pg/L之间[5]. 该团队还研究了不同其它电离方法下IMS对VOCs的检测限， 发现采用紫外光电离的IMS对不同VOCs的检测限在ng/L到102ng/L量级之间[6]. 德国Bessa等人利用IMS分析呼出气体中的痕量VOCs， 证明该方法是诊断慢性阻塞性肺炎(COPD)的一种可行方案[7].

样品电离是IMS检测的首要条件， 电离源的性能在很大程度上决定了IMS的适用范围和检测效果. 上述IMS呼出气体检测研究中， 大多采用放射电离及紫外光电离方法. 放射电离虽然具有稳定性和可靠性好的优点， 但放射源的使用需要特殊申请及许可， 限制了其应用. 紫外光电离可排除VOCs以外的其它气体干扰， 但电离源结构复杂、 系统成本高、 寿命短. 因此， 发展一种简单、 高效、 稳定的电离方法对呼出气体检测具有重要意义.

二次电喷雾电离(Secondary Electrospray Ionization, SESI)是由电喷雾电离(Electrospray Ionization, ESI)衍生而来的一种大气压软电离方法， 其原理是将待测样品通入由ESI得到的带电液滴及反应离子区域， 通过被测物分子与带电液滴及反应离子间的相互作用产生被测物离子， 该方法可用于气体及气溶胶样品的直接电离[8]. 作为质谱(MS)离化源， SESI已应用于爆炸物、 化学战剂、 毒品、 脂肪酸以及一些VOCs的检测[8-11]. 美国Hill等人将SESI作为IMS电离源， 在负离子模式下对63Ni、 电晕放电(CD)和SESI电离方法进行比较， 指出SESI具非放射性、 不破坏被测物分子且电离效率高等优点[12]， 并实现了爆炸物和毒品的检测[13]. 目前， 未见关于SESI同IMS结合用于VOCs检测的相关报导.

有研究表明， 丙酮、 异戊二烯、 乙苯等VOCs在呼出气体中的含量与Ⅰ型糖尿病、 心衰、 精神分裂以及肺癌等疾病密切相关[14]. 本文设计了SESI电离源， 搭建了SESI-IMS系统， 分析了各参数对系统检测的影响， 实现了丙酮、 异戊二烯、 乙苯等痕量VOCs的检测.

1 实验部分

1.1 实验试剂

甲醇(色谱纯， 北京化学试剂公司)、 乙酸(分析纯， 北京化学试剂公司)、 丙酮(分析纯， 北京化学试剂公司)、 异戊二烯(99.0%， TCI上海化成工业发展有限公司)、 乙苯(99.5%色谱纯， 阿拉丁有限公司)、 正戊烷(分析纯， 西陇科学股份有限公司)、 去离子水(实验室自制， 18.2 MΩ·cm， 美诚MW-D20).

1.2 实验装置

SESI-IMS系统结构如图 1 所示， 主要包括SESI电离源和IMS装置两部分. IMS漂移管由内径为36 mm的不锈钢金属环和38 mm的聚四氟乙烯环交替重叠组成， 二者之间由B-N离子门隔离. IMS外围部件包括用于维持漂移电场的高压直流电源、 保证漂移管温度稳定的加热温控装置、 控制离子门开关的驱动电路以及离子流信号放大装置.

SESI电离源包括电喷雾装置及样品气体进样通道. 电喷液由微量注射泵(LSP01-1B， 保定兰格)控制以一定流量通过石英毛细管进入内径85 μm的不锈钢电喷针， 在电场作用下于离化区形成电喷雾， 样品气体进入离化区后与电喷雾电离形成的带电液滴及离子相互作用， 形成被测物离子. 传统SESI样品气体通常以垂直于电喷针及离子漂移方向的方式通入离化区， 避免了由于样品气流干扰而使未完全去溶剂化的小液滴进入漂移区， 但同时也因样品扩散及漂移气体反吹造成电喷雾区域被测物浓度减小， 导致电离效率降低. 针对以上问题， 本文设计了样品气体流向与离子漂移方向相同的SESI电离源结构， 将样品气体通过与电喷针同心的Φ1 mm圆孔引入漂移区. 本文使用的IMS装置离化区温度较高(145～195 ℃)， 空间较大， 去溶剂化效果好， 可避免带电液滴进入漂移区. 该进样方式一方面减弱了样品扩散及漂移气体稀释作用的影响， 有利于在电喷雾区域保持较高的被测物浓度， 从而提高离化效率； 另一方面样品气体也对电喷液起到冷却作用， 有利于保持电喷雾过程的稳定.

图 1 SESI-IMS系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

VOCs样品气体由渗透管法制备， 选用的渗透管为内径4 mm、 外径6 mm的聚四氟乙烯管. 将渗透管置于保持70 ℃恒温的渗透管动态气体发生器(Dynacalibrator Model 150, VICI)中， 定期称量渗透管重量， 计算出在该温度下渗透管的渗透速率. 再通过质量流量计(CS200， 七星华创)控制气体流量动态配制出低浓度的VOCs样品气体.

SESI-IMS系统的主要参数见表 1.

表 1 SESI-IMS系统的主要参数

1.3 实验方法

产生一定浓度的VOCs样品气体， 直接通入SESI电离源的样品气体进样口进行IMS检测. 放大后的离子流信号由示波器(TDS2022C， 泰克)采集， 得到被测物的SESI-IMS谱图， 选择稳定后的谱图进行后续数据处理， 以被测物特征离子峰高作为SESI-IMS对该样品的响应信号.

2 结果与讨论

2.1 丙酮、 异戊二烯、 乙苯的SESI-IMS谱图

离化区温度： 175 ℃； 电喷液流量： 1 μL/min； 气体进样流量： 200 mL/min图 2 几种VOCs的SESI-IMS谱及空白谱Fig.2 SESI-Ion mobility spectra of VOCs and the blank

VOCs本文实验参考文献离子峰漂移时间/msK0/cm2V-1s-1计算值K0/cm2V-1s-1文献报道离化方法文献丙酮c10.051.831.82UV[8]乙苯d10.531.751.991.831.77CD[15]异戊二烯e11.461.611.621.401.20UV[8]

2.2 离化源参数影响

SESI电离过程中， 电喷雾的形成和去溶剂化的过程与离化区温度、 电喷液流量和样品进样流量有关， 对SESI离化效率影响较大， 因此对上述3个参数的影响进行研究.

2.2.1 离化区温度

离化区温度是影响SESI电离效率的重要因素之一， 特别是当SESI同IMS联用时， 由于电喷雾形成的带电液滴是在常压下去溶剂化， 离化区温度对带电液滴的去溶剂化过程影响更大. 测试了离化区温度在145 ℃～195 ℃范围时， SESI-IMS对丙酮、 异戊二烯及乙苯的特征离子峰高度与离化区温度的关系， 结果见图 3.

电喷液流量： 1 μL/min； 气体进样流量： 200 mL/min图 3 SESI-IMS响应信号与离化区温度关系Fig.3 The relationship between SESI-IMS response and temperature of ionization region

离化区温度低于175 ℃时， 3种VOCs特征离子峰高度随温度升高都有所增大； 离化区温度在175 ℃～195 ℃ 范围内， VOCs特征离子峰高度随温度升高变化不明显. 被测物分子与带电液滴的相互作用以及与气相反应离子之间质子传递是目前两种得到广泛认同的SESI离子形成机理， 一般认为小分子物质主要通过与气相反应离子之间质子传递形成产物离子[16]. 当离化区温度较低时， SESI电离源的去溶剂化效果较差， 在离化区形成的气相反应离子浓度较低， 相应的产物离子峰强度也小； 在离化区温度升高时， 电喷雾形成的带电液滴去溶剂化速度加快， 离化区温度的升高有利于该质子传递反应的快速进行. 从SESI电离效率方面考虑， 选定离化区温度为175 ℃.

2.2.2 电喷液流量

离化区温度保持175 ℃， 在不同电喷液流量下进行VOCs的SESI-IMS检测， 研究电喷液流量与SESI-IMS响应信号的关系， 结果如图 4 所示.

离化区温度： 175 ℃； 气体进样流量： 200 mL/min图 4 SESI-IMS响应信号与电喷液流量关系Fig.4 The relationship between SESI-IMS response and electrospraying liquid flow rate

在1～5 μL/min范围内随着电喷液流量逐渐增大， SESI-IMS对丙酮、 异戊二烯以及乙苯的响应都逐渐减小. 当电喷液进样速度较低时， 离化区内的电喷雾形成的带电液滴数目相对较少， 去溶剂化速度比较快， 有利于被测物分子与气相反应离子的质子传递， 离化效率较高， SESI-IMS响应较大； 当电喷液进样流量增大后， 离化区内由电喷雾形成的小液滴数目增多， 不利于VOCs分子的离化， 导致SESI-IMS响应减小. 当电喷液流量低于1 μL/min时， 低沸点的电喷液在电喷针内已出现气化现象， 造成系统电喷雾过程不稳定， 故后续实验中选择1 μL/min 的电喷液流量.

2.2.3 进样流量

离化区温度： 175 ℃； 电喷液流量： 1 μL/min图 5 SESI-IMS响应信号与气体进样流量的关系Fig.5 The relationship between SESI-IMS response and gas sample flow rate

通入进样流量范围为50～300 mL/min的VOCs样品气体， 得到SESI-IMS响应与气体进样流量的关系， 见图 5. 进样流量较小时， 在IMS反向流动的漂移气(流量1 L/min)作用下， 部分样品未扩散到电喷雾区域就随漂移气排出， 导致离化区样品浓度低， SESI-IMS响应信号小； 随着进样流量逐渐增大， 样品气体在初始速度作用下进入离化区， 从而SESI-IMS响应信号增大； 进一步提高进样流量(大于200 mL/min)， 可能导致电喷雾产生的气相反应离子在离化区分布区域扩大， 中心区域气相反应离子浓度降低， 造成SESI-IMS响应信号的小幅下降. 当进样流量超过400 mL/min时， 高速的气流会导致信号不稳及离子峰偏移， 从而影响测量结果. 因此， 优化进样流量为200 mL/min.

2.3 丙酮、 异戊二烯、 乙苯检测

优化参数为： 离化区温度： 175 ℃； 电喷液流量： 1 μL/min； 气体进样流量： 200 mL/min. 利用SESI-IMS分别对不同浓度的丙酮、 异戊二烯和乙苯进行检测， 每个浓度的样品进行5次实验， 得到系统响应-浓度曲线， 结果见图 6. 根据3倍信噪比计算3种VOCs的检测限分别为38.8, 68.9和46.9 ng/L. 正常呼出气体中VOCs的含量一般在nmol/L-pmol/L(102ng/L～10-1ng/L)量级[17]， 当身体发生生理/病理变化时， 呼出气体中一些特定VOCs的浓度会有明显升高. 本文研制的SESI-IMS系统有望用于呼出气体VOCs检测.

图 6 SESI-IMS对 (1)丙酮 (2)异戊二烯 (3)乙苯 的响应-浓度曲线Fig.6 Response of SESI-IMS as functions of (a) acetone (b) isoprene (c) ethylbenzene concentration

3 结 论

针对呼出气体检测需要， 设计搭建了二次电喷雾电离-离子迁移率谱的VOCs检测系统. 研究了离化区温度、 电喷液流量以及样品气体进样流量等参数对SESI的影响并对丙酮、 异戊二烯、 乙苯等气体进行了检测. 结果表明： 在离化区温度175 ℃、 电喷液流量1 μL/min、 进样流量200 mL/min的条件下， 系统对丙酮、 异戊二烯和乙苯的检测限分别为38.8, 68.9和46.9 ng/L(3倍噪声)， 基本满足呼出气体痕量VOCs的检测要求.

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Secondary Electrospray Ionization Ion Mobility Spectrometer for VOCs Detection

WANG Yu1,2, GAO Xiaoguang1, HE Xiuli1, JIA Jian1, LI Jianping1

(1. State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190， China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190， China)

Secondary electrospray ionization (SESI)ion mobility spectrometer (IMS)was applied for detection of acetone, isoprene and ethylbenzene, the representatives of volatile organic compounds (VOCs),which are closely related to disease in breath gas. The SESI source with the direction of the sample gas flow parallel to the ion stream was designed and the ionization efficiency was improved. The stable electrospraying was obtained by the cooling effect of sample gas to electrospraying liquid. The SESI-IMS system was constructed and the effects of parameters such as temperature of ionization region, electrospraying liquid flow rate and sample gas flow rate were analyzed. The 3 times noisebased detection limits of acetone, isoprene and ethylbenzene were calculated to be 38.8 ng/L, 68.9 ng/L and 46.9 ng/L respectively when the conditions of temperature of ionization region is 175 ℃, electrospraying liquid flow rate is 1 μL/min and sample gas flow rate is 200 mL/min. The SESI-IMS system has the potential application for detection of VOCs in breath gas.

secondary electrospray ionization; ion mobility spectrometry; volatile organic compounds; breath gas

2017-01-07

王 禹(1991-)， 男， 硕士生， 主要从事离子迁移率谱技术研究.

1671-7449(2017)04-0304-07

TP212.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.005