王 禹， 高曉光， 何秀麗， 賈 建， 李建平

(1. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100190)

用于揮發(fā)性有機物檢測的二次電噴霧電離-離子遷移率譜系統(tǒng)

王 禹1,2， 高曉光1， 何秀麗1， 賈 建1， 李建平1

(1. 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100190)

針對呼出氣體中與疾病密切相關(guān)的丙酮、 異戊二烯、 乙苯等氣體， 研究了用于揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds, VOCs)檢測的二次電噴霧電離(Secondary Electrospray Ionization, SESI)-離子遷移率譜(Ion Mobility Spectrometry, IMS)系統(tǒng). 設(shè)計了樣品氣體流向與離子漂移方向相同的SESI電離源結(jié)構(gòu)， 在提高電離效率的同時對電噴液起到冷卻作用， 有利于保持電噴霧過程的穩(wěn)定. 搭建了SESI-IMS系統(tǒng)， 分析了離化區(qū)溫度、 電噴液流量、 樣品氣體進樣流量等參數(shù)對系統(tǒng)檢測結(jié)果的影響. 在離化區(qū)溫度175 ℃、 電噴液流量1 μL/min、 進樣流量200 mL/min的條件下， 系統(tǒng)對丙酮、 異戊二烯和乙苯的3倍噪聲檢測限分別為38.8, 68.9和46.9 ng/L， 具有應(yīng)用于呼出氣體VOCs檢測的潛力.

二次電噴霧電離； 離子遷移率譜； 揮發(fā)性有機物； 呼出氣體

0 引 言

人類呼出氣體中含有數(shù)百種痕量揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds, VOCs)， 其種類及含量與人體血液中對應(yīng)物質(zhì)有定量的關(guān)系， 可以提供與身體狀況密切相關(guān)的多種生理/病理信息. 利用呼出氣體檢測進行某些疾病的初篩和早期診斷具有快速、 無創(chuàng)以及可連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點， 已受到眾多研究者的關(guān)注[1].

質(zhì)譜法因具有靈敏度高、 特異性好的優(yōu)點而在呼出氣體痕量VOCs檢測中得到廣泛應(yīng)用[2]. 與質(zhì)譜類似， 離子遷移率譜(Ion Mobility Spectrometry, IMS)[3]也是一種將樣品分子電離形成離子后進行分離檢測的痕量物質(zhì)檢測技術(shù)， 不過與質(zhì)譜中離子需在真空環(huán)境下分離不同， IMS中離子的分離是在一定氣壓(一般為大氣壓)環(huán)境下進行. 由于具有儀器結(jié)構(gòu)簡單、 靈敏度高、 成本低、 檢測速度快等優(yōu)勢， IMS也越來越多地應(yīng)用于呼出氣體VOCs的快速檢測[4]. 德國Ruzsanyi等人2005年就利用多束毛細管柱(MCC)及采用63Ni電離的IMS檢測呼出氣體中的痕量VOCs， 對不同VOCs的檢測限在ng/L到pg/L之間[5]. 該團隊還研究了不同其它電離方法下IMS對VOCs的檢測限， 發(fā)現(xiàn)采用紫外光電離的IMS對不同VOCs的檢測限在ng/L到102ng/L量級之間[6]. 德國Bessa等人利用IMS分析呼出氣體中的痕量VOCs， 證明該方法是診斷慢性阻塞性肺炎(COPD)的一種可行方案[7].

樣品電離是IMS檢測的首要條件， 電離源的性能在很大程度上決定了IMS的適用范圍和檢測效果. 上述IMS呼出氣體檢測研究中， 大多采用放射電離及紫外光電離方法. 放射電離雖然具有穩(wěn)定性和可靠性好的優(yōu)點， 但放射源的使用需要特殊申請及許可， 限制了其應(yīng)用. 紫外光電離可排除VOCs以外的其它氣體干擾， 但電離源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 系統(tǒng)成本高、 壽命短. 因此， 發(fā)展一種簡單、 高效、 穩(wěn)定的電離方法對呼出氣體檢測具有重要意義.

二次電噴霧電離(Secondary Electrospray Ionization, SESI)是由電噴霧電離(Electrospray Ionization, ESI)衍生而來的一種大氣壓軟電離方法， 其原理是將待測樣品通入由ESI得到的帶電液滴及反應(yīng)離子區(qū)域， 通過被測物分子與帶電液滴及反應(yīng)離子間的相互作用產(chǎn)生被測物離子， 該方法可用于氣體及氣溶膠樣品的直接電離[8]. 作為質(zhì)譜(MS)離化源， SESI已應(yīng)用于爆炸物、 化學(xué)戰(zhàn)劑、 毒品、 脂肪酸以及一些VOCs的檢測[8-11]. 美國Hill等人將SESI作為IMS電離源， 在負離子模式下對63Ni、 電暈放電(CD)和SESI電離方法進行比較， 指出SESI具非放射性、 不破壞被測物分子且電離效率高等優(yōu)點[12]， 并實現(xiàn)了爆炸物和毒品的檢測[13]. 目前， 未見關(guān)于SESI同IMS結(jié)合用于VOCs檢測的相關(guān)報導(dǎo).

有研究表明， 丙酮、 異戊二烯、 乙苯等VOCs在呼出氣體中的含量與Ⅰ型糖尿病、 心衰、 精神分裂以及肺癌等疾病密切相關(guān)[14]. 本文設(shè)計了SESI電離源， 搭建了SESI-IMS系統(tǒng)， 分析了各參數(shù)對系統(tǒng)檢測的影響， 實現(xiàn)了丙酮、 異戊二烯、 乙苯等痕量VOCs的檢測.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

甲醇(色譜純， 北京化學(xué)試劑公司)、 乙酸(分析純， 北京化學(xué)試劑公司)、 丙酮(分析純， 北京化學(xué)試劑公司)、 異戊二烯(99.0%， TCI上?；晒I(yè)發(fā)展有限公司)、 乙苯(99.5%色譜純， 阿拉丁有限公司)、 正戊烷(分析純， 西隴科學(xué)股份有限公司)、 去離子水(實驗室自制， 18.2 MΩ·cm， 美誠MW-D20).

1.2 實驗裝置

SESI-IMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 主要包括SESI電離源和IMS裝置兩部分. IMS漂移管由內(nèi)徑為36 mm的不銹鋼金屬環(huán)和38 mm的聚四氟乙烯環(huán)交替重疊組成， 二者之間由B-N離子門隔離. IMS外圍部件包括用于維持漂移電場的高壓直流電源、 保證漂移管溫度穩(wěn)定的加熱溫控裝置、 控制離子門開關(guān)的驅(qū)動電路以及離子流信號放大裝置.

SESI電離源包括電噴霧裝置及樣品氣體進樣通道. 電噴液由微量注射泵(LSP01-1B， 保定蘭格)控制以一定流量通過石英毛細管進入內(nèi)徑85 μm的不銹鋼電噴針， 在電場作用下于離化區(qū)形成電噴霧， 樣品氣體進入離化區(qū)后與電噴霧電離形成的帶電液滴及離子相互作用， 形成被測物離子. 傳統(tǒng)SESI樣品氣體通常以垂直于電噴針及離子漂移方向的方式通入離化區(qū)， 避免了由于樣品氣流干擾而使未完全去溶劑化的小液滴進入漂移區(qū)， 但同時也因樣品擴散及漂移氣體反吹造成電噴霧區(qū)域被測物濃度減小， 導(dǎo)致電離效率降低. 針對以上問題， 本文設(shè)計了樣品氣體流向與離子漂移方向相同的SESI電離源結(jié)構(gòu)， 將樣品氣體通過與電噴針同心的Φ1 mm圓孔引入漂移區(qū). 本文使用的IMS裝置離化區(qū)溫度較高(145～195 ℃)， 空間較大， 去溶劑化效果好， 可避免帶電液滴進入漂移區(qū). 該進樣方式一方面減弱了樣品擴散及漂移氣體稀釋作用的影響， 有利于在電噴霧區(qū)域保持較高的被測物濃度， 從而提高離化效率； 另一方面樣品氣體也對電噴液起到冷卻作用， 有利于保持電噴霧過程的穩(wěn)定.

圖 1 SESI-IMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

VOCs樣品氣體由滲透管法制備， 選用的滲透管為內(nèi)徑4 mm、 外徑6 mm的聚四氟乙烯管. 將滲透管置于保持70 ℃恒溫的滲透管動態(tài)氣體發(fā)生器(Dynacalibrator Model 150, VICI)中， 定期稱量滲透管重量， 計算出在該溫度下滲透管的滲透速率. 再通過質(zhì)量流量計(CS200， 七星華創(chuàng))控制氣體流量動態(tài)配制出低濃度的VOCs樣品氣體.

SESI-IMS系統(tǒng)的主要參數(shù)見表 1.

表 1 SESI-IMS系統(tǒng)的主要參數(shù)

1.3 實驗方法

產(chǎn)生一定濃度的VOCs樣品氣體， 直接通入SESI電離源的樣品氣體進樣口進行IMS檢測. 放大后的離子流信號由示波器(TDS2022C， 泰克)采集， 得到被測物的SESI-IMS譜圖， 選擇穩(wěn)定后的譜圖進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理， 以被測物特征離子峰高作為SESI-IMS對該樣品的響應(yīng)信號.

2 結(jié)果與討論

2.1 丙酮、 異戊二烯、 乙苯的SESI-IMS譜圖

離化區(qū)溫度： 175 ℃； 電噴液流量： 1 μL/min； 氣體進樣流量： 200 mL/min圖 2 幾種VOCs的SESI-IMS譜及空白譜Fig.2 SESI-Ion mobility spectra of VOCs and the blank

VOCs本文實驗參考文獻離子峰漂移時間/msK0/cm2V-1s-1計算值K0/cm2V-1s-1文獻報道離化方法文獻丙酮c10.051.831.82UV[8]乙苯d10.531.751.991.831.77CD[15]異戊二烯e11.461.611.621.401.20UV[8]

2.2 離化源參數(shù)影響

SESI電離過程中， 電噴霧的形成和去溶劑化的過程與離化區(qū)溫度、 電噴液流量和樣品進樣流量有關(guān)， 對SESI離化效率影響較大， 因此對上述3個參數(shù)的影響進行研究.

2.2.1 離化區(qū)溫度

離化區(qū)溫度是影響SESI電離效率的重要因素之一， 特別是當SESI同IMS聯(lián)用時， 由于電噴霧形成的帶電液滴是在常壓下去溶劑化， 離化區(qū)溫度對帶電液滴的去溶劑化過程影響更大. 測試了離化區(qū)溫度在145 ℃～195 ℃范圍時， SESI-IMS對丙酮、 異戊二烯及乙苯的特征離子峰高度與離化區(qū)溫度的關(guān)系， 結(jié)果見圖 3.

電噴液流量： 1 μL/min； 氣體進樣流量： 200 mL/min圖 3 SESI-IMS響應(yīng)信號與離化區(qū)溫度關(guān)系Fig.3 The relationship between SESI-IMS response and temperature of ionization region

離化區(qū)溫度低于175 ℃時， 3種VOCs特征離子峰高度隨溫度升高都有所增大； 離化區(qū)溫度在175 ℃～195 ℃ 范圍內(nèi)， VOCs特征離子峰高度隨溫度升高變化不明顯. 被測物分子與帶電液滴的相互作用以及與氣相反應(yīng)離子之間質(zhì)子傳遞是目前兩種得到廣泛認同的SESI離子形成機理， 一般認為小分子物質(zhì)主要通過與氣相反應(yīng)離子之間質(zhì)子傳遞形成產(chǎn)物離子[16]. 當離化區(qū)溫度較低時， SESI電離源的去溶劑化效果較差， 在離化區(qū)形成的氣相反應(yīng)離子濃度較低， 相應(yīng)的產(chǎn)物離子峰強度也??； 在離化區(qū)溫度升高時， 電噴霧形成的帶電液滴去溶劑化速度加快， 離化區(qū)溫度的升高有利于該質(zhì)子傳遞反應(yīng)的快速進行. 從SESI電離效率方面考慮， 選定離化區(qū)溫度為175 ℃.

2.2.2 電噴液流量

離化區(qū)溫度保持175 ℃， 在不同電噴液流量下進行VOCs的SESI-IMS檢測， 研究電噴液流量與SESI-IMS響應(yīng)信號的關(guān)系， 結(jié)果如圖 4 所示.

離化區(qū)溫度： 175 ℃； 氣體進樣流量： 200 mL/min圖 4 SESI-IMS響應(yīng)信號與電噴液流量關(guān)系Fig.4 The relationship between SESI-IMS response and electrospraying liquid flow rate

在1～5 μL/min范圍內(nèi)隨著電噴液流量逐漸增大， SESI-IMS對丙酮、 異戊二烯以及乙苯的響應(yīng)都逐漸減小. 當電噴液進樣速度較低時， 離化區(qū)內(nèi)的電噴霧形成的帶電液滴數(shù)目相對較少， 去溶劑化速度比較快， 有利于被測物分子與氣相反應(yīng)離子的質(zhì)子傳遞， 離化效率較高， SESI-IMS響應(yīng)較大； 當電噴液進樣流量增大后， 離化區(qū)內(nèi)由電噴霧形成的小液滴數(shù)目增多， 不利于VOCs分子的離化， 導(dǎo)致SESI-IMS響應(yīng)減小. 當電噴液流量低于1 μL/min時， 低沸點的電噴液在電噴針內(nèi)已出現(xiàn)氣化現(xiàn)象， 造成系統(tǒng)電噴霧過程不穩(wěn)定， 故后續(xù)實驗中選擇1 μL/min 的電噴液流量.

2.2.3 進樣流量

離化區(qū)溫度： 175 ℃； 電噴液流量： 1 μL/min圖 5 SESI-IMS響應(yīng)信號與氣體進樣流量的關(guān)系Fig.5 The relationship between SESI-IMS response and gas sample flow rate

通入進樣流量范圍為50～300 mL/min的VOCs樣品氣體， 得到SESI-IMS響應(yīng)與氣體進樣流量的關(guān)系， 見圖 5. 進樣流量較小時， 在IMS反向流動的漂移氣(流量1 L/min)作用下， 部分樣品未擴散到電噴霧區(qū)域就隨漂移氣排出， 導(dǎo)致離化區(qū)樣品濃度低， SESI-IMS響應(yīng)信號小； 隨著進樣流量逐漸增大， 樣品氣體在初始速度作用下進入離化區(qū)， 從而SESI-IMS響應(yīng)信號增大； 進一步提高進樣流量(大于200 mL/min)， 可能導(dǎo)致電噴霧產(chǎn)生的氣相反應(yīng)離子在離化區(qū)分布區(qū)域擴大， 中心區(qū)域氣相反應(yīng)離子濃度降低， 造成SESI-IMS響應(yīng)信號的小幅下降. 當進樣流量超過400 mL/min時， 高速的氣流會導(dǎo)致信號不穩(wěn)及離子峰偏移， 從而影響測量結(jié)果. 因此， 優(yōu)化進樣流量為200 mL/min.

2.3 丙酮、 異戊二烯、 乙苯檢測

優(yōu)化參數(shù)為： 離化區(qū)溫度： 175 ℃； 電噴液流量： 1 μL/min； 氣體進樣流量： 200 mL/min. 利用SESI-IMS分別對不同濃度的丙酮、 異戊二烯和乙苯進行檢測， 每個濃度的樣品進行5次實驗， 得到系統(tǒng)響應(yīng)-濃度曲線， 結(jié)果見圖 6. 根據(jù)3倍信噪比計算3種VOCs的檢測限分別為38.8, 68.9和46.9 ng/L. 正常呼出氣體中VOCs的含量一般在nmol/L-pmol/L(102ng/L～10-1ng/L)量級[17]， 當身體發(fā)生生理/病理變化時， 呼出氣體中一些特定VOCs的濃度會有明顯升高. 本文研制的SESI-IMS系統(tǒng)有望用于呼出氣體VOCs檢測.

圖 6 SESI-IMS對 (1)丙酮 (2)異戊二烯 (3)乙苯 的響應(yīng)-濃度曲線Fig.6 Response of SESI-IMS as functions of (a) acetone (b) isoprene (c) ethylbenzene concentration

3 結(jié) 論

針對呼出氣體檢測需要， 設(shè)計搭建了二次電噴霧電離-離子遷移率譜的VOCs檢測系統(tǒng). 研究了離化區(qū)溫度、 電噴液流量以及樣品氣體進樣流量等參數(shù)對SESI的影響并對丙酮、 異戊二烯、 乙苯等氣體進行了檢測. 結(jié)果表明： 在離化區(qū)溫度175 ℃、 電噴液流量1 μL/min、 進樣流量200 mL/min的條件下， 系統(tǒng)對丙酮、 異戊二烯和乙苯的檢測限分別為38.8, 68.9和46.9 ng/L(3倍噪聲)， 基本滿足呼出氣體痕量VOCs的檢測要求.

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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， 碩士生， 主要從事離子遷移率譜技術(shù)研究.

1671-7449(2017)04-0304-07

TP212.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.005