小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪的研制及其在呼吸气成分分析中的应用

赵忠俊，贺飞耀，郭 星，李雯雯，代渐雄，付 玉， 李 宏，邓辅龙，蒲 娟，杨燕婷，王 旭，段忆翔

(1.四川大学化学工程学院，四川 成都 610064；2.四川大学生命科学学院，四川 成都 610064； 3.西北大学化学与材料科学学院，陕西 西安 710127；4.四川大学华西公共卫生学院，四川 成都 610064； 5.四川大学机械工程学院，四川 成都 610064；6.四川大学化学学院，四川 成都 610064； 7.成都艾立本科技有限公司，四川 成都 611930)

质子转移反应质谱(proton transfer reaction mass spectrometry, PTR-MS)的成功研制实现了挥发性有机物(VOCs)高灵敏度、高通量的在线监测与分析。1995年Lingdinger等[1]首次报道PTR-MS，由于其具有灵敏度高、检出限低、可直接定量分析、软电离及高通量监测等特性[2]，在环境分析、生命科学、医学以及食品科学等领域的飞速发展[3-5]。

PTR-MS的诸多优点及其广泛应用的发展潜力，促使应用于PTR-MS的各类质谱技术层出不穷，日新月异。与其他类型的质谱仪类似，PTR-MS主要在进样系统、离子源、离子传输以及质量分析器上进行改进，以有效地优化PTR-MS的灵敏度、扫描速度、检出限，并提高仪器对样品的耐受程度。初期的PTR-MS主要使用四极杆作为质量分析器[6]，选择单离子扫描时的灵敏度较高，适用于PTR-MS的离子源研究。早期有研究者尝试使用离子阱作为PTR-MS的质量分析器，以获取更高的分析速度[7]。近年来，PTR-MS的发展方向是采用飞行时间质量分析器，以在扫描速度与灵敏度上达到平衡[8]。同时，由于飞行时间质量分析器具有较高的分辨率，能够分辨质量数具有微小差异的VOCs，可以提高PTR-MS的定性准确性。PTR-MS的水合离子激发源经过了多种形式的演变，包括空心阴极放电、微波等离子体、放射性元素射线电离等[6, 9-11]。离子传输系统的改进一直是PTR-MS技术更新的重点。由于离子源中的气压较高，而质量分析器处于高真空中，因此，离子传输系统作为将离子源中的离子过渡传输到质量分析器中的装置，在一定程度上决定了PTR-MS的性能。较简单的离子传输器使用静电透镜作为离子源与质量分析器之间的过渡传输[12]。该类型离子传输器的结构简单、成本低廉，然而受制于高真空工作条件，离子源允许的传输口径较小，限制了仪器的整体性能。离子漏斗技术在PTR-MS中的运用，实现了漂移反应管中大面积离子的捕获与聚焦，大幅度地提高了漂移管中的离子利用率[8]，使得仪器整机具有较好的性能。多极杆技术在质子转移反应飞行时间质谱(PTR-TOF MS)中扮演了更加重要的角色，其较高的工作气压不仅使漂移管的末端离子出口开口更大，提高了离子总量，同时，由于其聚焦冷却的特性，使得传输效率、离子束出射质量更高，同步提高了PTR-TOF MS的灵敏度与分辨率[13]。为了扩展应用范围，对PTR-MS的进样系统进行了改进。热萃取解吸质子转移反应质谱(thermal extraction desorption proton transfer reaction mass spectrometry, TED-PTR-MS)可以实现固态样品(如医疗器具上残余的VOCs)的检测[14]。膜进样质子转移反应质谱(membrane inlet proton transfer reaction mass spectrometry, MI-PTR-MS)可以替代顶空分析，直接分析液态样品中的VOCs[15]。喷雾进样质子转移反应质谱(spray inlet proton transfer reaction mass spectrometry, SI-PTR-MS)可以提高液态样品中VOCs测定的响应时间[16]。国内对PTR-MS仪器的研究同样较活跃，先后有质子转移反应-四极杆质谱(proton transfer reaction quadrupole mass spectrometry, PTR-QMS)[17]与PTR-TOF MS[18]的相关报道。本课题组报道了基于微波等离子体的质子转移反应质谱仪的研制[10]，实现了国内PTR-MS的技术突破。

本研究拟研制小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪。该仪器采用水蒸气空心阴极放电的方式为质子转移反应提供水合离子；使用线性漂移反应管作为质子转移反应的分子离子反应器；离子传输采用射频四极杆；质量分析器采用自制的小型飞行时间质谱。通过上述设计，希望该仪器能在较紧凑的体积内实现挥发性有机物较高灵敏度与质量分辨率的快速分析。

1 仪器装置

自行研制的小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪的结构示于图1。该仪器由质子转移反应离子源、射频离子传输装置、静电透镜组、飞行时间质量分析器以及真空系统构成。质子转移反应离子源通过电离水蒸气产生水合离子，并将水合离子与VOCs进行气态分子离子反应，使VOCs发生化学电离。电离后的VOCs离子进入射频离子传输装置进行下一阶真空的高效率传输，同时减小离子束的径向动能。射出射频离子传输装置的离子束经过静电透镜组的聚焦准直后进入飞行时间质量分析器的加速区。仪器采用三阶真空设计，射频传输区、透镜区、质量分析器区通过多级分子泵获取真空。分析器真空度优于5×10-4Pa，使用6 m3/h涡旋泵保持前级真空。仪器整体分析器电压测控板、离子源电压测控板、射频电压测控板、脉冲电压测控板、透镜电压测控板、真空系统测控经由CAN总线与主控制板通信，再由主控制板通过以太网与上位机进行通信。

图1 小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪的结构示意图Fig.1 Schematic of small sized high performance PTR-TOF MS

1.1 质子转移反应离子源

图2 质子转移反应离子源结构示意图Fig.2 Schematic of proton transfer reaction ion source

质子转移反应离子源由放电区、源漂移区以及漂移反应管构成，示于图2。放电区由S1、S2、S3三个不锈钢电极组成。通过直流放电对水汽输入管导入的水蒸气进行电离，该放电区可以产生H2O+、OH+、O+、H+等离子。这些离子随后进入源漂移区，通过与背景中的剩余水分子反应等形式，最终可以转化为H3O+离子[1]。源漂移区同时可以防止样品气体反流到放电区，导致空气被电离，影响反应管内的单一质子转移反应过程。H3O+离子作为质子转移反应的试剂离子在漂移反应管中与进样毛细管引入的VOCs分子发生气态分子离子反应，将VOCs分子电离为质子化的准分子离子[VOCH]+。放电区通过高压电源供电，源漂移区和漂移反应管通过高压电源和电阻阵列分压后，对各电极供电。反应管整体电压由源漂移区向尾部梯度降低。通过进样毛细管进行限流，反应管内的气压控制在约200 Pa。配合漂移反应管电压约700 V，整个反应管内通常维持在约120 Td的状态，以保证水合离子基本以单水合形式与VOCs反应。反应后生成的质子化准分子离子以及剩余的水合离子通过漂移管尾部的小孔进入离子传输区。

1.2 小型飞行时间质谱仪

小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪采用自行研制的小型飞行时间质量分析器。分析器采用正交加速原理，以降低离子束在加速方向的动能分散，实现更高的分辨率。可以通过降低脉冲电压减少双脉冲设计的脉冲加速区的脉冲干扰，同时更好地屏蔽加速场带来的离子初始动能变动。反射式二阶聚焦增加了离子的有效飞行距离，提高了不同质荷比离子的飞行时间差。同时，二阶聚焦还可以减小同质荷比离子的飞行时间差。分析器高度合计低于360 mm，基于该小型分析器，仪器最终的实际尺寸为480 mm(高)×520 mm(长)×420 mm(宽)。分析器设计加速电压-1 450 V，即加速区电压由低到高递增至-1 450 V。推斥极脉冲电压与拉动极脉冲电压分别为350 V和-350 V。经调试后，反射网电极电压-32 V，反射板电极电压390 V，检测器电压-2 300 V。除特殊说明外，本研究中所涉及的采集过程均使用采集阈值95，采集频率20 kHz，并积分50 s。

为提高仪器的整体性能，离子传输部分采用射频四极杆作为离子源与质量分析器连接。射频四极杆电极采用8 mm不锈钢圆杆制作，4个电极环绕分布，以配合射频电场形成四极场，工作气压约0.1～1 Pa，工作频率2 MHz。该工作气压使射频四极杆可以较好地衔接离子源部分的较高气压以及离子透镜组的较低气压，提高真空级间流导，从而增大离子通道。其次，射频四极场可以很好地对离子源进入该区域的离子进行冷却聚焦，提高离子传输效率，降低离子的径向动能分散，提高仪器的分辨率。通过调整射频电压幅值，射频四极杆可以调整被传输离子的q值，使目标范围质荷比的离子处于最佳q值区间，优化仪器整体对目标范围离子的检出性能。

在射频四极杆后设计一组静电透镜，透镜组由聚焦透镜与准直透镜组成，可以对射频四极杆射出的离子束进行聚焦准直，将离子束的速度分散，进一步转换为空间分散，便于质量分析器对离子束的分散进行补偿，提高分辨率。

2 结果与讨论

使用辛烷标准品表征仪器的分辨率，使用配制的丙酮、苯、甲苯标准气体表征仪器的线性关系及检出限。标准气体由丙酮、苯、甲苯纯品经零级空气逐级稀释得到。零级空气为高纯氮气与高纯氧气(99.999%)以4∶1配制而成，稀释后的样品气体用30 L气体采样袋保存，样品气浓度梯度为10×10-9、100×10-9、300×10-9、600×10-9、1 000×10-9mol/mol。

2.1 水合离子分布

水合离子的状态直接决定了质子转移反应质谱仪的工作状态。自行研制的小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪的试剂离子质谱图示于图3。由于射频四极杆的低质量截止特性，通常的射频电压设定会导致水合离子所处的质量范围q值过高，导致水合离子的运动不稳定甚至截止传输，常规情况参数下的四极杆无法直接观测到水合离子的真实强度。因此，本实验对四极杆电压及频率进行了调整，在3.4 MHz频率下观察低质量数范围内的离子。该谱图是在120 Td反应条件下使用5 s积分时间获得的。可以看到，在该漂移反应条件下，水合离子主要以单水合离子(m/z19)的状态存在，团簇较少，仅观察到约5%一水合离子丰度的二水合离子(m/z37)。质子转移反应质谱中的主要污染离子NO+(m/z30)在该仪器中的强度相较于一水合离子丰度在0.5%以内，因此该离子源设计可以实现较高的试剂离子纯净度。

图3 小型高性能质子转移反应飞行时间 质谱仪的试剂离子质谱图Fig.3 Reagent ion mass spectrum of small sized high performance PTR-TOF MS

2.2 分辨率

小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪测试辛烷的质谱图示于图4，谱图通过20 kHz频率积分50 s得到。辛烷(分子质量114 u)在该仪器中离子化以后得到了质子化的分子离子(m/z115)，该离子在此处的半高峰宽为0.045 u，通过R=M/Δm计算可知，该仪器在m/z115处全高半峰宽(FWHM)分辨率大于2 500。

2.3 线性范围与检出限

软电离的化学电离过程是质子转移反应质谱的优势，VOCs电离后只产生质子化分子离子峰，几乎不产生碎片离子峰，这一特性奠定了其在高通量在线分析领域的优势。1×10-7mol/mol丙酮、苯、甲苯混合样品的质谱图示于图5。可以看到，3种物质对应的质子化分子离子[M+H]+m/z59、79、93都形成了对应的质谱峰，谱图简单易于辨别。质子转移反应质谱具有高灵敏的特性，对比谱图中的基线噪声可知，丙酮、苯、甲苯产生的3处质子化分子离子峰的信噪比分别为60 000、3 000和14 000。

图4 小型高性能质子转移反应 飞行时间质谱仪的分辨率测试质谱图Fig.4 Resolution test of small sized high performance PTR-TOF MS

测试了1×10-8、1×10-7、3×10-7、6×10-7、1×10-6mol/mol的丙酮、苯、甲苯混标气体，以表征仪器的线性关系、灵敏度、检出限。每个浓度的样品连续测定6个数据点，取各浓度信号强度的平均值，数据波动使用误差棒进行标示，各物质的标准曲线示于图6。可以看到，在该范围内，仪器的线性关系良好，线性相关系数均优于0.99。受制于气体配制方法，没有对更大浓度范围的样品进行测试。

根据线性曲线进行计算，仪器对丙酮、苯、甲苯的测试灵敏度分别为17 240/(10-9mol/mol)、1 040/(10-9mol/mol)、2 074/(10-9mol/mol)。噪声的方差根据图5d计算为10。按照检出限为10倍信噪比计算，该仪器对丙酮、苯、甲苯的检出限分别为6×10-12、9.6×10-11、4.8×10-11mol/mol。

图5 1×10-7 mol/mol丙酮、苯、 甲苯混合样品在m/z 59(a)、79(b)、 93(c)处的质子化分子离子峰的信噪比及基线噪声(d)Fig.5 Mass spectra of 1×10-7 mol/mol acetone, benzene, toluene mixture at m/z 59 (a)， 79 (b)，93 (c) and base line noise (d)

2.4 小型高性能PTR-TOF MS在人体呼吸气检测中的运用

由于人体新陈代谢的作用，细胞组织在生命活动中会产生大量的VOCs代谢产物，这些代谢产物随着血液流入肺泡中，通过呼吸的形式散发到体外。因此，通过分析人体呼吸气的成分及浓度，可以对人体的细胞组织乃至器官的代谢状况进行判断分析。根据呼吸气中VOCs的变化，可以实现对人体某些疾病的判断。质子转移反应质谱作为一种高通量、高灵敏度的VOCs分析技术，是较为理想的人体呼吸气中VOCs分析手段。为了验证小型高性能PTR-TOF MS的实际VOCs分析能力，本研究使用人体呼吸气作为样本，对该仪器的实际样品测试能力进行初步表征。

图6 丙酮(a)、苯(b)、甲苯(c)混合样品在1×10-8～1×10-6 mol/mol浓度范围内的标准曲线Fig.6 Calibration curves of acetone (a), benzene (b) and toluene (c) ranging from 1×10-8 to 1×10-6 mol/mol

使用BIO-VOC采气筒标准化采集呼吸气。采集500 mL呼吸气，使用Tedlar气袋保存。在采集呼吸气的同时，使用相同方法采集一袋500 mL背景空气，以排除背景空气中VOCs对呼吸气成分分析的影响。采集前，用零级空气清洗Tedlar采样袋3次，随后加热到50 ℃烘10 h，再使用零级空气清洗3次。人体呼吸气经小型高性能PTR-TOF MS分析后得到的质谱图示于图7。该图显示了m/z38～320范围内的质谱峰，在8×103～8×105之间的强度被打断，以显示更多低强度的质谱峰。

测试到的呼吸气中部分VOCs成分列于表1。表中所列的物质为呼吸气质谱峰强度减去对应质荷比处背景空气的质谱峰强度，且有显著差异的物质。根据质子转移反应质谱原理，本研究不对同分异构体进行判别，部分物质使用分子式表示。呼吸气中VOCs含量在10-12～10-6mol/mol范围内。可以看到，在呼吸气测试中，该浓度范围的常见醛类、醇类、酮类、炔烃、烯烃、胺类等物质均可以被小型高性能PTR-TOF MS检测到。表明小型高性能PTR-TOF MS对实际样品的检出能力较强，具备对挥发性有机物进行快速高灵敏检测的能力。

图7 呼吸气样本经小型高性能PTR-TOF MS分析得到的质谱图Fig.7 Mass spectrum of exhaled gas sample using PTR-TOF MS

表1 呼吸气中与背景气体差异性成分的推断Table 1 Speculation of the difference between exhaled gas and background gas

3 结论

本工作成功研制了小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪。通过小尺寸飞行时间质量分析器与射频四极杆技术的结合，该仪器在总高度360 mm的分析器上实现了较高的灵敏度与较低的检出限。仪器采用结构简单可靠的空心阴极放电源作为水蒸气电离源，线性漂移管作为分子离子反应管，可以产生高纯度的水合离子，保证分子离子的有效反应。测试结果表明，水合离子主要以单水合离子(m/z19)的状态存在，二水合离子(m/z37)的丰度是一水合离子的5%。质子转移反应质谱中主要污染离子NO+(m/z30)的丰度是一水合离子丰度的0.5%以内。该仪器在m/z115处全高半峰宽分辨率优于2 500，对丙酮、苯、甲苯的检出限在6×10-12～9.6×10-11mol/mol之间，且在1×10-8～1×10-6mol/mol浓度范围内的线性关系良好。将该仪器应用于人体呼吸气的成分分析，取得了较好的结果。该仪器的成功研制有望为国内环境监测、生物医学等领域提供一种新的快速VOCs分析手段，提高我国在质子转移反应质谱技术领域的研究水平。