同步辐射光电离质谱法在线鉴定卷烟主流烟气气相成分中的同质异位体/同分异构体

孔 俊，胡立中，唐 诚，郑 丰，徐冰霞，胡永华

安徽中烟工业有限责任公司技术中心,合肥市高新区天达路9号 230088

卷烟烟气是一种十分复杂的化学混合物，迄今为止，人们已经从中鉴定出了6 000多种化学成分［1］。其中，一些化学成分具有高的反应活性，导致烟气内部的物质组成不断变化［2-3］。传统的离线分析方法，由于涉及复杂和耗时的前处理和分析过程，会改变烟气的组成，而且其分析结果通常是整支烟气的总量，无法揭示抽吸过程中烟气浓度波动和变化的信息［2-4］。近年来，对新鲜的单口卷烟烟气进行在线和实时分析研究日益受到人们的关注和重视。离子-分子反应质谱［5］、真空紫外灯电离源飞行时间质谱［6］和激光真空紫外光电离飞行时间质谱［7-9］等软电离质谱技术，由于具有无碎片、响应速度快和适合多组分同时检测等优点，已成为卷烟烟气在线和实时分析的重要手段［7-9］。然而，这些软电离质谱技术通常只能给出固定电离源能量下的质谱图，但是仅仅根据质谱图无法区分同分异构体；而且对于低分辨率的质谱仪，同质异位体甚至也无法得到区分［10-11］。同分异构体虽然分子量相同，但是其物理和化学性质是有差别的，甚至感官特征和危害性也明显不同［12-13］。因此，在线和实时分析过程中，对卷烟烟气中的同分异构体进行鉴定和分析具有重要意义。为此，Eschner等［14］曾建立了一套在线快速气相色谱-光电离飞行时间质谱技术［采用电子束泵浦稀有气体准分子光源，光子能量：（9.80±0.04）eV］，对烟气组分中的同分异构体进行分离和定量分析。虽然该技术较好地提高了烟气化学成分的定性和定量分析效果，但是由于受快速气相色谱分离能力的限制，许多同分异构体仍然无法被分离和鉴定。

同步辐射真空紫外光电离质谱（Synchrotron radiation vacuum ultraviolet photonionization mass spectrometry，SR-VUV-PIMS）是分析化学领域最强有力的工具之一，非常适合于在线、实时探测燃烧产物［15-16］。与其他的软电离源相比较，同步辐射真空紫外光具有高亮度、高准直和波长连续可调谐的优点。因此，SR-VUV-PIMS不仅能测量固定光子能量下的光电离质谱图，而且能利用光子能量连续可调的特征，测量不同质荷比（m/z）化学组分的光电离效率（Photoionization efficiency，PIE）曲线，从而实现鉴定待测物质中同一m/z的不同异构体。例如，王程辉等［17］曾利用自制的手动抽吸注射器结合SR-VUV-PIMS技术，在线测量了一种卷烟主流烟气气相化学成分的PIE曲线，依据分子量结合PIE曲线上的“拐点”得到了物质分子电离能，初步鉴定了卷烟烟气气相物中的同分异构体。然而，由于卷烟烟气的复杂性、不同异构体电离能的近似性以及PIE曲线的缓慢上升趋势和信号波动，这种“拐点-电离能”方法主要适用于卷烟烟气中分子量相对较低的有限质谱峰的鉴定［11］。为了解决这个问题，Pan等［11］建立了一种利用标准物质的绝对光电离截面（Photoionization cross section，PICS）曲线模拟实验PIE曲线的方法，对卷烟主流烟气气相物中一些分子量相对较高成分的质谱峰中存在的同质异位体/同分异构体进行了较全面的鉴定。但是，上述研究均是在非标准条件下抽吸卷烟［11，17］，其分析结果无法从烟气化学组成的角度对卷烟质量进行标准评价。另外，Pan等［11］在进行PIE模拟时，主要通过连续缩放待鉴定m/z对应的同质异位体/同分异构体的PICS曲线拟合实验PIE曲线，而没有采用合适的数学处理方法，所以该鉴定方法虽然在原理上可行，但是在具体的操作方法上还需要进一步完善和发展。多元线性回归（Multiple linear regression，MLR）是分析化学领域广泛使用的化学计量学方法之一，非常适合于研究一个因变量与多个自变量之间的相关关系。为此，进一步建立了标准抽吸模式下卷烟烟气气相成分PIE曲线的在线测量装置，并应用实验PIE曲线结合MLR方法计算和构造得到的模拟PIE曲线，对卷烟主流烟气气相成分中的同质异位体/同分异构体进行了鉴定，以期为采用软电离质谱技术，尤其是光电离质谱技术在线和实时分析卷烟烟气化学成分提供新的参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验用卷烟材料为一种烤烟型卷烟，其盒标焦油量、烟气烟碱量和一氧化碳量分别为10、1.0和10 mg。

2，4-二硝基苯肼（DNPH）（AR，上海晶纯生化科技股份有限公司）；丙醛-DNPH缩合物和丙酮-DNPH缩合物（标准品，中国烟草总公司郑州烟草研究院提供）。

三端口注射器、反射式飞行时间质谱仪（自制）；单通道吸烟机（德国Borgwaldt LM1公司）；1100型高效液相色谱仪（配置紫外检测器，美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 光电离质谱图和PIE曲线的测量

实验在中国科学技术大学国家同步辐射实验室质谱分析终端站完成，该光束线光子的能量覆盖范围为7.8~24.0 eV，能量分辨优于1 500［18］。图1为实验装置示意图，该装置主要由1个三端口注射器、1台单通道吸烟机和1台反射式飞行时间质谱仪组成。三端口注射器的3个端口分别是通过阀a与石英毛细管相连的烟气采样端口、通过阀b既可以与大气相通也可以与吸烟机电磁三通阀的烟气排出管道相连的烟气输入端口以及活塞端口。反射式飞行时间质谱仪的上部设置有同步辐射真空紫外光电离腔体，真空紫外光由800 MeV电子储环的弯转磁铁产生。卷烟烟气由光电离腔体内真空负压（压力：1.3 Pa）产生的吸力经石英毛细管（内径：100μm，长度：30 cm，温度：200℃）引入电离区，并与同步辐射真空紫外光交叉后被电离；离子在电场作用下经镍制取样锥孔和离子光学透镜进入飞行时间质量分析器（压力：1.7×10-4Pa）的双脉冲引出区，再经过加速区、无场区和反射区到达多通道探测器并产生电流信号，该信号经预放大器放大后，由超快数据采集卡采集记录。

光电离质谱图和PIE曲线的测量按文献［11，17］报道的方法进行，所不同的是，本研究中卷烟的抽吸是使用吸烟机在标准抽吸模式（即每口抽吸35 mL，抽吸2 s，抽吸间隙为58 s）下进行的。测量前，先将注射器的阀b与吸烟机电磁三通阀的烟气排出管道相连，并在卷烟夹持器中装入剑桥滤片，此时关闭阀a，打开阀b；然后，在夹持器中插入烟支，采用电子点火器点燃卷烟并进行抽吸；当吸烟机将卷烟主流烟气气相物推入注射器后，停止吸烟，打开阀a、关闭阀b，并同时启动质谱仪进行测量。本实验中，质谱仪扫描光子的能量设定为8.0~10.6 eV，这一能量范围覆盖了目前卷烟烟气在线分析研究中常用的真空紫外光电离质谱的电离源能量［11］。

1.2.2 同质异位体［10］/同分异构体的鉴定

该方法的原理在本课题组以前的研究［11］中已经作了报道。这里仅在对鉴定原理作简要说明的基础上，重点描述引入MLR法后的鉴定步骤和过程。其基本的鉴定方程如公式（1）和公式（2）所示：

式中：I为某一给定m/z组分在一定光子能量范围内连续改变光子的能量进行扫描时，所获得的序列离子强度数值；Ki为该m/z中第i（i=1，2，……，n）种同质异位体/同分异构体的系数值；Xi为第i种同质异位体/同分异构体的摩尔百分数；σi为第i种同质异位体/同分异构体在一定光子能量范围内的PICS曲线数值。需要说明的是，目前许多研究小组致力于标准物质的PICS曲线的测量［19-20］，因此一些烟气化学成分的σi数值可以从文献中获取。

鉴定时，首先选择可能的同质异位体/同分异构体；并根据公式（1），以实验PIE曲线的离子强度数值I为因变量，以各同质异位体/同分异构体的σi数值为自变量，采用不含截距项MLR方法计算相应的Ki值，若某物质的Ki≤0，则删除该物质，重新计算各Ki值；当各同质异位体/同分异构体的Ki＞0且K1σ1+K2σ2+……+Kiσi（即构造得到的模拟PIE曲线）与实验PIE曲线相匹配时，则该m/z的质谱峰即对应于所选择的同质异位体/同分异构体；同时，根据Ki，并结合公式（2），即可获得各同质异位体/同分异构体的摩尔百分数。

理论上，当模拟PIE曲线与实验PIE曲线完全匹配时，以模拟PIE曲线的离子强度（I模拟）对实验PIE曲线的离子强度（I实验）作图，可以得到I模拟=a×I实验+b且a=1、b=0及R2=1的直线，即I模拟与I实验之间满足正比例函数关系。因此，在判断模拟PIE曲线与实验PIE曲线是否吻合时，除了从拟合曲线上观察外，同时还结合上述I模拟与I实验之间的关系进行判别。另外，由于“拐点-电离能”法是同步辐射光电离质谱技术鉴定物质的常用方法［15-16］，所以在判别定性分析结果是否合理时，物质分子的电离能也被考虑。

1.2.3 丙醛和丙酮的测量

为了验证本方法鉴定结果的可靠性，在ISO标准抽吸模式下，采用2，4-二硝基苯肼捕集结合高效液相色谱法［21-22］，测定了卷烟主流烟气气相物中丙酮和丙醛的释放量。测量前，先配制一系列不同浓度的丙醛-DNPH缩合物和丙酮-DNPH缩合物的混标溶液，测定标准工作曲线，采用保留时间定性，外标法定量。

2 结果与讨论

2.1 光电离质谱图

图2为卷烟主流烟气气相物在光子能量为10.6 eV，以及m/z为20~120范围内的光电离质谱图。真空紫外光电离属于近阈值的“软电离”，电离时几乎不产生碎片离子，故图2中每个质谱峰均与1个m/z的分子离子相对应［15-16］。可以看出，大多数离子强度较高的卷烟烟气气相组分的分子量均在20~100 Da范围内，这与文献［7-8］中在相近光子能量条件下所获得的分析结果相一致。然而，由于同一m/z通常会对应多个结构不同的分子离子，因此仅仅依靠质谱图无法解析不同质谱峰中所包含的同分异构体。另外，由于本研究中使用的飞行时间质谱仪的分辨率较低，也无法有效区分同质异位体。为此，在扫描光子的能量在8.0~10.6 eV范围内时，获得了测试卷烟在标准抽吸条件下主流烟气气相物中不同m/z质谱峰的PIE曲线，并通过新发展的基于MLR的PIE曲线模拟方法实现对图2中一些质谱峰中所对应的同质异位体/同分异构体的鉴定。

图2 卷烟主流烟气气相成分在10.6 eV下的光电离质谱图Fig.2 Photoionization mass spectrum of the gas phase components in mainstream cigarette smoke at 10.6 eV

2.2 同质异位体/同分异构体的鉴定结果

以前的研究表明，一些分子量相对较低的质谱峰可以通过观察PIE曲线上的拐点直接进行鉴定［11］。图3a和图3b分别显示了图2中m/z=28和34的两个代表性质谱峰的实验PIE曲线和相应的模拟PIE曲线。观察图3a和图3b中的实验PIE曲线可以发现，在光子能量为10.50和10.46 eV附近各存在一个明显的拐点，分别对应于NIST数据库［23］中报道的乙烯和硫化氢的电离能。PIE曲线的模拟结果表明，当乙烯和硫化氢的PICS（σ乙烯［24］和σ硫化氢［25］）乘以各自用MLR方法计算的系数（K乙烯和K硫化氢）时，得到的两条模拟PIE曲线与相应的实验PIE曲线均吻合较好。这表明图2中这两个质量峰中仅包括单一的化学成分，其摩尔分数均为100%。因此，利用本研究中的PIE曲线模拟法不仅可以进一步验证“拐点-电离能”法的定性结果，还可以得到相应物质的相对摩尔分数。

图3 m/z分别为28（a）和34（b）的实验PIE曲线和模拟PIE曲线Fig.3 Experimental PIE curves and simulation PIE curves when m/z equals 28（a）and 34（b）

为了介绍PIE曲线结合MLR法对含有多个异构体的、相对高分子量的质量峰的鉴定过程，下面分别以m/z为56和58的两个代表性质谱峰为例进行描述。图4给出了卷烟烟气气相物中m/z为56的烟气组分同质异位体/同分异构体的鉴定过程及结果。从图4a中的实验PIE曲线上可以发现，当扫描光电子能量分别为9.11和10.11 eV时，曲线上出现2个较为明显的拐点，这与文献中报道的2-丁烯（电离能：9.11 eV［23］）和丙烯醛（电离能：10.11 eV［23］）的电离能一致。然而，PIE曲线的拟合结果显示，当仅采用2-丁烯和丙烯醛的PICS乘以利用MLR法计算得到的系数时，其模拟PIE曲线无法与实验PIE曲线重合，如图4a所示；且此时I模拟与I实验之间明显偏离正比例函数关系（图4b）。因此，该m/z对应的化合物，除了2-丁烯和丙烯醛外，还应该有其他同质异位体/同分异构体化合物。根据中国烟草科学数据库卷烟烟气分析数据分库［28］的报道，卷烟烟气中m/z为56的组分包括1-丁烯、2-丁烯、异丁烯和丙烯醛4种物质。所以，在鉴定过程中，虽然1-丁烯和异丁烯的存在无法通过实验PIE曲线上的拐点进行确定，但是在进行PIE曲线模拟时将其也同时考虑。图4c和图4d显示，当采用上述4种成分的PICS乘以各自的系数时，在整个扫描光子能量范围内，模拟PIE曲线能够与实验PIE曲线很好地吻合（I模拟=0.994 1×I实验+0.398 0，R2=0.997 3）。

图4 m/z为56的实验PIE曲线的模拟结果Fig.4 Simulation results of experimental PIE curve when m/z equals 56

为了验证上述同质异位体/同分异构体确定的合理性，将采用逐步删除电离能值最高的化合物的分段模拟方法进行检验。当逐级删除一个电离能最高的化合物，此时模拟PIE曲线会偏离实验PIE曲线。如果图4c所选同质异位体/同分异构体合理，逐级删除时，偏离处的光子能量应该正对所删除的化合物的电离能。由于构造模拟PIE曲线的计算时并未考虑各化合物的电离能，因此采用上述方法可以进一步验证同质异位体/同分异构体确定的合理性。图5显示了逐级删除电离能最高的化合物后，模拟PIE曲线与实验PIE曲线的偏离位置。可以发现，当删除丙烯醛后，两种PIE曲线在10.11 eV（丙烯醛的电离能［23］）附近发生偏离，如图5a所示；当继续删除1-丁烯后，两种PIE曲线在9.55 eV（1-丁烯的电离能［23］）处发生偏离，如图5b所示；当进一步删除异丁烯（电离能：9.22 eV［23］）后，曲线在9.22 eV处分离，如图5c所示。因此，验证结果进一步表明，图2中m/z为56的峰对应的物质可能有2-丁烯、异丁烯、1-丁烯和丙烯醛4种化合物。另外，摩尔百分数的计算结果显示，这4种化合物所占的摩尔百分数分别为8%、12%、19%和61%，其中，丙烯醛的摩尔百分数最高。

图5 基于图4c逐级删除电离能最高的异构体后模拟PIE曲线与实验PIE曲线的偏离位置Fig.5 Deviation positions of the simulation PIE curves from the experimental PIE curves after the compounds with the highest IE is deleted step by step based on the results of Figure 4c

图6 给出了卷烟烟气气相物中m/z为58的烟气组分异构体的鉴定过程和鉴定结果。在分子量为58的化学成分中，丙酮和丙醛是卷烟烟气中普遍存在的且释放量较高的挥发性羰基物［21］。从图6a中的实验PIE曲线上可以发现，当扫描光子的能量为9.69 eV时存在着一个明显的拐点，这与丙酮（电离能：9.70 eV［23］）的电离能相吻合；而丙醛的拐点位置难以从曲线中获得。PIE曲线的拟合结果显示，在整个实验光子能量范围内，当以丙酮和丙醛的PICS乘以其系数和时，模拟PIE曲线与实验PIE曲线不能很好地重合，尤其是扫描光子能量在10.0~10.3 eV之间两条曲线明显偏离。因此，该质谱峰对应的物质除了丙酮和丙醛外，还应该有其他化合物存在。据此推断实验PIE曲线上在大约10.18 eV处离子强度的快速上升，不是由于曲线自身波动而引起的，而是一个拐点位置，表明在该m/z中还有乙二醛（电离能：10.18 eV［23］）存在。然而，由于文献中还没有报道乙二醛的PICS数据，所以当扫描光子能量在8.00~10.18 eV范围内时，采用MLR方法重新计算了丙酮和丙醛的系数K丙酮和K丙醛值。结果发现，在此光子能量范围内，当二者所占的摩尔百分数分别为81%和19%时，模拟PIE曲线与实验PIE曲线很好地重合，如图6b所示。另外，为了进一步验证该鉴定结果的可靠性，采用HPLC法测定了实验卷烟烟气中丙酮和丙醛的释放量，结果发现该卷烟主流烟气气相物中二者分别为175.7和35.9μg/支，其摩尔百分数分别为83%和17%，与本方法实验结果基本一致。

图6 m/z为58的实验PIE曲线的模拟结果Fig.6 Simulation results of experimental PIE curves when m/z equals 58

因此，理论上，如果获得了卷烟烟气中每种化学成分的PICS曲线数据，便可以应用本方法对图2中的所有质谱峰进行鉴定。卷烟主流烟气气相成分谱图中一些质谱峰的定性分析结果以及同一质谱峰对应的各化合物的摩尔百分数见表1。必须说明的是，由于在实验过程中使用了剑桥滤片，卷烟烟气中一些半挥发性化合物的摩尔分数仅仅代表的是气相中的分析结果；另外，由于有很多物质的PICS曲线数据是未知的，因此目前还无法通过本鉴定方法给出图2中很多质谱峰的鉴定结果。

表1 卷烟主流烟气气相物质谱图中一些质谱峰的定性分析结果及同一质谱峰对应的各化合物的摩尔百分数Tab.1 Identification results for some selected peaks in mass spectrum of gas phase matters of mainstream cigarette smoke and mole percentages of each compound corresponding to the same mass peak

3 结论

（1）PIE曲线的测量结合基于MLR的PIE曲线模拟，是鉴定卷烟主流烟气气相成分中同质异位体/同分异构体的有效方法，不仅可以验证经典的电离能方法的定性结果，还可以得到一个质谱峰对应的每种物质所占的摩尔百分数。（2）对于本研究中所测试的卷烟，当电离光子能量为10.6 eV时，其光电离质谱图中一些低m/z的质谱峰，如m/z=28、30、34、44和52的质谱峰主要与单一的烟气化学成分相对应；而其他质谱峰中则对应多个同质异位体/同分异构体。（3）本研究中所建立的装置和方法，可为软电离质谱技术，尤其是光电离质谱技术在线和实时分析卷烟烟气化学成分提供新的参考。