2 种电离方法综合表征有机气溶胶的分子组成

马 超， 赵蓉旭， 戚羽霖

（天津大学地球系统科学学院，天津 300072）

0 引言

有机气溶胶（OA）是大气气溶胶的主要成分，不仅可以通过充当云和冰核影响水文循环和气候变化，还可以通过呼吸系统沉积到肺部深处危害人类健康。伴随着高丰度细颗粒物的空气污染已成为工业城市及其周边地区的严重环境问题［1-3］。关于OA 组成和来源已有很多研究，傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR MS）具有超高分辨率和质量精度，无需色谱分离即可提供复杂有机质分子的元素组成信息，已被用于OA精确表征［4-6］。

电喷雾电离（ESI）技术是FT-ICR MS 表征OA 分子组成最常用的电离方法之一［7］。ESI技术是“最软”的电离技术，在电离过程中，OA分子中的极性和中极性分子能在不破坏分子结构的前提下被选择性电离。无基质辅助的激光解吸电离（LDI）技术在复杂混合物分析中应用较少，相较于基质辅助的激光解吸电离（MALDI）技术，LDI 技术需要更大的激光功率来电离分析物［8］。研究表明，LDI 技术可电离的天然有机物分子中有90%与MALDI技术相同，但是仅有9.9%与ESI 技术相同［9］。这表明，LDI 技术也是一种适合于复杂有机质分析的“软”激光电离技术，可作为方便且易于操作的电离方法替代传统的MALDI技术，进而与ESI技术互补使用。

以天津城区气溶胶样品为研究对象，采用ESI 源和LDI源结合FT-ICR MS，在150 ～1 000 Da的分子质量范围内对OA进行分子水平表征，并对2 种电离源所得的质谱数据进行比较。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

所有质谱实验均在预装有ESI 和MALDI 双电离源的Solarix 2xR 型FT-ICR MS（德国Bruker 公司）上完成。美国腐殖酸协会的富里酸（SRFA）标样用于仪器质控测试；12 位固相萃取真空装置（上海安谱公司）和Bond Elut PPL固相萃取柱（美国Agilent公司）用于实验样品的固相萃取和富集；摇床型号为DS-2012R（上海世平公司），用于气溶胶膜样品的溶解。

甲醇为色谱纯（德国Merck 公司），盐酸为质谱纯（德国Sigma 公司），纯水取自Milli-Q Advantage A10超纯水系统（德国Merck公司）。

测试样品为城市气溶胶样品，于2021年12月使用九级多孔联级式采样器（美国Andersen 公司）采集自天津大学卫津路校区第16 教学楼顶层天台。

1.2 样品前处理

使用特氟龙剪刀将气溶胶膜样品剪成0.2 cm2大小的碎片后，加入20 mL超纯水。样品在摇床上振荡12 h，使气溶胶中的溶解性有机质完全溶于纯水。用0.45 μm针头式聚四氟乙烯过滤膜过滤气溶胶水溶性样品至20 mL 的容量瓶中，再使用pH 值为1 的盐酸将萃取水溶液调至pH值为2，最终得到酸化水样。

固相萃取：首先使用20 mL甲醇和20 mL经盐酸酸化后pH 值为2 的酸化超纯水依次淋洗固相萃取柱，然后将酸化水样缓慢、多次注入固相萃取柱中，控制液体流速为每秒1 ～2 滴。待气溶胶样品全部流过固相萃取柱后，立即用20 mL酸化超纯水淋洗。使用氮气吹干柱内水分，再用6 mL的甲醇洗脱萃取柱，最后得到待测溶液。

1.3 质谱条件

使用MALDI源负离子模式采集LDI 数据。待测溶液分多次滴到靶板后，无需添加基质。激光能量为40.8 kW，频率为200 Hz，超大光圈激发样品。

采用标准ESI 源负离子电离模式采集ESI 数据。待测溶液以180 μL／h体积流量导入离子源，毛细电压5.0 kV，端板偏置电压-500 V，雾化气体压力0.2 MPa，干燥气温度250 ℃，体积流量5.0 L／min。

2 种电离技术均在宽带模式下采集质谱数据，扫描范围为150 ～1 000 Da；四极检测模式，瞬态大小为4 M字长，自由感应衰减信号周期为1.423 0 s，离子累计时长为0.030 s，飞行时长为7.50 ×10-4s，谱图累计叠加扫描256 次。需要说明的是，在样品测试之前，使用SRFA标样作为仪器质控样品进行质量轴校正。

1.4 化学式赋值

样品测试完成后，使用内部参考质量表进行内部重新校准。经过内部校准，整个分子质量范围内的误差小于0.5 ×10-6Da。选取信噪比高于6 的质谱峰，以碳原子（1 ～80）、氢原子（2 ～120）、氧原子（0 ～25）、氮原子（0 ～3）和硫原子（0 ～2）的原子数目的限制条件为化合物分配原则在Composer 1.5.6（美国Sierra Analytics公司）中进行化学式的分配［10］。化学式赋值后，将得到的质量列表转换为Excel 格式，并分成不同类别进行分析。本研究中未考虑同位素峰。

2 结果与讨论

2.1 质谱谱图分析

ESI源和LDI源结合FT-ICR MS 分别检测OA 样品所生成的质谱图，如图1（a）和图1（b）所示。图1中，横坐标为离子的质荷比（m／z）。很明显，质谱数据遵循近似高斯分布特征，即分子质量范围为200 ～600 Da，呈正态分布，质量重心在质荷比（m／z）255 处，这也是以往研究中OA在FT-ICR MS的分布特征。

图1 ESI和LDI源测试气溶胶样品FT-ICR MS质谱图

图1（c）和图1（d）分别展现了在ESI源和LDI源下FT-ICR MS 质谱图中标度为m／z367.00 的单质量尺度拓展图。在367.00 ～367.30 Da的分子质量范围内，共检测出36 个分配分子式的质谱峰，其中ESI 源下有12 个独有质谱峰（图中用紫色序号表示），而LDI源下仅有3 个（图中用绿色序号表示）。具体定性数据如表1 所示。比较ESI源和LDI源下所检测出的独有化合物，发现ESI 源下优先电离氢碳原子比（H／C）高的化合物，而LDI源下优先电离低H／C组分。

表1 m／z 367.00 ～367.30 质谱峰定性表

2.2 可视化数据比较

为了将单点质谱图的定性结果扩展到整个分子质量范围的质谱图，ESI 源和LDI 源生成的质谱数据用指定软件自动处理，并计算不同参数，以可视化的方式对比分析2 种类型的质谱数据。

在150 ～1 000 Da 的分子质量范围内，ESI 源和LDI源下分别检测并定性出6 526 个和6 005 个信噪比高于6 的质谱峰，其中4 327（55.42%）个质谱峰在2 种电离源条件下均被检出。ESI 源下有2 199 个独有化合物，以CHO和CHNO类为主，LDI源下有1 282个独有化合物，以CHOS和CHNOS类为主，如图2（a）和图2（b）所示。这表明LDI 源可以提供ESI 源无法检测到的化合物组成，结合2 种不同的电离源可以得到更加完整的OA分子信息。

图2 ESI源和LDI源测试样品可视化数据比较

进一步比较ESI源和LDI源对OA分子的电离选择性，以H／C为纵坐标，氧碳原子比（O／C）为横坐标，构建基于van Krevelen（vK）图的OA 分子组成数据表达［11-12］，如图2（c）所示。图2（c）中，灰色点表示在ESI源和LDI源下均能检测出的化合物，红色点和绿色点分别表示ESI 源和LDI 源单独检测出的化合物。结果表明，ESI源和LDI源对OA分子具有明显的电离选择性，O／C 相对较小（O／C ＜0.6）、H／C 相对较低（H／C ＜1.0）的化合物优先被LDI源电离，而ESI源更容易电离H／C较高（H／C≥1.0）的化合物。如图2 所示，ESI源更易电离高度不饱和化合物和不饱和脂肪族化合物，LDI源在电离多酚类和多环芳烃类化合物方面效果更为显著［13-14］。LDI 源在分析多酚类、多环芳烃类以及含硫化合物方面有显著优势，是ESI 源的必要补充，有利于更加全面客观地表征OA分子组成。

为比较ESI源和LDI源对OA分子相对分子质量的电离选择性，构建Kendrick 质量亏损［15］（KMD）与标准质量的质量亏损图［13］，如图2（d）所示。图2（d）中，灰色点表示在ESI 源和LDI 源下均能检测出的化合物，红色点和绿色点分别表示ESI 源和LDI 源单独检测出的化合物。其中，纵坐标为Kendrick 质量亏损，公式推导过程详见文献［16］。由图2 可知，在200 ～600 Da的分子质量范围内，与LDI源相比，相对较大的分子在ESI源下更易电离。

3 结语

不同的电离技术对具有不同性质的OA分子具有不同的电离选择性，因此要获取更全面的OA 分子信息需结合不同的电离方法。本研究采用ESI源和LDI源结合FT-ICR MS在150 ～1 000 Da的分子质量范围内对OA进行分子水平表征，并对2 种电离源所得的质谱数据进行对比。ESI 源和LDI 源对不同OA 分子具有显著的电离选择性，ESI 源更易电离高度不饱和化合物及不饱和脂肪族化合物，并在大分子质量化合物分析中有电离优势；LDI 源更易电离多酚类和多环芳烃类化合物，且电离化合物的分子质量较小。