納米金增強低溫等離子體離子化質譜快速檢測苯胺

馬明英，徐富建，李 丹，張 琳，朱雪尉，張四純

(清華大學 化學系，北京 100084)

苯胺是化工、染料及醫(yī)藥等行業(yè)的重要原料[1]，廣泛用于紡織印染、農藥、藥物等工業(yè)生產中，工業(yè)排放進入水體中的苯胺是水體污染物中毒性較高的化合物之一[2]。殘留于廢水中的苯胺進入生物體后會引發(fā)高鐵血紅蛋白血癥等疾病[3]，嚴重者會因缺氧而死亡，甚至與癌癥的發(fā)生風險密切相關[4]，因此苯胺被很多國家列入優(yōu)先控制污染物名單。2012年12月山西長治因苯胺泄漏事故發(fā)生重大突發(fā)性水污染事件，造成水質惡化，導致持久性環(huán)境污染。目前，苯胺的檢測方法有拉曼光譜法[5]、流動注射分光光度法[6]、氣相色譜法[7]、液相色譜-質譜法[8]、氣相色譜-質譜法[9]等。其中色譜-質譜法靈敏度高、重復性好，是目前環(huán)境分析中定性、定量分析的常用方法，但其存在前處理過程繁瑣，檢測時間長的缺點，已無法滿足簡單、快速檢測的發(fā)展需求。

2008年，本課題組與美國普渡大學Cooks教授課題組合作，發(fā)展出低溫等離子體(Low-temperature plasma，LTP)離子化方法[10]。該技術是利用特殊設計的電極結構，將樣品加載于基質表面，利用高頻交流電場誘導介質阻擋放電，產生的低溫等離子體直接與被分析樣品相互作用，解吸和電離樣品分子，通過質譜實現(xiàn)快速檢測。LTP作為質譜離子源具有裝置簡便易操作、功耗低、工作溫度低等優(yōu)點，已應用于環(huán)境檢測領域[11-12]。然而由于水體的基體效應，使得該方法存在分析靈敏度不足的問題。

本課題組在近期研究[13]中采用納米金顆粒修飾紙芯片裝置結合透射LTP-MS檢測化學戰(zhàn)劑時，質譜信號強度提高2個數(shù)量級。實驗中發(fā)現(xiàn)低溫等離子體探針可與金屬針尖作用形成疊加電場而產生放電，提高樣品離子化效率，并成功檢測了痕量的化學戰(zhàn)劑，檢出限低至500 ng/L[14]。基于此，本文將納米金顆粒濺射于針灸針表面后輔助LTP-MS進樣用于提高苯胺的檢測靈敏度，實現(xiàn)環(huán)境水樣中苯胺污染物的快速檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯胺(分析純，99.5%)購自北京百靈威科技有限公司；甲醇(色譜級)購自Sigma-Aldrich化學試劑公司；氦氣(純度≥99.999%)、氮氣購于天津液化空氣有限公司；去離子水由Milli-Q純水系統(tǒng)制備。

實驗采用熱電公司的Finnigan線性離子阱質譜(Finnigan LTQ-MS,Thermo Finnigan)，軟件系儀器配套LTQ Xcalibur version 1.4 SR1；交流電源采用的接觸調壓器為北京北理國科臭氧應用技術有限公司產品。LTQ質譜條件：離子傳輸管溫度為275 ℃，毛細管電壓9 V，透鏡電壓100 V。Hitachi E-1010離子濺射儀(日本Hitachi公司)；針灸針(Φ0.30 mm×25 mm)購于北京中研太和醫(yī)療器械有限公司。

圖1 金納米顆粒修飾針尖輔助增強LTP-MS檢測苯胺裝置示意圖

圖2 針灸針表面濺射電鏡圖

1.2 LTP離子源的設計

金納米顆粒修飾針尖輔助增強LTP-MS檢測苯胺樣品示意圖如圖1所示。在一根中空玻璃管(內徑1.1 mm，長10 cm)管外并肩連接兩段導電銅絲作為電極，電極間距離為20 mm；載氣(氦氣)以2.3 L/min的流速通過玻璃管；兩電極上施加高頻高壓交流電得到持續(xù)穩(wěn)定的等離子體。LTP尾焰距離進樣口15 mm，修飾后的針灸針以45°角斜插入等離子體；樣品滴加于針尖上樣；低溫等離子體和修飾了金納米顆粒的針尖接觸促進了樣品的解吸和電離，樣品離子化后進入質譜儀，實現(xiàn)樣品分析。在實驗過程中，由于苯胺有一定毒性，因此整個操作步驟須由專業(yè)人員在通風條件下進行；實驗過程涉及到高頻高壓電，必須做好絕緣防護；針灸針尖端細而尖銳，使用時謹慎取用，防止扎傷，回收時需存放于專有尖銳物品收納容器內。

2 結果與討論

2.1 金納米修飾針灸針的表征

利用離子濺射儀在針灸針表面真空濺射鍍金，制成金納米基底。通過掃描電鏡(SEM)對濺射后的針灸針進行表征。結果顯示，濺射前針尖表面無粒子附著，而濺射后金納米顆粒比較均勻的分布在針灸針基底表面(圖2)。

2.2 實驗條件優(yōu)化

2.2.1 溶劑的選擇實驗選用丙酮、水、乙腈、甲醇、甲醇-水(5∶95)、乙醇作為溶解苯胺的溶劑，配成50 μg/L的苯胺溶液作為待測樣品，考察溶劑對質譜信號強度的影響。結果顯示，以甲醇-水(5∶95)為溶劑時信號最高，而乙醇因其離子峰[2M+H]+(m/z93)和苯胺離子峰[M+H]+(m/z94)峰相鄰易產生溶劑峰干擾。

2.2.2 氦氣壓力優(yōu)化氦氣壓力是影響低溫等離子體的重要因素。實驗中氦氣壓力不能過大或過小，壓力過大時氣流不穩(wěn)定，會導致等離子體不穩(wěn)定，降低質譜信號強度；壓力過小時產生的等離子量過低或不產生等離子體同樣使質譜信號強度降低。因此，實驗考察了不同氦氣壓力(0.05～0.25 MPa)對質譜信號強度的影響。結果顯示，隨著氦氣壓力的增加，氣體流速逐漸增大，低溫等離子體探頭處持續(xù)產生穩(wěn)定的紫色尾焰，質譜信號強度也逐漸增強，并在0.20 MPa時達到最大，此后繼續(xù)增加氮氣壓力至0.25 MPa時，可觀察到介質阻擋中空玻璃管內有脈沖式噴出的等離子體并伴隨放電聲音，分析可能是氣體壓力過大造成放電劇烈，低溫等離子體穩(wěn)定性變差，該條件下質譜信號強度突然下降，因此最佳氦氣壓力選為0.20 MPa。

2.2.3 真空濺射鍍金時間的優(yōu)化真空濺射鍍金時間是影響樣品吸附的參數(shù)之一，因此實驗考察了濺射時間為0、30、60、90、120 s 時修飾針尖對待測樣品信號強度的影響。結果顯示，苯胺的信號強度隨著真空濺射鍍金時間增加而增強，在90 s時達到最大，此后繼續(xù)增加濺射時間，質譜檢測到苯胺信號強度變化不明顯。表明隨著金納米數(shù)量的增加，金納米與樣品之間的活性位點增多，離子效率增大，綜合考慮時間耗費和濺射效果的平衡，選擇90 s為最優(yōu)濺射時長。

2.2.4 LTP尾焰至進樣口的距離使用自制離子源對樣品進行分析檢測時，LTP尾焰至進樣口的距離是影響質譜信號強度的重要參數(shù)。實驗測試了兩者距離分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 cm時樣品分子離子峰質譜信號峰強度變化，以確認最佳距離。結果顯示，苯胺的分子離子峰m/z94的質譜信號相對強度隨著LTP尾焰至進樣口的距離增大呈先增大后降低的趨勢，在1.5 cm時達到最大，此后繼續(xù)增大距離后質譜信號反而下降，故選擇LTP尾焰至進樣口的距離為1.5 cm。

圖3 針灸針在不同條件下的增強效果

2.3 納米金顆粒輔助LTP-MS檢測苯胺的增強效果

為證實納米金顆粒修飾針灸針可輔助質譜信號增強現(xiàn)象，考察了不同實驗條件下的信號強度(圖3)。結果顯示，質量濃度為50 μg/L的苯胺使用納米金修飾的針灸針時信號強度達到了2.26×106，信噪比(S/N)為33.60(曲線a)。而未修飾的針灸針產生的信號強度為5.21×104，S/N為2.74(曲線b)，可見質譜信號增強了43倍。為了排除增強現(xiàn)象是由于納米金修飾引起表面粗糙度增加的影響，實驗設計了氫氟酸蝕刻實驗。針灸針在氫氟酸的腐蝕下，會形成微孔結構，在進行苯胺測試時，信號可增強到2.14×105，S/N為3.57(曲線c)，相較而言，質譜信號強度低于金納米的增強效果產生的信號，表明金納米修飾下的信號增強主要原因并非針表面粗糙度增加導致，而是金納米與微等離子體的電場耦合效應。最后，當撤去LTP探頭后，質譜信號為5.08×103，S/N為2.30(曲線d)，進一步表明納米金顆粒增強質譜信號的同時低溫等離子體也起到了重要作用。

2.4 線性范圍與檢出限

在優(yōu)化條件下，采用甲醇-水(體積比5∶95)配制1～50 μg/L的苯胺溶液，以特征離子m/z94的質譜信號(y)為縱坐標，對應苯胺質量濃度(x,μg/L)為橫坐標，繪制標準曲線。結果顯示，苯胺質量濃度在1～50 μg/L范圍內，與質譜信號強度呈較好的線性關系，回歸方程為y=40 240x-51 680，相關系數(shù)(r2)為0.997 5。采用納米金輔助增強LTP-MS檢測苯胺的檢出限(S/N=21.6)為0.64 μg/L，相比于經典光度分析方法[15]降低了1個數(shù)量級；與直接進樣液相色譜-串聯(lián)質譜法[16]相當。本方法避免了冗長的色譜分離過程，整個樣品分析過程可在1 min內完成。

2.5 實際樣品檢測

在優(yōu)化條件下，采用本方法檢測河水中的苯胺，結果均未檢出。通過在河水中加入標準品進行了加標回收實驗，加標水平為10、25、50 μg/L，每個水平平行3組實驗，所得檢測信號強度通過標準曲線定量。結果表明，3個加標水平下苯胺的回收率為91.9%～112%，相對標準偏差(RSD)為2.6%～15%，表明本方法具有良好的準確性和重復性。

圖4 化合物沸點與信號強度關系圖

2.6 機理研究

納米金具有特殊的光學、電磁、熱效應等性質[17]，已在多種分析方法中得到應用[18-21]。為研究納米金修飾的針尖與等溫等離子體結合用于質譜檢測時的增強機理，通過設計對比實驗來驗證。結果發(fā)現(xiàn)不同沸點的含氮類化合物的信號強度均有提高，因此依據(jù)分子量和沸點的高低選擇不同濃度的苯胺、4-甲氨基吡啶、對苯二胺、4-硝基苯胺、克倫特羅5種標準品溶液進行實驗。結果顯示，苯胺([M+H]+,m/z94)、4-甲氨基吡啶([M+H]+,m/z123)、對苯二胺([M+H]+,m/z109)、4-硝基苯胺([M+H]+,m/z139)、克倫特羅([M+H]+,m/z277)的峰強度分別為2.93×106、1.50×106、1.28×106、1.17 × 106和1.98 × 104，且隨著化合物分子量的增加，沸點增加，獲得的分子離子峰強度卻逐漸降低(圖4)。由此可見，納米金粒子對沸點越低的化合物增強效應越好，對沸點高的增強效應差。這一結果表明，納米金粒子對質譜信號的增強作用可能是因熱效應使分析物更易解吸附為氣態(tài)分子，從而提高其離子化效率，使檢測到的質譜信號強度提高。

3 結 論

本文通過納米金顆修飾針灸針表面結合LTP離子源實現(xiàn)了水環(huán)境中苯胺的快速高靈敏檢測。與傳統(tǒng)的質譜-色譜聯(lián)用法相比，該方法檢測速度快、無需復雜的樣品前處理，實現(xiàn)了水體污染物苯胺的高靈敏檢測，對環(huán)境樣品的分析具有重要的意義及潛力。