真空紫外光電離質譜技術進展及其在快速分析中的應用

劉 兵，董豐碩，劉瑞東，侯可勇

(山東大學，環境研究院，山東 青島 266237)

質譜分析法是目前定性分析的“金標準”，國內外眾多的標準分析方法中均有質譜的身影。由于質譜質量分析器在真空條件下運行時只能分析氣相離子，所以在質譜儀中需使用電離源將樣品分子轉化成氣相離子。電離源不僅決定分析樣品的質譜圖特征峰，而且在很大程度上也決定了整個儀器的靈敏度和分析準確度，其性能是質譜儀實現在線監測的主導因素。縱觀質譜儀的發展歷程，電離源的每次進步與創新，均會推動質譜儀應用領域的快速發展。電子轟擊電離源(EI)開啟了氣相化合物分析的新領域。不產生碎片的質譜軟電離源如化學電離源(CI)、場電離(FI)以及光電離源(PI)等開啟了質譜快速分析的新方向。電噴霧(ESI)和基質輔助激光解析電離源(MALDI)的出現使質譜邁進生物大分子分析領域。2004年，Cooks等[1]提出的電噴霧解吸電離(DESI)技術和2005年Cody等[2]所研發的實時直接分析(DART)電離技術開辟了無需樣品前處理即直接分析的常壓離子化電離技術的新時代。在這些軟電離源中，真空紫外光單光子電離源(VUV-SPI)是一種閾值光電離源，電離產生待測物的分子離子或者準分子離子峰，其電離普適性好，不管是極性、非極性還是大分子、小分子化合物，只要光子能量高于氣相分析化合物的電離能閾值即可將化合物電離。

離子遷移譜(IMS)中VUV光電離作為非放射電離源替代放射性63Ni電離源用于研究[3]，氣相色譜-質譜(GC-MS)[4]和液相色譜-質譜(LC-MS)[5]中以VUV燈作為大氣壓下光電離(APPI)用于弱極性和非極性化合物檢測，以及以真空紫外光單光子電離源質譜儀(VUV-SPI-MS)用于揮發性有機物(VOCs)的檢測[6]等已有文獻報道。本文主要匯總真空紫外光電離質譜(VUV-PI)近年在在線、快速檢測領域的發展狀況，并對真空紫外電離源的電離原理、真空紫外光光源的類型進行了介紹，對影響光電離質譜靈敏度的主要因素及其改進方法進行了分析，對真空紫外光電離質譜技術在環境分析、化工產物在線分析、國家安全分析以及生物醫學分析中的相關應用進行了闡述。

1 真空紫外光單光子電離原理

真空紫外光波長在10～200 nm范圍，真空紫外光電離是一種單光子電離(SPI)技術，當光子能量高于樣品分子電離能時，一個樣品分子吸收單個光子的能量后即可失去一個電子而直接得到正離子，如式(1)所示：

M+hv→M++e

(1)

SPI主要得到分子離子峰，SPI電離過程中，與離子產生速率相關的參數主要有光強、光程、樣品分子的數密度和樣品分子的電離截面，SPI離子產生的速率公式如下：

(2)

式中，L為光程(cm)，I0為光強度(光子，cm-2·s-1)，P為氣壓(Pa)，c為體積濃度(注意ppmV為單位時應×10-6)，σi為光電離截面(Mb,1Mb=10-18cm-2)，T為絕對溫度(K)。從公式中可以看出，提高電離區氣壓及光源光束密度，有利于提高儀器靈敏度。不同化合物由于光電離截面不同，其靈敏度存在差異，光電離截面的分布規律為[7]：芳香烴>烯烴>烷烴；不飽和烴>飽和烴，且隨著有機物分子不飽和度的增加，其電離截面逐漸增大，即表明VUV-SPI對存在共軛基團以及供電子基團的化合物的靈敏度更高。與目前使用最為廣泛的氣體分析EI電離源相比，SPI的電離截面比 EI低1～2個數量級，但EI 電離源因使用氣壓低(<10-2Pa)，其產生的大量碎片導致了可用信號強度損失，以及因背景氣體電離造成較高的噪聲信號，從而使得SPI與EI的靈敏度相當。

2 真空紫外光源

真空紫外(VUV)光源主要有兩種，一種是包括同步輻射光源和激光器光源的大型光源；另一種是放電真空紫外燈。大型光源如合肥同步輻射光源和大連非相干極紫外光源，其光束密度高、性能穩定、光子能量可調，但推廣性不高。四波混頻技術是目前實驗室得到真空紫外激光最主要的手段，將三束準直基頻光通過恒溫的金屬蒸氣池(或惰性氣體池)后產生相應波長的高強度VUV激光。大型光源和激光器價格昂貴、體積龐大、操作麻煩，多用于實驗室的基礎研究。

VUV燈是一種簡單的低壓放電燈，在燈體中充入放電氣體，施加直流電壓放電得到DC-VUV燈，施加射頻電壓放電得到RF-VUV燈。當VUV燈光子能量低于10.6 eV時燈窗口一般采用MgF2玻璃，光子能量超過10.6 eV時一般采用LiF玻璃窗口。利用氣體放電發出光子能量差別可得到多種型號的VUV燈，目前常用的VUV燈光子能量包括9.6 eV(Xe、MgF2),10.0和10.6 eV(Kr、MgF2),以及 11.8 eV(Ar、LiF)。VUV燈因體積小巧、攜帶方便、成本低，近年來被廣泛應用于在線監測儀器中。

光子能量為10.6 eV 的VUV-Kr燈僅能電離電離能低于10.6 eV的化合物，其光強僅有1011光子/秒，因此發展新型光電離源成為高質譜性能的重要研究方向，主要包括三方面：一是設計新型的高強度放電燈，提高光束密度，如Kuribayashi等[8]基于氫氣放電產生的Lyman-α輻射光研制出一種微波放電VUV光源，Zimmermann課題組[9-10]研制出一種高強度的電子束激發稀有氣體燈(EBEL)；二是改進電離區設計，以提高離子的電離效率或利用率，如Wu等[11]提出的磁場增強光電子設計(MEPEI)，Chen等[12]設計了準離子阱化學電離的反應區，Zhou等[13]在便攜式飛行時間質譜中設計了一種射頻電場增強化學電離源；三是基于VUV燈發展試劑輔助化學電離源，以增大可電離分析物的范圍，提高儀器靈敏度，如苯、甲苯、丙酮、苯甲醚以及二溴甲烷、二氯甲烷等摻雜劑輔助電離源[14-17]。

3 真空紫外光電離源質譜的應用

3.1 有毒有害污染物的實時監測

杜玥萱等[18-19]報道了吸附/熱解吸前處理-單光子/化學復合軟電離源飛行時間質譜(SPI/CI-TOFMS)對道路非甲烷烴(NMHCs)的檢測研究，SPI/CI 模式下，C2～C10標準樣品的檢出限為 1～80 ppt，定量相對標準偏差(RSD，n≥10) 小于10%，分析時間 5～12 min，整機重量低于40 kg，整機尺寸小于50 cm×50 cm×80 cm。儀器在北京四環、五環主干道對C2～C10VOCs進行了車載在線跟蹤觀測，通過計算各物種臭氧生成潛勢(OFP)，評估出C3、C4烯烴類物質和苯系物為北京四、五環地區優先控制物種。

含氧類揮發性有機物(OVOCs)一直是在線檢測的難點，Yang等[24-25]發展的CH2CI2/H2O摻雜劑體系實現了OVOCs的高靈敏分析，與VUV-SPI相比，靈敏度提高了3個數量級。Zhang等[26]將頂空進樣與VUV-SPI-TOFMS相結合實現水中OVOCs的分析，測得2-甲基丁醛(LOBE)、甲基叔丁基醚(MTBE)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2-異丁基-3-甲氧基吡嗪(IBMP)和2-異丙基-3-甲氧基吡嗪(IPMP)的檢出限(LOD)為3.5～50.2 ng/L,而2-甲基異冰片醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的LOD分別為0.25和0.77 ng/L。校準結果顯示LOBE、MTBE、MMA、2-MIB和GSM的儀器檢出性能超過人類的氣味閾值1～2個數量級。使用該技術對北京城市自來水和三條河流的水樣進行評估，觀察到的典型異味組成質量濃度為0.2～297 ng/L。

采用膜進樣系統，SPI-TOFMS還可實現液體樣品中痕量化合物的在線富集及高靈敏檢測。Hou等[35]研制了電離源內直接拉伸膜進樣設計使得VOCs的富集效率提高上百倍，單樣品分析時間僅30 s。Wu等[36]發展了一種新型源內螺旋管狀膜進樣電離源，并與SPI-TOFMS聯用，即將膜放入SPI離子源中，測得苯、乙基叔丁基醚(ETBE)、苯胺、對二甲苯和氯苯(MCBz)的定量下限(LOQ)分別為0.014、0.143、0.556、0.036和0.025 μg/L，測量時間為50 s。利用該膜進樣，SPI-TOFMS在線、連續監控實驗樓下水道污水中的VOCs，并進行實驗排放水安全性預警。Zimmermann等[37-38]利用片狀膜進樣光電離TOFMS分析了水中的芳香類化合物及多環芳烴化合物，對苯、甲苯和二甲苯的分析時間約2 min，萘、苊、芴、菲和甲基菲的檢測時間約10 min，這兩類化合物靈敏度達到幾十ng/L。

3.2 工業過程化合物成分的實時鑒定

催化反應過程中會生成多種同分異構體，SPI得到的分子離子峰，當相對分子質量相同時不能進行區分。為了分析化工過程中產生的相對分子質量相同的化合物，Hua[41]等基于SPI-TOFMS發展了電離源內在線碎片化技術，在SPI電離源內部提高靜電場場強，降低氣壓，實現低能碰撞解離，成功地區分了低碳類同重化合物。為了區別生成烯烴的雙鍵位置，Xie等[42]對烯烴進行了在線臭氧化反應，通過氧化雙鍵得到的產物不同對烯烴進行定性分析。He等[43-44]利用在線SPI-MS實現了長鏈烷烴催化制烯烴過程的在線監控，在數秒之內得到產物中烷烴、單烯烴、二烯烴和芳香族化合物等全組分質譜圖，該方法加速了催化反應條件的在線優化和催化劑性能評價。Sun等[45-46]利用PEI-MS檢測金屬骨架化合物(MOFs)的吸附突破曲線，在線評價MOFs材料對N2和CH4的分離性能。Li等[47]利用基于無窗射頻放電燈(WLRF)的SPI-TOFMS對甲醇制烯烴技術(MTO)反應初始階段的催化產物進行實時測量，以0.5 s的時間分辨監控產物，數據表明乙烯為第一批烯烴產物，其次是丙烯，從而為第一個C—C鍵形成機理研究提供了有力的數據支撐。SPI-TOFMS還可實現高壓反應釜內甲烷直接催化轉化過程中液相產物的在線檢測[48]，以及CH3OH、CH3OOH、HCOOH和HOCH2OOH等組分的原位在線監測，從而為深入研究其反應機理提供了數據支撐。Wen等[49]利用同步輻射VUV光源研制了甲醇制烴(MTH)反應機理原位光電離質譜，該儀器定量檢測HSAPO-34和HZSM-5催化MTH過程中的HCHO，時間分辨為5 s，實現了催化反應誘導期、穩定期以及失活期HCHO和其他產物的實時檢測。結果顯示，在Y2O3存在下，HCHO的量影響烯烴向芳烴的氫轉移過程以及芳烴向焦炭的氫轉移過程，且乙烯主要由芳基循環形成。Zhang等[50]利用同步輻射VUV-SPI檢測到丙烷氧化脫氫反應中的甲基自由基，證實了該反應中的氣相自由基反應途徑。

3.3 安檢以及違禁品的快速檢測應用

在安檢、違禁品現場檢測中，通常需要高通量、現場便攜式儀器，因而SPI軟電離便攜式質譜儀備受親睞。Zimmermann等[51]基于EBEL光源發展了熱解析光電離離子阱質譜(TD-SPI-ITMS)進行爆炸物三硝基甲苯(TNT)、二硝基甲苯(DNT)和毒品3,4-亞甲基二氧甲基苯丙胺(MDMA)以及化學戰劑模擬劑甲基膦酸二甲酯(DMMP)的快速檢測，在EBEL中通入Kr得到8.4 eV光子，通入Kr/Ar混合氣得到10.7 eV光子，利用光子能量切換可有效消除碎片離子，通過SPI軟電離得到的分子離子峰在離子阱質譜中碰撞解離(CID)并進行串聯質譜分析(MS/MS)，有效地提高了定性分析準確度。Akutsu等[52]則發展了GC-PI-MS方法分析62種合成大麻酚類化合物，利用GC有效分離后，光電離得到35種化合物的分子離子峰，而其他化合物則得到準分子離子峰以及簡單的質譜圖，從而提高了譜圖解析速度和準確性。Sun等[53]設計了500～1 000 Pa低氣壓光電離(LPPI)進行痕量的氣相炸藥和化學戰劑模擬物檢測，在10 s的檢測時間內，2,4-二硝基甲苯、硝基甲苯、硝基苯和磷酸二甲酯的檢出限分別為30、0.5、4和1 ppt。Zhang等[54]將CH2CI2作為摻雜劑，采用光電離質譜技術應用于苯胺、芐胺、苯乙胺、苯丙胺等有機胺類違禁品的檢測，可將儀器靈敏度提高60～130倍，分析時間為10 s，苯胺和芐胺的檢出限(LOD)分別為36和22 ppt。

針對毒品現場識別技術缺乏而導致禁毒效率低下的問題，Wang等[55]研制了一種丙酮輔助光離源離子阱質譜毒品現場鑒別儀。丙酮作為摻雜劑將靈敏度提高了22倍，有效去除了緝毒現場汽車尾氣干擾；產生質子化丙酮二聚體試劑離子作為定量參考，儀器的定量RSD由25.3%優化至8.5%，線性范圍擴大了1個數量級。該電離源與溫度分辨熱解吸進樣方法的聯用可實現植物性毒品樣品和含毒品飲料中毒品成分的快速識別，且對27種常見毒品的檢出靈敏度均在納克級，單樣品分析時間小于2 s。針對高沸點、揮發性低的芬太尼系列毒品，Wang等[56]在丙酮摻雜劑VUV-SPI電離離子阱質譜中開發了光閃熱加熱源、同步脈沖吹掃的進樣方法，3 s內將解吸池內的毒品加熱至 290 ℃，對難揮發的毒品那可汀的檢測靈敏度提高約60倍，實現了沸點差異達到 300 ℃的10種毒品混合物的同時測量，對冰毒的檢出限低至50 pg。

Syage等[57]利用SPI軟電離方式研制了一套重13.6 kg的便攜式SPI-TOF-MS進行化學戰劑類化合物的實時檢測。儀器樣品的分析時間僅為10 s，對磷酸類戰劑模擬劑和芳香族化合物的檢出限可以達到10～100 ppb。Syage等[58]還發展了用于水中化學戰劑快速分析的PI-MS方法，1 μL液體樣品無需前處理直接進樣分析，分析時間45 s，化學戰劑維埃克斯(VX)、塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)、環沙林(GF)、芥子氣(HD)、氮芥1(HN1)和氯芥3(HN3)均可以得到分子離子峰，化學戰劑替代化合物DMMP、乙烯基膦酸二乙酯(DEMP)、鄰基二甲酸二乙氧基乙基酯(DEEP)和甲基膦酸二異丙酯(DIMP)的檢出限分別為1、6、3和2 pg，線性范圍約為3～4個數量級。

3.4 生物醫學分析中的應用研究

呼出氣體檢測具有非侵入性、無損傷、取樣方便、可連續采樣等優勢，是代謝組學研究和臨床診斷的新方向。Wang等[59]利用高氣壓下的VUV光電離結合飛行時間質譜技術(HPPI-TOFMS)分析人體呼出氣，在1 min的采樣時間內實現了人體呼出氣中丙酮、異戊二烯、二甲基硫、乙醇、乙酸等物質的高靈敏檢測。在100%相對濕度條件下，對C3～C6正構烷烴直接在線檢測的檢出限低至0.07 ppb。Wang等[60]進一步將HPPI-TOFMS與動態吹掃-注入采樣法聯用，通過加入少量酸類或堿類物質處理后，該方法即可實現尿液中硫化物、有機胺類化合物的直接快速分析，對三甲胺等的檢出限低至0.1 μg/L，并發現了一種新的煙草暴露相關化合物2,5-二甲基吡咯。Zhou等[61]優化大氣壓光電離四極桿飛行時間質譜(APPI-QTOFMS)中毛細管電壓、樣品進氣量以及吹掃氣流量參數，分析了3名男性和2名女性志愿者呼出氣，初步鑒定出21種化合物。Li等[62]發現與常規低氣壓光電離質譜(LPPI-MS)相比，CH2Cl2摻雜輔助LPPI-MS對于正丙醇、正戊醛、丙酮和乙酸丁酯的峰強度分別提高53、18、16和43倍，在相對濕度(RH)為20%、分析時間為10 s條件下，正丙醇、正戊醛、丙酮和乙酸丁酯的檢測靈敏度為116到452個計數/ppb，且從10名志愿者獲得的呼吸樣本和加標樣本來看，該電離源對于極性VOCs的信號強度提高了8倍。

Wang等[63-65]利用汞蒸氣四波混頻產生高強度真空紫外光，以此作為解吸/電離源，搭建了一臺亞微米真空紫外光解吸/電離質譜成像(VUVDI-MSI)裝置。四波混頻產生125.3 nm波長VUV 光，實現了空間分辨率為 2 μm×5 μm的真空紫外光解吸/電離質譜成像。通過該儀器實現了尼羅紅和纖維蛋白原β鏈(FGB)以及果蠅大腦切片的測試。獲得膽固醇標準樣品的VUVDI質譜圖以及小鼠食道切片和小鼠受精卵中膽固醇的質譜成像，質譜成像空間分辨達500 nm，且結果顯示主要質譜峰來自于膽固醇母體分子，膽固醇分子主要分布在小鼠食道的內壁粘膜上。相比于TOF-SIMS，VUVDI-MSI的離子產率、碎片及圖像對比度均有明顯提高。

4 結論與展望

VUV-SPI-MS因具有分析速度快、靈敏度高的特點，而成為在線快速分析的利器。除了上述提到的應用實例外，VUV-SPI-MS在汽車尾氣分析[66]、食品香氣分析[67]、熱解吸成分[68-69]以及香煙煙氣分析[70]中也備受關注。目前，VUV-SPI-MS儀器商品化還有待進一步提高，后期發展主要集中于以下3點：①由于VUV燈的光強密度與儀器靈敏度線性相關，因此加強高光強電離源的研制，設計體積緊湊、重量可便攜的大功率放電VUV燈將是今后的重點發展方向，目前已經有功率5、35 W放電燈商品化。②目前使用的VUV-Kr燈均帶有光窗設計，樣品長時間連續進樣時，易污染窗口玻璃。因此，需進一步探索光窗防污染新技術，進行VUV-SPI電離源長期運行穩定性、可靠性的研究。③簡單和快速是VUV-SPI的最大特色，因此下一步需進一步開展便攜式分析儀的研究，做到現場快速檢測。