同步輻射光電離質(zhì)譜法在線鑒定卷煙主流煙氣氣相成分中的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體

孔 俊，胡立中，唐 誠，鄭 豐，徐冰霞，胡永華

安徽中煙工業(yè)有限責任公司技術中心,合肥市高新區(qū)天達路9號 230088

卷煙煙氣是一種十分復雜的化學混合物，迄今為止，人們已經(jīng)從中鑒定出了6 000多種化學成分［1］。其中，一些化學成分具有高的反應活性，導致煙氣內(nèi)部的物質(zhì)組成不斷變化［2-3］。傳統(tǒng)的離線分析方法，由于涉及復雜和耗時的前處理和分析過程，會改變煙氣的組成，而且其分析結(jié)果通常是整支煙氣的總量，無法揭示抽吸過程中煙氣濃度波動和變化的信息［2-4］。近年來，對新鮮的單口卷煙煙氣進行在線和實時分析研究日益受到人們的關注和重視。離子-分子反應質(zhì)譜［5］、真空紫外燈電離源飛行時間質(zhì)譜［6］和激光真空紫外光電離飛行時間質(zhì)譜［7-9］等軟電離質(zhì)譜技術，由于具有無碎片、響應速度快和適合多組分同時檢測等優(yōu)點，已成為卷煙煙氣在線和實時分析的重要手段［7-9］。然而，這些軟電離質(zhì)譜技術通常只能給出固定電離源能量下的質(zhì)譜圖，但是僅僅根據(jù)質(zhì)譜圖無法區(qū)分同分異構(gòu)體；而且對于低分辨率的質(zhì)譜儀，同質(zhì)異位體甚至也無法得到區(qū)分［10-11］。同分異構(gòu)體雖然分子量相同，但是其物理和化學性質(zhì)是有差別的，甚至感官特征和危害性也明顯不同［12-13］。因此，在線和實時分析過程中，對卷煙煙氣中的同分異構(gòu)體進行鑒定和分析具有重要意義。為此，Eschner等［14］曾建立了一套在線快速氣相色譜-光電離飛行時間質(zhì)譜技術［采用電子束泵浦稀有氣體準分子光源，光子能量：（9.80±0.04）eV］，對煙氣組分中的同分異構(gòu)體進行分離和定量分析。雖然該技術較好地提高了煙氣化學成分的定性和定量分析效果，但是由于受快速氣相色譜分離能力的限制，許多同分異構(gòu)體仍然無法被分離和鑒定。

同步輻射真空紫外光電離質(zhì)譜（Synchrotron radiation vacuum ultraviolet photonionization mass spectrometry，SR-VUV-PIMS）是分析化學領域最強有力的工具之一，非常適合于在線、實時探測燃燒產(chǎn)物［15-16］。與其他的軟電離源相比較，同步輻射真空紫外光具有高亮度、高準直和波長連續(xù)可調(diào)諧的優(yōu)點。因此，SR-VUV-PIMS不僅能測量固定光子能量下的光電離質(zhì)譜圖，而且能利用光子能量連續(xù)可調(diào)的特征，測量不同質(zhì)荷比（m/z）化學組分的光電離效率（Photoionization efficiency，PIE）曲線，從而實現(xiàn)鑒定待測物質(zhì)中同一m/z的不同異構(gòu)體。例如，王程輝等［17］曾利用自制的手動抽吸注射器結(jié)合SR-VUV-PIMS技術，在線測量了一種卷煙主流煙氣氣相化學成分的PIE曲線，依據(jù)分子量結(jié)合PIE曲線上的“拐點”得到了物質(zhì)分子電離能，初步鑒定了卷煙煙氣氣相物中的同分異構(gòu)體。然而，由于卷煙煙氣的復雜性、不同異構(gòu)體電離能的近似性以及PIE曲線的緩慢上升趨勢和信號波動，這種“拐點-電離能”方法主要適用于卷煙煙氣中分子量相對較低的有限質(zhì)譜峰的鑒定［11］。為了解決這個問題，Pan等［11］建立了一種利用標準物質(zhì)的絕對光電離截面（Photoionization cross section，PICS）曲線模擬實驗PIE曲線的方法，對卷煙主流煙氣氣相物中一些分子量相對較高成分的質(zhì)譜峰中存在的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體進行了較全面的鑒定。但是，上述研究均是在非標準條件下抽吸卷煙［11，17］，其分析結(jié)果無法從煙氣化學組成的角度對卷煙質(zhì)量進行標準評價。另外，Pan等［11］在進行PIE模擬時，主要通過連續(xù)縮放待鑒定m/z對應的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的PICS曲線擬合實驗PIE曲線，而沒有采用合適的數(shù)學處理方法，所以該鑒定方法雖然在原理上可行，但是在具體的操作方法上還需要進一步完善和發(fā)展。多元線性回歸（Multiple linear regression，MLR）是分析化學領域廣泛使用的化學計量學方法之一，非常適合于研究一個因變量與多個自變量之間的相關關系。為此，進一步建立了標準抽吸模式下卷煙煙氣氣相成分PIE曲線的在線測量裝置，并應用實驗PIE曲線結(jié)合MLR方法計算和構(gòu)造得到的模擬PIE曲線，對卷煙主流煙氣氣相成分中的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體進行了鑒定，以期為采用軟電離質(zhì)譜技術，尤其是光電離質(zhì)譜技術在線和實時分析卷煙煙氣化學成分提供新的參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

實驗用卷煙材料為一種烤煙型卷煙，其盒標焦油量、煙氣煙堿量和一氧化碳量分別為10、1.0和10 mg。

2，4-二硝基苯肼（DNPH）（AR，上海晶純生化科技股份有限公司）；丙醛-DNPH縮合物和丙酮-DNPH縮合物（標準品，中國煙草總公司鄭州煙草研究院提供）。

三端口注射器、反射式飛行時間質(zhì)譜儀（自制）；單通道吸煙機（德國Borgwaldt LM1公司）；1100型高效液相色譜儀（配置紫外檢測器，美國Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 光電離質(zhì)譜圖和PIE曲線的測量

實驗在中國科學技術大學國家同步輻射實驗室質(zhì)譜分析終端站完成，該光束線光子的能量覆蓋范圍為7.8~24.0 eV，能量分辨優(yōu)于1 500［18］。圖1為實驗裝置示意圖，該裝置主要由1個三端口注射器、1臺單通道吸煙機和1臺反射式飛行時間質(zhì)譜儀組成。三端口注射器的3個端口分別是通過閥a與石英毛細管相連的煙氣采樣端口、通過閥b既可以與大氣相通也可以與吸煙機電磁三通閥的煙氣排出管道相連的煙氣輸入端口以及活塞端口。反射式飛行時間質(zhì)譜儀的上部設置有同步輻射真空紫外光電離腔體，真空紫外光由800 MeV電子儲環(huán)的彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生。卷煙煙氣由光電離腔體內(nèi)真空負壓（壓力：1.3 Pa）產(chǎn)生的吸力經(jīng)石英毛細管（內(nèi)徑：100μm，長度：30 cm，溫度：200℃）引入電離區(qū)，并與同步輻射真空紫外光交叉后被電離；離子在電場作用下經(jīng)鎳制取樣錐孔和離子光學透鏡進入飛行時間質(zhì)量分析器（壓力：1.7×10-4Pa）的雙脈沖引出區(qū)，再經(jīng)過加速區(qū)、無場區(qū)和反射區(qū)到達多通道探測器并產(chǎn)生電流信號，該信號經(jīng)預放大器放大后，由超快數(shù)據(jù)采集卡采集記錄。

光電離質(zhì)譜圖和PIE曲線的測量按文獻［11，17］報道的方法進行，所不同的是，本研究中卷煙的抽吸是使用吸煙機在標準抽吸模式（即每口抽吸35 mL，抽吸2 s，抽吸間隙為58 s）下進行的。測量前，先將注射器的閥b與吸煙機電磁三通閥的煙氣排出管道相連，并在卷煙夾持器中裝入劍橋濾片，此時關閉閥a，打開閥b；然后，在夾持器中插入煙支，采用電子點火器點燃卷煙并進行抽吸；當吸煙機將卷煙主流煙氣氣相物推入注射器后，停止吸煙，打開閥a、關閉閥b，并同時啟動質(zhì)譜儀進行測量。本實驗中，質(zhì)譜儀掃描光子的能量設定為8.0~10.6 eV，這一能量范圍覆蓋了目前卷煙煙氣在線分析研究中常用的真空紫外光電離質(zhì)譜的電離源能量［11］。

1.2.2 同質(zhì)異位體［10］/同分異構(gòu)體的鑒定

該方法的原理在本課題組以前的研究［11］中已經(jīng)作了報道。這里僅在對鑒定原理作簡要說明的基礎上，重點描述引入MLR法后的鑒定步驟和過程。其基本的鑒定方程如公式（1）和公式（2）所示：

式中：I為某一給定m/z組分在一定光子能量范圍內(nèi)連續(xù)改變光子的能量進行掃描時，所獲得的序列離子強度數(shù)值；Ki為該m/z中第i（i=1，2，……，n）種同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的系數(shù)值；Xi為第i種同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的摩爾百分數(shù)；σi為第i種同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體在一定光子能量范圍內(nèi)的PICS曲線數(shù)值。需要說明的是，目前許多研究小組致力于標準物質(zhì)的PICS曲線的測量［19-20］，因此一些煙氣化學成分的σi數(shù)值可以從文獻中獲取。

鑒定時，首先選擇可能的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體；并根據(jù)公式（1），以實驗PIE曲線的離子強度數(shù)值I為因變量，以各同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的σi數(shù)值為自變量，采用不含截距項MLR方法計算相應的Ki值，若某物質(zhì)的Ki≤0，則刪除該物質(zhì)，重新計算各Ki值；當各同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的Ki＞0且K1σ1+K2σ2+……+Kiσi（即構(gòu)造得到的模擬PIE曲線）與實驗PIE曲線相匹配時，則該m/z的質(zhì)譜峰即對應于所選擇的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體；同時，根據(jù)Ki，并結(jié)合公式（2），即可獲得各同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的摩爾百分數(shù)。

理論上，當模擬PIE曲線與實驗PIE曲線完全匹配時，以模擬PIE曲線的離子強度（I模擬）對實驗PIE曲線的離子強度（I實驗）作圖，可以得到I模擬=a×I實驗+b且a=1、b=0及R2=1的直線，即I模擬與I實驗之間滿足正比例函數(shù)關系。因此，在判斷模擬PIE曲線與實驗PIE曲線是否吻合時，除了從擬合曲線上觀察外，同時還結(jié)合上述I模擬與I實驗之間的關系進行判別。另外，由于“拐點-電離能”法是同步輻射光電離質(zhì)譜技術鑒定物質(zhì)的常用方法［15-16］，所以在判別定性分析結(jié)果是否合理時，物質(zhì)分子的電離能也被考慮。

1.2.3 丙醛和丙酮的測量

為了驗證本方法鑒定結(jié)果的可靠性，在ISO標準抽吸模式下，采用2，4-二硝基苯肼捕集結(jié)合高效液相色譜法［21-22］，測定了卷煙主流煙氣氣相物中丙酮和丙醛的釋放量。測量前，先配制一系列不同濃度的丙醛-DNPH縮合物和丙酮-DNPH縮合物的混標溶液，測定標準工作曲線，采用保留時間定性，外標法定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 光電離質(zhì)譜圖

圖2為卷煙主流煙氣氣相物在光子能量為10.6 eV，以及m/z為20~120范圍內(nèi)的光電離質(zhì)譜圖。真空紫外光電離屬于近閾值的“軟電離”，電離時幾乎不產(chǎn)生碎片離子，故圖2中每個質(zhì)譜峰均與1個m/z的分子離子相對應［15-16］。可以看出，大多數(shù)離子強度較高的卷煙煙氣氣相組分的分子量均在20~100 Da范圍內(nèi)，這與文獻［7-8］中在相近光子能量條件下所獲得的分析結(jié)果相一致。然而，由于同一m/z通常會對應多個結(jié)構(gòu)不同的分子離子，因此僅僅依靠質(zhì)譜圖無法解析不同質(zhì)譜峰中所包含的同分異構(gòu)體。另外，由于本研究中使用的飛行時間質(zhì)譜儀的分辨率較低，也無法有效區(qū)分同質(zhì)異位體。為此，在掃描光子的能量在8.0~10.6 eV范圍內(nèi)時，獲得了測試卷煙在標準抽吸條件下主流煙氣氣相物中不同m/z質(zhì)譜峰的PIE曲線，并通過新發(fā)展的基于MLR的PIE曲線模擬方法實現(xiàn)對圖2中一些質(zhì)譜峰中所對應的同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的鑒定。

圖2 卷煙主流煙氣氣相成分在10.6 eV下的光電離質(zhì)譜圖Fig.2 Photoionization mass spectrum of the gas phase components in mainstream cigarette smoke at 10.6 eV

2.2 同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的鑒定結(jié)果

以前的研究表明，一些分子量相對較低的質(zhì)譜峰可以通過觀察PIE曲線上的拐點直接進行鑒定［11］。圖3a和圖3b分別顯示了圖2中m/z=28和34的兩個代表性質(zhì)譜峰的實驗PIE曲線和相應的模擬PIE曲線。觀察圖3a和圖3b中的實驗PIE曲線可以發(fā)現(xiàn)，在光子能量為10.50和10.46 eV附近各存在一個明顯的拐點，分別對應于NIST數(shù)據(jù)庫［23］中報道的乙烯和硫化氫的電離能。PIE曲線的模擬結(jié)果表明，當乙烯和硫化氫的PICS（σ乙烯［24］和σ硫化氫［25］）乘以各自用MLR方法計算的系數(shù)（K乙烯和K硫化氫）時，得到的兩條模擬PIE曲線與相應的實驗PIE曲線均吻合較好。這表明圖2中這兩個質(zhì)量峰中僅包括單一的化學成分，其摩爾分數(shù)均為100%。因此，利用本研究中的PIE曲線模擬法不僅可以進一步驗證“拐點-電離能”法的定性結(jié)果，還可以得到相應物質(zhì)的相對摩爾分數(shù)。

圖3 m/z分別為28（a）和34（b）的實驗PIE曲線和模擬PIE曲線Fig.3 Experimental PIE curves and simulation PIE curves when m/z equals 28（a）and 34（b）

為了介紹PIE曲線結(jié)合MLR法對含有多個異構(gòu)體的、相對高分子量的質(zhì)量峰的鑒定過程，下面分別以m/z為56和58的兩個代表性質(zhì)譜峰為例進行描述。圖4給出了卷煙煙氣氣相物中m/z為56的煙氣組分同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的鑒定過程及結(jié)果。從圖4a中的實驗PIE曲線上可以發(fā)現(xiàn)，當掃描光電子能量分別為9.11和10.11 eV時，曲線上出現(xiàn)2個較為明顯的拐點，這與文獻中報道的2-丁烯（電離能：9.11 eV［23］）和丙烯醛（電離能：10.11 eV［23］）的電離能一致。然而，PIE曲線的擬合結(jié)果顯示，當僅采用2-丁烯和丙烯醛的PICS乘以利用MLR法計算得到的系數(shù)時，其模擬PIE曲線無法與實驗PIE曲線重合，如圖4a所示；且此時I模擬與I實驗之間明顯偏離正比例函數(shù)關系（圖4b）。因此，該m/z對應的化合物，除了2-丁烯和丙烯醛外，還應該有其他同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體化合物。根據(jù)中國煙草科學數(shù)據(jù)庫卷煙煙氣分析數(shù)據(jù)分庫［28］的報道，卷煙煙氣中m/z為56的組分包括1-丁烯、2-丁烯、異丁烯和丙烯醛4種物質(zhì)。所以，在鑒定過程中，雖然1-丁烯和異丁烯的存在無法通過實驗PIE曲線上的拐點進行確定，但是在進行PIE曲線模擬時將其也同時考慮。圖4c和圖4d顯示，當采用上述4種成分的PICS乘以各自的系數(shù)時，在整個掃描光子能量范圍內(nèi)，模擬PIE曲線能夠與實驗PIE曲線很好地吻合（I模擬=0.994 1×I實驗+0.398 0，R2=0.997 3）。

圖4 m/z為56的實驗PIE曲線的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of experimental PIE curve when m/z equals 56

為了驗證上述同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體確定的合理性，將采用逐步刪除電離能值最高的化合物的分段模擬方法進行檢驗。當逐級刪除一個電離能最高的化合物，此時模擬PIE曲線會偏離實驗PIE曲線。如果圖4c所選同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體合理，逐級刪除時，偏離處的光子能量應該正對所刪除的化合物的電離能。由于構(gòu)造模擬PIE曲線的計算時并未考慮各化合物的電離能，因此采用上述方法可以進一步驗證同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體確定的合理性。圖5顯示了逐級刪除電離能最高的化合物后，模擬PIE曲線與實驗PIE曲線的偏離位置。可以發(fā)現(xiàn)，當刪除丙烯醛后，兩種PIE曲線在10.11 eV（丙烯醛的電離能［23］）附近發(fā)生偏離，如圖5a所示；當繼續(xù)刪除1-丁烯后，兩種PIE曲線在9.55 eV（1-丁烯的電離能［23］）處發(fā)生偏離，如圖5b所示；當進一步刪除異丁烯（電離能：9.22 eV［23］）后，曲線在9.22 eV處分離，如圖5c所示。因此，驗證結(jié)果進一步表明，圖2中m/z為56的峰對應的物質(zhì)可能有2-丁烯、異丁烯、1-丁烯和丙烯醛4種化合物。另外，摩爾百分數(shù)的計算結(jié)果顯示，這4種化合物所占的摩爾百分數(shù)分別為8%、12%、19%和61%，其中，丙烯醛的摩爾百分數(shù)最高。

圖5 基于圖4c逐級刪除電離能最高的異構(gòu)體后模擬PIE曲線與實驗PIE曲線的偏離位置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

圖6 給出了卷煙煙氣氣相物中m/z為58的煙氣組分異構(gòu)體的鑒定過程和鑒定結(jié)果。在分子量為58的化學成分中，丙酮和丙醛是卷煙煙氣中普遍存在的且釋放量較高的揮發(fā)性羰基物［21］。從圖6a中的實驗PIE曲線上可以發(fā)現(xiàn)，當掃描光子的能量為9.69 eV時存在著一個明顯的拐點，這與丙酮（電離能：9.70 eV［23］）的電離能相吻合；而丙醛的拐點位置難以從曲線中獲得。PIE曲線的擬合結(jié)果顯示，在整個實驗光子能量范圍內(nèi)，當以丙酮和丙醛的PICS乘以其系數(shù)和時，模擬PIE曲線與實驗PIE曲線不能很好地重合，尤其是掃描光子能量在10.0~10.3 eV之間兩條曲線明顯偏離。因此，該質(zhì)譜峰對應的物質(zhì)除了丙酮和丙醛外，還應該有其他化合物存在。據(jù)此推斷實驗PIE曲線上在大約10.18 eV處離子強度的快速上升，不是由于曲線自身波動而引起的，而是一個拐點位置，表明在該m/z中還有乙二醛（電離能：10.18 eV［23］）存在。然而，由于文獻中還沒有報道乙二醛的PICS數(shù)據(jù)，所以當掃描光子能量在8.00~10.18 eV范圍內(nèi)時，采用MLR方法重新計算了丙酮和丙醛的系數(shù)K丙酮和K丙醛值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在此光子能量范圍內(nèi)，當二者所占的摩爾百分數(shù)分別為81%和19%時，模擬PIE曲線與實驗PIE曲線很好地重合，如圖6b所示。另外，為了進一步驗證該鑒定結(jié)果的可靠性，采用HPLC法測定了實驗卷煙煙氣中丙酮和丙醛的釋放量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該卷煙主流煙氣氣相物中二者分別為175.7和35.9μg/支，其摩爾百分數(shù)分別為83%和17%，與本方法實驗結(jié)果基本一致。

圖6 m/z為58的實驗PIE曲線的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of experimental PIE curves when m/z equals 58

因此，理論上，如果獲得了卷煙煙氣中每種化學成分的PICS曲線數(shù)據(jù)，便可以應用本方法對圖2中的所有質(zhì)譜峰進行鑒定。卷煙主流煙氣氣相成分譜圖中一些質(zhì)譜峰的定性分析結(jié)果以及同一質(zhì)譜峰對應的各化合物的摩爾百分數(shù)見表1。必須說明的是，由于在實驗過程中使用了劍橋濾片，卷煙煙氣中一些半揮發(fā)性化合物的摩爾分數(shù)僅僅代表的是氣相中的分析結(jié)果；另外，由于有很多物質(zhì)的PICS曲線數(shù)據(jù)是未知的，因此目前還無法通過本鑒定方法給出圖2中很多質(zhì)譜峰的鑒定結(jié)果。

表1 卷煙主流煙氣氣相物質(zhì)譜圖中一些質(zhì)譜峰的定性分析結(jié)果及同一質(zhì)譜峰對應的各化合物的摩爾百分數(shù)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 結(jié)論

（1）PIE曲線的測量結(jié)合基于MLR的PIE曲線模擬，是鑒定卷煙主流煙氣氣相成分中同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體的有效方法，不僅可以驗證經(jīng)典的電離能方法的定性結(jié)果，還可以得到一個質(zhì)譜峰對應的每種物質(zhì)所占的摩爾百分數(shù)。（2）對于本研究中所測試的卷煙，當電離光子能量為10.6 eV時，其光電離質(zhì)譜圖中一些低m/z的質(zhì)譜峰，如m/z=28、30、34、44和52的質(zhì)譜峰主要與單一的煙氣化學成分相對應；而其他質(zhì)譜峰中則對應多個同質(zhì)異位體/同分異構(gòu)體。（3）本研究中所建立的裝置和方法，可為軟電離質(zhì)譜技術，尤其是光電離質(zhì)譜技術在線和實時分析卷煙煙氣化學成分提供新的參考。