超高效液相色譜-四級桿/靜電場軌道阱高分辨質譜法測定空氣中25種羰基化合物

李利榮，王洪乾，左 明，劉殿甲，王效國，張肇元

（天津市生態環境監測中心，天津 300191）

醛酮類羰基化合物（CCs）是形成空氣中多種自由基、有機酸、臭氧、過氧?；跛狨ィ≒AN）和二次有機氣溶膠（SOA）等污染物的重要前體物，是光化學煙霧的主要成分［1-3］。大多數CCs具有刺激性、免疫毒性和生殖毒性，其中甲醛和丙烯醛是可疑致癌物［2］。CCs在環境空氣［4-7］、室內空氣［8］、車內空氣［9］、汽車尾氣［10-11］及烹飪油煙［12］，甚至在降水［13］和顆粒物［14］中均有不同程度的檢出。1990年，美國清潔空氣法修正案（Clean Air Act Amendments，CAAA）中，將醛酮指定為危險空氣污染物。我國《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—1996）、《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）和《居室空氣中甲醛的衛生標準》（GB/T 1627—1995）中也明確規定了甲醛、乙醛和丙烯醛的濃度限值。

空氣中CCs的檢測方法主要有高效液相色譜法（HPLC）［4-10，15］、氣相色譜法（GC）［16-17］、氣相色譜-質譜法（GC-MS）［18-19］和分光光度法（SP）［20］等。其中，SP在測定CCs目標物時，存在檢測種類單一、干擾物難以消除的缺陷；GC和GC-MS適用于低分子脂肪族CCs的測定，對于高分子CCs，由于其衍生物沸點較高且在高溫中穩定性差等原因，仍存在應用上的瓶頸；液相色譜法（LC）是目前最為常用的CCs檢測方法，但在定性檢測方面，存在“容易出現假陽性”的缺陷。液相色譜-質譜法（LC-MS或LC-MS-MS）不但克服了LC定性檢測方面的缺陷，而且在定量檢測方面也具有很高的準確性，大大提高了CCs的檢測水平。

LC-MS采用的離子源主要為大氣壓化學電離源（APCI）［21］或電噴霧電離源（ESI）［22］。常用的MS主要有離子阱質譜（ITMS）和四極桿質譜（QMS）。SAKURAGAWA等［23-24］用APCI源LCITMS/MS分析了環境及不同場所空氣中的CCs。CHI等［22，25］采用ESI源LC-MS/MS建立了大氣中32種CCs的定量分析方法；與HPLC-UV相比，LCMS/MS可以達到更低的檢測限和檢測更多的化合物，ESI源的負離子模式無論是在方法重現性，還在檢出限方面均優于UV。盡管ITMS和QMS在CCs定性和定量檢測方面較LC優勢明顯，但在定性檢測方面，由于一般只選擇一個母離子和一對子離子進行檢測，所以仍存在較大的假陽性可能，且難以對樣品中的CCs進行篩查。

本工作針對現行空氣中CCs類污染物缺少篩查方法以及篩查與定量分析同時進行的檢測技術，基于HPLC-高分辨質譜聯用技術（Q Exactive）高準確度、高通量的優勢，建立了25種CCs的快速篩查數據庫及定量分析方法，并將其應用于實際環境樣品的篩查和定量分析，以滿足對空氣中CCs類污染物的篩查和檢測，為環境安全監測、預警和執法提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

25種醛酮-2，4-二硝基苯肼（DNPH）標準溶液：包括甲醛（FA）、乙醛（AA）、丙烯醛（ACR）、丙酮（AK）、糠醛（2-FA）、丙醛（PA）、巴豆醛/丁烯醛（CA）、丁酮（BK）、甲基丙烯醛（MA）、丁醛（BA）、苯甲醛（BZA）、異戊醛（IVA）、環己酮（CHK）、戊二醛（GA）、戊醛（VA）、對-甲基苯甲醛（p-TA）、間-甲基苯甲醛（m-TA）、鄰-甲基苯甲醛（o-TA）、甲基異丁基酮（MIBK）、己醛（HEXA）、2，5-二甲基苯甲醛（DMBA）、庚醛（HEPA）、辛醛（OA）、壬醛（NA）和癸醛（DA），質量濃度均為15 mg/L，美國ChemTek公司。

乙酸銨水溶液：將77 mg乙酸銨溶入1 L的超純水中。

DNPH：純度為99.5%，百靈威公司；甲醇、乙腈：色譜純，MERK公司；超純水。

Ultimate 3000-Q Exactive Focus型超高效液相色譜-電噴霧電離源-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜儀（UHPLC-ESI-Q-Orbitrap MS），配備Thermo Accucore RP-MS色譜柱（100 mm×2.1 mm，粒徑2.6 μm）：美國Thermo Fisher公司；N-EVAP111型氮吹儀：美國Organomation公司；Lab dancer S000型渦旋攪拌器：德國IKA公司；Milli-Q型超純水系統：美國Millipore公司；Cleanert DNPH-Silica型醛酮氣體采樣管（200 mg/3 mL）及臭氧去除管（240 mg/3 mL）：天津艾杰爾-飛諾美公司；0.22 μm尼龍水相針式濾膜：美國Supelco公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品采集和保存

在真空泵作用下，氣體樣品經除臭氧小柱去除臭氧后，用DNPH柱吸附，樣品中CCs與DNPH發生衍生化反應。采樣流量0.5 L/min，采樣體積100 L。用密封帽將采樣管管口封閉，放入密封袋中，低于4 ℃條件下避光保存，保存時間不超過7 d。

1.2.2 樣品制備

用乙腈洗脫采樣管，洗脫方向與采樣時氣流方向相反，將洗脫液收集于5 mL容量瓶中，用氮吹儀濃縮至少于0.5 mL（若存在未溶解的橘紅色顆粒物，可用少量乙腈溶解，乙腈用量不大于0.5 mL），用乙腈定容至0.5 mL，再用純水稀釋定容至1.0 mL，混勻，經針頭過濾器過濾，濾液收集于2 mL棕色樣品瓶中，待測。

1.2.3 分析條件

1.2.3.1 色譜條件

色譜柱：Thermo Accucore RP-MS和Agilent Eclipse Plus C18（100 mm×2.1 mm，粒徑1.8 μm，美國Agilent公司）；柱溫：40 ℃；流動相A：1 mmol/mol乙酸銨水溶液；流動相B：乙腈；流速：0.3 mL/min；進樣量：10 μL。流動相梯度洗脫程序見表1。

表1 流動相梯度洗脫程序

1.2.3.2 質譜條件

1）離子源參數

離子化模式：加熱ESI；掃描模式：負離子模式；毛細管溫度：325 ℃；加熱溫度：350 ℃；鞘氣：N2，流速 40 arb （arb為非國際單位，在QE系列質譜儀中，鞘氣流速1 arb相當于0.13 L/min，輔助氣流速1 arb相當于0.3 L/min）；輔助氣：N2，流速 10 arb；噴霧電壓：2.8 kV；透鏡電壓：60 V。

掃描模式：全掃描/自動觸發采集二級離子模式（Full MS/dd-MS2）掃描，用于篩查、定性和定量；平行反應監測（paralle reaction monitoring，PRM）用于數據庫建立。

Full MS參數：分辨率70 000，自動增益控制（AGC）目標1×106，最大離子注入時間（IT）100 ms，掃描范圍質荷比（m/z）50～600。

dd-MS2參數：分辨率17 500，AGC目標2×105，最大IT 60 ms，動態排除時間8.0 s，碰撞池歸一化碰撞能量（NCE）25、45和65，循環次數3，隔離窗口m/z1.0。

P R M 參數：分辨率3 5 0 0 0，A G C 目標2×105，最大IT 60 ms，NCE 25、45和65，隔離窗口m/z1.0。

1.2.3.3 軟件分析

在回程的列車上，略感疲憊的王樹林撫摸著辛娜的大腿，眼望著窗外稍縱即逝的樹木，腦子里盤旋著一件事：如果辛娜是處女就完美了。

采用軟件Trace Finder 3.3進行分析，具體篩查條件如下。

一級母離子精確相對分子質量參數：峰強度閾值10 000，信噪比閾值5.0，允許m/z偏差5.00×10-6，保留時間（RT）允許偏移時間30 s。

二級子離子參數：最少匹配數1，峰強度閾值5 000，允許m/z偏差5.00×10-6。

同位素模式參數：相似度閾值70%，允許m/z偏差5.00×10-6，允許強度偏差20%。

定量方法：基于目標分析物一級母離子的峰面積，采用外標法進行定量。

定量參數：允許質量偏差5.00×10-6，允許RT偏差±1.5 s。

定性離子峰閾值：最高離子峰面積的10%，只選擇10個峰高最高的離子。

積分參數：平滑度8，面積噪音系數5，峰噪音系數10，基線窗40。

2 結果與討論

2.1 基體效應的影響

分別以乙腈、80%（φ，下同）乙腈水溶液、50%乙腈水溶液和20%乙腈水溶液為溶劑，配制質量濃度均為150 μg/L的25種醛酮-DNPH混合標準溶液進行分析。圖1為不同溶劑條件下丙酮和丙烯醛的提取離子流色譜圖。由圖1a和圖1b可見：用乙腈和80%乙腈水溶液作溶劑時，對出峰在己醛前的化合物，峰形均有不同程度的前延，對RT相近的同分異構體分離較差，影響定性和定量分析。以50%乙腈水溶液（見圖1c）和20%乙腈水溶液（見圖1d）作溶劑時，均能獲得良好的色譜峰形和分離度，表明乙腈含量不高于50%的水溶液均可滿足檢測要求，為了便于實際樣品測定，后續研究中均采用50%乙腈水溶液作溶劑進行25種醛酮-DNPH混合標準溶液的配制。

圖1 不同溶劑條件下丙酮和丙烯醛的提取離子流色譜圖a 乙腈；b 80%乙腈水溶液；c 50%乙腈水溶液；d 20%乙腈水溶液

2.2 色譜條件優化

對質量濃度均為150 μg/L的25種醛酮-DNPH混合標準溶液進行分離測定，考察Thermo Accucore RP-MS和Agilent Eclipse Plus C18兩款色譜柱對目標物的分離效果。結果表明：25種目標物中丙酮和丙烯醛，糠醛和丙醛，巴豆醛、丁酮和甲基丙烯醛，環己酮和異戊醛，出峰順序在兩根色譜柱上相反；除鄰-甲基苯甲醛和間-甲基苯甲醛不能實現分離外，兩種色譜柱在30 min之內均可獲得良好的分離度和尖銳對稱的色譜峰形，表明兩種色譜柱均具有良好的柱效和檢測靈敏度。

進一步考察兩種色譜柱在使用6個月過程中對目標物的RT，發現：采用Thermo Accucore RP-MS色譜柱時，25種目標物的RT的相對標準偏差（RSD）均小于1.0%，表明該色譜柱具有優異的穩定性，后續研究將采用Thermo Accucore RP-MS色譜柱進行分析。圖2為醛酮-DNPH混合標準溶液經該色譜柱分離后，用UHPLC-ESI-Q-Orbitrap MS法檢測出的25種CCs的總離子流色譜圖。

圖2 醛酮-DNPH混合標準溶液中25種CCs的總離子流色譜圖

2.3 質譜條件優化

2.3.1 離子源參數優化

在色譜柱的柱流量為0.3 mL/min的條件下，對噴霧電壓、鞘氣流速、輔助氣流速、毛細管溫度和輔助氣加熱溫度等影響離子化過程的主要參數進行優化，結果見表2。

表2 離子源優化參數范圍

圖3為不同離子源參數對25種CCs平均信號響應值的影響。由圖3可見：在噴霧電壓為2.8 kV、鞘氣流速為40 arb、輔助氣流速為10 arb、毛細管溫度為325 ℃和輔助氣加熱溫度為350 ℃的條件下，25種CCs的平均信號響應值最高。

圖3 不同離子源參數對25種CCs平均信號響應值的影響

2.3.2 碰撞能量優化

碰撞池的碰撞能量（CE）是對定性結果影響最大的參數。在負離子模式下，考察不同二級裂解NCE條件下25種CCs的母離子和子離子碎片的響應，結果見表3。本工作選擇大部分目標物的［MH］-峰豐度響應最接近20%時的NCE作為最佳CE，此時，既能保證可見［M-H］-峰，又能保證［MH］-及其碎片離子不會被過度碎裂。通過對比［MH］-峰與碎片離子最高峰響應值之比，發現：甲醛和戊二醛在平均NCE為30時，有最佳的CE值；其他目標物在平均NCE為45時，接近最佳CE值。因此，甲醛和戊二醛的最佳NCE為30，其余目標物的最佳NCE為45。

表3 不同NCE條件下[M-H]-峰與碎片離子最高峰響應值之比

2.3.3 質譜分辨率優化

高分辨質譜最大的優勢是通過高分辨率提取到準確的目標物m/z，消除樣品中的基質干擾，提高選擇性和靈敏度，減少假陽性，從而提高定性和定量檢測的準確性。為了得到目標物的最佳儀器響應值，本實驗在Full MS/dd-MS2模式下，對一級質譜和二級質譜的分辨率進行了優化，分別對比了一級和二級質譜在掃描分辨率為17 500，3 5000，70 000時目標物的色譜峰形和碎片離子。結果表明：當一級質譜分辨率為70 000時，信噪比最高，目標物與基質干擾物可實現基線分離，色譜峰形較好；二級質譜分辨率為17 500時，主要碎片離子不變而干擾離子最少。因此選擇一級質譜分辨率70 000、二級質譜分辨率17 500為Full MS /dd-MS2模式的最佳分辨率。

2.4 靶標篩查數據庫的建立及驗證

在上述優化的最佳色譜和質譜條件下，對質量濃度均為150 μg/L的25種醛酮-DNPH混合標準溶液進行檢測，獲得目標物的RT、母離子和碎片離子理論m/z及離子化形式等信息。采用TraceFinder 3.3軟件對碎片離子進行解析，以各目標物二級質譜圖中子離子實測m/z與理論m/z偏差小于5×10-6、且相對豐度最高值位于前5位的離子作為確認離子。在此基礎上，以目標物的RT、母離子理論m/z和實測m/z以及特征二級子離子的理論m/z，建立篩查數據庫（見表4），用于環境介質中CCs的篩查和定量測定。由表4可見：25種目標物母離子的實測m/z與理論m/z的偏差均小于2×10-6，因此該數據庫能夠滿足定性檢測的需求。

表4 25種醛酮-DNPH的篩查數據庫

2.5 方法評價

配制質量濃度分別為0.450，0.750，1.50，3.00，4.50，7.50，15.0，30.0，45.0，75.0，150，300 μg/L的系列25種醛酮-DNPH標準溶液，在最佳分析條件下，以目標物母離子的提取色譜峰面積（y）為縱坐標，以目標物的質量濃度（x）為橫坐標，繪制標準曲線，結果見表5。由表5可見：甲醛（FA）、乙醛（AA）、糠醛（2-FA）、丙烯醛（ACR）、丙醛（PA）和丁醛（BA）在質量濃度為0.750～300 μg/L，丙酮（AK）和丁酮（BK）在質量濃度為1.50～300 μg/L，甲基丙烯醛（MA）、異戊醛（IVA）、戊醛（VA ）、2，5-二甲基苯甲醛（DMBA）、庚醛（HEPA）和間-甲基苯甲醛（m-TA）在質量濃度為0.450～300 μg/L，對-甲基苯甲醛（p-TA）在質量濃度為1.50～150 μg/L，巴豆醛/丁烯醛（CA）在質量濃度為0.750～150 μg/L，環己酮（CHK）在質量濃度為0.450～150 μg/L，己醛（HEXA）、苯甲醛（BZA）、甲基異丁基酮（MIBK）、辛醛（OA）、壬醛（NA）和癸醛（DA）在質量濃度為0.450～75.0 μg/L，鄰-甲基苯甲醛（o-TA）在質量濃度為0.750～75.0 μg/L，戊二醛（GA）在質量濃度為1.50～75.0 μg/L內線性關系良好，R2均大于0.996。25種CCs在質量濃度為1.50～75.0 μg/L范圍內線性良好。

表5 25種CCs的標準曲線、線性范圍、相關系數和檢出限

依據《環境監測分析方法標準制訂技術導則》（HJ 168—2020）［26］，采用向空白醛酮采樣管中加標的方式，測定7組加標模擬樣品中目標物的含量并計算標準偏差和方法檢出限，結果見表5。由表5可見，各目標物的方法檢出限為1.1～3.8 ng/m3。

向6組空白醛酮采樣管中分別加入25種醛酮-DNPH標準溶液，制成加標量分別為4.50 ng、75.0 ng和150 ng的模擬樣品，25種目標物的平均回收率分別為80.8%～123.0%、95.2%～111.0%和90.7%～106.0%，RSD分別為3.3%～18.0%、2.8%～10.0%和2.6%～12.0%。綜上，本工作所建立的檢測方法具有線性好、檢出限低、精密度和準確度高的優點，可滿足CCs定量檢測的需求。

2.6 實際樣品分析

采用本文所建立的方法，對天津市區某采樣點2020～2021年間所采集的5個空氣樣品進行檢測。結果表明：5個樣品中除戊二醛未檢出外，其余24種CCs的RT與篩查普庫中的RT一致；24種CCs的母離子m/z測定值與理論值與篩查普庫中的相應母離子的m/z測定值與理論值相差均小于5×10-6；24種CCs的二級質譜的5個碎片離子與篩查譜庫中相應化合物的離子碎片一致，由此可見，5個樣品中均含有24種CCs。定量分析結果表明：24種CCs的平均質量濃度為6×10-6～4.45×10-3mg/m3；其中丙酮、甲醛、乙醛、壬醛和己醛的質量濃度大于1.00×10-3mg/m3；甲基苯甲醛、甲基丙烯醛、糠醛、丁烯醛和甲基異丁基酮的質量濃度低于1.00 ×10-5mg/m3。

3 結論

a）本工作采用超高效液相色譜-電噴霧電離源-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜儀，建立了快速定性篩查和定量分析空氣品中25種CCs的方法。

b）采用Thermo Accucore RP-MS色譜柱、在ESI負離子模式下，以Full MS和dd-MS2掃描模式進行檢測。結果表明：25種CCs在1.50～75.0 μg/L范圍內線性良好（R2≥0.996），方法檢出限為1.1～3.8 ng/m3，樣品回收率為80.8%～123.0%，RSD為2.8%～18.0%（n=6）。

c）采用本工作所建立的方法對天津市環境空氣樣品進行檢測，共篩查出24種CCs，其中丙酮、甲醛、乙醛、壬醛和己醛的質量濃度大于1.00 ×10-3mg/m3，甲基苯甲醛、甲基丙烯醛、糠醛、丁烯醛和甲基異丁基酮的質量濃度低于1.0×10-5mg/m3。該方法快速、準確、靈敏，適用于空氣中多種CCs的快速篩查及定量測定。