双电离源结合催化氧萃取的离子淌度-三重四极杆质谱联用技术及其在挥发性有机物分析中的应用

《ACS Measurement Science Au》：Dual Ionization Ion-Mobility Mass Spectrometry Hyphenated with Catalytic Oxygenation-Mediated Extraction

本文介绍了一种创新的双电离源（APCI/SESI）结合催化氧萃取（COME）的离子淌度（IM）-三重四极杆质谱（QqQ-MS）联用平台。该系统通过环境友好的COME技术实现挥发性有机物（VOCs）高效提取，并利用自制离子淌度装置与商业质谱仪联用，实现低成本二维分离。研究展示了该系统在分析不同极性VOCs（如尼古丁和乙酸乙酯）及实际样品（小米酒和威士忌）中的应用，通过同位素内标校正漂移时间和强度，显著提高了数据重现性。该工作为复杂基质中VOCs的快速、精准分析提供了新策略。

　　

引言

离子淌度谱（Ion-Mobility Spectrometry, IMS）是一种根据离子在电场中迁移率的差异（即离子的大小和形状）进行分离的分析技术。由于其高选择性和快速分析能力，IMS已被广泛应用于法医学、食品质量检测、环境监测和医学诊断等多个领域。离子淌度（K）和约化离子淌度（K₀）是IMS中的关键参数，其计算公式分别为 K= V_d/E= L/(t_dE) 和 K₀= K× (T₀/T) × (P/P₀)，其中V_d为漂移速度，E为电场强度，L为漂移管长度，t_d为漂移时间，T和P分别为漂移管温度和压力，T₀和P₀为标准温度和压力。漂移管IMS（Drift-Tube IMS, DTIMS）因其结构简单和适当的分辨率而备受青睐。IMS常与质谱（Mass Spectrometry, MS）联用，结合IMS基于离子尺寸/形状的分离能力和MS基于质荷比（m/z）的区分能力，可实现二维分离，显著提高复杂混合物分辨能力，并能区分同重和同分异构体。

在IMS中，针对分析物的不同化学性质，发展了多种电离源，包括放射性电离（如⁶³Ni或³H）、大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI）、X射线电离、紫外光致电离（Ultraviolet Photoionization）和二次电喷雾电离（Secondary Electrospray Ionization, SESI）等。SESI是一种软电离技术，通过中性蒸气与带电电喷雾液滴或试剂离子相互作用实现电荷转移，特别适用于电离极性挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs），对极性VOCs具有较高的电离效率。而APCI则通过电晕放电产生试剂离子（如质子化水簇），通过质子转移或化学电离方式电离分析物，更适用于中等极性和弱极性、低分子量的化合物或VOCs。将不同电离源集成在同一IMS配置中进行比较至关重要，但物理更换电离源既耗时又可能引入实验条件的不一致性。因此，开发固定配置的多模式电离源对于提高IMS和IM-MS的可用性和分析性能具有重要意义。双电离源系统具有减少分析时间、提高实验稳定性、增强分析物信号强度和拓宽检测范围等优势。

在样品前处理方面，基于鼓泡的萃取方法，如催化氧萃取（Catalytic Oxygenation-Mediated Extraction, COME），作为一种环境友好的液-气萃取技术，通过催化分解过氧化氢产生氧气微气泡，促进VOCs从液体基质向顶空转移。本研究旨在将APCI和SESI两种电离方式与COME、漂移管IMS和三重四极杆质谱（Triple Quadrupole MS, QqQ-MS）联用，构建一个双电离COME-IM-QqQ-MS系统，用于分析液体基质中具有不同物理化学性质的VOCs。

实验部分

化学品

实验所用试剂包括LC-MS级水、LC-MS级甲醇、无水乙醇、过氧化氢水溶液、尼古丁、乙酸乙酯、乙酸、二氧化锰催化剂，以及台湾小米酒和威士忌等实际样品。

COME系统

COME系统主要由蠕动泵、聚四氟乙烯管路和定制设计的萃取室组成。萃取室内预先加入二氧化锰催化剂和水，然后注入样品溶液。通过蠕动泵将过氧化氢溶液泵入萃取室，催化剂使其迅速分解产生氧气微气泡，持续130秒，实现VOCs的萃取。

漂移管离子淌度装置的构建

自制漂移管IMS装置的核心部件包括3D打印的双电离源支架、APCI电晕放电针（铂丝制成，连接20 kV高压电源）和纳升电喷雾电离（nano-Electrospray Ionization, nESI）发射极（熔融石英毛细管，连接另一20 kV电源）。漂移管由不锈钢环电极、离子门电极和法拉第盘等组成，电极间由陶瓷垫片绝缘。漂移气为氮气，通过分子筛管除湿，并由质量流量控制器精确控制流速。第一个离子门由场效应晶体管脉冲发生器控制。

漂移管离子淌度装置与三重四极杆质谱仪的联用

自制IMS装置通过定制的离子传输单元与商业QqQ-MS仪相连。第二个离子门控制离子包进入质谱真空接口。脉冲参数由Analog Discovery 2模块通过JavaScript设置，离子门脉冲在0.222 ms范围内每2秒递增扫描一次。整个系统通过部署在NVIDIA Jetson Nano开发套件上的图形用户界面进行控制，实现自动化操作和离子淌度谱实时可视化。

结果与讨论

双电离COME-IM(-QqQ-MS)系统的优化

以乙醇中的乙酸乙酯为模型分析物，优化系统关键参数。优化过程中，选择乙酸乙酯质子化二聚体峰强度及其半峰全宽作为评估指标，因其对实验条件变化更为敏感。

优化参数包括：APCI电压（19 kV）、nESI电压（16 kV）、漂移管电压（13 kV）、nESI泵压力（450 mbar）、漂移气流速（3.5 L min^–1）、第一离子门脉冲宽度（300 μs）和第二离子门脉冲宽度（800 μs）。同时，针对不同分析物优化了nESI电解质组成：分析乙酸乙酯时使用含5%乙酸的35%甲醇水溶液，分析尼古丁时使用含5%乙酸的80%甲醇水溶液。

利用结合APCI和SESI的双电离IM-MS分析VOCs

利用构建的双电离源系统分析了具有不同物理化学性质的VOCs：尼古丁（高极性、高气相质子亲和力）和乙酸乙酯（中等极性、弱碱性、高挥发性）。

在APCI模式下，尼古丁单体（漂移时间7.99 ms，约化淌度1.61 cm²V^–1s^–1）和二聚体（漂移时间12.43 ms，约化淌度1.07 cm²V^–1s^–1）的测量值与文献报道一致。SESI模式下，尼古丁的信号强度显著高于APCI模式（单体约2倍，二聚体约17倍）。

对于乙酸乙酯，APCI模式下的信号强度优于SESI模式（单体约2倍，二聚体约5倍），其单体（漂移时间6.66 ms，约化淌度1.84 cm²V^–1s^–1）和二聚体（漂移时间8.21 ms，约化淌度1.54 cm²V^–1s^–1）的约化淌度也与文献值接近。

在SESI-IM谱中观察到尼古丁二聚体的部分解离碎片离子峰，而在APCI-IM谱中观察到乙酸乙酯二聚体部分解离产生的单体离子峰，这反映了离子从漂移管向质谱传输过程中发生的解离现象。

利用双电离COME-IM-QqQ-MS分析实际样品中的VOCs

将系统应用于未稀释的台湾小米酒和威士忌样品中乙酸乙酯的分析。在选择性离子监测模式下，监测质子化乙酸乙酯单体（m/z89）和二聚体（m/z177）。结果表明，两种样品中均检测到清晰的单体和二聚体峰，且APCI模式下的信号强度高于SESI模式，这与乙酸乙酯的电离特性相符。分析过程中观察到残留引起的本底信号，通过乙醇蒸气清洗系统得以部分缓解。尽管该方法目前的检测灵敏度在毫摩尔范围，但无需复杂样品前处理即可直接分析液体基质中的VOCs，显示了其应用潜力。

离子淌度谱中水分影响的研究

研究了漂移气中水分对SIM-IM谱图的影响。去除分子筛管导致漂移气湿度增加，显著抑制了分析物信号强度。对于乙酸乙酯（APCI模式），高湿度条件导致单体信号强度降低超过2倍，二聚体降低约3倍。对于尼古丁（SESI模式），高湿度也导致单体信号轻微下降，二聚体信号下降近2倍。这表明水分会促进水合离子簇的形成，与分析物离子竞争，并可能通过增加离子尺寸和碰撞截面导致漂移时间延长和峰展宽，因此控制漂移气湿度对于获得稳定、高灵敏度的IMS测量结果至关重要。

使用同位素标记乙酸乙酯进行离子淌度谱的漂移时间和强度校正

为克服自制IMS原型机存在的漂移时间和信号强度波动问题，采用1,2-¹³C₂标记的乙酸乙酯作为同位素内标进行校正。将分析物（乙酸乙酯）与内标混合进样，以第一次重复实验的数据为基准，计算后续各次实验中内标二聚体（m/z181）的漂移时间和强度校正因子，并将其应用于分析物二聚体（m/z177）和单体信号的校正。

校正后，乙酸乙酯二聚体信号强度的相对标准偏差从40.2%降至7.8%，漂移时间的相对标准偏差从25.2%降至0.6%。单体信号的重复性也得到显著改善（强度RSD从15.8%降至8.4%，漂移时间RSD从33.3%降至1.9%）。该方法有效提高了漂移管IM-MS数据的重现性和可靠性。

结论

本研究成功构建并优化了双电离源（APCI/SESI）结合催化氧萃取（COME）的离子淌度-三重四极杆质谱（IM-QqQ-MS）在线分析平台。该系统通过图形用户界面控制，实现了VOCs的高效萃取和快速分析。双电离源设计允许根据分析物极性选择最优电离方式，SESI对极性VOCs（如尼古丁）灵敏度高，而APCI更适用于中等极性VOCs（如乙酸乙酯）。系统能够清晰区分单体和二聚体物种。研究表明控制漂移气湿度对维持信号稳定性至关重要，并验证了使用同位素内标进行漂移时间和强度校正的有效性。该自制平台为复杂基质中多样化VOCs的快速、可靠分析提供了一种低成本、高效的解决方案。未来可考虑集成其他电离源（如X射线或紫外光电离）以进一步扩展其应用范围，并需通过提高分辨率来实现结构异构体的区分。