激光解吸/激光电离-质谱法二恶英及其关联物的在线检测

李阿丹，洪 伟，王 晶

（1.燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004；2.中华人民共和国秦皇岛出入境检验检疫局，河北秦皇岛066000）

激光解吸/激光电离-质谱法二恶英及其关联物的在线检测

李阿丹1，*，洪 伟2，王 晶1

（1.燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛066004；2.中华人民共和国秦皇岛出入境检验检疫局，河北秦皇岛066000）

本研究使用毛细管直接进样法，利用气体绝热膨胀过程的冷却效果使样品和载气分子凝结、浓缩于毛细管端口，再利用脉冲激光解吸技术将样品解吸以脉冲气流的方式引入质谱，通过考察毛细管加热温度、解吸激光能量、解吸激光与电离激光之间的延迟时间等因素确立了有效的分析条件，实现了对氯苯酚、五氯苯等5种化合物的在线检测。相对于传统的连续导入方式，脉冲式导入方式增加了样品浓缩的环节有利于降低检出限。同时本实验中高密度飞秒电离激光的采用也确保了解吸后的分子能够被共振增强双光子电离，增强了分析的灵敏度。

二恶英；在线检测；激光解吸；多光子电离；电离效率

0　引言

二恶英在线检测的研究最早见诸报道的是德国的Weickhard在1993年利用激光质谱法检测的结果，实验证明激光电离法是区别于电子轰击法（EI）的一种有效的“软”电离手段，并且二恶英各种异构体都有其特征光谱［1］。1996年Zimmermann在第26届国际燃烧研讨会上首次采用共振增强多光子电离（REMPI）与飞行时间质谱（TOFMS）相结合，检测了燃烧废气物中有机物的谱图，并提出了在线检测二恶英技术所遇到的问题［2］。文章显示二恶英分子结构相似且光谱图差异较小，只能实现几种分子的准确测量，因此对二恶英的关联物质进行检测可间接实现二恶英的在线检测。二恶英关联物是指那些和二恶英及毒性有密切相关性并且能够通过它们的浓度来量化或半量化二恶英浓度的物质，这些物质在焚烧气中有较高的浓度、结构也相对简单，能够较容易实现在线测量。目前研究发现氯苯、氯酚及多环芳烃与二恶英存在较好的相关性，是比较合适的关联物［3-4］。对指示物和二恶英建立关联模型后就可以对二恶英的浓度进行间接检测用来克服实际飞灰及燃烧产物中二恶英浓度过低的问题。通过结合关联物及模型的研究结果，目前的研究者认为光电离技术联合飞行时间质谱仪技术具有实现二恶英在线测量的可行性［5-7］。

2011年笔者利用REMPI技术实现了土壤中二恶英的定量检测，比较了皮秒激光及纳秒激光对二恶英类物质的电离效率，并讨论了皮秒激光不同波长（266 nm和213 nm）对二恶英类物质电离的影响［8］。研究结果显示激光电离对二恶英物质有着选择性高、灵敏度高等特点，但由于重原子效应的影响使二恶英物质（特别是高氯取代的二恶英类物质）的激发单重态寿命缩短，电离效率明显下降。当激光的脉冲宽度小于激发单重态寿命时，分子就会发生系间穿越释放部分能量到分子的激发三重态，而难以被继续电离［9-10］。因此纳秒激光或皮秒激光不能很好地电离高氯二恶英，而采用脉冲宽度较小的飞秒激光无疑加大了分析的成本。因此，利用电离二恶英类关联物氯苯酚、氯苯及多环芳烃等物质的方法可以有效地解决双光子电离中因重原子效应而电离效率降低这一难题。本研究同时采用两种波长的激光针对3种二恶英分子及两种二恶英关联物进行了检测。第一种激光用来解吸凝结在毛细管口的被测物分子，使其能够顺利进入质谱，第二种激光用来实施二恶英及其关联物分子的双光子共振增强电离，实现二恶英关联物的选择性检出。

1　实验设备及试剂

1.1飞行时间质谱仪

气相色谱与质谱中所常用到的电子轰击式离子源由加速电场、推斥极和灯丝（一般是钨丝）组成，电子束的产生及被分析分子的电离均在质谱内部发生，而本研究中的电离源及解吸源均是激光，且激光器只能放置到质谱仪外部。同时，因为被分析物的电离需在质谱内部发生，因此就需要质谱仪有允许激光束通过的窗口来以此电离或解吸被分析物分子，同时还要保证质谱内部的高真空环境。本实验所采用的飞行时间质谱的各加速电极的外观部分详见图1（a），质谱仪的外部及窗口设计部分详见图1（b），实验设备的总示意图详见图1（c）。

图1　飞行时间质谱的设计及实验装置示意图Fig.1 Modified time-of-flight spectrometer and the schematic representation of the experimental setup

1.2电离源和解吸源

解吸激光为Nd：YAG激光（第二谐波532 nm，1 kHz，1 ns，FQSS 266-50）；电离激光为Ti：Sapphire激光（第三谐波267 nm，1 kHz，85 fs，COHERENTCo.，Ltd.）；延迟/脉冲发生器（DG535，Stanford Research Systems，Inc.）。

1.3实验试剂

对氯苯酚，五氯苯，2，6-二氯二苯并呋喃（2，6-diCDF），2，3，8-三氯二苯并呋喃（2，3，8-triCDF），1，2，3，4-四氯二苯并呋喃（1，2，3，4-tetraCDF）（Wellington Laboratories）。

2　实验结果与讨论

2.1毛细管加热温度对电离信号的影响

因为本实验所用标准物质中有沸点超过300℃的物质进入质谱，为了降低这些物质的检出限使其能够顺利气化进入质谱被检出，本文将毛细管的外部设计了加热的铜管（除了伸入质谱内部1 mm的毛细管部分）。固定电离激光与解吸激光的延迟时间在8 μs，保持电离激光的能量在80 μJ不变，使毛细管外部的加热铜管温度在20～300℃之间变化，得到的对氯苯酚的电离信号值如图2所示。

图2　毛细管外周管线温度对对氯苯酚电离信号的影响Fig.2 Effect of the transferline temperature around the capillary on the ionization signal of p-cholrophenol

由图2可以看出，当毛细管尖端的温度为20℃时解吸激光照射时的信号强度是非照射强度信号的80倍。然而，随着毛细管尖端的温度上升，质谱峰的信号强度降低。这是因为随着毛细管尖端温度升高，凝着在尖端的对氯苯酚分子数减少，从而使气体脉冲密度降低。样品是由于绝热膨胀的冷却效果浓缩至毛细管尖端，然而当增加毛细管外加热管的温度后，从加热管开始处到毛细管尖端处温度梯度增大，致使样品在毛细管尖端的的附着量减少。由于本实验中所添加标准样品较少（10 μL）并且有流动的氦气作为载气，气化效果能够保证足够的检出度。但对于分析实际环境样品时应首先保证高沸点的物质能够气化顺利进入毛细管，而后再考虑在毛细管尖端凝结所需的最低温度。

2.2解吸激光能量与电离信号之间的关系

首先用移液枪将定量的标准品滴入到取样袋（Tedlar bag，2L，Omi Odor-Air Service，Shiga）内，通入氦气。用大约1 m长的非活性毛细管柱（0.32 mm i.d.）插入取样袋一端，另一端伸入质谱，将伸入质谱端的毛细管关口内径控制在50 μm左右以使进入到质谱的气体能发生绝热膨胀［11］。将解吸激光的激光束聚焦在离毛细管管口1 mm左右的毛细管尖端处，而电离激光聚焦在管口外某处，具体位置需以激光调节时所用的试剂信号为准。本研究用来确定电离激光位置及质谱内各电压所用试剂为五氯苯，其主要作用是确立电离激光位置及优化质谱分辨率。固定两种激光的延迟时间为8 μs，通过调节解吸激光的能量所得的五氯苯的质谱图如图3所示。

图3　解吸激光能量对五氯苯电离信号的影响Fig.3 Influence of the desorption laser energy to the ionization signal of pentachlorobenzene

由图3的质谱结果可以看出随着解吸激光能量的增加，五氯苯质谱信号强度不断增大，在激光能量达到83 μJ时达到最大值。之后，由于激光能量增强，光子密度过大引起了分子离子峰的分解，由于解吸过度（能量：120 μJ）被检测出的碎片峰峰高增强，其结果致使分子离子峰信号强度降低。在解吸电压为0 μJ时，五氯苯也可以被检出，但与其它具有解吸激光的电离信号相比强度相对较低。当解吸激光能量值在18 μJ、48 μJ、83 μJ、120 μJ时，检测信号值分别是不使用解吸激光信号值的4.3倍、24倍、47和31倍。由此可见，激光解吸作为一种激光电离的辅助手段可以收到良好的检测效果。

此外，为了考察不同化合物与解吸激光能量的关系，本文将电离激光能量值固定，考察了对氯苯酚、2，6-diCDF、2，3，8-triCDF、1，2，3，4-tetraCDF4种化合物在解吸激光能量在0～68 μJ区间内的信号强度，结果如图4所示。其纵坐标的具体含义是固定电离激光后，变换解吸激光能量得到的电离信号与没有加解吸激光只有电离激光两种实验条件下得到的质谱图的强度比。由图4可以看出，随着解吸激光能量增加，4种化合物的电离信号强度均有不同程度增强，电离信号值分别是未使用解吸激光时电离信号值的22、49、75、85倍。这4种化合物的沸点分别为220℃、356℃、389℃和416℃，当样品被载气携带进入质谱，在毛细管口由绝热膨胀所引起的冷却效果因为样品沸点的增高而增强，从而样品浓缩在毛细管关口凝聚效果增强。对于沸点相对较低的物质如对氯苯酚，毛细管尖端的冷却效果低于其它高沸点物质，因此电离信号与未使用解吸激光相比效果不是很显著；而对于容易粘连到毛细管尖端的高沸点多氯二恶英类物质，则有更高的浓缩及解吸效果。

图4　解吸激光能量对4种标准物质电离信号的影响Fig.4 Influence of the desorption laser energy to the ionization signal for the 4 standard samples

2.3解吸激光与电离激光延迟时间的确立

固定解吸激光的量为83 μJ，通过改变激光电离之间的延迟时间测定了对氯苯酚的电离信号的质谱图，其信号强度对比结果如图5（a）所示。从该结果可以看出随着延迟时间在0～50 μs之间变化，样品的分子离子峰的质谱峰信号值相差很大，在6～8 μs区间对氯苯酚能得到较好的检出。这在一方面证实了样品在毛细管尖端得到了凝聚和浓缩，其导入方式不是连续的导入而是脉冲式导入。因为如果是连续导入则样品在电离激光每个脉冲所得到的电离信号均相等，不会有类高斯的强度分布，只有样品呈现脉冲方式导入时在每个脉冲区间才会有电离信号的衰减。

在另一方面，由图5（a）也可计算得到样品分子凝聚的饱和时间及凝聚区域。本实验所应用到的毛细管管口被限制在50 μm左右，当该管口内的气体从管口喷射到质谱的真空腔内，其气体的流速可达到超音速，据报道在真空、室温环境下样品分子在管口喷射的平均速度在600 m/s左右［12］。峰的半高宽表示在当前的流速下样品在解吸激光照射后6.5 μs内达到饱和，根据流速可计算得到气体脉冲的宽度应在3.9 mm左右，其示意图如图5（b）所示。解吸激光与电离激光延迟时间的确立对于高灵敏度检测环境中的二恶英物质十分必要。

图5　解吸激光与电离激光延迟时间对电离信号的影响及脉冲气体宽度示意图Fig.5 Influence of the delay time between desorption laser and the ionization laser to the ionization signal and the schematic diagram of the width of the pulsed gas

3　结论

1）对于高沸点的物质，虽然适当的加热有利于分子的气化，但从本研究的结果来看温度过高不利于解吸后电离信号的增强，样品在毛细管尖端不能得到很好的浓缩。因此当毛细管温度为20℃时，电离信号值是300℃时的80倍，有利于降低检出限提高分析灵敏度。

2）适当地增加解吸激光能量有利于提高电离信号值，但过高的解析能量容易引起分子离子峰的分解从而降低电离信号值，对于五氯苯分子其最佳解吸激光能量在83 μJ。同时对于不同沸点的物质所需的最佳解吸激光能量也不同。

3）通过对氯苯酚解吸与电离激光延迟时间的研究证实了脉冲气流的存在并得到了最佳延迟时间和脉冲宽度。

［1］Weickhardt C，Zimmermann R，Boesl U，et al.Laser mass spectrometry of dibenzodioxin，dibenzofuran and two isomers of dichlorodibenzodioxins：selective ionization［J］.Rapid Communication Mass Spectrometry，1993，7（3）：183-185.

［2］Zimmermann R，Lenior D，Kettrup A，et al.On-line emission control ofcombustionprocessbylaserinducedresonance-enhanced multiphoton ionization/mass spectrometry［C］//26th International Symposium on Combustion，The Combustion Institute：Pittsburg，1996：2859-2868.

［3］Zhou H，Meng A，Long Y Q，et al.A review of dioxin-related substances during municipal solid waste incineration［J］.Waste Management，2015，36（2）：106-118.

［4］Jansson S，Fick J，Tysklind M.Effect of injection of di-and tricyclic aromaticcompoundsonpost-combustionformationof polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans［J］.Science of the Total Environment，2011，409（18）：3386-3393.

［5］Heger H J，Zimmermann R，Blumenstock M，et al.On-line real-time measurements at incineration plants：PAHs and a PCDD/F surrogate compound at stationary combustion conditions and during transient emission puffs［J］.Chemosphere，2001，42（5/7）：691-696.

［6］Byer J D，Pacepavicius G，Lebeul M，et al.Qualitative analysis of halogenated organic contaminants in American eel by gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry［J］.Chemosphere，2014，116：98-103.

［7］Liu B K，Chen L，Wang Y Q，et al.Vacuum ultraviolet photon ionization mass spectrometer for detection of dioxin precursors［J］. Chinese Journal of Analytical Chemistry，2014，42（2）：173-178.

［8］Li A，Uchimura T，Watanabe-Ezoe Y，et al.Analysis of dioxins by gas chromatography/resonance-enhanced multiphoton ionization/ mass spectrometry using nanosecond and picosecond lasers［J］. Analytical Chemistry，2011，83（1）：60-66.

［9］ImasakaT.Ultravioletfemtosecondlaserionizationmass spectrometry［J］.The Chemical Record，2008，8（3）：23-32.

［10］Yamaguchi S，Uchimura T，Imasaka T，et al.Gas chromatography/ time-of-flight mass spectrometry of triacetone triperoxide based on femtosecond laser ionization［J］.Rapid Communications in Mass Spectrometry，2009，23（5）：3101-3106.

［11］Uchimura T，Sakoda Y，Imasaka T.On-line concentration by analyte adsorption and subsequent laser desorption in supersonic jet spectrometry［J］.Analytical Chemistry，2008，80（10）：3798-3802.［12］Imasaka T.Supersonic jet spectrometry［J］.Bunseki Kagaku，2000，50（1）：3-30.

Online detection of dioxin and dioxin-related substances using laser desoption/laser ionization-mass spectrometry

LI A-dan1，HONG Wei2，WANG Jing1
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；2.People′s Republic of China Qinhuangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Qinhuangdao，Hebei 066000，China）

A direct injection method with a capillary was utilized to realize the cooling and condensing effect of the molecules of the carrier gas and the gas samples.The molecules concentrated on the capillary port were introduced into the mass spectrometer with a desorption laser，and then ionized by a femtosecond laser with a resonance-enhanced two-photon ionization process which can increase the sensitivity.The online analysis condition of the p-cholorophenol and pentachlorobenzene altogether 5 compounds was confirmed by checking the capillary heating temperature，desorption laser energy and the time delay between desorption laser and the ionization laser.Compared with the traditional continuous introduction mode，pulse introduction method can reduce the detection limits because of the condensing step.

dioxin；online analysis；laser desorption；multiphoton ionization；ionization efficiency

O657.63

A DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2015.06.007

1007-791X（2015）06-0511-05

2015-09-23 基金项目：河北省自然科学基金资助项目（B2014203137）；燕山大学青年教师自主研究计划课题（13LGA014）

*李阿丹（1975-），女，黑龙江齐齐哈尔人，博士，教授，主要研究方向为激光电离法色谱质谱有机污染物的分析，Email：adanli@ysu.edu.cn。