聚丙烯腈和二氧化硅复合纤维膜富集高分辨质谱法测定烟气中的有害化合物

申素素　梁大鹏　陈焕文　苏蕊

摘要以聚丙烯腈（PAN）和二氧化硅（SiO2）纳米粒子的混合溶液为纺丝溶液，采用静电纺丝技术制备具有高吸附性能的新型PANSiO2疏水性复合纤维膜，对香烟燃烧产生的烟气进行富集，用甲醇作为洗脱溶剂，对待测组分进行洗脱，并使用高分辨串联质谱技术进行测定。实验结果表明，通过调控PAN和SiO2纳米粒子的浓度，优化静电纺丝参数，得到对小分子有机化合物吸附性较强的纤维膜。对所收集到的烟气进行质谱测定，在正离子模式下，检测到的主要成分有尼古丁、丙酮、苯乙烯、丙烯醛、异戊二烯、丙烯腈等21种小分子有机化合物；在负离子模式下，检测到的主要成分有水杨酸、苹果酸和乳酸等6种有机酸。同时，对烟气中的主要有害成分尼古丁进行定量分析，方法的检出限为0.071 ng/L，定量限为0.236 ng/L。

关键词聚丙烯腈和二氧化硅复合纤维膜； 高分辨质谱技术； 香烟烟气； 有害化合物

1引 言

香烟烟气化学成分复杂，主要是由刺激性气体和致癌的焦油颗粒物混合组成，目前已鉴定出的化学物质有近5000种[1～3]，其中已被证实的有致癌、致畸、致突变作用的化合物有50种[4]，例如尼古丁[5]、亚硝胺[4，6]、多环芳烃[7]等。香烟燃烧产生的烟气损伤吸烟者呼吸道的上皮细胞，成为引发慢性阻塞性肺疾病和肺癌的病因之一[8]。

香烟烟气中有机化合物的含量较低，测定较为困难，在样品进行仪器检测前需要大量的前处理步骤以尽量完全地提取烟气中的组分，并有效提高方法的灵敏度。常用的提取方法有液液萃取法[9]、固相微萃取法[10]等。这些方法操作步骤繁琐，耗时较长。目前，用于检测香烟烟气成分的技术主要有气相色谱法（GC）[11]、红外紫外光谱质谱联用法（IRUVMS）[12]、高效液相色谱质谱联用法（PLCMS）[5]、共振增强多光子电离飞行时间质谱法（REMPIOFMS）[6]和单光子飞行时间质谱法（SPIOFMS）[13]等。这些方法操作繁杂，耗时较长，难以实现对样品的微量快速分析。而电喷雾电离质谱法（ESIMS）无需复杂的样品预处理，能够用于直接检测复杂基体样品，具有操作简单，灵敏度高，分析速度快等特点。此外，在烟草及烟气成分分析领域中，科研工作者多聚焦于顆粒物粒径分布分析，或气溶胶成分中盐类物质的含量测定 [14]。由于气体中小分子化合物难于捕捉、富集和测定，很少有对烟气中小分子有机化合物进行分析的报道，而这些小分子的有机化合物常对人体的健康和代谢功能产生影响，因此，准确测定香烟烟气中的有害物质及其主要成分的含量，能够在一定程度上量化一支香烟烟气的危害，对人体健康和环境影响的分析具有积极意义。

传统的气体富集方法主要利用多孔膜富集。多孔膜过滤气体的原理类似于过滤流体，主要是通过其细小孔径进行截留并富集粒径大的固体颗粒物[15]，而粒径小的分子不能被富集，此类多孔膜常用于过滤空气中直径较大的固体颗粒物。由于多孔膜不能够对气体中的小分子化合物进行富集，因此，对挥发性有机物具有强吸附性的空气纤维膜制备技术得到发展。常用的纤维膜制备方法为静电纺丝技术[16，17]，通过调控纺丝液的组成、浓度等参数可以对纤维膜的孔径进行调控，对气体进行过滤，同时达到对小分子有机物吸附的目的[18]。

本研究采用静电纺丝技术制备纤维复合膜，通过在纺丝液中加入二氧化硅，形成膜的特殊孔道结构，有效延长了烟气在纤维膜表面的回旋时间，增强了吸附性能，通过调控纺丝的电压，改变纺丝粗细，提高纤维膜机械强度，最终得到吸附性能高，韧性好的疏水纤维膜。将此纤维膜用于富集烟气中的有机化合物，并使用有机溶剂将待测组分从纤维膜上洗脱下来，结合OrbitrapMS高分辨质谱仪对所得洗脱液测定，定性分析香烟燃烧产生的烟气中小分子有机化合物的种类，并定量测定了烟气中尼古丁的含量。

2实验部分

2.1仪器与试剂

真空干燥器（上海精宏实验设备有限公司）、JP20024型氮吹仪（上海旌派仪器有限公司）、KQ300DE型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）、离心机（德国Eppendorf公司）、砂芯过滤器、SBⅢ型台式循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）、RE型加热磁力搅拌器（德国IKA公司）。静电纺丝装置（实验室自主搭建，包括静电纺丝箱体、Genie ouch 型流动注射泵 （美国 Kent Scientific公司）、73030P型高压电源（江苏宿迁波尔高压电源有限公司）和黄铜网接收板）。高分辨静电场轨道阱质谱仪（Orbirap MS， 美国hermo Scientific公司），Xcalibur 5.0数据处理系统（美国hermo Scientific公司）。

聚丙烯腈（PAN， MW=150000，上海麦克林生化科技有限公司）；N，N二甲基甲酰胺（DMF，分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；疏水性二氧化硅纳米粒子（SiO2，Nano fumed silica，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；尼古丁标准品（特级纯，美国Chroma Dex股份有限公司）；甲醇（色谱纯， 德国EMD Millipore公司）；实验用水均为二次蒸馏水。

2.2实验方法

2.2.1纤维复合膜的制备用10 mL注射器吸取5 mL纺丝液，在0.26 mm针头上施加16 kV高压电，使针头尖端以“泰勒锥”形状喷射出纳米纤维丝，收集于黄铜接收板上。纺丝过程中，针头和接收板间的距离为20 cm，纺丝液以流速0.5 mL/h喷射4 h。纺丝箱内温度为20～25℃，湿度为35%～40%。纺丝结束后，将膜置于真空60℃条件下干燥6 h，得到PANSiO2纤维膜。静电纺丝流程如图1所示。

2.2.2香烟烟气样品的富集按图2所示组装装置，点燃香烟，通过循环水式真空泵进行抽滤，使香烟烟气缓慢通过PANSiO2纤维膜进行过滤富集，富集时间为10 min。

2.2.3样品的预处理取一块5 cm×5 cm的正方形纤维膜，覆盖于瓶口，富集一支香烟燃烧所产生的烟气，并用1 mL甲醇对富集后的纤维膜进行超声萃取，萃取两次，每次5 min，合并萃取液，用0.22 μm滤膜过滤，取10 μL萃取液，并用甲醇稀释至10.00 mL，进行ESIMS分析。

2.2.4ESIMS实验条件采用直接质谱进样，正离子扫描模式下，每个品牌的香烟样品平行进样5次，一级谱图的质荷比扫描范围为m/z 50～750。设定ESI离子源离子传输管温度为320 ℃，电离电压为3.5 kV，鞘气和辅助气为氮气，设定气流流量分别为0.672和1.515 L/min，蠕动泵进样流速为5 μL/min。碰撞诱导解离（CID）实验时，设定母离子的隔离宽度为1.5 Da，碰撞时间为200 ms，碰撞能量参数范围设为50～70。

3结果与讨论

3.1纤维膜的制备

利用静电纺丝技术制备空气滤膜需要考虑以下因素[18]： （1）膜厚度影响气流在纤维层间渗透；（2）膜孔径影响滤膜捕获空气中颗粒物的效率；（3）纤维膜的机械强度采样时真空泵开启的负压会导致纤维膜破裂。因此，实验优化了纺丝液的组成、浓度、流速、纺丝电压、纺丝针头孔径等参数，并表征了纤维膜孔径，验证了纤维膜机械强度。

3.1.1纺丝电压、纺丝针头孔径、纺丝液流速用单因素水平优化静电纺丝参数： （1）调控纺丝电压范围为10～25 kV，当纺丝电压设置为16 kV时，得到的纺丝射流较为稳定。（2）调控纺丝针头孔径范围为0.06～0.50 mm，当使用0.26 mm针头喷射时，接收板上得到的纺丝厚度均匀。（3）设置纺丝电压纺丝电压为16 kV，针头孔径为0.26 mm时，调控纺丝流速范围为0.1～1.0 mL/h，当纺丝液流速为0.5 mL/h时，纺丝不易黏结，射流稳定。因此，最优静电纺丝条件选择为： 电压16 kV， 针头0.26 mm，纺丝液流速0.5 mL/h。

3.1.2PAN浓度的调控实验以PAN的DMF溶液为纺丝液进行纺丝，考察了PAN浓度（4%， 6%， 8%， 10%， 12%）对纺丝效果的影响。当PAN浓度≤10%时，由針头喷射出的纺丝液以大颗液滴状态落在铜网上，未成纺丝。当PAN浓度为12%时，纺丝直径一致，在铜网接收板上分布均匀，如图3A所示。浓度为4%， 6%， 8%， 10%和12%的PAN溶液得到的纤维丝的平均直径分别为11.97， 26.09， 65.23， 102.06和164.16 nm。从图3B可见，随着PAN浓度增加，纤维膜的直径逐渐增大。但当PAN浓度>12%时，喷雾不连续。因此，选择12%的PAN溶液进行静电纺丝。

3.1.3SiO2纳米粒子浓度的调控在PANDMF溶液中加入适当浓度的SiO2纳米粒子，可以改良纤维膜的结构，得到刺状结构的纤维膜；当气体扩散到纤维膜表面时，SiO2刺状结构导致气体在膜上形成小的停滞区[18]，使纤维膜与气体有充分的时间反应，提高纤维膜的吸附性能。实验对SiO2 纳米粒子浓度（0%， 2%， 4%， 6%， 8%和12%， 质量的百分浓度）进行了优化。从图4可知，SiO2纳米粒子浓度越大，纤维膜表面越粗糙。浓度过大的SiO2纳米粒子会破坏纤维丝原有的形状，导致纤维丝不均匀，如图4C和图4D所示。将上述6种不同SiO2 纳米粒子浓度的纤维膜分别按照2.2.2节的方法富集香烟烟气，以尼古丁的质谱信号响应强度作为指标，评价纤维膜吸附效果，实验所得尼古丁的平均质谱信号依次为6.83×105（0%）， 9.28×105（2%）， 8.81×106（4%）， 8.60×106（6%）， 2.64×106（8%）和 8.85×105（12%）。结果表明，当SiO2 纳米粒子浓度为4%时，纤维膜刺状结构分布较均匀， 吸附效果较好。

3.1.4纤维膜机械强度、孔径的测量实验通过控制静电纺丝参数及纺丝时间达到调节纤维膜孔径和厚度的目的，进而改变纤

维膜的透过率和机械强度。为了保证良好的气体透过率和有机化合物吸附性，实验分别考察100， 300， 500， 1000， 2000和3000 nm孔径的纤维膜对烟气的透过率和对尼古丁的吸附能力，实验结果表明，当纤维膜孔径<500 nm时， 烟气透过纤维膜较为困难，阻力较大，气体透过率差；当孔径>2 μm 时，烟气拦截能力较差，透过纤维膜的烟气呈浑浊状态。同时进行尼古丁吸附实验，结果如图5所示，当纤维膜孔径为500 nm 时，尼古丁的信号响应值达到最大。此外，调节真空泵至极限26 kPa时， 在高压强的作用下纤维膜仍旧完好无损，未出现破裂情况，说明其具备很强的机械强度。

3.2香烟烟气成分的质谱分析

3.2.1正离子模式烟气成分分析如2.2.2和2.2.3节所述对4种不同品牌的香烟烟气进行纤维膜富集和甲醇洗脱，得到待分析溶液，采用Orbitrap MS在正离子检测模式下进行质谱分析，得到全扫描谱图。4种香烟所得全扫描谱图离子基本一致，但离子信号响应强度有所不同，说明小分子有机化合物的含量不同。由图6可知，m/z 163.1226为基峰，是烟气的主要成分。图6插图中m/z 163.1226的二级碎片离子与尼古丁标准品谱图及文献[5，20]报道一致，因此判定m/z 163.1226为尼古丁。除主成分尼古丁外，还定性分析了其它20种小分子有机化合物，见表1。

在最佳实验条件下，根据所得信号强度（I）对标准溶液浓度（C）绘制标准工作曲线，如图8所示。所得标准曲线线性范围广，为1.0×106～1.0 μg/L， r>0.999。将被测物的信号分别为3倍和10倍信噪比（S/N）时对应的浓度定义为方法的检出限（LOD）和定量下限（LOQ）。本方法测定尼古丁的LOD为0.071 ng/L，LOQ是0.236 ng/L，RSD为0.06%～0.58%。

采用本方法对4个品牌香烟燃烧产生的烟气进行了测定，平行测定3次，计算得到每支香烟烟气中尼古丁的含量分别为48.6， 49.5， 51.0和64.4 μg。

为了评价方法的重现性和实用性，对品牌1和品牌4的香烟进行尼古丁加标回收实验，尼古丁加标量为10和100 μg/支，加标后将样品置于暗处24 h后进行分析。每个样品的每个浓度均平行测定3次， 尼古丁的回收率为77.4%～86.9%，RSD为1.6%～4.1%（表2），表明本方法的重现性良好。

3.4方法比较

将多种富集方法与本方法进行了比较，包括丙酮吸收阱收集法[23]、剑桥滤片/滤板法（Cambridge filter/filter pad， CF/CFP）[6，24]、固相萃取法（SPE）[4]、和顶空固相微萃取法（SSPME）[10]，以及两种方法的联合使用[25]，对比结果列于表3。与其它方法相比，本方法所需样本量小、样品前处理時间短、有机溶剂用量少、操作步骤简单、测定的小分子有机化合物种类多。在实验成本和环保等方面，本方法都体现出了较大的优势，且本方法得到的检出限更低。

4结 论

本实验通过制备PANSiO2纤维膜，成功富集了香烟烟气中的有机化合物，并结合高分辨串联质谱技术进行测定。简化了以往繁琐的样品前处理步骤，改良并提升了纤维膜只能过滤不能吸附的性能，快速测定了气体中难于富集和测定的小分子有机化合物。通过改变提取条件和纺丝条件，获得孔径尺寸可调控的PANSiO2纤维膜，可将此纤维膜应用于大气环境分析（如PM2.5的监测）和医疗领域（如呼吸气体中小分子有机化合物的测定）中，以及其它复杂气体基质中有机污染物的残留分析。

AbstractA new method was proposed for analysis of the organic compounds in cigarette smoke by high resolution Orbitrap mass spectrometry based on polyacrylonitrilesilica （PANSiO2） nanofiber membrane extraction and methanol elution. ydrophobic PANSiO2 nanofiber membrane which was used to enrich small molecular organic compounds in cigarette smoke was prepared by the technology of electrospinning. Several parameters including the concentrations of PAN and SiO2 nanopartical， elecrospining voltage， needle aperture and flow rate of spinning solution were optimized. Under the optimal conditions， a PANSiO2 nanofiber membrane with good adsorption performance and great physical strength was obtained. A total of 21 compounds including acetone， styrene， acrolein， isoprene， and acrylonitrile were identified by analyzing the cigarette smoke with Orbitrap MS spectrometry in the positive ion mode. Six organic acids including salicylic acid， malic acid and lactic acid were detected in negative ion mode. he limits of detection and quantification for nicotine were 0.071 ng/L and 0.236 ng/L， respectively.

KeywordsPolyacrylonitrilesilica nanofiber membranes； igh resolution mass spectrometry； Cigarette smoke； azard organic compounds