纳米金增强低温等离子体离子化质谱快速检测苯胺

马明英，徐富建，李 丹，张 琳，朱雪尉，张四纯

(清华大学 化学系，北京 100084)

苯胺是化工、染料及医药等行业的重要原料[1]，广泛用于纺织印染、农药、药物等工业生产中，工业排放进入水体中的苯胺是水体污染物中毒性较高的化合物之一[2]。残留于废水中的苯胺进入生物体后会引发高铁血红蛋白血症等疾病[3]，严重者会因缺氧而死亡，甚至与癌症的发生风险密切相关[4]，因此苯胺被很多国家列入优先控制污染物名单。2012年12月山西长治因苯胺泄漏事故发生重大突发性水污染事件，造成水质恶化，导致持久性环境污染。目前，苯胺的检测方法有拉曼光谱法[5]、流动注射分光光度法[6]、气相色谱法[7]、液相色谱-质谱法[8]、气相色谱-质谱法[9]等。其中色谱-质谱法灵敏度高、重复性好，是目前环境分析中定性、定量分析的常用方法，但其存在前处理过程繁琐，检测时间长的缺点，已无法满足简单、快速检测的发展需求。

2008年，本课题组与美国普渡大学Cooks教授课题组合作，发展出低温等离子体(Low-temperature plasma，LTP)离子化方法[10]。该技术是利用特殊设计的电极结构，将样品加载于基质表面，利用高频交流电场诱导介质阻挡放电，产生的低温等离子体直接与被分析样品相互作用，解吸和电离样品分子，通过质谱实现快速检测。LTP作为质谱离子源具有装置简便易操作、功耗低、工作温度低等优点，已应用于环境检测领域[11-12]。然而由于水体的基体效应，使得该方法存在分析灵敏度不足的问题。

本课题组在近期研究[13]中采用纳米金颗粒修饰纸芯片装置结合透射LTP-MS检测化学战剂时，质谱信号强度提高2个数量级。实验中发现低温等离子体探针可与金属针尖作用形成叠加电场而产生放电，提高样品离子化效率，并成功检测了痕量的化学战剂，检出限低至500 ng/L[14]。基于此，本文将纳米金颗粒溅射于针灸针表面后辅助LTP-MS进样用于提高苯胺的检测灵敏度，实现环境水样中苯胺污染物的快速检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

苯胺(分析纯，99.5%)购自北京百灵威科技有限公司；甲醇(色谱级)购自Sigma-Aldrich化学试剂公司；氦气(纯度≥99.999%)、氮气购于天津液化空气有限公司；去离子水由Milli-Q纯水系统制备。

实验采用热电公司的Finnigan线性离子阱质谱(Finnigan LTQ-MS,Thermo Finnigan)，软件系仪器配套LTQ Xcalibur version 1.4 SR1；交流电源采用的接触调压器为北京北理国科臭氧应用技术有限公司产品。LTQ质谱条件：离子传输管温度为275 ℃，毛细管电压9 V，透镜电压100 V。Hitachi E-1010离子溅射仪(日本Hitachi公司)；针灸针(Φ0.30 mm×25 mm)购于北京中研太和医疗器械有限公司。

图1 金纳米颗粒修饰针尖辅助增强LTP-MS检测苯胺装置示意图

图2 针灸针表面溅射电镜图

1.2 LTP离子源的设计

金纳米颗粒修饰针尖辅助增强LTP-MS检测苯胺样品示意图如图1所示。在一根中空玻璃管(内径1.1 mm，长10 cm)管外并肩连接两段导电铜丝作为电极，电极间距离为20 mm；载气(氦气)以2.3 L/min的流速通过玻璃管；两电极上施加高频高压交流电得到持续稳定的等离子体。LTP尾焰距离进样口15 mm，修饰后的针灸针以45°角斜插入等离子体；样品滴加于针尖上样；低温等离子体和修饰了金纳米颗粒的针尖接触促进了样品的解吸和电离，样品离子化后进入质谱仪，实现样品分析。在实验过程中，由于苯胺有一定毒性，因此整个操作步骤须由专业人员在通风条件下进行；实验过程涉及到高频高压电，必须做好绝缘防护；针灸针尖端细而尖锐，使用时谨慎取用，防止扎伤，回收时需存放于专有尖锐物品收纳容器内。

2 结果与讨论

2.1 金纳米修饰针灸针的表征

利用离子溅射仪在针灸针表面真空溅射镀金，制成金纳米基底。通过扫描电镜(SEM)对溅射后的针灸针进行表征。结果显示，溅射前针尖表面无粒子附着，而溅射后金纳米颗粒比较均匀的分布在针灸针基底表面(图2)。

2.2 实验条件优化

2.2.1 溶剂的选择实验选用丙酮、水、乙腈、甲醇、甲醇-水(5∶95)、乙醇作为溶解苯胺的溶剂，配成50 μg/L的苯胺溶液作为待测样品，考察溶剂对质谱信号强度的影响。结果显示，以甲醇-水(5∶95)为溶剂时信号最高，而乙醇因其离子峰[2M+H]+(m/z93)和苯胺离子峰[M+H]+(m/z94)峰相邻易产生溶剂峰干扰。

2.2.2 氦气压力优化氦气压力是影响低温等离子体的重要因素。实验中氦气压力不能过大或过小，压力过大时气流不稳定，会导致等离子体不稳定，降低质谱信号强度；压力过小时产生的等离子量过低或不产生等离子体同样使质谱信号强度降低。因此，实验考察了不同氦气压力(0.05～0.25 MPa)对质谱信号强度的影响。结果显示，随着氦气压力的增加，气体流速逐渐增大，低温等离子体探头处持续产生稳定的紫色尾焰，质谱信号强度也逐渐增强，并在0.20 MPa时达到最大，此后继续增加氮气压力至0.25 MPa时，可观察到介质阻挡中空玻璃管内有脉冲式喷出的等离子体并伴随放电声音，分析可能是气体压力过大造成放电剧烈，低温等离子体稳定性变差，该条件下质谱信号强度突然下降，因此最佳氦气压力选为0.20 MPa。

2.2.3 真空溅射镀金时间的优化真空溅射镀金时间是影响样品吸附的参数之一，因此实验考察了溅射时间为0、30、60、90、120 s 时修饰针尖对待测样品信号强度的影响。结果显示，苯胺的信号强度随着真空溅射镀金时间增加而增强，在90 s时达到最大，此后继续增加溅射时间，质谱检测到苯胺信号强度变化不明显。表明随着金纳米数量的增加，金纳米与样品之间的活性位点增多，离子效率增大，综合考虑时间耗费和溅射效果的平衡，选择90 s为最优溅射时长。

2.2.4 LTP尾焰至进样口的距离使用自制离子源对样品进行分析检测时，LTP尾焰至进样口的距离是影响质谱信号强度的重要参数。实验测试了两者距离分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 cm时样品分子离子峰质谱信号峰强度变化，以确认最佳距离。结果显示，苯胺的分子离子峰m/z94的质谱信号相对强度随着LTP尾焰至进样口的距离增大呈先增大后降低的趋势，在1.5 cm时达到最大，此后继续增大距离后质谱信号反而下降，故选择LTP尾焰至进样口的距离为1.5 cm。

图3 针灸针在不同条件下的增强效果

2.3 纳米金颗粒辅助LTP-MS检测苯胺的增强效果

为证实纳米金颗粒修饰针灸针可辅助质谱信号增强现象，考察了不同实验条件下的信号强度(图3)。结果显示，质量浓度为50 μg/L的苯胺使用纳米金修饰的针灸针时信号强度达到了2.26×106，信噪比(S/N)为33.60(曲线a)。而未修饰的针灸针产生的信号强度为5.21×104，S/N为2.74(曲线b)，可见质谱信号增强了43倍。为了排除增强现象是由于纳米金修饰引起表面粗糙度增加的影响，实验设计了氢氟酸蚀刻实验。针灸针在氢氟酸的腐蚀下，会形成微孔结构，在进行苯胺测试时，信号可增强到2.14×105，S/N为3.57(曲线c)，相较而言，质谱信号强度低于金纳米的增强效果产生的信号，表明金纳米修饰下的信号增强主要原因并非针表面粗糙度增加导致，而是金纳米与微等离子体的电场耦合效应。最后，当撤去LTP探头后，质谱信号为5.08×103，S/N为2.30(曲线d)，进一步表明纳米金颗粒增强质谱信号的同时低温等离子体也起到了重要作用。

2.4 线性范围与检出限

在优化条件下，采用甲醇-水(体积比5∶95)配制1～50 μg/L的苯胺溶液，以特征离子m/z94的质谱信号(y)为纵坐标，对应苯胺质量浓度(x,μg/L)为横坐标，绘制标准曲线。结果显示，苯胺质量浓度在1～50 μg/L范围内，与质谱信号强度呈较好的线性关系，回归方程为y=40 240x-51 680，相关系数(r2)为0.997 5。采用纳米金辅助增强LTP-MS检测苯胺的检出限(S/N=21.6)为0.64 μg/L，相比于经典光度分析方法[15]降低了1个数量级；与直接进样液相色谱-串联质谱法[16]相当。本方法避免了冗长的色谱分离过程，整个样品分析过程可在1 min内完成。

2.5 实际样品检测

在优化条件下，采用本方法检测河水中的苯胺，结果均未检出。通过在河水中加入标准品进行了加标回收实验，加标水平为10、25、50 μg/L，每个水平平行3组实验，所得检测信号强度通过标准曲线定量。结果表明，3个加标水平下苯胺的回收率为91.9%～112%，相对标准偏差(RSD)为2.6%～15%，表明本方法具有良好的准确性和重复性。

图4 化合物沸点与信号强度关系图

2.6 机理研究

纳米金具有特殊的光学、电磁、热效应等性质[17]，已在多种分析方法中得到应用[18-21]。为研究纳米金修饰的针尖与等温等离子体结合用于质谱检测时的增强机理，通过设计对比实验来验证。结果发现不同沸点的含氮类化合物的信号强度均有提高，因此依据分子量和沸点的高低选择不同浓度的苯胺、4-甲氨基吡啶、对苯二胺、4-硝基苯胺、克伦特罗5种标准品溶液进行实验。结果显示，苯胺([M+H]+,m/z94)、4-甲氨基吡啶([M+H]+,m/z123)、对苯二胺([M+H]+,m/z109)、4-硝基苯胺([M+H]+,m/z139)、克伦特罗([M+H]+,m/z277)的峰强度分别为2.93×106、1.50×106、1.28×106、1.17 × 106和1.98 × 104，且随着化合物分子量的增加，沸点增加，获得的分子离子峰强度却逐渐降低(图4)。由此可见，纳米金粒子对沸点越低的化合物增强效应越好，对沸点高的增强效应差。这一结果表明，纳米金粒子对质谱信号的增强作用可能是因热效应使分析物更易解吸附为气态分子，从而提高其离子化效率，使检测到的质谱信号强度提高。

3 结 论

本文通过纳米金颗修饰针灸针表面结合LTP离子源实现了水环境中苯胺的快速高灵敏检测。与传统的质谱-色谱联用法相比，该方法检测速度快、无需复杂的样品前处理，实现了水体污染物苯胺的高灵敏检测，对环境样品的分析具有重要的意义及潜力。