真空紫外光电离质谱技术进展及其在快速分析中的应用

刘 兵，董丰硕，刘瑞东，侯可勇

(山东大学，环境研究院，山东 青岛 266237)

质谱分析法是目前定性分析的“金标准”，国内外众多的标准分析方法中均有质谱的身影。由于质谱质量分析器在真空条件下运行时只能分析气相离子，所以在质谱仪中需使用电离源将样品分子转化成气相离子。电离源不仅决定分析样品的质谱图特征峰，而且在很大程度上也决定了整个仪器的灵敏度和分析准确度，其性能是质谱仪实现在线监测的主导因素。纵观质谱仪的发展历程，电离源的每次进步与创新，均会推动质谱仪应用领域的快速发展。电子轰击电离源(EI)开启了气相化合物分析的新领域。不产生碎片的质谱软电离源如化学电离源(CI)、场电离(FI)以及光电离源(PI)等开启了质谱快速分析的新方向。电喷雾(ESI)和基质辅助激光解析电离源(MALDI)的出现使质谱迈进生物大分子分析领域。2004年，Cooks等[1]提出的电喷雾解吸电离(DESI)技术和2005年Cody等[2]所研发的实时直接分析(DART)电离技术开辟了无需样品前处理即直接分析的常压离子化电离技术的新时代。在这些软电离源中，真空紫外光单光子电离源(VUV-SPI)是一种阈值光电离源，电离产生待测物的分子离子或者准分子离子峰，其电离普适性好，不管是极性、非极性还是大分子、小分子化合物，只要光子能量高于气相分析化合物的电离能阈值即可将化合物电离。

离子迁移谱(IMS)中VUV光电离作为非放射电离源替代放射性63Ni电离源用于研究[3]，气相色谱-质谱(GC-MS)[4]和液相色谱-质谱(LC-MS)[5]中以VUV灯作为大气压下光电离(APPI)用于弱极性和非极性化合物检测，以及以真空紫外光单光子电离源质谱仪(VUV-SPI-MS)用于挥发性有机物(VOCs)的检测[6]等已有文献报道。本文主要汇总真空紫外光电离质谱(VUV-PI)近年在在线、快速检测领域的发展状况，并对真空紫外电离源的电离原理、真空紫外光光源的类型进行了介绍，对影响光电离质谱灵敏度的主要因素及其改进方法进行了分析，对真空紫外光电离质谱技术在环境分析、化工产物在线分析、国家安全分析以及生物医学分析中的相关应用进行了阐述。

1 真空紫外光单光子电离原理

真空紫外光波长在10～200 nm范围，真空紫外光电离是一种单光子电离(SPI)技术，当光子能量高于样品分子电离能时，一个样品分子吸收单个光子的能量后即可失去一个电子而直接得到正离子，如式(1)所示：

M+hv→M++e

(1)

SPI主要得到分子离子峰，SPI电离过程中，与离子产生速率相关的参数主要有光强、光程、样品分子的数密度和样品分子的电离截面，SPI离子产生的速率公式如下：

(2)

式中，L为光程(cm)，I0为光强度(光子，cm-2·s-1)，P为气压(Pa)，c为体积浓度(注意ppmV为单位时应×10-6)，σi为光电离截面(Mb,1Mb=10-18cm-2)，T为绝对温度(K)。从公式中可以看出，提高电离区气压及光源光束密度，有利于提高仪器灵敏度。不同化合物由于光电离截面不同，其灵敏度存在差异，光电离截面的分布规律为[7]：芳香烃>烯烃>烷烃；不饱和烃>饱和烃，且随着有机物分子不饱和度的增加，其电离截面逐渐增大，即表明VUV-SPI对存在共轭基团以及供电子基团的化合物的灵敏度更高。与目前使用最为广泛的气体分析EI电离源相比，SPI的电离截面比 EI低1～2个数量级，但EI 电离源因使用气压低(<10-2Pa)，其产生的大量碎片导致了可用信号强度损失，以及因背景气体电离造成较高的噪声信号，从而使得SPI与EI的灵敏度相当。

2 真空紫外光源

真空紫外(VUV)光源主要有两种，一种是包括同步辐射光源和激光器光源的大型光源；另一种是放电真空紫外灯。大型光源如合肥同步辐射光源和大连非相干极紫外光源，其光束密度高、性能稳定、光子能量可调，但推广性不高。四波混频技术是目前实验室得到真空紫外激光最主要的手段，将三束准直基频光通过恒温的金属蒸气池(或惰性气体池)后产生相应波长的高强度VUV激光。大型光源和激光器价格昂贵、体积庞大、操作麻烦，多用于实验室的基础研究。

VUV灯是一种简单的低压放电灯，在灯体中充入放电气体，施加直流电压放电得到DC-VUV灯，施加射频电压放电得到RF-VUV灯。当VUV灯光子能量低于10.6 eV时灯窗口一般采用MgF2玻璃，光子能量超过10.6 eV时一般采用LiF玻璃窗口。利用气体放电发出光子能量差别可得到多种型号的VUV灯，目前常用的VUV灯光子能量包括9.6 eV(Xe、MgF2),10.0和10.6 eV(Kr、MgF2),以及 11.8 eV(Ar、LiF)。VUV灯因体积小巧、携带方便、成本低，近年来被广泛应用于在线监测仪器中。

光子能量为10.6 eV 的VUV-Kr灯仅能电离电离能低于10.6 eV的化合物，其光强仅有1011光子/秒，因此发展新型光电离源成为高质谱性能的重要研究方向，主要包括三方面：一是设计新型的高强度放电灯，提高光束密度，如Kuribayashi等[8]基于氢气放电产生的Lyman-α辐射光研制出一种微波放电VUV光源，Zimmermann课题组[9-10]研制出一种高强度的电子束激发稀有气体灯(EBEL)；二是改进电离区设计，以提高离子的电离效率或利用率，如Wu等[11]提出的磁场增强光电子设计(MEPEI)，Chen等[12]设计了准离子阱化学电离的反应区，Zhou等[13]在便携式飞行时间质谱中设计了一种射频电场增强化学电离源；三是基于VUV灯发展试剂辅助化学电离源，以增大可电离分析物的范围，提高仪器灵敏度，如苯、甲苯、丙酮、苯甲醚以及二溴甲烷、二氯甲烷等掺杂剂辅助电离源[14-17]。

3 真空紫外光电离源质谱的应用

3.1 有毒有害污染物的实时监测

杜玥萱等[18-19]报道了吸附/热解吸前处理-单光子/化学复合软电离源飞行时间质谱(SPI/CI-TOFMS)对道路非甲烷烃(NMHCs)的检测研究，SPI/CI 模式下，C2～C10标准样品的检出限为 1～80 ppt，定量相对标准偏差(RSD，n≥10) 小于10%，分析时间 5～12 min，整机重量低于40 kg，整机尺寸小于50 cm×50 cm×80 cm。仪器在北京四环、五环主干道对C2～C10VOCs进行了车载在线跟踪观测，通过计算各物种臭氧生成潜势(OFP)，评估出C3、C4烯烃类物质和苯系物为北京四、五环地区优先控制物种。

含氧类挥发性有机物(OVOCs)一直是在线检测的难点，Yang等[24-25]发展的CH2CI2/H2O掺杂剂体系实现了OVOCs的高灵敏分析，与VUV-SPI相比，灵敏度提高了3个数量级。Zhang等[26]将顶空进样与VUV-SPI-TOFMS相结合实现水中OVOCs的分析，测得2-甲基丁醛(LOBE)、甲基叔丁基醚(MTBE)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2-异丁基-3-甲氧基吡嗪(IBMP)和2-异丙基-3-甲氧基吡嗪(IPMP)的检出限(LOD)为3.5～50.2 ng/L,而2-甲基异冰片醇(2-MIB)和土臭素(GSM)的LOD分别为0.25和0.77 ng/L。校准结果显示LOBE、MTBE、MMA、2-MIB和GSM的仪器检出性能超过人类的气味阈值1～2个数量级。使用该技术对北京城市自来水和三条河流的水样进行评估，观察到的典型异味组成质量浓度为0.2～297 ng/L。

采用膜进样系统，SPI-TOFMS还可实现液体样品中痕量化合物的在线富集及高灵敏检测。Hou等[35]研制了电离源内直接拉伸膜进样设计使得VOCs的富集效率提高上百倍，单样品分析时间仅30 s。Wu等[36]发展了一种新型源内螺旋管状膜进样电离源，并与SPI-TOFMS联用，即将膜放入SPI离子源中，测得苯、乙基叔丁基醚(ETBE)、苯胺、对二甲苯和氯苯(MCBz)的定量下限(LOQ)分别为0.014、0.143、0.556、0.036和0.025 μg/L，测量时间为50 s。利用该膜进样，SPI-TOFMS在线、连续监控实验楼下水道污水中的VOCs，并进行实验排放水安全性预警。Zimmermann等[37-38]利用片状膜进样光电离TOFMS分析了水中的芳香类化合物及多环芳烃化合物，对苯、甲苯和二甲苯的分析时间约2 min，萘、苊、芴、菲和甲基菲的检测时间约10 min，这两类化合物灵敏度达到几十ng/L。

3.2 工业过程化合物成分的实时鉴定

催化反应过程中会生成多种同分异构体，SPI得到的分子离子峰，当相对分子质量相同时不能进行区分。为了分析化工过程中产生的相对分子质量相同的化合物，Hua[41]等基于SPI-TOFMS发展了电离源内在线碎片化技术，在SPI电离源内部提高静电场场强，降低气压，实现低能碰撞解离，成功地区分了低碳类同重化合物。为了区别生成烯烃的双键位置，Xie等[42]对烯烃进行了在线臭氧化反应，通过氧化双键得到的产物不同对烯烃进行定性分析。He等[43-44]利用在线SPI-MS实现了长链烷烃催化制烯烃过程的在线监控，在数秒之内得到产物中烷烃、单烯烃、二烯烃和芳香族化合物等全组分质谱图，该方法加速了催化反应条件的在线优化和催化剂性能评价。Sun等[45-46]利用PEI-MS检测金属骨架化合物(MOFs)的吸附突破曲线，在线评价MOFs材料对N2和CH4的分离性能。Li等[47]利用基于无窗射频放电灯(WLRF)的SPI-TOFMS对甲醇制烯烃技术(MTO)反应初始阶段的催化产物进行实时测量，以0.5 s的时间分辨监控产物，数据表明乙烯为第一批烯烃产物，其次是丙烯，从而为第一个C—C键形成机理研究提供了有力的数据支撑。SPI-TOFMS还可实现高压反应釜内甲烷直接催化转化过程中液相产物的在线检测[48]，以及CH3OH、CH3OOH、HCOOH和HOCH2OOH等组分的原位在线监测，从而为深入研究其反应机理提供了数据支撑。Wen等[49]利用同步辐射VUV光源研制了甲醇制烃(MTH)反应机理原位光电离质谱，该仪器定量检测HSAPO-34和HZSM-5催化MTH过程中的HCHO，时间分辨为5 s，实现了催化反应诱导期、稳定期以及失活期HCHO和其他产物的实时检测。结果显示，在Y2O3存在下，HCHO的量影响烯烃向芳烃的氢转移过程以及芳烃向焦炭的氢转移过程，且乙烯主要由芳基循环形成。Zhang等[50]利用同步辐射VUV-SPI检测到丙烷氧化脱氢反应中的甲基自由基，证实了该反应中的气相自由基反应途径。

3.3 安检以及违禁品的快速检测应用

在安检、违禁品现场检测中，通常需要高通量、现场便携式仪器，因而SPI软电离便携式质谱仪备受亲睐。Zimmermann等[51]基于EBEL光源发展了热解析光电离离子阱质谱(TD-SPI-ITMS)进行爆炸物三硝基甲苯(TNT)、二硝基甲苯(DNT)和毒品3,4-亚甲基二氧甲基苯丙胺(MDMA)以及化学战剂模拟剂甲基膦酸二甲酯(DMMP)的快速检测，在EBEL中通入Kr得到8.4 eV光子，通入Kr/Ar混合气得到10.7 eV光子，利用光子能量切换可有效消除碎片离子，通过SPI软电离得到的分子离子峰在离子阱质谱中碰撞解离(CID)并进行串联质谱分析(MS/MS)，有效地提高了定性分析准确度。Akutsu等[52]则发展了GC-PI-MS方法分析62种合成大麻酚类化合物，利用GC有效分离后，光电离得到35种化合物的分子离子峰，而其他化合物则得到准分子离子峰以及简单的质谱图，从而提高了谱图解析速度和准确性。Sun等[53]设计了500～1 000 Pa低气压光电离(LPPI)进行痕量的气相炸药和化学战剂模拟物检测，在10 s的检测时间内，2,4-二硝基甲苯、硝基甲苯、硝基苯和磷酸二甲酯的检出限分别为30、0.5、4和1 ppt。Zhang等[54]将CH2CI2作为掺杂剂，采用光电离质谱技术应用于苯胺、苄胺、苯乙胺、苯丙胺等有机胺类违禁品的检测，可将仪器灵敏度提高60～130倍，分析时间为10 s，苯胺和苄胺的检出限(LOD)分别为36和22 ppt。

针对毒品现场识别技术缺乏而导致禁毒效率低下的问题，Wang等[55]研制了一种丙酮辅助光离源离子阱质谱毒品现场鉴别仪。丙酮作为掺杂剂将灵敏度提高了22倍，有效去除了缉毒现场汽车尾气干扰；产生质子化丙酮二聚体试剂离子作为定量参考，仪器的定量RSD由25.3%优化至8.5%，线性范围扩大了1个数量级。该电离源与温度分辨热解吸进样方法的联用可实现植物性毒品样品和含毒品饮料中毒品成分的快速识别，且对27种常见毒品的检出灵敏度均在纳克级，单样品分析时间小于2 s。针对高沸点、挥发性低的芬太尼系列毒品，Wang等[56]在丙酮掺杂剂VUV-SPI电离离子阱质谱中开发了光闪热加热源、同步脉冲吹扫的进样方法，3 s内将解吸池内的毒品加热至 290 ℃，对难挥发的毒品那可汀的检测灵敏度提高约60倍，实现了沸点差异达到 300 ℃的10种毒品混合物的同时测量，对冰毒的检出限低至50 pg。

Syage等[57]利用SPI软电离方式研制了一套重13.6 kg的便携式SPI-TOF-MS进行化学战剂类化合物的实时检测。仪器样品的分析时间仅为10 s，对磷酸类战剂模拟剂和芳香族化合物的检出限可以达到10～100 ppb。Syage等[58]还发展了用于水中化学战剂快速分析的PI-MS方法，1 μL液体样品无需前处理直接进样分析，分析时间45 s，化学战剂维埃克斯(VX)、塔崩(GA)、沙林(GB)、梭曼(GD)、环沙林(GF)、芥子气(HD)、氮芥1(HN1)和氯芥3(HN3)均可以得到分子离子峰，化学战剂替代化合物DMMP、乙烯基膦酸二乙酯(DEMP)、邻基二甲酸二乙氧基乙基酯(DEEP)和甲基膦酸二异丙酯(DIMP)的检出限分别为1、6、3和2 pg，线性范围约为3～4个数量级。

3.4 生物医学分析中的应用研究

呼出气体检测具有非侵入性、无损伤、取样方便、可连续采样等优势，是代谢组学研究和临床诊断的新方向。Wang等[59]利用高气压下的VUV光电离结合飞行时间质谱技术(HPPI-TOFMS)分析人体呼出气，在1 min的采样时间内实现了人体呼出气中丙酮、异戊二烯、二甲基硫、乙醇、乙酸等物质的高灵敏检测。在100%相对湿度条件下，对C3～C6正构烷烃直接在线检测的检出限低至0.07 ppb。Wang等[60]进一步将HPPI-TOFMS与动态吹扫-注入采样法联用，通过加入少量酸类或碱类物质处理后，该方法即可实现尿液中硫化物、有机胺类化合物的直接快速分析，对三甲胺等的检出限低至0.1 μg/L，并发现了一种新的烟草暴露相关化合物2,5-二甲基吡咯。Zhou等[61]优化大气压光电离四极杆飞行时间质谱(APPI-QTOFMS)中毛细管电压、样品进气量以及吹扫气流量参数，分析了3名男性和2名女性志愿者呼出气，初步鉴定出21种化合物。Li等[62]发现与常规低气压光电离质谱(LPPI-MS)相比，CH2Cl2掺杂辅助LPPI-MS对于正丙醇、正戊醛、丙酮和乙酸丁酯的峰强度分别提高53、18、16和43倍，在相对湿度(RH)为20%、分析时间为10 s条件下，正丙醇、正戊醛、丙酮和乙酸丁酯的检测灵敏度为116到452个计数/ppb，且从10名志愿者获得的呼吸样本和加标样本来看，该电离源对于极性VOCs的信号强度提高了8倍。

Wang等[63-65]利用汞蒸气四波混频产生高强度真空紫外光，以此作为解吸/电离源，搭建了一台亚微米真空紫外光解吸/电离质谱成像(VUVDI-MSI)装置。四波混频产生125.3 nm波长VUV 光，实现了空间分辨率为 2 μm×5 μm的真空紫外光解吸/电离质谱成像。通过该仪器实现了尼罗红和纤维蛋白原β链(FGB)以及果蝇大脑切片的测试。获得胆固醇标准样品的VUVDI质谱图以及小鼠食道切片和小鼠受精卵中胆固醇的质谱成像，质谱成像空间分辨达500 nm，且结果显示主要质谱峰来自于胆固醇母体分子，胆固醇分子主要分布在小鼠食道的内壁粘膜上。相比于TOF-SIMS，VUVDI-MSI的离子产率、碎片及图像对比度均有明显提高。

4 结论与展望

VUV-SPI-MS因具有分析速度快、灵敏度高的特点，而成为在线快速分析的利器。除了上述提到的应用实例外，VUV-SPI-MS在汽车尾气分析[66]、食品香气分析[67]、热解吸成分[68-69]以及香烟烟气分析[70]中也备受关注。目前，VUV-SPI-MS仪器商品化还有待进一步提高，后期发展主要集中于以下3点：①由于VUV灯的光强密度与仪器灵敏度线性相关，因此加强高光强电离源的研制，设计体积紧凑、重量可便携的大功率放电VUV灯将是今后的重点发展方向，目前已经有功率5、35 W放电灯商品化。②目前使用的VUV-Kr灯均带有光窗设计，样品长时间连续进样时，易污染窗口玻璃。因此，需进一步探索光窗防污染新技术，进行VUV-SPI电离源长期运行稳定性、可靠性的研究。③简单和快速是VUV-SPI的最大特色，因此下一步需进一步开展便携式分析仪的研究，做到现场快速检测。