大气压化学萃取电离质谱法用于吡啶类化合物的快速检测

陈林飞，刘思莹，邓金连，刘俊文，欧阳永中，

(1.东华理工大学　江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西　南昌　330013;2.东华理工大学

软件学院　南昌市气相分子科学重点实验室，江西　南昌　330013)

大气压化学萃取电离质谱法用于吡啶类化合物的快速检测

陈林飞1，刘思莹1，邓金连2，刘俊文1，欧阳永中1，2

(1.东华理工大学江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西南昌330013;2.东华理工大学

软件学院南昌市气相分子科学重点实验室，江西南昌330013)

摘要：利用大气压化学萃取电离源质谱技术(EAPCI-MS)对吡啶类化合物的电离行为特征进行研究。实验显示，EAPCI-MS技术在常温常压条件下，无需样品预处理和任何辅助化学试剂，在质谱图中能同时检测到吡啶类化合物的质子化分子离子峰[M+H]+和分子离子峰M+·，并具有类似的二级碎裂机理。研究结果表明，EAPCI-MS技术具有不同于传统电离源质谱的裂解方式，同时兼具传统电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)的特征电离方式和行为，极大地提高了化学检测的选择性，增强了质谱分析的定性能力。该研究为吡啶类化合物的检测和鉴定提供了一种新方法，对吡啶类化合物的快速检测具有重要的应用价值和意义。

关键词：大气压化学萃取电离质谱法;吡啶类化合物;裂解规律;快速检测

吡啶(C5H5N) 是一种具有弱碱性和特殊气味的无色或微黄色液体，天然存在于煤焦油、页岩油、煤气及石油中，是重要的化工原料和溶剂。吡啶类化合物是目前杂环化合物中开发应用范围最广的品种之一，主要用于生产除草剂、各种医药和农药中间体，应用非常广泛，深加工前景相当广阔。但由于吡啶类化合物很难通过微生物处理的方法在短时间内进行降解，因此仍保持原来的毒性释放到大气、水体、土壤等生态环境中，造成巨大污染[1-2]。因此，迫切需要建立一种准确、高效的分析检测方法，实现吡啶类化合物的实时、快速鉴定和监测。

目前，吡啶类化合物的检测方法主要包括气相色谱法[3-7]、液相色谱法[8-10]、巴比妥酸分光光度法[11]、气相色谱-质谱联用法(GC-MS)[12-14]、液相色谱-质谱联用法(LC-MS)[15]等，这些方法主要用于煤焦油、石油及水生态环境样品的分析检测。分光光度法操作简单，但由于不能对目标化合物进行富集，灵敏度较低。 色谱和色谱-质谱联用技术已发展为应用较为广泛的常规分析方法，其选择性好，分离能力强,但操作繁琐、耗时长，易对样品造成破坏，不能满足实际样品快速检测的需要。

大气压化学萃取电离源质谱技术(EAPCI-MS，Extractive atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry)是近几年发展起来的一种新型的常压环境电离源，具有分析速度快、基质耐受力强、无化学污染及灵敏度高等特点，已成功应用于废水中各种污染物的检测[16]。与传统的大气压化学电离(APCI)离子源相比，EAPCI是一种更加“柔和”的离子源，在无需样品预处理的条件下，可直接用于各种复杂基体样品的快速分析，尤其是对于非极性和弱极性化合物，能够得到更为丰富的离子信号。基于此，本文采用一种改进的常压化学电离源质谱技术(EAPCI-MS)，在无需任何样品预处理和有毒化学试剂的情况下，对烷基和氨基类吡啶系列化合物进行定性分析，并对其质谱裂解行为进行深入研究。通过研究EAPCI电离吡啶类化合物的机理，为吡啶类化合物的实时、在线监测提供了新的途径和思路，为实现大气和水生态环境中不同形态复杂样品中吡啶类化合物的快速检测和鉴定提供了理论基础和技术支撑。

图1　EAPCI源的装置示意图Fig.1　Schematic diagram of EAPCI ion source

1实验部分

1.1仪器、材料与试剂

所有实验均是利用大气压化学萃取电离(EAPCI)源(东华理工大学自制，如图1)与商业LTQ-XL线性离子阱质谱仪(美国Finning公司，配有Xcalibur 2.0数据系统)耦合完成，有关离子源的结构设计，具体参数优化和设置见文献[16]。2,4-二甲基吡啶、2,4,6-三甲基吡啶、2-乙基吡啶、5-乙基-2-甲基吡啶、3-氨基吡啶、2,6-二氨基吡啶、3-甲氨基吡啶、2-氨基-3-甲基吡啶、2，2-联吡啶(分析纯，阿拉丁试剂上海有限公司);甲醇(色谱纯，阿拉丁试剂上海有限公司);超纯水(电阻率为18.25 MΩ·cm);氮气(纯度>99.999%)。

1.2质谱条件

正离子模式：设置LTQ-MS为正离子检测模式，质谱检测扫描范围为m/z50～400;高压电晕放电针放置在离质谱口约10 mm的同一水平轴上，放电针尖与待测样品引入通道的垂直距离(a)为1 cm，与样品引入通道的夹角(α)和质谱口的夹角(β)分别为60°和80°;样品引入通道与质谱口的水平距离(b)和夹角(γ)分别为10 mm和80°;离子传输管电压为44 V;透镜电压为95 V;高压放电针电压为4.5 kV;离子管传输温度为120 ℃;辅助气体氮气0.3 MPa;湿度43%;其它参数由LTQ-MS系统自动优化。参数的详细调节和优化过程见文献[16]。

1.3实验原理

在大气压环境下，高压电晕放电(约4.5 kV)在放电针尖端产生高密度的初级试剂离子，同时，辅助气体(N2)通过密闭试剂瓶将中性液体样品引入到放电针尖口，带电荷的初级试剂离子与由样品通道导入的中性待测化合物发生物理化学反应，进入质谱仪从而被检测。

1.4实验步骤

以甲醇-水(1∶1,体积比)作为溶剂;分别称取3-氨基吡啶、2，6-二氨基吡啶、2，2-联吡啶等固体试样，溶解，转移定容成0.1 mg/L溶液待用；其余液体试样用甲醇-水(1∶1)溶剂定容成0.1 mg/L溶液待用;采用逐级稀释的方法将其稀释为10-4，10-6mg/L，最终稀释至10-9mg/L，并贴上标签。然后移取适量溶液置于装置进样处，进行质谱分析。

2结果与讨论

2.1烷基类吡啶化合物

图2为EAPCI-MS检测得到的2, 4-二甲基吡啶的总离子流图(图2A)、质子化分子离子[M+H]+(图2B)和分子离子M+·流图(图2C)。如图2A所示，6.35～6.7,7.1～7.4,7.52～7.78,8.17～9.0 min进样时间下，当待测样品经样品通道进入到电离区域时，观察到总离子流图的变化虽然不太明显，但m/z108和m/z107离子流图明显增强，可能分别对应于质子化分子离子峰[M+H]+和分子离子峰M+·。

图2　2，4 -二甲基吡啶的总离子图(A)及特征离子流图[M+H]+(B)和M+·流图(C)

NameMolecularformulaRelativemolecularweightMolecularionorM+·orprotonatedmolecule[M+H]+CID[M+H]+Collisioninduceddissociation2,4-Dimethyl-pyridine(2,4-二甲基吡啶)C7H9N107107,1089381Δ1=15Δ2=272,4,6-Trimethyl-pyridine(2,4,6-三甲基吡啶)C8H11N121121,1221079479Δ1=15Δ2=28Δ3=432-Ethylpyridine(2-乙基吡啶)C7H9N107107,1089380Δ1=15Δ2=285-Ethyl-2-methylpyridine(5-乙基-2-甲基吡啶)C8H11N121121,12210710480Δ1=15Δ2=28Δ3=42

Δ1, Δ2,Δ3:them/zlose of the parent ion[M+H]+in CID experiments, respectively(Δ1,Δ2,Δ3分别表示进行CID实验时，母离子[M+H]+与碎片离子之间的质量数差)

2.2氨基类吡啶化合物

图4为利用EAPCI-MS测得的2, 6-二氨基吡啶的总离子流图(图4A)和分子离子M+·流图(图4B)。如图4A所示，7.1～2.25,2.55～2.74,2.9～3.1 min进样时间下，当待测样品被引入到离子源电离区域时，能够观察到总离子流图明显升高，m/z109离子流图有着较为明显的同步变化趋势，可能对应于目标化合物的分子离子峰M+·。

NameMolecularformulaRelativemolecularweightMolecularionorM+·protonatedmolecule[M+H]+CID[M+H]+Collisioninduceddissociation2,6-Diaminopyridine(2,6-二氨基吡啶)C5H7N31091098167Δ1=28Δ2=423-Aminopyridine(3-氨基吡啶)C5H6N29494,9567Δ1=28

Δ1, Δ2:them/zlose of the parent ion[M+H]+in CID experiments, respectively(Δ1, Δ2分别表示进行CID实验时，母离子[M+H]+与碎片离子之间的质量数差)

2.3其他类吡啶化合物

图6　2-氨基-3-甲基吡啶的总离子(A)及特征离子流图[M+H]+(B)和M+·流图(C)Fig.6　Total ion chromatorgram of 2-amino-3-methyl pyridine(A) and characteristic ion chromatograms of 2-amino-3-methyl pyridine for[M+H]+(B) and M+·(C)

图6为利用EAPCI-MS测得的2-氨基-3-甲基吡啶的总离子流图、质子化分子离子[M+H]+和分子离子M+·流图。如图6所示，当待测样品经过样品引入通道进入到离子源电离区域时，能够观察到总离子流图较强的变化，并伴随产生比较明显增长趋势的m/z109和m/z108离子流图，可能分别对应于质子化分子离子峰[M+H]+和分子离子峰M+·。

图7　2-氨基-3-甲基吡啶的EAPCI-MS全扫描(A)和离子峰m/z 109(B)和m/z 108 的MS/MS质谱图(C)

表3　2种典型的不同取代基吡啶类化合物的质谱数据

Δ1, Δ2, Δ3:them/zlose of the parent ion[M+H]+ or M+·in CID experiments, respectively(Δ1,Δ2,Δ3分别为进行CID实验时，母离子[M+H]+或M+·与碎片离子之间的质量数差)

3结论

本研究采用大气压化学萃取电离源质谱技术(EAPCI-MS)，分别对烷基类、氨基类、氨基-甲基类等9种吡啶类化合物进行了检测，并对其裂解机理进行了深入研究。结果表明，除了2，6-二氨基吡啶外，利用EAPCI-MS技术，在常温常压条件下，无需样品预处理和任何辅助化学试剂，能同时产生质子化准分子离子[M+H]+和分子离子M+·，而且检测到相似的MS/MS裂解规律。与传统的APCI离子源相比，EAPCI离子源更加“柔和”，同时兼备了传统电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)的特征电离方式和行为，能提供丰富的碎裂离子峰，极大地提高了化学检测的选择性，增强了质谱定性分析能力。同时，研究发现分子离子峰M+·的稳定性取决于吡啶类化合物取代基的性质，再次证明了EAPCI-MS离子源在复杂基体样品快速分析方面的优势，为吡啶类化合物的检测和鉴定提供了一种新技术和方法，对实现大气和水生态环境中不同形态复杂样品中吡啶类化合物的快速检测和鉴定具有重要的应用价值和意义。

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Rapid Detection of Pyridine Compounds by Extractive Atmospheric Pressure Chemical Ionization Mass Spectrometry

CHEN Lin-fei1，LIU Si-ying1，DENG Jin-lian2，LIU Jun-wen1,OUYANG Yong-zhong1，2

(1.Jiangxi Key Laboratory for Mass Spectrometry and Instrumentation，East China University of Technology，Nanchang 330013，China;2.Software College，Nanchang Key Laboratory for Gas Phase Molecular Science，East China University of Technology，Nanchang330013，China)

Abstract：The fragmentation mechanisms of pyridine compounds in extractive atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry(EAPCI-MS) analysis were investigated.The experiments showed that under the ambient conditions，the protonated molecular ion peak[M+H]+ and molecular ion peak M+·could be simultaneously observed using the EAPCI-MS,and similar fragmentation rules can be obtained for their collision induced dissociation(CID) ，without any sample pretreatment and supporting reagent.It is obvious that,compared with that of the traditional ion sources，the chemical selectivity and qualitative analysis of EAPCI source are significantly improved for the rapid detection of pyridine compounds，in which the EAPCI source has both the fragment characteristics of traditional ion sources of ESI and APCI.This study provided a novel method for the qualitative detection of pyridine compounds.

Key words：extractive atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry(EAPCI-MS);pyridine compounds;fragmentation rules;rapid detection

收稿日期：2015-08-19；修回日期：2015-10-06

基金项目：国家自然科学基金项目(21405013);江西省自然科学基金项目(20142BAB213010);南昌市科技项目(2012-SYS-003);博士科研启动项目(DHBK201106)

*通讯作者：欧阳永中，博士，副教授，研究方向：复杂仪器数据分析，Tel:0791-83897398，E-mail:ouyang7492@163.com

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.04.005

中图分类号：O657.63;O626.32

文献标识码:A

文章编号：1004-4957(2016)04-0400-06