李阿丹，洪 偉，王 晶

（1.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.中華人民共和國秦皇島出入境檢驗檢疫局，河北秦皇島066000）

激光解吸/激光電離-質(zhì)譜法二惡英及其關(guān)聯(lián)物的在線檢測

李阿丹1，*，洪 偉2，王 晶1

（1.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.中華人民共和國秦皇島出入境檢驗檢疫局，河北秦皇島066000）

本研究使用毛細管直接進樣法，利用氣體絕熱膨脹過程的冷卻效果使樣品和載氣分子凝結(jié)、濃縮于毛細管端口，再利用脈沖激光解吸技術(shù)將樣品解吸以脈沖氣流的方式引入質(zhì)譜，通過考察毛細管加熱溫度、解吸激光能量、解吸激光與電離激光之間的延遲時間等因素確立了有效的分析條件，實現(xiàn)了對氯苯酚、五氯苯等5種化合物的在線檢測。相對于傳統(tǒng)的連續(xù)導(dǎo)入方式，脈沖式導(dǎo)入方式增加了樣品濃縮的環(huán)節(jié)有利于降低檢出限。同時本實驗中高密度飛秒電離激光的采用也確保了解吸后的分子能夠被共振增強雙光子電離，增強了分析的靈敏度。

二惡英；在線檢測；激光解吸；多光子電離；電離效率

0　引言

二惡英在線檢測的研究最早見諸報道的是德國的Weickhard在1993年利用激光質(zhì)譜法檢測的結(jié)果，實驗證明激光電離法是區(qū)別于電子轟擊法（EI）的一種有效的“軟”電離手段，并且二惡英各種異構(gòu)體都有其特征光譜［1］。1996年Zimmermann在第26屆國際燃燒研討會上首次采用共振增強多光子電離（REMPI）與飛行時間質(zhì)譜（TOFMS）相結(jié)合，檢測了燃燒廢氣物中有機物的譜圖，并提出了在線檢測二惡英技術(shù)所遇到的問題［2］。文章顯示二惡英分子結(jié)構(gòu)相似且光譜圖差異較小，只能實現(xiàn)幾種分子的準確測量，因此對二惡英的關(guān)聯(lián)物質(zhì)進行檢測可間接實現(xiàn)二惡英的在線檢測。二惡英關(guān)聯(lián)物是指那些和二惡英及毒性有密切相關(guān)性并且能夠通過它們的濃度來量化或半量化二惡英濃度的物質(zhì)，這些物質(zhì)在焚燒氣中有較高的濃度、結(jié)構(gòu)也相對簡單，能夠較容易實現(xiàn)在線測量。目前研究發(fā)現(xiàn)氯苯、氯酚及多環(huán)芳烴與二惡英存在較好的相關(guān)性，是比較合適的關(guān)聯(lián)物［3-4］。對指示物和二惡英建立關(guān)聯(lián)模型后就可以對二惡英的濃度進行間接檢測用來克服實際飛灰及燃燒產(chǎn)物中二惡英濃度過低的問題。通過結(jié)合關(guān)聯(lián)物及模型的研究結(jié)果，目前的研究者認為光電離技術(shù)聯(lián)合飛行時間質(zhì)譜儀技術(shù)具有實現(xiàn)二惡英在線測量的可行性［5-7］。

2011年筆者利用REMPI技術(shù)實現(xiàn)了土壤中二惡英的定量檢測，比較了皮秒激光及納秒激光對二惡英類物質(zhì)的電離效率，并討論了皮秒激光不同波長（266 nm和213 nm）對二惡英類物質(zhì)電離的影響［8］。研究結(jié)果顯示激光電離對二惡英物質(zhì)有著選擇性高、靈敏度高等特點，但由于重原子效應(yīng)的影響使二惡英物質(zhì)（特別是高氯取代的二惡英類物質(zhì)）的激發(fā)單重態(tài)壽命縮短，電離效率明顯下降。當激光的脈沖寬度小于激發(fā)單重態(tài)壽命時，分子就會發(fā)生系間穿越釋放部分能量到分子的激發(fā)三重態(tài)，而難以被繼續(xù)電離［9-10］。因此納秒激光或皮秒激光不能很好地電離高氯二惡英，而采用脈沖寬度較小的飛秒激光無疑加大了分析的成本。因此，利用電離二惡英類關(guān)聯(lián)物氯苯酚、氯苯及多環(huán)芳烴等物質(zhì)的方法可以有效地解決雙光子電離中因重原子效應(yīng)而電離效率降低這一難題。本研究同時采用兩種波長的激光針對3種二惡英分子及兩種二惡英關(guān)聯(lián)物進行了檢測。第一種激光用來解吸凝結(jié)在毛細管口的被測物分子，使其能夠順利進入質(zhì)譜，第二種激光用來實施二惡英及其關(guān)聯(lián)物分子的雙光子共振增強電離，實現(xiàn)二惡英關(guān)聯(lián)物的選擇性檢出。

1　實驗設(shè)備及試劑

1.1飛行時間質(zhì)譜儀

氣相色譜與質(zhì)譜中所常用到的電子轟擊式離子源由加速電場、推斥極和燈絲（一般是鎢絲）組成，電子束的產(chǎn)生及被分析分子的電離均在質(zhì)譜內(nèi)部發(fā)生，而本研究中的電離源及解吸源均是激光，且激光器只能放置到質(zhì)譜儀外部。同時，因為被分析物的電離需在質(zhì)譜內(nèi)部發(fā)生，因此就需要質(zhì)譜儀有允許激光束通過的窗口來以此電離或解吸被分析物分子，同時還要保證質(zhì)譜內(nèi)部的高真空環(huán)境。本實驗所采用的飛行時間質(zhì)譜的各加速電極的外觀部分詳見圖1（a），質(zhì)譜儀的外部及窗口設(shè)計部分詳見圖1（b），實驗設(shè)備的總示意圖詳見圖1（c）。

圖1　飛行時間質(zhì)譜的設(shè)計及實驗裝置示意圖Fig.1 Modified time-of-flight spectrometer and the schematic representation of the experimental setup

1.2電離源和解吸源

解吸激光為Nd：YAG激光（第二諧波532 nm，1 kHz，1 ns，F(xiàn)QSS 266-50）；電離激光為Ti：Sapphire激光（第三諧波267 nm，1 kHz，85 fs，COHERENTCo.，Ltd.）；延遲/脈沖發(fā)生器（DG535，Stanford Research Systems，Inc.）。

1.3實驗試劑

對氯苯酚，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　實驗結(jié)果與討論

2.1毛細管加熱溫度對電離信號的影響

因為本實驗所用標準物質(zhì)中有沸點超過300℃的物質(zhì)進入質(zhì)譜，為了降低這些物質(zhì)的檢出限使其能夠順利氣化進入質(zhì)譜被檢出，本文將毛細管的外部設(shè)計了加熱的銅管（除了伸入質(zhì)譜內(nèi)部1 mm的毛細管部分）。固定電離激光與解吸激光的延遲時間在8 μs，保持電離激光的能量在80 μJ不變，使毛細管外部的加熱銅管溫度在20～300℃之間變化，得到的對氯苯酚的電離信號值如圖2所示。

圖2　毛細管外周管線溫度對對氯苯酚電離信號的影響Fig.2 Effect of the transferline temperature around the capillary on the ionization signal of p-cholrophenol

由圖2可以看出，當毛細管尖端的溫度為20℃時解吸激光照射時的信號強度是非照射強度信號的80倍。然而，隨著毛細管尖端的溫度上升，質(zhì)譜峰的信號強度降低。這是因為隨著毛細管尖端溫度升高，凝著在尖端的對氯苯酚分子數(shù)減少，從而使氣體脈沖密度降低。樣品是由于絕熱膨脹的冷卻效果濃縮至毛細管尖端，然而當增加毛細管外加熱管的溫度后，從加熱管開始處到毛細管尖端處溫度梯度增大，致使樣品在毛細管尖端的的附著量減少。由于本實驗中所添加標準樣品較少（10 μL）并且有流動的氦氣作為載氣，氣化效果能夠保證足夠的檢出度。但對于分析實際環(huán)境樣品時應(yīng)首先保證高沸點的物質(zhì)能夠氣化順利進入毛細管，而后再考慮在毛細管尖端凝結(jié)所需的最低溫度。

2.2解吸激光能量與電離信號之間的關(guān)系

首先用移液槍將定量的標準品滴入到取樣袋（Tedlar bag，2L，Omi Odor-Air Service，Shiga）內(nèi)，通入氦氣。用大約1 m長的非活性毛細管柱（0.32 mm i.d.）插入取樣袋一端，另一端伸入質(zhì)譜，將伸入質(zhì)譜端的毛細管關(guān)口內(nèi)徑控制在50 μm左右以使進入到質(zhì)譜的氣體能發(fā)生絕熱膨脹［11］。將解吸激光的激光束聚焦在離毛細管管口1 mm左右的毛細管尖端處，而電離激光聚焦在管口外某處，具體位置需以激光調(diào)節(jié)時所用的試劑信號為準。本研究用來確定電離激光位置及質(zhì)譜內(nèi)各電壓所用試劑為五氯苯，其主要作用是確立電離激光位置及優(yōu)化質(zhì)譜分辨率。固定兩種激光的延遲時間為8 μs，通過調(diào)節(jié)解吸激光的能量所得的五氯苯的質(zhì)譜圖如圖3所示。

圖3　解吸激光能量對五氯苯電離信號的影響Fig.3 Influence of the desorption laser energy to the ionization signal of pentachlorobenzene

由圖3的質(zhì)譜結(jié)果可以看出隨著解吸激光能量的增加，五氯苯質(zhì)譜信號強度不斷增大，在激光能量達到83 μJ時達到最大值。之后，由于激光能量增強，光子密度過大引起了分子離子峰的分解，由于解吸過度（能量：120 μJ）被檢測出的碎片峰峰高增強，其結(jié)果致使分子離子峰信號強度降低。在解吸電壓為0 μJ時，五氯苯也可以被檢出，但與其它具有解吸激光的電離信號相比強度相對較低。當解吸激光能量值在18 μJ、48 μJ、83 μJ、120 μJ時，檢測信號值分別是不使用解吸激光信號值的4.3倍、24倍、47和31倍。由此可見，激光解吸作為一種激光電離的輔助手段可以收到良好的檢測效果。

此外，為了考察不同化合物與解吸激光能量的關(guān)系，本文將電離激光能量值固定，考察了對氯苯酚、2，6-diCDF、2，3，8-triCDF、1，2，3，4-tetraCDF4種化合物在解吸激光能量在0～68 μJ區(qū)間內(nèi)的信號強度，結(jié)果如圖4所示。其縱坐標的具體含義是固定電離激光后，變換解吸激光能量得到的電離信號與沒有加解吸激光只有電離激光兩種實驗條件下得到的質(zhì)譜圖的強度比。由圖4可以看出，隨著解吸激光能量增加，4種化合物的電離信號強度均有不同程度增強，電離信號值分別是未使用解吸激光時電離信號值的22、49、75、85倍。這4種化合物的沸點分別為220℃、356℃、389℃和416℃，當樣品被載氣攜帶進入質(zhì)譜，在毛細管口由絕熱膨脹所引起的冷卻效果因為樣品沸點的增高而增強，從而樣品濃縮在毛細管關(guān)口凝聚效果增強。對于沸點相對較低的物質(zhì)如對氯苯酚，毛細管尖端的冷卻效果低于其它高沸點物質(zhì)，因此電離信號與未使用解吸激光相比效果不是很顯著；而對于容易粘連到毛細管尖端的高沸點多氯二惡英類物質(zhì)，則有更高的濃縮及解吸效果。

圖4　解吸激光能量對4種標準物質(zhì)電離信號的影響Fig.4 Influence of the desorption laser energy to the ionization signal for the 4 standard samples

2.3解吸激光與電離激光延遲時間的確立

固定解吸激光的量為83 μJ，通過改變激光電離之間的延遲時間測定了對氯苯酚的電離信號的質(zhì)譜圖，其信號強度對比結(jié)果如圖5（a）所示。從該結(jié)果可以看出隨著延遲時間在0～50 μs之間變化，樣品的分子離子峰的質(zhì)譜峰信號值相差很大，在6～8 μs區(qū)間對氯苯酚能得到較好的檢出。這在一方面證實了樣品在毛細管尖端得到了凝聚和濃縮，其導(dǎo)入方式不是連續(xù)的導(dǎo)入而是脈沖式導(dǎo)入。因為如果是連續(xù)導(dǎo)入則樣品在電離激光每個脈沖所得到的電離信號均相等，不會有類高斯的強度分布，只有樣品呈現(xiàn)脈沖方式導(dǎo)入時在每個脈沖區(qū)間才會有電離信號的衰減。

在另一方面，由圖5（a）也可計算得到樣品分子凝聚的飽和時間及凝聚區(qū)域。本實驗所應(yīng)用到的毛細管管口被限制在50 μm左右，當該管口內(nèi)的氣體從管口噴射到質(zhì)譜的真空腔內(nèi)，其氣體的流速可達到超音速，據(jù)報道在真空、室溫環(huán)境下樣品分子在管口噴射的平均速度在600 m/s左右［12］。峰的半高寬表示在當前的流速下樣品在解吸激光照射后6.5 μs內(nèi)達到飽和，根據(jù)流速可計算得到氣體脈沖的寬度應(yīng)在3.9 mm左右，其示意圖如圖5（b）所示。解吸激光與電離激光延遲時間的確立對于高靈敏度檢測環(huán)境中的二惡英物質(zhì)十分必要。

圖5　解吸激光與電離激光延遲時間對電離信號的影響及脈沖氣體寬度示意圖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　結(jié)論

1）對于高沸點的物質(zhì)，雖然適當?shù)募訜嵊欣诜肿拥臍饣珡谋狙芯康慕Y(jié)果來看溫度過高不利于解吸后電離信號的增強，樣品在毛細管尖端不能得到很好的濃縮。因此當毛細管溫度為20℃時，電離信號值是300℃時的80倍，有利于降低檢出限提高分析靈敏度。

2）適當?shù)卦黾咏馕す饽芰坑欣谔岣唠婋x信號值，但過高的解析能量容易引起分子離子峰的分解從而降低電離信號值，對于五氯苯分子其最佳解吸激光能量在83 μJ。同時對于不同沸點的物質(zhì)所需的最佳解吸激光能量也不同。

3）通過對氯苯酚解吸與電離激光延遲時間的研究證實了脈沖氣流的存在并得到了最佳延遲時間和脈沖寬度。

［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，F(xiàn)ick 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 基金項目：河北省自然科學(xué)基金資助項目（B2014203137）；燕山大學(xué)青年教師自主研究計劃課題（13LGA014）

*李阿丹（1975-），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，教授，主要研究方向為激光電離法色譜質(zhì)譜有機污染物的分析，Email：adanli@ysu.edu.cn。