陳林飛，劉思瑩，鄧金連，劉俊文，歐陽(yáng)永中，

(1.東華理工大學(xué)　江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西　南昌　330013;2.東華理工大學(xué)

軟件學(xué)院　南昌市氣相分子科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西　南昌　330013)

大氣壓化學(xué)萃取電離質(zhì)譜法用于吡啶類化合物的快速檢測(cè)

陳林飛1，劉思瑩1，鄧金連2，劉俊文1，歐陽(yáng)永中1，2

(1.東華理工大學(xué)江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013;2.東華理工大學(xué)

軟件學(xué)院南昌市氣相分子科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013)

摘要：利用大氣壓化學(xué)萃取電離源質(zhì)譜技術(shù)(EAPCI-MS)對(duì)吡啶類化合物的電離行為特征進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)顯示，EAPCI-MS技術(shù)在常溫常壓條件下，無(wú)需樣品預(yù)處理和任何輔助化學(xué)試劑，在質(zhì)譜圖中能同時(shí)檢測(cè)到吡啶類化合物的質(zhì)子化分子離子峰[M+H]+和分子離子峰M+·，并具有類似的二級(jí)碎裂機(jī)理。研究結(jié)果表明，EAPCI-MS技術(shù)具有不同于傳統(tǒng)電離源質(zhì)譜的裂解方式，同時(shí)兼具傳統(tǒng)電噴霧電離(ESI)和大氣壓化學(xué)電離(APCI)的特征電離方式和行為，極大地提高了化學(xué)檢測(cè)的選擇性，增強(qiáng)了質(zhì)譜分析的定性能力。該研究為吡啶類化合物的檢測(cè)和鑒定提供了一種新方法，對(duì)吡啶類化合物的快速檢測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。

關(guān)鍵詞：大氣壓化學(xué)萃取電離質(zhì)譜法;吡啶類化合物;裂解規(guī)律;快速檢測(cè)

吡啶(C5H5N) 是一種具有弱堿性和特殊氣味的無(wú)色或微黃色液體，天然存在于煤焦油、頁(yè)巖油、煤氣及石油中，是重要的化工原料和溶劑。吡啶類化合物是目前雜環(huán)化合物中開(kāi)發(fā)應(yīng)用范圍最廣的品種之一，主要用于生產(chǎn)除草劑、各種醫(yī)藥和農(nóng)藥中間體，應(yīng)用非常廣泛，深加工前景相當(dāng)廣闊。但由于吡啶類化合物很難通過(guò)微生物處理的方法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行降解，因此仍保持原來(lái)的毒性釋放到大氣、水體、土壤等生態(tài)環(huán)境中，造成巨大污染[1-2]。因此，迫切需要建立一種準(zhǔn)確、高效的分析檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)吡啶類化合物的實(shí)時(shí)、快速鑒定和監(jiān)測(cè)。

目前，吡啶類化合物的檢測(cè)方法主要包括氣相色譜法[3-7]、液相色譜法[8-10]、巴比妥酸分光光度法[11]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[12-14]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)[15]等，這些方法主要用于煤焦油、石油及水生態(tài)環(huán)境樣品的分析檢測(cè)。分光光度法操作簡(jiǎn)單，但由于不能對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行富集，靈敏度較低。 色譜和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)已發(fā)展為應(yīng)用較為廣泛的常規(guī)分析方法，其選擇性好，分離能力強(qiáng),但操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，易對(duì)樣品造成破壞，不能滿足實(shí)際樣品快速檢測(cè)的需要。

大氣壓化學(xué)萃取電離源質(zhì)譜技術(shù)(EAPCI-MS，Extractive atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的常壓環(huán)境電離源，具有分析速度快、基質(zhì)耐受力強(qiáng)、無(wú)化學(xué)污染及靈敏度高等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于廢水中各種污染物的檢測(cè)[16]。與傳統(tǒng)的大氣壓化學(xué)電離(APCI)離子源相比，EAPCI是一種更加“柔和”的離子源，在無(wú)需樣品預(yù)處理的條件下，可直接用于各種復(fù)雜基體樣品的快速分析，尤其是對(duì)于非極性和弱極性化合物，能夠得到更為豐富的離子信號(hào)?；诖?，本文采用一種改進(jìn)的常壓化學(xué)電離源質(zhì)譜技術(shù)(EAPCI-MS)，在無(wú)需任何樣品預(yù)處理和有毒化學(xué)試劑的情況下，對(duì)烷基和氨基類吡啶系列化合物進(jìn)行定性分析，并對(duì)其質(zhì)譜裂解行為進(jìn)行深入研究。通過(guò)研究EAPCI電離吡啶類化合物的機(jī)理，為吡啶類化合物的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)提供了新的途徑和思路，為實(shí)現(xiàn)大氣和水生態(tài)環(huán)境中不同形態(tài)復(fù)雜樣品中吡啶類化合物的快速檢測(cè)和鑒定提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

圖1　EAPCI源的裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of EAPCI ion source

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器、材料與試劑

所有實(shí)驗(yàn)均是利用大氣壓化學(xué)萃取電離(EAPCI)源(東華理工大學(xué)自制，如圖1)與商業(yè)LTQ-XL線性離子阱質(zhì)譜儀(美國(guó)Finning公司，配有Xcalibur 2.0數(shù)據(jù)系統(tǒng))耦合完成，有關(guān)離子源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體參數(shù)優(yōu)化和設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)[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-聯(lián)吡啶(分析純，阿拉丁試劑上海有限公司);甲醇(色譜純，阿拉丁試劑上海有限公司);超純水(電阻率為18.25 MΩ·cm);氮?dú)?純度>99.999%)。

1.2質(zhì)譜條件

正離子模式：設(shè)置LTQ-MS為正離子檢測(cè)模式，質(zhì)譜檢測(cè)掃描范圍為m/z50～400;高壓電暈放電針?lè)胖迷陔x質(zhì)譜口約10 mm的同一水平軸上，放電針尖與待測(cè)樣品引入通道的垂直距離(a)為1 cm，與樣品引入通道的夾角(α)和質(zhì)譜口的夾角(β)分別為60°和80°;樣品引入通道與質(zhì)譜口的水平距離(b)和夾角(γ)分別為10 mm和80°;離子傳輸管電壓為44 V;透鏡電壓為95 V;高壓放電針電壓為4.5 kV;離子管傳輸溫度為120 ℃;輔助氣體氮?dú)?.3 MPa;濕度43%;其它參數(shù)由LTQ-MS系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化。參數(shù)的詳細(xì)調(diào)節(jié)和優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

1.3實(shí)驗(yàn)原理

在大氣壓環(huán)境下，高壓電暈放電(約4.5 kV)在放電針尖端產(chǎn)生高密度的初級(jí)試劑離子，同時(shí)，輔助氣體(N2)通過(guò)密閉試劑瓶將中性液體樣品引入到放電針尖口，帶電荷的初級(jí)試劑離子與由樣品通道導(dǎo)入的中性待測(cè)化合物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)入質(zhì)譜儀從而被檢測(cè)。

1.4實(shí)驗(yàn)步驟

以甲醇-水(1∶1,體積比)作為溶劑;分別稱取3-氨基吡啶、2，6-二氨基吡啶、2，2-聯(lián)吡啶等固體試樣，溶解，轉(zhuǎn)移定容成0.1 mg/L溶液待用；其余液體試樣用甲醇-水(1∶1)溶劑定容成0.1 mg/L溶液待用;采用逐級(jí)稀釋的方法將其稀釋為10-4，10-6mg/L，最終稀釋至10-9mg/L，并貼上標(biāo)簽。然后移取適量溶液置于裝置進(jìn)樣處，進(jìn)行質(zhì)譜分析。

2結(jié)果與討論

2.1烷基類吡啶化合物

圖2為EAPCI-MS檢測(cè)得到的2, 4-二甲基吡啶的總離子流圖(圖2A)、質(zhì)子化分子離子[M+H]+(圖2B)和分子離子M+·流圖(圖2C)。如圖2A所示，6.35～6.7,7.1～7.4,7.52～7.78,8.17～9.0 min進(jìn)樣時(shí)間下，當(dāng)待測(cè)樣品經(jīng)樣品通道進(jìn)入到電離區(qū)域時(shí)，觀察到總離子流圖的變化雖然不太明顯，但m/z108和m/z107離子流圖明顯增強(qiáng)，可能分別對(duì)應(yīng)于質(zhì)子化分子離子峰[M+H]+和分子離子峰M+·。

圖2　2，4 -二甲基吡啶的總離子圖(A)及特征離子流圖[M+H]+(B)和M+·流圖(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分別表示進(jìn)行CID實(shí)驗(yàn)時(shí)，母離子[M+H]+與碎片離子之間的質(zhì)量數(shù)差)

2.2氨基類吡啶化合物

圖4為利用EAPCI-MS測(cè)得的2, 6-二氨基吡啶的總離子流圖(圖4A)和分子離子M+·流圖(圖4B)。如圖4A所示，7.1～2.25,2.55～2.74,2.9～3.1 min進(jìn)樣時(shí)間下，當(dāng)待測(cè)樣品被引入到離子源電離區(qū)域時(shí)，能夠觀察到總離子流圖明顯升高，m/z109離子流圖有著較為明顯的同步變化趨勢(shì)，可能對(duì)應(yīng)于目標(biāo)化合物的分子離子峰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分別表示進(jìn)行CID實(shí)驗(yàn)時(shí)，母離子[M+H]+與碎片離子之間的質(zhì)量數(shù)差)

2.3其他類吡啶化合物

圖6　2-氨基-3-甲基吡啶的總離子(A)及特征離子流圖[M+H]+(B)和M+·流圖(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)

圖6為利用EAPCI-MS測(cè)得的2-氨基-3-甲基吡啶的總離子流圖、質(zhì)子化分子離子[M+H]+和分子離子M+·流圖。如圖6所示，當(dāng)待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)樣品引入通道進(jìn)入到離子源電離區(qū)域時(shí)，能夠觀察到總離子流圖較強(qiáng)的變化，并伴隨產(chǎn)生比較明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)的m/z109和m/z108離子流圖，可能分別對(duì)應(yīng)于質(zhì)子化分子離子峰[M+H]+和分子離子峰M+·。

圖7　2-氨基-3-甲基吡啶的EAPCI-MS全掃描(A)和離子峰m/z 109(B)和m/z 108 的MS/MS質(zhì)譜圖(C)

表3　2種典型的不同取代基吡啶類化合物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)

Δ1, Δ2, Δ3:them/zlose of the parent ion[M+H]+ or M+·in CID experiments, respectively(Δ1,Δ2,Δ3分別為進(jìn)行CID實(shí)驗(yàn)時(shí)，母離子[M+H]+或M+·與碎片離子之間的質(zhì)量數(shù)差)

3結(jié)論

本研究采用大氣壓化學(xué)萃取電離源質(zhì)譜技術(shù)(EAPCI-MS)，分別對(duì)烷基類、氨基類、氨基-甲基類等9種吡啶類化合物進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)其裂解機(jī)理進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，除了2，6-二氨基吡啶外，利用EAPCI-MS技術(shù)，在常溫常壓條件下，無(wú)需樣品預(yù)處理和任何輔助化學(xué)試劑，能同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子化準(zhǔn)分子離子[M+H]+和分子離子M+·，而且檢測(cè)到相似的MS/MS裂解規(guī)律。與傳統(tǒng)的APCI離子源相比，EAPCI離子源更加“柔和”，同時(shí)兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)電噴霧電離(ESI)和大氣壓化學(xué)電離(APCI)的特征電離方式和行為，能提供豐富的碎裂離子峰，極大地提高了化學(xué)檢測(cè)的選擇性，增強(qiáng)了質(zhì)譜定性分析能力。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)分子離子峰M+·的穩(wěn)定性取決于吡啶類化合物取代基的性質(zhì)，再次證明了EAPCI-MS離子源在復(fù)雜基體樣品快速分析方面的優(yōu)勢(shì)，為吡啶類化合物的檢測(cè)和鑒定提供了一種新技術(shù)和方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)大氣和水生態(tài)環(huán)境中不同形態(tài)復(fù)雜樣品中吡啶類化合物的快速檢測(cè)和鑒定具有重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。

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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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21405013);江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB213010);南昌市科技項(xiàng)目(2012-SYS-003);博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(DHBK201106)

*通訊作者：歐陽(yáng)永中，博士，副教授，研究方向：復(fù)雜儀器數(shù)據(jù)分析，Tel:0791-83897398，E-mail:ouyang7492@163.com

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.04.005

中圖分類號(hào)：O657.63;O626.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1004-4957(2016)04-0400-06