馬明英，徐富建，李 丹，張 琳，朱雪尉，張四純

(清華大學(xué) 化學(xué)系，北京 100084)

苯胺是化工、染料及醫(yī)藥等行業(yè)的重要原料[1]，廣泛用于紡織印染、農(nóng)藥、藥物等工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)排放進(jìn)入水體中的苯胺是水體污染物中毒性較高的化合物之一[2]。殘留于廢水中的苯胺進(jìn)入生物體后會(huì)引發(fā)高鐵血紅蛋白血癥等疾病[3]，嚴(yán)重者會(huì)因缺氧而死亡，甚至與癌癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)[4]，因此苯胺被很多國(guó)家列入優(yōu)先控制污染物名單。2012年12月山西長(zhǎng)治因苯胺泄漏事故發(fā)生重大突發(fā)性水污染事件，造成水質(zhì)惡化，導(dǎo)致持久性環(huán)境污染。目前，苯胺的檢測(cè)方法有拉曼光譜法[5]、流動(dòng)注射分光光度法[6]、氣相色譜法[7]、液相色譜-質(zhì)譜法[8]、氣相色譜-質(zhì)譜法[9]等。其中色譜-質(zhì)譜法靈敏度高、重復(fù)性好，是目前環(huán)境分析中定性、定量分析的常用方法，但其存在前處理過(guò)程繁瑣，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)的發(fā)展需求。

2008年，本課題組與美國(guó)普渡大學(xué)Cooks教授課題組合作，發(fā)展出低溫等離子體(Low-temperature plasma，LTP)離子化方法[10]。該技術(shù)是利用特殊設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，將樣品加載于基質(zhì)表面，利用高頻交流電場(chǎng)誘導(dǎo)介質(zhì)阻擋放電，產(chǎn)生的低溫等離子體直接與被分析樣品相互作用，解吸和電離樣品分子，通過(guò)質(zhì)譜實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。LTP作為質(zhì)譜離子源具有裝置簡(jiǎn)便易操作、功耗低、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域[11-12]。然而由于水體的基體效應(yīng)，使得該方法存在分析靈敏度不足的問(wèn)題。

本課題組在近期研究[13]中采用納米金顆粒修飾紙芯片裝置結(jié)合透射LTP-MS檢測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑時(shí)，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)低溫等離子體探針可與金屬針尖作用形成疊加電場(chǎng)而產(chǎn)生放電，提高樣品離子化效率，并成功檢測(cè)了痕量的化學(xué)戰(zhàn)劑，檢出限低至500 ng/L[14]?；诖?，本文將納米金顆粒濺射于針灸針表面后輔助LTP-MS進(jìn)樣用于提高苯胺的檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)環(huán)境水樣中苯胺污染物的快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

苯胺(分析純，99.5%)購(gòu)自北京百靈威科技有限公司；甲醇(色譜級(jí))購(gòu)自Sigma-Aldrich化學(xué)試劑公司；氦氣(純度≥99.999%)、氮?dú)赓?gòu)于天津液化空氣有限公司；去離子水由Milli-Q純水系統(tǒng)制備。

實(shí)驗(yàn)采用熱電公司的Finnigan線性離子阱質(zhì)譜(Finnigan LTQ-MS,Thermo Finnigan)，軟件系儀器配套LTQ Xcalibur version 1.4 SR1；交流電源采用的接觸調(diào)壓器為北京北理國(guó)科臭氧應(yīng)用技術(shù)有限公司產(chǎn)品。LTQ質(zhì)譜條件：離子傳輸管溫度為275 ℃，毛細(xì)管電壓9 V，透鏡電壓100 V。Hitachi E-1010離子濺射儀(日本Hitachi公司)；針灸針(Φ0.30 mm×25 mm)購(gòu)于北京中研太和醫(yī)療器械有限公司。

圖1 金納米顆粒修飾針尖輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)苯胺裝置示意圖

圖2 針灸針表面濺射電鏡圖

1.2 LTP離子源的設(shè)計(jì)

金納米顆粒修飾針尖輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)苯胺樣品示意圖如圖1所示。在一根中空玻璃管(內(nèi)徑1.1 mm，長(zhǎng)10 cm)管外并肩連接兩段導(dǎo)電銅絲作為電極，電極間距離為20 mm；載氣(氦氣)以2.3 L/min的流速通過(guò)玻璃管；兩電極上施加高頻高壓交流電得到持續(xù)穩(wěn)定的等離子體。LTP尾焰距離進(jìn)樣口15 mm，修飾后的針灸針以45°角斜插入等離子體；樣品滴加于針尖上樣；低溫等離子體和修飾了金納米顆粒的針尖接觸促進(jìn)了樣品的解吸和電離，樣品離子化后進(jìn)入質(zhì)譜儀，實(shí)現(xiàn)樣品分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于苯胺有一定毒性，因此整個(gè)操作步驟須由專業(yè)人員在通風(fēng)條件下進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及到高頻高壓電，必須做好絕緣防護(hù)；針灸針尖端細(xì)而尖銳，使用時(shí)謹(jǐn)慎取用，防止扎傷，回收時(shí)需存放于專有尖銳物品收納容器內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 金納米修飾針灸針的表征

利用離子濺射儀在針灸針表面真空濺射鍍金，制成金納米基底。通過(guò)掃描電鏡(SEM)對(duì)濺射后的針灸針進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，濺射前針尖表面無(wú)粒子附著，而濺射后金納米顆粒比較均勻的分布在針灸針基底表面(圖2)。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.2.1 溶劑的選擇實(shí)驗(yàn)選用丙酮、水、乙腈、甲醇、甲醇-水(5∶95)、乙醇作為溶解苯胺的溶劑，配成50 μg/L的苯胺溶液作為待測(cè)樣品，考察溶劑對(duì)質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，以甲醇-水(5∶95)為溶劑時(shí)信號(hào)最高，而乙醇因其離子峰[2M+H]+(m/z93)和苯胺離子峰[M+H]+(m/z94)峰相鄰易產(chǎn)生溶劑峰干擾。

2.2.2 氦氣壓力優(yōu)化氦氣壓力是影響低溫等離子體的重要因素。實(shí)驗(yàn)中氦氣壓力不能過(guò)大或過(guò)小，壓力過(guò)大時(shí)氣流不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定，降低質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度；壓力過(guò)小時(shí)產(chǎn)生的等離子量過(guò)低或不產(chǎn)生等離子體同樣使質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度降低。因此，實(shí)驗(yàn)考察了不同氦氣壓力(0.05～0.25 MPa)對(duì)質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，隨著氦氣壓力的增加，氣體流速逐漸增大，低溫等離子體探頭處持續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的紫色尾焰，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，并在0.20 MPa時(shí)達(dá)到最大，此后繼續(xù)增加氮?dú)鈮毫χ?.25 MPa時(shí)，可觀察到介質(zhì)阻擋中空玻璃管內(nèi)有脈沖式噴出的等離子體并伴隨放電聲音，分析可能是氣體壓力過(guò)大造成放電劇烈，低溫等離子體穩(wěn)定性變差，該條件下質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度突然下降，因此最佳氦氣壓力選為0.20 MPa。

2.2.3 真空濺射鍍金時(shí)間的優(yōu)化真空濺射鍍金時(shí)間是影響樣品吸附的參數(shù)之一，因此實(shí)驗(yàn)考察了濺射時(shí)間為0、30、60、90、120 s 時(shí)修飾針尖對(duì)待測(cè)樣品信號(hào)強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，苯胺的信號(hào)強(qiáng)度隨著真空濺射鍍金時(shí)間增加而增強(qiáng)，在90 s時(shí)達(dá)到最大，此后繼續(xù)增加濺射時(shí)間，質(zhì)譜檢測(cè)到苯胺信號(hào)強(qiáng)度變化不明顯。表明隨著金納米數(shù)量的增加，金納米與樣品之間的活性位點(diǎn)增多，離子效率增大，綜合考慮時(shí)間耗費(fèi)和濺射效果的平衡，選擇90 s為最優(yōu)濺射時(shí)長(zhǎng)。

2.2.4 LTP尾焰至進(jìn)樣口的距離使用自制離子源對(duì)樣品進(jìn)行分析檢測(cè)時(shí)，LTP尾焰至進(jìn)樣口的距離是影響質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了兩者距離分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 cm時(shí)樣品分子離子峰質(zhì)譜信號(hào)峰強(qiáng)度變化，以確認(rèn)最佳距離。結(jié)果顯示，苯胺的分子離子峰m/z94的質(zhì)譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度隨著LTP尾焰至進(jìn)樣口的距離增大呈先增大后降低的趨勢(shì)，在1.5 cm時(shí)達(dá)到最大，此后繼續(xù)增大距離后質(zhì)譜信號(hào)反而下降，故選擇LTP尾焰至進(jìn)樣口的距離為1.5 cm。

圖3 針灸針在不同條件下的增強(qiáng)效果

2.3 納米金顆粒輔助LTP-MS檢測(cè)苯胺的增強(qiáng)效果

為證實(shí)納米金顆粒修飾針灸針可輔助質(zhì)譜信號(hào)增強(qiáng)現(xiàn)象，考察了不同實(shí)驗(yàn)條件下的信號(hào)強(qiáng)度(圖3)。結(jié)果顯示，質(zhì)量濃度為50 μg/L的苯胺使用納米金修飾的針灸針時(shí)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到了2.26×106，信噪比(S/N)為33.60(曲線a)。而未修飾的針灸針產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度為5.21×104，S/N為2.74(曲線b)，可見(jiàn)質(zhì)譜信號(hào)增強(qiáng)了43倍。為了排除增強(qiáng)現(xiàn)象是由于納米金修飾引起表面粗糙度增加的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了氫氟酸蝕刻實(shí)驗(yàn)。針灸針在氫氟酸的腐蝕下，會(huì)形成微孔結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行苯胺測(cè)試時(shí)，信號(hào)可增強(qiáng)到2.14×105，S/N為3.57(曲線c)，相較而言，質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度低于金納米的增強(qiáng)效果產(chǎn)生的信號(hào)，表明金納米修飾下的信號(hào)增強(qiáng)主要原因并非針表面粗糙度增加導(dǎo)致，而是金納米與微等離子體的電場(chǎng)耦合效應(yīng)。最后，當(dāng)撤去LTP探頭后，質(zhì)譜信號(hào)為5.08×103，S/N為2.30(曲線d)，進(jìn)一步表明納米金顆粒增強(qiáng)質(zhì)譜信號(hào)的同時(shí)低溫等離子體也起到了重要作用。

2.4 線性范圍與檢出限

在優(yōu)化條件下，采用甲醇-水(體積比5∶95)配制1～50 μg/L的苯胺溶液，以特征離子m/z94的質(zhì)譜信號(hào)(y)為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)苯胺質(zhì)量濃度(x,μg/L)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，苯胺質(zhì)量濃度在1～50 μg/L范圍內(nèi)，與質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度呈較好的線性關(guān)系，回歸方程為y=40 240x-51 680，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.997 5。采用納米金輔助增強(qiáng)LTP-MS檢測(cè)苯胺的檢出限(S/N=21.6)為0.64 μg/L，相比于經(jīng)典光度分析方法[15]降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)；與直接進(jìn)樣液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[16]相當(dāng)。本方法避免了冗長(zhǎng)的色譜分離過(guò)程，整個(gè)樣品分析過(guò)程可在1 min內(nèi)完成。

2.5 實(shí)際樣品檢測(cè)

在優(yōu)化條件下，采用本方法檢測(cè)河水中的苯胺，結(jié)果均未檢出。通過(guò)在河水中加入標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平為10、25、50 μg/L，每個(gè)水平平行3組實(shí)驗(yàn)，所得檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線定量。結(jié)果表明，3個(gè)加標(biāo)水平下苯胺的回收率為91.9%～112%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.6%～15%，表明本方法具有良好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

圖4 化合物沸點(diǎn)與信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系圖

2.6 機(jī)理研究

納米金具有特殊的光學(xué)、電磁、熱效應(yīng)等性質(zhì)[17]，已在多種分析方法中得到應(yīng)用[18-21]。為研究納米金修飾的針尖與等溫等離子體結(jié)合用于質(zhì)譜檢測(cè)時(shí)的增強(qiáng)機(jī)理，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同沸點(diǎn)的含氮類化合物的信號(hào)強(qiáng)度均有提高，因此依據(jù)分子量和沸點(diǎn)的高低選擇不同濃度的苯胺、4-甲氨基吡啶、對(duì)苯二胺、4-硝基苯胺、克倫特羅5種標(biāo)準(zhǔn)品溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，苯胺([M+H]+,m/z94)、4-甲氨基吡啶([M+H]+,m/z123)、對(duì)苯二胺([M+H]+,m/z109)、4-硝基苯胺([M+H]+,m/z139)、克倫特羅([M+H]+,m/z277)的峰強(qiáng)度分別為2.93×106、1.50×106、1.28×106、1.17 × 106和1.98 × 104，且隨著化合物分子量的增加，沸點(diǎn)增加，獲得的分子離子峰強(qiáng)度卻逐漸降低(圖4)。由此可見(jiàn)，納米金粒子對(duì)沸點(diǎn)越低的化合物增強(qiáng)效應(yīng)越好，對(duì)沸點(diǎn)高的增強(qiáng)效應(yīng)差。這一結(jié)果表明，納米金粒子對(duì)質(zhì)譜信號(hào)的增強(qiáng)作用可能是因熱效應(yīng)使分析物更易解吸附為氣態(tài)分子，從而提高其離子化效率，使檢測(cè)到的質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度提高。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)納米金顆修飾針灸針表面結(jié)合LTP離子源實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境中苯胺的快速高靈敏檢測(cè)。與傳統(tǒng)的質(zhì)譜-色譜聯(lián)用法相比，該方法檢測(cè)速度快、無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理，實(shí)現(xiàn)了水體污染物苯胺的高靈敏檢測(cè)，對(duì)環(huán)境樣品的分析具有重要的意義及潛力。