馬 超， 趙蓉旭， 戚羽霖

（天津大學地球系統(tǒng)科學學院，天津 300072）

0 引言

有機氣溶膠（OA）是大氣氣溶膠的主要成分，不僅可以通過充當云和冰核影響水文循環(huán)和氣候變化，還可以通過呼吸系統(tǒng)沉積到肺部深處危害人類健康。伴隨著高豐度細顆粒物的空氣污染已成為工業(yè)城市及其周邊地區(qū)的嚴重環(huán)境問題［1-3］。關于OA 組成和來源已有很多研究，傅里葉變換離子回旋共振質譜（FTICR MS）具有超高分辨率和質量精度，無需色譜分離即可提供復雜有機質分子的元素組成信息，已被用于OA精確表征［4-6］。

電噴霧電離（ESI）技術是FT-ICR MS 表征OA 分子組成最常用的電離方法之一［7］。ESI技術是“最軟”的電離技術，在電離過程中，OA分子中的極性和中極性分子能在不破壞分子結構的前提下被選擇性電離。無基質輔助的激光解吸電離（LDI）技術在復雜混合物分析中應用較少，相較于基質輔助的激光解吸電離（MALDI）技術，LDI 技術需要更大的激光功率來電離分析物［8］。研究表明，LDI 技術可電離的天然有機物分子中有90%與MALDI技術相同，但是僅有9.9%與ESI 技術相同［9］。這表明，LDI 技術也是一種適合于復雜有機質分析的“軟”激光電離技術，可作為方便且易于操作的電離方法替代傳統(tǒng)的MALDI技術，進而與ESI技術互補使用。

以天津城區(qū)氣溶膠樣品為研究對象，采用ESI 源和LDI源結合FT-ICR MS，在150 ～1 000 Da的分子質量范圍內對OA進行分子水平表征，并對2 種電離源所得的質譜數(shù)據(jù)進行比較。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

所有質譜實驗均在預裝有ESI 和MALDI 雙電離源的Solarix 2xR 型FT-ICR MS（德國Bruker 公司）上完成。美國腐殖酸協(xié)會的富里酸（SRFA）標樣用于儀器質控測試；12 位固相萃取真空裝置（上海安譜公司）和Bond Elut PPL固相萃取柱（美國Agilent公司）用于實驗樣品的固相萃取和富集；搖床型號為DS-2012R（上海世平公司），用于氣溶膠膜樣品的溶解。

甲醇為色譜純（德國Merck 公司），鹽酸為質譜純（德國Sigma 公司），純水取自Milli-Q Advantage A10超純水系統(tǒng)（德國Merck公司）。

測試樣品為城市氣溶膠樣品，于2021年12月使用九級多孔聯(lián)級式采樣器（美國Andersen 公司）采集自天津大學衛(wèi)津路校區(qū)第16 教學樓頂層天臺。

1.2 樣品前處理

使用特氟龍剪刀將氣溶膠膜樣品剪成0.2 cm2大小的碎片后，加入20 mL超純水。樣品在搖床上振蕩12 h，使氣溶膠中的溶解性有機質完全溶于純水。用0.45 μm針頭式聚四氟乙烯過濾膜過濾氣溶膠水溶性樣品至20 mL 的容量瓶中，再使用pH 值為1 的鹽酸將萃取水溶液調至pH值為2，最終得到酸化水樣。

固相萃?。菏紫仁褂?0 mL甲醇和20 mL經(jīng)鹽酸酸化后pH 值為2 的酸化超純水依次淋洗固相萃取柱，然后將酸化水樣緩慢、多次注入固相萃取柱中，控制液體流速為每秒1 ～2 滴。待氣溶膠樣品全部流過固相萃取柱后，立即用20 mL酸化超純水淋洗。使用氮氣吹干柱內水分，再用6 mL的甲醇洗脫萃取柱，最后得到待測溶液。

1.3 質譜條件

使用MALDI源負離子模式采集LDI 數(shù)據(jù)。待測溶液分多次滴到靶板后，無需添加基質。激光能量為40.8 kW，頻率為200 Hz，超大光圈激發(fā)樣品。

采用標準ESI 源負離子電離模式采集ESI 數(shù)據(jù)。待測溶液以180 μL／h體積流量導入離子源，毛細電壓5.0 kV，端板偏置電壓-500 V，霧化氣體壓力0.2 MPa，干燥氣溫度250 ℃，體積流量5.0 L／min。

2 種電離技術均在寬帶模式下采集質譜數(shù)據(jù)，掃描范圍為150 ～1 000 Da；四極檢測模式，瞬態(tài)大小為4 M字長，自由感應衰減信號周期為1.423 0 s，離子累計時長為0.030 s，飛行時長為7.50 ×10-4s，譜圖累計疊加掃描256 次。需要說明的是，在樣品測試之前，使用SRFA標樣作為儀器質控樣品進行質量軸校正。

1.4 化學式賦值

樣品測試完成后，使用內部參考質量表進行內部重新校準。經(jīng)過內部校準，整個分子質量范圍內的誤差小于0.5 ×10-6Da。選取信噪比高于6 的質譜峰，以碳原子（1 ～80）、氫原子（2 ～120）、氧原子（0 ～25）、氮原子（0 ～3）和硫原子（0 ～2）的原子數(shù)目的限制條件為化合物分配原則在Composer 1.5.6（美國Sierra Analytics公司）中進行化學式的分配［10］?；瘜W式賦值后，將得到的質量列表轉換為Excel 格式，并分成不同類別進行分析。本研究中未考慮同位素峰。

2 結果與討論

2.1 質譜譜圖分析

ESI源和LDI源結合FT-ICR MS 分別檢測OA 樣品所生成的質譜圖，如圖1（a）和圖1（b）所示。圖1中，橫坐標為離子的質荷比（m／z）。很明顯，質譜數(shù)據(jù)遵循近似高斯分布特征，即分子質量范圍為200 ～600 Da，呈正態(tài)分布，質量重心在質荷比（m／z）255 處，這也是以往研究中OA在FT-ICR MS的分布特征。

圖1 ESI和LDI源測試氣溶膠樣品FT-ICR MS質譜圖

圖1（c）和圖1（d）分別展現(xiàn)了在ESI源和LDI源下FT-ICR MS 質譜圖中標度為m／z367.00 的單質量尺度拓展圖。在367.00 ～367.30 Da的分子質量范圍內，共檢測出36 個分配分子式的質譜峰，其中ESI 源下有12 個獨有質譜峰（圖中用紫色序號表示），而LDI源下僅有3 個（圖中用綠色序號表示）。具體定性數(shù)據(jù)如表1 所示。比較ESI源和LDI源下所檢測出的獨有化合物，發(fā)現(xiàn)ESI 源下優(yōu)先電離氫碳原子比（H／C）高的化合物，而LDI源下優(yōu)先電離低H／C組分。

表1 m／z 367.00 ～367.30 質譜峰定性表

2.2 可視化數(shù)據(jù)比較

為了將單點質譜圖的定性結果擴展到整個分子質量范圍的質譜圖，ESI 源和LDI 源生成的質譜數(shù)據(jù)用指定軟件自動處理，并計算不同參數(shù)，以可視化的方式對比分析2 種類型的質譜數(shù)據(jù)。

在150 ～1 000 Da 的分子質量范圍內，ESI 源和LDI源下分別檢測并定性出6 526 個和6 005 個信噪比高于6 的質譜峰，其中4 327（55.42%）個質譜峰在2 種電離源條件下均被檢出。ESI 源下有2 199 個獨有化合物，以CHO和CHNO類為主，LDI源下有1 282個獨有化合物，以CHOS和CHNOS類為主，如圖2（a）和圖2（b）所示。這表明LDI 源可以提供ESI 源無法檢測到的化合物組成，結合2 種不同的電離源可以得到更加完整的OA分子信息。

圖2 ESI源和LDI源測試樣品可視化數(shù)據(jù)比較

進一步比較ESI源和LDI源對OA分子的電離選擇性，以H／C為縱坐標，氧碳原子比（O／C）為橫坐標，構建基于van Krevelen（vK）圖的OA 分子組成數(shù)據(jù)表達［11-12］，如圖2（c）所示。圖2（c）中，灰色點表示在ESI源和LDI源下均能檢測出的化合物，紅色點和綠色點分別表示ESI 源和LDI 源單獨檢測出的化合物。結果表明，ESI源和LDI源對OA分子具有明顯的電離選擇性，O／C 相對較?。∣／C ＜0.6）、H／C 相對較低（H／C ＜1.0）的化合物優(yōu)先被LDI源電離，而ESI源更容易電離H／C較高（H／C≥1.0）的化合物。如圖2 所示，ESI源更易電離高度不飽和化合物和不飽和脂肪族化合物，LDI源在電離多酚類和多環(huán)芳烴類化合物方面效果更為顯著［13-14］。LDI 源在分析多酚類、多環(huán)芳烴類以及含硫化合物方面有顯著優(yōu)勢，是ESI 源的必要補充，有利于更加全面客觀地表征OA分子組成。

為比較ESI源和LDI源對OA分子相對分子質量的電離選擇性，構建Kendrick 質量虧損［15］（KMD）與標準質量的質量虧損圖［13］，如圖2（d）所示。圖2（d）中，灰色點表示在ESI 源和LDI 源下均能檢測出的化合物，紅色點和綠色點分別表示ESI 源和LDI 源單獨檢測出的化合物。其中，縱坐標為Kendrick 質量虧損，公式推導過程詳見文獻［16］。由圖2 可知，在200 ～600 Da的分子質量范圍內，與LDI源相比，相對較大的分子在ESI源下更易電離。

3 結語

不同的電離技術對具有不同性質的OA分子具有不同的電離選擇性，因此要獲取更全面的OA 分子信息需結合不同的電離方法。本研究采用ESI源和LDI源結合FT-ICR MS在150 ～1 000 Da的分子質量范圍內對OA進行分子水平表征，并對2 種電離源所得的質譜數(shù)據(jù)進行對比。ESI 源和LDI 源對不同OA 分子具有顯著的電離選擇性，ESI 源更易電離高度不飽和化合物及不飽和脂肪族化合物，并在大分子質量化合物分析中有電離優(yōu)勢；LDI 源更易電離多酚類和多環(huán)芳烴類化合物，且電離化合物的分子質量較小。