引用本文
石海峡, 徐青, 王晗, 刘友江, 李山, 胡俊, 李跃, 陈池来. 混合载气高场不对称波形离子迁移谱中He-N2比例对挥发性有机物混叠峰分离的影响研究 [J]. 光谱学与光谱分析, 2019,39(9): 2713-2718.
SHI Hai-xia, XU Qing, WANG Han, LIU You-jiang, LI Shan, HU Jun, LI Yue, CHEN Chi-lai. Study on the Effect of He-N2 Ratio in Mixed Carrier Gas on Separation of VOC Aliasing Peaks in FAIMS [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(9): 2713-2718.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)09-2713-06  
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混合载气高场不对称波形离子迁移谱中He-N2比例对挥发性有机物混叠峰分离的影响研究
石海峡1, 徐青1,2, 王晗2,3, 刘友江2, 李山2, 胡俊2,3, 李跃1,2,*, 陈池来2,*
1. 合肥工业大学汽车与交通工程学院, 安徽 合肥 230009
2. 中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230031
3. 中国科学技术大学自动化系, 安徽 合肥 230027
*通讯联系人 e-mail: 344584314@qq.com; chlchen@iim.ac.cn

作者简介: 石海峡, 1969年生, 合肥工业大学汽车与交通工程学院副教授 e-mail: jdshx@263.net

收稿日期: 2018-08-17 接受日期: 2019-01-10
基金: 国家重点研发计划(2016YFC0201102), 中国科学院合肥物质科学研究院院长基金项目(YZJJ2018QN26), 合肥物质科学技术中心创新项目培育基金项目(2016FXCX008), 安徽省自然科学基金项目(1708085QF129)和中国科学院青年创新促进会项目(2013213)资助
摘要

载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)离子分离能力的一个重要方法, 在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用, 但缺乏在环境小分子领域的研究。 选取挥发性有机物(VOCs)中芳香烃、 醇、 烷烃、 酸、 酮类中的五种物质(邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮)为研究对象, 研究了混合气体中He-N2比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、 分离度及总离子通过率的影响。 实验结果表明, 随着FAIMS载气中He比例的增加, 5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移, 且单体峰与二聚体峰偏移程度不同, 单体峰偏移量先增加后减少, 而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加; 随着FAIMS载气中He比例的增加, 五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是: 20%, 30%, 10%, 40%和20%; 随着FAIMS载气中He比例的增加, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 丙酮的离子信号强度无明显变化, 乙酸的离子信号强度下降明显。 该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。 同时, 也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。

关键词: 高场不对称离子迁移谱; 分离度; 挥发性有机物; 混合载气
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Study on the Effect of He-N2 Ratio in Mixed Carrier Gas on Separation of VOC Aliasing Peaks in FAIMS
SHI Hai-xia1, XU Qing1,2, WANG Han2,3, LIU You-jiang2, LI Shan2, HU Jun2,3, LI Yue1,2,*, CHEN Chi-lai2,*
1. College of Automotive and Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2. State Key Laboratory of Sensing Technology, Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
3. Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China
*Corresponding authors
Abstract

Carrier gas mixing as one of the most important methods to improve the separation ability of high Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry (FAIMS) has been widely used in the field of bio macromolecule mass spectrometry, while there is a lack of some research in environmental small molecules. In this paper, five typical volatile organic compounds (VOCs), including o-xylene, isobutanol, n-hexane, acetic acid and acetone, were chosen to study the effect of N2-He mixing ratio on the peak position, resolution and ion pass rate of monomers and dimer ion. The results showed that with the increase of the proportion of He in the carrier gas of FAIMS, the peak position of the monomer and dimer ion in five VOCs shifts, and the peak of the monomer and the dimer were different, and the monomer peak shift increased first and then decreased, while the dimer peak position shift increased gradually. With the increase of the percentage of He, the resolution of FAIMS for aliasing peaks of five VOCs gradually increased and tended to saturate at last, where the saturated helium ratio was: 20%, 30%, 10%, 40% and 20%, respectively. In addition, with the increase of the percentage of helium, the signal intensity of o-xylene, isobutanol, n-hexane and acetone had no obvious change, while that of acetic acid decreased significantly. This study provided a feasible method for improving the separation ability of FAIMS and validating the effectiveness of Blanc’s law under high electric field applied in the field of small molecules.

Keyword: High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry; Resolution; Volatile organic compounds; Carrier gas mixing
引 言

高场不对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry, FAIMS)是一种基于高电场下的离子迁移率非线性变化特征的物质分离与识别技术[1], 具有灵敏度高、 可连续检测、 易于集成或联用等优点[2, 3], 在本世纪初随着微机电系统(MEMS)技术的引入以及近年来安全、 环境及生物领域痕量物质快速分析重大需求的推动下发展迅速[4, 5]。

混叠峰分离在很大程度上决定了检测分辨率, 一直是FAIMS技术的研究热点。 目前提高FAIMS混叠峰分离程度常用的方法包括载气微量掺杂、 分离电场波形优化、 提高分离电场、 技术联用及混合载气等[6, 7, 8, 9]。 2010年, Leonard等采用微量水汽掺杂方法将3种邻苯二甲酸的分辨率从0.67提高到27, 4种硝基爆炸物(TNT, 2, 4-DNT, 2, 6-DNT, 3, 4-DNT)的分辨率从30提高到82[6]。 特殊物质的微量掺杂可以有效提高FAIMS对特定物质的分辨识别能力, 但需要面对微量掺杂的精准浓度控制、 谱图解析以及分离普遍性等各种问题。 2011年, Rrieto等通过对比FAIMS分离电场中传统非对称正弦波和非对称方波工作原理, 利用非对称方波FAIMS检测爆炸物TNT, 将分辨率提高了2~3倍, 进一步优化方波的占空比、 幅值相关参数, 发现在占空比和幅值较低的条件下可实现FAIMS的最佳分离效果[7]。 优化分离电压可以提高FAIMS分辨率, 但高频高压条件下的复杂波形产生极大增加了电路设计的难度。 2013年, 浙江大学Zhang等通过提高FAIMS分离电场的方法检测危险化学品中10种不同有害物质, 发现E/N从80 Td提高到200 Td时(1 Td=10-17 V· cm-2), 香蕉油的分辨率提高了2~3倍, 苯酚的分辨率提高了约2倍[8]。 该方法拓展了FAIMS在公安和国土安全领域的应用, 但该分辨率的提高是以牺牲灵敏度为代价的, 且分离电场提高到一定程度时分辨率的提升并不明显。 2014年, Schrader等采用FAIMS与MS联用的方式分析原油的组成成分, 发现质荷比为436的情况下存在3种不同离子[9]。 联用技术可以显著提高混叠峰的分离能力, 但存在接口复杂、 离子损耗、 无法独立使用等诸多问题。

混合载气对FAIMS混叠峰分离作用很早被观察到, 并在FAIMS-MS联用研究生物蛋白等大分子过程中得到了持续的关注[10, 11, 12, 13]。 2000年, 加拿大国家研究委员会的Purves教授首次采用40% N2和60% He作为混合载气, 利用ESI-FAIMS-MS联用方式检测牛泛素蛋白中不同电荷状态离子的同分异构体, 将分辨率提高了23倍, 并成功发现了+14与+15电荷离子[10], 其后该团队将该方法成功扩展至人体代谢物和药物分析领域[11]; 2010年, 美国西北太平洋国家实验室Shvartsburg等通过优化混合载气中He-N2比例, 在高电场下采用FAIMS-MS联用方式将蛋白质分解产物中的多电荷多肽离子的分辨率从3 060提高至200左右, 进一步增加了FAIMS在蛋白质组学和其他生物分子分析的应用范围[12]; 2015年, 北卡罗莱纳大学Santiago等通过连续扫描补偿电压与He-N2混合气体中He比例, 采用FAIMS-MS联用方式将牛泛素中+8和+9电荷离子分辨率提高50%, 同时连续扫描可改善高He比例的离子信号强度, 为低浓度物质提供了一种分析方法[13]。 在蛋白研究和生物质谱厂商的推动下, 该方法已逐渐成为生物大分子分析的常用手段。

一般认为, 混合载气对混叠峰分离的机理来自于布朗定律, 即在电场一定的条件下, 混合载气离子迁移率与混合气体比例相关且其离子迁移率的非线性变化远超过单气体下的离子迁移率变化, 高电场下混合载气离子迁移率表达式如式(1)和式(2)[14]

1Kmix(E)=∑jxjKj(E)+0.5∑jxj(1-Δj)·dlnKj(E)/Kj(E)dlnEN(1)

1Δj=(m+Mj)Kj2(E)∑ixiKi(E)·∑i[xi/(m+Mi)Ki(E)](2)

式中, m, Mi与Mj分别是样品分子量和混合气体中第i和j种气体分子的分子量, xi和xj分别为第i和j种气体所占比例, E/N为约化电场强度(Townsend, Td, 1 Td=10-17 V· cm-2), N为气体分子数密度, Kmix(E)为离子在混合气体下的迁移率, Ki(E)和Kj(E)分别为离子在第i和j种气体分子下的迁移率。 式(1)和式(2)为混叠峰分离提供了新思路, 但确定公式中不同条件下的物质迁移率难度较大, 且理论模型尚未建立。 因此, 虽然混合气体FAIMS在生物大分子领域已经得到应用, 但对小分子离子分离的有效性尚待实验验证。

本文选取5种小分子挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs), 利用氦气极化率低、 分子量小等利于离子扩散的特点, 选择He-N2混合气作为载气, 研究了FAIMS中He-N2比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、 峰强度的影响, 发现了离子混叠峰分离度饱和特性, 探讨了分离度与离子通过率之间的相互关联和参数优化方法。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

实验采用自制的FAIMS装置(见图1), 离子源采用10.6 eV的真空紫外灯(Heraeus), 迁移分析器的分离电极长度为10 mm, 宽度为10 mm, 电极间距为0.5 mm; 分离电压(dispersion voltage, DV)由不对称方波高压源产生, 频率为1 MHz, 占空比为30%; 补偿电压(compensation voltage, CV)为缓变扫描电压, 其输出幅值为-30~30 V。

图1 混合气体高场不对称波形离子迁移谱实验装置图Fig.1 Schematic diagram of high field asymmetric waveform ion mobility spectrometer in mixed carrier gas

实验载气选用南京上元气体厂生产的99.999%的高纯N2和99.999%的高纯He。 实验所用的5种VOC样品均为国药集团生产的分析纯, 其纯度不低于99.5%。

1.2 方法

FAIMS工作于常温常压下, 实验温度为26 ℃, 载气总流量为200 L· h-1, 分离电压为1 000 V。 He-N2比例通过质量流量计1和2来调节, 考虑到氦气的击穿特性, He比例不超过60%。 取2 mL标准样品溶液注射到小广口瓶中, 再将小广口瓶放入大广口瓶中, 通过扩散法可计算出大广口瓶出气口的样品浓度[15], 缓冲瓶使样品浓度保持稳定。

2 结果与讨论
2.1 He-N2比例对混叠峰分离度的影响

图2(a— e)分别为邻二甲苯(O-xylene)、 异丁醇(Isobutanol)、 正己烷(N-hexane)、 乙酸(Acetic acid)、 丙酮(Acetone)5种挥发性有机物(VOCs)在不同He-N2比例下的FAIMS谱图。 由图2可见, 增加He比例均能提高FAIMS对五种VOCs离子混叠峰的分离能力。 以图2(a)为例, 当He比例增加时, 离子峰的个数增加, 出现的两种离子峰发生分离, 且分离效果随着He比例的增加而增加, 当He比例达到一定后, 分离效果饱和。 图2中5种VOCs谱图均出现了2种离子峰。 标准品出现两个甚至3个独立的离子峰, 多来自于其单聚体、 二聚体和碎片离子[14]。 单体峰分子量一般较小, 在高电场下离子迁移率的非线性变化较大, 一般认为峰位置偏移量较大的离子峰为单体峰, 峰位置偏移量较小的离子峰为二聚体峰[16]。 图3(a, b)为相同条件下, 不同He-N2比例下峰位置曲线图。 由图3可以看出, 随着He比例的增加, 单体峰、 二聚体峰峰位置也随之改变。 以图3(e)丙酮为例, 随着He比例的增加, 二聚体峰位置向下偏移; 而单体峰峰位置向上偏移, 当He比例为30%时偏移量达到最大, 为2.76 V, 进一步增加He比例, 单体的峰位置呈下降趋势。 图3中单体、 二聚体峰位置发生改变可能是在高电场下, 混合气体FAIMS中离子迁移率非线性变化所导致[14]。 这些峰位置的差别是实现不同VOCs离子混叠峰分离识别的基础。

图2 DV=1 000 V, 总流量为200 L· h-1, 不同比例的He-N2下VOCs的FAIMS谱图Fig.2 The FAIMS spectrum of VOCs under different proportions of He-N2 with DV=1 000 V and the total flow rate being 200 L· h-1

图3 DV=1 000 V, 总流量为200 L· h-1, He-N2比例与峰位置的关系曲线Fig.3 The relationship ofthe He-N2 proportion tothe peak position with DV=1 000 V and the total flow rate being 200 L· h-1

为了定量研究He-N2的比例对FAIMS中VOCs离子混叠峰分离能力的影响, 通过改变He-N2的比例, 研究He-N2比例与FAIMS分离能力的关系。 一般对于多峰而言, 常用分离度(也称分辨率)来表示相邻两峰的分离程度, FAIMS分离度(Resolution)公式如式(3)[13]

R=CV2-CV1(W1+W2)/2(3)

其中, CV1与CV2分别为二聚体峰与单体峰的CV值, W1与W2分别为二聚体峰与单体峰的峰宽。 图4为DV=1 000 V, 总流量为200 L· h-1, 不同He-N2比例条件下的五种VOCs离子混叠峰分离度的曲线图。

图4 DV=1 000 V, 总流量为200 L· h-1, He-N2比例与混叠峰分离度关系曲线Fig.4 The relationship of the He-N2 rate to resolution of mixing peaks with DV=1 000 V and the total flow rate being 200 L· h-1

分离度是衡量VOCs混叠峰分离程度的重要指标之一。 由图4可知, 增加He比例均能明显提高五种VOCs离子混叠峰的分离度, 例如, 对乙酸而言, 其混叠峰分离度提高了2~3倍, 正己烷混叠峰分离度提高了1.4倍, 而邻二甲苯、 异丁醇、 丙酮在未加入He时其混叠峰均未分开, 在加入He时其分离度最大值分别为0.66, 0.75和0.84。 研究中还也发现, 随着He比例的增加, FAIMS对VOCs离子混叠峰的分离度逐渐呈现饱和现象, 且不同VOCs离子混叠峰的分离度饱和点差异较大, 对乙酸而言, 当He比例达到40%时的离子混叠峰分离度趋于饱和, 而邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 丙酮四种离子混叠峰分离度趋于饱和时的He比例分别为20%, 30%, 10%和20%。 这些混叠峰分离度饱和点的存在, 为优化FAIMS识别不同物质时的N2-He比例提供了依据。

2.2 He-N2比例对离子通过率的影响

图5为DV=1 000 V, 总流量为200 L· h-1, 不同He-N2比例条件下的5种VOCs离子的通过率曲线。

图5 DV=1 000 V, 总流量为200 L· h-1的条件下, 不同比例的He-N2与离子通过率的影响曲线Fig.5 The dependence of He-N2 ratio on the iontransmission with DV=1 000 V and the total flow rate being 200 L· h-1

灵敏度是衡量物理仪器的重要标志之一, 而离子通过率决定了仪器灵敏度。 从图5可以看出, 随着He比例的增加, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 丙酮四种离子通过率变化不大, 但乙酸离子通过率显著减小, 乙酸离子通过率迅速下降的原因可能是离子在He-N2混合气体中的迁移率差值变大的同时, 其本身迁移率也变大, 从而导致离子损耗增加; 同时研究中发现随着He比例的增加, 单体离子通过率变化趋势相对于二聚体离子较快, 但总体来说差距不大。 一般而言, 分离度与灵敏度是矛盾关系, 分离度的提高是以牺牲灵敏度为代价的, 通过对比总离子通过率与分离度获得FAIMS分离VOCs离子混叠峰的最小He-N2比例, 例如, FAIMS分离邻二甲苯离子混叠峰的最小He-N2比例为20%, 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮的离子混叠峰分离最小He-N2比例分别为40%, 20%, 30%和50%。 因此, 对混合气体中He-N2比例的选择, 需要平衡总离子通过率与分离度之间的关系。

3 结 论

利用He-N2作混合载气来提高FAIMS对5种挥发性有机物的单体与二聚体离子混叠峰的分离能力。 研究发现, 随着FAIMS载气中He比例的增加, VOCs单体-二聚体离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和, 且改变He-N2比例对大多数挥发性有机物的离子通过率无明显影响。 本研究为FAIMS提高小分子混叠峰的分离能力提供了一种方法, 同时, 该研究对混合离子扩散的理论模型建立提供了小分子数据支持, 而对小分子混合离子扩散模型建立也是下一步研究重点之一。

参考文献
[1] Kanu A B, Dwivedi P, Tam M, et al. Journal of Mass Spectrometry, 2008, 43(1): 1. [本文引用:1]
[2] Prasad S, Belford M W, Dunyach J J, et al. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 2014, 25(12): 2143. [本文引用:1]
[3] ZHAO Cong, CHEN Chi-lai, CHEN Ran, et al(赵聪, 陈池来, 陈然, 等). Analytical Instrumentation(分析仪器), 2012, (2): 6. [本文引用:1]
[4] WU Zhi-yuan, YU Jian-wen, LIU You-jiang, et al(吴志远, 余健文, 刘友江, 等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2017, 37(10): 3170. [本文引用:1]
[5] Bailly C L, Cormant F, Garcia P, et al. Analyst, 2012, 137(10): 2445. [本文引用:1]
[6] Leonard C, Rorrer L C, Yost R A. International Journal of Mass Spectrometry, 2011, 300(2-3): 173. [本文引用:2]
[7] Prieto M, Tsai C W, Boumsellek S, et al. Analytical Chemistry, 2011, 83(24): 9237. [本文引用:2]
[8] ZHANG Jie, LI Ling-feng, GUO Da-peng, et al(张洁, 李灵峰, 郭大鹏, 等). Chinese Journal of Analytical Chemistry(分析化学), 2013, 41(7): 986. [本文引用:2]
[9] Schrader W, Xuan Y, Gaspar A. European Journal of Mass Spectrometry, 2014, 20(1): 43. [本文引用:2]
[10] Ells B, Barnett D A, Purves R W, et al. Journal of Environmental Monitoring, 2000, 2(5): 393. [本文引用:2]
[11] Mccooeye M A, Ells B, Barnett D A, et al. Journal of Analytical Toxicology, 2001, 25(2): 81. [本文引用:2]
[12] Shvartsburg A A, Danielson W F, Smith R D. Analytical Chemistry, 2010, 82(6): 2456. [本文引用:2]
[13] Santiago B G, Harris R A, Isenberg S L, et al. [J]. Am. Soc. Mass Spectrom. , 2015, 26(10): 1746. [本文引用:3]
[14] Shvartsburg A A, Tang K, Smith R D. Analytical Chemistry, 2004, 76(24): 7366. [本文引用:3]
[15] LIN Bing-tao, CHEN Chi-lai, KONG De-yi, et al(林丙涛, 陈池来, 孔德义, 等). Chinese J. Anal. Chem. (), 2010, 38(7): 1027. [本文引用:1]
[16] Krylova N, Krylov E, Eiceman G A, et al. Journal of Physical Chemistry A, 2003, 107(19): 3648. [本文引用:1]