自Holmes等[1]在1957年首次实现气相色谱-质谱联用以来,气相色谱-质谱联用技术在许多领域均得到了广泛的应用。目前常用的气相色谱-质谱联用技术包括气相色谱-四极杆质谱(GC/Q MS)、气相色谱-飞行时间质谱(GC/TOF MS)[2]、气相色谱-离子阱质谱(GC/IT MS)[3, 4]和气相色谱-三重四极杆串联质谱(GC/QQQ MS)[5, 6]等。近年随着高分辨质谱技术如傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)、轨道离子阱质谱(Orbitrap MS)[7, 8]、四极杆-飞行时间串联质谱(QTOF MS)[9, 10]等的快速发展,高分辨质谱与气相色谱的联用技术引起了气相色谱科技工作者的极大兴趣[11, 12]。随着技术的发展,配置高分辨质谱的气相色谱-质谱联用技术逐渐走向成熟,其中以气相色谱-四极杆高分辨飞行时间串联质谱(GC-QTOF MS)为典型代表。一方面高分辨飞行时间质谱具有分辨率高、扫描速度快等优势,可以通过与其他质谱串联实现多级质谱分析的要求。另一方面GC-QTOF MS又结合了气相色谱的高分离能力,极大地拓展了高分辨质谱在化合物定性分析上的应用范围,非常适用于复杂体系中目标化合物的提取与鉴定[13, 14]。范若静等[15]使用GC-QTOF MS技术对一枝黄花中挥发性成分进行分析并鉴定出54种化合物;王雯雯等[16]使用GC-QTOF MS技术考察了大葱中的多种农药残留,并对20种常见农药残留作了定性与定量分析。
复杂芳烃体系中包含微量苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮、苯乙醛等含氧芳烃。含氧芳烃的存在会对生产工艺造成负面影响,并且普遍对化工产品的质量与副产物的综合利用构成威胁[17]。现有国家标准[18]中规定,工业用苯乙烯(优等品级别)的总醛含量小于0.01%;使用滴定法测定工业用苯乙烯中总醛含量(以苯甲醛形式计算和报告),应对总醛含量为0.004%的试样进行准确测定[19]。从反应动力学的研究角度而言,微量含氧芳烃的准确分析对深入理解反应过程具有不可忽视的作用。因此开发复杂芳烃体系中微量含氧芳烃的分析方法意义重大。但由于该类体系中本底的碎片离子干扰严重,因此传统气相色谱-四极杆质谱不能满足分析要求,同时也缺乏相关研究领域的技术文献。本文将GC-QTOF MS技术手段应用于复杂芳烃体系中苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮、苯乙醛的分析,依据精确质量数、色谱保留时间与碎片离子信息对4种含氧芳烃进行定性分析,并计算特征离子的质谱峰面积对目标化合物进行定量分析。本方法简单、实用,且能显著降低气相色谱分离的依赖,依靠精确的质量分辨和测定排除芳烃本底的干扰,提高质谱定性和定量的准确性,可广泛应用于复杂样品中小分子目标化合物的定性与定量分析。
美国Agilent 7200 GC-QTOF MS气相色谱-四极杆高分辨飞行时间质谱联用仪。
苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮、苯乙醛、正己烷均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。其中正己烷不含苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮、苯乙醛。
3份不同的复杂芳烃样品(1#、2#、3#)均取自上海石油化工研究院。
DB-35MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m),进样量1.0 μ L,进样温度280 ℃,分流比30 ∶ 1,载气为氦气,载气流速1.1 mL/min。炉箱初始温度为40 ℃,保持1 min,以10 ℃/min 速率升温至140 ℃,保持0 min。
质谱条件:电离源为EI源，离子源温度为280 ℃,电子能量为70 eV,四极杆温度为150 ℃,溶剂延迟为5 min,MS检测扫描范围为50～500 amu,采样频率为5 Hz。
准确称取一定量的苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮和苯乙醛标准品,用正己烷定容,配制成标准溶液，用于标准曲线测定,各标准溶液的质量浓度见表1。
4种化合物的GC-QTOF MS质谱图中存在多个离子碎片,选择目标化合物的特征离子碎片,使用提取离子模式(EIC)得到定量分析结果。特征离子必须具备目标化合物的结构特征、丰度较高,并且在分析对象为复杂体系时,能够与背景离子碎片相互区分。苯甲醛等含氧芳烃本身为小分子化合物,在色谱分离有干扰的情况下,只有含有氧原子的离子才能依靠氧和碳氢的细微质量差异实现质量分离,因此,通常将分子离子峰作为特征定性和定量离子;如果色谱分离没有干扰,则脱去氧的离子碎片也可以作为特征定量离子。图1为4种化合物的GC-QTOF MS质谱图,图2为4种化合物的EIC结果图。以苯甲醛为例,质谱图中包括明显的3个离子碎片,m/z 77.038 4、105.033 5、106.041 3,其中m/z 106.041 3 为同位素峰。考虑到离子碎片m/z 77.038 4 质量数较小,可能不能够与背景离子碎片相互区分,因此选择m/z 105.033 5、106.041 3 为特征离子。进而比较两个特征离子的EIC图,从图2a可以看出,特征离子m/z 105.033 5 具有更强的信号响应,因此在保证较高检测灵敏度的原则下选择m/z 105.033 5 为苯甲醛的特征离子。将相同的判断依据应用于其他3种化合物,分别确定相应的特征离子(见表2)。需要说明的是:苯乙醛的分子离子峰不稳定,质谱信号很弱,因此使用C7H7+作为特征离子。
对于定性分析,一般使用标准品确定其色谱保留时间,将特定保留时间内的质谱图与标准谱图对比,定性目标化合物。当目标分析体系组成较为复杂时,色谱共流出现象严重,将导致特定保留时间内的质谱结果的搜库匹配度较低,不能有效定性目标化合物。这类情况下可以选择目标化合物的特征离子定性与定量,排除体系本底离子碎片干扰,降低对色谱分离的依赖。然而,低分辨率的质谱(如气相色谱-单四极杆质谱联用)有时候依然不能够满足要求。尤其是分析对象过于复杂时,色谱共流出现象严重,在确定的保留时间窗口范围内,低分辨质量数的质谱结果将导致目标化合物的特征离子不能与本底离子碎片有效区分,该特征离子的质谱信号不能反映真实的分析结果。
复杂芳烃体系的主要组成为C6～C14的芳烃异构体,包括部分微量含氧化合物。苯甲醛、苯甲醇、苯乙醛、苯乙酮在低分辨质谱中测定的相对分子质量分别为106、108、120、120。一方面m/z为106、108、120、120的离子是重芳烃组分常见的离子碎片。另一方面通过m/z推算分子式时也可以看到,m/z为106、108、120、120的离子可能对应多个同分异构体。综合考虑到重芳烃异构体众多,常见离子碎片普遍存在,同时共流出现象严重,因此该4种化合物在低分辨质谱中的分子离子峰不能与保留时间一起作为定性依据。
表3列出了标准溶液在低分辨模式中的质谱分析结果，该结果与NIST库中4种化合物标准谱图的离子碎片信息一致,可以看出所有离子碎片均为常见的芳烃及其衍生物的离子碎片,同样不能满足特征离子选择的特异性要求。因此在复杂体系中,在结合保留时间的基础上,特征离子的低分辨质谱结果不能完全保证目标化合物定性与定量分析的准确性。图3表示不同质谱分辨率条件下的EIC图,其中图3a为总离子流图,图3b为苯甲醛m/z 105.033 5 的碎片在质量误差范围为 0.5 Da时的EIC结果。从结果可以看出,实际样品经过气相色谱柱得到了初步的分离,但位于7～10 min的保留时间窗口内,含氧芳烃与芳烃混合物共流出,其中芳烃混合物包括苯、甲苯、乙苯、甲乙苯、二甲苯等。苯甲醛保留时间内,EIC图峰形不对称,由于可能存在的共流出现象导致其他质荷比相近的离子碎片也被提取出来,因此不能进行准确定性与定量分析。
高分辨质谱可以克服上述困难。由于高分辨质谱得到的离子精确质量数可以与元素组成唯一对应,排除了基底杂质干扰的可能性。以苯甲醛为例,其特征离子精确质量数为m/z 105.033 5,因此可以通过精确质量数推算元素组成。计算中同时允许奇偶离子电子态的存在,碳原子数目范围设置为0～10,氢原子数目范围为0～100,氧原子数目范围为0～10,可以确定m/z 105.033 5 的离子与苯甲醛的特征离子唯一对应。使用http:/ /www.chemcalc.org网站进行相应计算。点击“Molecular Formula finder”功能,分别输入“Accurate mass experimental result”、“MF range”、“Mass range”等参数。点击“Search MF”后得到搜索结果。同样苯甲醇、苯乙酮、苯乙醛的搜索结果也说明,高分辨质谱能够确定目标化合物的唯一元素组成。通过保留时间和特征离子精确质量数的测定对苯甲醛、苯甲醇、苯乙醛、苯乙酮4种目标化合物进行定性。表2详细列举了每种化合物的保留时间、精确质量数与特征离子信息。可以认为通过保留时间的匹配与精确质量数的提取,能够对实际样品中的目标化合物进行准确分析。图3c为苯甲醛m/z 105.033 5 的碎片在误差为10 ppm的高分辨条件下的EIC结果。通过提高质谱分辨率,精确质量数碎片与体系基底中的干扰离子碎片明显区分开来,峰形可靠。结合保留时间数据可以与苯甲醛的特征离子唯一对应,可以保证定性与定量分析的准确性。
对系列标准溶液进行分析,以苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮与苯乙醛的特征离子峰面积对含量进行线性回归,分别得到4种目标化合物的线性方程、线性范围、定量限(LOQ)与检出限(LOD)。LOQ以10倍信噪比(S/N=10)计算,LOD以3倍信噪比(S/N=3)计算。每份标准溶液测定6次，峰面积取平均值。结果见表4。从结果可以看出,4种目标化合物在各自的含量范围内具有良好的线性关系。苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮与苯乙醛的LOQ分别为0.04、0.10、0.08和0.03 mg/L。
如2.2节中所述,通过使用高分辨质谱提取特征离子的精确质量数,能够有效排除复杂体系基质的干扰。同时图3的分析结果也表明实际样品中体系的基质对分析结果不存在明显影响。因此认为通过该方法建立的定量曲线可以用于实际样品的检测分析。
对3个实际芳烃样品进行了分析,测定实际样品中的苯甲醛、苯乙醛、苯甲醇与苯乙酮含量。结果见表5。对1#实际样品进行加标回收率试验与重复性试验，每个添加水平平行测定6次，标准样品加标量与分析结果见表6。结果表明:方法的回收率在87.97% ～103.01%之间,相对标准偏差(RSD)(n=6)小于3% 。该方法具有较好的回收率与精密度。
使用气相色谱-四极杆高分辨飞行时间质谱联用技术分析了芳烃复杂体系中的微量苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮与苯乙醛。通过保留时间和目标化合物特征离子的精确质量数分析数据,实现了复杂芳烃体系中上述微量组分的准确定性。 使用特征离子质谱峰面积积分对目标化合物进行定量分析。苯甲醛、苯甲醇、苯乙酮与苯乙醛在配制浓度范围内呈现良好线性响应,回收率为87.97% ～103.01% ,定量准确,灵敏度高。 本研究为GC-QTOF MS高分辨质谱技术应用于复杂体系中的微量杂质分析提供了一种新的思路和手段。通过精确的质量分辨和测定可以降低对色谱分离的依赖,弥补传统气相色谱-四极杆低分辨质谱技术的不足。
2015, Vol. 33 Issue (2): 146-151
PDF (805 KB)
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