质谱在烟业化学的运用进展

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本文作者：姬厚伟刘剑叶冲万强韩伟王芳杨敬国杨虹杰作者单位：贵州中烟工业有限责任公司

质谱技术因其灵敏度高、特异性好、响应速度快的优点在现代众多分析检测技术中备受瞩目，自始于20世纪初发展以来，质谱技术在不断的创新中取得了完善和成熟。其发展主要有两方面：离子化技术和质量分析器，较为突出的就是软电离离子化技术的兴起和发展。相对于电子轰击，由于离子化条件较温和因而被称为软电离，主要包括化学电离（CI）、大气压化学电离（APCI）、激光解吸电离（LDI）、单光子离子化（SPI）、电喷雾离子化（ESI）和基质辅助激光解吸／电离（MALDI）等。软电离特点是所需离子化能量少、碎片少，因而分子离子峰和加合物峰较为明显，在结合质谱如飞行时间、四极杆质量分析器、离子阱、傅里叶变换离子回旋共振（FT－ICR）等技术分析时，分子离子峰和加合物离子峰通常被作为特征离子峰用于化合物的定性定量分析，从而大大提高方法的检测灵敏度和选择性。因此，软电离质谱技术在当前多个分析领域扮有重要角色，而串联质谱技术的应用也使得软电离质谱技术在对复杂样品中痕量成分的分析中体现出了高灵敏度和高选择性优势，使定性定量分析更为准确、可靠，在食品、医药、环境等多个领域得到了广泛的应用［1］。

本文综述了软电离质谱技术原理、特点和应用领域，以及软电离质谱技术在烟草及烟气中有害成分测定、实时在线卷烟烟气测定、致香物质的分离与鉴定、农残测定等方面的应用。

1化学电离质谱

化学电离质谱（CI－MS）［2］是引入一定压力的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或者裂解。生成的离子与反应气进一步发生反应或与样品分子发生离子分子反应，通过质子交换使样品分子电离。

化学电离作为一种软电离技术，离子化所需能量较少，碎片较少，因而质子化峰和复合物峰较为明显。在化学电离质谱中，电离过程是通过反应气产生的反应离子与样品分子之间的离子－分子反应实现的，其反应种类主要有质子转移反应、电荷交换反应、氢负离子转移反应和加合与缔合反应。常用的反应气有甲烷、异丁烷和氨气，但有时为了特殊的分析目的，如不饱和化合物的双键位置的确定、几何异构体的区分、对映异构体的区分甚至手性化合物绝对构型的确定等，在化学电离质谱中需采用跟目标物有特殊的加合反应的反应气。因此，反应试剂的选择可以使化学电离独特优势得以充分体现［3］。

由于反应试剂和样品分子之间的质子亲和势差异，化学电离相对轰击电离源（EI）有较高的选择性，而且CI－MS相对于EI－MS有较高的灵敏度和重复性，因此，自1966年Munson等［4］正式引入化学电离技术后，化学电离质谱技术和电子轰击电离质谱相比，具有碎片离子少、分子离子峰和复合物峰较为明显、选择性高等优点在有机化合物结构分析、气相中离子分子反应、石油化工、农残测定等分析化学领域得到了推广和应用，使其成为一种应用较为广泛的分析技术。

在烟草化学分析领域中，Einolf等［5］最早使用氨气作为反应气，采用直接化学电离质谱技术测定了烟叶中的蔗糖酯，无需净化步骤，显示了较高的灵敏度和选择性。可能由于化学电离属于软电离，对复杂基质分析受灵敏度的限制，因而在烟草分析中未得到广泛应用，直到2006年，一种混合化学电离离子源（HCI）的出现，提高了化学电离质谱技术的灵敏度和选择性［6］，该离子源主要使用了反应试剂离子由反应试剂通过外源电子轰击离子化产生，然后被引入到离子阱里和由色谱分离并通过传输线进入离子阱的被分析物发生离子－分子反应，从而使被分析物离子化，生成准分子离子和加合物离子。与传统的化学电离相比，该离子化方式避免了反应试剂和中性气体的离子－分子反应，从而降低了背景的噪声影响，提高了灵敏度。因而Zhang等［7］首次使用该离子源发展和建立一种选择性测定烟草吡啶类生物碱方法，即由全氟三丁胺（PFTBA）作为反应试剂的GC－正化学电离源（PCI）－MS方法。

PFTBA反应试剂的选择性主要体现为在气相中通过和吡啶或含有吡啶基官能团的化合物离子－分子形成加合物的特征离子：［M＋69］＋，［M＋131］＋和［M＋264］＋。反应通过优化PCI的条件，PFTBA－PCI在选择离子模式下对烟草中6种生物碱进行定量分析，显示了很好的选择性、重复性和灵敏度。该方法将是测定烟草生物碱一种新的选择，同时也可用于其他基质中含有吡啶基官能团的化合物的测定。

2电喷雾质谱

电喷雾质谱（ESI－MS）是20世纪发展起来的一种重要的软电离质谱技术。其原理是在输送样品溶液的毛细管出口端与对应电极之间施加数千伏的高电压，在毛细管出口可形成圆锥状的液体锥。由于强电场的作用，引发正、负离子的分离，从而生成带高电荷的液滴。在加热气体（干燥气体）的作用下，液滴中的溶剂被气化，随着液滴体积逐渐缩小，液滴的电荷密度超过表面张力极限（雷利极限），引起液滴自发的分裂，亦可称为"库仑爆炸"。分裂的带电液滴随着溶剂的进一步变小，最终导致离子从带电液滴中蒸发出来，产生单电荷或多电荷离子［8］。由该电离方式能产生多电荷离子，增加了分析的质量范围，既可用于小分子物质的分析，又可用于大分子物质如多肽、蛋白和糖类等的分析。

当前，电喷雾质谱技术在烟草领域的应用主要集中在烟叶和卷烟烟气中有害成分的分析、农残、致香物质的鉴定等方面。

2．1有害成分分析方面

Wagner等［9］建立了同位素稀释液相色谱－电喷雾串联质谱定量分析卷烟主流烟气中4种烟草特有亚硝胺（TSNA）的方法，和传统的方法相比，显示了较高的灵敏度。Wu等［10］将这一方法进行了改进，以4种同位素内标取代了之前2种同位素内标，有效减小基质影响，提高了分析精确度和回收率。Saha等［11］采用液相色谱－电喷雾串联质谱快速同时测定卷烟主流烟气中6种致癌芳香胺类化合物，检出限为0．04～0．59ng•支－1。Saha等［12］还采用固相萃取液相色谱－电喷雾串联质谱测定了卷烟主流烟气中吡啶、2－甲基吡啶、4－甲基吡啶和喹啉，检出限为1．74～14．32ng•支－1，相对标准偏差（RSD）小于9％。Geardi等［13］以3－cyanoproxyl（3－CNP）自由基作为诱捕剂涂在剑桥滤片上，用液相色谱－串联质谱法（LC－MS／MS）结合前体离子监测（PIM）、选定的反应监测（SRM）、选择的离子监测（SIM）等检测模式探测卷烟烟气中碳核自由基，从烟气中发现了甲酸基、巴豆酰基、丙烯醛、氨基羰基和苯胺羰基自由基。LeFaouder等［14］还利用nanoLC－nanoESIFT－ICRMS／MS成功地鉴定和定量了卷烟烟气中的自由基（CN•和CH3•等）。严莉红等［15］还采用负离子模式电喷雾LC－MS／MS定量分析侧流烟气中8种挥发性羰基化合物，8种羰基化合物测定值的RSD在6％以下，检出限均小于2．8ng•支－1，回收率在87．2％～104．7％之间。与以往的分析方法相比，该方法具有更高的选择性，灵敏度也明显提高。

2．2农残的分析方面

Liu等［16］使用高效液相色谱－紫外检测－电喷雾质谱联用法同时测定了烟草中二甲戊乐灵、异丙乐灵和丁乐灵3种除草剂的残留，定量限分别为0．05，0．08，0．06mg•kg－1，回收率在77．5％～91．8％之间。Mayer－Helm等［17］使用高效液相色谱－电喷雾串联质谱法在多反应监测模式下定量分析了烟草中18种氨基甲酸酯农残，该方法回收率在80％～110％之间，RSD小于30％，定量限在0．01～0．2mg•L－1范围内。Mayer－Helm等［18］还采用反相高效液相色谱－电喷雾串联质谱法同时测定烟叶中52种杀虫剂，通过流动相添加剂的选择来提高检测灵敏度和精确度，回收率在70％～120％之间，定量限为10ng•g－1。廖雅桦等［19］采用凝胶渗透色谱净化－液相色谱－电喷雾串联质谱法测定了烟草中3种抑芽剂残留，平均回收率在86．2％～108．4％之间，3种抑芽剂的RSD为1．1％～7．5％，检出限为0．01～0．06μg•kg－1。Hu等［20］建立了快速的前处理步骤，烟草中15种有机磷农残用液相色谱－电喷雾串联质谱法测定，检出限为2．58～11．54μg•kg－1，RSD小于9％。王骏等［21］用乙酸－乙腈提取，基质固相萃取净化，UPLC－MS／MS法测定了31个烤烟烟叶样品中啶虫脒和吡虫啉残留量，吡虫啉和啶虫脒检出限均为0．01mg•kg－1，啶虫脒的回收率在91．6％～102．5％之间，RSD为3．59％～4．52％；吡虫啉回收率在90．1％～102．1％之间，RSD为3．85％～4．47％。

2．3致香物质分析方面

Li等［22－23］采用液相色谱－电喷雾离子阱多级质谱法，无需繁琐的衍生和皂化步骤，使用蔗糖八乙酸酯作为内标，建立了香料烟中蔗糖酯快速高灵敏度定量方法，检出限、定量限分别为1．2，3．9μg•g－1，回收率在95％～97％之间。Li等［24］还将正相液相色谱分离结合反相液相色谱－电喷雾质谱应用于香料烟烟叶表皮极性化合物分析鉴定，结果83种化合物被测出含有43种质体色素类化合物、15种赖百当类、20种蔗糖酯和3种葡萄糖酯。吴新华等［25］采用超高效液相色谱－电喷雾串联质谱法在多反应监测（MRM）模式下并结合气相色谱－质谱法的标准谱库检索分离鉴定了烟草中5种主要的糖苷类香味前体物质，为应用液相色谱－质谱分析缺乏标准样品的糖苷类香味前体物质奠定了基础。吴新华等［26］还采用超高效液相色谱－电喷雾串联四极杆质谱在多反应离子监测（MRM）模式下，借助中性丢失方法，确定了熊果苷、香豆酸－葡萄糖苷、香豆素奎尼酸、新绿原酸、绿原酸、葡萄糖基阿魏酸、3－氧化紫罗兰醇葡萄糖苷等7种致香型物质。朱瑞芝等［27］建立了同时测定烟叶中苯甲酸、邻苯二甲酸、4－香豆酸、咖啡酸和阿魏酸5种酸的超高效液相色谱－串联四极杆线性离子阱质谱法，本方法用于实际样品的检测，具有快速、准确及灵敏度高的特点，RSD在0．52％～4．9％之间，回收率在93．3％～104．7％之间、检出限为0．05～1μg•L－1。Wang等［28］使用液相色谱－电喷雾串联质谱，建立简单有效的烟草中3种主要Amadori致香化合物的定性定量方法，为烟草中致香物质Amadori化合物的分析提供了一种有效的分析方法。黄翼飞等［29］采用液相色谱－电喷雾离子阱串联质谱同时测定了烟草中20种游离氨基酸，该方法前处理简单，无需进行衍生和固相萃取等其他前处理步骤，20种氨基酸的检出限（3S／N）为0．01～0．05μmol•L－1，峰面积测定值的RSD为0．78％～4．93％，因其高的分析效率、灵敏度和选择性，已成功应用于多种烟草样品中氨基酸的测定。

3大气压化学电离质谱

大气压化学电离（APCI）是指在大气压环境下，溶剂和样品流过进样器，在进样器内有一加热器使溶剂和样品加热气化，产生的气态分子被由电晕针产生的电子流所电离，使溶剂离子化，溶剂离子再与样品分子发生分子－离子反应，使样品离子化并引入质量分析器检测。这个过程和传统的化学电离很类似，所不同的是传统的化学电离是在真空下电子轰击溶剂使之电离，而大气压化学电离是在常压下靠放电针电晕放电使溶剂电离。大气压化学电离对相对分子质量不大的弱极性化合物的定性、定量比较准确，采用这种离子源进行的分析不易形成多电荷分子碎片，谱图较简单，与电喷雾相比，它的优点是流动相的适用范围更广［1］。因而，大气压化学电离质谱比较适合易挥发、热稳定、低极性和半极性的小分子化合物的定性定量分析、药物动力学研究等［30］。Zurek等［31］借助N－甲基－4－肼－7－硝基苯并呋喃衍生化，用液相色谱－大气压化学电离质谱内标法测定卷烟烟气中乙醛等羰基化合物，其结果与紫外－可见光检测器测定结果一致。Pang等［32］用高效液相色谱－大气压化学电离质谱测定和表征烟叶中糖苷类化合物，MS／MS、MS3和光电二级管阵列检测器被用于糖苷类化合物的表征和鉴定，对检测出的12种糖苷类中的4种进行了定量分析。黄翼飞等［33］采用液相色谱－质谱法，将烟草样品用甲醇振荡提取30min，无需进行其它前处理，然后使用C18柱快速分离，用不带碰撞能量的二级质谱全扫描选择定量离子m／z613．6，测定了烟草中的茄尼醇，检出限为0．4μg•L－1，RSD为1．1％。王海艳等［34］采用MCX阳离子柱固相萃取净化、大气压电离模式下液相色谱串联四极杆质谱测定了8种卷烟样品主、侧流烟气中8种杂环胺的含量，该方法的检出限为0．042～2．8ng•支－1，回收率在68％～108％之间，RSD为1．6％～8．8％。Ishida等［35］采用液相色谱－光电二极管阵列检测器和大气压化学电离质谱测定了烟叶中叶绿素的代谢物，包括羟基脱镁叶绿素、茄尼基脱镁叶绿（甲酯－）酸和羟基茄尼基脱镁叶绿（甲酯－）酸被分离鉴定。Enos等［36］采用2，4－二硝基苯肼作为乙醇醛衍生化试剂，无需传统方法净化步骤，使用液相色谱－大气压化学电离串联质谱法测定卷烟主流烟气中的乙醇醛，检出限为50ng•支－1。Glazier等［37］使用液相色谱－大气压化学电离串联质谱法测定卷烟主流烟气中的香豆素，检出限为11ng•支－1。Cotte等［38］使用APCI－MS在SIM模式下实时检测卷烟烟气中香味成分的释放和持久性，显示了较高的灵敏度。

4激光解吸电离质谱

激光解吸离子化［39］是采用光子轰击样品电离，属于粒子诱导离子。开始于80年代，作为傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT－ICRMS）和飞行时间质谱（TOF－MS）的离子化方式，已成功地用于对无机物、合成聚合物以及低相对分子质量生物分子的分析，成为分析非挥发性有机物的重要方法之一。由于该离子化方式的缺点在于分子离子的软解吸依赖于相对分子质量的大小，从而限制了热不稳定大分子的离子化［40－41］。1988年，Karas等［42］发展和建立了基质辅助激光解吸离子化（MALDI）技术，即将溶于适当基质的样品涂布在金属靶上，用高强度的紫外或红外脉冲激光照射可实现样品的离子化。该技术克服了直接用激光解吸离子化的缺陷，为分析非挥发性、热不稳定、高质量数的大分子提供理想的离子化方法。Carré等［43］成功地将激光解吸离子化傅里叶变换离子回旋质谱（LDI－FT－ICRMS）用于卷烟烟气的表征，检出了无机硝酸盐和硫酸盐，烟碱以及相关的生物碱，烟草特有亚硝胺，稠环芳烃，多氧取代化合物并通过质量的高分辨率和精确质量测定确定了质荷比小于250的化合物分子式。Sun等［44］使用顶空液相微萃取结合基质辅助激光解吸离子化－傅里叶变换质谱（MALDI－FT－MS）通过精确质量测定检测鉴定出了25种烟叶中含氮化合物，该方法快速、灵敏，并具有用于高通量分析自动化的潜力，为复杂样品中痕量挥发性有机物的分析提供了一种替代方法。Xie等［45］使用顶空液相微萃取结合基质辅助激光解吸离子化－傅里叶变换质谱（MALDI－FTMS）定量测定单口卷烟主流烟气中的烟碱含量，获得了较好的重复性（RSD＜9％）。Xie等［46］又采用单滴衍生萃取结合MALDI－FT－ICRMS用于测定单口主流烟气中的小分子醛类化合物，二苯胺和2，5－二羟基苯甲酸（DHB）的混合物作为萃取液滴，并定量测定了单口主流烟气中的甲醛和丙烯醛，检出限分别为40，60fmol•L－1，RSD为7．3％。Schramm等［47］使用激光解吸离子化傅里叶变换离子回旋共振质谱研究了卷烟主流（MSS）和侧流烟气（SSS）的粒相物。通过高分辨率和精确质量测定可检测到m／z150～500范围内每个信号的分子式。通过对检测到的质谱图提取信息和数据分析，建立了Ken－drick和VanKrevelen图表并通过图表可以用来分析卷烟烟气的差异：不同卷烟的MSS间的差异和同一支卷烟MSS和SSS的差异。

5单光子电离质谱

单光子电离质谱（SPI－MS）是一种近年来兴起的软电离质谱技术，它主要是利用大部分原子和分子的电离能都处在真空紫外（VUV）光波段的能量范围内的原理，以单个VUV光子实现对分析物分子的电离［48］。由于真空紫外光源的光子能量一般大于常见分析物分子的电离势，而且小于空气组分和常用溶剂的电离势，因此，选择合适的波长就可选择性的电离待测物，减少基体物质的干扰［49］。故而，采用单光子电离质谱进行样品分析时，无需复杂的样品处理过程，即可实现较高的检测灵敏度。目前，这一电离方式主要与飞行时间质量分析器结合组成质谱仪用于分析。这一技术在烟草分析方面的应用研究主要集中在卷烟烟气的在线分析上。Adam等［50］将单光子电离（SPI）－时光质谱（TOFMS）的激光技术用于对主流烟气逐口分析。通过将SPI－TOFMS与经改造后的单通道吸烟机结合实现了卷烟抽吸过程中单口烟气在线实时分析。Adam等［51］还基于单光子电离（SPI）－飞行时间质谱（TOFMS）的激光技术对主流烟气（MS）进行逐口烟气分析，成功地定量了逐口烟气中一氧化氮、乙醛、丁二烯、丙酮、异戊二烯、甲苯、乙苯和二甲苯等8种挥发性有害成分。Mühlberger等［52］则将脉冲电子束抽运准分子真空紫外灯用作单光子电离光源，用于在线实时监测卷烟主流烟气中的脂肪族和芳香族化合物，检出限小于50μg•L－1。Hertz等［53］研究设计了一根不锈钢针尖的微探针，采用该微探针结合SPI－TOFMS实现了对燃烧卷烟内部的半挥发性芳香类、脂肪类（1，3－丁二烯、橡胶基质、丙酮和乙醛）以及烟碱等在线即时分析。

6展望

软电离质谱技术的发展极大地推动了质谱技术的进步，使质谱技术迅速地成为化学分析研究中不可替代的工具。近年来，质谱技术在烟草化学研究中的应用得到烟草化学领域的普遍重视，以软电离质谱为特征的分析手段已经在烟草化学领域中得到广泛的应用。将软电离质谱技术与烟草化学分析的特有手段结合的分析方法极大地提高了烟草化学分析中分析方法的灵敏度、准确度和方法的自动化水平，有效地促进了烟草化学研究的进步与发展。但是烟草和卷烟烟气都是极其复杂的化学体系，对烟草化学研究人员而言，对其化学成分的分析和鉴定一直是一种挑战。现有的软电离质谱技术尽管带来快捷和自动化分析手段，但样品前处理依然是分析效率的制约因素，尤其是对痕量化合物的分析。因此，原位、实时、在线、非破坏、高通量、低损耗的质谱学方法是现代质谱分析技术发展的重要趋势，新兴软电离质谱技术旨在与对复杂基体样品进行直接分析，在很大程度上提高了分析效率［54］。此外，软电离质谱可通过离子、分子反应来提高分析方法的选择性，但其在烟草分析领域的应用研究还较少。通过特殊的离子、分子反应来选择性测定烟草及烟气复杂基体中的化合物是未来软电离质谱技术在烟草化学研究、应用的发展方向之一。