C1～C3正构醛、醇在质子转移反应飞行时间质谱中的产物离子特征分析

王如新，赵忠俊，贺飞耀，岳寒露，邓辅龙，李 宏，李雯雯，段忆翔

（1.四川大学生命科学学院,2.化学工程学院,3.华西公共卫生学院,华西第四医院,成都610064）

小分子醛类和醇类物质广泛存在于医药、大气、食品及生物中，是进行挥发性有机化合物（VOCs）研究的重点检测对象.C1～C3正构醛、醇类化合物广泛存在于呼出气、尿液、皮肤、乳汁、血液和唾液之中［1］，是人体代谢的重要成分.1-丙醇、甲醛、乙醛和丙醛等被认为是肺癌呼出气标志物［2］，在肺癌的非侵入式呼气诊断研究中是重要考察对象.食物加工或腐烂变化过程中也会产生小分子醛类和醇类物质［3］.大多数水果含有甲醇、乙醇和甲醛等VOCs，并且在腐烂变化过程中也会发生显著变化［4］.因此，对小分子醇、醛类物质的检测，可以监测食品品质和加工过程［5］.在植物和微生物代谢过程中会有乙醛、甲醇和乙醇等挥发性有机化合物释放，如植物细胞壁中果胶反应会产生甲醇，干旱或如臭氧等破坏性微量气体造成的植物应激反应在叶子中产生乙醇，根部产生乙醇的氧化并可以释放乙醛等［6］，因此在研究植物和微生物代谢过程时需要重视这些化合物.在大气检测领域，农药制造工业会排放包括甲醇、乙醇、丙醇和甲醛等在内的大气污染物，我国对此有明确的排放标准［7］，在《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》中亦将甲醛、乙醛等化合物列为重点控制污染物［8］.

目前，检测小分子醛、醇类化合物的方法主要有色谱、光谱［9，10］、传感器［11，12］和质谱［13~15］等方法.色谱法及色谱-质谱联用法是检测C1～C3正构醛、醇类化合物的常用技术［16，17］，但色谱法检测需要复杂的样品收集和前处理过程，低分子量醇、醛物质容易在前处理过程中损失.小分子醇、醛化合物的挥发性极强，不易收集和保存，因此发展实时原位的检测技术是准确检测小分子醇、醛的关键.目前可用于VOCs在线检测的技术主要有离子迁移谱（IMS）［18~20］、选择离子流动管质谱（SIFT-MS）［21~23］和质子转移反应质谱（PTR-MS）等.PTR-MS由于其结构简单、灵敏度高等优势在检测VOCs方面具有极大前景.

质子转移反应飞行时间质谱仪（PTR-TOF-MS）具有高时间分辨率和高灵敏度，能同时检测大量VOCs［24］，被广泛应用于环境、生物、食品科学、医学和药物研究等领域［25~32］.储焰南等［33］研制了质子转移反应四极杆质谱；本课题组［34，35］研制了小型高性能质子转移反应飞行时间质谱仪.质子转移反应质谱的工作原理是在漂移管中质子亲和能比水高的样品分子（M）与试剂离子（H3O+）发生质子转移反应：M+H3O+→MH+H2O［36］.因此，只要［MH］+稳定并被质谱检测到，就可以成为样品分子（M）的特征离子［37］.理论上这种软化学电离不同于电子撞击电离源（EI），不会引起VOCs的碎片化.在实际中，由于化合物本身化学性质的原因，质子转移反应中新生成的离子少数是稳定的，大多数会自发裂解成碎片离子（如异戊二烯质子化后会连续裂解［38］），且产物离子还可进一步与水合离子结合形成复杂聚集体［37］.质子转移反应产物离子的碎片和聚集形式跟质子转移反应质谱中电场强度与气体分子数密度的比值（E/N值）有关，E/N值会影响反应物之间的相对动能KEcm，高E/N值意味着反应物之间存在较高的相对动能［39］.每个化合物的物理化学性质（如质子亲和力）不尽相同，产物离子分布可能在化合物之间有所差异［40］.Tani等［39］对PTR-MS中单萜及相关C10化合物的碎裂模式进行了研究，发现不同化合物会产生不同的片段离子，相似的单萜及相关C10化合物会产生相同的片段离子，并且樟脑在E/N值为80～120 Td范围内没有碎片产生.Aprea等［41］利用PTR-MS研究了酯在水和乙醇水溶液中的裂解规律，发现甲酯的碎裂度低于乙酯，并且碎裂度随能量增加而增大.Jobson等［42］通过PTR-MS在线分析了柴油发动机尾气中的有机化合物（烷烃、烯烃、炔烃、醛酮及芳香族化合物），发现C8～C16正构烷烃和C8～C131-烯烃与H3O+发生质子转移反应生成烷基阳离子产物，主要为m/z41，43，57，71和85，并发现离子分布随发动机负载情况而发生变化.Maleknia等［43］利用PTR-TOF MS分析了植物来源的一系列VOCs，讨论了各种VOCs的产物离子分布规律（包括碎片离子、［MH］+和多聚体质子结合团簇），提出了检测不同萜烯化合物的最佳E/N值和最适宜特征离子.由此可见，在PTR-MS中不同的物质会产生不同的特征离子，仅依据［MH］+对VOCs进行定性可能会产生很大的误差，因此对VOCs在PTR-MS离子源中的反应过程和特征离子进行探索，有助于VOCs的定性及定量检测.

本文考察了C1～C3正构醛、醇类化合物在PTR离子源中的产物离子随E/N值变化的一般规律，推导了C1～C3正构醛、醇类化合物在PTR离子源中可能发生的反应，筛选出可用于C1～C3正构醛、醇定性、定量分析的特征离子和最佳E/N条件，可为PTR-TOF-MS检测醛、醇提供重要参考.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲醇（纯度≥99.9%，德国Sigma-Aldrich公司）；无水乙醇（纯度≥99.7%，成都市科隆化学品有限公司）；甲醛溶液（体积分数37.0%～40.0%，广东省化学试剂工程技术研究开发中心）；正丙醇（纯度≥99.9%）、乙醛（纯度99%）和正丙醛（纯度97%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；零级空气（N2：80%，O2：20%，四川润泰特种气体有限公司）.

MS2000型质子转移反应飞行时间质谱仪（PTR-TOF MS，成都艾立本科技有限公司），采用线性漂移管设计，使用六极杆作为离子传输，样品产生使用动态稀释系统（荷兰Bronkhorst High-Tech B.V.公司）.

1.2 进样装置及仪器工作参数

采用动态稀释系统进行进样，该系统主要由液体流量计、气体流量计和三通混合阀蒸发器（CEM）三部分组成.分别将由液体流量计控制的标准低分子量正构醛、醇的超纯水溶液样品和由气体流量计控制的零级空气通过CEM混合成指定稀释浓度的气体样品（10-6，体积分数），然后通过由PEEK管及相应接口搭建的气体管道通入PTR-TOF MS中进行分析.此气体管道具有优异的机械和化学性能，可有效减少样品吸附［44］.

PTR-TOF MS的工作参数：提取电压16.0 V，漂移管气压202 Pa，限流孔电压10.0 V，偏置电压12.7 V，六级杆传输气压0.5 Pa，水蒸气流速3 mL/min，采集阈值为93）.为避免之前的分析样品对待分析样品的影响，更换样品前采用超纯水清洗动态稀释仪，直至本底干净稳定.对样品信号进行连续采集并积分10 s，直至信号稳定后（产生碎片种类及相对强度均不发生变化）作为1个样品信号，共采集30个有效样品信号（6个样品，每个样品采集5个不同E/N值有效信号）.E/N值分别选取为72.9，91.2，109.4，127.7和145.9 Td；对应漂移管电压分别为40，50，60，70和80 V.

2 结果与讨论

2.1 C1～C3正构醛、醇质子转移反应特征

主要研究了C1～C3醛、醇物质在PTR-TOF MS中不同E/N值下产物离子的种类和含量变化，并根据产物离子形式推导了C1～C3醛、醇的质子转移反应特征（见表1）.所占比例由单离子信号强度除以所有离子信号之和得到.实验主要考察具有特征性意义的产物离子，不包括一水合质子（H3O+，m/z19）、二水合质子（H3O+·H2O，m/z37）以及三水合质子［H3O+·（H2O）2，m/z55］.

Table 1 Reactions of C1―C3n-aldehydes and n-alcohols in PTR-TOF-MS

实验结果表明，C1～C3正构醇（甲醇、乙醇和丙醇）倾向于形成质子化聚合物（［2MH］+和［3MH］+）及其失水离子（［2MH-H2O］+和［3MH-H2O］+），其中甲醇以形成质子化聚合物及其失水离子为主；乙醇除了形成质子化聚合物及其失水离子外，还会形成碎片离子［C2H5］+；丙醇除了形成质子化聚合物及其失水离子外，还会进行连续脱氢反应形成更加复杂的碎片（见表1中R2），这与Brown等［45］得到的结论相似.

C1～C3正构醛（甲醛、乙醛和丙醛）会产生质子化产物［MH］+和一水合质子化产物［M·H3O］+.甲醛质子转移反应（见表1中R3）会产生质子化产物［HCHOH］+（m/z31），由于甲醛的质子亲和能（713 kJ/mol）仅略大于水（697 kJ/mol），因此质子化甲醛可以与水分子发生可逆的质子转移反应（见表1中R4）［46］，造成质子化产物离子的损失，致使PTR-TOF-MS对甲醛的检测灵敏度较低［47］.通过调节E/N值，可以使质子化甲醛的逆反应程度降低，从而提高检测灵敏度.乙醛在PTR-TOF MS中以质子化乙醛（［CH3CHOH］+，m/z45）和一水合质子化乙醛（［CH3CHOH·H2O］+，m/z63）为主，同时会产生［CH3CHOH-H2］+（m/z43），推测是由质子化乙醛连续脱氢形成.丙醛以一水合质子化丙醛（［C2H5CHOH·H2O］+，m/z77）和质子化丙醛（［C2H5CHOH］+，m/z59）为主，还会产生聚合体［C2H5CHOH·C2H5CHO］+（m/z117）和［C2H5CHOH·C2H5］+（m/z88）.

相同碳原子数的低分子量正构醛和正构醇的质子亲和能虽然相差较小（10～20 kJ/mol），但由于分子结构差异较大，所以裂解规律有较大差异.醇类物质除了产生质子化产物外，还容易脱水产生碎片及碎片聚合体，而醛类主要以质子化产物和一水合质子化产物为主.甲醇倾向于聚合以及失水，甲醛会与水发生可逆的质子转移反应（表1中R3和R4）；乙醇除倾向于聚合、失水外还存在断裂，乙醛则主要产生质子化乙醛和一水合质子化乙醛；丙醇会发生连续脱氢反应生成系列碎片，丙醛除了产生一水合质子化丙醛和质子化丙醛，还会产生碎片聚合体.

2.2 C1～C3正构醇产物离子特征分析

2.2.1 甲醇实验中考察的与甲醇相关的质子转移反应产物离子主要有6种：m/z33（［CH3OH2］+），m/z47（［CH3OH2·（CH3OH）-H2O］+），m/z51（［CH3OH2·（H2O）］+），m/z65（［CH3OH2·（CH3OH）］+），m/z79（［CH3OH2·（CH3OH）2-H2O］+）和m/z97（［CH3OH2·（CH3OH）2］+）.随着PTR-MS中E/N值的变化，产物离子的种类和占比呈现较大差异.如图1所示，m/z33和m/z51两种离子与文献［45］报道的变化趋势相同，即质子化甲醇占比随着E/N值的增高呈先上升后下降的趋势，一水合质子化甲醇占比则随着E/N值的增大持续降低.

此外，实验还分析了文献中未考察的离子.结果表明，在低E/N值（<72.9 Td）条件下，以一水合质子化甲醇占比最高，其次是m/z为33，79，65，97和47的离子.随着E/N值增加，与甲醇二聚体或三聚体有关的离子（m/z79，47，97和65）占比明显升高，最高分别可达13.69%，19.16%，6.3%和5.3%.可以推测，高能条件（E/N＞110 Td）利于甲醇二聚体或三聚体相关离子的形成，而不利于一水合质子化甲醇的形成.一水合质子化甲醇所需碰撞能较小，甲醇二聚体或三聚体相关离子形成所需碰撞能较大.低能条件（E/N<100 Td）有利于水合甲醇和质子化甲醇的稳定.因此，在检测实际样品中的甲醇时，为了得到更加可靠的定性结果，结合其在质子转移反应中的碎裂规则，建议参考m/z33，47，51和79的信息，在E/N=110～120 Td范围内进行检测.

Fig.1 Proportion of main ions of methanol changes with E/N value

2.2.2 乙醇实验中重点考察了乙醇的10个产物离子：m/z29（［C2H5］+，［C2H5OH2-H2O］+），m/z45（［C2H5OH2-H2］+），m/z47（［C2H5OH2］+），m/z65（［C2H5OH2·（H2O）］+），m/z75（［C2H5OH2·（C2H5OH）-H2O］+），m/z83（［C2H5OH2·（H2O）2］+），m/z93（［C2H5OH2·C2H5OH］+），m/z101（［C2H5OH2·（H2O）3］+），m/z121（［C2H5OH2·（C2H5OH）2-H2O］+）和m/z139（［C2H5OH2+·（C2H5OH）2］）.如图2所示，一些离子（m/z29，47，45和65）的变化趋势与文献［45］报道相似.在较低E/N值（<100 Td）条件下，m/z65所占比例较高，在30%以上，其产生途径见表1中R1；其次为m/z65（占比约30%），m/z47（占比约20%），m/z45（占比约20%），m/z93（占比约8%）以及一些与乙醇多聚体有关的离子.在主要片段集合中，m/z75，93，121和139这些与乙醇二聚体或三聚体有关的离子整体呈现出缓慢上升的趋势.高E/N值不利于［C2H5OH2·（H2O）］+（m/z65）的形成，推测乙醇的二聚体和三聚体离子的形成需要更多的游离乙醇（C2H5OH，［C2H5OH2］+和［C2H5OH2·H2O］+）并且需要更大的碰撞能（更高的E/N值）.此外，［C2H5］+的形成也需要更大的碰撞能量.因此，在检测实际样品中的乙醇时，结合乙醇在质子转移反应中的碎裂规则，建议参考m/z29，47，75，83和139的信息，在E/N值为100～110 Td范围内进行检测，可获得更加可靠的定性结果.

Fig.2 Proportion of main ions of ethanol changes with E/N value(A)and partial enlarged view(B)

2.2.3 丙醇实验中重点考察了丙醇的11个产物离子：m/z39（［C3H3］+），m/z41（［C3H5］+），m/z43（［C3H7］+），m/z59（［C3H7O］+），m/z61（［C3H7OH2］+），m/z79（［C3H7OH2·H2O］+），m/z103（［C3H7OH2·C3H7OH-H2O］+，［2MH-H2O］+），m/z121（［C3H7OH2·C3H7OH］+），m/z139（［C3H7OH2·（C3H7OH）·H2O］+），m/z163（［C3H7OH2·（C3H7OH）2-H2O］+）和m/z181（［C3H7OH2·（C3H7OH）2］+）.如图3所示，检测到的丙醇产物离子（m/z39，41和43）变化趋势与文献［45］报道类似.我们还对文献［45］中并未讨论的丙醇离子碎片进行了分析，发现m/z59（50%）和m/z79（15%）占比最大，其次为m/z43，61，121，39和41.m/z103，139，181和163占比均低于2%.在低E/N值（<110 Td）条件下，m/z61，43和121占比较高.随着E/N值上升，m/z61占比有下降趋势而m/z43，121，39和41则有不同程度的上升趋势，占比最高的m/z59在E/N值超过91 Td后呈现下降趋势.m/z43和m/z39分别在E/N值超过105 Td和126 Td之后占比大于质子化丙醇.对于m/z39，41和43这些与质子化丙醇连续脱氢反应［22］有关的离子，占比随着E/N值增大而上升，可以推测质子化丙醇连续脱氢连锁反应需要更多的碰撞能，其中m/z43（［C3H7］+）占比最高，其次是m/z39（C3H3+），而m/z41（［C3H5］+）占比最少，在质子化丙醇连续脱氢连锁反应中［C3H5］+（m/z41）为中间状态并极少存在，可推测质子化丙醇连续脱氢连锁反应是一个极其迅速的异构化反应（见表1中R2）.与丙醇二聚体或三聚体有关的离子（m/z103，121，163，181和139）占比随着E/N值变大而呈现上升趋势.其中m/z121上升较快，而m/z181上升缓慢，推测丙醇二聚体形式离子比三聚体形式离子对E/N值响应更加敏感，也有可能是一些未知反应所致.对比二聚体离子m/z121及其失水离子m/z103，m/z103的变化趋势与m/z121相同但较滞后，符合m/z103来自m/z121的理论情况.因此，在检测实际样品中的丙醇时，为了获得更可靠的丙醇定性分析结果，建议参考m/z39，61，79，163和181的信息在E/N值为80～100 Td范围内进行检测.

Fig.3 Proportion of main ions of propanol changes with E/N value(A)and the partial enlarged view(B)

2.3 C1～C3正构醛产物离子特征分析

2.3.1 甲醛实验重点考察了文献［48］中提到的甲醛产物离子m/z30（CH2O型离子），m/z31（［CH2OH］+），m/z48（CH3OOH型［47］）和m/z61（［CH2OH·CH2O］+）［51］以及具有显著特征的离子m/z45，m/z49（［CH2OH·H2O］+），m/z51，m/z59（［CH2OH·CH2O-H2］+）和m/z65.如图4所示，在低E/N值（<110 Td）条件下，m/z51占比最高，并且随着E/N值升高显著下降.m/z48和m/z61占比均约为10%.m/z30，45，59，65，31和49占比均低于5%.当E/N值超过100 Td后，m/z31，59和45占比增大到10%以上.在高E/N值（＞110 Td）条件，m/z30占比持续随E/N值变大而升高，而m/z51占比随E/N值升高仍旧呈现下降趋势；m/z31，49，61和65占比则随着E/N值变大有所增加，在E/N值为127.7 Td时达到拐点，之后呈现下降趋势；m/z48和m/z59占比则随着E/N值增大有所减少.可以推测在甲醛质子转移反应中m/z51具有重要作用，而其在高E/N值（＞110 Td）下会变得不稳定，碎裂成m/z30和m/z31，或者碰撞聚合成m/z61和m/z65.离子m/z61和m/z65占比与变化趋势同步，推测m/z65与甲醛质子化二聚体型离子高度相关，很可能共同参与了一个或多个反应.E/N值在110～145 Td范围内，m/z30占比增加趋势上升，而m/z51占比下降趋势有所减缓，m/z61和m/z49占比有先增后减趋势，可能此时产生了游离甲醛和/或（H3O+）（H2O）n（n=1，2，3…），促进了碎片m/z49和m/z61的生成.当E/N值在110～127 Td范围内，m/z59，m/z48和m/z61占比此消彼长，三者在质子转移反应中存有潜在的相关性；当E/N值在72～109 Td范围内，m/z30占比上升，斜率与m/z59占比的变化趋势相似，可知m/z59与m/z30在此E/N范围内很可能有相关性.m/z59占比在E/N值为110～127 Td范围内显著下降，对m/z61，m/z30和m/z31占比的升高有潜在影响.因此，在检测实际样品中的甲醛时，为了得到更可靠的定性分析结果，建议参考m/z31，48，61，49和51的信息，在E/N值为75～100 Td范围内进行检测.

Fig.4 Proportion of main ions of formaldehyde changes with E/N value

2.3.2 乙醛与甲醛相比，乙醛更容易被PTR-TOF-MS检测到.实验考察了与乙醛相关的4个离子：m/z43（［CH3CHOH-H2］+），m/z45（［CH3CHOH］+），m/z63（［CH3CHOH·H2O］+）和m/z89（［CH3CHOH·CH3CHO］+）.如图5所示，m/z45（［CH3CHOH］+）占比最高，且随着E/N值的增大先升高后降低然后再升高，占比均约为60%.其次是m/z63，占比约38.2%，与m/z45“此消彼长”，两者呈现出较强的相关性，占比之和在90%以上，即乙醛在PTR-TOF-MS中主要发生产生质子化乙醛和一水合乙醛的质子转移反应.m/z45占比高于m/z63，原因是乙醛与H3O+发生质子转移反应比H3O+·H2O更加容易.在E/N值为75～90 Td范围内，m/z45占比呈现上升趋势而m/z63占比呈现下降趋势；在此E/N范围内随着E/N值升高更利于生成m/z45的反应，漂移管中较大的碰撞能量不利于m/z63存在，或反应R5（见表1）消耗了过多的游离甲醛而不利于反应R6（表1）进行.在E/N值为90～130 Td范围内，m/z45占比仍然高于m/z63，但m/z45占比呈现下降趋势而m/z63占比呈现上升趋势；在此E/N范围内随E/N值升高更利于生成m/z63的反应，相对消耗较多的游离乙醛使得此条件下不利于反应R5进行.在E/N值为130～445 Td范围内，m/z45占比再次呈现上升趋势而m/z63占比呈现下降趋势；在此E/N值范围内，较大的碰撞能量不利于m/z63存在并且使之解离产生m/z45或者游离的乙醛，表现出随着E/N值升高更利于m/z45的生成.随E/N值的增大，m/z43和m/z89占比均缓慢升高，但都处低于5%，推测生成两者的反应均需要更大的碰撞能.因此，在检测实际样品中的乙醛时，为了得到更加可靠的定性结果，建议参考m/z43，45，63和89的信息在E/N值为80～100 Td范围内进行检测.

Fig.5 Proportion of main ions of acetaldehyde changes with E/N value

Fig.6 Proportion of main ions of propanal changes with E/N value

2.3.3 丙醛实验重点考察了与丙醛相关的6个产物离子：m/z41（［C3H5］+），m/z59（［C2H5CHOH］+），m/z46，m/z77（［C2H5CHOH·H2O］+），m/z88（［C2H5CHOH·C2H5］+）和m/z117（［C2H5CHOH·C2H5CHO］+）.如图6所示，m/z77信号最强，在6种产物离子中占比最高，最高可达63.7%，随E/N值升高其占比逐渐降低.其次是m/z59，占比约为27%且随E/N值升高而降低.在低E/N值下（<90 Td），m/z117，88和45占比均低于5%，且均在E/N值超过90 Td以后呈现上升趋势，其中m/z117占比可增加至10%以上.在E/N值为90～110 Td范围内，随着E/N值增大，m/z77和m/z59占比呈现下降趋势，而m/z117，88和46占比呈现上升趋势.推测在此条件下，m/z59裂解产生了m/z41和m/z46，而m/z77碎裂产生m/z59，补充其消耗，使之减少缓慢.而高碰撞能使丙醛的二聚物m/z117和加合物m/z88聚合增强.因此，在检测实际样品中的丙醛时，建议参考m/z59，77和117的信息在E/N值为75～85 Td范围内进行检测，预计能得到可靠的定性结果.

3 结 论

系统考察了C1～C3正构醛、醇化合物在PTR-TOF-MS中不同E/N值下产物离子的种类和相对强度的变化，分析了产物离子的特征，确定了C1～C3正构醛、醇化合物的最佳E/N值参数范围，得到了对应化合物的特征离子.结果表明，与［H3O+］反应的低分子量正构醇（甲醇、乙醇和丙醇）倾向于形成质子化聚合物及其失水离子（［2MH］+，［2MH−H2O］+，［3MH］+和［3MH−H2O］+），低分子量正构醛（甲醛、乙醛和丙醛）倾向于产生质子化产物和一水合质子化产物.在不同E/N值下，每种物质的产物离子种类基本一致，而相对含量存在较大差异，因此选择合适的E/N值和特征离子是定性定量检测的关键.本文为低分子量醛、醇的检测提供了合适的E/N值范围和特征参考离子，为PTR-TOF-MS检测低分子醛、醇化合物提供了参考信息.