聚丙烯腈和二氧化硅復(fù)合纖維膜富集高分辨質(zhì)譜法測定煙氣中的有害化合物

申素素　梁大鵬　陳煥文　蘇蕊

摘要以聚丙烯腈（PAN）和二氧化硅（SiO2）納米粒子的混合溶液為紡絲溶液，采用靜電紡絲技術(shù)制備具有高吸附性能的新型PANSiO2疏水性復(fù)合纖維膜，對香煙燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行富集，用甲醇作為洗脫溶劑，對待測組分進(jìn)行洗脫，并使用高分辨串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行測定。實驗結(jié)果表明，通過調(diào)控PAN和SiO2納米粒子的濃度，優(yōu)化靜電紡絲參數(shù)，得到對小分子有機(jī)化合物吸附性較強(qiáng)的纖維膜。對所收集到的煙氣進(jìn)行質(zhì)譜測定，在正離子模式下，檢測到的主要成分有尼古丁、丙酮、苯乙烯、丙烯醛、異戊二烯、丙烯腈等21種小分子有機(jī)化合物；在負(fù)離子模式下，檢測到的主要成分有水楊酸、蘋果酸和乳酸等6種有機(jī)酸。同時，對煙氣中的主要有害成分尼古丁進(jìn)行定量分析，方法的檢出限為0.071 ng/L，定量限為0.236 ng/L。

關(guān)鍵詞聚丙烯腈和二氧化硅復(fù)合纖維膜； 高分辨質(zhì)譜技術(shù)； 香煙煙氣； 有害化合物

1引 言

香煙煙氣化學(xué)成分復(fù)雜，主要是由刺激性氣體和致癌的焦油顆粒物混合組成，目前已鑒定出的化學(xué)物質(zhì)有近5000種[1～3]，其中已被證實的有致癌、致畸、致突變作用的化合物有50種[4]，例如尼古丁[5]、亞硝胺[4，6]、多環(huán)芳烴[7]等。香煙燃燒產(chǎn)生的煙氣損傷吸煙者呼吸道的上皮細(xì)胞，成為引發(fā)慢性阻塞性肺疾病和肺癌的病因之一[8]。

香煙煙氣中有機(jī)化合物的含量較低，測定較為困難，在樣品進(jìn)行儀器檢測前需要大量的前處理步驟以盡量完全地提取煙氣中的組分，并有效提高方法的靈敏度。常用的提取方法有液液萃取法[9]、固相微萃取法[10]等。這些方法操作步驟繁瑣，耗時較長。目前，用于檢測香煙煙氣成分的技術(shù)主要有氣相色譜法（GC）[11]、紅外紫外光譜質(zhì)譜聯(lián)用法（IRUVMS）[12]、高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法（PLCMS）[5]、共振增強(qiáng)多光子電離飛行時間質(zhì)譜法（REMPIOFMS）[6]和單光子飛行時間質(zhì)譜法（SPIOFMS）[13]等。這些方法操作繁雜，耗時較長，難以實現(xiàn)對樣品的微量快速分析。而電噴霧電離質(zhì)譜法（ESIMS）無需復(fù)雜的樣品預(yù)處理，能夠用于直接檢測復(fù)雜基體樣品，具有操作簡單，靈敏度高，分析速度快等特點。此外，在煙草及煙氣成分分析領(lǐng)域中，科研工作者多聚焦于顆粒物粒徑分布分析，或氣溶膠成分中鹽類物質(zhì)的含量測定 [14]。由于氣體中小分子化合物難于捕捉、富集和測定，很少有對煙氣中小分子有機(jī)化合物進(jìn)行分析的報道，而這些小分子的有機(jī)化合物常對人體的健康和代謝功能產(chǎn)生影響，因此，準(zhǔn)確測定香煙煙氣中的有害物質(zhì)及其主要成分的含量，能夠在一定程度上量化一支香煙煙氣的危害，對人體健康和環(huán)境影響的分析具有積極意義。

傳統(tǒng)的氣體富集方法主要利用多孔膜富集。多孔膜過濾氣體的原理類似于過濾流體，主要是通過其細(xì)小孔徑進(jìn)行截留并富集粒徑大的固體顆粒物[15]，而粒徑小的分子不能被富集，此類多孔膜常用于過濾空氣中直徑較大的固體顆粒物。由于多孔膜不能夠?qū)怏w中的小分子化合物進(jìn)行富集，因此，對揮發(fā)性有機(jī)物具有強(qiáng)吸附性的空氣纖維膜制備技術(shù)得到發(fā)展。常用的纖維膜制備方法為靜電紡絲技術(shù)[16，17]，通過調(diào)控紡絲液的組成、濃度等參數(shù)可以對纖維膜的孔徑進(jìn)行調(diào)控，對氣體進(jìn)行過濾，同時達(dá)到對小分子有機(jī)物吸附的目的[18]。

本研究采用靜電紡絲技術(shù)制備纖維復(fù)合膜，通過在紡絲液中加入二氧化硅，形成膜的特殊孔道結(jié)構(gòu)，有效延長了煙氣在纖維膜表面的回旋時間，增強(qiáng)了吸附性能，通過調(diào)控紡絲的電壓，改變紡絲粗細(xì)，提高纖維膜機(jī)械強(qiáng)度，最終得到吸附性能高，韌性好的疏水纖維膜。將此纖維膜用于富集煙氣中的有機(jī)化合物，并使用有機(jī)溶劑將待測組分從纖維膜上洗脫下來，結(jié)合OrbitrapMS高分辨質(zhì)譜儀對所得洗脫液測定，定性分析香煙燃燒產(chǎn)生的煙氣中小分子有機(jī)化合物的種類，并定量測定了煙氣中尼古丁的含量。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

真空干燥器（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）、JP20024型氮吹儀（上海旌派儀器有限公司）、KQ300DE型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、離心機(jī)（德國Eppendorf公司）、砂芯過濾器、SBⅢ型臺式循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）、RE型加熱磁力攪拌器（德國IKA公司）。靜電紡絲裝置（實驗室自主搭建，包括靜電紡絲箱體、Genie ouch 型流動注射泵 （美國 Kent Scientific公司）、73030P型高壓電源（江蘇宿遷波爾高壓電源有限公司）和黃銅網(wǎng)接收板）。高分辨靜電場軌道阱質(zhì)譜儀（Orbirap MS， 美國hermo Scientific公司），Xcalibur 5.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（美國hermo Scientific公司）。

聚丙烯腈（PAN， MW=150000，上海麥克林生化科技有限公司）；N，N二甲基甲酰胺（DMF，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；疏水性二氧化硅納米粒子（SiO2，Nano fumed silica，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；尼古丁標(biāo)準(zhǔn)品（特級純，美國Chroma Dex股份有限公司）；甲醇（色譜純， 德國EMD Millipore公司）；實驗用水均為二次蒸餾水。

2.2實驗方法

2.2.1纖維復(fù)合膜的制備用10 mL注射器吸取5 mL紡絲液，在0.26 mm針頭上施加16 kV高壓電，使針頭尖端以“泰勒錐”形狀噴射出納米纖維絲，收集于黃銅接收板上。紡絲過程中，針頭和接收板間的距離為20 cm，紡絲液以流速0.5 mL/h噴射4 h。紡絲箱內(nèi)溫度為20～25℃，濕度為35%～40%。紡絲結(jié)束后，將膜置于真空60℃條件下干燥6 h，得到PANSiO2纖維膜。靜電紡絲流程如圖1所示。

2.2.2香煙煙氣樣品的富集按圖2所示組裝裝置，點燃香煙，通過循環(huán)水式真空泵進(jìn)行抽濾，使香煙煙氣緩慢通過PANSiO2纖維膜進(jìn)行過濾富集，富集時間為10 min。

2.2.3樣品的預(yù)處理取一塊5 cm×5 cm的正方形纖維膜，覆蓋于瓶口，富集一支香煙燃燒所產(chǎn)生的煙氣，并用1 mL甲醇對富集后的纖維膜進(jìn)行超聲萃取，萃取兩次，每次5 min，合并萃取液，用0.22 μm濾膜過濾，取10 μL萃取液，并用甲醇稀釋至10.00 mL，進(jìn)行ESIMS分析。

2.2.4ESIMS實驗條件采用直接質(zhì)譜進(jìn)樣，正離子掃描模式下，每個品牌的香煙樣品平行進(jìn)樣5次，一級譜圖的質(zhì)荷比掃描范圍為m/z 50～750。設(shè)定ESI離子源離子傳輸管溫度為320 ℃，電離電壓為3.5 kV，鞘氣和輔助氣為氮氣，設(shè)定氣流流量分別為0.672和1.515 L/min，蠕動泵進(jìn)樣流速為5 μL/min。碰撞誘導(dǎo)解離（CID）實驗時，設(shè)定母離子的隔離寬度為1.5 Da，碰撞時間為200 ms，碰撞能量參數(shù)范圍設(shè)為50～70。

3結(jié)果與討論

3.1纖維膜的制備

利用靜電紡絲技術(shù)制備空氣濾膜需要考慮以下因素[18]： （1）膜厚度影響氣流在纖維層間滲透；（2）膜孔徑影響濾膜捕獲空氣中顆粒物的效率；（3）纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度采樣時真空泵開啟的負(fù)壓會導(dǎo)致纖維膜破裂。因此，實驗優(yōu)化了紡絲液的組成、濃度、流速、紡絲電壓、紡絲針頭孔徑等參數(shù)，并表征了纖維膜孔徑，驗證了纖維膜機(jī)械強(qiáng)度。

3.1.1紡絲電壓、紡絲針頭孔徑、紡絲液流速用單因素水平優(yōu)化靜電紡絲參數(shù)： （1）調(diào)控紡絲電壓范圍為10～25 kV，當(dāng)紡絲電壓設(shè)置為16 kV時，得到的紡絲射流較為穩(wěn)定。（2）調(diào)控紡絲針頭孔徑范圍為0.06～0.50 mm，當(dāng)使用0.26 mm針頭噴射時，接收板上得到的紡絲厚度均勻。（3）設(shè)置紡絲電壓紡絲電壓為16 kV，針頭孔徑為0.26 mm時，調(diào)控紡絲流速范圍為0.1～1.0 mL/h，當(dāng)紡絲液流速為0.5 mL/h時，紡絲不易黏結(jié)，射流穩(wěn)定。因此，最優(yōu)靜電紡絲條件選擇為： 電壓16 kV， 針頭0.26 mm，紡絲液流速0.5 mL/h。

3.1.2PAN濃度的調(diào)控實驗以PAN的DMF溶液為紡絲液進(jìn)行紡絲，考察了PAN濃度（4%， 6%， 8%， 10%， 12%）對紡絲效果的影響。當(dāng)PAN濃度≤10%時，由針頭噴射出的紡絲液以大顆液滴狀態(tài)落在銅網(wǎng)上，未成紡絲。當(dāng)PAN濃度為12%時，紡絲直徑一致，在銅網(wǎng)接收板上分布均勻，如圖3A所示。濃度為4%， 6%， 8%， 10%和12%的PAN溶液得到的纖維絲的平均直徑分別為11.97， 26.09， 65.23， 102.06和164.16 nm。從圖3B可見，隨著PAN濃度增加，纖維膜的直徑逐漸增大。但當(dāng)PAN濃度>12%時，噴霧不連續(xù)。因此，選擇12%的PAN溶液進(jìn)行靜電紡絲。

3.1.3SiO2納米粒子濃度的調(diào)控在PANDMF溶液中加入適當(dāng)濃度的SiO2納米粒子，可以改良纖維膜的結(jié)構(gòu)，得到刺狀結(jié)構(gòu)的纖維膜；當(dāng)氣體擴(kuò)散到纖維膜表面時，SiO2刺狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氣體在膜上形成小的停滯區(qū)[18]，使纖維膜與氣體有充分的時間反應(yīng)，提高纖維膜的吸附性能。實驗對SiO2 納米粒子濃度（0%， 2%， 4%， 6%， 8%和12%， 質(zhì)量的百分濃度）進(jìn)行了優(yōu)化。從圖4可知，SiO2納米粒子濃度越大，纖維膜表面越粗糙。濃度過大的SiO2納米粒子會破壞纖維絲原有的形狀，導(dǎo)致纖維絲不均勻，如圖4C和圖4D所示。將上述6種不同SiO2 納米粒子濃度的纖維膜分別按照2.2.2節(jié)的方法富集香煙煙氣，以尼古丁的質(zhì)譜信號響應(yīng)強(qiáng)度作為指標(biāo)，評價纖維膜吸附效果，實驗所得尼古丁的平均質(zhì)譜信號依次為6.83×105（0%）， 9.28×105（2%）， 8.81×106（4%）， 8.60×106（6%）， 2.64×106（8%）和 8.85×105（12%）。結(jié)果表明，當(dāng)SiO2 納米粒子濃度為4%時，纖維膜刺狀結(jié)構(gòu)分布較均勻， 吸附效果較好。

3.1.4纖維膜機(jī)械強(qiáng)度、孔徑的測量實驗通過控制靜電紡絲參數(shù)及紡絲時間達(dá)到調(diào)節(jié)纖維膜孔徑和厚度的目的，進(jìn)而改變纖

維膜的透過率和機(jī)械強(qiáng)度。為了保證良好的氣體透過率和有機(jī)化合物吸附性，實驗分別考察100， 300， 500， 1000， 2000和3000 nm孔徑的纖維膜對煙氣的透過率和對尼古丁的吸附能力，實驗結(jié)果表明，當(dāng)纖維膜孔徑<500 nm時， 煙氣透過纖維膜較為困難，阻力較大，氣體透過率差；當(dāng)孔徑>2 μm 時，煙氣攔截能力較差，透過纖維膜的煙氣呈渾濁狀態(tài)。同時進(jìn)行尼古丁吸附實驗，結(jié)果如圖5所示，當(dāng)纖維膜孔徑為500 nm 時，尼古丁的信號響應(yīng)值達(dá)到最大。此外，調(diào)節(jié)真空泵至極限26 kPa時， 在高壓強(qiáng)的作用下纖維膜仍舊完好無損，未出現(xiàn)破裂情況，說明其具備很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。

3.2香煙煙氣成分的質(zhì)譜分析

3.2.1正離子模式煙氣成分分析如2.2.2和2.2.3節(jié)所述對4種不同品牌的香煙煙氣進(jìn)行纖維膜富集和甲醇洗脫，得到待分析溶液，采用Orbitrap MS在正離子檢測模式下進(jìn)行質(zhì)譜分析，得到全掃描譜圖。4種香煙所得全掃描譜圖離子基本一致，但離子信號響應(yīng)強(qiáng)度有所不同，說明小分子有機(jī)化合物的含量不同。由圖6可知，m/z 163.1226為基峰，是煙氣的主要成分。圖6插圖中m/z 163.1226的二級碎片離子與尼古丁標(biāo)準(zhǔn)品譜圖及文獻(xiàn)[5，20]報道一致，因此判定m/z 163.1226為尼古丁。除主成分尼古丁外，還定性分析了其它20種小分子有機(jī)化合物，見表1。

在最佳實驗條件下，根據(jù)所得信號強(qiáng)度（I）對標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（C）繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖8所示。所得標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍廣，為1.0×106～1.0 μg/L， r>0.999。將被測物的信號分別為3倍和10倍信噪比（S/N）時對應(yīng)的濃度定義為方法的檢出限（LOD）和定量下限（LOQ）。本方法測定尼古丁的LOD為0.071 ng/L，LOQ是0.236 ng/L，RSD為0.06%～0.58%。

采用本方法對4個品牌香煙燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行了測定，平行測定3次，計算得到每支香煙煙氣中尼古丁的含量分別為48.6， 49.5， 51.0和64.4 μg。

為了評價方法的重現(xiàn)性和實用性，對品牌1和品牌4的香煙進(jìn)行尼古丁加標(biāo)回收實驗，尼古丁加標(biāo)量為10和100 μg/支，加標(biāo)后將樣品置于暗處24 h后進(jìn)行分析。每個樣品的每個濃度均平行測定3次， 尼古丁的回收率為77.4%～86.9%，RSD為1.6%～4.1%（表2），表明本方法的重現(xiàn)性良好。

3.4方法比較

將多種富集方法與本方法進(jìn)行了比較，包括丙酮吸收阱收集法[23]、劍橋濾片/濾板法（Cambridge filter/filter pad， CF/CFP）[6，24]、固相萃取法（SPE）[4]、和頂空固相微萃取法（SSPME）[10]，以及兩種方法的聯(lián)合使用[25]，對比結(jié)果列于表3。與其它方法相比，本方法所需樣本量小、樣品前處理時間短、有機(jī)溶劑用量少、操作步驟簡單、測定的小分子有機(jī)化合物種類多。在實驗成本和環(huán)保等方面，本方法都體現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢，且本方法得到的檢出限更低。

4結(jié) 論

本實驗通過制備PANSiO2纖維膜，成功富集了香煙煙氣中的有機(jī)化合物，并結(jié)合高分辨串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行測定。簡化了以往繁瑣的樣品前處理步驟，改良并提升了纖維膜只能過濾不能吸附的性能，快速測定了氣體中難于富集和測定的小分子有機(jī)化合物。通過改變提取條件和紡絲條件，獲得孔徑尺寸可調(diào)控的PANSiO2纖維膜，可將此纖維膜應(yīng)用于大氣環(huán)境分析（如PM2.5的監(jiān)測）和醫(yī)療領(lǐng)域（如呼吸氣體中小分子有機(jī)化合物的測定）中，以及其它復(fù)雜氣體基質(zhì)中有機(jī)污染物的殘留分析。

AbstractA new method was proposed for analysis of the organic compounds in cigarette smoke by high resolution Orbitrap mass spectrometry based on polyacrylonitrilesilica （PANSiO2） nanofiber membrane extraction and methanol elution. ydrophobic PANSiO2 nanofiber membrane which was used to enrich small molecular organic compounds in cigarette smoke was prepared by the technology of electrospinning. Several parameters including the concentrations of PAN and SiO2 nanopartical， elecrospining voltage， needle aperture and flow rate of spinning solution were optimized. Under the optimal conditions， a PANSiO2 nanofiber membrane with good adsorption performance and great physical strength was obtained. A total of 21 compounds including acetone， styrene， acrolein， isoprene， and acrylonitrile were identified by analyzing the cigarette smoke with Orbitrap MS spectrometry in the positive ion mode. Six organic acids including salicylic acid， malic acid and lactic acid were detected in negative ion mode. he limits of detection and quantification for nicotine were 0.071 ng/L and 0.236 ng/L， respectively.

KeywordsPolyacrylonitrilesilica nanofiber membranes； igh resolution mass spectrometry； Cigarette smoke； azard organic compounds