《Anal Chem》封面丨原位质谱探索烟草化学

2023-04-06 11:42:15, 华质君华质泰科生物技术（北京）有限公司

卷烟烟气是一种极其复杂的体系，其包含的化学物质多达几千种。通常分为主流烟气 (MSS) 和侧流烟气 (SSS) 两种。其中，主流烟气 (MSS) 指人体直接吸食部分，含有多种有毒和致癌物质，威胁人体健康。

因此，对主流烟气中化学成分的定性定量研究具有重大意义。但同时测定烟气中的多种化学成分对分析技术提出了严峻挑战，需要开发一种简单、快速、高效的分析方法，以对烟草化学进行深入探究。

原位质谱可在常压下快速引入和分析复杂样品，且简化了样品前处理，减少了样品损失，可对烟草烟气中的成分进行现场快速分析。

南京师范大学 David Chen 教授、李红丽副教授课题组于2021年在《Anal Chem》发表封面文章，以 T 型样品引入装置与实时直接分析质谱 (DART-MS) 相结合，无需繁琐的样品制备和耗时的 LC 或 GC 分离，直接剖析复杂气体样品中的化学成分，检测限为 ng/mL 至 fg/mL，可应用于观察不同香烟类型之间的化学成分差异。

T型装置位于 DART 离子源和 MS 进样口之间，样品传输管外部保持加热。气体样品通过 Tedlar 采样袋或注射器引入，能适应各种常见的采集方式。

图1、(A) 用于 DART-MS 的 T 型样品引入装置示意图；(B) 带有加热套和温度控制器的 T 型装置示意图；(C) 使用注射器和 Tedlar 气体采集袋的样品引入方法。

使用代表性化合物2,3-二乙基-5-甲基吡嗪 (S1) 和2-甲氧基吡嗪 (S2) 对 T 型装置进行参数优化，包括加热温度、进样管的长度和内径、DART 源和 MS 入口之间的距离、以及陶瓷传输管的长度。

图2、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪 (S1) 和2-甲氧基吡嗪 (S2) 的 DART-MS总离子流图 (TICs)、S1 和 S2 的提取离子流图 (EICs)。(A) 使用 Dip-it 玻棒在环境中采样；(B) 使用微型注射器通过 T 型装置进样。

香烟主流烟气由气相物和颗粒物组成，是一种高度复杂且动态变化的混合物。为了测试实际吸烟烟气并了解吸烟对健康的影响，对香烟主流烟气进行了逐口递送分析。结果证明，该装置的分析速度快，连续抽吸之间没有交叉污染，且能观察到不同香烟类型和抽吸次数之间的成分变化。

图3、DART-MS 通过 T 型装置对香烟主流烟气 (MSS) 进行逐口抽吸分析。(A) 标准香烟 3R4F 连续抽吸七次的总离子流图；(B) 单次抽吸对应的质谱图。

图4、(A) 尼古丁/假木贼碱、(B) 苯胺/甲基吡啶、(C) 二甲基吡啶分别在标准香烟、弗吉尼亚香烟、混合型香烟和雪茄型香烟的七次逐口抽吸中的相对含量。峰面积是重复抽吸六支的平均值，每支连续吸七次。误差棒代表标准偏差。

图5、Condensate：使用微量注射器对主流烟气的液体冷凝物进行分析；Tedlar bag：集气袋中的气体样品直接分析。(A) 标准香烟；(B) 弗吉尼亚香烟。

灵活的进样模式适用于不同形态的样品。研究比较了微量注射器取样的液体冷凝物和集气袋直接分析两种模式呈现出的差异，可根据需要选择使用。

研究结论

研究团队开发了一种T型样品引入装置与 DART-MS 进行联接。采样管加热确保了气体样品的有效传输，并可以在两次进样之间进行自清洁，并且气态和挥发性有机化合物在开放环境中的扩散损失显著降低。沸点低至34.2℃ 的 VOC 样品可以被有效分析，检测限比使用传统 Dip-it 玻棒在开放环境分析时高2个数量级。

DART-MS 结合 T 型装置成功实现了对香烟主流烟气的逐口抽吸在线分析，并评估出不同类型的香烟以及抽吸次数之间的成分差异，为直接评估气态样品中的化学物质提供了一个强大的工具。该装置易于组装和拆卸，操作简单，有望在环境分析和疾病诊断领域找到更广阔的用武之地。

AIMS 烟草化学应用拓展

原位质谱 AIMS 已成功应用于烟草烟气成分分析、烟叶生物组织分析、质量控制及电子烟非法添加的监测等研究，未来围绕吸烟与健康和烟草风味分析等方向还有很大的应用空间。

（1）实时直接分析质谱 (DART-MS) 用于检测烟草烟气成分。Li Chao 等应用 DART-MS 测定卷烟主流烟气中的6 种生物碱，与传统 GC-MS 方法相比，DART-MS 方法检出限更低，线性范围更广。Wang Xinxin 等利用 DART-MS 快速同步分析主流烟气中的多种颗粒物成分，可在几秒钟内完成，质量误差小于10 μg/g，并使用氘代烟碱作内标实现对烟碱的准确定量。DART-MS 可用于快速获取卷烟中有害化合物的指纹图谱，为质量控制提供了高效的方法，可以定量致癌物以评估其危害性。

（2）Jiang Qing 等将机械化学萃取 (MCE) 和 DART-MS 相结合，用于同时测定烟草填料中的多种化学成分，成功提取了包括烟碱、烟草生物碱、碳水化合物、有机酸、保润剂和其他添加剂在内的不同种类的物质，质量误差小于10 μg/g，从测定烟草填料到获得半定量结果仅需几分钟，操作简单，通量高。

（3）AIMS 技术可以快速、准确地分析电子烟补充液的成分。Poklis 等使用 DART 对同一厂家生产的9 种电子烟补充液中的非法添加成分进行了评价。

（4）AIMS 可对物品表面烟气中气溶胶颗粒的痕量残留进行原位快速分析。Akos Kuki 等利用 DART-MS 检测吸烟者服饰上残留的烟草烟雾污染（三手烟），并对实验室空气中的二手烟进行监测，实现对烟草烟雾污染指标烟碱的灵敏和选择性分析。

● 更多详情，请参考文献：

1. Xin Geng, Zhengyan Zhao, Hongli Li, and David Da Yong Chen. Tee-Shaped Sample Introduction Device Coupled with Direct Analysis in Real-Time Mass Spectrometry for Gaseous Analytes. Anal. Chem. 2021, 93, 50, 16813-16820

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c03281

2. 徐珩漪, 李明雷, 付英杰, 孙世豪, 王丁众, 席辉, 张建勋. 敞开式离子化质谱技术及其在烟草化学中的应用. 烟草科技, 2022, 55 (9):100-112.

3. 耿欣, 王新新, 李红丽. 实时直接分析质谱结合固相微萃取分析卷烟主流烟气粒相物. 质谱学报, 2021, 42 (4)

4. Li C, Li E X, Wu Y, et al. Simultaneous ultrafast determination of six alkaloids in mainstream cigarette smoke by DART-MS/MS. Analytical Methods, 2018, 10(39): 4793-4800.

5. Wang X, Jiang Q, Li H, et al. Rapid determination of chemical composition in the particulate matter of cigarette mainstream smoke. Talanta, 2020, 217: 121060.

6. Jiang Q, Dai D, Li H, et al. Simultaneous determination of multiple components in cigarettes by mechanochemical extraction and direct analysis in real time mass spectrometry in minutes. Analytica Chimica Acta, 2019, 1057: 70-79.

7. Poklis J L, Mulder H A, Peace M R. The unexpected identification of the cannabimimetic, 5F-ADB, and dextromethorphan in commercially available cannabidiol e-liquids. Forensic Science International, 2019, 294: e25-e27.

8. Kuki Á, Nagy L, Nagy T, et al. Detection of nicotine as an indicator of tobacco smoke by direct analysis in real time(DART)tandem mass spectrometry. Atmospheric Environment, 2015, 100: 74-77.

欲了解更多应用，敬请联系我们！

电话：010-6439 9978

邮箱：info@aspectechnologies.com

往期推荐

《CTMS》封面故事丨野火无情，“烟味”犹在

洞悉丨DART-MS 表征环境大气中有机气溶胶颗粒

食安预警丨粮食谷物中的霉菌毒素不可小觑

持续了解，请关注我们：

华质君的近期文章