全 文 :收稿日期:2012-08-20;修回日期:2012-10-30
基金项目:云南中烟工业有限责任公司科技专项(2012FL03)资助
作者简介:李 忠(1968~),男(汉族),云南昆明人,从事仪器分析及烟草香精香料研究。E-mail:ycslizhong@163.com
第34卷 第1期
2013年1月
质 谱 学 报
Journal of Chinese Mass Spectrometry Society
Vol.34 No.1
Jan.2013
场电离技术在果香菊GC-TOF-MS联用分析中的应用
李 忠,黄 静,芦燕玲,冯 文,郭生云
(云南烟草科学研究院,昆明 云南650106)
摘要:为了探讨场电离技术在质谱分析中应用的适用性,以芳香性植物果香菊的挥发性成分为研究对象,采
用微波萃取法对果香菊的挥发性成分进行提取,利用GC-EI-TOF-MS结合GC-FI-TOF-MS技术对果香菊挥
发性成分进行分析研究。果香菊的乙醇溶剂提取物经色谱进样分离,用EI电离模式鉴定了12种挥发性化
合物,用FI电离模式验证了11种化合物。结果表明,场电离技术作为一种辅助手段应用于挥发性成分定性
定量分析领域具有一定的适用性,该方法能补充GC-EI-TOF MS联用技术中的定性化合物信息。
关键词:场电离;飞行时间质谱;果香菊
中图分类号:O 657.63 文献标志码:A 文章编号:1004-2997(2013)01-0040-05
doi:10.7538/zpxb.2013.34.01.0040
Application of Field Ionization Technology in Analysis
for Chamaemelum nobile by GC-TOF-MS
LI Zhong,HUANG Jing,LU Yan-ling,FENG Wen,GUO Sheng-yun
(Yunnan Academy of Tobacco Science,Kunming650106,China)
Abstract:In order to discuss the applicability of field ionization technology in analysis field,
volatile compositions of aromatic plants-Chamaemelum nobile(L.)Al were taken as the ob-
ject of the research.Volatile compounds of Chamaemelum nobile(L.)Al extracted by mi-
crowave was analyzed by GC-EI-TOF MS combined with GC-FI-TOF MS.Twelve volatile
contituents are isolated by chromatograph and identified using EI ionization model from
Chamaemelum nobile(L.)Al.Eleven contituents are verified by using FI ionization model,
in addition,the advantages and disadvantages of field ionization are discussed.GC-FI-TOF
HRMS has certain applicability in qualitative analysis and quantitative analysis on the re-
search for volatile compounds of aromatic plants,which can replenish the compounds infor-
mation obtained by GC-EI-TOF MS.
Key words:field ionization;time of flight mass spectrometer;Chamaemelum nobile
(L.)Al.
果香菊(Chamaemelum nobile(L.)Al.)又
称白花春黄菊、匈牙利春黄菊[1]、罗马甘菊[2],是
菊科春黄菊属芳香草本植物,主产于匈牙利、比
利时、英国等,近年我国多地已栽培[3]。果香菊
植株、精油及浸提浸膏具有多种实用价值[4-8]。
已有文献报道[3,9]采用水蒸气蒸馏-气相质谱联
用技术分析果香菊挥发性成分,结果表明,母菊
奥、红没药醇氧化物、红没药醇、金合欢烯等是其
主要的挥发性成分。
质谱的场电离FI(field ionisation)是指分子
在强电场下,失去一个电子,而成为带正电荷的
分子离子。GCT与FI相互结合补充,提供了一
个稳定的、易用的软电离技术,产生简单的分子
离子光谱峰,碎片峰非常少,结合飞行时间质谱
精确质量测定,FI的质谱图很容易解析分子的
元素组成,主要用于热不稳定化合物的分析。FI
不使用反应气,因而很少有副反应,仪器易维护,
经济实用。FI离子源包括专门设计的外源和可
移动的带FI发射丝杆,发射丝是生长有碳树枝
状的钨丝,保持在12kV高电势的电极旁边,使
得碳树枝状的顶尖上有强电场,样品分子在靠近
碳树枝状顶尖的强电场作用下,其分子价电子发
生量子隧道效应失去一个电子而产生离子自由
基,这一电离过程非常“软”,几乎没有碎片
产生[10-11]。
气相色谱-场电离-飞行时间高分辨质谱
(GC-FI-TOF HRMS)技术分析样品过程中,采
用单同位素相对分子质量为201.960 9的五氟
氯苯进行质量锁定。该技术因为能够同时测定
饱和烃和芳烃,能区分同系化合物等优点而在
煤、石油分析行业广泛使用[12-20],用来对某一类
高分子化合物的热解行为进行追踪研究[21-26]。
本工作采用气相色谱-电子轰击-飞行时间高分
辨质谱(GC-EI-TOF HRMS)结合 GC-FI-TOF
HRMS技术对果香菊挥发性成分进行分析研
究,以探讨该技术在芳香植物挥发性成分分析中
的适用性。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
安捷伦7890N气相色谱:美国Agilent公司
产品;GCT Premier TM台式正交加速飞行时间
(oa-TOF)质谱联用仪:美国 Waters公司产品,
配有 MassLynx V4.1数据处理系统,Nist2008
标准质谱检索库;Explorer48-72-96微波萃取
仪:美国CEM公司产品。
果香菊(Chamaemelum nobile(L.)Al.)样
品:于2011年采于西双版纳,花期,经云南省热
带作物科学研究所刘昌芬研究员鉴定,标本凭证
存放于该研究所。
1.2 分析条件
1.2.1 气相色谱条件 DB-5ms色谱柱(30m
×0.25mm×0.25μm);起始柱温50℃,保持
10min后,以10℃/min速率升至250℃,保持
10min;进样口温度250℃;载气为高纯度 He
气,流速1.5mL/min;进样量1.0μL,分流比为
50∶1。
1.2.2 质谱条件 接口温度250℃,离子源温
度200℃,质量扫描范围m/z 40~400,溶剂延
迟3min;EI模式,电子能量70eV,FI电场电极
电压12kV,发射电流0mA,闪烁电流4mA。
1.3 实验方法
移取1g果香菊,10mL 95%乙醇,用50
W,80℃,1 724kPa微波萃取5min,取2mL萃
取液于进样瓶,按1.2条件进行进样分析。
2 结果与讨论
2.1 成分鉴定
在1.2条件下进样分析,分别用FI和EI电
离模式采集果香菊挥发性成分的总离子流色谱
图,示于图1,其中,红没药醇氧化物B在FI和
EI电 离 模 式 下 的 质 谱 图 示 于 图 2,结 合
NIST2008谱图库和相关文献检索出了其主要
化学成分,列于表1。
结合GC/MS分析结果对比图1与图2可
知,采用EI和FI模式分析果香菊挥发性成分
时,分离检测到的化合物基本一致,主要为顺、反
式烯炔双环醚和红没药醇氧化物等,与文献报道
相似[3,9],差别之处可能是因为样品生长地理环
境不同而导致的。
2.2 讨论
采用GC-EI-MS分离处理样品后,鉴定各个
化合物主要是采取与标准谱图库或文献进行匹
配对比,以相似度或匹配度对未知化合物进行定
性。但与谱图库匹配或与文献值对比时,由于其
碎片峰多且碎片峰的丰度较大使得其干扰多。
例如,图2中红没药醇氧化物B的鉴定,EI源进
样处理时碎片峰多,且丰度大,分子离子峰不明
显。而在FI图中,可以得到以238.196 4为主
的分子离子峰质谱图,经iFit软件匹配得到其元
素组成为C15H26O2,与理论值误差为3.1mu。
14 第1期 李 忠等:场电离技术在果香菊GC-TOF-MS联用分析中的应用
图1 FI和EI电离模式下果香菊挥发性成分的总离子流图
Fig.1 Total ions flow chromatogram of volatile components
in Chamaemelum nobile(L.)Al.by FI and EI mode
图2 FI和EI模式中红没药醇氧化物A分子离子峰及碎片峰
Fig.2 Molecular ion peak and fragment ions of bisabolol oxide A obtained by FI and EI mode
另外,同系物的鉴定过程往往会产生同一个
化合物重复出现且匹配度很高的情况,这是因为
同系物的碎片离子峰基本相同,且质量差较小,
其匹配度高,从而导致错误的检索结果,因此需
要分子离子峰的验证。GC-FI-HRMS技术作为
一种辅助手段,可以对上述不足进行验证或补
充。因为 FI场电离为软电离技术,分子丢失
1个电子形成分子离子峰的过程迫使分子断裂
的可能性小,碎片离子峰甚少,且其丰度极低,如
图2所示,其分子离子峰尤为明显,弥补了GC-
EI-MS方法的不足。
但FI也有一定缺陷,从TIC的计数上可以
看出,其同样条件的响应值比EI低1~2个数量
级。从表1可以看出,红没药醇氧化物C由于
含量较小,无法得到其分子离子峰。分析其原因
是,在FI场中分子扩散导致离子化效率较 EI
低。由于FI场电离在12kV强电场下的工作特
性,GC毛细管柱出口不能过分靠近碳树枝状的
顶尖,否则易引发高压放电,损坏离子源,所以其
距离控制在8mm。而EI离子源中,毛细管柱
出口到中心线的距离是5mm,分子在流出毛细
管口移动过程中的位移较长就会产生较大的扩
24 质 谱 学 报 第34卷
散。另外EI源的离子盒能在空间上“束缚”被电
离的分子,而FI在强电场下,不能有物理的“围
墙”来束缚被电离的分子,从而导致较大的扩散,
使含量较小的化合物电离出的信号很小,以至于
不能被检测出来。另外,扩散还会造成保留时间
相近的化合物峰重叠,如图2中,保留时间为
28.19min的峰为3个化合物的重叠峰。
FI的质量数校正采用包括全氟三丁胺、甲
基三嗪、全氟三甲基环己烷、六氟苯、五氟苯、五
氟氯苯、丙酮、二甲苯8个化合物的混合物直接
引入离子源来校正,其质量数覆盖范围为58~
502u。
表1 果香菊的部分挥发性成分
Table 1 The part of volatile compositions in Chamaemelum nobile(L.)Al.
编号 保留时间/min 化学成分 分子式 理论分子质量/u 测定分子质量/u 误差/mu
1 22.98 1-(2’-乙烯基-1’-环己烯基)丙酮 C10H14O 150.104 5 150.095 4 9.1
2 25.28 红没药醇氧化物A C15H26O2 238.193 3 238.197 7 -4.4
3 25.99 红没药醇 C15H24O2 236.177 6 236.181 4 -3.8
4 26.08 异长叶烯 C15H22 202.172 2 202.166 4 5.8
5 26.72 红没药醇氧化物B C15H26O2 238.193 3 238.196 4 -3.1
6 27.48 棕榈酸甲酯 C17H34O2 270.255 9 270.261 5 -5.6
7 27.98 棕榈酸 C16H32O2 256.240 2 256.244 4 -4.2
8 28.15 甲氧基香豆素 C10H8O3 176.047 3 176.045 9 1.4
9 28.40 红没药醇氧化物C C15H26O2 238.193 3 — —
10 29.28 顺式烯炔双环醚 C13H12O2 200.083 7 200.080 6 3.1
11 29.45 亚油酸甲酯 C19H34O2 294.255 9 294.271 1 -15.2
12 29.91 反式烯炔双环醚 C13H12O2 200.083 7 200.084 8 -1.1
3 结论
气相-场电离-飞行时间质谱联用技术作为
一种辅助手段应用于香原料挥发性成分定性定
量分析领域具有一定的适用性,该方法能提高鉴
定精确度、减少错误的出现,可以补充 GC-EI-
TOF MS联用技术中定性的化合物信息。
参考文献:
[1] 吴征镒,周 铉,陈 介.中国植物志[M].北京:
科学出版社,2005,76(1):9.
[2] 姚 雷,黄 健,池 强,等.两种甘菊生长习性及
精油成分差异性分析[C].2004年中国香料香精
学术研讨会论文集,2004.
[3] 冯兰香,杜永臣,刘广树.蓬勃发展中的台湾芳香
植物产业[J].中国蔬菜,2004,(2):40-42.
[4] 王铁臣,司力珊,徐 凯,等.番茄间作香草植物驱
避白粉虱的试验报告[J].中国蔬菜,2006,(7):
21-22.
[5] MICHAEL J,BALICK,KRONENBERG F,et al.
Medicinal Plants used by latino healers for
women’s health conditions in New York City[J].
Economic Botany,2002,54(3):344-357.
[6] OMIDBAIGI R,SEFIDKON F,KAZAEMI F,et al.
Influence of drying methods on the essential oil
content and composition of Roman chamomile[J].
Flavour and Frangrace Journal,2004,19(3):
196-198.
[7] CARNAT A,CARNA A P T,FRAAISS D,et al.
The aromatic and poly phenolic composition of Ro-
man camomile tea[J].Fitoterapia,2004,75(1):
32-38.
[8] FARKAS P,HOLLM,VAVERKOV S,et al.
Composition of the essential oil from the flower-
heads of chamaemelum nobile(L.)Al.(Asterace-
ae)cultivated in Slovak Republic[J].Journal of
Essential Research,2003,15(2):83-85.
[9] 周永芳.春黄菊油与蜡菊油的规格成份及色谱图
[J].现代商检科技,1994,5(4):56-58.
[10] PETER H,ANTHONY N,MARTIN G,et al.
Analysis of coal based jet fuel feed stocks by ex-
act mass GC-FI-MS[J].Waters Micro mass Ap-
plication Note,1969,267.
[11] PERSSON J L,WHETTEN R L.Effect of field-
ionization dynamics on time-of-flight mass spectra
[J].Chemical Physics Letters,1988,147(2/3):
34 第1期 李 忠等:场电离技术在果香菊GC-TOF-MS联用分析中的应用
168-173.
[12] KUANGNAN Q,GARY J,DECHERT.Recent
advances in petroleum characterization by GC
field ionization time of flight high-resolution mass
spectrometry [J].Analytical Chemistry,2002,
74(16):3 977-3 983.
[13] 祝馨怡,刘泽龙,徐延勤,等.气相色谱-场电离飞
行时间质谱测定柴油馏分中含硫化合物的形态
分布[J].石油学报,2011,27(5):797-800.
[14] 祝馨怡,刘泽龙,田松柏,等.重馏分油烃类碳数
分布的气相色谱-场电离飞行时间质谱测定[J].
石油学报,2012,28(3):426-431.
[15] QIAN K N,GARY D J,EDWARDS KATH-
LEEN E.Deducing molecular compositions of
petroleum products using GC-field ionization
high resolution time of flight mass spectrometry
[J].International Journal of Mass Spectrome-
try,2007,265(2/3):230-236.
[16] OGAWA TADAO.Analytical conditions for field
ionization mass spectrometry of diesel fuel[J].
Fuel,2005,84(16):2 015-2 025.
[17] MARZEC A,SCHULTE H R.Structure and re-
activity of coals:Field ionization mass spectrome-
try viewpoint[J].Fuel,1994,73 (8):1 294-
1 305.
[18] BLAZSO M,SCHULTEN.H R.Pyrolysis-field
ionization mass spectrometry of low rank coals
[J].Organic Geochemistry,1990,15 (1):
87-99.
[19] LATTIMER,ROBERT P.Pyrolysis field ioniza-
tion mass spectrometry of hydrocarbon polymers
[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,
1997,39(2):115-127.
[20] del RIO,PHILP J C,PAUL R.Field ionization
mass spectrometric study of high molecular
weight hydrocarbons in a crude oil and a solid bit-
umen[J].Organic Geochemistry,1999,30(5):
279-286.
[21] GORDON W W.Some recent applications of fi-
eld ionization/field desorption mass spectrometry
to organic chemistry[J].Tetrahedron,1982,38
(9):1 125-1 158.
[22] WAGNER W,LEVSEN K.The study of the py-
rolysis of alkyl nitrites in a field ionization mass
spectrometer[J].International Journal of Mass
Spectrometry and Ion Physics,1981,38(2/3):
147-162.
[23] PETER L,ECKHARDT K U,HOLGER F,et al.
A new rapid micro-method for the molecular-
chemical characterization of rhizodeposits by
field-ionization mass spectrometry[J].Rapid
communications in mass spectrometry,2008,22
(8):1 230-1 234.
[24] FURUYA K,ISHIKAWA K,MATSUO A,et al.
Mass analysis of high-Rydberg fragments pro-
duced by electron impact on ethane by use of a
pulsed-field-ionization technique[J].Chemical
Physics Letters,1999,313(3/4):559-564.
[25] JOHN H M,SCHULTEN H R.Rapid charac-
terization of tobacco by combined direct pyroly-
sis-field ionization mass spectrometry and pyroly-
sis-gas chromatography-massspectrometry [J].
Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,
1985,8:547-560.
[26] PLAGE B,SCHULTEN H R.Pyrolysis-field
ionization mass spectrometry of aliphatic polyes-
ters and their thermal interactions in mixtures
[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,
1989,15:197-207.
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