基于水自由基陽離子快速檢測甲醇和乙醇

段敏敏,張小平,胡平花,袁艷春,張興磊,陳煥文,2

(1.東華理工大學,江西省質譜科學與儀器重點實驗室,江西 南昌 330013;2.江西中醫藥大學藥學院,江西 南昌 330004)

酒精飲料中含有乙醇,過量飲用會使肝臟代謝負荷加重,增加患病風險,嚴重時可直接致死。另外,一些酒精飲料的質量不達標,由向可食用酒精中摻入甲醇或直接用工業酒精兌水制備而成。一般由水果發酵得到的酒精或酒精飲料,由于果膠降解使其存在一定含量的甲醇[1],發酵過程中操作不當或設施落后等會導致甲醇含量超標。甲醇中毒會導致不可逆的組織損傷,對視網膜和視覺神經有極強的傷害,嚴重時甚至會導致死亡[2]。2018年,伊朗甲醇中毒事件造成76人死亡、460人住院、768人生病;2020年,關于飲酒可能對預防或治療新型冠狀病毒感染有積極作用的誤導性信息,導致近300人死于甲醇中毒[3]。因此,開發一種簡便、快捷的檢測酒精飲料中甲醇和乙醇含量的方法對保護人們身體健康具有重要意義。

目前,用于檢測甲醇含量的常規技術主要有高效液相色譜(HPLC)[4]、氣相色譜(GC)[5]、氣相色譜-質譜(GC-MS)等[6],這些方法的靈敏度高,可獲得準確的檢測結果,并能夠進行多組分的分離檢測[7],但樣品前處理較復雜、分析成本高。此外,拉曼光譜法[8]也可用于甲醇的定量分析,操作簡單、成本較低,但易受外部環境影響[9]。對乙醇的檢測,最經典的方法是密度瓶法[10],具有設備簡單、普及程度高的優點,但操作復雜。此外,還有分光光度法[11]、氣相色譜法[12]和激光拉曼光譜法[13]等,但它們在測定甲醇和乙醇時,難以同時滿足實際樣品分析中簡便、靈敏、快速和準確的需求。

本文擬采用常壓電暈放電電離質譜技術,開發一種快速檢測甲醇和乙醇含量的方法,以實現不同種類酒精飲料中甲醇和乙醇的直接快速定性與定量分析,旨為酒精飲料食品衛生安全問題的檢測提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

LTQ-XL-Orbitrap質譜儀:美國賽默飛科技有限公司產品,配有Xcalibur數據處理系統;LZB-3WB氣體流量控制器:江蘇省興化市祥錦流量儀表廠產品;雙通道型低能量電暈放電電離裝置:本實驗室自行研制;Ar氣(純度>99.999%):江西國騰氣體有限公司產品。

1.2 主要材料與試劑

甲醇、乙醇:色譜純,美國天地有限公司產品;D2O:劍橋同位素實驗室有限公司產品;實驗用水:浙江娃哈哈宏振飲用水有限公司產品;酒精飲料(啤酒A、白酒B和白酒C):購自當地超市。

1.3 實驗條件

電暈放電電離源,正離子檢測模式;質量掃描范圍m/z15～200;毛細管溫度150 ℃;毛細管電壓27 V,透鏡電壓90 V,電離電壓+2.5 kV;采用高純氦氣作為碰撞氣,碰撞能量約20%～40%;其他參數由質譜儀系統自動優化得到。

1.4 實驗方法

(H2O)2+·試劑離子與甲醇、乙醇的常壓電暈放電電離質譜實時分析原理圖示于圖1。分別稱取0.1、1.0 g液態的甲醇和乙醇,加入去離子水,制備成100、1 000 g/L溶液;再分別以上述溶液為母液,稀釋成不同濃度(0.1、1.0、10.0、50.0、100、500、1 000 mg/L)溶液;將甲醇-乙醇水溶液進行質譜檢測,以[甲醇-乙醇+水自由基陽離子]復合物信號強度與樣品濃度之間的關系繪制標準曲線。將酒精飲料稀釋100倍進行檢測分析,根據標準曲線計算酒精飲料中甲醇、乙醇的含量。

圖1 (H2O)2+·試劑離子與甲醇和乙醇的常壓電暈放電電離質譜實時分析原理圖Fig.1 Schematic diagram of real-time analysis of ambient corona discharge ionization mass spectrometry of reagent ions (H2O)2+· with methanol and ethanol

2 結果與討論

2.1 水自由基陽離子與甲醇和乙醇的復合反應

利用自制的電離裝置制備大量的水自由基陽離子(H2O)2+·,其質譜圖示于圖2a,可以觀察到離子峰m/z36、37,分別對應(H2O)2+·和(H2O)2H+,其中,m/z36為基峰。利用氬氣將甲醇引入裝置,可以觀察到水自由基陽離子的豐度明顯下降,生成新的離子峰m/z50、51,初步推測m/z50為甲醇與水自由基陽離子相互作用生成的復合物[CH3OH+H2O]+·,示于圖2b。將乙醇引入裝置,m/z64、65的離子強度明顯升高,推測為乙醇與水自由基相互作用生成的復合物[CH3CH2OH+H2O]+·,示于圖2c。對甲醇-乙醇水溶液進行質譜分析,進樣前、后水自由基陽離子及目標離子變化圖示于圖2d,可以觀察到進樣后水(H2O)2+·(m/z36)信號降低,目標峰[CH3CH2OH+H2O]+·(m/z64)信號迅速升高。

注:a.水自由基陽離子;b.甲醇與(H2O)2+·相互作用;c.乙醇與(H2O)2+·相互作用;d.進樣前后(H2O)2+·及目標離子變化圖圖2 水自由基陽離子與甲醇和乙醇相互作用的質譜圖Fig.2 Mass spectra of the interaction between water radical cation and methanol or ethanol

水自由基與甲醇、乙醇反應生成復合物的碰撞誘導解離質譜(CID-MS)圖分別示于圖3a、3b。由圖3a可見,m/z50經碰撞活化產生碎片離子m/z33,其為[CH3OH+H2O]+·(m/z50)丟失OH(17 u)所得。由圖3b可見,[CH3CH2OH+H2O]+·(m/z64)經碰撞活化得到碎片離子m/z46、47,分別是其丟失H2O(18 u)、OH(17 u)所得。為進一步驗證(H2O)2+·與甲醇和乙醇的相互反應,用D2O代替H2O,結果示于圖3c、3d,可以明顯地觀察到m/z52、66離子峰。[CH3OH+D2O]+·和[CH3CH2OH+D2O]+·的二級質譜圖分別示于圖3e、3f。由圖3e可見,m/z52碰撞活化后丟失碎片OD(18 u)產生m/z34離子峰,與[CH3OH+H2O]+·(m/z50)裂解情況相同。由圖3f可見,[CH3CH2OH+D2O]+·(m/z66)經碰撞解離產生m/z46、48,其中m/z46為乙醇的分子離子峰,是由[CH3CH2OH+D2O]+·(m/z66)丟失D2O(20 u)得到,m/z48是其丟失碎片·OD(18 u)得到,與[CH3CH2OH+H2O]+·(m/z64)裂解情況相同。因此,本實驗驗證了水自由基陽離子與甲醇和乙醇相互作用生成[甲醇-乙醇+水自由基陽離子]復合物。

注:a.[CH3OH+H2O]+·的二級質譜圖;b.[CH3CH2OH+H2O]+·的二級質譜圖;c.甲醇與(D2O)2+·相互作用的質譜圖;d.乙醇與(D2O)2+·相互作用的質譜圖;e.[CH3OH+D2O]+·的二級質譜圖;f.[CH3CH2OH+D2O]+·的二級質譜圖圖3 甲醇-乙醇水自由基陽離子復合物的質譜圖Fig.3 Mass spectra of complexes of methanol-ethanol water radical cation

2.2 水自由基陽離子與甲醇相互作用的條件優化

以甲醇為實驗樣品,對毛細管溫度、兩通道出口端之間的角度、電暈放電電離電壓、針尖到質譜入口的距離等條件進行優化。毛細管溫度的優化結果示于圖4a。當溫度低于160 ℃時,m/z50峰的信號強度逐漸增強;當溫度高于160 ℃時,目標離子信號強度隨溫度升高呈下降趨勢。因此,設置毛細管最佳溫度為160 ℃。放電電壓的優化結果示于圖4b。在放電電壓為2～2.5 kV時,隨著電壓升高,m/z50離子信號強度升高較顯著;2.5 kV后變化不明顯。因此,后續實驗將放電電壓設置為2.5 kV。樣品通道與電離通道的角度會影響(H2O)2+·與樣品反應的效率,因此,探究了不同角度對目標信號強度的影響,結果示于圖4c,兩通道之間角度保持50°時,(H2O)2+·與樣品相互反應的效果最佳。針尖到質譜入口距離的優化結果示于圖4d,最佳距離為8 mm。

注:a.毛細管溫度;b.放電電壓;c.電離通道與樣品通道的夾角;d.放電針尖與質譜入口的距離圖4 實驗條件優化Fig.4 Optimization of experimental conditions

2.3 不同濃度甲醇及乙醇的定量檢測

以不同濃度的甲醇及乙醇溶液作為分析對象,繪制標準曲線,計算得到的檢出限(LOD)分別為0.011、0.004 mg/L,定量限(LOQ)分別為0.038、0.014 mg/L。不同濃度的甲醇(0.1～1 000 mg/L)與(H2O)2+·相互作用得到的目標離子強度標準曲線示于圖5a,相關系數為0.990 4,線性關系良好?；趍/z64繪制的標準曲線示于圖5b,結果表明,在0.1～2 000 mg/L范圍內,乙醇與(H2O)2+·相互作用生成復合物[CH3CH2OH+H2O]+·(m/z64)的信號強度與乙醇濃度具有較好的線性關系,相關系數為0.991 1。

圖5 甲醇(a)和乙醇(b)的標準曲線Fig.5 Standard curves of methanol (a) and ethanol (b)

2.4 實際酒類產品中甲醇及乙醇的檢測

將本方法用于定量檢測不同酒類(1種啤酒和2種白酒)中甲醇和乙醇的含量,未檢出酒類產品中含有甲醇,因此以乙醇作為分析對象驗證方法的可行性。啤酒A、白酒B和白酒C的指紋圖譜示于圖6,3種不同酒類樣品中均可檢測到目標離子峰m/z64、65,與乙醇標準品的目標峰一致,表明酒類產品中的乙醇可以與水自由基陽離子相互作用生成[CH3CH2OH+H2O]+·(m/z64)。3種酒精飲料中的乙醇含量分別為0.086 4、0.315 2和0.441 4 g/mL。其中,啤酒A中乙醇含量顯著低于白酒,白酒B中乙醇含量低于白酒C。

注:a.啤酒A;b.白酒B;c.白酒C圖6 不同酒類產品的質譜圖Fig.6 Mass spectra of different wine products

根據白酒實際度數,可計算出白酒B(度數為40°)、白酒C(度數為56°)中理論乙醇含量分別為0.315 6、0.441 8 g/mL。結果表明,采用基于水自由基陽離子方法檢測酒中乙醇含量與理論酒精度數高度吻合,準確度高達99.5%以上。

采用本方法對啤酒和白酒實際樣品中的乙醇進行加標回收實驗,結果列于表1。啤酒A與白酒B的回收率分別為116.06%、116.01%,表明采用常壓質譜法檢測實際樣品中乙醇含量的結果較準確。

表1 實際樣品檢測結果Table 1 Results of actual samples

3 結論

本文基于常壓電暈放電電離質譜技術,開發了一種快速檢測甲醇和乙醇含量的方法。通過電暈放電電離空氣中的水蒸氣制備大量的水自由基陽離子,并使其與甲醇和乙醇發生復合反應,實現了甲醇和乙醇的直接快速定性與定量分析。采用該方法快速篩查3種酒類產品中的甲醇、乙醇含量,結果表明,在樣品中未檢測出甲醇,乙醇的檢測結果與產品所標酒精度數高度吻合。該方法操作簡單、經濟環保、無需樣品前處理,對含水復雜體系中甲醇和乙醇的定量檢測具有指導意義。該方法同樣適用于其他醇類化合物的檢測,有望為食品領域等復雜體系中醇類化合物的快速分析檢測提供技術支持。