利用电喷雾激光解吸离子化质谱技术监测纳米二氧化钛催化的光化学反应

《Analytica Chimica Acta》：Monitoring photochemical reactions catalyzed by nano-titanium dioxide using electrospray laser desorption ionization mass spectrometry

实时监测纳米TiO?催化光降解反应中染料（亚甲基蓝、罗丹明6G）和蛋白质（细胞色素c）的分解过程，采用电喷雾激光解吸电离质谱法（ELDI-MS）直接分析复杂悬浮液，无需预处理。方法通过激光解吸去除颗粒干扰，结合电喷雾电离实现多极性化合物的高效检测，验证了其在光催化反应动态追踪中的可行性。

　　

黄民宗|梁心慧|李志扬|林书瑶|吴春梅|谢仁泰

台湾国立中山大学化学系，高雄804

摘要

背景

电喷雾激光解吸离子化质谱（ELDI-MS）是一种两步环境电离方法，能够有效分析富含颗粒的样品。在ELDI-MS中，分析物首先通过激光解吸与样品基质分离，然后在电喷雾喷雾中发生后续电离，最后由质谱仪检测。该方法的主要优势在于能够最小化基质干扰，因为分析物在电离之前就已经被解吸。这一特点对于监测含有高浓度二氧化钛纳米颗粒（nano-TiO₂）的光化学反应特别有用。

结果

使用ELDI-MS实时监测了由nano-TiO₂催化的光化学反应。这些反应在反应容器中由nano-TiO₂和紫外线（UV）光引发。样品溶液通过毛细作用被吸入不锈钢管尖端，并暴露于脉冲激光下。激光使分析物和微滴解吸，随后在管上方的电喷雾喷雾中与带电微滴相互作用，生成用于质谱检测的分析物离子。ELDI-MS被用于追踪在TiO₂纳米颗粒存在下，两种工业染料——吖啶橙和罗丹明6G——在紫外线光下的降解过程。所得质谱图显示了染料反应物的逐步N-脱甲基化过程。对于细胞色素c，质谱图显示在紫外线光和nano-TiO₂存在下，形成了高电荷的变性蛋白质。

意义与创新性

ELDI-MS已被证明是一种有效的实时工具，可用于监测由nano-TiO₂催化的光化学反应。该技术无需任何预处理即可直接分析复杂的液体样品，从而能够快速连续地检测反应物、中间体和产物。这些发现表明，ELDI-MS是一个简单、便捷且稳健的平台，可以实时监测反应过程并深入了解其机制，而无需进行样品制备。

引言

光化学反应在科学研究、开发以及实际应用（如环境修复）中起着重要作用。[1]、[2]、[3] 例如，工业染料（如吖啶橙和罗丹明6G）造成的环境污染可能对健康构成严重威胁，因此将这些污染物光降解为危害较小的物质是一项关键任务。因此，监测光化学反应并理解其机制非常重要，这可以通过识别反应产物和中间体来实现。

已有多种分析方法用于监测光化学反应的进展，包括光谱学、电化学和质谱法。[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10] 在这些方法中，质谱法在分析光化学过程方面具有独特优势。与光谱学和电化学方法相比，质谱法具有更强的分析能力，能够实时检测反应物、产物和中间体，并提供分析物的结构信息。例如，电喷雾离子化质谱（ESI-MS）被用于在线分析有机溶液中的光取代产物（如乙腈中的Ru(II)二亚胺复合物），并报道了通过光解形成的溶剂配位的Ru(II)复合物离子。[4] 膜引入质谱（MIMS）被用于在线监测苯乙酸和3,5-二甲氧基苯乙酸的光解过程。该研究表明，相对光解速率取决于溶剂类型，且光解过程通过离子和对离子中间体进行。[5] ESI-MS被用于实时监测甲醇中异噁唑吩的光解反应。该方法允许同时追踪母体物种和相关反应产物，从而可以使用伪一级近似进行动力学建模。[6] ESI-MS还被用于监测二氧化钛（TiO₂）和紫外线（UV）照射下磺胺蓝（SB）染料的降解过程。鉴定并表征了五种中间体，揭示了逐步的N-脱乙基化路径，最终形成N-脱乙基化的SB染料。[7]

传统分析技术（如液相色谱（LC/MS）和气相色谱（GC/MS）在监测颗粒催化的光化学反应时面临挑战。[7]、[11] 随着反应的进行，反应溶液中会出现颗粒物质，这使得直接分析变得困难，通常需要额外的时间和劳动，并可能引入变异性或分析物损失，从而降低实时监测的准确性。此外，许多光化学反应是在有机溶剂（如二甲基亚砜（DMSO）和四氢呋喃（THF）中进行的，这些溶剂会不利地影响电喷雾离子化（ESI）等技术的电离效率。[12]、[13] 光化学反应样品中的有机溶剂和其他基质成分常常会导致质谱分析中的信号抑制或失真，从而复杂化反应中间体或产物的直接定量。此外，样品中的颗粒物质和未溶解的固体可能导致质谱管和接口堵塞，降低整体电离效率并影响离子信号的稳定性和可靠性，进一步妨碍光化学反应的准确实时监测。因此，克服基质效应并调整分析接口以适应富含颗粒的样品和复杂的溶剂系统对于实时监测许多光化学反应至关重要。

环境电离质谱（AIMS）作为一种变革性的分析方法，相较于传统的质谱和色谱方法具有显著优势，尤其是在几乎不需要或完全不需要样品制备的情况下仍能保持稳健性。[14]、[15]、[16] 通过最小化样品预处理实现直接分析，AIMS可以实时监测化学反应，快速灵敏地检测反应物、产物和中间体，为反应机制和动力学提供关键见解。这一创新通过结合实时采样、直接分析和快速检测方法与质谱技术，彻底改变了化学反应监测领域。[17]、[18]、[19]、[20]

AIMS包括多种针对特定分析需求定制的电离方法。基于ESI的AIMS技术，如解吸电喷雾离子化（DESI）、电喷雾辅助激光解吸离子化（ELDI）和重力采样电喷雾离子化（GS-ESI），特别适用于分析中等到高极性化合物。[21]、[22]、[23] 另一方面，基于大气压化学电离（APCI）的AIMS技术，如实时直接分析（DART）、低温等离子体（LTP）和热解吸电喷雾离子化（TD-ESI），在检测低极性和挥发性物种方面表现出色。[24]、[25]、[26] 这些多样的电离方法使得AIMS能够应用于广泛的化学反应，包括缩合、加成以及Tr?ger碱等复杂结构的形成。[17]、[18]、[19]、[20]、[27]、[28]、[29]

在基于ESI的AIMS技术中，ELDI具有关键的分析特性，有助于成功检测来自颗粒光催化反应溶液的分析物离子信号，使其非常适合实时监测反应过程。[30] (1) 作为一种两步环境电离技术，ELDI通过激光解吸将分析物与样品基质分离，解吸后的分析物在电喷雾喷雾中发生后续电离，然后由质谱仪检测。因此，ELDI-MS是一种高度稳健的技术，可以避免颗粒和溶剂对电喷雾喷雾中分析物离子形成的干扰。(2) 由于ESI和APCI过程都可能发生在分析物离子形成过程中，ELDI-MS可以检测极性和分析物。此外，激光解吸具有更短的加热时间和更高的温度，使得ELDI-MS能够分析高极性或高分子量的化合物。(3) ELDI-MS无需繁琐的样品制备即可直接检测分析物。因此，ELDI-MS可以分析多种水性和有机溶剂（如甲醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、甲苯和正己烷）。[30] (4) ELDI-MS表现出优异的重现性，运行内相对标准偏差（RSD）低至9.44%，不同操作者之间的RSD低于15%。该技术在毒素定量方面也表现出优异的线性，R²值在10 ppb到10 ppm范围内高于0.995，与LC-MS/MS分析结果非常接近。[31] 此外，ELDI-MS的检测限约为10^-6 M，对于FD&C红染料的浓度范围（10^-3至10^-6 M），其校准曲线呈线性。[32]

本研究的目的是探讨ELDI-MS是否可以在无需样品预处理的情况下检测化学反应溶液成分的变化。在本研究中，使用ELDI-MS实时监测了由nano-TiO₂催化的光化学反应，涉及三种已知物质：工业染料吖啶橙和罗丹明6G以及蛋白质细胞色素c。[33]、[34]、[35]、[36] 我们旨在通过观察每次反应中不同时间点的反应产物或蛋白质结构变化，更好地理解这些分析物的光降解过程。

章节片段

化学品和材料

甲醇（LC-MS级，纯度≥99.9%）购自J.T. Baker（美国），醋酸（ACS级，纯度≥98%）来自Honeywell Fluka（美国）。超纯水（电阻率18.2 MΩ·cm）使用PURELAB Classic系统（ELGA，英国）制备。纳米级二氧化钛粉末（nano-TiO₂，粒径<100 nm，比表面积：15 m²/g，纯度：99.9%）、吖啶橙盐酸盐水合物、罗丹明6G和牛细胞色素c均来自Sigma-Aldrich

监测TiO₂催化的吖啶橙光降解

作为反应催化剂，nano-TiO₂和紫外线光可以提高光催化反应的效率，从而分解有机分子或污染物，在废水处理和污染物去除中具有应用价值。紫外线光提供能量激发nano-TiO₂中的电子，生成电子-空穴对，驱动许多光化学过程中的关键氧化还原反应（例如活性氧物种的形成）。

结论

ELDI-MS是一种有价值的工具，可用于快速定性分析和实时表征化学化合物，以及监测nano-TiO₂催化的光化学反应。该方法有效减少了颗粒和溶剂的干扰，适用于富含颗粒的样品，如nano-TiO₂悬浮液。由于同时发生类似ESI和APCI的过程，ELDI-MS可以检测极性和分析物。短时间的高温激光解吸步骤也有助于

CRediT作者贡献声明

梁心慧：研究、数据管理。林书瑶：研究。李志扬：正式分析。黄民宗：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学。谢仁泰：撰写 – 审稿与编辑，监督。吴春梅：研究

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了NSYSU-KMU联合研究项目（NSYSUKMU 114-I02）、台湾国家科学技术委员会（NSTC 113-2113-M-110-002-）、高雄医科大学精密环境医学研究中心的支持，该中心属于教育部（MOE）的高等教育Sprout项目下的特色领域研究计划，以及高雄医科大学的研究中心资助。