Времяпролетная масс-спектрометрия с импульсным тлеющим разрядом для прямого определения летучих органических соединений в воздухе, азоте и аргоне. Процессы ионизации летучих органических соединений

Abstract

Определение летучих органических соединений (ЛОС) в различных газах, в том числе в атмосферном и выдыхаемом человеком воздухе, требуется для решения широкого круга экологических задач, контроля состава различных газов и все шире применяется для диагностики различных заболеваний. В последнее время быстро развиваются методы мягкой ионизации с минимальной фрагментацией компонентов. В частности, нашей научной группой развивается подход к прямому анализу смесей ЛОС с помощью времяпролетной масс-спектрометрии импульсного тлеющего разряда. Ранее не сравнивали влияние на процессы ионизации различных газов и газовых смесей. В связи с этим в настоящей работе исследованы механизмы ионизации ЛОС в аргоне, азоте и воздухе. В качестве модельных ЛОС выбраны толуол, п-ксилол, хлорбензол и 1,2,4-триметилбензол. Проведена оптимизация параметров микросекундного импульсного тлеющего разряда (период и длительность разрядного импульса, задержка выталкивающего импульса, давление в разрядной ячейке) для каждого соединения и газовой смеси нескольких ЛОС. Преобладающими механизмами ионизации являются образование молекулярного иона ЛОС с помощью Пеннинговской ионизации и реакция с переносом протона, при этом для разных газов их влияние различно. Показано, что использование аргона даже с небольшой добавкой воды приводит к преобладанию реакции переноса протона, тогда как в азоте и воздушной смеси преобладает Пеннинговская ионизация. В оптимизированных условиях в воздухе, для которого были достигнуты наибольшие интенсивности ЛОС, проведена апробация разработанного подхода для анализа выдыхаемого человеком воздуха и проб атмосферного воздуха.

Determination of volatile organic compounds (VOCs) in various gases, including atmospheric and exhaled human air, is required to solve a wide range of environmental problems, control the composition of various gases and is increasingly used for diagnosis of various diseases. Lately, methods of soft ionization with minimal fragmentation of the components have been rapidly developed. In particular, our research group is developing an approach to direct analysis of mixtures of VOCs using time-of-flight pulsed glow discharge mass spectrometry. Previously, the effects of different gases and gas mixtures on ionization processes were not compared. Therefore, the ionization mechanisms of VOCs in argon, nitrogen, and air were investigated in the present work. Toluene, p-xylene, chlorobenzene and 1,2,4-trimethylbenzene were chosen as the model VOCs. Optimization of microsecond pulsed glow discharge parameters (period and duration of the discharge pulse, repelling pulse delay time and pressure in the discharge cell) for each compound and a gas mixture of several VOCs was carried out. The predominant ionization mechanisms are the formation of a VOC molecular ion by Penning ionization and the proton transfer reaction; their influence being different for various gases. It is shown that the use of argon even with a small addition of water leads to the predominance of the proton transfer reaction, whereas in nitrogen and air the Penning ionization predominates. The maximum VOC intensities were achieved in air, and the developed approach was tested under optimized conditions for the analysis of exhaled air and ambient air samples.