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表面解吸常压化学电离质谱法快速测定茶叶化学指纹图谱

第25卷第5期2008年5月

应用化学

CHINESEJOURNALOFAPPUEDCHEMISTRY

VoL25No.5

May2008

表面解吸常压化学电离质谱法快速测定茶叶化学指纹图谱

梁华正4陈焕文。如

(4东华理工大学应用化学系抚州344000;6吉林大学化学学院长春130021)

摘要采用自行研制的表面解吸常压化学电离源(SDAPCI),在无需样品预处理的前提下用质谱法直接测

定了庐山云雾、铁观音、祁门红茶和普洱茶4种茶叶的化学指纹图谱,并对咖啡因等化学成分用串联质谱进行

了鉴定。实验结果表明,直接利用空气中的水分作为电离试剂的表面解吸常压化学电离质谱(SDAPCI.MS)能

够对茶叶的挥发性及非挥发性物质进行解吸电离,可快速获得茶叶的特征化学指纹谱图。通过比较4种不同

类型茶叶的结果发现,4种不同茶叶的质谱指纹显著不同,SDAPCI.Ms图谱可以作为茶叶鉴别的参考依据;对

于同种茶叶而言,室温密闭存放3个月后4种茶叶的SDAPCI.MS图谱均未发生显著改变;在正常测定条件

下,SDAPCI.MS可以连续对茶叶样品进行测定,单个样品的测定时间<18。SDAPCI质谱法对茶叶样品无污

染。分析速度快。

关键词表面解吸常压化学电离质谱,茶叶,指纹图谱。快速检测

中图分类号:0656.2文献标识码:A文章编号:1000-0518(2008)0543519-05

研究表明,饮茶有益于健康H],茶饮料是世界上消费量最大的饮料之一。有关茶叶化学的研究多以某种成分如茶多酚[2“]、咖啡因[2’3’5】或香气成分[6’73等为对象,而以采用气相色谱‘7|、液相色谱[21、毛细管电泳及色谱质谱联用技术[2≯.7】等进行检测。近年来,近红外光谱[4]、核磁共振、人工感觉结合模式识别技术【8】、电子鼻技术[6]等方法的应用也偶见报道。但是色谱法、核磁共振法和普通的质谱法都要对茶叶样品进行烦琐、费时的预处理;电子鼻技术虽可以对样品进行非破坏性检测,但由于技术原因其应用受到一定的限制[9】。近红外光谱分析技术近年来在茶叶鉴别中也有较多应用,但其灵敏度和特异性还有待提高[4?10]。表面解吸常压化学电离质谱(SDAPCI.MS)¨1]综合了电喷雾解吸电离质谱(DESI—MS)无需样品预处理[12]和常压化学电离质谱(APCI.MS)灵敏度高的优点,可在常温、常压下对样品表面的痕量物质进行解吸化学电离,进行质谱分析。与DESI相比,SDAPCI检测的灵敏度有明显的改善[11l。本文将自制SDAPCI电离源耦合到LTQ线性离子阱质谱仪中,在无需样品预处理的情况下,对茶叶表面的化学物质包括挥发性成分进行了原位快速测定。

1实验部分

1.1仪器和试剂

LTQ.XL型线性离子阱质谱仪(美国Finnigan公司);表面解吸常压化学电离(SDAPCI)源(参照文献[11]自制);庐山云雾、铁观音、祁门红茶和普洱茶购于抚州市茶叶公司,所有茶叶均为当年新茶,购买后室温密闭存放,未作任何处理;咖啡因(Sigma公司);冰乙酸、正丁醇等其它试剂均为分析纯,实验用水为二次蒸馏水。

1.2质谱实验

放电针电压2.50kV,放电针尖至质谱人口毛细管的距离为5.omill。以湿度60%的空气作为反应气体,空气流速0.1L/min。质谱仪采用正离子检测模式,离子透镜及检测系统由LTQTune功能自动优化,其它条件为LTQ缺省条件。所获得的一级质谱图经过背景扣除,而二级质谱通过碰撞诱导解离反应(CID)获得,CID碰撞能量20%一30%。茶叶样品放置在擦镜纸上,平铺成1cm2厚度为3~5mm,茶叶表面离放电针尖端距离为2~5mm,进样时间为D.1—0.6min。

2007-06—13收稿,2007-.09-29修回

国家自然科学基金(20505003)资助项目

通讯联系人:陈焕文,博士,教授;E-mail:chw8868@gnlail.eom;研究方向:分析化学

 

520

应用化学第25卷2结果与讨论

2.1SDAPCI源的主要特点

表面解吸常压化学电离源(SDAPCI)充分结合了APCI和DESI的优点。在APCI中。待测物质必须转化成为不含基体的溶液后才能够被引入APCI进行电离。分析时,样品溶液从套有雾化气套管的毛细管引入,然后从毛细管末端喷出并被N:气流雾化,形成的细小液滴在加热蒸发器中被汽化,形成气态的中性分子被电晕放电进行电离,生产待测物离子。由于其汽化室的温度一般为450℃左右。因此不利于分析热稳定性差的样品。DESI.MS通过电喷雾产生带电的甲醇液滴,喷射到待测样品表面。对待测物进行解吸电离而达到检测的目的。但是,DESI灵敏度较低,难以在食品分析中广泛应用。在SDAPCI中,与DESI不同的是初级电离采用电晕放电而非电喷雾进行,因此能够获得比DESI更高的灵敏度。产生的初级离子与固体表面作用,因此SDAPCI可以分析复杂的固体表面,这点与APCI显著不同而与DESI类似。此外,不同的试剂或样品都可以方便地进行更换,采用电晕放电产生大量的试剂离子,因此它也具有灵敏度高、选择性好的优点,可以对液体样品或固体表面的待测物进行快速检测【11|。

2.2庐山云雾茶的SDAPCI.MS总离子流(TIC)谱图

按本文1.2节质谱实验方法对庐山云雾、铁观音、祁门红茶和普洱茶4种茶叶进行SDAPCI—MS检测,其中庐山云雾茶的总离子流图如图1口所示:图

1b为选择离子m/z212的离子流图。图1c为选择离

子m/z186的离子流图,图ld为选择离子m/z为

144的离子流图。由图1口可见,以质谱仪开始记录

数据时为0rain计算,进样时间从0.5min到

1.0min约0.5min,进样前总离子流基线较平稳,进

样后表现为信号强度的快速增大.然后稳定在一定

水平,进样结束时信号强度回到基线水平,信号强度

与进样有较好的相关性。图16、1c和ld反应了所

选择的3种离子m/z212、186和144信号强度与进样的相关性,与图1a总离子流相比,其基线更稳定,说明未进样时背景中这2种离子含量较低。

2.3不同茶叶的SDAPCI.MS化学指纹谱图及分析

Time/rain

图1庐山云雾茶的SDAPCI.MS总离子流图

Fig.1TICofSDAPCImassspectraof

LuShanYunWutea

绿茶类的庐山云雾,属不发酵茶,青茶类的铁观音为半发酵茶,红茶类的祁门红茶,为全发酵茶,黑茶类的普洱茶属后发酵茶。图2为4种茶叶的SDAPCI.MS谱图。图中可见,4种茶叶的SDAPCI—MS谱图既有相同之处,也有明显的差异。相同之处在于4种茶叶均有较明显的m/z212、186、172、144、118和92等信号,不同之处在于4种茶叶共有信号的强弱有所不同,如庐山云雾、祁门红茶和普洱茶中m/z212、172、144信号较强,而铁观音m/z212、172、144信号相对较弱:铁观音和祁门红茶中m/z195、149、135信号较强,而庐山云雾和普洱茶m/z195、149信号较弱,甚至未见明显的m/z135信号:铁观音中有明显的m/z223信号,而其它茶叶中未发现。本文对4种茶叶进行6次重复测定。结果上述特征均能很好地重复,说明SDAPCI.MS谱图能在一定程度上反应茶叶的化学指纹特征。SDAPCI.MS可在无需样品预处理的条件下快速测定茶叶的化学指纹图谱,从而避免了色谱指纹图谱烦琐的提取、分离步骤,这对于茶叶的快速鉴别及质量分析有一定的实际应用价值。

由4种茶叶的SDAPCI.MS谱图可看出,SDAPCI.MS既能检测到茶叶的挥发性成分,如丁醇(m/z92,M++H:o)、香叶醇(m/z172,M+4-H:O)等,又可检测到茶叶非挥发性成分,如咖啡因(m/z195,MH+)等。分析其原因可能在于SDAPCI电离源是以含水蒸汽的空气为反应气,空气中的水分子及其他中性分子经高压放电针的放电而发生电离,产生大量H,O+、Nf、Of离子,这些离子一方面与茶叶表面的物质作用;另一方面也能与茶叶的挥发性成分发生作用。当H,O+与茶叶表面的咖啡因等物质作用时,由于咖啡因为强碱性物质,与质子结合能力强,所以主要产生质子化的分子离子(MH+)[131。若待测 

第5期粱华正等:表面解吸常压化学电离质谱法快速测定茶叶化学指纹图谱521

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图24种茶叶的SDAPCI.MS谱图

Fig.2SDAPCImassspectraoffourkindsoftea

o.LuShanYunWu;b.TieGuanYin;c.QiMenHongCha;d.PuErCha

物在气相中的碱性较弱。则结合质子的能力较弱.因

此可能形成自由基阳离子【l3l。在实验中SDAPCI源中的水蒸气含量很高,导致该自由基阳离子能够跟中性水分子结合,形成(M++H,O)离子,如本实验中所检测到的丁醇和香叶醇的水合自由基阳离子可能是由于N,、Of离子与挥发性的丁醇和香叶醇气体分子发生电荷转移反应而生成,为证实这一推测,实验中分别采用丁醇和香叶醇的分析纯试剂进行SDAPCI—MS实验。图3为正丁醇的SDAPCI.MS谱图。图中可见,在SDAPCI.MS条件下正丁醇主要形成水合自由基阳离子(m/z92,M++H,O),还有一丰度较小的m/z149(2M+H+)信号,这一结果与上loo.

9:

79●

。【…17149

2060loo140180

用/z

图3正丁醇的SDAPCI.MS谱图Fig.3SDAPCIltllasfl,spectrumof1一butanol

述分析相符合,也与所报道[il]的在SDAPCI中观测到极性物质自由基阳离子的结果一致。

2.4茶叶化学成分的二级串联质谱(MS2)分析

SDAPCI—MS对茶叶进行在线检测所得质谱图中。所获得的质谱峰m/z主要分布在80~320范围内,4种茶叶的质谱图均有较丰富的质谱峰。有关茶叶香气(挥发性物质)的化学成分及非挥发性物质成分的研究较多,已鉴定超过600种与茶叶香气相关的挥发性物质,茶叶中提取的香精油99.9%以上的化合物已被鉴定【141。本文目的在于研究新型电离源SDAPCI对茶叶挥发性与非挥发性化学成分的快速检测,考察其对茶叶表面化学物质的解影电离能力,故只选取了m/z195和m/z172等几种成分进行二级质谱鉴定。

图4为m/z195物质的二级质谱图。由图4可以看出,母离子195经碰撞诱导裂解(CID)后产生的主要碎片离子为138和110,其裂解机理见图4,经标准品对照后确认该m/z195为咖啡因。这一结果与Michael等【51报道的结果一致。另外,由图2可以看出,铁观音和祁门红茶有较强的m/z195信号,而庐 

522

应用化学第25卷山云雾和普洱茶中m/z195信号较弱,说明铁观音

和祁门红茶茶叶表面的咖啡因含量高于庐山云雾和普洱茶。

图5为m/z172物质的二级质谱图。由图5可以看出。母离子172经碰撞诱导裂解(CID)后产生的主要碎片离子为154、144和157等,推测其裂解机理为:由于母离子172为自由基阳离子与水的加合物M++H,O。这种加合物形式的离子在SDAPCI电离源对挥发物电离过程中较常见,特别对于脂肪醇类挥发性化合物,M++H,0经常以基峰(100%)形式出现。M++H:0在CID裂解后丢失H:0生成M+(m/z154)和丢失C一---O后生成m/z144的离子,100

l:8

●195

O,"/z138

H蝴’

CH,

195‘8911011......

m/z

图4咖啡因m/z195的MS2谱图Fig.4SDAPCI—MS/MSspectrumofm/z195

同时M++H20还可以丢失CH3后得到m/z157的离子。另外,M++H20也可以丢失CH2一CH---CH3后得到m/z130的离子。因此初步确认,m/z172可能为香叶醇的水合自由基阳离子。

.CH,

1劓154

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57

160172

一.挈一平一111613J.0143JI1

m/z

图5香叶醇m/z172的MS2谱图

Fig.5SDAPCI—MS/MSspectrumofm/z172100

…7jf6778黜[毪132五:线k.。J..~一I.I.^L.

2.5茶叶存放时间对SDAPCI.MS谱图中化学成分的影响

本文还对在室温密闭存放90d后的上述4种茶叶进行了SDAPCI—MS检测。结果表明,茶叶SDAPCI—MS谱图未发生显著改变,只是质谱图中少部分峰有差异,如庐山云雾m/zl18和92信号强度有所减弱:铁观音和卒lh'-I红茶的m/z149、135和92信号有所减弱,但铁观音的m/z186信号相对增强;祁门红茶的m/z108信号相对增强:普洱茶的m/z116和92信号有所减弱,但m/z112信号相对增强,如图6所示。分析其原因可能在于易挥发的小分子物质经较长时间的存放后容易丢失,而非挥发性成分如咖啡因等则表现相对稳定。

2.6SDAPCI.MS对茶叶样品的分析速度

LTQ线性离子阱质谱仪全谱扫描的最短时间为0.001ms,为提高检测灵敏度和信号稳定性,本文设定扫描时间为100ms。CID碰撞解离时间为30。50ms,即使对每个样品进行串联质谱研究,单个样品的测定时间<1s,因此SDAPCI.MS特别适合对批量样品进行快速检测。

由于SDAPCI电离源不需要使用高压气体。非常适合在小型质谱仪上使用。可以预见,随着质谱仪的小型化和质谱手段应用的普及。由于SDAPCI电离源无需样品预处理、测定速度快、无毒无污染等特点,必将在食品、药品等质量控制和现场检测方面发挥重要作用。

参考文献

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锦秀园茶场位于浙江省北部著名中国竹乡、一代书画大师吴昌硕的故里、黄浦江源头安吉县。锦秀园始创于上世纪90年代初,集产、供、销于一体,自己茶园总占地面积300余亩,拥有递铺县白茶基地,龙井基地等,作为浙江茶叶市场,他有着独天独厚的环境、气候等优势。

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安吉白茶是一种非常特异的品种,是大自然赐予人类的珍贵物种。由于这种茶叶绿素含量低,氨基酸含量高,且茶多酚含量又较少,因此,有利于提高成品绿茶的香气和鲜爽度。加之,安吉白茶的嫩芽叶,色泽莹白,制成干茶后色泽黄绿。开汤后芽叶色泽莹白,香气高爽,滋味鲜醇,当为其他绿茶无与伦比。所以,说安吉白茶是“绿茶之王”是有根据的。安吉白茶含有较高的氨基酸,氨基酸含量高达10.6%,含量为常茶的2-5倍以上,其中茶氨酸含量接近常茶的氨基酸总量。特别是高含量的茶氨酸,有利于血液免疫细胞促进干扰素的分泌,从而提高人体抵抗外界的侵害力。所以,饮绿茶有利身体健康,那么常饮安吉白茶,更能提高人体的免疫力,其作用之大,是常茶所不能比的。南方嘉木秀,安吉白茶奇。安吉白茶是珍稀茶树良种,全国独有,世所罕见。北宋皇帝宋徽宗《大观茶论》称白茶为茶中珍品,无与伦比,“非常茶”。安吉白茶其形如凤羽,茎翠叶白,色如玉霜;其汤色鹅黄,甘甜清澈,香气馥郁,营养丰富,是理想的保健饮料。安吉白茶清、雅、洁极契合中国茶文化之精神。安吉白茶集观赏、营养、保健于一身,无愧于茶中奇葩、绿茶之王。20世纪中叶,一蓬树龄逾千年的古白茶树在清茶峻茂、环境优美的深山林间被发现,经过科技人员近二十年的潜心研究、繁育和开发,安吉白茶已“一株茶树兴了一方产业”。目前安吉已发展白茶面积2.5万余亩,产量150吨,产值1.5亿元。10万多人从事白茶产业。近年来,安吉白茶以其独特外形、优良的品质和规范的行业管理,连续在国内外获得名优茶特等奖、金奖。2004年被国家质监总局获准原产地域产品保护。同年被浙江省人民政府授于浙江省十大名茶,同时其丰富的安吉特产供应链也十分完善受到大众的青睐。

https://www.wendangku.net/doc/f912476236.html,安吉锦绣园

第5期梁华正等:表面解吸常压化学电离质谱法快速测定茶叶化学指纹图谱523

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(4DepartmentofAppl&dChemistry,EastChinaInstituteofTechnology,Fuzhou344000;

6CollegeofChemistry,JilinUniversity,Changchun130021)

AbstractAnewsurfacedesorptionatmosphericchemicalionizationmassspectrometry(SDAPCI—MS)methodwasestablishedtodirectlyfingerprintvariousteaproductswithneithersamplepre—treatmentnortoxicchemicalcontamination.Fourteaproducts,LuShanYunWu,TieGuanYin,QiMenHongCha,andPuErCha,weresuccessfullyanalyzedbasedontheiruniquemassspectralfingerprints.Theidentificationofthemolecularstructureofinterestedionswagdemonstratedbymultiple-stageSDAPCImassspectrometry.TheSDAPCIspectralfingerprintsofthefourteaproductsdidnotchangesignificantlyaftertheywerestoredforthreemonthsatroomtemperature.TheanalysistimeWaslessthan1Sforanysinglesample,andSDAPCI-MSCallbeoperatedonlinecontinuously.Clearly.SDAPCI—MSwithwatervaporintheatmosphere鹪ionizationreagentcandetectbothvolatileandnon-volatilechemicalsfromteaproductsurfacesatambientpressure,showingitspotentialinfastandnondestructiveanalysisofbulksamples.

Keywordssurfacedesorptionatmosphericchemicalionizationmassspectrometry,tea,massspectralfinger-print,rapidnondestructiveanalysis

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