植物排放的挥发性有机物如何检测？在线质谱仪轻松解决

1 引言

　　绿色植物是自然界生态系统中重要的组成部分，它一方面从环境中吸收 CO₂，进行光合作用形成自身所需的有机物，放出O₂，另一方面，也向环境中释放微量的挥发性有机物(Volatile organic compounds.VOCs)。全球每年非甲烷挥发性有机物排放中 90% 以上来源于植物排放异戊二烯(2-甲基-1，3丁二烯)、萜烯类化合物的排放约占全球非甲烷挥发性有机物总排放的 1/2，这使得它成为单一和最大的进入大气的 VOCs 排放源。

　　植物排放的 VOCs 对大气物理、化学过程及调节地球上气候变化等方面都具有关键作用。植物排放VOCs 的机理较复杂而且受到植物的生理特性、环境因子、外界干扰等因素影响。研究植物排放VOCs 规律对于揭示植物生理特性、植物与大气环境相互作用的机制等具有重要意义。目前研究植物排放 VOCs主要依靠传统的离线检测方式即采样后进行检测样品在长时间运输过程会造成组分变化.而且受采样容器(如气袋)吸附作用等因素影响，造成检测结果偏差，不能很好地反映植物的生理特性。因此，建立一种在线的检测方法，实时检测植物排放的 VOCs，对于植物特性及大气化学等研究都具有重要意义。

　　利用线质谱仪分别对高温烘烤、长时间密封保存、机械损伤等处理过的松科松属马尾松(Pinus Massoniana L.)样品排放的 VOCs与新鲜样品进行对比检测考察温度度机械损等因素对该种植物排放 VOCs影响。通过户外移动测试实现了对敞开环境中原位植物排放 VOC的实时检测。

2 实验部分

2.1仪器与试剂

SPIMS-1000 挥发性有机物在线检测质谱仪(广州禾信分析仪器有限公司)主要包括膜进样系统单光子电离源、飞行时间质量分析器、数据采集系统及供电系统，仪器原理、构造、尺寸已做过详细报道，该仪器对于常见VOCs 的检出限可达到ug/m³级。整机示意框图见图1。采用1 L/min 的抽气泵取样直接检测实验中仪器调节为单光子电离模式所得谱图信号为分子离子信号。仪器各电压参数设置见表 1。

图1 VOCs 在线检测质谱仪示意框图

表1 VOCs在线检测质谱仪示意框图

2.2实验方法

1.马尾松样品处理 取新摘取的马尾松带叶枝条.分为 4 份(A、B、C、D)各约5g；将4 份叶分别放入4个150mL维形瓶内，并用特制橡胶塞密封保存。A密封保存5min；B置人烘箱在 200C下烘烤5min； 密封保存1h；D用断枝叶处理后放人形瓶内密封保存5 min。利用内径为3mm的四管联通形顶空气体和在检测质谱仪进样系统由气阀控制开闭，利用抽气泵抽取锥形瓶顶空气体进样检测。考察温度、湿度及机械损伤对马尾松样品释放VOCs的影响。

　　2.原位植物检测方法 将在线检测质谱仪移动至户外测原位植物排放 VOCs。将仪器进样口置于灌木从中，通过抽气泵进样，敞开环境下分别对其枝叶破坏前、后排放的 VOCs 进行在线检测观察其释放组分的变化情况

　　3 结果与讨论

　　3.1 温度的影响

　　图2A 为新鲜马尾松枝叶(A 样品)排放 VOCs 检测质谱图。从图中可明显看出单萜(m/z 136)的信号为最强峰。单萜是 C10 碳氢化合物，与异戊二烯一样，都是由甲羟戊酸途径产生，包括从乙酰辅酶A合成焦磷酸异戊烯酯(IPP)和二甲烯丙基焦磷酸(DMAPP)的过程IPP 和DMAPP 通过异戊烯转移酶形成牻牛儿基焦磷酸(GPP），再在单萜环化酶的作用下产生单萜。

图2B 为经高温烘烤马尾松枝叶(B 样品)排放的 VOCs 检测质谱图。由图2B 可见单组分的释放量明显下降，是由于在高温下各种酶的活性降低，使得单萜的合成量及释放量急剧下降。经过高温烘烤，随着叶温的升高异戊二烯释放以指数形式增加，达到最大值后下降，这可能是叶片受到破坏和酶失活的结果。只有在温暖的条件下，完全展开的叶子才能够被诱导产生异戊二烯，并且温度每升高10℃异戊二烯的释放量增加 8 倍；大多数温带和热带植物在 40℃左达到最大释放量，而在更高的温度下的释放率急剧下降。因此在常温状态下未检测异戊二烯(m/z 68)的信号(图2A)。高温烘烤后，明显检测出异戊二烯(m/z 68)，且植物排放 VOCs 的种类明显增多，可能是由于高温将植物表皮细胞等破坏，原本储藏在植物体内的各种成分均不同程度地溢出。马尾松枝叶经高温烘烤后明显检测出丙酮(m/z 58)、苯、1，3-己二烯-5-炔(m/z 78)、3-酮己烷、2-甲基戊烷(m/z 86)等物质

3.2 湿度的影响

　　图2C 为马尾松枝叶密封保存1h后(C 样品)检测质谱图。实验表明经过长时间密封保存存放马尾松枝叶由于呼吸作用产生大量水分，在锥形瓶内壁上形成小水珠，此时瓶内湿度大大增加，而植物排放的樟脑类物质(m/z 152)等的释放量随着湿度的增加而提高，所以图 2C 中可以明显看到m/z 152 的峰，另外也有长时间积累效果的影响。有研究表明，叶片周围湿度的变化对其单物质的释放的影响不一致，对异戊二烯的释放影响很小。图 2B 中 m/z 136 和 m/z 68 的峰强度明显比图2A低，是由于长时间的密封保存，锥形瓶内积累的单萜部分溶于水或发生变化，其含量降低，而异戊二烯明显出峰；另外，m/z 76 明显出峰，推测是由于大量的丙酮与H₂O结合造成。

图2 马尾松枝叶样品（A，B，C，D)检测质谱图

表2 马尾松排放的主要VOCs列表

3.3 机械损伤的影响

　　图2D 是马尾松枝叶机械损伤后(D 样品)的质谱图。在马尾松枝叶排放的 VOCs 中，以单萜(m/z 136)为主，叶片等受到大面积机械损伤后，VOCs 的排放量大大提高，且明显检测出(Z)-3-己烯醛(m/z 98)等物质。植物在受到胁迫与伤害时，会大量排放(Z)-3-己烯醛等羰基化合物。(Z)-3-己烯醛是通过亚麻酸的过氧化过程合成的。亚麻酸是植物细胞中最普遍的一种脂肪酸，其氧化产物包括H₂O₂，己烯醛、己烯醇和乙酸己烯酯。大多数植物都含有产生C6醛 和C6醇所必须的酶。在正常情况下植物只释放少量的己烯醛与己烯醇；但是，机械损伤造成细胞破裂使酶和底物混合，C6醛和C6醇会大量合成并释放出来。机械损伤诱导植物产生的挥发性成分简单，且只能维持较短时间，而某些植物当受到害虫侵害时，其释放的挥发性物质种类及含量会发生变化，并通过此种方式来抵御害虫的进一步伤害。

马尾松(Pinus Massoniana L.)主要排放的VOCs物质列于表2，与文献报道植物的排放VOCs种类基本一致，植物排放 VOCs 的种类、排放量，不同种类植物在不同生长期、不同部位等释放 VOCs 的组分和含量也有所不同。

　　3.4 原位植物排放VOCs的在线检测

　　利用在线检测质谱仪检测室外敞开环境中的原位植物排放 VOCs，检测对象排放的异戊二烯(m/z 68)、己烯醛(m/z 98)和单萜(m/z 136)离子信号变化如图3 所示。

图3 异戊二烯(m/z 68)、己烯醛（m/z 98）、单萜（m/z 136）信号变化曲线

在170~220s，将取样管路放入茂密的灌木从中，明显检测出植物排放的单萜(m/z 136），而异戊二烯(m/z 68)的释放量较小，信号应不明显；随后将取样管远离植物，空气进样，各离子信号响应下降；380~450s，将取样口置于灌木丛中，并将进样口的叶片破坏，图3中植物机械损伤后m/z 98离了强度足明显上升趋势，说明(Z)-3-己烯醛被迅速合成，而后被立即释放，并且释放量很快达到最大，之后释放速率急剧下降。据报道，在(Z)-3-己烯醛下降的同时，它的异构体(E)-2-己烯醛和己醇也会出现，但较未损伤前的释放量小，可能是因为植物为平衡自身合成物质需要造成。敞开环境中检测植物排放VOCs，在一定程度上受到环境因子的影响，但结果可以反映出植物生理特性变化的趋势:植物受到机械损伤后，合成并释放出特异性物质如己烯醛等物质，排放的 VOCs 组分、含量也会受到一定影响。

　　本研究利用在线检测质谱仪对马尾松枝叶新鲜状态、高温烘烤、长时间密封保存、机械损伤等条件下排放的 VOCs 尚不明确，另外损伤后的灌木异戊二烯(m/z 68)的释放量呈增加趋势单萜(m/z 136)显现出缓慢增加趋势，进行了对比检测，其排放的主要物质为异戊二烯和单萜，以及一些基化合物，从侧面反映了马尾松植物在不同环境因子下的生理特性。利用该仪器实现了敞开环境中原位植物排放 VOCs 的在线检测。计划建立在线仪器定量检测方法，以期能够实现实时、在线监测植物 VOCs 的排放量为研究植物释放 VOCs 提供更有价值的检测方案。