植物排放的揮發性有機物如何檢測？在線質譜儀輕松解決

1 引言

　　綠色植物是自然界生態系統中重要的組成部分，它一方面從環境中吸收 CO₂，進行光合作用形成自身所需的有機物，放出O₂，另一方面，也向環境中釋放微量的揮發性有機物(Volatile organic compounds.VOCs)。全球每年非甲烷揮發性有機物排放中 90% 以上來源于植物排放異戊二烯(2-甲基-1，3丁二烯)、萜烯類化合物的排放約占全球非甲烷揮發性有機物總排放的 1/2，這使得它成為單一和最大的進入大氣的 VOCs 排放源。

　　植物排放的 VOCs 對大氣物理、化學過程及調節地球上氣候變化等方面都具有關鍵作用。植物排放VOCs 的機理較復雜而且受到植物的生理特性、環境因子、外界干擾等因素影響。研究植物排放VOCs 規律對于揭示植物生理特性、植物與大氣環境相互作用的機制等具有重要意義。目前研究植物排放 VOCs主要依靠傳統的離線檢測方式即采樣后進行檢測樣品在長時間運輸過程會造成組分變化.而且受采樣容器(如氣袋)吸附作用等因素影響，造成檢測結果偏差，不能很好地反映植物的生理特性。因此，建立一種在線的檢測方法，實時檢測植物排放的 VOCs，對于植物特性及大氣化學等研究都具有重要意義。

　　利用線質譜儀分別對高溫烘烤、長時間密封保存、機械損傷等處理過的松科松屬馬尾松(Pinus Massoniana L.)樣品排放的 VOCs與新鮮樣品進行對比檢測考察溫度度機械損等因素對該種植物排放 VOCs影響。通過戶外移動測試實現了對敞開環境中原位植物排放 VOC的實時檢測。

2 實驗部分

2.1儀器與試劑

SPIMS-1000 揮發性有機物在線檢測質譜儀(廣州禾信分析儀器有限公司)主要包括膜進樣系統單光子電離源、飛行時間質量分析器、數據采集系統及供電系統，儀器原理、構造、尺寸已做過詳細報道，該儀器對于常見VOCs 的檢出限可達到ug/m³級。整機示意框圖見圖1。采用1 L/min 的抽氣泵取樣直接檢測實驗中儀器調節為單光子電離模式所得譜圖信號為分子離子信號。儀器各電壓參數設置見表 1。

圖1 VOCs 在線檢測質譜儀示意框圖

表1 VOCs在線檢測質譜儀示意框圖

2.2實驗方法

1.馬尾松樣品處理 取新摘取的馬尾松帶葉枝條.分為 4 份(A、B、C、D)各約5g；將4 份葉分別放入4個150mL維形瓶內，并用特制橡膠塞密封保存。A密封保存5min；B置人烘箱在 200C下烘烤5min； 密封保存1h；D用斷枝葉處理后放人形瓶內密封保存5 min。利用內徑為3mm的四管聯通形頂空氣體和在檢測質譜儀進樣系統由氣閥控制開閉，利用抽氣泵抽取錐形瓶頂空氣體進樣檢測。考察溫度、濕度及機械損傷對馬尾松樣品釋放VOCs的影響。

　　2.原位植物檢測方法 將在線檢測質譜儀移動至戶外測原位植物排放 VOCs。將儀器進樣口置于灌木從中，通過抽氣泵進樣，敞開環境下分別對其枝葉破壞前、后排放的 VOCs 進行在線檢測觀察其釋放組分的變化情況

　　3 結果與討論

　　3.1 溫度的影響

　　圖2A 為新鮮馬尾松枝葉(A 樣品)排放 VOCs 檢測質譜圖。從圖中可明顯看出單萜(m/z 136)的信號為最強峰。單萜是 C10 碳氫化合物，與異戊二烯一樣，都是由甲羥戊酸途徑產生，包括從乙酰輔酶A合成焦磷酸異戊烯酯(IPP)和二甲烯丙基焦磷酸(DMAPP)的過程IPP 和DMAPP 通過異戊烯轉移酶形成牻牛兒基焦磷酸(GPP），再在單萜環化酶的作用下產生單萜。

圖2B 為經高溫烘烤馬尾松枝葉(B 樣品)排放的 VOCs 檢測質譜圖。由圖2B 可見單組分的釋放量明顯下降，是由于在高溫下各種酶的活性降低，使得單萜的合成量及釋放量急劇下降。經過高溫烘烤，隨著葉溫的升高異戊二烯釋放以指數形式增加，達到最大值后下降，這可能是葉片受到破壞和酶失活的結果。只有在溫暖的條件下，完全展開的葉子才能夠被誘導產生異戊二烯，并且溫度每升高10℃異戊二烯的釋放量增加 8 倍；大多數溫帶和熱帶植物在 40℃左達到最大釋放量，而在更高的溫度下的釋放率急劇下降。因此在常溫狀態下未檢測異戊二烯(m/z 68)的信號(圖2A)。高溫烘烤后，明顯檢測出異戊二烯(m/z 68)，且植物排放 VOCs 的種類明顯增多，可能是由于高溫將植物表皮細胞等破壞，原本儲藏在植物體內的各種成分均不同程度地溢出。馬尾松枝葉經高溫烘烤后明顯檢測出丙酮(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)等物質

3.2 濕度的影響

　　圖2C 為馬尾松枝葉密封保存1h后(C 樣品)檢測質譜圖。實驗表明經過長時間密封保存存放馬尾松枝葉由于呼吸作用產生大量水分，在錐形瓶內壁上形成小水珠，此時瓶內濕度大大增加，而植物排放的樟腦類物質(m/z 152)等的釋放量隨著濕度的增加而提高，所以圖 2C 中可以明顯看到m/z 152 的峰，另外也有長時間積累效果的影響。有研究表明，葉片周圍濕度的變化對其單物質的釋放的影響不一致，對異戊二烯的釋放影響很小。圖 2B 中 m/z 136 和 m/z 68 的峰強度明顯比圖2A低，是由于長時間的密封保存，錐形瓶內積累的單萜部分溶于水或發生變化，其含量降低，而異戊二烯明顯出峰；另外，m/z 76 明顯出峰，推測是由于大量的丙酮與H₂O結合造成。

圖2 馬尾松枝葉樣品（A，B，C，D)檢測質譜圖

表2 馬尾松排放的主要VOCs列表

3.3 機械損傷的影響

　　圖2D 是馬尾松枝葉機械損傷后(D 樣品)的質譜圖。在馬尾松枝葉排放的 VOCs 中，以單萜(m/z 136)為主，葉片等受到大面積機械損傷后，VOCs 的排放量大大提高，且明顯檢測出(Z)-3-己烯醛(m/z 98)等物質。植物在受到脅迫與傷害時，會大量排放(Z)-3-己烯醛等羰基化合物。(Z)-3-己烯醛是通過亞麻酸的過氧化過程合成的。亞麻酸是植物細胞中最普遍的一種脂肪酸，其氧化產物包括H₂O₂，己烯醛、己烯醇和乙酸己烯酯。大多數植物都含有產生C6醛 和C6醇所必須的酶。在正常情況下植物只釋放少量的己烯醛與己烯醇；但是，機械損傷造成細胞破裂使酶和底物混合，C6醛和C6醇會大量合成并釋放出來。機械損傷誘導植物產生的揮發性成分簡單，且只能維持較短時間，而某些植物當受到害蟲侵害時，其釋放的揮發性物質種類及含量會發生變化，并通過此種方式來抵御害蟲的進一步傷害。

馬尾松(Pinus Massoniana L.)主要排放的VOCs物質列于表2，與文獻報道植物的排放VOCs種類基本一致，植物排放 VOCs 的種類、排放量，不同種類植物在不同生長期、不同部位等釋放 VOCs 的組分和含量也有所不同。

　　3.4 原位植物排放VOCs的在線檢測

　　利用在線檢測質譜儀檢測室外敞開環境中的原位植物排放 VOCs，檢測對象排放的異戊二烯(m/z 68)、己烯醛(m/z 98)和單萜(m/z 136)離子信號變化如圖3 所示。

圖3 異戊二烯(m/z 68)、己烯醛（m/z 98）、單萜（m/z 136）信號變化曲線

在170~220s，將取樣管路放入茂密的灌木從中，明顯檢測出植物排放的單萜(m/z 136），而異戊二烯(m/z 68)的釋放量較小，信號應不明顯；隨后將取樣管遠離植物，空氣進樣，各離子信號響應下降；380~450s，將取樣口置于灌木叢中，并將進樣口的葉片破壞，圖3中植物機械損傷后m/z 98離了強度足明顯上升趨勢，說明(Z)-3-己烯醛被迅速合成，而后被立即釋放，并且釋放量很快達到最大，之后釋放速率急劇下降。據報道，在(Z)-3-己烯醛下降的同時，它的異構體(E)-2-己烯醛和己醇也會出現，但較未損傷前的釋放量小，可能是因為植物為平衡自身合成物質需要造成。敞開環境中檢測植物排放VOCs，在一定程度上受到環境因子的影響，但結果可以反映出植物生理特性變化的趨勢:植物受到機械損傷后，合成并釋放出特異性物質如己烯醛等物質，排放的 VOCs 組分、含量也會受到一定影響。

　　本研究利用在線檢測質譜儀對馬尾松枝葉新鮮狀態、高溫烘烤、長時間密封保存、機械損傷等條件下排放的 VOCs 尚不明確，另外損傷后的灌木異戊二烯(m/z 68)的釋放量呈增加趨勢單萜(m/z 136)顯現出緩慢增加趨勢，進行了對比檢測，其排放的主要物質為異戊二烯和單萜，以及一些基化合物，從側面反映了馬尾松植物在不同環境因子下的生理特性。利用該儀器實現了敞開環境中原位植物排放 VOCs 的在線檢測。計劃建立在線儀器定量檢測方法，以期能夠實現實時、在線監測植物 VOCs 的排放量為研究植物釋放 VOCs 提供更有價值的檢測方案。