第四章 結果與討論
4.1 同分異構物的分析
4.2.2 實驗參數最佳化
由 4.1.3 節可得知利用加速揮發裝置除了可以多重進樣方式達到 延伸動力學法的應用性之外，也可以將化合物混合液直接置放於 A 處，以 desolvation gas 吹送進入質譜儀。以下將針對以分析物混合液 置放於 A 處進行實驗，探討不同實驗變因對實驗結果的影響。研究 內容包含改變待測溶液的 pH 值、溶劑種類、樣品量大小以及噴灑液 的極性等條件，另外除了以 AVAI-ESI 進行實驗，也嘗詴以 AVAI-APCI 偵測置放於 A 處的分析物混合液以拓展方法的實用性。
(1) 樣品液 pH 值的影響
首先，將分析物 2-methylpyridine 與 piperazine 配置成混合液置放 於 AVAI 裝置的 A 處藉由氮氣氣體吹送並以水為噴灑液進行偵測，結
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果發現總離子電流質譜圖(total ion current，TIC)於 60 分鐘內只有一個 明顯的波鋒(圖 4-25A)，觀察其質譜圖(圖 4-26)可發現前段以質子化 2-methylpyridine (m/z 94)為主，後段則是 piperazine (m/z 173)。若
圖 4-25 2-methylpyridine 與 piperazine 混合液的總電流質譜圖: (A) 吹 送 60 分鐘的總電流圖譜；(B) 追蹤 A 圖中 m/z 94 的電流圖譜；(C) 追 蹤 A 圖中 m/z 173 的電流圖譜。
圖 4-26 2-methylpyridine 與 piperazine 混合液的質譜圖: (A)圖 4-21-B 前五分鐘平均質譜圖；(B)圖 4-21-C 約 30~35 分鐘平均質譜圖。
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以追蹤離子(trace ion)方式整理資料，顯現 2-methylpyridine 與 piperazine 訊號強度與時間關係圖，可以發現一打開 desolvation gas 即可觀察到 2-methylpyridine，並持續十分鐘左右，piperazine 的離子 訊 號 則 是 在 三 十 分 鐘 之 後 才 觀 察 到 ， 如 圖 4-25B 與 C 。 已 知 2-methylpyridine 沸點為 128 °C 而 piperazine 沸點為 145 °C，為了解 沸點是否為造成不同分析物出現的時間不一樣的主要因素，乃進一步 選用不同的化合物配置成混合液，觀察分析物沸點大小與訊號出現時 間的關係。
以 2-ethylpyridine 、 2-methylpyridine 、 diethylmethylamine 以 及 trimethylamine 配置成混合液，利用氮氣吹送分析物混合液並觀察分 析物揮發結果。結果顯示實驗前 55 分可觀察到質子化 2-ethylpyridine (m/z 108)以及 2-methylpyridine (m/z 94)持續出現， 55 分鐘後則改是 質子化 diethylmethylamine (m/z 88)與 triethylamine (TEA，m/z 102)，
並於 65 分鐘前吹送結束(圖 4-27)。比較不同分析物離子訊號強度與 時間的關係，可發現 55 分鐘前 2-methylpyridine 和 2-ethylpyridine 訊 號強度變異不同，暗示著這段期間樣品瓶上方具有飽和的分析物和溶 劑分子，而到 55 分左右此時這兩種分析物大致耗盡，問時可目視看 到 樣 品 幾 乎 已 吹 乾 ， 判 斷 溶 劑 也 幾 乎 消 耗 殆 盡 ， 此 時 改 由 diethylmethylamine 和 TEA 揮發，但因未達飽和蒸汽壓，因此訊號呈 現波峰型而不是持續的平緩。
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圖 4-27 分析物混合液 TIC 圖: (A) 追蹤質子化 2-ethylpyridine (m/z 108); (B) 追蹤質子化 2-methylpyridine (m/z 94)； (C) 追蹤質子化 diethylmethylamine (m/z 88)； (D) 追蹤質子化 triethylamine (m/z 102)。
由氮氣吹送實驗結果對照表 4-18 可發現分析物出現前後順序並 非由分析物沸點或飽和蒸氣壓決定，取而代之決定分析物出現先後順 序的是分析物的 pKa值，所以推測分析物的 pKa值與溶液整體 pH 值 環境可決定分析物於質譜圖中出現先後順序。另外 Wu 等人45於 2008 年發表相似的實驗討論，為偵測海水中 NH3的含量，藉由 NH3易進 行水合作用形成 NH4+的特性，於溶液中加入 H2SO4提供氫離子使 NH3
容易形成 NH4+產生離子水溶液而不易揮發到大氣中得以偵測。
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表 4-18 比較不同分析物的 bp、vp 與 pKa
boiling point (°C)
vapor pressure (mmHg/20 °C)
pKa
2-ethylpyridine 149 3.75 5.89 2-methylpyridine 128 9 5.97 diethylmethylamine 63 -- 10.35
triethylamine 88 687.8 10.72 2-ethylpyridine 為分析物時，由於其 pKa值為 5.97，於實驗所用的 pH 範圍 5~11 之間大半以分子型態存在，因而可看到其訊號皆在實驗初 期即出現，唯獨當 pH~5 下，2-ethylpyridine 的訊號波型成 55 分左右 的平坦形狀。
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圖 4-28 TEA 於不同 pH 值混合液的離子電流圖: (A) 以濃 NH4OH 配 置混合液，pH≒11;(B) 以 1 M NaOH 配置混合液，pH≒10；(C) 以 0.1 % NH4OH 配置混合液，pH≒7；(D) 以 H2O 配置混合液，pH≒6；
(E) 以 0.1 % CH3COOH 配置混合液，pH≒5。
除了以正電模式電噴灑游離法偵測含氮原子的分析物外，本研究也以 負電模式電噴灑游離法偵測含有酸基的化合物混合液以證實分析物 的 pKa值與溶液酸鹼環境可影響分析物出現時間。所選用的三種分析 物為 cyclohexanecarboxylic acid (Mw 128，pKa 4.9)、benzoic acid (Mw 122，pKa 4.21) 以及 acetylsalicylic acid(Mw 138，pKa 2.97)；承用上述 的假設，含有酸基的分析物於水溶液中應當形成酸根離子(COO-)，故 為使酸根離子形成中性分子(COOH)則需於溶液中加入解離性更強的 酸性溶液，如此一來溶液中過多的氫離子就會迫使分析物由離子態轉 而形成中性分子態藉由氮氣吹送進入質譜儀。
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圖 4-29 2-ethylpyridine 於不同 pH 值混合液的離子電流圖: (A) pH≒11;
(B) pH≒10； (C) pH≒7； (D) pH≒6； (E) pH≒5。
圖 4-30 分析物混合液離子電流圖: (A) 追蹤去質子化
cyclohexanecarboxylic acid (m/z 127); (B) 追蹤去質子化 benzoic acid (m/z 121)； (C) 追蹤去質子化 acetylsalicylic acid(m/z 137)。
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圖 4-31 cyclohexanecarboxylic acid 於不同 pH 值混合液的離子電 流圖: (A)以 1 % H3PO4配置混合液，pH≒2.5;(B) 以 1 % H3PO4配置 混合液，pH≒3.5；(C)以 H2O 配置混合液，pH≒5；(D)以 1 M NaOH 配置混合液，pH≒10.5。
實驗結果顯示(圖 4-30)，相同溶液的環境下，分析物出現時間以 pKa 最 大 的 cyclohexanecarboxylic acid 最 早 出 現 ， 由 於 cyclohexanecarboxylic acid 相對混合液中其他分析物而言酸性最小，
故 當 酸 性 溶 液 中 過 多 氫 離 子 迫 使 酸 根 離 子 還 原 成 酸 基 分 子 時 ， cyclohexanecarboxylic acid 由離子態最快形成分子態得以偵測；反 之，pKa值最大的 acetylsalicylic acid 則因酸性最大而越難由離子態轉 為分子態，故於圖譜中出現時間最晚。刻意配置不同 pH 值溶液並鎖 定觀察分析物 cyclohexanecarboxylic acid，可從圖 4-31 發現當溶液 pH
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值越小，溶液中氫離子數增多，可迫使分析物更快由離子態轉為分子 態進入質譜儀偵測，所以可得到分析物的滯留時間隨著溶液 pH 值變 小而減短。
除了推測分析物於圖譜中出現先後順序與分析物 pKa大小以及溶 液 pH 值有關外，我們也探討溶液中為配置不同酸鹼性所加入的酸鹼 詴劑是否造成溶液中不同離子強度的作用進而影響分析物出現時間 前後。圖 4-32 刻意選用不同離子強度的酸鹼詴劑配置混合液，其
圖 4-32 TEA 於不同溶液環境的離子電流圖: (A)以 1 M CaCl2配置混合 液，pH≒6;(B) 以 1 M NaOH 配置混合液，pH≒10；(C) 以 1 M NaCl 配置混合液，pH≒6。
中比較圖 A 與圖 C 為不同離子強度但 pH 值相同的混合液，而圖 B 與圖 C 則是離子強度相同但溶液 pH 值不同。比較圖 4-32 可發現溶
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圖 4-33 TEA 於不同溶液溶劑種類的離子電流圖:(A) MeOH; (B) MeOH/H2O=50/50；(C) H2O。
推測實驗結果的可能原因為甲醇揮發性比水好。由於氮氣吹送過 程中大量溶劑的揮發可順利帶走分析物分子，所以當甲醇揮發速率遠 大於水分子則分析物也會較快速被帶離開溶液形成液滴。為驗證此實 驗推測的可能性，本研究也以 IPA 做為溶劑，觀察 benzoic acid 與 cyclohexanecarboxylic acid 在不同溶劑下揮發情形。
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圖 4-34 benzoic acid 於不同溶液溶劑種類的離子電流圖: (A) MeOH;
(B) IPA； (C) H2O。
圖 4-35 cyclohexanecarboxylic acid 於不同溶液溶劑種類的離子電流圖:
(A) MeOH; (B) IPA； (C) H2O。
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圖 4-34 與 4-35 分別選用分析物與 cyclohexanecarboxylic acid、
benzoic acid 於甲醇、異丙醇以及水為溶劑情況下觀察其總電流質譜 圖，實驗結果具有一致性：當選用甲醇與異丙醇此兩種揮發性較好的 溶劑時皆可大幅降低分析所需的時間，反之若溶劑為揮發性較差的 水，則分析時間需延長至一個小時以後才可得到分析物訊號，所以本 研究成功地以改變溶劑種類達到縮短分析時所需耗用的分析時間。
(3) 樣品量大小
此外本研究也嘗詴對混合液進行改變 AVAI 待測液樣品量多寡以 及更換噴灑液極性的探討。首先在改變 AVAI 待測液樣品量多寡的實 驗裡，我們選用不同體積(0.01-1 ml)的 TEA 溶液進行分析，由於溶液
圖 4-36 TEA 於不同量的潤洗液離子電流圖: (A) 0.01 ml; (B) 0.1 ml；
(C) 1 ml。
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體積小的樣品在相同實驗條件下比體積大的溶液更快藉由氮氣吹送 而揮發，所以相對地分析物出現時間較快；由圖 4-36 可知若使用 1 ml 的 TEA 溶液進行吹送約需 25 分鐘才可完成分析，但將溶液量減少至 0.01 ml 即可於五分鐘內完成分析，除了減少樣品耗損量也縮短了分 析時間。將此想法應用於混合液的分析，可使用少量溶劑對吹乾後的 混合液中固體殘餘物進行潤洗，雖然減少樣品量的實驗方式不見得可 萃取出混合物中分析物的完全含量，可是卻可成為一個對混合物進行 快速篩檢的工具。藉由樣品溶液體積小揮發快速的原則，選用小量的 溶劑搭配多樣的種類，可以類似萃取的方式快速對混合物進行簡單的 定性分析。本實驗也選用一些真實樣品進行偵測，其實驗結果將於 4.2.3 節討論。
(4) 電噴灑液極性的影響
除了 AVAI 溶液的實驗最佳化探討外，我們也研究改變噴灑液的 極性對實驗結果的影響。實驗結果顯示改變不同的噴灑液極性對選擇 化合物影響不大，原因可能是以氮氣吹送樣品時已經先初步篩選過揮 發性較高或沸點較低的化合物才可以藉由氮氣吹送進入質譜儀，而此 類的化合物其特性相似所以對於不同極性的噴灑液表現行為大致相 同，所以當實驗上更換噴灑液極性時對化合物選擇並無太大的差異 性。
(5) APCI 的探討
本實驗除了以 AVAI-ESI 進行偵測外，也嘗詴以 AVAI-APCI 對分 析物進行分析。發現較有趣的現象是當使用 AVAI-APCI 進行分析時，
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不需要噴灑液的情況下一樣可以得到良好的分析物訊號(圖 4-37)。所 以以 AVAI 搭配 APCI 游離源進行偵測時，只需開啟 corona discharge 即可進行偵測。對此提出假設：當 AVAI 溶液經由氮氣吹送時除了分 析物以外也有些微水氣或溶液分子被氮氣吹送出來，這些分子藉由 APCI 的探針進行尖端放電(corona discharge)後游離並帶電荷，最後再 將電荷交給分析物進行離子-分子反應使分析物質子化得以偵測。所 以根據我們的實驗結果推論：使用 AVAI 裝置進行偵測時，其機制並 非只有融合一種，由 APCI 不需藉由噴灑液即可量測的現象可知道分 析物並未跟溶劑分子進行融合作用。
圖 4-37 APCI 偵測混合液的 TIC 圖: (A) 有噴灑液; (B) 無噴灑液。