OPCW第42次環(huán)境樣品水平考試洗消廢水中化武相關(guān)化合物的液相色譜-質(zhì)譜分析

陳 博，于惠蘭*，劉昌財(cái)，劉石磊，梁龍輝，楊 旸

(1.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205；2.軍事科學(xué)院防化研究院，北京 102205)

化學(xué)武器公約(CWC)[1]在其附表中列出了監(jiān)控化合物的種類(lèi)和數(shù)量。國(guó)際禁止化學(xué)武器組織(OPCW)[2]按期對(duì)締約國(guó)的指定實(shí)驗(yàn)室和尋求指定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行環(huán)境樣品中化學(xué)武器相關(guān)化合物分析能力檢測(cè)，以確保指定實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)真實(shí)樣品中化武相關(guān)化合物的分析鑒定。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室每年至少參加一次環(huán)境樣品水平考試，連續(xù)3次成績(jī)?yōu)槿獳或兩次A一次B，方能獲得OPCW指定分析真實(shí)環(huán)境樣品實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

甲醇(HPLC-MS級(jí)，美國(guó)Honeywell公司)；純凈水(屈臣氏集團(tuán)(香港)有限公司)；甲酸、乙酸銨(98%，北京百靈威科技有限公司)。

1200 HPLC-Q-TOF MS(6520)高效液相色譜-四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，1290 UPLC-QQQ MS(6460)超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜(美國(guó)Agilent公司)。工作站軟件：Agilent MassHunter Workstation Data Acquisition；數(shù)據(jù)處理軟件：Agilent MassHunter Qualitative Analysis。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1HPLC-Q-TOFMS儀器條件色譜條件：色譜柱為Eclipseplus C18柱(150 mm×2.1 mm×5 μm，Agilent公司)；流動(dòng)相：水(0.1%甲酸)(A)-甲醇(B)；梯度條件：0～3 min，5%B;3～30 min，5%～50%B；30～33 min，50%B;33～50 min，50%～80%B；50～53 min，80%B;53～54 min,80%～95%B；54～57 min，95%B。流速：0.25 mL/min；進(jìn)樣體積：5 μL；柱溫：40 ℃。

質(zhì)譜條件：電離方式：ESI+；毛細(xì)管電壓：3.5 kV；氣體溫度：350 ℃；干燥氣：氮?dú)猓? L/min；霧化氣：氮?dú)猓?06.8 kPa；掃描方式：全掃描；掃描范圍：m/z50～1 000；掃描時(shí)間：0.77 s；碎裂電壓：80 V；分辨率：>10 000。

1.2.2UPLC-QQQMS儀器條件色譜條件：色譜柱為Zorbax Eclipse plus C18柱(100 mm× 2.1 mm×1.8 μm，Agilent公司)；流動(dòng)相：水(0.1%甲酸)(A)-甲醇(B)；梯度條件：0～2.0 min，2%B;2.0～2.2 min，2%～5.0%B；2.2～5.0 min，5%B;5.0～5.5 min，5%～20%B；5.5～8.5 min，20%B;8.5～9.0 min，20%～50%B；9.0～12.0 min，50%B;12.0～12.5 min，50%～100%B；12.5～16.0 min，100%B。流速：0.3 mL/min；進(jìn)樣體積：5 μL；柱溫：40 ℃。

質(zhì)譜條件：電離方式：ESI+；毛細(xì)管電壓：4.0 kV；氣體溫度：350 ℃；干燥氣：氮?dú)猓?0 L/min；霧化氣：氮?dú)猓?41.3 kPa；掃描方式：子離子掃描；掃描范圍：m/z20～300；掃描時(shí)間：0.42 s；分辨率：Unit。0～3.8 min：母離子：m/z119；碎裂電壓：90 V；碰撞能：15 V。3.8～6.0 min：母離子：m/z105；碎裂電壓：80 V；碰撞能：5 V。6.0～16.0 min：母離子：m/z183；碎裂電壓：70 V；碰撞能：2 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 空白樣品的確定

圖1 WA、WB和WC樣品的 TIC圖Fig.1 TIC chromatograms of WA,WB and WC

按照“1.2.1”中HPLC-Q-TOF MS液相色譜的梯度洗脫程序，采用ESI+模式分別分析WA、WB和WC樣品，三者的總離子流圖(圖1)曲線基本重合，證明3個(gè)樣品的基質(zhì)相同。放大圖中顯示W(wǎng)B樣無(wú)明顯的獨(dú)有峰，WA和WC樣中均有明顯的其它峰。通過(guò)質(zhì)譜圖分析確定WA和WC樣品中含有化武相關(guān)化合物，WB樣為空白樣品。

圖2 3種化武相關(guān)化合物的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of three chemical weapon related compounds

2.2 控制與模擬真實(shí)樣品的確定以及模擬真實(shí)樣品中化武相關(guān)化合物的分析

提取WC樣品TIC圖中各獨(dú)有色譜峰的質(zhì)譜圖，初步得到各色譜峰對(duì)應(yīng)質(zhì)譜圖的質(zhì)量數(shù)，通過(guò)高分辨率質(zhì)譜確定各化合物的元素組成為C4H8SO(7.85 min)、C4H6SO2(3.62 min)和C6H14S2O2(10.18 min)，其準(zhǔn)確質(zhì)荷比分別為m/z105.036 9、m/z119.016 1和m/z183.050 8。根據(jù)質(zhì)譜碎裂途徑、元素組成及標(biāo)樣比對(duì)[3-6]，確定樣品中含有2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜與1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷，其準(zhǔn)確相對(duì)分子質(zhì)量(Mr)分別為104.029 6、118.016 1、182.043 5，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由WC中各化合物的結(jié)構(gòu)可以判斷，此3個(gè)化合物均非禁止化學(xué)武器公約附表化合物。由于OPCW水平考試規(guī)定控制樣品中只能添加禁止化學(xué)武器公約附表化合物，因此判斷WC為模擬真實(shí)樣品，WA為控制樣品。根據(jù)確定的化合物的元素組成，提取m/z105.036 9、119.016 1和183.050 8的提取離子色譜圖(EIC)，如圖3所示。其中m/z105.036 9的EIC圖在10.18 min處有一明顯的峰，保留時(shí)間與C6H14S2O2一致，判斷其為C6H14S2O2的碎片離子。

圖3 WC樣品的 EIC圖Fig.3 EIC chromatograms of WCA：m/z 105.036 9；B：m/z 119.016 1；C：m/z 183.050 8

此外，樣品中還檢出一些化武相關(guān)化合物(例如硫二甘醇等)，其質(zhì)量濃度在μg/L級(jí)，根據(jù)OPCW水平考試標(biāo)準(zhǔn)要求，質(zhì)量濃度小于1 μg/mL的非添加化武相關(guān)化合物無(wú)需申報(bào)。由于檢測(cè)到的化武相關(guān)化合物均為芥子氣洗消產(chǎn)物[7-8]，因此，可確定本次考試樣品為模擬芥子氣洗消廢液。

按照“1.2.2”中UPLC-QQQ MS液相色譜的梯度洗脫程序，采用ESI+MS/MS模式分析WC樣與混合標(biāo)準(zhǔn)樣品(二乙烯基砜、2-羥乙基乙烯基硫醚以及1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷)，結(jié)果見(jiàn)圖4～5。由圖可知，WC樣品與混合標(biāo)樣的ESI+TIC圖與ESI+MS/MS質(zhì)譜圖基本一致，確證WC樣品中含有此3種化武相關(guān)化合物。

2.3 3種化合物的碎裂途徑

將WC樣品中m/z105.036 9、119.016 1和183.050 8的離子進(jìn)行MS/MS碎裂，3種化合物的碎裂途徑推斷見(jiàn)圖6[9-14]。其中，2-羥乙基乙烯基硫醚的準(zhǔn)分子離子為m/z105，其失去1分子環(huán)硫乙烷得到m/z45;失去1分子水得到m/z87，碎片離子m/z87進(jìn)一步失去1分子乙烯得到m/z59，失去1分子乙炔得到m/z61。二乙烯基砜的準(zhǔn)分子離子為m/z119，失去1分子乙炔后形成碎片離子m/z93，繼續(xù)失去1分子水得到碎片離子m/z75，該碎片離子經(jīng)一系列電子轉(zhuǎn)移，碎裂后得到碎片離子m/z29與m/z47。1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷的準(zhǔn)分子離子為m/z183，其失去1分子水得到碎片離子m/z165，繼續(xù)失去1分子乙烯得到碎片離子m/z137；另外，準(zhǔn)分子離子還可直接失去1分子2-巰基乙醇得到碎片離子m/z105。

由圖6可知，在ESI源中芥子氣相關(guān)化合物在硫原子與氧原子的位置均可以發(fā)生質(zhì)子化，這是由于硫原子與氧原子上均有未成對(duì)的孤對(duì)電子，易對(duì)質(zhì)子進(jìn)行親核進(jìn)攻。含有—OH基團(tuán)的化合物帶電后易失去1分子水形成較為穩(wěn)定的[M+H-H2O]+的硫鎓離子。

圖6 2-羥乙基乙烯基硫醚(A)、二乙烯基砜(B)和1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷(C)的碎裂途徑Fig.6 Fragmentation pathway of 2-hydroxyethyl vinyl sulfide(A)，divinyl sulfone(B) and 1,2-bis(2-hydroxyethylthio)ethane(C)

2.4 流動(dòng)相的影響

本實(shí)驗(yàn)在流動(dòng)相加入0.1%甲酸，有利于電離過(guò)程中目標(biāo)化合物的質(zhì)子化。此外，由于2-羥乙基乙烯基硫醚(m/z105.036 9)的色譜峰較寬，嘗試在流動(dòng)相中加入乙酸銨[15]改善峰形。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了流動(dòng)相中加乙酸銨和不加乙酸銨時(shí)WC樣品的ESI+MS/MS TIC圖，結(jié)果顯示，加入乙酸銨并未明顯減小峰寬，而且二乙烯基砜的響應(yīng)降低，2-羥乙基乙烯基硫醚的響應(yīng)也有所減小，僅1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷的響應(yīng)有所增加。因此本文選擇流動(dòng)相中不加入乙酸銨。

2.5 碎裂電壓的影響

考察了碎裂電壓(50～120 V)對(duì)WC樣品中3個(gè)化合物：2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜、1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷響應(yīng)信號(hào)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著碎裂電壓增大,3個(gè)化合物的峰面積均先增大后降低。主要原因是，但碎裂電壓太小時(shí)，化合物進(jìn)入電離源后不能完全離子化；但碎裂電壓過(guò)大時(shí)，化合物進(jìn)入電離源后易發(fā)生碎裂，導(dǎo)致準(zhǔn)分子離子的數(shù)量減小。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜、1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷的最佳碎裂電壓分別為80、90、70 V。

3 結(jié) 論

本文利用HPLC-Q-TOF MS從3個(gè)洗消廢水中成功地判斷出空白、控制和模擬真實(shí)樣品，并通過(guò)HPLC-Q-TOF MS以及UPLC-QQQ MS鑒定出模擬真實(shí)樣品中的3個(gè)化學(xué)武器相關(guān)化合物(2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜和1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷)，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。該研究為芥子氣洗消產(chǎn)物的分析鑒定提供了參考。