反應電離質譜法測定有機單體氯同位素的研究

桂建業 張晶 張辰凌 陳宗宇 劉菲 陳煥文

摘?要?反應電離質譜法是在質譜的離子源內引入一種或多種反應氣體，與被測樣品在電離的同時發生離子分子反應，并形成某種特征離子并提供特定信息的技術。傳統的有機單體氯同位素（CSIA-Cl）測試需要通過復雜的轉換技術將較大分子的有機物轉化為簡單的小分子以供同位素分析。為了克服現有的有機單體氯同位素分析方法的缺點，本研究通過引入甲烷氣， 使用最簡單的反應質譜—化學電離源質譜獲得了干凈的35Cl-（m/z 35） 和37Cl-（m/z 37），無干擾碎片，完全克服了同質異位素的干擾。通過優化電離能量和采集模式，提高了方法的穩定性;通過控制反應氣流量、優化燈絲電流，基本保證了測試的精度。以三氯乙烯（TCE）和四氯乙烯（PCE）為例進行了原理驗證，并通過氯代烴、氯代苯和有機氯殺蟲劑等多種目標物的驗證考察了其通用性。方法的靈敏度有了較大提高，痕量進樣量時，標準偏差基本控制在2.0‰以內。反應電離質譜法為有機單體氯同位素分析提供了一種新思路。

關鍵詞?反應電離質譜法; 有機單體同位素; 氯代有機物; 同質異位素; 地下水; 非水溶相

1?引 言

含氯有機化合物是一類常見的有機污染物，種類多、毒性強，在環境中持久存在，因此，需對這些化合物進行持續關注[1，2]。有機單體同位素分析可用于鑒定含氯有機污染物的來源、揭示其在環境中的降解和轉化過程，并且是該領域唯一可以提供微生物降解證據的技術，因此被業內喻為“指紋鑒定技術”[3，4]。由于環境條件的復雜性，單一元素的同位素技術已經不能滿足當前的檢測要求，因此氯、溴、氮等非傳統單體同位素技術亟待開發[4]。

與傳統的穩定碳氫氮等同位素分析相比，目前有機單體氯同位素（CSIA-Cl）方法尚不成熟，需要繁瑣的離線樣品處理步驟和復雜的計算推導過程，目標物質必須首先被富集并轉化為只含有一個氯原子的純化合物才能實現同位素分析，例如用熱電離質譜（TIMS）分析氯化銫[5]，或用同位素比值質譜（DI-IRMS）分析氯甲烷（CH3Cl），這些轉化過程僅能通過離線完成并且過程復雜，不易推廣[6，7]。最近，環境科學家和分析化學家試圖開發用于CSIA-Cl的在線分析方法。近年來，諸如氣相色譜-電感耦合等離子體質譜（GC-ICP-MS）[7，8]或氣相色譜-連續流同位素比值質譜（GC-CF-IRMS）[9，10]等在線分析方法使前處理過程大大簡化。然而GC-CF-IRMS需要特定的儀器配置，如專門的法拉第杯陣列;GC-ICP-MS氯離子產率較低，需具有較高分辨率的質譜去除36ArH的干擾，因此推廣使用亦受到限制[10～12]。

氣相色譜-四極桿質譜（GC-qMS）在線CSIA-Cl方法的出現使得在線應用成為可能。基于此技術，研究者們建立了一種在線方法，使用帶有電子轟擊電離源（EI）的氣相色譜四極桿質譜，從含有37Cl和35Cl原子的大分子碎片中通過復雜的推導和計算得出氯同位素比值，進行有機單體δ37Cl分析; 此方法又經過了一些改進和提高[13，14]，并且與傳統同位素質譜進行了比較[15]，但是因為復雜的大分子碎片中不僅包含Cl，還包含C，H，O等其它常見原子，存在大量的同質異位素干擾（例如，含有兩個13C但不含37Cl和含有一個12C、一個37Cl的同質異位素完全無法區分）[16]。Jin等[17]比較了現有的計算方法（即分子離子方法和多重離子方法），并提出了一種替代方案，即完全離子化方法，從qMS譜圖中確定氯同位素比值。然而，上述方案都不能避免來自同質異位素的干擾，含有更多碳原子的化合物情況更嚴重。為了避免此類干擾，Hitzfeld等[18]在氣相色譜和質譜之間增加一個高溫反應器以獲得更為簡單的含氯碎片，但是卻產生了腐蝕性較強的鹽酸氣體即H35Cl（m/z 36）和H37Cl（m/z 38）。最近，劉咸德等[19]嘗試采用飛行時間質譜定量六氯苯中的氯同位素值，但是由于加權平均等問題仍存在一定的干擾誤差。近年來，除三氯乙烯、四氯乙烯外，其它的氯代有機物如二氯甲烷、氯代苯以及溴代化合物等新型鹵代有機物的研究需求不斷增多， 但并未解決其分析方法中存在的問題[20，21]。

有機化合物中CCl的鍵能遠低于CC的鍵能，如采用合適的能量使CCl鍵解離，而使CC鍵保持完整，就可記錄最簡單的35Cl（m/z 35） 和37Cl（m/z 37）信號。反應電離質譜法又稱反應質譜法，是指在離子源或反應碰撞室中引入一種化學反應氣體，該氣體與被測樣品發生離子分子反應，并形成某種特征離子，該特征離子為被測樣品提供特定的信息。該技術一般是利用質子轉移等效果為化合物提供分子量信息或者有機物特定基團的取代基位置確定[22，23]。若想將反應質譜用來作同位素分析， 必須解決同位素信息提取中的系列關鍵問題。

本研究試圖通過最簡單的反應質譜—化學電離質譜，通過反應氣的引入，使得氯代有機物在離子源內與反應氣相互作用生成簡單的碎片，以直接提取到35Cl（m/z 35） 和37Cl（m/z 37）信號，并解決同質異位素干擾問題，從而為本方法的應用開辟新的途徑。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

QP2010氣相色譜-質譜聯用儀（GC/MS，日本島津公司，配備有NCI源）和4660型吹掃捕集儀（美國O. I. Analytical公司，配4551A自動進樣器、Trap-10捕集阱、Tenax/硅膠/碳分子篩）。

正己烷、甲醇（色譜純，賽默飛世爾公司）;三氯乙烯、四氯乙烯（分析純和優級純）均為國產試劑;1，2，4-三氯苯、2，4，5，6-四氯間二甲苯、多氯聯苯及有機氯農藥等購自國家標準物質中心;實驗用水為超純水（Milli-RO Plus超純水系統， 美國Millipore公司）。

采用甲醇稀釋制備不同濃度的三氯乙烯和四氯乙烯;采用正已烷稀釋制備不同濃度的1，2，4-三氯苯、2，4，5，6-四氯間二甲苯、多氯聯苯及有機氯農藥等。

2.2?實驗方法

2.2.1?樣品富集?使用吹掃捕集儀純化和預濃縮水樣，使用25 mL吹掃管，吹掃流量為40 mL/min（保持11 min），將捕集阱的解吸溫度設定為190℃（保持1min），烘烤溫度設定為210℃（保持6 min），并將傳輸線的溫度保持在110℃。

2.2.2?GC-NCI-MS參數及定性定量方法?Rtx-624色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，用于分析TCE和PCE），DB-5色譜柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm，用于分析氯代苯和有機氯農藥）;載氣：高純氦氣，恒定線速度0.90 mL/min;TCE和PCE的分流比設置為20，其它化合物為不分流模式。使用的升溫程序如下：對于TCE和PCE，初始溫度為40℃，保持1.5 min，以20℃/min升至215℃并保持1 min; 對于氯代苯和有機氯農藥，初始溫度為60℃，保持1 min，以25℃/min升溫至180℃，再以20℃/min升至310℃并保持2 min。

對于每個樣品，使用70 eV的負離子模式，選擇離子監測（SIM）模式直接記錄兩個質量（m/z 35和37）35Cl和37Cl的離子碎片。電流設置為90 μA;純甲烷（99.999%）用作反應氣體;記錄的質量跨度設置為0.1質量單位。為了避免干擾，通過使用參比氣體全氟三丁胺優化低質量分辨率參數和高質量分辨率參數，在質量范圍內調諧質譜以獲得最佳同位素分辨率。離子源和傳輸線的溫度保持在220℃，光電倍增管電壓設定為1.15 kV。使用儀器提供的GC/MS Solution Version 2.50SU1軟件記錄數據。根據臨界峰值檢測和積分參數的建立進行峰識別。

2.2.3?氯同位素比值的修正與計算?采用已知標準和未知樣品進行連續交替分析進行校正計算，即分析樣品和同位素標準物質，并且每個樣品重復10次或以上，使用兩個同位素標準平均值進行兩點校準以獲得未知樣品的平均值。通過參考已知的同位素比值計算未知的同位素比值，并根據式（1）計算：

其中，RCl和RstdCl分別是未知和已知化合物的氯同位素比值。直接從m/z 37和m/z 35的峰面積計算每種化合物的氯同位素組成。為了得到與國際標準SMOC具有對比意義的同位素數據，三氯乙烯和四氯乙烯標準值采用連續流方法與SMOC進行對比溯源得到，溯源工作由加拿大滑鐵盧大學環境同位素實驗室完成，所用方法為CF-IRMS方法，儀器為Agilent 6890氣相色譜儀、同位素質譜（IsoPrime，Micromass公司，法拉第杯選用50和52）[6]。

3?結果與討論

3.1?反應質譜法分析有機單體同位素原理簡介

依據鍵能理論，CCl鍵的電離能弱于CC鍵的電離能。如果含氯有機化合物受到特定能量的轟擊，則CCl鍵容易斷裂，導致Cl從化合物上剝離并得到電離，這種現象可以通過NIST質譜數據庫的質譜圖庫得到證實，三氯乙烯的分子量為132，當分子受能量轟擊（如使用EI離子源）時，電離后分子將失去一個及多個Cl，并且獲得95＼，97＼，60和62等碎片，每個簇之間的質量差異是35和37，。如果可以記錄丟失的Cl信號，則可以建立新的CSIA-Cl方法。傳統的EI電離模式下， 常得到碎片[M-（n）Cl]，不同分子量的化合物則會得到不同的質量碎片，不利于同位素分析。因此，選擇正確電離模式檢測丟失的Cl則會達到非常好的效果，而反應質譜可以較好的達到這一目標。

化學電離是比較簡單的反應質譜，通過將離子源中引入反應氣，即可以實現某種特定的用途，通常， 化學電離源采用正電離模式較多，從其質譜圖上可以得到分子離子峰從而用于推斷化合物的分子量。然而分子離子峰并不能解決本研究提出的同位素分析難題。本研究采用負離子采集模式，取得了較好的效果。其基本原理推斷：化合物從色譜柱餾出后，在燈絲能量的作用下氯原子與化合物的碳骨架分離，由于鹵素原子本身具有較大的電負性，因此可以捕獲燈絲發射的熱電子， 從而形成負離子，此源內反應的過程可以推斷為共振電子捕獲反應[24]。此過程中可以輕松地獲得35Cl-（m/z 35） 和37Cl-（m/z 37）， 從而實現無干擾的同位素分析。

3.2?電離能及燈絲電流的優化

電子轟擊能量是反應電離過程的關鍵參數。通常，化合鍵斷裂取決于電子轟擊能量，其應該比CCl鍵的電離能更強， 并且比CC鍵的電離能弱。太低的能量不能解離CCl鍵，而太高的能量會導致背景增高。本研究對電離能（20～100 eV）進行考察， 在70 eV獲得最大的Cl強度。

不同的燈絲電流也會影響CCl鍵的裂解效率。增加燈絲電流有助于電離更多的氯，但是過大的電流將導致穩定性下降，甚至燈絲耗盡。 對20 μA至100 μA的燈絲電流進行了考察，在90～100 μA獲得足夠豐度的Cl。 值得注意的是，盡管在這些實驗中使用了較大的能量和電流，但氯不一定完全從化合物中被電離出來。然而，這并不影響實驗結果，因為電離效率帶來的偏差很容易通過與標準品的對照而校正。

3.3?干擾的消除

有機單體同位素分析的干擾因素主要來自色譜和質譜兩方面的干擾。大多數含氯有機化合物可以使用適合的毛細管色譜柱得到很好地分離，這使得色譜干擾的問題得以解決。然而，傳統方法中，完全避免同質異位素干擾往往十分困難，例如，含有兩個13C但不含37Cl的同位素質量碎片受到含有一個37Cl的一個同位素12C化合物的干擾。即使是簡單的CH3Cl+片段也會受到重碳和重氫的干擾。采用校正公式可以在一定程度上降低其負面影響，但是對于含有較多碳原子的含氯化合物，如氯代苯類來說，仍不能消除影響[10]。在本方法中，干凈的氯負離子碎片在質譜圖中占有絕對的主導地位，其它碎片豐度小于總豐度的5%。更為可貴的是，實驗中記錄的35Cl（m/z 35）和37Cl（m/z 37）離子碎片不含有其它任何元素，氯同位素值可以直接從兩個離子的強度比值中計算得出，完全避免了同質異位素的干擾。另外，本方法另一個優點是有效地阻止了無機氯化物的干擾，因為無機氯化物不會在氣相色譜汽化。

3.4?峰值積分參數的優化

色譜峰積分參數在精度計算中起著重要作用。峰值定義的斜率閾值過高會導致較大的標準偏差。在本研究中，利用GC Solution軟件中的斜率閾值設置為2%，峰值起點定義為斜率超過閾值的保留時間，而峰值終點定義為斜率在達到其最小值之后通過閾值的保留時間。由于峰的斜率取決于每種化合物的濃度和色譜條件，因此應調整積分參數， 以保持樣品與其標準之間的一致性。

3.5?同位素測試精度和適宜的濃度范圍

在同位素測試中，為了保證測試精度，濃度必須達到一定的級別或劑量，如果濃度太低或劑量太小都會造成同位素測試精度的下降，例如，氯甲烷法所需最小樣品量為300 μg Cl， GC/qMS（EI）所需樣品量最低為24 μg Cl[7]。為了評估本方法的精度和靈敏度，在吹掃瓶中配制了5種不同濃度的TCE/PCE混合溶液， 濃度范圍為1.0～50.0 μg/L。平行進樣12次， 剔除異常值， 并計算標準偏差， 結果見表1。

從上述實驗結果可以看出，對濃度在10.0 μg/L以上的組分可以獲得較高的分析精度。從靈敏度角度來看，本方法是目前最靈敏的有機單體氯同位素分析方法。但是由于本實驗采用四極桿質譜作為質量分離與檢測裝置，由于其間隔掃描帶來的不穩定性，使得分析精度很難再有大的提高，即使再加大濃度也沒有明顯改善，下一步準備嘗試采用磁質量分析器結合多接收裝置進行進一步改善。

3.6?不同基質條件下的方法驗證

基質效應是分析化學中常出現的現象，為了驗證不同基質水樣對本方法的適宜情況，本實驗將3種不同的樣品基質純凈水、地下水和飲用水，加入相同化合物，濃度為20.0 μg/L。如表2所示，常規樣品基質造成的基體效應可以忽略不計。本方法基質效應較低可能有兩個方面的原因，一方面是因為吹掃捕集方法本身就是一種凈化過程，許多沸點較高的組分不會被吹掃和吸附，從而減少了部分潛在的干擾;另一個原因是由于化學電離源在負采集模式下具有很高的選擇性，只有電負性較強的鹵代有機物才會在此檢測器上有響應。

3.7?方法的初步應用

為了驗證本方法對于實際樣品的有效性，采用本方法對實際地下水水樣進行了分析。通過前期對華北平原進行的有機污染調查顯示，多處地下水存在氯代溶劑的污染。本實驗采集了3組受污染的地下水樣品，每組樣品平行測定12次，剔除異常值。由表3可知，本方法可以在較低濃度下區別不同地下水污染的同位素特征。

3.8?本方法對于不同氯代有機化合物同位素分析的適用性考察

為了考察本方法對其它氯代有機物的適用性，對三氯丙烷、氯代苯、有機氯農藥、百菌清等多類氯代有機物進行分析。將1 μL的混合物標準（濃度均為200 μg/L）注入GC-NCI-MS系統，各化合物的柱上注入量為200 pg。所有實驗均使用不分流進樣，并且在注射后1 min，分流比設定為10。燈絲電流設定為90 μA，電離能設定為70 eV。如表4所示， 僅有六氯苯、百菌清兩種化合物不能完成同位素分析，其原因可能是因為這兩種化合物因為結構的對稱性太強，因而無法使氯與碳骨架分離，只能得到分子離子峰。其它組分均可以得到較好的實驗效果，表明本方法具有較好的普適性。

4?結 論

建立了一種簡單、直接、靈敏的反應質譜方法測定含氯有機化合物中單體氯同位素δ37Cl值。 本方法是一種基于新原理的有機單體同位素分析方法，具有較好的實用性和推廣性。該方法具有5個方面的優勢：（1）完全避免了來自于同質異位素的干擾;（2）避免了來自于無機氯化物的潛在干擾;（3）不需要復雜的轉換過程，可以直接在電離的同時完成氯元素的剝離與轉化;（4）不需要進行復雜的同位素校正計算;（5）可以很容易地與在線預處理設備相結合實現聯用，如吹掃捕集儀或靜態頂空等設備。該方法目前尚存在的主要問題有以下兩個方面：（1）仍有六氯苯等少數結構對稱性極強的目標物無法利用本原理進行同位素分析，電離條件正在進一步改進當中;（2）方法的同位素測試精度仍有待提高，本課題組下一步嘗試采用反應電離源結合磁質量分析器及多接收探測器進行新的儀器搭建與調試，有望取得更好的分析效果。本研究結果表明， 反應質譜法為有機單體同位素分析提供了一種新思路，在后期的科學研究工作中，有望為其它多種非傳統同位素的分析提供嶄新的解決途徑。

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