高分辨質譜技術在有機污染物降解產物鑒定中的應用進展

王 鑫，孫韶華，賈瑞寶，宋 艷，王明泉，趙清華，姬廣雪,3

(1.濟南大學水利與環境學院，山東 濟南 250022；2.山東省城市供排水水質監測中心，山東 濟南 250013；3.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東 濟南 250101)

隨著水處理工藝的不斷優化與改進，有機污染物的降解途徑及其降解產物(Transformation products，TPs)的檢測受到了越來越多的關注。有研究表明，在水處理過程中污染物種類和數量的減少不一定意味著化合物完全礦化，更大程度上可能轉化成了不同類型的TPs[1]。目前對水處理工藝中TPs的研究主要集中在光解、高級氧化技術(Advanced oxidation technology，AOP)或其他水處理技術方面。由于TPs多處于痕量水平且缺乏標準化學物質，在一定程度上阻礙了TPs的檢測和量化[2]，使得TPs在水處理過程中的環境毒性效應未受到足夠的重視。因此，只有深入開展TPs的檢測、鑒定和毒性評估研究，重點關注那些保留了生物活性或具有比其母體化合物更大毒性的TPs，才能保證水處理技術評價的科學性與完整性。

目前已有許多針對某種或某類目標化合物的分析方法，如氣相色譜、高效液相色譜、氣相色譜-質譜聯用、液相色譜-質譜聯用等分析方法[3-6]。但這些分析方法選擇性低，分析的化合物數量有限，且容易忽略TPs等非目標化合物的篩查與識別。為了解決這些問題，則要求所采用的分析方法既能篩選環境樣品中存在的具有不同物理化學性質的有機污染物，又能達到對高通量非目標化合物進行檢測。隨著質譜技術的不斷發展，高分辨質譜(High-resolution mass spectrometry，HRMS)技術可以滿足環境領域中日益提高的檢測需求，該技術依靠精確質量數可以確定物質的元素組成，提供更多的化合物結構信息，從而有助于發現未知的TPs[7]。此外，HRMS技術具有高達50 000 FWHM的超高分辨率，能夠保證在分析復雜樣品時呈現出良好的選擇性和準確度，使多組分混合物的同時檢測成為可能[8]，是一種分離和鑒定痕量有機污染物的有效手段。

為了全面、深入地了解HRMS技術在有機污染物TPs鑒定中的應用進展，本文綜述了幾種常見HRMS技術的原理及分析條件，歸納和總結了該技術在農藥、塑化劑、抗生素、亞硝胺和微囊藻毒素等新興有機污染物水處理TPs鑒定中的應用進展，并指出了該技術領域未來的發展方向。

1 高分辨質譜技術

1.1 高分辨質譜技術的原理

HRMS技術能夠實現高精度質量測量，并可直接進行微量化合物的結構解析，對分離和鑒定水處理工藝中產生的TPs具有獨特的優勢。常用于目標化合物分析和未知物質篩查的HRMS技術主要有飛行時間質譜(Time of flight mass spectrometer，簡稱TOF)和軌道離子阱質譜(Orbitrap mass spectrometry，簡稱Orbitrap)等方法。

TOF檢測器的工作原理非常簡單，電離源中的電子在運動過程中撞擊樣品組分，使其電離形成正離子，后經脈沖電場加速后進入無電場無磁場的漂移區，依據不同質量離子到達檢測器所需時間的不同，可將大量離子按m/z分離。離子飛行時間的計算公式如下：

(1)

式中：t為離子飛行時間；L為漂移區長度；m為離子質量；z為離子的電荷數；U為加速電壓。

由公式(1)可以看出：離子的飛行時間t與m/z的平方根成正比，可見質量數越小的離子將越先進入到接收器中。TOF具有的高質量精確度可降低同位素離子的干擾，保證對復雜樣品的檢測，其與色譜儀器聯用可作為非目標物質篩查的檢測設備，在未知化合物的鑒定中已得到廣泛的應用。

Orbitrap是通過使離子圍繞一個中心電極旋轉而捕獲離子的裝置，其質量分析器是由一個中心紡錘形電極和中心電極外部左右兩個半電極組成，離子經彎曲的四級桿以一定的初速度進入離子阱后，受到中心電場引力而圍繞中心電極做旋轉運動，同時在中心電極的垂直方向上做諧振蕩。Orbitrap采用影像電流法對離子通過時產生的感應電流進行檢測，得到的時序信號放大后經傅里葉變換轉換為頻譜，而離子運動頻率與離子質量直接相關，由此可得到樣品的質譜圖[9]。Orbitrap的突出特點是：①具有多級分離(MSn)的功能；②采集時間越長，分辨能力越高；③能夠提供低于1 mg/L的質量精度，以準確質量數和保留時間作為分析物的鑒定依據，并能將鑒定的元素組成與測定信號的同位素模式自動匹配，以實現進一步的結構驗證[10]。

在分析復雜樣品基質中的痕量有機污染物時，單級質譜有時難以實現對未知TPs的分離和鑒定，而采用串聯質譜如四級桿-飛行時間質譜(Quadrupole-Time of Flight，Q-TOF)、離子阱-飛行時間質譜(Ion Trap-Time of Flight，IT-TOF)和四級桿-離子阱質譜(Quadrupole-Ion Trap，Q-IT)等可借助碰撞誘導裂解對獲得的同位素離子或碎片離子進行精確質量測定。此外，四極桿-軌道阱質譜(Q-Exactive Orbitrap，Q-Orbitrap)還可通過高能碰撞裂解實現全部離子的裂解。

1.2 高分辨質譜技術的特點

目前對有機污染物的檢測多采用傳統的三重四極桿質譜(Triple Quadrupole，QqQ)，但該方法的分辨率較低，無法實現對未知化合物的結構解析，且易受到相近m/z離子的干擾。而HRMS技術的選擇性強、準確度高，可降低基質干擾，且具有良好的檢測和定性能力。幾種HRMS技術在有機化合物實際篩查中的分辨率及其在全掃描模式下的檢出限和質量偏差，詳見表1。

表1 幾種HRMS技術的分辨率、檢出限和質量偏差

由表1可知，HRMS技術具有良好的質量精度以及較高的分辨率和靈敏度，提高了其在復雜基質中篩選目標化合物的準確性，同時提供了豐富的元素組成信息，有助于識別可疑或未知化合物。

然而，HRMS技術的應用仍存在一定的局限性，一方面價格昂貴的HRMS技術較低分辨質譜來說其應用研究成果較少，另一方面HRMS技術的動態檢測范圍要低于QqQ，因此在使用時仍會出現異構體難以區分和假陽性干擾等問題。Hisaindee等[16]利用LC-TOF/MS技術研究染料廢水在AOP處理工藝中的降解機理時發現，單獨使用LC-MS不能確定中間體形成過程中羥基自由基在苯環上的確切位置，使其在TPs的快速篩查方面受到一定的限制。此外，Kaufmann等[17]在對比Orbitrap和QqQ時發現Orbitrap在定量方面要優于QqQ，而在低濃度水平分析物的定性篩查中，QqQ具有更高的準確性。因此，在實際環境監測中還需以檢測目標為依據科學地選擇檢測技術和方法。

1.3 高分辨質譜技術的鑒定方法

在水環境樣品檢測中，利用HRMS技術建立的檢測方法主要采用了固相萃取( Solid-phase extraction，SPE) 和直接進樣兩種樣品前處理技術，其中最常用的是SPE法。如Deeb等[18]利用SPE法聯合LC-Q-TOF/MS技術從水樣中篩選出了環丙沙星、左氧氟沙星、羅紅霉素等多種有機污染物的TPs。隨著色譜、質譜條件的不斷優化，儀器檢測靈敏度不斷的提高，采用直接進樣法可節省樣品富集濃縮的時間，提高定量分析檢測結果的準確性。如王麗等[19]建立了白酒中4種甜味劑的HPLC-Q-Exactive Orbitrap/MS檢測方法，樣品經0.22 μm濾膜過濾后直接進樣，定量檢出限在0.1～1.0 μg/L，該檢測方法比傳統的UPLC-MS/MS方法檢出限明顯降低。

色譜-高分辨率質譜聯用技術已成為對有機污染物同時進行定性和定量分析的有力工具，常用的有氣相色譜-高分辨率質譜聯用(GC-HRMS)技術和液相色譜-高分辨率質譜聯用(LC-HRMS)技術。基于色譜-高分辨率質譜技術的環境研究可同時進行目標化合物的定量分析、篩選可疑污染物以及定性檢測非目標化合物。如Park等[20]使用基于LC-Q-Exactive plus Orbitrap的可疑和非目標化合物分析方法，通過參考標準品確認了河水樣品中的28種污染物，并半定量分析了其中的26種污染物。通常情況下，為了獲得準確的化合物的分子結構信息，HRMS技術檢測需要達到一定的參數要求[21]：①質量誤差小于5 mg/L；②測試樣品組分與標準品的保留時間誤差在2.5%以內；③具有符合化合物元素組成的同位素離子峰。

此外，利用HRMS技術處理樣品時會產生海量、復雜的分析數據，如何對這些數據進行準確、高效的處理是該技術的難點。鑒于此，相關數據處理軟件和數據庫已得到不斷優化，并借助相應的輔助統計分析方法等，使得高通量的非目標化合物檢測得以實現[22]。如張丹等[23]總結了HRMS技術在藥物代謝產物鑒定中的主要分析技術，包括提取離子色譜、質量虧損過濾、同位素過濾、本底扣除等分析技術，結合多種分析鑒定技術對數據進行加工處理，有效地實現了對TPs的快速識別及結構鑒定。

此外，HRMS技術在非目標化合物檢測中可以對全掃描數據進行回顧性分析，用以篩選潛在的風險化合物，便于研究人員通過處理這些數據探索到新的污染物[22]。

2 高分辨質譜技術在新興污染物降解產物鑒定中的應用進展

目前環境化學的研究熱點逐漸從傳統污染物轉向新興污染物，如塑化劑、抗生素、亞硝胺和微囊藻毒素等，與母體化合物相比，TPs的檢出頻率和濃度更高、危害更大。由于污染物轉化過程中降解機理的不同，TPs也會有所不同，HRMS技術可以為水處理工藝中新興污染物及其TPs的篩查提供技術支持。

2.1 高分辨質譜技術在農藥降解產物鑒定中的應用

農藥在環境中降解后可產生毒性更大的轉化產物，其痕量殘留分析方法大都以低分辨質譜與色譜聯用為主[23]，而HRMS技術具有更靈敏的全掃描檢測和精確質量鑒別能力，將成為農藥殘留分析領域的重要發展方向。

Saylor等[24]采用LC-Q-TOF/MS系統，在正離子掃描模式下對30～500m/z范圍內的離子進行篩查分析研究，發現在電解、臭氧氧化以及電解臭氧協同工藝中阿特拉津(ATR)的TPs主要為去乙基-阿特拉津、去異丙基-阿特拉津和去乙基-去異丙基-阿特拉津，三者均具有比母體化合物更強的毒性效應，且ATR的降解途徑主要為脫烷基化、乙酰胺轉化、亞胺轉化和脫氯。Berberidou等[25]研究除草劑苯達松在非均相催化氧化工藝中的降解動力學時，通過將LC-LIT-Orbitrap/MS系統在全掃描模式下獲得的MS2和MS3碎片信息與母體化合物的分子信息相比較，實現了對21種TPs的質量測定，其質量偏差普遍小于1 mDa。由于HRMS技術能夠準確鑒定化合物的結構，并能快速測定水處理過程中微量的農藥殘留及其TPs，現已有很多國家的研究者對其進行了開發和應用。

2.2 高分辨質譜技術在塑化劑降解產物鑒定中的應用

塑化劑是一種常用于增加材料延展性和靈活性的添加劑，種類多達上百種，其中鄰苯二甲酸酯類(PAEs)用量最多[27]，其廣泛分布于河流、湖泊和地下水中，可產生類雌激素作用而導致生殖和發育系統紊亂。

Huang等[28]利用LC-TOF/MS系統，經C18色譜柱(2.4 μm，100 mm×2.1 mm)分離，在MS/MS質譜圖中共檢測出鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)在UV/過氧一硫酸酯工藝中的7種氧化產物，且根據碎片離子峰信號強度的不同提出了DEHP的降解途徑可能為苯環的羥基化、酯鍵斷裂和DEHP側鏈的解離等，為研究水溶液中DEHP的去除和轉化機制提供了重要的參考信息。Xu等[29]以鄰苯二甲酸二正丁酯(DBP)為模型化合物，研究超聲、紫外(UV)和超聲-紫外聯合處理水和廢水中PAEs的降解機理，UPLC-IT/MS系統在正、負離子掃描模式下共篩查出12種中間產物，從保留時間來看超聲分解產生的中間體極性較DBP更強，且在所有處理過程中均檢測到羥基-DBP、鄰苯二甲酸單丁酯和鄰苯二甲酸3種中間體，表明DBP的降解途徑主要是芳環的羥基化和脂肪鏈的丁基斷裂。在高頻超聲法降解鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)的研究中，Xu等[30]采用LC-Q-IT/MS系統在正、負離子掃描模式下檢測了DMP的大量中間體，發現由于超聲工藝處理速度緩慢，導致高疏水性反應中間體難以與其母體化合物競爭羥基自由基而不斷積累，還首次檢測并報道了DMP的三、四羥基化衍生物。

PAEs包含多種同分異構體，在檢測過程中難以區分，而HRMS技術的主要優勢在于其分離效果好、靈敏度高，能夠大大提高檢測結果的準確性。

2.3 高分辨質譜技術在抗生素降解產物鑒定中的應用

抗生素是一種生物活性物質，由人類和動物服用藥物后產生的尿液、糞便或生產廢水進入到環境中，經徑流或浸出污染土壤、地表水和地下水[31]，造成嚴重的環境污染和生態毒害問題，因此加強抗生素含量和分布的監測對解決其污染問題具有重要的作用。

Jin等[32]利用UPLC-Q-TOF/MS系統篩查了UV/H2O2降解氯霉素(CAP)過程中未知的TPs，在負離子掃描模式下檢測到CAP與羥基自由基反應的TPs主要為二氯乙酸和芳烴4-硝基苯甲酸。Wang等[33]對UV/H2O2和UV/PS兩種水處理工藝中甲砜霉素的降解效果進行了對比，利用LC-TOF/MS系統共鑒定出9種中間產物，其中有6種中間產物僅在UV/H2O2過程中檢測到，3種中間產物僅在UV/PS過程中檢測到，并基于獲得的中間產物提出了可能的降解途徑，同時得出UV/PS工藝對降解TAP更經濟有效的結論。Liu等[34]利用UPLC-Q-TOF/MS過程評估了碳酸氫根和碳酸根對AOP工藝降解四環素的影響，樣品經Discovery HS C18色譜柱(5 mm，150 mm×4.6 mm)分離，在正離子模式掃描下對其TPs進行測定，通過m/z和保留時間發現在4種不同的反應體系(UV/H2O2/t-BuOH/Na2CO3、UV/Na2CO3、UV/H2O2/Na2CO3、UV/pH 10.4 buffer)中觀察到了相同的TPs，表明在這些反應體系中存在類似的四環素降解機理。

抗生素種類多樣且結構復雜，因此在檢測時需要采用分析結構更為準確的高通量分析儀器，利用HRMS技術可對具有相同或相近保留時間的物質進行進一步的結構解析，在定性分析中具有較大的優勢，適用于發現和分析痕量未知的抗生素類物質。

2.4 高分辨質譜技術在亞硝胺降解產物鑒定中的應用

亞硝胺是具有亞硝基官能團的化學物質，目前已知的約有300多種，且大多具有致突變和致癌作用，但目前它們多作為消毒副產物出現。已有研究表明，臭氧消毒、氯化消毒、紫外線消毒和活性炭催化等處理工藝都會誘導亞硝胺的形成[35]。如Gerrity等[36]在經臭氧處理的生活廢水和工業廢水中均監測到了ng/L級的N-亞硝基甲基乙胺和N-亞硝基二丁胺。此外，亞硝胺的來源廣泛，包括食物、化妝品、尿液、消毒劑和染料等[37]。隨著人們對亞硝胺關注程度的提高，一些學者對它們在水環境中的形成和分布情況進行了研究。

污水處理廠活性污泥處理過程能夠降解亞硝胺，但對不同種類亞硝胺的去除效果差異較大，為評估其隨出廠水排放進入到地表水而造成的環境風險，需要實現對亞硝胺的有效監測。Krauss等[38]采用HPLC-Orbitrap/MS系統在單離子檢測掃描和選擇反應檢測掃描下對污水處理廠水處理過程中8種N-亞硝胺的濃度變化和去除效率進行了研究，發現8種N-亞硝胺的濃度范圍為5～20 ng/L，其中N-亞硝基二甲胺和N-亞硝基嗎啉在初級廢水中的濃度最大，N-亞硝基二甲胺在環境中的持久性最強，被認為是主要的N-亞硝胺類環境污染物。

已有研究發現，亞硝胺在飲用水中的含量極低，但其對人體健康造成的不良影響卻不容忽視[39]。由于水處理工藝的不同，可能會有由未知的亞硝胺前體物產生的額外的亞硝胺進入到環境中，因此對亞硝胺前體物的篩查也是一個較為重要的研究方向。Wu等[40]利用HPLC-Q-Trap/MS技術建立了飲用水中7種N-亞硝胺前體物的篩查方法，樣品經簡單過濾后直接上樣，每個樣品的分離和篩查過程在11 min內即可完成，不需提取或衍生化，除乙基-甲胺(5 μg/L)外，方法檢出限均在0.02～1 μg/L，且線性相關性良好，為飲用水中亞硝胺前體物的快速篩查與檢測提供了技術支持。

2.5 高分辨質譜技術在微囊藻毒素降解產物鑒定中的應用

近年來，隨著水體富營養化程度的增加，藍藻水華頻繁爆發，其產生的大量微囊藻毒素(MCs)嚴重威脅著飲用水和水產品安全。在水處理工藝中，氯、臭氧和AOP等化學處理技術雖然能夠實現對MCs的降解，但同時可能會產生有毒的消毒副產物從而造成二次污染[41]。He等[42]評估了幾種常見的MCs(MC-LR，MC-RR，MC-YR和MC-LA)在UV/AOP工藝中的降解情況，經LC-Q-TOF/MS系統全掃描發現，在UV處理過的水體中含有異構化和光水合反應副產物，在UV/H2O2處理過的水體中含有異構化、羥基化、羥基加成、雙鍵氧化裂解而產生的多種副產物。該研究為采用UV/AOP工藝降解MCs提供了重要的科學數據。

借助HRMS技術可以檢測不同處理條件下MCs的濃度和組成變化，從而研究不同因素對其降解效率的影響。如Karci等[43]為了評估酸/堿(富里酸/碳酸氫鈉)條件對太陽光-芬頓工藝降解MC-LR的影響，采用LC-Q-TOF/MS系統在正離子掃描模式下對500～1 300m/z的離子進行了篩查，結果表明富里酸能夠顯著提高MC-LR的降解速率，而低濃度的碳酸氫鈉會導致轉化產物的峰值面積緩慢增加。Jeong等[44]采用UPLC-Q-TOF/MS系統對高錳酸鹽氧化MC-LR過程中形成的中間產物進行了表征，通過質譜獲得的精確質量數檢測出TPs主要來自于Adda側鏈二烯和芳香環的氧化以及Mdha部分酰胺鍵的水解，并在反應過程中篩查出包含完整Adda鏈的有毒副產物，但其在60 min后卻完全消失，表明當高錳酸鹽與MC-LR接觸足夠長的時間(>60 min)時可有效減少殘余毒性并顯著提高MC-LR的氧化效率。

3 結論與展望

有機污染物在水處理過程中會發生一系列的降解反應，其中某些TPs的活性雖然比母體化合物降低，但其毒性卻可能大大增強。HRMS技術可為水環境中有機污染物及其TPs的篩查與鑒定提供強有力的技術支持，今后可從以下幾個方面開展深入的研究:

(1) 目前在有機污染物TPs的篩查檢測中依舊以低分辨質譜為主，應加強對HRMS技術裝備系統的基礎研發和應用研究。

(2) HRMS技術檢測和鑒定宜借助其他的輔助分析手段，如HRMS技術與核磁共振(NMR)、傅里葉紅外(FTIR)等技術聯用，從而以全方位、多視角地提供關于未知化合物的結構信息。

(3) 由于有機污染物TPs缺乏標準化合物，在全掃描模式下可能存在假陽性等問題，因此還需要加強對軟件模型和化學數據源庫的開發，以實現對龐大數據的快速提取和準確匹配。

(4) 目前對有機污染物TPs的研究還不夠系統，可結合典型水體或水處理工藝案例開展全生命周期遷移轉化和結構鑒定方面的探索性研究。