多氯聯(lián)苯的質(zhì)譜裂解規(guī)律探析

呂蒙瑩，黃婉秋，田 媛，黃 寅，張尊建,2，許風(fēng)國(guó),2

(1. 中國(guó)藥科大學(xué)藥物質(zhì)量與安全預(yù)警教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009； 2. 中國(guó)藥科大學(xué)天然藥物活性組分與藥效國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009)

多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)是聯(lián)苯苯環(huán)上若干個(gè)氫原子被氯取代后生成的人工有機(jī)化合物的總稱，根據(jù)氯原子數(shù)目和位置的不同，共有209種同系物，命名為PCB1～PCB209。目前，PCBs多被用作變壓器和電容器內(nèi)的絕緣介質(zhì)、熱交換劑和潤(rùn)滑劑等。作為典型的持久性有機(jī)污染物，PCBs具有難降解(滯留時(shí)間長(zhǎng))、高脂溶性(水溶性極低)的特點(diǎn)，易在食物鏈中富集，同時(shí)具有多種生物毒性，如免疫毒性、生殖毒性及神經(jīng)發(fā)育毒性等。因此，PCBs的污染問(wèn)題引起了全球的廣泛關(guān)注，開(kāi)展對(duì)PCBs的研究工作具有現(xiàn)實(shí)意義[1-8]。

對(duì)PCBs的研究多采用氣相色譜法，如氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)法(GC-ECD)[9]、氣相色譜-電子轟擊離子源質(zhì)譜法(GC-EI-MS)[10]、氣相色譜-負(fù)化學(xué)離子源質(zhì)譜法(GC-NCI-MS)[11]等。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)擬采用GC-EI-MS法和液相色譜-大氣壓化學(xué)電離質(zhì)譜(LC-APCI-MS)法對(duì)6種多氯聯(lián)苯化合物進(jìn)行分析，并比較兩種電離方式下PCBs的質(zhì)譜裂解規(guī)律，以期為其他PCBs的快速鑒定提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

GC/MS-QP2010Ultra氣相色譜-四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀：日本島津公司產(chǎn)品，配有電子轟擊離子源(EI)及GC/MS solution V2.71工作站；LC/MS-8040液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀：日本島津公司產(chǎn)品，配有電噴霧離子源、大氣壓化學(xué)離子源、Lab Solutions Ver 5.53工作站；CAP型電子分析天平：德國(guó)Sartorius公司產(chǎn)品。

1.2 主要材料與試劑

甲醇、乙腈、正己烷(色譜純)：美國(guó)Honeywell公司產(chǎn)品；6種PCBs標(biāo)準(zhǔn)樣品：美國(guó) Accu Standard公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水。

樣品溶液的配制：將1 g/L PCB118、PCB209正己烷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液和10 mg/L PCB101、PCB138、PCB153、PCB180異辛烷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用正己烷稀釋至1 mg/L，供GC/MS分析；用甲醇、乙腈稀釋至 1 mg/L，供LC-MS/MS分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

1.3.1 GC/MS色譜條件 色譜柱：Rtx-5MS毛細(xì)管柱 (30 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序：初溫140 ℃，保持0.5 min，以30 ℃/min升至320 ℃，保持5.5 min；載氣He；進(jìn)樣量1 μL，不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣口溫度280 ℃。

1.3.2 GC/MS質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，接口溫度280 ℃，質(zhì)量掃描范圍m/z130～510。

1.3.3 LC-MS/MS色譜條件 色譜柱：Agilent ZORBAX SB-C18柱 (2.1 mm×50 mm×1.8 μm)；柱溫40 ℃；等度洗脫；流動(dòng)相：乙腈-水溶液(80∶20，V/V)，甲醇-水溶液(80∶20，V/V)；流速0.3 mL/min；進(jìn)樣量3 μL。

1.3.4 LC-MS/MS質(zhì)譜條件 大氣壓化學(xué)離子源，負(fù)離子模式，接口溫度350 ℃，脫溶劑管溫度150 ℃，加熱模塊溫度200 ℃，離子源接口電壓-4.5 kV，霧化氣流速3 L/min，干燥氣流速5 L/min，質(zhì)量掃描范圍m/z150～650。

2 結(jié)果與討論

2.1 EI-MS分析

6種PCBs的分子結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量列于表1。由于氯原子具有特征同位素分布，因此在EI質(zhì)譜上呈現(xiàn)相應(yīng)的分子離子同位素峰，其相對(duì)豐度列于表2?？梢钥闯?，6種PCBs的分子離子峰均不是基峰，但隨著氯原子數(shù)目由5增加到10，37Cl對(duì)M、M+2峰豐度的貢獻(xiàn)逐漸減少，對(duì)M+4、M+6等峰豐度的貢獻(xiàn)逐漸增加。因此，五氯聯(lián)苯PCB101及PCB118、六氯聯(lián)苯PCB138及PCB153、七氯聯(lián)苯PCB180的M+2峰為基峰，而十氯聯(lián)苯PCB209的M+4峰為基峰。

PCBs同系物從單個(gè)氯原子的取代到全取代，其分子離子同位素峰間的相對(duì)豐度比M%∶(M+2)%∶(M+4)%……可由二項(xiàng)式(a1+a2)n展開(kāi)式計(jì)算得到，理論值列于表3。對(duì)比表2和表3可以看出，每種PCB的分子離子同位素峰豐度PM%、PM+2%、PM+4%…與其對(duì)應(yīng)的理論值相近。因此，通過(guò)化合物的分子離子同位素峰的相對(duì)豐度比可以確定化合物中氯原子的數(shù)目，從而無(wú)需通過(guò)高分辨質(zhì)譜分析確定其分子式。

從鍵長(zhǎng)和鍵能方面考慮，C—Cl鍵容易斷裂，因此6種PCBs的EI質(zhì)譜圖中除了有高豐度的分子離子同位素峰外，還有丟失一個(gè)或幾個(gè)氯的碎片離子同位素峰，分析結(jié)果列于表4。6種PCBs的碎片離子峰以丟失2個(gè)氯原子的碎片離子同位素峰豐度最高，而失去3個(gè)氯原子的碎片離子同位素峰豐度均小于12%。以五氯聯(lián)苯PCB101為例, 其分子離子同位素M+2峰(C1235Cl437ClH5，325.95)豐度為100%，失去2個(gè)氯原子的碎片離子同位素峰(C1235Cl237ClH5，256.00)豐度為60%，而失去3個(gè)氯原子的碎片離子峰(C1235Cl2H5，m/z219.00)豐度僅為8%。

表2 6種PCBs的分子離子同位素峰的相對(duì)豐度

表3 PCBs的分子離子同位素峰的理論相對(duì)豐度比

表4 6種PCBs的碎片離子峰相對(duì)強(qiáng)度

2.2 HPLC-APCI-MS分析

大氣壓離子源(API)包括ESI、APCI等多種離子化方式，是目前LC/MS常用的接口，其中以ESI的應(yīng)用最為普遍。ESI適用于分析中等極性到強(qiáng)極性的化合物，特別是那些在溶液中能預(yù)先形成離子的化合物和可以獲得多個(gè)質(zhì)子的大分子化合物，而多氯聯(lián)苯是聯(lián)苯苯環(huán)上的若干個(gè)氫原子被氯取代形成的一類弱極性有機(jī)氯化合物，因此本研究選用適合分析非極性或中等極性小分子的APCI 離子源[12-16]。

在APCI離子源中，6種多氯聯(lián)苯均檢測(cè)不到其(準(zhǔn))分子離子峰，但卻能檢測(cè)到質(zhì)量比樣品分子質(zhì)量少19 u的負(fù)離子峰，并且該類負(fù)離子同位素峰的強(qiáng)度變化規(guī)律與EI質(zhì)譜中分子離子同位素峰的強(qiáng)度變化規(guī)律一致。由此可推斷，APCI-MS中出現(xiàn)的質(zhì)量比樣品分子質(zhì)量少19 u的負(fù)離子應(yīng)與C—Cl鍵的斷裂有關(guān)。根據(jù)分子質(zhì)量差值可知，這些離子在解離了一個(gè)氯原子后，結(jié)合了一個(gè)質(zhì)量為16的原子或基團(tuán)，可能為O、NH2、CH4等。丁杰等[17]在8種全氯代多環(huán)芳烴的APCI-MS質(zhì)譜圖中發(fā)現(xiàn)了存在質(zhì)量比樣品分子質(zhì)量少19 u的加合離子峰，并推斷是全氯代多環(huán)芳烴在解離一個(gè)氯原子后，從流動(dòng)相的甲醇分子中捕獲一個(gè)羥基，隨后又失去一個(gè)質(zhì)子形成的。彭銀[18]在10種多氯代多環(huán)芳烴的APCI-MS質(zhì)譜圖中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，并將其歸結(jié)為失去一個(gè)氯的不穩(wěn)定離子從流動(dòng)相甲醇中捕獲甲氧基，再失去甲基，從而生成穩(wěn)定的“相對(duì)分子質(zhì)量減19 u”的加合離子。以上兩種解釋都認(rèn)為，加合離子的形成與APCI離子源的環(huán)境(甲醇為流動(dòng)相)有關(guān)。分別以乙腈-水溶液(80∶20，V/V)、甲醇-水溶液(80∶20，V/V)為流動(dòng)相進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種情況下6種PCBs的APCI-MS質(zhì)譜圖未發(fā)生明顯變化，因此推斷多氯聯(lián)苯是在電離過(guò)程中解離一個(gè)氯原子后，從流動(dòng)相的水分子中捕獲了一個(gè)羥基，隨后又失去一個(gè)質(zhì)子，而成為穩(wěn)定的“相對(duì)分子質(zhì)量減19 u”的負(fù)離子。

五氯聯(lián)苯PCB118的大氣壓化學(xué)電離質(zhì)譜圖示于圖1。以此質(zhì)譜分析結(jié)果為例，并結(jié)合前面對(duì)EI-MS質(zhì)譜圖中PCB118的分子離子同位素峰324(M，C1235Cl5H5，60%)、326.00(M+2，C1235Cl437ClH5，100%)、328.00(M+4，C1235Cl337Cl2H5，65%)、330.00(M+6，C1235Cl237Cl3H5，18%)的分析，推斷豐度為76%的加合離子峰304.95(324-19)的形成應(yīng)與35Cl的解離和O的結(jié)合有關(guān)，豐度為100%的加合離子峰306.95(326-19，328-21)的形成應(yīng)與35Cl或37Cl的解離和O的結(jié)合有關(guān)，豐度為48%的加合離子峰308.95(328-19，330-21)的形成應(yīng)與35Cl或37Cl的解離和O的結(jié)合有關(guān)，豐度僅為12%的加合離子峰311.00(330-19)的形成應(yīng)與35Cl的解離和O的結(jié)合有關(guān)。進(jìn)一步對(duì)PCB101、PCB138、PCB153、PCB180、PCB209進(jìn)行APCI-MS分析，結(jié)果列于表5。數(shù)據(jù)表明，這5種PCBs均產(chǎn)生質(zhì)量比樣品分子質(zhì)量少19 u的加合離子峰，并且APCI質(zhì)譜中加合離子同位素峰的強(qiáng)度變化規(guī)律與EI質(zhì)譜中分子離子同位素峰的強(qiáng)度變化規(guī)律一致。

通過(guò)APCI-MS分析發(fā)現(xiàn)，樣品除產(chǎn)生加合離子外，并未發(fā)生進(jìn)一步的裂解，所以對(duì)于未知的PCBs，即使檢測(cè)不到其分子離子同位素峰，也可將加合離子的質(zhì)量加上19 u而得到未知組分的相對(duì)分子質(zhì)量，進(jìn)而確定其分子式。APCI離子源作為L(zhǎng)C/MS的接口，可與HPLC聯(lián)用，從而使質(zhì)譜掃描結(jié)果相同的同分異構(gòu)PCBs也可以通過(guò)HPLC實(shí)現(xiàn)分離。

圖1 20 mg/L PCB118的APCI-MS質(zhì)譜圖Fig.1 APCI-MS of 20 mg/L PCB118

化合物加合離子同位素峰PCB101304.95(79)307.00(100)309.00(47)311.05(16)PCB118304.95(76)306.95(100)308.95(48)311.00(12)PCB138338.95(68)340.95(100)342.95(74)344.90(19)PCB153338.95(68)340.95(100)342.95(56)344.95(20)PCB180372.90(50)374.90(100)376.90(90)378.90(45)380.90(12)PCB209474.75(30)476.75(85)478.75(100)480.70(75)482.75(40)484.70(12.5)

3 結(jié)論

本工作探討了PCBs化合物在不同離子源條件下的質(zhì)譜裂解規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此類化合物在EI離子源中，分子離子同位素峰為最強(qiáng)峰，失去2個(gè)氯原子的碎片同位素峰為次強(qiáng)峰，但分子離子峰不一定是基峰，通過(guò)計(jì)算氯原子取代數(shù)目不同的PCBs分子離子同位素峰間M%∶(M+2)%∶(M+4)%…相對(duì)豐度比的理論值，并對(duì)6種PCBs化合物進(jìn)行EI-MS分析，發(fā)現(xiàn)隨著PCBs氯原子取代數(shù)目的增加，基峰從M變化到M+2再到M+4。在APCI離子源中，無(wú)(準(zhǔn))分子離子峰，但存在質(zhì)量比樣品分子質(zhì)量少19 u的加合離子峰，并且該加合離子同位素峰的強(qiáng)度變化規(guī)律與EI質(zhì)譜中分子離子同位素峰的強(qiáng)度變化規(guī)律一致。結(jié)合EI-MS質(zhì)譜圖中對(duì)各物質(zhì)的分子離子同位素峰的分析，以及對(duì)不同流動(dòng)相條件下APCI-MS質(zhì)譜圖的分析，推斷該加合離子是多氯聯(lián)苯在解離一個(gè)氯原子后，從流動(dòng)相的水分子中捕獲一個(gè)羥基，隨后又失去一個(gè)質(zhì)子形成的。對(duì)這6種化合物在EI離子源和APCI離子源中裂解規(guī)律的研究有助于此類化合物的快速鑒定。

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