有機磷阻燃劑氣相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜裂解機理研究

楊吉雙，張慶合，蘇立強

(1.齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.中國計量科學(xué)研究院化學(xué)計量與分析科學(xué)研究所，北京 100029)

隨著溴系阻燃劑在全球范圍內(nèi)的限制使用，有機磷阻燃劑(organophosphorus flame retardants, OPFRs)作為良好的替代品，被廣泛應(yīng)用于塑料、紡織品、涂料、電子設(shè)備、家具等材料中，且生產(chǎn)量和使用量逐年增加[1-3]。OPFRs是一種添加型阻燃劑，通過物理混合方法直接將其加入到聚合物中，因此，原料生產(chǎn)和使用過程中的有害氣體極易釋放到周圍環(huán)境中。據(jù)文獻(xiàn)[4-6]報道，OPFRs廣泛存在于空氣、淤泥以及水體等環(huán)境中，并且在水稻、果蔬以及水生生物等食品[7-11]，人體尿液[12]、母乳[13]和血漿[14]中均能檢測到OPFRs。其中，OPFRs進(jìn)入人體的主要方式是通過食物攝入[15-16]，已有研究證實部分OPFRs對人體肝臟、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)具有毒性[17-18]。目前，OPFRs已經(jīng)受到國際高度關(guān)注，且制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制OPFRs的使用[19]。

根據(jù)取代基類型不同，OPFRs可分為烷基類、氯化類以及芳香類，不同類型OPFRs的理化性質(zhì)存在較大差異，應(yīng)用范圍有所不同。由于OPFRs大多為揮發(fā)性化合物，因此多數(shù)研究采用氣相色譜技術(shù)分析檢測OPFRs[20-22]，且多為OPFRs在環(huán)境中的分布和危害性，而關(guān)于OPFRs的裂解機理研究則較少。MA等[23]利用GC-MS技術(shù)考察了電子轟擊電離源(EI)、電子捕獲負(fù)化學(xué)電離源(ECNI)、正化學(xué)電離源(PCI)三種電離源下13種OPFRs的靈敏度及裂解機理，其中EI源表現(xiàn)出較高的靈敏度，但由于在該電離源下，烷基類OPFRs均產(chǎn)生豐度較高的m/z99碎片，并且該碎片不能提供被標(biāo)記的取代基信息，因此在使用內(nèi)標(biāo)物定量時會產(chǎn)生干擾。報道中解釋了在EI源條件下各類OPFRs共性裂解途徑：烷基類OPFRs經(jīng)過3次麥?zhǔn)现嘏藕螅裱璠M]+→[M-R+2H]+→[M-2R+3H]+→[M-3R+4H]+的裂解途徑；芳香類OPFRs分子離子峰豐度最大。

近年來，氣相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)為復(fù)雜體系的分離分析與鑒定提供了有力工具?；跉庀嗌V-四極桿飛行時間質(zhì)譜(GC-QTOF MS)的高分辨、高掃描速率、可通過窄窗口提取質(zhì)量數(shù)降低雜質(zhì)峰干擾的優(yōu)勢，本研究擬在全掃描模式下測定目標(biāo)化合物的精確質(zhì)量數(shù)，降低檢測假陽性率的同時，提高定性和定量的準(zhǔn)確性，并比較EI不同電離能下17種OPFRs的碎片離子信息，探究各化合物的裂解機理并選取特征離子，建立一級質(zhì)譜特征離子精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，希望為實現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)中OPFRs準(zhǔn)確測定提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

7200氣相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國Agilent公司產(chǎn)品，配有EI電離以及Mass Hunter數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；Sartorius SE2、ME614S分析天平：德國Sartorius公司產(chǎn)品；MX-S渦旋儀：美國Scilogex公司產(chǎn)品。

磷酸三正丁酯(TnBP)、磷酸三(2-乙基己基)酯(TEHP)、磷酸三丙酯(TnPP)、磷酸三(氯乙基)酯(TCEP)、磷酸三苯酯(TPHP)、磷酸(2-乙基己基)二苯酯(EHDPP)、磷酸鄰三甲苯酯(o-TCP)、磷酸間三甲苯酯(m-TCP)、磷酸對三甲苯酯(p-TCP)：德國Dr.Ehrenstorfer公司產(chǎn)品；磷酸三(異丁基)酯(TiBP)、磷酸三異丙酯(TiPP)、二丁基苯基磷酸酯(dBPhP)：加拿大TRC公司產(chǎn)品；磷酸三甲酯(TMP)、磷酸三乙酯(TEP)：美國Chemservice公司產(chǎn)品；磷酸三(2-氯異丙基)酯(TCIPP)：曼哈頓生物科技有限公司產(chǎn)品；磷酸三戊酯(TPeP)：德國安譜公司產(chǎn)品；磷酸三(1,3-二氯-2-丙基)酯(TDCIPP)：美國Supelco公司產(chǎn)品；乙酸乙酯(分析純)：德國Merck公司產(chǎn)品。

1.2 實驗條件

1.2.1色譜條件 色譜柱：Agilent DB-5MS UI石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序：50 ℃保持3 min，以20 ℃/min升至300 ℃，保持10 min；載氣：氦氣(99.999%)，流速1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度280 ℃；進(jìn)樣量1 μL，不分流。

1.2.2質(zhì)譜條件 EI離子源；電離能50 eV；四極桿溫度150 ℃；離子源溫度230 ℃；全掃描模式，質(zhì)量掃描范圍m/z50～500。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

以乙酸乙酯為溶劑，采用質(zhì)量法分別配制100 ng/g的17種OPFRs標(biāo)準(zhǔn)溶液，于-4 ℃保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 電離能的優(yōu)化

電子轟擊電離是一種硬電離技術(shù)，當(dāng)樣品分子獲得電離能后，分子離子會發(fā)生碎裂產(chǎn)生豐富的碎片離子。過高的電離能可能導(dǎo)致碎片離子過多，特征離子豐度降低，母離子豐度降低甚至消失；在較低的電離能下，母離子產(chǎn)生的碎片較少且豐度較低，增加了化合物鑒定的難度。因此，合適的電離能對化合物鑒定和檢測靈敏度非常重要。實驗選取烷烴類TnPP、氯化類TCEP、芳香類TPHP 3個具有代表性的OPFRs，在全掃描模式下進(jìn)行電離能優(yōu)化實驗。在20、30、50、70、90 eV電離能下，對100 ng/g TnPP、TCEP、TPHP平行測定6次，以電離能為橫坐標(biāo)，3個化合物的特征離子碎片豐度值為縱坐標(biāo)，繪制各化合物電離能優(yōu)化曲線，示于圖1?？梢钥闯?，在小于50 eV電離能時，各碎片豐度值隨電離能的增加而增加；大于50 eV電離能時，各碎片豐度值隨電離能的增加而減??；50 eV時，各化合物碎片顯示出最高的豐度值，表明50 eV電離能的檢測靈敏度最高。

對TnPP、TCEP、TPHP進(jìn)行6組平行實驗，分別計算20、30、50、70、90 eV電離能下3種化合物峰面積響應(yīng)的RSD值，結(jié)果列于表1?？梢钥闯?，在50 eV電離能下，各碎片離子RSD值相對較小，在1.81%～9.83%之間；在較低電離能下，TPHP無法獲得豐富的碎片離子。根據(jù)上述方法對其他OPFRs進(jìn)行測定，記錄各化合物在不同電離能下特征離子碎片的豐度響應(yīng)值，比較不同電離能檢測的靈敏度與精密度。結(jié)果表明，50 eV電離能測定OPFRs可以提高檢測的靈敏度，并且具有較好的重現(xiàn)性。

圖1 TnPP(a)、TCEP(b)、TPHP(c)電離能優(yōu)化曲線Fig.1 Ionization energy optimization curves of TnPP (a)、TCEP (b)、TPHP (c)

2.2 質(zhì)譜分析與裂解機理

在50 eV電離能下，對17種OPFRs進(jìn)行全掃描模式質(zhì)譜測定，探究各化合物的裂解碎片信息以及各碎片之間的相互關(guān)系，并分析烷基類、氯化類、芳香類OPFRs可能的裂解方式。通過推測TnPP、TCEP、TPHP可能的質(zhì)譜裂解途徑，驗證OPFRs裂解規(guī)律的可靠性。

2.2.1烷基類有機磷酸阻燃劑 8種烷基類OPFRs的質(zhì)譜圖示于圖2。TMP、TEP、TiPP、TnPP、TiBP、TnBP、TPeP、TEHP中的取代基分別為甲基、乙基、異丙基、正丙基、異丁基、正丁基、正戊基、2-乙基己基，該類化合物在裂解過程中常表現(xiàn)為丟失各自取代基(R)，加H后得到相應(yīng)碎片離子。除TMP外，均形成了[M-R+2H]+、[M-2R+3H]+、[M-3R+4H]+碎片離子，其中[M-3R+4H]+(m/z98.983 3)的碎片離子峰均為基峰。TMP的質(zhì)譜圖(圖2a)中，碎片離子m/z140.021 8為分子離子峰M+·，其斷裂C—O鍵失去2個甲基(-CH3)形成[M-2CH3]+(m/z110.011 1) 碎片離子，或斷裂P—O鍵失去甲氧基(—OCH3)形成[M-OCH3]+(m/z109.003 3) 碎片離子，m/z110.011 1碎片離子豐度遠(yuǎn)高于m/z109.003 3，表明C—O鍵較P—O鍵更易斷裂，進(jìn)一步證明該類化合物易丟失各自取代基。此外，烷基類OPFRs在裂解過程中還伴隨失水或失氧的現(xiàn)象。例如：互為同分異構(gòu)體的TiPP(圖2c)和TnPP(圖2d)，TiBP(圖2e)和TnBP(圖2f)，其中含有支鏈取代基的TiPP和TiBP易失去氧離子，分別形成[C3H10O3P]+(m/z124.999 0)和[C4H12O3P]+(m/z139.014 2) 碎片離子；而TnPP和TnBP則更易失去水分子，分別形成[C3H8O3P]+(m/z123.019 7)和[C4H10O3P]+(m/z137.036 6) 碎片離子。這可能由于TiPP和TiBP的支鏈甲基占據(jù)了γ-H的位置，羥基的氧原子不易奪取γ-H，因此以氧離子的形式失去。

表1 不同電離能下測定 TnPP、TCEP、TPHP精密度 (n=6)Table 1 Precisions of TnPP, TCEP, TPHP for different ionization energies (n=6)

2.2.2氯化類有機磷酸阻燃劑 氯化類OPFRs的質(zhì)譜圖示于圖4，同樣遵循[M]+→[M-R+2H]+→[M-2R+3H]+→[M-3R+4H]+的裂解規(guī)律，并伴隨著失水或失氧的現(xiàn)象。此外，氯化類OPFRs裂解過程通常會從鍵能最低處C-Cl鍵斷裂，形成[M-Cl]+、[M-HCl]+碎片離子。由于TCIPP和TDCPP的取代基存在支鏈，因此易失去—CH2Cl形成[C8H15Cl2O4P]+(m/z277.014 3)(圖4b)和[C8H13Cl5O4P]+(m/z381.893 3)碎片離子(圖4c)；支鏈的存在會使TCIPP和TDCPP的取代基發(fā)生斷裂，形成豐度較高的特征離子碎片。例如：TCIPP在失去一個取代基后，在另一個取代基支鏈處繼續(xù)斷裂形成[C5H11ClO4P]+(m/z201.006 9)碎片離子；TDCPP取代基C3H5Cl2的支鏈處為電負(fù)性較大的氯原子，易發(fā)生消去反應(yīng)，失去HCl形成[C3H4Cl]+(m/z74.998 9)碎片離子。

氯化類OPFRs在質(zhì)譜圖中表現(xiàn)出較強的同位素離子峰，根據(jù)碎片離子豐度比的差異，可推斷各碎片離子所含氯原子的數(shù)量，為探究裂解規(guī)律提供依據(jù)。例如：TCEP質(zhì)譜圖(圖4a)中，m/z248.984 0、222.967 5、204.957 1碎片離子處均出現(xiàn)3個同位素離子峰，且離子豐度比大約為9∶6∶1，可推斷這3個碎片離子都含2個氯；m/z142.965 0和m/z186.990 0均出現(xiàn)2個同位素離子峰，豐度比大約為3∶1，可推斷這2個碎片離子都含1個氯；而m/z124.998 9碎片離子未出現(xiàn)同位素離子峰，可推斷該碎片離子不含氯。

注：a.TMP；b.TEP；c.TiPP；d.TnPP；e.TiBP；f.TnBP；g.TPeP；h.TEHP圖2 EI源模式下，8種烷基類有機磷阻燃劑質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectra of 8 alkyl phosphates at EI mode

代表性TCEP可能的質(zhì)譜裂解途徑示于圖5，其易斷裂C—Cl鍵失去氯原子，形成[M-Cl]+(m/z248.984 0) 碎片離子。[M]+(m/z283.953 9)經(jīng)過3次γ-H重排，每次重排后失去1個—C2H4Cl(m/z62.999 0)，分別得到[C4H10Cl2O4P]+(m/z222.967 5)、[C2H7ClO4P]+(m/z160.976 4)、[H4O4P]+(m/z98.983 3)碎片離子。其中m/z222.967 5碎片離子易失水形成[C4H8Cl2O3P]+(m/z204.957 1)碎片離子，或者發(fā)生消去反應(yīng)，以HCl的形式脫去，形成[C4H7ClO4P]+(m/z186.990 0)碎片離子；m/z186.990 0碎片離子取代基鏈端含有氯原子，電負(fù)性較大，易發(fā)生吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)而失去—CH2CH2Cl，加H后形成[C2H6O4P]+(m/z124.998 9)碎片離子。通過對TCEP可能裂解途徑的推斷，驗證了氯化類OPFRs裂解規(guī)律的可靠性。

圖3 EI源模式下，TnPP可能的裂解途徑Fig.3 Proposed fragmentation pathways of TnPP at EI mode

注：a.TCEP；b.TCIPP；c.TDCPP圖4 EI源模式下，3種氯化類有機磷阻燃劑質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectra of 3 chloro phosphates at EI mode

EI源模式下，6種芳香類有機磷阻燃劑質(zhì)譜圖示于圖6。芳香類OPFRs具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，故其質(zhì)譜圖中均顯示出豐度較高的分子離子峰，其中TPHP、o-TCP、m-TCP、p-TCP最明顯，可利用分子離子對各化合物定量；此外，在各化合物中均有質(zhì)量數(shù)相差1的同位素離子峰。芳香類OPFRs存在共軛效應(yīng)，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，沒有發(fā)生γ-H重排。

o-TCP、m-TCP、p-TCP是3個互為同分異構(gòu)體的芳香類OPFRs，各化合物碎片離子種類基本相似，但其豐度卻存在很大差異，這是由甲基在苯環(huán)上不同取代位置導(dǎo)致的。o-TCP的甲基作為給電子基取代苯環(huán)鄰位H時，導(dǎo)致該處電子云密度增大，C—O鍵間存在明顯的斥力，C—O鍵斷裂形成[C14H14O4P]+(m/z277.061 1)和[C7H7]+(m/z91.053 0)碎片離子，而m-TCP、p-TCP更易斷裂P—O鍵形成碎片離子[C14H14O3P]+(m/z261.065 3、261.067 0)；o-TCP形成的C7H7基團(tuán)相對較多，易與C6H5基團(tuán)結(jié)合，脫H后得到[C13H9]+(m/z165.068 9)碎片離子，該碎片離子豐度明顯高于m-TCP、p-TCP形成的m/z165.069 1、165.069 7，表明o-TCP更易斷裂C—O鍵。dBPhP和EHDPP都是含有烷烴鏈的芳香類OPFRs，二者的斷裂方式可能與分子的對稱性有關(guān)。dBPhP含有2個-C4H9，易斷裂P—O鍵失去苯酚基，再失去H2O形成[C8H16O2P]+(m/z175.014 7)碎片離子；而EHDPP含有2個芳香基，易斷裂C—O鍵，得到2個H后形成[C12H12O4P]+(m/z251.045 2)離子。

圖5 EI源模式下，TCEP可能的裂解途徑Fig.5 Proposed fragmentation pathways of TCEP at EI mode

注：a.dBPhP；b.TPHP；c.EHDPP；d.o-TCP；e.m-TCP；f.p-TCP圖6 EI源模式下，6種芳香類有機磷阻燃劑質(zhì)譜圖Fig.6 Mass spectra of 6 aryl phosphates at EI mode

以TPHP為例，其裂解途徑示于圖7。在EI源下，TPHP易在P—O鍵和C—O鍵處發(fā)生斷裂，分別形成[C12H10O3P]+(m/z233.035 2)和[C12H10O4P]+(m/z249.030 7)碎片離子。其中m/z233.035 2碎片離子豐度明顯高于m/z249.030 7，這可能是由于苯環(huán)和氧負(fù)離子的強吸電子作用，使P—O鍵更易斷裂，同時形成[C6H6O]+(m/z94.040 6)碎片離子。該碎片離子在沒有其他取代基的情況下可發(fā)生氫重排，然后經(jīng)a、i斷裂形成[M-HCO]+(m/z65.038 2)碎片離子。另外，m/z77.037 9、 65.038 2、m/z51.022 1都是TPHP芳香環(huán)的特征峰。

2.3 一級精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫特征離子信息

基于TOF MS高精確質(zhì)量數(shù)的測定，MS Interpreter推斷的可能化學(xué)式數(shù)量減少。對于小分子化合物，MS Interpreter推斷的離子碎片只有一個化學(xué)式，提高了化合物定性的準(zhǔn)確性。本實驗分別對17種OPFRs標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行檢測，得到各化合物碎片離子的精確質(zhì)量數(shù)。根據(jù)軟件中給定的元素組成，結(jié)合OPFRs結(jié)構(gòu)和裂解機理進(jìn)行驗證，確認(rèn)各特征碎片離子的準(zhǔn)確化學(xué)式，建立OPFRs一級精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，列于表2。該數(shù)據(jù)庫包含每種OPFRs的保留時間、特征碎片離子以及各碎片離子的精確質(zhì)量數(shù)，為復(fù)雜基質(zhì)中OPFRs的測定提供了依據(jù)。根據(jù)一級精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫信息，同時對17種化合物的特征碎片離子進(jìn)行質(zhì)量提取，得到的提取色譜圖示于圖8。

圖7 EI源模式下，TPHP可能的裂解途徑Fig.7 Proposed fragmentation pathways of TPHP at EI mode

3 結(jié)論

利用GC-QTOF MS技術(shù)，在EI源全掃描模式下比較了烷烴類、氯化類和芳香類OPFRs可能的裂解機理。結(jié)果表明，烷烴類和氯化類OPFRs通常會發(fā)生3次γ-H重排，分別形成[M-R+2H]+、[M-R+3H]+、[M-R+4H]+碎片離子；OPFRs雜原子(P、O)的α位、飽和烷烴的支鏈?zhǔn)橇呀獾闹饕课?，且在裂解過程中常伴隨失水或失氧的現(xiàn)象；各化合物的碎片離子豐度與裂解方式、各原子之間的鍵能有關(guān)，裂解方式越容易，或裂解部位越不穩(wěn)定，則形成的碎片離子豐度越高。[M-R+4H]+

表2 17種OPFRs特征離子信息Table 2 Characteristics of 17 OPFRs

注：1.TMP;2.TEP;3.TiPP;4.TnPP;5.TiBP;6.TnBP;7. TCEP;8.TCIPP;9. dBPhP;10.TPeP;11.TDCPP;12.TPHP;13.EHDPP;14.TEHP;15.o-TCP;16.m-TCP;17.p-TCP圖8 EI源模式下，17種OPFRs提取色譜圖Fig.8 Extraction chromatogram of 17 OPFRs at EI mode

即為質(zhì)子化的磷酸基團(tuán)[H4PO4]+，是烷烴類和氯化類OPFRs的主要碎片離子。此外，氯化類OPFRs通常會形成明顯的[M-Cl]+、[M-HCl]+碎片離子，根據(jù)該類化合物碎片離子豐度比差異，可進(jìn)一步推斷碎片離子含氯原子數(shù)量。芳香類OPFRs存在共軛效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，P—O鍵更易斷裂得到豐度較高的苯酚基碎片離子；由于甲基在苯環(huán)上取代位置不同，導(dǎo)致互為同分異構(gòu)體的o-TCP、m-TCP、p-TCP碎片離子種類基本相似，但離子豐度卻存在很大差異。根據(jù)氧負(fù)離子的強吸電子作用，烷烴類、氯化類和芳香類OPFRs在裂解過程中都會伴隨失去水分子的現(xiàn)象。通過對OPFRs裂解規(guī)律的研究，建立了一級特征離子精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，為測定復(fù)雜基質(zhì)樣品中OPFRs提供了依據(jù)，有助于減少假陽性和假陰性結(jié)果的發(fā)生。