谱图准确度在高分辨飞行时间质谱分析有机炸药中的应用

刘占芳, 李 斌, 徐建中, 孙振文，周 红, 孙玉友, 欧阳伟民

(1. 公安部物证鉴定中心， 北京 100038；2. 北京绿绵科技有限公司, 北京 100080)

近年来，随着世界各国反恐能力的提升，恐怖袭击的手段也发生了很大变化，利用高能有机炸药进行爆炸恐怖袭击的案件不断发生，严重危害人民的生命财产和公共安全。通过对犯罪现场相关物证中有机炸药的检验鉴定，可以为案件侦破提供关键的线索和证据，因此有机炸药爆炸物的分析研究是打击恐怖势力、快速侦破案件的重要措施。

由于高分辨飞行时间质谱可以通过精确质量的测定，计算出目标化合物的元素组成信息(即分子式)，且具有灵敏度高和分析速度快的优点，已成为目前法庭科学领域复杂基体中痕量有机炸药鉴定的重要手段。尽管质量准确度是质谱解析未知化合物元素组成的重要因素，但并不是准确确定未知物的充分条件。研究表明，即使质谱测定的质量误差小于10-6，仍有许多的待选化学式无法排除[1-3]。近年来，一种结合了高质量精度和同位素丰度比概念的新技术可以帮助排除那些质量误差非常小，但同位素信息匹配较差的化学式[4-5]，大大改善了质谱定性未知化合物的准确性[6-7]。

本研究应用实时直接分析高分辨飞行时间质谱(DART-TOF MS)法对2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、环三亚甲基三硝铵(RDX)、环四亚甲基四硝铵(HMX)、季戊四醇四硝酸酯(PETN)四种常见的有机炸药及其爆炸残留物进行精确质量数的测定，运用MassWorks软件对炸药离子进行同位素轮廓分析，利用谱图准确度[8]对炸药离子的元素组成进行解析。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

DART实时直接分析离子源：美国Ion Sense公司产品；JMS-T100LP Accu TOF-MS高分辨飞行时间质谱仪：日本电子JEOL公司产品；MassWorks质谱解析软件：美国Cerno Bioscience公司产品。

丙酮(分析纯)：国药集团化学试剂有限公司产品。

1.2 实验条件

DART参数: DART与质谱锥孔之间的距离25 mm，放电针电压4 000 V，出口电极偏转电压-100 V，采用负离子模式扫描。

Accu TOF MS参数：质谱的分辨率在6 000以上，质量扫描范围m/z50～500，采用负离子模式扫描。

1.3 样品制备

TNT、RDX、HMX、PETN标准样品：由西安204所提供。

准确称取TNT、RDX、HMX、PETN四种有机炸药标样，用丙酮配制成0.001 g/L的溶液。

1.4 数据处理

利用Accu TOF质量校正功能，对得到的炸药DART-TOF MS谱图进行质量内校正，测定出谱图中各个离子的精确质量数；在Accu TOF工作站中设定检索质量误差为5 mu，可能的元素组成为C(0～10)、H(0～20)、O(0～20)、N(0～20)，检索可能的待选化学式，得到质量准确度数据。在MassWorks中，利用sCLIPS功能对DART-TOF MS谱图进行噪音过滤和峰形校正处理，然后采用与Accu TOF完全一致的条件检索化学式，得到谱图准确度数据。

2 结果与讨论

2.1 四种有机炸药的DART-TOF MS解析

常见的有机炸药中多含有亲电的硝基部分，其热稳定性差、易分解，给质谱鉴定带来很大困难，采用直接进样方式和DART原位电离技术可降低有机炸药分解几率[9-11]，有效提高鉴定水平和鉴定准确率。本研究应用DART-TOF MS对TNT、RDX、HMX、PETN四种常见有机炸药进行检测分析，其质谱图示于图1。可以看到，在DART负离子模式下，飞行时间质谱检测到的通常为化合物的分子离子峰和特征加合离子峰[12-13]，相比于传统的电子轰击技术得到的低质量碎片离子峰[14-17]，特征成分更明显，更易解析。在TNT的DART-TOF MS谱图中，主要观察到[M]-和[M-H]-两个分子离子特征峰；而在RDX、HMX谱图中几乎观察不到分子离子峰和[M-H]-离子，但能观察到强度非常明显的[M+NO2]-加合离子特征峰；PETN在DART负离子模式下，只能观察到 [M+NO3]-加合离子特征峰。因此，在实际定性分析中，以[M-H]-离子作为TNT分析的标准，[M+NO2]-离子作为RDX、HMX分析的标准，[M+NO3]-离子作为PETN分析的标准，而谱图中其余的特征离子可作为辅助定性的依据。

图1 TNT (a), RDX(b), HMX(c), PETN(d)有机炸药的DART-TOF MS质谱图Fig.1 The DART-TOF MS spectra of TNT (a), RDX(b), HMX(c), PETN(d)

2.2 有机炸药元素组成的质谱解析

Accu TOF预测化合物分子式的主要方式是在一定质量误差范围内，根据测定的准确质量将可能存在的元素排列组合，计算出可能存在的分子式[18-19]。图1中，TNT产生的[M-H]-、RDX和HMX产生的[M+NO2]-、PETN产生的[M+NO3]-离子经过精确质量校正后的质量数分别为226.010 8、268.029 9、342.040 5、378.003 3，在5 mu质量误差范围内，由C、H、O、N元素组成待选分子式。若以质量准确度来识别，准确的分子式C7H4N3O6、 C3H6N7O8、 C4H8N9O10、C5H8N5O15分别排在第3、第2、第2和第5位(表1)。利用MassWorks的同位素峰形校正检索技术，根据同位素峰形轮廓匹配原则，推测加合离子的分子式，TNT、RDX、HMX、PETN加合离子的分子式根据谱图准确度均排在第1位(表1)。结果表明，尽管质量准确度在化合物的质谱解析中至关重要，但它并不能作为未知化合物质谱解析的唯一依据，而同位素分布信息却是质谱解析未知物元素组成不可或缺的重要信息。

表1 质谱准确度与谱图准确度的分析结果

这里以TNT质谱图为例，[M-H]-离子单同位素峰为校正基准峰，将整个质谱图(包含全部的同位素信息)校正成正态分布曲线，示于图2，待选分子式按谱图准确度的大小被重新排序，结果列于表2。在表2中，排在前3位的分子式谱图准确度非常接近，误差在0.13%以内，如果不将质谱峰形校正成最接近理论峰形，谱图准确度识别分子式的实际意义也不大。C7H4N3O6、C9H6O7校正谱图与理论谱图的匹配结果示于图2。C7H4N3O6同位素峰形匹配完美，而C9H6O7在m/z228处与理论谱图存在差异。

表2 [M-H]-离子的MassWorks分析结果

注：待选分子式按谱图准确度大小排序

注：实线代表校正谱图；虚线代表理论谱图图2 MassWorks识别m/z 226.010 8分子式的结果Fig.2 The identifitable results of m/z 226.010 8 formula

2.3 实际案例分析

有机炸药爆炸完全，爆炸现场提取到的经常是痕量样品。由于样品量较少，所以应用高分辨飞行时间质谱进行检验时灵敏度较低，经常会出现质量准确度降低的现象。应用MassWorks软件进行处理，通过高质量精度和同位素丰度相结合的方式，可以排除那些质量误差非常小，但同位素分布模式匹配较差的分子式，以提高化合物定性的准确性。

从某炸药实际案例中获得TNT的DART-TOF MS谱图示于图3，从图中能明显观察到[M]-、[M-H]-、[M-NO2]-离子的存在，符合TNT的DART断裂模式。质量内校正后得到[M-H]-和[M-NO2]-离子的准确质量为226.009 2和181.023 4，[M-H]-离子C7H4O6N3按质量准确度识别排在所有10个待选化学式的第5位，谱图准确度排在第3位。谱图准确度第2位的分子式C5H2O5N6根据“氮规则”被排除，而第1位的分子式C3O4N9违反了Kind等[3]所描述的元素组成规律也可以被排除。为了验证C7H4O6N3分子式的准确性，对碎片离子[M-NO2]-进行了解析，结果列于表3。综合2个离子的谱图准确度分析结果，可以确定该化合物为TNT炸药。2个离子的实际校正同位素峰形与理论同位素峰形匹配结果示于图4。

图3 实际案例的TNT DART-TOF MS谱图Fig.3 DART-TOF MS spectra for case of TNT

离子分子式理论质量/u质量准确度排序质量误差/mu谱图准确度排序谱图准确度[M-H]-C7H4N3O6226.010 052.019 9398.150 8[M-NO2]-C7H5N2O4181.024 941.921 7197.372 7

图4 MassWorks识别的案例中[M-H]-和[M-NO2]-分子式的结果Fig.4 The identifitable results of [M-H]- and [M-NO2]- formula by MassWorks in case

3 小结

在未知化合物的实际定性工作中，尤其是在基体复杂的爆炸物分析中，不能仅依靠高分辨质谱测定化合物的准确质量来确定化合物的元素组成，还需要充分利用质谱的同位素轮廓信息来更准确地推测分子式。因此，在有机炸药的鉴定工作中，通过高分辨质谱的准确质量测定与同位素轮廓的谱图准确度相结合的方式，可从质量误差已经非常小的待选化学式中识别出最准确的分子式，减轻了进一步鉴定未知爆炸物的工作负担，可为鉴定工作带来极大的方便。

[1] KIND T, FIEHN O. Metabolomic database annotations via query of elemental compositions: Mass accuracy is insufficient even at less than 1 ppm[J]. BMC Bioinformatics, 2006, (7): 234-237.

[2] STOLL N, SCHMIDT E, THUROW K. Isotope pattern evaluation for the reduction of elemental compositions assigned to high-resolution mass spectral data from electrospray ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry[J]. Am Soc Mass Spectrom, 2006, 17(12): 1 692-1 699.

[3] KIND T, FIEHN O. Seven golden ruled for heuristic filtering of molecular formulas obtained by accurate mass spectrometry[J]. BMC Bioinformatics, 2007, (8): 105.

[4] ZHANG J F, GAO W, CAI J J, et al. Predicting molecular formulas of ragment ions with isotope patterns in tandem mass spectra[J]. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 2005, 2(3): 217-230.

[5] KUEHL D, WANG Y D. Peak shape calibration method improves the mass accuracy of mass spectrometers[J]. Bio Pharm International, 2006, 19(7): 32-38.

[6] ERVE J C L, GU M, WANG Y D, et al. Spectral accuracy of molecular ions in an LTQ/Orbitrap mass spectrometer and implications for elemental composition determination[J]. American Society for Mass Spectrometry, 2009, 20(11): 2 058-2 069.

[7] ZHOU W, ZHANG Y H, XU H L, et al. Determination of elemental composition of volatile organic compounds from Chinese rose oil by spectral accuracy and mass accuracy[J]. Rapid Commun Mass Spectrom, 2011, 25(20): 3 097-3 102.

[8] WANG Y D, GU M. The concept of spectral accuracy for MS[J]. Anal Chem, 2010, 82(17): 7 055-7 062.

[9] SISCO E, DAKE J, BRIDGE C. Screening for tr- ace explosives by AccuTOFTM-DART: An in-depth validation study[J]. Forensic Science International, 2013, 232(1/2/3): 160-168.

[10] NILLES J M, CONNELL T R, STOKES S T. Explosives detection using direct analysis in real time(DART) mass spectrometry[J]. Propellants Explos Pyrotech, 2010, 35(5): 446-451.

[11] ABDELNUR P V, EBERLIN L S, SOUZA V, et al. Single-shot biodiesel analysis: Nearly instantaneous typification and quality control solely by ambient mass spectrometry[J]. Anal Chem, 2008, 80(20): 7 882-7 886.

[12] CODY R B, LAEAMEE J A, DURST D H. Ve- rsatile new ion source for the analysis of materials in open air under ambient conditions [J]. Anal Chem, 2005, 77(8): 2 297-2 302.

[13] CHERNETSOVA E S, MORLOCK G E, REVELSKY I A. DART mss spectrometry and its applications in chemical analysis[J]. Russ Chem Rev, 2011, 80(3): 235-255.

[14] YINON J, ZITRIN S. Modern methods and applications in analysis of explosives[M]. New York: John Wiley,1996.

[15] 周跃明, 王伟萍, 赖劲虎, 等. 电喷雾解吸电离质谱法测定表面痕量TNT[J]. 质谱学报, 2006, 27(增刊): 129-131. ZHOU Yueming, WANG Weiping, LAI Jinhu, et al. Mass rapid detection of trace TNT on the surface of various materials with desorption electrospray ionization[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2006, 27 (Suppl): 129-131(in Chinese).

[16] 宣 宇, 孙 楠, 傅得锋, 等. 用LC/APCI/MS方法检测粉尘中的炸药成分[J]. 火炸药成分, 2012, 35(2): 27-31. XUAN Yu, SUN Nan, FU Defeng, et al. Analysis of explosives in sandy loam soils by LC/APCI/MS[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2012, 35(2): 27-31(in Chinese).

[17] 徐建中, 彭耀珊, 汪聪慧. 某些炸药在CI源中的行为[J]. 刑侦技术, 1995, (5): 1-4. XU Jianzhong, PENG Yaoshan, WANG Conghui. Behavior of some explosives in CI source[J]. Forensic Science and Technology, 1995, (5):1-4(in Chinese).

[18] VACLAVIK L, ZACHARIASOVA M, HRBEK V, et al. Analysis of multiple mycotoxin in cereals under ambient conditions using direct analysis in real time(DART) ionization coupled to high resolution mass spectrometry[J]. Talanta, 2010, 82(5): 1 950-1 957.

[19] NILLES J M, CONNELL T R, DURST H D. Quantitation of chemical warfare agents using the direct analysis in real time(DART) technique[J]. Anal Chem, 2009, 81(16): 6 744-6 749.