高分辨质谱技术在有机污染物降解产物鉴定中的应用进展

王 鑫，孙韶华，贾瑞宝，宋 艳，王明泉，赵清华，姬广雪,3

(1.济南大学水利与环境学院，山东 济南 250022；2.山东省城市供排水水质监测中心，山东 济南 250013；3.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101)

随着水处理工艺的不断优化与改进，有机污染物的降解途径及其降解产物(Transformation products，TPs)的检测受到了越来越多的关注。有研究表明，在水处理过程中污染物种类和数量的减少不一定意味着化合物完全矿化，更大程度上可能转化成了不同类型的TPs[1]。目前对水处理工艺中TPs的研究主要集中在光解、高级氧化技术(Advanced oxidation technology，AOP)或其他水处理技术方面。由于TPs多处于痕量水平且缺乏标准化学物质，在一定程度上阻碍了TPs的检测和量化[2]，使得TPs在水处理过程中的环境毒性效应未受到足够的重视。因此，只有深入开展TPs的检测、鉴定和毒性评估研究，重点关注那些保留了生物活性或具有比其母体化合物更大毒性的TPs，才能保证水处理技术评价的科学性与完整性。

目前已有许多针对某种或某类目标化合物的分析方法，如气相色谱、高效液相色谱、气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用等分析方法[3-6]。但这些分析方法选择性低，分析的化合物数量有限，且容易忽略TPs等非目标化合物的筛查与识别。为了解决这些问题，则要求所采用的分析方法既能筛选环境样品中存在的具有不同物理化学性质的有机污染物，又能达到对高通量非目标化合物进行检测。随着质谱技术的不断发展，高分辨质谱(High-resolution mass spectrometry，HRMS)技术可以满足环境领域中日益提高的检测需求，该技术依靠精确质量数可以确定物质的元素组成，提供更多的化合物结构信息，从而有助于发现未知的TPs[7]。此外，HRMS技术具有高达50 000 FWHM的超高分辨率，能够保证在分析复杂样品时呈现出良好的选择性和准确度，使多组分混合物的同时检测成为可能[8]，是一种分离和鉴定痕量有机污染物的有效手段。

为了全面、深入地了解HRMS技术在有机污染物TPs鉴定中的应用进展，本文综述了几种常见HRMS技术的原理及分析条件，归纳和总结了该技术在农药、塑化剂、抗生素、亚硝胺和微囊藻毒素等新兴有机污染物水处理TPs鉴定中的应用进展，并指出了该技术领域未来的发展方向。

1 高分辨质谱技术

1.1 高分辨质谱技术的原理

HRMS技术能够实现高精度质量测量，并可直接进行微量化合物的结构解析，对分离和鉴定水处理工艺中产生的TPs具有独特的优势。常用于目标化合物分析和未知物质筛查的HRMS技术主要有飞行时间质谱(Time of flight mass spectrometer，简称TOF)和轨道离子阱质谱(Orbitrap mass spectrometry，简称Orbitrap)等方法。

TOF检测器的工作原理非常简单，电离源中的电子在运动过程中撞击样品组分，使其电离形成正离子，后经脉冲电场加速后进入无电场无磁场的漂移区，依据不同质量离子到达检测器所需时间的不同，可将大量离子按m/z分离。离子飞行时间的计算公式如下：

(1)

式中：t为离子飞行时间；L为漂移区长度；m为离子质量；z为离子的电荷数；U为加速电压。

由公式(1)可以看出：离子的飞行时间t与m/z的平方根成正比，可见质量数越小的离子将越先进入到接收器中。TOF具有的高质量精确度可降低同位素离子的干扰，保证对复杂样品的检测，其与色谱仪器联用可作为非目标物质筛查的检测设备，在未知化合物的鉴定中已得到广泛的应用。

Orbitrap是通过使离子围绕一个中心电极旋转而捕获离子的装置，其质量分析器是由一个中心纺锤形电极和中心电极外部左右两个半电极组成，离子经弯曲的四级杆以一定的初速度进入离子阱后，受到中心电场引力而围绕中心电极做旋转运动，同时在中心电极的垂直方向上做谐振荡。Orbitrap采用影像电流法对离子通过时产生的感应电流进行检测，得到的时序信号放大后经傅里叶变换转换为频谱，而离子运动频率与离子质量直接相关，由此可得到样品的质谱图[9]。Orbitrap的突出特点是：①具有多级分离(MSn)的功能；②采集时间越长，分辨能力越高；③能够提供低于1 mg/L的质量精度，以准确质量数和保留时间作为分析物的鉴定依据，并能将鉴定的元素组成与测定信号的同位素模式自动匹配，以实现进一步的结构验证[10]。

在分析复杂样品基质中的痕量有机污染物时，单级质谱有时难以实现对未知TPs的分离和鉴定，而采用串联质谱如四级杆-飞行时间质谱(Quadrupole-Time of Flight，Q-TOF)、离子阱-飞行时间质谱(Ion Trap-Time of Flight，IT-TOF)和四级杆-离子阱质谱(Quadrupole-Ion Trap，Q-IT)等可借助碰撞诱导裂解对获得的同位素离子或碎片离子进行精确质量测定。此外，四极杆-轨道阱质谱(Q-Exactive Orbitrap，Q-Orbitrap)还可通过高能碰撞裂解实现全部离子的裂解。

1.2 高分辨质谱技术的特点

目前对有机污染物的检测多采用传统的三重四极杆质谱(Triple Quadrupole，QqQ)，但该方法的分辨率较低，无法实现对未知化合物的结构解析，且易受到相近m/z离子的干扰。而HRMS技术的选择性强、准确度高，可降低基质干扰，且具有良好的检测和定性能力。几种HRMS技术在有机化合物实际筛查中的分辨率及其在全扫描模式下的检出限和质量偏差，详见表1。

表1 几种HRMS技术的分辨率、检出限和质量偏差

由表1可知，HRMS技术具有良好的质量精度以及较高的分辨率和灵敏度，提高了其在复杂基质中筛选目标化合物的准确性，同时提供了丰富的元素组成信息，有助于识别可疑或未知化合物。

然而，HRMS技术的应用仍存在一定的局限性，一方面价格昂贵的HRMS技术较低分辨质谱来说其应用研究成果较少，另一方面HRMS技术的动态检测范围要低于QqQ，因此在使用时仍会出现异构体难以区分和假阳性干扰等问题。Hisaindee等[16]利用LC-TOF/MS技术研究染料废水在AOP处理工艺中的降解机理时发现，单独使用LC-MS不能确定中间体形成过程中羟基自由基在苯环上的确切位置，使其在TPs的快速筛查方面受到一定的限制。此外，Kaufmann等[17]在对比Orbitrap和QqQ时发现Orbitrap在定量方面要优于QqQ，而在低浓度水平分析物的定性筛查中，QqQ具有更高的准确性。因此，在实际环境监测中还需以检测目标为依据科学地选择检测技术和方法。

1.3 高分辨质谱技术的鉴定方法

在水环境样品检测中，利用HRMS技术建立的检测方法主要采用了固相萃取( Solid-phase extraction，SPE) 和直接进样两种样品前处理技术，其中最常用的是SPE法。如Deeb等[18]利用SPE法联合LC-Q-TOF/MS技术从水样中筛选出了环丙沙星、左氧氟沙星、罗红霉素等多种有机污染物的TPs。随着色谱、质谱条件的不断优化，仪器检测灵敏度不断的提高，采用直接进样法可节省样品富集浓缩的时间，提高定量分析检测结果的准确性。如王丽等[19]建立了白酒中4种甜味剂的HPLC-Q-Exactive Orbitrap/MS检测方法，样品经0.22 μm滤膜过滤后直接进样，定量检出限在0.1～1.0 μg/L，该检测方法比传统的UPLC-MS/MS方法检出限明显降低。

色谱-高分辨率质谱联用技术已成为对有机污染物同时进行定性和定量分析的有力工具，常用的有气相色谱-高分辨率质谱联用(GC-HRMS)技术和液相色谱-高分辨率质谱联用(LC-HRMS)技术。基于色谱-高分辨率质谱技术的环境研究可同时进行目标化合物的定量分析、筛选可疑污染物以及定性检测非目标化合物。如Park等[20]使用基于LC-Q-Exactive plus Orbitrap的可疑和非目标化合物分析方法，通过参考标准品确认了河水样品中的28种污染物，并半定量分析了其中的26种污染物。通常情况下，为了获得准确的化合物的分子结构信息，HRMS技术检测需要达到一定的参数要求[21]：①质量误差小于5 mg/L；②测试样品组分与标准品的保留时间误差在2.5%以内；③具有符合化合物元素组成的同位素离子峰。

此外，利用HRMS技术处理样品时会产生海量、复杂的分析数据，如何对这些数据进行准确、高效的处理是该技术的难点。鉴于此，相关数据处理软件和数据库已得到不断优化，并借助相应的辅助统计分析方法等，使得高通量的非目标化合物检测得以实现[22]。如张丹等[23]总结了HRMS技术在药物代谢产物鉴定中的主要分析技术，包括提取离子色谱、质量亏损过滤、同位素过滤、本底扣除等分析技术，结合多种分析鉴定技术对数据进行加工处理，有效地实现了对TPs的快速识别及结构鉴定。

此外，HRMS技术在非目标化合物检测中可以对全扫描数据进行回顾性分析，用以筛选潜在的风险化合物，便于研究人员通过处理这些数据探索到新的污染物[22]。

2 高分辨质谱技术在新兴污染物降解产物鉴定中的应用进展

目前环境化学的研究热点逐渐从传统污染物转向新兴污染物，如塑化剂、抗生素、亚硝胺和微囊藻毒素等，与母体化合物相比，TPs的检出频率和浓度更高、危害更大。由于污染物转化过程中降解机理的不同，TPs也会有所不同，HRMS技术可以为水处理工艺中新兴污染物及其TPs的筛查提供技术支持。

2.1 高分辨质谱技术在农药降解产物鉴定中的应用

农药在环境中降解后可产生毒性更大的转化产物，其痕量残留分析方法大都以低分辨质谱与色谱联用为主[23]，而HRMS技术具有更灵敏的全扫描检测和精确质量鉴别能力，将成为农药残留分析领域的重要发展方向。

Saylor等[24]采用LC-Q-TOF/MS系统，在正离子扫描模式下对30～500m/z范围内的离子进行筛查分析研究，发现在电解、臭氧氧化以及电解臭氧协同工艺中阿特拉津(ATR)的TPs主要为去乙基-阿特拉津、去异丙基-阿特拉津和去乙基-去异丙基-阿特拉津，三者均具有比母体化合物更强的毒性效应，且ATR的降解途径主要为脱烷基化、乙酰胺转化、亚胺转化和脱氯。Berberidou等[25]研究除草剂苯达松在非均相催化氧化工艺中的降解动力学时，通过将LC-LIT-Orbitrap/MS系统在全扫描模式下获得的MS2和MS3碎片信息与母体化合物的分子信息相比较，实现了对21种TPs的质量测定，其质量偏差普遍小于1 mDa。由于HRMS技术能够准确鉴定化合物的结构，并能快速测定水处理过程中微量的农药残留及其TPs，现已有很多国家的研究者对其进行了开发和应用。

2.2 高分辨质谱技术在塑化剂降解产物鉴定中的应用

塑化剂是一种常用于增加材料延展性和灵活性的添加剂，种类多达上百种，其中邻苯二甲酸酯类(PAEs)用量最多[27]，其广泛分布于河流、湖泊和地下水中，可产生类雌激素作用而导致生殖和发育系统紊乱。

Huang等[28]利用LC-TOF/MS系统，经C18色谱柱(2.4 μm，100 mm×2.1 mm)分离，在MS/MS质谱图中共检测出邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)在UV/过氧一硫酸酯工艺中的7种氧化产物，且根据碎片离子峰信号强度的不同提出了DEHP的降解途径可能为苯环的羟基化、酯键断裂和DEHP侧链的解离等，为研究水溶液中DEHP的去除和转化机制提供了重要的参考信息。Xu等[29]以邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)为模型化合物，研究超声、紫外(UV)和超声-紫外联合处理水和废水中PAEs的降解机理，UPLC-IT/MS系统在正、负离子扫描模式下共筛查出12种中间产物，从保留时间来看超声分解产生的中间体极性较DBP更强，且在所有处理过程中均检测到羟基-DBP、邻苯二甲酸单丁酯和邻苯二甲酸3种中间体，表明DBP的降解途径主要是芳环的羟基化和脂肪链的丁基断裂。在高频超声法降解邻苯二甲酸二甲酯(DMP)的研究中，Xu等[30]采用LC-Q-IT/MS系统在正、负离子扫描模式下检测了DMP的大量中间体，发现由于超声工艺处理速度缓慢，导致高疏水性反应中间体难以与其母体化合物竞争羟基自由基而不断积累，还首次检测并报道了DMP的三、四羟基化衍生物。

PAEs包含多种同分异构体，在检测过程中难以区分，而HRMS技术的主要优势在于其分离效果好、灵敏度高，能够大大提高检测结果的准确性。

2.3 高分辨质谱技术在抗生素降解产物鉴定中的应用

抗生素是一种生物活性物质，由人类和动物服用药物后产生的尿液、粪便或生产废水进入到环境中，经径流或浸出污染土壤、地表水和地下水[31]，造成严重的环境污染和生态毒害问题，因此加强抗生素含量和分布的监测对解决其污染问题具有重要的作用。

Jin等[32]利用UPLC-Q-TOF/MS系统筛查了UV/H2O2降解氯霉素(CAP)过程中未知的TPs，在负离子扫描模式下检测到CAP与羟基自由基反应的TPs主要为二氯乙酸和芳烃4-硝基苯甲酸。Wang等[33]对UV/H2O2和UV/PS两种水处理工艺中甲砜霉素的降解效果进行了对比，利用LC-TOF/MS系统共鉴定出9种中间产物，其中有6种中间产物仅在UV/H2O2过程中检测到，3种中间产物仅在UV/PS过程中检测到，并基于获得的中间产物提出了可能的降解途径，同时得出UV/PS工艺对降解TAP更经济有效的结论。Liu等[34]利用UPLC-Q-TOF/MS过程评估了碳酸氢根和碳酸根对AOP工艺降解四环素的影响，样品经Discovery HS C18色谱柱(5 mm，150 mm×4.6 mm)分离，在正离子模式扫描下对其TPs进行测定，通过m/z和保留时间发现在4种不同的反应体系(UV/H2O2/t-BuOH/Na2CO3、UV/Na2CO3、UV/H2O2/Na2CO3、UV/pH 10.4 buffer)中观察到了相同的TPs，表明在这些反应体系中存在类似的四环素降解机理。

抗生素种类多样且结构复杂，因此在检测时需要采用分析结构更为准确的高通量分析仪器，利用HRMS技术可对具有相同或相近保留时间的物质进行进一步的结构解析，在定性分析中具有较大的优势，适用于发现和分析痕量未知的抗生素类物质。

2.4 高分辨质谱技术在亚硝胺降解产物鉴定中的应用

亚硝胺是具有亚硝基官能团的化学物质，目前已知的约有300多种，且大多具有致突变和致癌作用，但目前它们多作为消毒副产物出现。已有研究表明，臭氧消毒、氯化消毒、紫外线消毒和活性炭催化等处理工艺都会诱导亚硝胺的形成[35]。如Gerrity等[36]在经臭氧处理的生活废水和工业废水中均监测到了ng/L级的N-亚硝基甲基乙胺和N-亚硝基二丁胺。此外，亚硝胺的来源广泛，包括食物、化妆品、尿液、消毒剂和染料等[37]。随着人们对亚硝胺关注程度的提高，一些学者对它们在水环境中的形成和分布情况进行了研究。

污水处理厂活性污泥处理过程能够降解亚硝胺，但对不同种类亚硝胺的去除效果差异较大，为评估其随出厂水排放进入到地表水而造成的环境风险，需要实现对亚硝胺的有效监测。Krauss等[38]采用HPLC-Orbitrap/MS系统在单离子检测扫描和选择反应检测扫描下对污水处理厂水处理过程中8种N-亚硝胺的浓度变化和去除效率进行了研究，发现8种N-亚硝胺的浓度范围为5～20 ng/L，其中N-亚硝基二甲胺和N-亚硝基吗啉在初级废水中的浓度最大，N-亚硝基二甲胺在环境中的持久性最强，被认为是主要的N-亚硝胺类环境污染物。

已有研究发现，亚硝胺在饮用水中的含量极低，但其对人体健康造成的不良影响却不容忽视[39]。由于水处理工艺的不同，可能会有由未知的亚硝胺前体物产生的额外的亚硝胺进入到环境中，因此对亚硝胺前体物的筛查也是一个较为重要的研究方向。Wu等[40]利用HPLC-Q-Trap/MS技术建立了饮用水中7种N-亚硝胺前体物的筛查方法，样品经简单过滤后直接上样，每个样品的分离和筛查过程在11 min内即可完成，不需提取或衍生化，除乙基-甲胺(5 μg/L)外，方法检出限均在0.02～1 μg/L，且线性相关性良好，为饮用水中亚硝胺前体物的快速筛查与检测提供了技术支持。

2.5 高分辨质谱技术在微囊藻毒素降解产物鉴定中的应用

近年来，随着水体富营养化程度的增加，蓝藻水华频繁爆发，其产生的大量微囊藻毒素(MCs)严重威胁着饮用水和水产品安全。在水处理工艺中，氯、臭氧和AOP等化学处理技术虽然能够实现对MCs的降解，但同时可能会产生有毒的消毒副产物从而造成二次污染[41]。He等[42]评估了几种常见的MCs(MC-LR，MC-RR，MC-YR和MC-LA)在UV/AOP工艺中的降解情况，经LC-Q-TOF/MS系统全扫描发现，在UV处理过的水体中含有异构化和光水合反应副产物，在UV/H2O2处理过的水体中含有异构化、羟基化、羟基加成、双键氧化裂解而产生的多种副产物。该研究为采用UV/AOP工艺降解MCs提供了重要的科学数据。

借助HRMS技术可以检测不同处理条件下MCs的浓度和组成变化，从而研究不同因素对其降解效率的影响。如Karci等[43]为了评估酸/碱(富里酸/碳酸氢钠)条件对太阳光-芬顿工艺降解MC-LR的影响，采用LC-Q-TOF/MS系统在正离子扫描模式下对500～1 300m/z的离子进行了筛查，结果表明富里酸能够显著提高MC-LR的降解速率，而低浓度的碳酸氢钠会导致转化产物的峰值面积缓慢增加。Jeong等[44]采用UPLC-Q-TOF/MS系统对高锰酸盐氧化MC-LR过程中形成的中间产物进行了表征，通过质谱获得的精确质量数检测出TPs主要来自于Adda侧链二烯和芳香环的氧化以及Mdha部分酰胺键的水解，并在反应过程中筛查出包含完整Adda链的有毒副产物，但其在60 min后却完全消失，表明当高锰酸盐与MC-LR接触足够长的时间(>60 min)时可有效减少残余毒性并显著提高MC-LR的氧化效率。

3 结论与展望

有机污染物在水处理过程中会发生一系列的降解反应，其中某些TPs的活性虽然比母体化合物降低，但其毒性却可能大大增强。HRMS技术可为水环境中有机污染物及其TPs的筛查与鉴定提供强有力的技术支持，今后可从以下几个方面开展深入的研究:

(1) 目前在有机污染物TPs的筛查检测中依旧以低分辨质谱为主，应加强对HRMS技术装备系统的基础研发和应用研究。

(2) HRMS技术检测和鉴定宜借助其他的辅助分析手段，如HRMS技术与核磁共振(NMR)、傅里叶红外(FTIR)等技术联用，从而以全方位、多视角地提供关于未知化合物的结构信息。

(3) 由于有机污染物TPs缺乏标准化合物，在全扫描模式下可能存在假阳性等问题，因此还需要加强对软件模型和化学数据源库的开发，以实现对庞大数据的快速提取和准确匹配。

(4) 目前对有机污染物TPs的研究还不够系统，可结合典型水体或水处理工艺案例开展全生命周期迁移转化和结构鉴定方面的探索性研究。