電噴霧電離源結合傅立葉變換離子回旋共振質譜分析地下水中可溶性有機質分子組成

曾純品，武法偉，董 軍，袁鵬輝

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

電噴霧電離源結合傅立葉變換離子回旋共振質譜分析地下水中可溶性有機質分子組成

曾純品，武法偉，董 軍*，袁鵬輝

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

應用電噴霧電離源結合傅立葉變換離子回旋共振質譜(ESI FT-ICR MS)對地下水進行分析，基于高精確度的分子量檢測結果，鑒定出Ox，N1Ox和N2Ox3大類，共計27小類含雜原子的化合物。雜原子化合物中Ox類化合物占絕大多數，而含N化合物則以結合大量氧原子的形式廣泛存在。結合各類雜原子化合物的等效雙鍵數(DBE)及碳數分布，發現Ox類化合物中存在大量的羧酸結構，推測含氮化合物可能來自于Ox類化合物的衍生反應。實驗結果拓寬了對地下水中可溶性有機質的認識，為進一步確定其中雜原子化合物的結構類型奠定了基礎。

地下水；電噴霧電離源結合傅立葉變換離子回旋共振質譜(ESI FT-ICR MS)；可溶性有機質；分子組成

地下水是重要的淡水資源，其品質的好壞對人類生存和發展具有重要的影響。地下水常被用作飲用水，直接影響人類的健康與安全[1]；地下水作為灌溉用水會攜帶大量的無機物和有機物，并對農作物的品質和產量產生深度的影響[2]。因此，許多研究工作對地下水中的化合物組成展開了研究，但大部分研究集中在地下水中無機物的遷移和反應，而對有機物的來源和濃度研究較少，全面的有機物組成信息比較缺乏。

目前對水體中可溶性有機物(DOM)的認識大多基于光譜學分析，常見的有紫外-可見光光譜(UV-Vis)[3-4]、傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)[5]、核磁共振(NMR)[6]以及熒光激發-發射矩陣譜(EEM)[3，7]等。所獲得的信息主要是DOM中的官能團信息以及一些分類數據。隨著質譜的廣泛應用，液相色譜-質譜聯用(LC-MS)、氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)以及高壓液相色譜-質譜聯用(UPLC-MS)[8]等為地下水中有機質的組成分析提供了更為有效的手段。通過各種手段的檢測，發現DOM中存在芳香族和脂肪族化合物[9]。富里酸和腐殖酸也被認為廣泛存在于地下水中[10]，其主要來源于沉積物釋放的有機碳。糖類以及氨基酸也在地下水中被檢出，其含量較低，占有機碳總量不足10%[11]。但是受限于儀器的精度以及化合物的特殊性，這些研究所獲得的信息非常有限，尤其是從分子層面獲得的組成信息仍有很大的擴展空間。

近年來，電噴霧電離源結合超高分辨率傅立葉變換離子回旋共振質譜(FT-ICR MS)逐漸成為水體中有機質分析的重要工具，并已經廣泛應用于各類水體(如海水、湖水、雨水以及油砂處理水)[12-13]。FT-ICR MS的超高分辨率和分子量精確度保證了質譜峰的有效分辨以及明確分子式組成。另一方面，ESI能夠直接對樣品中的極性化合物進行選擇性電離，顯著提高了水體中可溶質的有效檢測和分析[14-15]。ESI FT-ICR MS在地下水組成分析中的應用開始較晚，目前相關的報道仍然非常缺乏，其對地下水中可溶性有機質的認識有待大力開發。

本文采用固相萃柱富集地下水中的有機質，對萃取所得有機質進行FT-ICR MS檢測，通過高精度的分子質量計算得到化合物的分子式，從分子層面了解了地下水中的有機質組成。該研究可發展為地下水水源識別的新方法。

1 實驗方法

1.1 樣品來源

實驗所用地下水樣來自于山東省濟南市某地下水，深度710 m。

1.2 樣品處理方法

將Waters Oasis HLB固相萃取柱預先用20 mL重蒸甲醇和20 mL經高純鹽酸酸化的超純水(pH 2.0)淋洗。將100 mL水樣用高純鹽酸酸化至pH 2.0后，注入固相萃取柱中，樣品用蠕動泵以5 mL/min的速率過柱。上樣完成后用20 mL酸化超純水淋洗，再用氮吹方式將柱內的水分完全去除。最后用10 mL重蒸甲醇洗脫得到有機物，并在0 ℃下黑暗處保存至檢測。

1.3 負離子ESI FT-ICR MS分析

實驗采用美國Bruker公司Apex-Ultra 傅立葉變換離子回旋共振質譜儀(FT-ICR MS)對所得樣品進行分析。其磁場強度為9.4 T，ESI 電離源為Apollo II型電噴霧電離源。取1 mL有機質樣品，加入15 μL氨水。儀器操作條件為：進樣流速180 μL/h，毛細管入口電壓3 500 V，毛細管出口電壓-320 V，四極桿Q1為200 Da，碰撞能量1.0 V，離子導入分析池飛行時間1.0 ms，源累積時間0.001 s，貯集時間0.1 s；采樣點數4 M，采集質量范圍150～800 Da，掃描次數64次。

圖1 地下水中可溶性有機質的負離子ESI FT-ICR MS譜圖Fig.1 Broadband negative-ion ESI FT-ICR MS spectrum of DOM from ground water

2 結果與討論

在負離子模式下，酸性和中性氮化合物能夠被有效地選擇性電離，由于水體中的可溶性有機質基本都屬于含氧的極性化合物，因此在該模式下能夠得到充分的表征。圖1是地下水中可溶性有機質的負離子ESI FT-ICR質譜圖，有機質的分子量分布范圍為200～600 Da，分布中心在375 Da左右。質譜圖出峰變化平滑，沒有奇異點出現，說明整個樣品組成分布比較均勻。雖然由于信號采集次數較少導致基線噪音較高，但由于樣品的極性較強，質譜峰信號強度仍較高，其中的組成能夠得到有效地識別。

圖2是地下水可溶性有機質的負離子ESI FT-ICR MS在m/z295和296兩個質量點的放大圖。圖中各質量點的峰形比較尖銳，且無伴隨峰，各點的分辨率均大于50萬，說明負離子ESI FT-ICR MS能夠非常有效地對地下水中可溶性有機質進行表征。質譜圖中可識別的峰均為含有O原子的化合物，主要分為3大類：Ox，N1Ox和N2Ox。無論是從化合物的類型還是從對應的峰強度進行考察，Ox類化合物均具有明顯優勢。N1Ox相比N2Ox在化合物種類上略有增加，其分布主要從N1O2到N1O7，而N2Ox則主要是從N2O3到N2O6。N1Ox類化合物的最高峰與N2Ox類化合物的最高峰在峰強度上處于同一數量級，總體峰強度也比較接近，N1Ox和N2Ox類化合物的峰強度均比Ox低很多，只比其一級同位素峰略高。

圖3 地下水中可溶性有機質的相對豐度分布圖Fig.3 Relative abundance distribution of the DOM

通過對質譜圖的分析，發現3大類(Ox，N1Ox和N2Ox)共計27小類化合物。其中Ox(x=1～13)所含化合物種類最多，接近總數的一半，N1Ox(x=2～10)所含的種類次之，而N2Ox(x=2～6)最少。各類化合物的等效雙鍵數(DBE)分布范圍在1～17之間，說明化合物的縮合程度以低縮合為主。對比3大類化合物，均以含有6個O原子的化合物(O6，N1O6和N2O6)所對應的峰強度最高。這一特殊的現象可能與所含可溶性有機質的特殊組成有關，但有待進一步的研究和分析。

Ox類化合物的峰強度約占總峰強度的78.2%，而N1Ox和N2Ox類化合物的信號強度分別占17.1%和4.7%，雖然信號強度的高低不能定量地代表化合物的濃度高低，但如此巨大的差異說明在地下水的可溶性有機質中Ox類化合物占絕大多數。同時，對比國際腐殖酸標樣中含氧化合物中的氧原子個數及分布，發現實驗樣品中所含的氧原子個數比標樣(最高O18)低很多[10]，其可能的原因是由于低氧原子個數的Ox類化合物含量較高，抑制了氧原子數更高的Ox化合物的有效電離。含N化合物的組成特點也與腐殖酸標樣有所差異，在標樣中無N2Ox類化合物，而且N1Ox類化合物中無氧原子數低于6的化合物，其原因可能是該地下水中存在有機污染物。

選取O2～O54種含氧化合物作DBE對碳數分布圖，其結果如圖4所示。由圖可見，4種化合物的碳數分布范圍在8～30之間，DBE分布范圍在1～17之間。碳數和DBE中心分別為13～22和5～13。雖然在整體分布上4種化合物的分布形態比較接近，但是就每種類型化合物單獨而言其組成各具特點。O2類化合物的起始DBE值為1且有非常連續的碳數分布，而DBE=2，3的化合物基本沒有或者可以忽略(DBE=2的物質可能是個別DBE=1的化合物的衍生物)，由此說明DBE=1的化合物主要是飽和脂肪酸系列，其多來源于動物的脂肪。O4類化合物的起始DBE值為2，DBE=1和3的化合物基本沒有發現，該特殊的分布表明其主要是二元酸結構。這兩類化合物均不是地下水中長期存在的化合物，應該是來自于人類生活產生的廢棄物。O3類化合物和O5類化合物的起始DBE值均從4開始，無更低的DBE存在，這與天然的腐殖酸組成相同，其可能是多元的苯多酚或是結構復雜的醇類化合物。

地下水可溶性有機質中高含O數的Ox類化合物(以O6，O8，O10，O12為例)的DBE對碳數分布圖如圖5所示。其最高DBE值不超過20，最大碳數不超過30，與低氧原子數化合物類似。說明整個Ox系列的化合物分布限定在此范圍內。但4種化合物的起始碳數有明顯差異，隨著含氧原子數的增加，起始碳數隨之逐漸增加。相鄰類型化合物之間的起始分子式差為C2-3H2-4O2，其對應的結構不是環狀結構，結合起始DBE之差為1，說明其可能是羧酸基團。在Ox類化合物中氧原子可能主要是以羧基的形式逐漸增加，對應的起始碳數也隨之增加，但總碳數受限于30，導致每個DBE中碳數分布逐漸變少(如圖5)。

含氮化合物中只發現了N1Ox和N2Ox兩類，其DBE和碳數分布分別在5～15和10～25之間。圖6為N1O4，N1O5，N2O4和N2O54種化合物的DBE對碳數分布圖。由圖可見，該4種化合物在整體分布上無明顯區別。但是在選定的DBE值上N2Ox類化合物的碳數分布明顯比N1Ox類化合物少，N1Ox與圖4中對應的Ox類化合物對比也呈現出碳數分布較少的現象。同時，Ox，N1Ox和N2Ox的DBE和碳數分布中心也基本一致。因此，推測N1Ox是Ox類化合物衍生所得，其可以進一步衍生得到N2Ox類化合物。

3 結 論

本文通過對地下水中可溶性有機質進行負離子ESI FT-ICR MS檢測，發現其中存在大量的含雜原子化合物。基于質譜圖超高的分辨率，各類型化合物的單體均得到有效區分，說明該方法適用于地下水中有機質的檢測。通過高精度的分子量檢測結果，解析出有機質主要為Ox，N1Ox和N2Ox類化合物。其中Ox類化合物占大部分，DBE對碳數的分布規律顯示其存在大量羧酸基團。實驗確認了地下水中存在一元飽和脂肪酸和二元羧酸等污染物。同時推測含氮化合物的組成與含氧化合物存在一定的聯系，其可能源于含氧化合物的衍生反應。

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Molecular Characterization of Dissolved Organic Matter in Underground Water by ESI FT-ICR MS

ZENG Chun-pin，WU Fa-wei，DONG Jun*，YUAN Peng-hui

(Shandong Geological Engineering Investigation Institute，Ji'nan 250014，China)

A Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry combined with electrospray ionization source(ESI FT-ICR MS) method was applied to detect the groundwater.Benefitted from the high precision molecular weight，three categories of Oxand N1Oxand N2Oxwere identified，which are composed of a total of 27 heteroatomic compounds classes.Oxare dominant in these classes that nitrogen compounds combining with several O atoms are widely existed.Depending on the distribution pattern of equivalent double bond(DBE) and carbon number of heteroatomic compounds，large amounts of carboxyl were found to be present in Oxand nitrogen compounds were speculated to be derived from Ox.This work has broadened the understanding of soluble organic matter in groundwater and laid a foundation for the further research on its molecular structure.

ground water;ESI FT-ICR MS;dissolved organic matter;molecular composition

2016-11-04；

2016-12-15

山東省2015年度31個省級地質勘查項目(SDZS-2015-GTT01 包號：D3)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.05.018

O657.63；S153.621

A

1004-4957(2017)05-0679-05

*通訊作者：董 軍，高級工程師，研究方向：環境中有機污染物分析，Tel：0531-81852388，E-mail:dkvip801@163.com