OPCW第42次環境樣品水平考試洗消廢水中化武相關化合物的液相色譜-質譜分析

陳 博，于惠蘭*，劉昌財，劉石磊，梁龍輝，楊 旸

(1.國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205；2.軍事科學院防化研究院，北京 102205)

化學武器公約(CWC)[1]在其附表中列出了監控化合物的種類和數量。國際禁止化學武器組織(OPCW)[2]按期對締約國的指定實驗室和尋求指定的實驗室進行環境樣品中化學武器相關化合物分析能力檢測，以確保指定實驗室能夠實現對真實樣品中化武相關化合物的分析鑒定。每個實驗室每年至少參加一次環境樣品水平考試，連續3次成績為全A或兩次A一次B，方能獲得OPCW指定分析真實環境樣品實驗室資質。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

甲醇(HPLC-MS級，美國Honeywell公司)；純凈水(屈臣氏集團(香港)有限公司)；甲酸、乙酸銨(98%，北京百靈威科技有限公司)。

1200 HPLC-Q-TOF MS(6520)高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜儀，1290 UPLC-QQQ MS(6460)超高效液相色譜-三重四極桿質譜(美國Agilent公司)。工作站軟件：Agilent MassHunter Workstation Data Acquisition；數據處理軟件：Agilent MassHunter Qualitative Analysis。

1.2 實驗方法

1.2.1HPLC-Q-TOFMS儀器條件色譜條件：色譜柱為Eclipseplus C18柱(150 mm×2.1 mm×5 μm，Agilent公司)；流動相：水(0.1%甲酸)(A)-甲醇(B)；梯度條件：0～3 min，5%B;3～30 min，5%～50%B；30～33 min，50%B;33～50 min，50%～80%B；50～53 min，80%B;53～54 min,80%～95%B；54～57 min，95%B。流速：0.25 mL/min；進樣體積：5 μL；柱溫：40 ℃。

質譜條件：電離方式：ESI+；毛細管電壓：3.5 kV；氣體溫度：350 ℃；干燥氣：氮氣，8 L/min；霧化氣：氮氣，206.8 kPa；掃描方式：全掃描；掃描范圍：m/z50～1 000；掃描時間：0.77 s；碎裂電壓：80 V；分辨率：>10 000。

1.2.2UPLC-QQQMS儀器條件色譜條件：色譜柱為Zorbax Eclipse plus C18柱(100 mm× 2.1 mm×1.8 μm，Agilent公司)；流動相：水(0.1%甲酸)(A)-甲醇(B)；梯度條件：0～2.0 min，2%B;2.0～2.2 min，2%～5.0%B；2.2～5.0 min，5%B;5.0～5.5 min，5%～20%B；5.5～8.5 min，20%B;8.5～9.0 min，20%～50%B；9.0～12.0 min，50%B;12.0～12.5 min，50%～100%B；12.5～16.0 min，100%B。流速：0.3 mL/min；進樣體積：5 μL；柱溫：40 ℃。

質譜條件：電離方式：ESI+；毛細管電壓：4.0 kV；氣體溫度：350 ℃；干燥氣：氮氣，10 L/min；霧化氣：氮氣，241.3 kPa；掃描方式：子離子掃描；掃描范圍：m/z20～300；掃描時間：0.42 s；分辨率：Unit。0～3.8 min：母離子：m/z119；碎裂電壓：90 V；碰撞能：15 V。3.8～6.0 min：母離子：m/z105；碎裂電壓：80 V；碰撞能：5 V。6.0～16.0 min：母離子：m/z183；碎裂電壓：70 V；碰撞能：2 V。

2 結果與討論

2.1 空白樣品的確定

圖1 WA、WB和WC樣品的 TIC圖Fig.1 TIC chromatograms of WA,WB and WC

按照“1.2.1”中HPLC-Q-TOF MS液相色譜的梯度洗脫程序，采用ESI+模式分別分析WA、WB和WC樣品，三者的總離子流圖(圖1)曲線基本重合，證明3個樣品的基質相同。放大圖中顯示WB樣無明顯的獨有峰，WA和WC樣中均有明顯的其它峰。通過質譜圖分析確定WA和WC樣品中含有化武相關化合物，WB樣為空白樣品。

圖2 3種化武相關化合物的結構Fig.2 Structures of three chemical weapon related compounds

2.2 控制與模擬真實樣品的確定以及模擬真實樣品中化武相關化合物的分析

提取WC樣品TIC圖中各獨有色譜峰的質譜圖，初步得到各色譜峰對應質譜圖的質量數，通過高分辨率質譜確定各化合物的元素組成為C4H8SO(7.85 min)、C4H6SO2(3.62 min)和C6H14S2O2(10.18 min)，其準確質荷比分別為m/z105.036 9、m/z119.016 1和m/z183.050 8。根據質譜碎裂途徑、元素組成及標樣比對[3-6]，確定樣品中含有2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜與1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷，其準確相對分子質量(Mr)分別為104.029 6、118.016 1、182.043 5，結構如圖2所示。

由WC中各化合物的結構可以判斷，此3個化合物均非禁止化學武器公約附表化合物。由于OPCW水平考試規定控制樣品中只能添加禁止化學武器公約附表化合物，因此判斷WC為模擬真實樣品，WA為控制樣品。根據確定的化合物的元素組成，提取m/z105.036 9、119.016 1和183.050 8的提取離子色譜圖(EIC)，如圖3所示。其中m/z105.036 9的EIC圖在10.18 min處有一明顯的峰，保留時間與C6H14S2O2一致，判斷其為C6H14S2O2的碎片離子。

圖3 WC樣品的 EIC圖Fig.3 EIC chromatograms of WCA：m/z 105.036 9；B：m/z 119.016 1；C：m/z 183.050 8

此外，樣品中還檢出一些化武相關化合物(例如硫二甘醇等)，其質量濃度在μg/L級，根據OPCW水平考試標準要求，質量濃度小于1 μg/mL的非添加化武相關化合物無需申報。由于檢測到的化武相關化合物均為芥子氣洗消產物[7-8]，因此，可確定本次考試樣品為模擬芥子氣洗消廢液。

按照“1.2.2”中UPLC-QQQ MS液相色譜的梯度洗脫程序，采用ESI+MS/MS模式分析WC樣與混合標準樣品(二乙烯基砜、2-羥乙基乙烯基硫醚以及1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷)，結果見圖4～5。由圖可知，WC樣品與混合標樣的ESI+TIC圖與ESI+MS/MS質譜圖基本一致，確證WC樣品中含有此3種化武相關化合物。

2.3 3種化合物的碎裂途徑

將WC樣品中m/z105.036 9、119.016 1和183.050 8的離子進行MS/MS碎裂，3種化合物的碎裂途徑推斷見圖6[9-14]。其中，2-羥乙基乙烯基硫醚的準分子離子為m/z105，其失去1分子環硫乙烷得到m/z45;失去1分子水得到m/z87，碎片離子m/z87進一步失去1分子乙烯得到m/z59，失去1分子乙炔得到m/z61。二乙烯基砜的準分子離子為m/z119，失去1分子乙炔后形成碎片離子m/z93，繼續失去1分子水得到碎片離子m/z75，該碎片離子經一系列電子轉移，碎裂后得到碎片離子m/z29與m/z47。1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷的準分子離子為m/z183，其失去1分子水得到碎片離子m/z165，繼續失去1分子乙烯得到碎片離子m/z137；另外，準分子離子還可直接失去1分子2-巰基乙醇得到碎片離子m/z105。

由圖6可知，在ESI源中芥子氣相關化合物在硫原子與氧原子的位置均可以發生質子化，這是由于硫原子與氧原子上均有未成對的孤對電子，易對質子進行親核進攻。含有—OH基團的化合物帶電后易失去1分子水形成較為穩定的[M+H-H2O]+的硫鎓離子。

圖6 2-羥乙基乙烯基硫醚(A)、二乙烯基砜(B)和1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷(C)的碎裂途徑Fig.6 Fragmentation pathway of 2-hydroxyethyl vinyl sulfide(A)，divinyl sulfone(B) and 1,2-bis(2-hydroxyethylthio)ethane(C)

2.4 流動相的影響

本實驗在流動相加入0.1%甲酸，有利于電離過程中目標化合物的質子化。此外，由于2-羥乙基乙烯基硫醚(m/z105.036 9)的色譜峰較寬，嘗試在流動相中加入乙酸銨[15]改善峰形。實驗對比了流動相中加乙酸銨和不加乙酸銨時WC樣品的ESI+MS/MS TIC圖，結果顯示，加入乙酸銨并未明顯減小峰寬，而且二乙烯基砜的響應降低，2-羥乙基乙烯基硫醚的響應也有所減小，僅1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷的響應有所增加。因此本文選擇流動相中不加入乙酸銨。

2.5 碎裂電壓的影響

考察了碎裂電壓(50～120 V)對WC樣品中3個化合物：2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜、1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷響應信號的影響。實驗結果顯示，隨著碎裂電壓增大,3個化合物的峰面積均先增大后降低。主要原因是，但碎裂電壓太小時，化合物進入電離源后不能完全離子化；但碎裂電壓過大時，化合物進入電離源后易發生碎裂，導致準分子離子的數量減小。由實驗結果可知，2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜、1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷的最佳碎裂電壓分別為80、90、70 V。

3 結 論

本文利用HPLC-Q-TOF MS從3個洗消廢水中成功地判斷出空白、控制和模擬真實樣品，并通過HPLC-Q-TOF MS以及UPLC-QQQ MS鑒定出模擬真實樣品中的3個化學武器相關化合物(2-羥乙基乙烯基硫醚、二乙烯基砜和1,2-雙-(2-羥乙基巰基)乙烷)，國內外尚無相關報道。該研究為芥子氣洗消產物的分析鑒定提供了參考。