多氯联苯的质谱裂解规律探析

吕蒙莹，黄婉秋，田 媛，黄 寅，张尊建,2，许风国,2

(1. 中国药科大学药物质量与安全预警教育部重点实验室，江苏 南京 210009； 2. 中国药科大学天然药物活性组分与药效国家重点实验室，江苏 南京 210009)

多氯联苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)是联苯苯环上若干个氢原子被氯取代后生成的人工有机化合物的总称，根据氯原子数目和位置的不同，共有209种同系物，命名为PCB1～PCB209。目前，PCBs多被用作变压器和电容器内的绝缘介质、热交换剂和润滑剂等。作为典型的持久性有机污染物，PCBs具有难降解(滞留时间长)、高脂溶性(水溶性极低)的特点，易在食物链中富集，同时具有多种生物毒性，如免疫毒性、生殖毒性及神经发育毒性等。因此，PCBs的污染问题引起了全球的广泛关注，开展对PCBs的研究工作具有现实意义[1-8]。

对PCBs的研究多采用气相色谱法，如气相色谱-电子捕获检测法(GC-ECD)[9]、气相色谱-电子轰击离子源质谱法(GC-EI-MS)[10]、气相色谱-负化学离子源质谱法(GC-NCI-MS)[11]等。在此基础上，本实验拟采用GC-EI-MS法和液相色谱-大气压化学电离质谱(LC-APCI-MS)法对6种多氯联苯化合物进行分析，并比较两种电离方式下PCBs的质谱裂解规律，以期为其他PCBs的快速鉴定提供依据。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

GC/MS-QP2010Ultra气相色谱-四极杆质谱联用仪：日本岛津公司产品，配有电子轰击离子源(EI)及GC/MS solution V2.71工作站；LC/MS-8040液相色谱-三重四极杆质谱联用仪：日本岛津公司产品，配有电喷雾离子源、大气压化学离子源、Lab Solutions Ver 5.53工作站；CAP型电子分析天平：德国Sartorius公司产品。

1.2 主要材料与试剂

甲醇、乙腈、正己烷(色谱纯)：美国Honeywell公司产品；6种PCBs标准样品：美国 Accu Standard公司产品；实验用水为Milli-Q超纯水。

样品溶液的配制：将1 g/L PCB118、PCB209正己烷标准储备液和10 mg/L PCB101、PCB138、PCB153、PCB180异辛烷标准储备液，用正己烷稀释至1 mg/L，供GC/MS分析；用甲醇、乙腈稀释至 1 mg/L，供LC-MS/MS分析。

1.3 实验条件

1.3.1 GC/MS色谱条件 色谱柱：Rtx-5MS毛细管柱 (30 m×0.25 mm×0.25 μm)；升温程序：初温140 ℃，保持0.5 min，以30 ℃/min升至320 ℃，保持5.5 min；载气He；进样量1 μL，不分流进样；进样口温度280 ℃。

1.3.2 GC/MS质谱条件 电子轰击离子源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，接口温度280 ℃，质量扫描范围m/z130～510。

1.3.3 LC-MS/MS色谱条件 色谱柱：Agilent ZORBAX SB-C18柱 (2.1 mm×50 mm×1.8 μm)；柱温40 ℃；等度洗脱；流动相：乙腈-水溶液(80∶20，V/V)，甲醇-水溶液(80∶20，V/V)；流速0.3 mL/min；进样量3 μL。

1.3.4 LC-MS/MS质谱条件 大气压化学离子源，负离子模式，接口温度350 ℃，脱溶剂管温度150 ℃，加热模块温度200 ℃，离子源接口电压-4.5 kV，雾化气流速3 L/min，干燥气流速5 L/min，质量扫描范围m/z150～650。

2 结果与讨论

2.1 EI-MS分析

6种PCBs的分子结构和相对分子质量列于表1。由于氯原子具有特征同位素分布，因此在EI质谱上呈现相应的分子离子同位素峰，其相对丰度列于表2。可以看出，6种PCBs的分子离子峰均不是基峰，但随着氯原子数目由5增加到10，37Cl对M、M+2峰丰度的贡献逐渐减少，对M+4、M+6等峰丰度的贡献逐渐增加。因此，五氯联苯PCB101及PCB118、六氯联苯PCB138及PCB153、七氯联苯PCB180的M+2峰为基峰，而十氯联苯PCB209的M+4峰为基峰。

PCBs同系物从单个氯原子的取代到全取代，其分子离子同位素峰间的相对丰度比M%∶(M+2)%∶(M+4)%……可由二项式(a1+a2)n展开式计算得到，理论值列于表3。对比表2和表3可以看出，每种PCB的分子离子同位素峰丰度PM%、PM+2%、PM+4%…与其对应的理论值相近。因此，通过化合物的分子离子同位素峰的相对丰度比可以确定化合物中氯原子的数目，从而无需通过高分辨质谱分析确定其分子式。

从键长和键能方面考虑，C—Cl键容易断裂，因此6种PCBs的EI质谱图中除了有高丰度的分子离子同位素峰外，还有丢失一个或几个氯的碎片离子同位素峰，分析结果列于表4。6种PCBs的碎片离子峰以丢失2个氯原子的碎片离子同位素峰丰度最高，而失去3个氯原子的碎片离子同位素峰丰度均小于12%。以五氯联苯PCB101为例, 其分子离子同位素M+2峰(C1235Cl437ClH5，325.95)丰度为100%，失去2个氯原子的碎片离子同位素峰(C1235Cl237ClH5，256.00)丰度为60%，而失去3个氯原子的碎片离子峰(C1235Cl2H5，m/z219.00)丰度仅为8%。

表2 6种PCBs的分子离子同位素峰的相对丰度

表3 PCBs的分子离子同位素峰的理论相对丰度比

表4 6种PCBs的碎片离子峰相对强度

2.2 HPLC-APCI-MS分析

大气压离子源(API)包括ESI、APCI等多种离子化方式，是目前LC/MS常用的接口，其中以ESI的应用最为普遍。ESI适用于分析中等极性到强极性的化合物，特别是那些在溶液中能预先形成离子的化合物和可以获得多个质子的大分子化合物，而多氯联苯是联苯苯环上的若干个氢原子被氯取代形成的一类弱极性有机氯化合物，因此本研究选用适合分析非极性或中等极性小分子的APCI 离子源[12-16]。

在APCI离子源中，6种多氯联苯均检测不到其(准)分子离子峰，但却能检测到质量比样品分子质量少19 u的负离子峰，并且该类负离子同位素峰的强度变化规律与EI质谱中分子离子同位素峰的强度变化规律一致。由此可推断，APCI-MS中出现的质量比样品分子质量少19 u的负离子应与C—Cl键的断裂有关。根据分子质量差值可知，这些离子在解离了一个氯原子后，结合了一个质量为16的原子或基团，可能为O、NH2、CH4等。丁杰等[17]在8种全氯代多环芳烃的APCI-MS质谱图中发现了存在质量比样品分子质量少19 u的加合离子峰，并推断是全氯代多环芳烃在解离一个氯原子后，从流动相的甲醇分子中捕获一个羟基，随后又失去一个质子形成的。彭银[18]在10种多氯代多环芳烃的APCI-MS质谱图中也发现了这一现象，并将其归结为失去一个氯的不稳定离子从流动相甲醇中捕获甲氧基，再失去甲基，从而生成稳定的“相对分子质量减19 u”的加合离子。以上两种解释都认为，加合离子的形成与APCI离子源的环境(甲醇为流动相)有关。分别以乙腈-水溶液(80∶20，V/V)、甲醇-水溶液(80∶20，V/V)为流动相进行实验，结果发现，两种情况下6种PCBs的APCI-MS质谱图未发生明显变化，因此推断多氯联苯是在电离过程中解离一个氯原子后，从流动相的水分子中捕获了一个羟基，随后又失去一个质子，而成为稳定的“相对分子质量减19 u”的负离子。

五氯联苯PCB118的大气压化学电离质谱图示于图1。以此质谱分析结果为例，并结合前面对EI-MS质谱图中PCB118的分子离子同位素峰324(M，C1235Cl5H5，60%)、326.00(M+2，C1235Cl437ClH5，100%)、328.00(M+4，C1235Cl337Cl2H5，65%)、330.00(M+6，C1235Cl237Cl3H5，18%)的分析，推断丰度为76%的加合离子峰304.95(324-19)的形成应与35Cl的解离和O的结合有关，丰度为100%的加合离子峰306.95(326-19，328-21)的形成应与35Cl或37Cl的解离和O的结合有关，丰度为48%的加合离子峰308.95(328-19，330-21)的形成应与35Cl或37Cl的解离和O的结合有关，丰度仅为12%的加合离子峰311.00(330-19)的形成应与35Cl的解离和O的结合有关。进一步对PCB101、PCB138、PCB153、PCB180、PCB209进行APCI-MS分析，结果列于表5。数据表明，这5种PCBs均产生质量比样品分子质量少19 u的加合离子峰，并且APCI质谱中加合离子同位素峰的强度变化规律与EI质谱中分子离子同位素峰的强度变化规律一致。

通过APCI-MS分析发现，样品除产生加合离子外，并未发生进一步的裂解，所以对于未知的PCBs，即使检测不到其分子离子同位素峰，也可将加合离子的质量加上19 u而得到未知组分的相对分子质量，进而确定其分子式。APCI离子源作为LC/MS的接口，可与HPLC联用，从而使质谱扫描结果相同的同分异构PCBs也可以通过HPLC实现分离。

图1 20 mg/L PCB118的APCI-MS质谱图Fig.1 APCI-MS of 20 mg/L PCB118

化合物加合离子同位素峰PCB101304.95(79)307.00(100)309.00(47)311.05(16)PCB118304.95(76)306.95(100)308.95(48)311.00(12)PCB138338.95(68)340.95(100)342.95(74)344.90(19)PCB153338.95(68)340.95(100)342.95(56)344.95(20)PCB180372.90(50)374.90(100)376.90(90)378.90(45)380.90(12)PCB209474.75(30)476.75(85)478.75(100)480.70(75)482.75(40)484.70(12.5)

3 结论

本工作探讨了PCBs化合物在不同离子源条件下的质谱裂解规律。实验发现，此类化合物在EI离子源中，分子离子同位素峰为最强峰，失去2个氯原子的碎片同位素峰为次强峰，但分子离子峰不一定是基峰，通过计算氯原子取代数目不同的PCBs分子离子同位素峰间M%∶(M+2)%∶(M+4)%…相对丰度比的理论值，并对6种PCBs化合物进行EI-MS分析，发现随着PCBs氯原子取代数目的增加，基峰从M变化到M+2再到M+4。在APCI离子源中，无(准)分子离子峰，但存在质量比样品分子质量少19 u的加合离子峰，并且该加合离子同位素峰的强度变化规律与EI质谱中分子离子同位素峰的强度变化规律一致。结合EI-MS质谱图中对各物质的分子离子同位素峰的分析，以及对不同流动相条件下APCI-MS质谱图的分析，推断该加合离子是多氯联苯在解离一个氯原子后，从流动相的水分子中捕获一个羟基，随后又失去一个质子形成的。对这6种化合物在EI离子源和APCI离子源中裂解规律的研究有助于此类化合物的快速鉴定。

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