电喷雾电离源结合傅立叶变换离子回旋共振质谱分析地下水中可溶性有机质分子组成

曾纯品，武法伟，董 军，袁鹏辉

(山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

电喷雾电离源结合傅立叶变换离子回旋共振质谱分析地下水中可溶性有机质分子组成

曾纯品，武法伟，董 军*，袁鹏辉

(山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

应用电喷雾电离源结合傅立叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)对地下水进行分析，基于高精确度的分子量检测结果，鉴定出Ox，N1Ox和N2Ox3大类，共计27小类含杂原子的化合物。杂原子化合物中Ox类化合物占绝大多数，而含N化合物则以结合大量氧原子的形式广泛存在。结合各类杂原子化合物的等效双键数(DBE)及碳数分布，发现Ox类化合物中存在大量的羧酸结构，推测含氮化合物可能来自于Ox类化合物的衍生反应。实验结果拓宽了对地下水中可溶性有机质的认识，为进一步确定其中杂原子化合物的结构类型奠定了基础。

地下水；电喷雾电离源结合傅立叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)；可溶性有机质；分子组成

地下水是重要的淡水资源，其品质的好坏对人类生存和发展具有重要的影响。地下水常被用作饮用水，直接影响人类的健康与安全[1]；地下水作为灌溉用水会携带大量的无机物和有机物，并对农作物的品质和产量产生深度的影响[2]。因此，许多研究工作对地下水中的化合物组成展开了研究，但大部分研究集中在地下水中无机物的迁移和反应，而对有机物的来源和浓度研究较少，全面的有机物组成信息比较缺乏。

目前对水体中可溶性有机物(DOM)的认识大多基于光谱学分析，常见的有紫外-可见光光谱(UV-Vis)[3-4]、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)[5]、核磁共振(NMR)[6]以及荧光激发-发射矩阵谱(EEM)[3，7]等。所获得的信息主要是DOM中的官能团信息以及一些分类数据。随着质谱的广泛应用，液相色谱-质谱联用(LC-MS)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)以及高压液相色谱-质谱联用(UPLC-MS)[8]等为地下水中有机质的组成分析提供了更为有效的手段。通过各种手段的检测，发现DOM中存在芳香族和脂肪族化合物[9]。富里酸和腐殖酸也被认为广泛存在于地下水中[10]，其主要来源于沉积物释放的有机碳。糖类以及氨基酸也在地下水中被检出，其含量较低，占有机碳总量不足10%[11]。但是受限于仪器的精度以及化合物的特殊性，这些研究所获得的信息非常有限，尤其是从分子层面获得的组成信息仍有很大的扩展空间。

近年来，电喷雾电离源结合超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)逐渐成为水体中有机质分析的重要工具，并已经广泛应用于各类水体(如海水、湖水、雨水以及油砂处理水)[12-13]。FT-ICR MS的超高分辨率和分子量精确度保证了质谱峰的有效分辨以及明确分子式组成。另一方面，ESI能够直接对样品中的极性化合物进行选择性电离，显著提高了水体中可溶质的有效检测和分析[14-15]。ESI FT-ICR MS在地下水组成分析中的应用开始较晚，目前相关的报道仍然非常缺乏，其对地下水中可溶性有机质的认识有待大力开发。

本文采用固相萃柱富集地下水中的有机质，对萃取所得有机质进行FT-ICR MS检测，通过高精度的分子质量计算得到化合物的分子式，从分子层面了解了地下水中的有机质组成。该研究可发展为地下水水源识别的新方法。

1 实验方法

1.1 样品来源

实验所用地下水样来自于山东省济南市某地下水，深度710 m。

1.2 样品处理方法

将Waters Oasis HLB固相萃取柱预先用20 mL重蒸甲醇和20 mL经高纯盐酸酸化的超纯水(pH 2.0)淋洗。将100 mL水样用高纯盐酸酸化至pH 2.0后，注入固相萃取柱中，样品用蠕动泵以5 mL/min的速率过柱。上样完成后用20 mL酸化超纯水淋洗，再用氮吹方式将柱内的水分完全去除。最后用10 mL重蒸甲醇洗脱得到有机物，并在0 ℃下黑暗处保存至检测。

1.3 负离子ESI FT-ICR MS分析

实验采用美国Bruker公司Apex-Ultra 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)对所得样品进行分析。其磁场强度为9.4 T，ESI 电离源为Apollo II型电喷雾电离源。取1 mL有机质样品，加入15 μL氨水。仪器操作条件为：进样流速180 μL/h，毛细管入口电压3 500 V，毛细管出口电压-320 V，四极杆Q1为200 Da，碰撞能量1.0 V，离子导入分析池飞行时间1.0 ms，源累积时间0.001 s，贮集时间0.1 s；采样点数4 M，采集质量范围150～800 Da，扫描次数64次。

图1 地下水中可溶性有机质的负离子ESI FT-ICR MS谱图Fig.1 Broadband negative-ion ESI FT-ICR MS spectrum of DOM from ground water

2 结果与讨论

在负离子模式下，酸性和中性氮化合物能够被有效地选择性电离，由于水体中的可溶性有机质基本都属于含氧的极性化合物，因此在该模式下能够得到充分的表征。图1是地下水中可溶性有机质的负离子ESI FT-ICR质谱图，有机质的分子量分布范围为200～600 Da，分布中心在375 Da左右。质谱图出峰变化平滑，没有奇异点出现，说明整个样品组成分布比较均匀。虽然由于信号采集次数较少导致基线噪音较高，但由于样品的极性较强，质谱峰信号强度仍较高，其中的组成能够得到有效地识别。

图2是地下水可溶性有机质的负离子ESI FT-ICR MS在m/z295和296两个质量点的放大图。图中各质量点的峰形比较尖锐，且无伴随峰，各点的分辨率均大于50万，说明负离子ESI FT-ICR MS能够非常有效地对地下水中可溶性有机质进行表征。质谱图中可识别的峰均为含有O原子的化合物，主要分为3大类：Ox，N1Ox和N2Ox。无论是从化合物的类型还是从对应的峰强度进行考察，Ox类化合物均具有明显优势。N1Ox相比N2Ox在化合物种类上略有增加，其分布主要从N1O2到N1O7，而N2Ox则主要是从N2O3到N2O6。N1Ox类化合物的最高峰与N2Ox类化合物的最高峰在峰强度上处于同一数量级，总体峰强度也比较接近，N1Ox和N2Ox类化合物的峰强度均比Ox低很多，只比其一级同位素峰略高。

图3 地下水中可溶性有机质的相对丰度分布图Fig.3 Relative abundance distribution of the DOM

通过对质谱图的分析，发现3大类(Ox，N1Ox和N2Ox)共计27小类化合物。其中Ox(x=1～13)所含化合物种类最多，接近总数的一半，N1Ox(x=2～10)所含的种类次之，而N2Ox(x=2～6)最少。各类化合物的等效双键数(DBE)分布范围在1～17之间，说明化合物的缩合程度以低缩合为主。对比3大类化合物，均以含有6个O原子的化合物(O6，N1O6和N2O6)所对应的峰强度最高。这一特殊的现象可能与所含可溶性有机质的特殊组成有关，但有待进一步的研究和分析。

Ox类化合物的峰强度约占总峰强度的78.2%，而N1Ox和N2Ox类化合物的信号强度分别占17.1%和4.7%，虽然信号强度的高低不能定量地代表化合物的浓度高低，但如此巨大的差异说明在地下水的可溶性有机质中Ox类化合物占绝大多数。同时，对比国际腐殖酸标样中含氧化合物中的氧原子个数及分布，发现实验样品中所含的氧原子个数比标样(最高O18)低很多[10]，其可能的原因是由于低氧原子个数的Ox类化合物含量较高，抑制了氧原子数更高的Ox化合物的有效电离。含N化合物的组成特点也与腐殖酸标样有所差异，在标样中无N2Ox类化合物，而且N1Ox类化合物中无氧原子数低于6的化合物，其原因可能是该地下水中存在有机污染物。

选取O2～O54种含氧化合物作DBE对碳数分布图，其结果如图4所示。由图可见，4种化合物的碳数分布范围在8～30之间，DBE分布范围在1～17之间。碳数和DBE中心分别为13～22和5～13。虽然在整体分布上4种化合物的分布形态比较接近，但是就每种类型化合物单独而言其组成各具特点。O2类化合物的起始DBE值为1且有非常连续的碳数分布，而DBE=2，3的化合物基本没有或者可以忽略(DBE=2的物质可能是个别DBE=1的化合物的衍生物)，由此说明DBE=1的化合物主要是饱和脂肪酸系列，其多来源于动物的脂肪。O4类化合物的起始DBE值为2，DBE=1和3的化合物基本没有发现，该特殊的分布表明其主要是二元酸结构。这两类化合物均不是地下水中长期存在的化合物，应该是来自于人类生活产生的废弃物。O3类化合物和O5类化合物的起始DBE值均从4开始，无更低的DBE存在，这与天然的腐殖酸组成相同，其可能是多元的苯多酚或是结构复杂的醇类化合物。

地下水可溶性有机质中高含O数的Ox类化合物(以O6，O8，O10，O12为例)的DBE对碳数分布图如图5所示。其最高DBE值不超过20，最大碳数不超过30，与低氧原子数化合物类似。说明整个Ox系列的化合物分布限定在此范围内。但4种化合物的起始碳数有明显差异，随着含氧原子数的增加，起始碳数随之逐渐增加。相邻类型化合物之间的起始分子式差为C2-3H2-4O2，其对应的结构不是环状结构，结合起始DBE之差为1，说明其可能是羧酸基团。在Ox类化合物中氧原子可能主要是以羧基的形式逐渐增加，对应的起始碳数也随之增加，但总碳数受限于30，导致每个DBE中碳数分布逐渐变少(如图5)。

含氮化合物中只发现了N1Ox和N2Ox两类，其DBE和碳数分布分别在5～15和10～25之间。图6为N1O4，N1O5，N2O4和N2O54种化合物的DBE对碳数分布图。由图可见，该4种化合物在整体分布上无明显区别。但是在选定的DBE值上N2Ox类化合物的碳数分布明显比N1Ox类化合物少，N1Ox与图4中对应的Ox类化合物对比也呈现出碳数分布较少的现象。同时，Ox，N1Ox和N2Ox的DBE和碳数分布中心也基本一致。因此，推测N1Ox是Ox类化合物衍生所得，其可以进一步衍生得到N2Ox类化合物。

3 结 论

本文通过对地下水中可溶性有机质进行负离子ESI FT-ICR MS检测，发现其中存在大量的含杂原子化合物。基于质谱图超高的分辨率，各类型化合物的单体均得到有效区分，说明该方法适用于地下水中有机质的检测。通过高精度的分子量检测结果，解析出有机质主要为Ox，N1Ox和N2Ox类化合物。其中Ox类化合物占大部分，DBE对碳数的分布规律显示其存在大量羧酸基团。实验确认了地下水中存在一元饱和脂肪酸和二元羧酸等污染物。同时推测含氮化合物的组成与含氧化合物存在一定的联系，其可能源于含氧化合物的衍生反应。

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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

山东省2015年度31个省级地质勘查项目(SDZS-2015-GTT01 包号：D3)

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.05.018

O657.63；S153.621

A

1004-4957(2017)05-0679-05

*通讯作者：董 军，高级工程师，研究方向：环境中有机污染物分析，Tel：0531-81852388，E-mail:dkvip801@163.com