水相中酒石酸铀酰形态的电喷雾串联质谱研究

2019-09-24陈焕文罗明标余文婷杨亚宣

质谱学报 2019年5期

曾凯，陈焕文，罗明标，张慧，余文婷，杨亚宣

(1.东华理工大学，江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西南昌 330013；2.南昌市食品药品检验所，南昌市中药质量控制与安全性评价重点实验室，江西南昌 330012)

铀在国防、能源等领域具有重要作用[1]，但从铀的开采[2-4]到放射性废物处置过程[5-7]都可能对生态环境造成影响或伤害，而铀形态对铀的环境迁移特性及生物毒性有重要影响[8-12]。潘自强、钱七虎院士指出：铀等关键核素的水溶液化学形态与酒石酸等有机酸络合行为是处置化学须重点研究的内容之一[13]。研究铀与有机酸的结合形态，对完善铀污染治理方法，以及阐述铀的地球化学循环具有重要意义[14-20]。

电喷雾串联质谱(ESI-MS/MS)具有无需样品前处理、不改变样品原有形态、定性定量结果准确、抗干扰能力强、测定高效等特点，现已逐渐成为结构、形态研究的重要手段之一[21]。2003年，Pasilis等[22]首先将电喷雾质谱用于柠檬酸铀酰溶液形态研究，并将结果与拉曼、红外等传统分析方法的结果进行对比验证。2009年，Tserkezos等[23]证明了ESI-MS/MS定性研究硝酸铀酰水溶液形态的准确性。之后的近10年内，电喷雾质谱越来越广泛地应用于含铀化合物的研究[24-30]。

本研究拟采用电喷雾离子源-三重四极杆串联质谱，利用铀酰基团([238UO2]+)解离能远超一般有机小分子的特点，通过质谱碰撞池中的中性氮气分子高能碰撞诱导解离(CID)快速鉴别含铀化合物，对酒石酸铀酰络合形态进行快速鉴别和表征，获得水溶液中酒石酸铀酰络合物形态及其质谱裂解规律，为深入探索核素与有机酸的水溶液形态研究提供方法支持。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

G6460三重四极杆串联质谱仪：美国Agilent公司产品，配有电喷雾离子源及MassHunter 6.0数据处理系统；XS205十万分之一天平：瑞士Mettler Toledo公司产品。

1.2 主要材料与试剂

六水合硝酸铀酰(UO2(NO3)2·6H2O)：纯度≥99.0%，湖北楚盛威化工有限公司产品；酒石酸(H2Tar)：纯度≥99.8%，国药集团化学试剂有限公司产品；实验用水为超纯水。

1.3 实验条件

ESI正离子模式；进样流速：10 μL/min；扫描范围：m/z220～2 000；碎裂电压：90 V；加速电压：7 V；毛细管电压：4 500 V；干燥气：温度300 ℃，流速11 L/min；雾化器压力：103.4 kPa；四极杆温度：100 ℃；真空度：2.8×10-3Pa。

1.4 样品溶液制备

精密称取1.048 6 g酒石酸于500 mL容量瓶中，用纯水定容，得0.010 mol/L酒石酸溶液；称取1.237 2 g六水合硝酸铀酰于250 mL容量瓶中，用纯水定容，得0.010 mol/L硝酸铀酰溶液。于500 mL容量瓶中加入适量硝酸铀酰溶液，再加入适量酒石酸溶液，用纯水定容，即得一系列酒石酸铀酰样品溶液，待ESI-MS/MS分析。

2 结果与讨论

2.1 酒石酸铀酰溶液中铀酰形态分析

向酒石酸中加入硝酸铀酰溶液后产生多种酒石酸铀酰络合物离子，其全扫描质谱图示于图1。传统质谱分析方法需在鉴别化合物结构后才能确定其是否含铀，工作量大、分析效率低。含铀化合物的本质特点是其分子结构中存在铀酰基团([UO2]+，m/z269.9)，因此本研究采用质谱高碰撞能量轰击目标物，产生铀酰离子信号的离子即为含铀化合物。通过这种方法确定了溶液中的含铀离子，鉴定出5种无机铀酰和14种酒石酸铀酰形态，列于表1。该结果既表明了铀络合形态的多样性和复杂性，也验证了电喷雾串联质谱研究水溶液中铀络合形态的优势。其中m/z1 121.3、m/z460.1等低响应、多电荷或结构未能解析的离子，在200 V高碰撞能量下均只存在唯一的[UO2]+离子信号，结果示于图2。

2.2 酒石酸与铀酰络合形态质谱解析

2.2.1单酒石酸铀酰形态的结构表征及质谱裂解途径 1个酒石酸阴离子与1个铀酰基团结合形成带1个正电荷的络合物离子m/z418.9。CID为5 V时，[UO2HTar]+失去1个·COOH基团，与脱去1个·H的邻位碳结合形成双键，产生较弱响应的m/z373.0。另外，[UO2HTar]+可失去2个·COOH基团，2个连接羧基的碳原子结合形成碳碳双键，产生响应值较高的m/z328.9，m/z328.9还可进一步失去1个·CH产生m/z300.9。当CID增大至50 V时，产生明显的[UO2]+信号，示于图3，[UO2HTar]+的质谱裂解途径示于图4。m/z328.9的结构表明，酒石酸分子是通过羟基上的氧原子而非羧基上的氧原子与铀酰络合。酒石酸铀酰一聚物还可结合1个水分子或硝酸分子形成[UO2HTarH2O]+(m/z437.0)或[UO2HTarHNO3]+(m/z481.9)。

图1 酒石酸铀酰溶液的全扫描质谱图Fig.1 Full scan mass spectrum of uranyl tartrate solution

质荷比m/z结构式Structural formula质荷比m/z结构式Structural formula1255.1—481.9[UO2HTarHNO3]+1121.3—460.1—987.1—437.0[UO2HTarH2O]+837.1—418.9[UO2HTar]+778.1[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+350.0[UO2NO3H2O]+719.1[UO2HTar(H2Tar)2]+332.0[UO2NO3]+703.1[(UO2)3Tar(HTar)2]2+322.9[UO2H2OOH]+587.1[UO2HTarH2TarH2O]+305.0[UO2H2OOH]+569.1[UO2HTarH2Tar]+287.0[UO2OH]+569.1[(UO2HTarH2Tar)2]2+

注：“—”表示结构未知

图2 高质谱碰撞能量鉴别含铀离子的质谱图(CID 200 V)Fig.2 Mass spectra of identification of uranium ions by high mass spectrometry collision energy (CID 200 V)

图3 [UO2HTar]+子离子扫描质谱图(CID 50 V)Fig.3 Product ions scan mass spectrum of [UO2HTar]+ (CID 50 V)

图4 [UO2HTar]+质谱裂解途径Fig.4 MS fragmentation pathways of [UO2HTar]+

2.2.2多聚酒石酸铀酰团簇的结构表征及质谱裂解途径m/z569.1存在单电荷离子与双电荷离子的质谱信号。当碰撞能量为5 V时，产生明显的酒石酸阳离子m/z150.9及其脱·COOH的子离子m/z104.9，同时m/z569.1失去m/z75形成显著的m/z494.1子离子，示于图5a。m/z569.1主要以双电荷离子[(UO2HTarH2Tar)2]2+形态存在,该离子容易丢失2个酒石酸分子产生较强响应的m/z837.1([(UO2)2TarHTar]+)，其裂解途径示于图6a。该结果表明，以分子形式络合的酒石酸与铀酰的结合较弱。由于共轭双键的稳定作用，单电荷离子[UO2HTarH2Tar]+可脱去2个·COOH形成特征离子m/z479.1，其质谱裂解途径示于图6b。当碰撞能量提高至20 V，m/z569.1可形成失去羧基、水的离子m/z625.1、418.9、373.0、329.0，结果示于图5b。继续提高碰撞能量至80 V，[(UO2HTarH2Tar)2]2+产生显著的[UO2]+信号，以及微弱的m/z555.9，示于图5c。该结果表明，双铀酰聚合离子具有较强的质谱稳定性，其解离能量大于酒石酸阴离子的官能团解离所需的能量。

注：a.CID为5 V；b.CID为20 V；c.CID为80 V图5 m/z 569.1的子离子扫描质谱图Fig.5 Product ions scan mass spectrum of m/z 569.1

m/z719.1([UO2HTar(H2Tar)2]+)为铀酰基团结合1个酒石酸阴离子和2个酒石酸分子形成的离子。与m/z569.1不同，m/z719.1不产生大于自身的子离子，也检测不到酒石酸阳离子或其碎片离子信号，这表明m/z719.1为单电荷阳离子。[UO2HTar(H2Tar)2]+被10 V能量轰击，脱去1个酒石酸分子产生[UO2HTarH2Tar]+子离子，示于图7a。增大碰撞能量至25 V，出现m/z479.1、461.1、418.9等碎片离子，示于图7b。继续提高CID至50 V时，主要的子离子为m/z370.0、329.1、300.9等[UO2HTar]+碎片离子和[UO2]+信号，示于图7c。当CID为200 V时，[UO2HTar(H2Tar)2]+产生明显的[UO2]+信号，示于图7d。[UO2HTar(H2Tar)2]+的质谱裂解途径示于图8。

m/z778.1([(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+)也是双电荷酒石酸铀酰离子，它通过两种途径裂解：1) 三铀酰聚合离子[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+被低能量碰撞后，失去1个酒石酸分子和1个酒石酸阳离子，产生单电荷阳离子m/z1 255.1信号；2)m/z778.1逐渐失去2个酒石酸分子，产生m/z703.1、628.1信号。由于共轭双键的作用，[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+在较高碰撞能量下，结合的多聚铀酰离子分离形成一系列复杂的离子碎片，这些多聚铀酰离子的质谱稳定性较强，不易产生单铀酰离子。在200 V碰撞能量下，[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+产生明显的[UO2]+信号。不同碰撞能量下，[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+的子离子扫描质谱图示于图9，其裂解途径示于图10。本实验中，因m/z987.1、1 121.3响应值太低或超出本仪器扫描范围，故暂未分析其结构。

图6 m/z 569.1的质谱裂解途径Fig.6 MS fragmentation pathways of m/z 569.1

注：a.CID为10 V；b.CID为25 V；c.CID为50 V；d.CID为200 V图7 [UO2HTar(H2Tar)2]+的子离子扫描质谱图Fig.7 Product ions scan mass spectra of [UO2HTar(H2Tar)2]+

图8 [UO2HTar(H2Tar)2]+的质谱裂解途径Fig.8 MS spectral fragmentation pathways of [UO2HTar(H2Tar)2]+

3 结论

本研究以电喷雾串联质谱研究酒石酸-硝酸铀酰水溶液中的铀酰形态，以[UO2]+为鉴别含铀离子的依据，共发现14种酒石酸铀酰络合物及5种无机铀酰形态。酒石酸铀酰形态中铀酰与酒石酸阴离子结合紧密，还可继续结合1～2个酒石酸或水分子，形成二铀酰、三铀酰聚合的酒石酸铀酰络合物，其中[UO2HTar(H2Tar)2]+等多聚酒石酸铀酰团簇形态为首次发现。酒石酸铀酰形态中各络合键解离所需能量大小顺序为：铀酰间结合键>酒石酸阴离子-铀酰结合键>酒石酸分子-铀酰结合键。电喷雾串联质谱法无需样品前处理，不改变溶液原有形态，在水溶液含铀形态分析中具有独特优势，可为实际条件下核素与有机酸的水溶液形态研究提供数据和方法支持。

注：a.CID为10 V；b.CID为35 V；c.CID为50 V；d.CID为200 V图9 [(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+的子离子扫描质谱图Fig.9 Product ions scan mass spectra of [(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+