有机磷阻燃剂气相色谱-四极杆飞行时间质谱裂解机理研究

杨吉双，张庆合，苏立强

(1.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.中国计量科学研究院化学计量与分析科学研究所，北京 100029)

随着溴系阻燃剂在全球范围内的限制使用，有机磷阻燃剂(organophosphorus flame retardants, OPFRs)作为良好的替代品，被广泛应用于塑料、纺织品、涂料、电子设备、家具等材料中，且生产量和使用量逐年增加[1-3]。OPFRs是一种添加型阻燃剂，通过物理混合方法直接将其加入到聚合物中，因此，原料生产和使用过程中的有害气体极易释放到周围环境中。据文献[4-6]报道，OPFRs广泛存在于空气、淤泥以及水体等环境中，并且在水稻、果蔬以及水生生物等食品[7-11]，人体尿液[12]、母乳[13]和血浆[14]中均能检测到OPFRs。其中，OPFRs进入人体的主要方式是通过食物摄入[15-16]，已有研究证实部分OPFRs对人体肝脏、神经系统、生殖系统具有毒性[17-18]。目前，OPFRs已经受到国际高度关注，且制定了相关标准限制OPFRs的使用[19]。

根据取代基类型不同，OPFRs可分为烷基类、氯化类以及芳香类，不同类型OPFRs的理化性质存在较大差异，应用范围有所不同。由于OPFRs大多为挥发性化合物，因此多数研究采用气相色谱技术分析检测OPFRs[20-22]，且多为OPFRs在环境中的分布和危害性，而关于OPFRs的裂解机理研究则较少。MA等[23]利用GC-MS技术考察了电子轰击电离源(EI)、电子捕获负化学电离源(ECNI)、正化学电离源(PCI)三种电离源下13种OPFRs的灵敏度及裂解机理，其中EI源表现出较高的灵敏度，但由于在该电离源下，烷基类OPFRs均产生丰度较高的m/z99碎片，并且该碎片不能提供被标记的取代基信息，因此在使用内标物定量时会产生干扰。报道中解释了在EI源条件下各类OPFRs共性裂解途径：烷基类OPFRs经过3次麦氏重排后，遵循[M]+→[M-R+2H]+→[M-2R+3H]+→[M-3R+4H]+的裂解途径；芳香类OPFRs分子离子峰丰度最大。

近年来，气相色谱-高分辨质谱联用技术为复杂体系的分离分析与鉴定提供了有力工具。基于气相色谱-四极杆飞行时间质谱(GC-QTOF MS)的高分辨、高扫描速率、可通过窄窗口提取质量数降低杂质峰干扰的优势，本研究拟在全扫描模式下测定目标化合物的精确质量数，降低检测假阳性率的同时，提高定性和定量的准确性，并比较EI不同电离能下17种OPFRs的碎片离子信息，探究各化合物的裂解机理并选取特征离子，建立一级质谱特征离子精确质量数据库，希望为实现复杂基质中OPFRs准确测定提供依据。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

7200气相色谱-四极杆飞行时间质谱联用仪：美国Agilent公司产品，配有EI电离以及Mass Hunter数据处理系统；Sartorius SE2、ME614S分析天平：德国Sartorius公司产品；MX-S涡旋仪：美国Scilogex公司产品。

磷酸三正丁酯(TnBP)、磷酸三(2-乙基己基)酯(TEHP)、磷酸三丙酯(TnPP)、磷酸三(氯乙基)酯(TCEP)、磷酸三苯酯(TPHP)、磷酸(2-乙基己基)二苯酯(EHDPP)、磷酸邻三甲苯酯(o-TCP)、磷酸间三甲苯酯(m-TCP)、磷酸对三甲苯酯(p-TCP)：德国Dr.Ehrenstorfer公司产品；磷酸三(异丁基)酯(TiBP)、磷酸三异丙酯(TiPP)、二丁基苯基磷酸酯(dBPhP)：加拿大TRC公司产品；磷酸三甲酯(TMP)、磷酸三乙酯(TEP)：美国Chemservice公司产品；磷酸三(2-氯异丙基)酯(TCIPP)：曼哈顿生物科技有限公司产品；磷酸三戊酯(TPeP)：德国安谱公司产品；磷酸三(1,3-二氯-2-丙基)酯(TDCIPP)：美国Supelco公司产品；乙酸乙酯(分析纯)：德国Merck公司产品。

1.2 实验条件

1.2.1色谱条件 色谱柱：Agilent DB-5MS UI石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；升温程序：50 ℃保持3 min，以20 ℃/min升至300 ℃，保持10 min；载气：氦气(99.999%)，流速1.0 mL/min；进样口温度280 ℃；进样量1 μL，不分流。

1.2.2质谱条件 EI离子源；电离能50 eV；四极杆温度150 ℃；离子源温度230 ℃；全扫描模式，质量扫描范围m/z50～500。

1.3 标准溶液的配制

以乙酸乙酯为溶剂，采用质量法分别配制100 ng/g的17种OPFRs标准溶液，于-4 ℃保存。

2 结果与讨论

2.1 电离能的优化

电子轰击电离是一种硬电离技术，当样品分子获得电离能后，分子离子会发生碎裂产生丰富的碎片离子。过高的电离能可能导致碎片离子过多，特征离子丰度降低，母离子丰度降低甚至消失；在较低的电离能下，母离子产生的碎片较少且丰度较低，增加了化合物鉴定的难度。因此，合适的电离能对化合物鉴定和检测灵敏度非常重要。实验选取烷烃类TnPP、氯化类TCEP、芳香类TPHP 3个具有代表性的OPFRs，在全扫描模式下进行电离能优化实验。在20、30、50、70、90 eV电离能下，对100 ng/g TnPP、TCEP、TPHP平行测定6次，以电离能为横坐标，3个化合物的特征离子碎片丰度值为纵坐标，绘制各化合物电离能优化曲线，示于图1。可以看出，在小于50 eV电离能时，各碎片丰度值随电离能的增加而增加；大于50 eV电离能时，各碎片丰度值随电离能的增加而减小；50 eV时，各化合物碎片显示出最高的丰度值，表明50 eV电离能的检测灵敏度最高。

对TnPP、TCEP、TPHP进行6组平行实验，分别计算20、30、50、70、90 eV电离能下3种化合物峰面积响应的RSD值，结果列于表1。可以看出，在50 eV电离能下，各碎片离子RSD值相对较小，在1.81%～9.83%之间；在较低电离能下，TPHP无法获得丰富的碎片离子。根据上述方法对其他OPFRs进行测定，记录各化合物在不同电离能下特征离子碎片的丰度响应值，比较不同电离能检测的灵敏度与精密度。结果表明，50 eV电离能测定OPFRs可以提高检测的灵敏度，并且具有较好的重现性。

图1 TnPP(a)、TCEP(b)、TPHP(c)电离能优化曲线Fig.1 Ionization energy optimization curves of TnPP (a)、TCEP (b)、TPHP (c)

2.2 质谱分析与裂解机理

在50 eV电离能下，对17种OPFRs进行全扫描模式质谱测定，探究各化合物的裂解碎片信息以及各碎片之间的相互关系，并分析烷基类、氯化类、芳香类OPFRs可能的裂解方式。通过推测TnPP、TCEP、TPHP可能的质谱裂解途径，验证OPFRs裂解规律的可靠性。

2.2.1烷基类有机磷酸阻燃剂 8种烷基类OPFRs的质谱图示于图2。TMP、TEP、TiPP、TnPP、TiBP、TnBP、TPeP、TEHP中的取代基分别为甲基、乙基、异丙基、正丙基、异丁基、正丁基、正戊基、2-乙基己基，该类化合物在裂解过程中常表现为丢失各自取代基(R)，加H后得到相应碎片离子。除TMP外，均形成了[M-R+2H]+、[M-2R+3H]+、[M-3R+4H]+碎片离子，其中[M-3R+4H]+(m/z98.983 3)的碎片离子峰均为基峰。TMP的质谱图(图2a)中，碎片离子m/z140.021 8为分子离子峰M+·，其断裂C—O键失去2个甲基(-CH3)形成[M-2CH3]+(m/z110.011 1) 碎片离子，或断裂P—O键失去甲氧基(—OCH3)形成[M-OCH3]+(m/z109.003 3) 碎片离子，m/z110.011 1碎片离子丰度远高于m/z109.003 3，表明C—O键较P—O键更易断裂，进一步证明该类化合物易丢失各自取代基。此外，烷基类OPFRs在裂解过程中还伴随失水或失氧的现象。例如：互为同分异构体的TiPP(图2c)和TnPP(图2d)，TiBP(图2e)和TnBP(图2f)，其中含有支链取代基的TiPP和TiBP易失去氧离子，分别形成[C3H10O3P]+(m/z124.999 0)和[C4H12O3P]+(m/z139.014 2) 碎片离子；而TnPP和TnBP则更易失去水分子，分别形成[C3H8O3P]+(m/z123.019 7)和[C4H10O3P]+(m/z137.036 6) 碎片离子。这可能由于TiPP和TiBP的支链甲基占据了γ-H的位置，羟基的氧原子不易夺取γ-H，因此以氧离子的形式失去。

表1 不同电离能下测定 TnPP、TCEP、TPHP精密度 (n=6)Table 1 Precisions of TnPP, TCEP, TPHP for different ionization energies (n=6)

2.2.2氯化类有机磷酸阻燃剂 氯化类OPFRs的质谱图示于图4，同样遵循[M]+→[M-R+2H]+→[M-2R+3H]+→[M-3R+4H]+的裂解规律，并伴随着失水或失氧的现象。此外，氯化类OPFRs裂解过程通常会从键能最低处C-Cl键断裂，形成[M-Cl]+、[M-HCl]+碎片离子。由于TCIPP和TDCPP的取代基存在支链，因此易失去—CH2Cl形成[C8H15Cl2O4P]+(m/z277.014 3)(图4b)和[C8H13Cl5O4P]+(m/z381.893 3)碎片离子(图4c)；支链的存在会使TCIPP和TDCPP的取代基发生断裂，形成丰度较高的特征离子碎片。例如：TCIPP在失去一个取代基后，在另一个取代基支链处继续断裂形成[C5H11ClO4P]+(m/z201.006 9)碎片离子；TDCPP取代基C3H5Cl2的支链处为电负性较大的氯原子，易发生消去反应，失去HCl形成[C3H4Cl]+(m/z74.998 9)碎片离子。

氯化类OPFRs在质谱图中表现出较强的同位素离子峰，根据碎片离子丰度比的差异，可推断各碎片离子所含氯原子的数量，为探究裂解规律提供依据。例如：TCEP质谱图(图4a)中，m/z248.984 0、222.967 5、204.957 1碎片离子处均出现3个同位素离子峰，且离子丰度比大约为9∶6∶1，可推断这3个碎片离子都含2个氯；m/z142.965 0和m/z186.990 0均出现2个同位素离子峰，丰度比大约为3∶1，可推断这2个碎片离子都含1个氯；而m/z124.998 9碎片离子未出现同位素离子峰，可推断该碎片离子不含氯。

注：a.TMP；b.TEP；c.TiPP；d.TnPP；e.TiBP；f.TnBP；g.TPeP；h.TEHP图2 EI源模式下，8种烷基类有机磷阻燃剂质谱图Fig.2 Mass spectra of 8 alkyl phosphates at EI mode

代表性TCEP可能的质谱裂解途径示于图5，其易断裂C—Cl键失去氯原子，形成[M-Cl]+(m/z248.984 0) 碎片离子。[M]+(m/z283.953 9)经过3次γ-H重排，每次重排后失去1个—C2H4Cl(m/z62.999 0)，分别得到[C4H10Cl2O4P]+(m/z222.967 5)、[C2H7ClO4P]+(m/z160.976 4)、[H4O4P]+(m/z98.983 3)碎片离子。其中m/z222.967 5碎片离子易失水形成[C4H8Cl2O3P]+(m/z204.957 1)碎片离子，或者发生消去反应，以HCl的形式脱去，形成[C4H7ClO4P]+(m/z186.990 0)碎片离子；m/z186.990 0碎片离子取代基链端含有氯原子，电负性较大，易发生吸电子诱导效应而失去—CH2CH2Cl，加H后形成[C2H6O4P]+(m/z124.998 9)碎片离子。通过对TCEP可能裂解途径的推断，验证了氯化类OPFRs裂解规律的可靠性。

图3 EI源模式下，TnPP可能的裂解途径Fig.3 Proposed fragmentation pathways of TnPP at EI mode

注：a.TCEP；b.TCIPP；c.TDCPP图4 EI源模式下，3种氯化类有机磷阻燃剂质谱图Fig.4 Mass spectra of 3 chloro phosphates at EI mode

EI源模式下，6种芳香类有机磷阻燃剂质谱图示于图6。芳香类OPFRs具有稳定的结构，故其质谱图中均显示出丰度较高的分子离子峰，其中TPHP、o-TCP、m-TCP、p-TCP最明显，可利用分子离子对各化合物定量；此外，在各化合物中均有质量数相差1的同位素离子峰。芳香类OPFRs存在共轭效应，结构相对稳定，没有发生γ-H重排。

o-TCP、m-TCP、p-TCP是3个互为同分异构体的芳香类OPFRs，各化合物碎片离子种类基本相似，但其丰度却存在很大差异，这是由甲基在苯环上不同取代位置导致的。o-TCP的甲基作为给电子基取代苯环邻位H时，导致该处电子云密度增大，C—O键间存在明显的斥力，C—O键断裂形成[C14H14O4P]+(m/z277.061 1)和[C7H7]+(m/z91.053 0)碎片离子，而m-TCP、p-TCP更易断裂P—O键形成碎片离子[C14H14O3P]+(m/z261.065 3、261.067 0)；o-TCP形成的C7H7基团相对较多，易与C6H5基团结合，脱H后得到[C13H9]+(m/z165.068 9)碎片离子，该碎片离子丰度明显高于m-TCP、p-TCP形成的m/z165.069 1、165.069 7，表明o-TCP更易断裂C—O键。dBPhP和EHDPP都是含有烷烃链的芳香类OPFRs，二者的断裂方式可能与分子的对称性有关。dBPhP含有2个-C4H9，易断裂P—O键失去苯酚基，再失去H2O形成[C8H16O2P]+(m/z175.014 7)碎片离子；而EHDPP含有2个芳香基，易断裂C—O键，得到2个H后形成[C12H12O4P]+(m/z251.045 2)离子。

图5 EI源模式下，TCEP可能的裂解途径Fig.5 Proposed fragmentation pathways of TCEP at EI mode

注：a.dBPhP；b.TPHP；c.EHDPP；d.o-TCP；e.m-TCP；f.p-TCP图6 EI源模式下，6种芳香类有机磷阻燃剂质谱图Fig.6 Mass spectra of 6 aryl phosphates at EI mode

以TPHP为例，其裂解途径示于图7。在EI源下，TPHP易在P—O键和C—O键处发生断裂，分别形成[C12H10O3P]+(m/z233.035 2)和[C12H10O4P]+(m/z249.030 7)碎片离子。其中m/z233.035 2碎片离子丰度明显高于m/z249.030 7，这可能是由于苯环和氧负离子的强吸电子作用，使P—O键更易断裂，同时形成[C6H6O]+(m/z94.040 6)碎片离子。该碎片离子在没有其他取代基的情况下可发生氢重排，然后经a、i断裂形成[M-HCO]+(m/z65.038 2)碎片离子。另外，m/z77.037 9、 65.038 2、m/z51.022 1都是TPHP芳香环的特征峰。

2.3 一级精确质量数据库特征离子信息

基于TOF MS高精确质量数的测定，MS Interpreter推断的可能化学式数量减少。对于小分子化合物，MS Interpreter推断的离子碎片只有一个化学式，提高了化合物定性的准确性。本实验分别对17种OPFRs标准品进行检测，得到各化合物碎片离子的精确质量数。根据软件中给定的元素组成，结合OPFRs结构和裂解机理进行验证，确认各特征碎片离子的准确化学式，建立OPFRs一级精确质量数据库，列于表2。该数据库包含每种OPFRs的保留时间、特征碎片离子以及各碎片离子的精确质量数，为复杂基质中OPFRs的测定提供了依据。根据一级精确质量数据库信息，同时对17种化合物的特征碎片离子进行质量提取，得到的提取色谱图示于图8。

图7 EI源模式下，TPHP可能的裂解途径Fig.7 Proposed fragmentation pathways of TPHP at EI mode

3 结论

利用GC-QTOF MS技术，在EI源全扫描模式下比较了烷烃类、氯化类和芳香类OPFRs可能的裂解机理。结果表明，烷烃类和氯化类OPFRs通常会发生3次γ-H重排，分别形成[M-R+2H]+、[M-R+3H]+、[M-R+4H]+碎片离子；OPFRs杂原子(P、O)的α位、饱和烷烃的支链是裂解的主要部位，且在裂解过程中常伴随失水或失氧的现象；各化合物的碎片离子丰度与裂解方式、各原子之间的键能有关，裂解方式越容易，或裂解部位越不稳定，则形成的碎片离子丰度越高。[M-R+4H]+

表2 17种OPFRs特征离子信息Table 2 Characteristics of 17 OPFRs

注：1.TMP;2.TEP;3.TiPP;4.TnPP;5.TiBP;6.TnBP;7. TCEP;8.TCIPP;9. dBPhP;10.TPeP;11.TDCPP;12.TPHP;13.EHDPP;14.TEHP;15.o-TCP;16.m-TCP;17.p-TCP图8 EI源模式下，17种OPFRs提取色谱图Fig.8 Extraction chromatogram of 17 OPFRs at EI mode

即为质子化的磷酸基团[H4PO4]+，是烷烃类和氯化类OPFRs的主要碎片离子。此外，氯化类OPFRs通常会形成明显的[M-Cl]+、[M-HCl]+碎片离子，根据该类化合物碎片离子丰度比差异，可进一步推断碎片离子含氯原子数量。芳香类OPFRs存在共轭效应，其结构相对稳定，P—O键更易断裂得到丰度较高的苯酚基碎片离子；由于甲基在苯环上取代位置不同，导致互为同分异构体的o-TCP、m-TCP、p-TCP碎片离子种类基本相似，但离子丰度却存在很大差异。根据氧负离子的强吸电子作用，烷烃类、氯化类和芳香类OPFRs在裂解过程中都会伴随失去水分子的现象。通过对OPFRs裂解规律的研究，建立了一级特征离子精确质量数据库，为测定复杂基质样品中OPFRs提供了依据，有助于减少假阳性和假阴性结果的发生。