超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱法定性、定量分析爆炸残留物中6种有机炸药

2023-03-21蔺大伟夏庆兵张冠男郑佳佳李秀云李文海孙红雷

理化检验-化学分册 2023年2期

蔺大伟,夏庆兵,邵凯,张冠男,郑佳佳,李秀云,李文海,孙红雷

(1.泰安市公安局刑事科学技术研究所，泰安 271000; 2.公安部物证鉴定中心，北京 100038)

爆炸现场的生物检材和痕迹物证破坏严重，侦查线索和证据很大程度上依赖于爆炸残留物中爆炸装置和炸药的理化分析[1]。有机炸药破坏力强、危害性大，具有爆炸反应完全、炸药残留量少、检验难度大的特点，一直是法庭科学理化检验中的难点。目前，有机炸药的检测方法有红外光谱法[2]、拉曼光谱法[3]、高效液相色谱法[4]、离子迁移谱法[5]、毛细管电泳法[6]、气相色谱-串联质谱法[7]、液相色谱-质谱法[8-9]。但上述方法操作复杂、抗干扰能力差，因此建立高分辨、高灵敏度的有机炸药爆炸残留物的定性和定量方法至关重要[10]。四极杆静电场轨道阱质谱法具有高质量精度分析性能，可根据化合物的精确质量数、二级碎片离子信息和保留时间匹配特定的数据库，实现目标物的无标准品快速筛查。本工作以丙酮作提取剂，提取爆炸残留物中三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油(NG)、太安(PETN)、奥克托金(HMX)、黑索金(RDX)、特屈儿(CE)等6种有机炸药，采用超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱法定性、定量分析，可用于爆炸现场痕量有机炸药的快速筛查和确证。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Q Exactive Foucs型超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱联用仪;Milli-Q 型超纯水仪;VORTEX2型涡旋振荡器;3K15 型高速离心机;KQ-250DE型超声仪。

TNT、NG 和RDX 的单标准溶液:1.0 g·L－1，介质为甲醇;PETN、HMX 和CE 的单标准溶液:0.1 g·L－1，介质为甲醇。其他溶液均由上述溶液用甲醇逐级稀释制成，于4℃下保存，每2个星期重新配制。

TNT、CE、RDX、HMX 混合标准溶液系列:用甲醇作稀释剂，配制成各目标物质量浓度分别为10.0，20.0，50.0，100，200，500，800，1 000μg·L－1的混合标准溶液系列。

PETN、NG 混合标准溶液系列:用甲醇作稀释剂，配制成各目标物质量浓度分别为20.0，50.0，100，200，500，1 000，2 000μg·L－1的混合标准溶液系列。

甲醇、乙腈、丙酮、甲酸铵均为色谱纯;氯化铵为分析纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 色谱条件

ACQUITY UPLC HSS T3色谱柱(50 mm×2.1 mm，1.8μm);流量0.3 mL·min－1;进样量5μL;流动相A 为含0.5 mmol·L－1氯化铵的5.0 mmol·L－1甲酸铵溶液，B 为体积比1∶1的乙腈-甲醇混合溶液。梯度洗脱程序见表1。

表1 梯度洗脱程序Tab.1 Gradient elution procedure

1.2.2 质谱条件

大气压化学电离(APCI)源，负离子电离模式;全扫描/数据依赖二级扫描(Full MS/dd MS2)采集模式;放电电流18μA;离子传输管温度125 ℃;鞘气为氮气，压力为6×106Pa;辅助气为氮气，压力为1.45×106Pa;气化温度160 ℃;一级扫描分辨率70 000;二级扫描分辨率17 500。

6种有机炸药的其他质谱参数见表2，其中母离子为定量离子。

表2 6种有机炸药的质谱参数Tab.2 MS parameters of the 6 organic explosives

1.3 试验方法

用50%(体积分数)丙酮溶液浸泡擦拭棉球，擦取检材上的爆炸残留物，然后将擦拭棉球放入具塞离心管中。加入5 mL 丙酮，超声1 min，于10 000 r·min－1转速离心5 min。上清液于常温挥发至0.2 mL以下，用甲醇定容至1 mL，过0.22μm有机相滤膜，滤液按照仪器工作条件测定。

2 结果与讨论

2.1 流动相的选择

试验比较了在0.5 mmol·L－1氯化铵溶液中分别加入5.0 mmol·L－1甲酸铵和5.0 mmol·L－1乙酸铵时的分离效果。结果显示:加入5.0 mmol·L－1甲酸铵时，色谱峰峰形得到有效改善，色谱峰峰面积增加。进一步比较了流动相B分别为甲醇、体积比1∶1 的乙腈-甲醇混合溶液时的色谱分离效果。结果显示，体积比1∶1的乙腈-甲醇混合溶液的洗脱能力更强，且能改善硝铵类炸药CE、RDX、HMX 的色谱峰拖尾现象。为增加电离效果，试验继续尝试在流动相A 和流动相B 中均加入0.1%(体积分数，下同)甲酸。结果显示，0.1%甲酸对目标物有抑制作用，色谱峰峰面积减小。基于上述结果，试验选择的流动相A 为含0.5 mmol·L－1氯化铵的5.0 mmol·L－1甲酸铵溶液，B 为体积比1∶1的乙腈-甲醇混合溶液。

2.2 质谱条件的选择

文献[9，11]指出，有机炸药是难挥发和热不稳定性化合物，最佳电离源为电喷雾离子(ESI)源，但是本试验采用的Q Exactive Foucs型超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱联用仪配备的HESI(高温ESI)源加热温度为250～500 ℃，该离子源虽然去溶剂效率较高，但是其较高的加热温度容易导致大部分有机炸药分解，NG 和PETN 出峰效果较差。而将HESI源切换为APCI源，可以有效提高各目标物的灵敏度，实现各目标物的分离。

继续比较了离子传输管温度分别为125，145，185 ℃时6种有机炸药的峰面积。结果显示:温度对TNT、CE、HMX、PETN 和RDX 峰面积影响不明显;当温度为145 ℃时，NG 色谱峰峰面积为125 ℃时的35.5%;当温度达到185 ℃时，NG 完全分解，不能被检出。考虑到NG 的热分解温度较低，试验选择的离子传输管温度为125 ℃。

在二级扫描分辨率为17 500时，优化了二级碎片离子的NCE，结果见表2。

在优化的仪器工作条件下，6种有机炸药的提取离子色谱图见图1。

图1 6种有机炸药的提取离子色谱图Fig.1 Extracted ion chromatograms of the 6 organic explosives

2.3 筛查列表的建立

欧盟2002/657/EC[12]规定，以识别点(IPs)为指标对违禁化合物进行定性分析时，至少需要4个IPs。对于高分辨质谱(分辨率大于10 000)而言，只需要1 个母离子(2.0 IPs)与1 个二级碎片离子(2.5 IPs)即可满足规定。此外，美国食品药品监督管理局(FDA)发布的指导准则[13]对确证条件作出了规定:至少需要1对合适的母离子与二级碎片离子，母离子的精确质量数偏差不大于5×10－6，二级碎片离子的精确质量数偏差不大于10×10－6。

以6种有机炸药单标准溶液(100μg·L－1)为待测对象，按照优化的仪器工作条件进行测定。在TraceFinder软件中，根据目标物的分子式、负离子的电离方式、电荷数等信息计算出母离子的理论精确质量数;利用Full MS/dd MS2采集模式，得到二级碎片离子的全扫描图谱，找出丰度最高的子离子，计算该二级碎片离子的理论精确质量数。在TraceFinder软件中输入上述目标物的名称、分子式、CAS号、扫描方式、母离子精确质量数、二级碎片离子精确质量数、负离子的电离方式、保留时间等信息，建立6种有机炸药的筛查列表，用于这6种有机炸药的快速筛查和确证，部分信息见表2。

2.4 基质效应

采用APCI源电离时，基质成分会与目标物竞争质子，产生基质效应。以空白棉球为基质，按照试验方法制备并测定加标基质溶液(加标量200μg·L－1)，同时测定200μg·L－1单标准溶液，计算加标基质溶液和标准溶液中目标物的峰面积百分比。当基质效应(ME)值(100%和峰面积百分比的差值)为0时，表示无基质效应;ME 值小于0时，表示存在基质增强效应;ME值大于0时，表示存在基质抑制效应。ME值绝对值越大，基质效应越明显，当ME值不大于20%时，存在弱基质效应。结果显示，6种目标物ME值为0.68%～1.66%，属于弱基质抑制效应，因此无需采用基质匹配法制作标准曲线。

2.5 标准曲线和检出限

按照仪器工作条件测定混合标准溶液系列，以各目标物的质量浓度为横坐标，其对应的峰面积为纵坐标进行线性回归，得到6种有机炸药的线性范围、线性回归方程和相关系数，结果见表3。

各目标物的提取离子色谱图基线噪声非常低，无法利用3倍信噪比计算检出限，因此以目标物母离子和二级碎片离子在Full MS/dd MS2采集模式下均可被检出时的加标浓度水平为检出限，结果见表3。

表3 线性参数和检出限Tab.3 Linearity parameters and detection limits

2.6 精密度和回收试验

按照试验方法对空白棉球进行低、中、高等3个浓度水平的加标回收试验，每个加标浓度水平测定6次，计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD)，所得结果见表4。

由表4可知，6 种目标物的回收率为56.6%～117%，测定值的RSD 为0.40%～6.9%，满足实际检测需求。

表4 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.4 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

以5 g土壤为研究对象进行上述浓度水平的加标回收试验。结果显示:TNT、NG、PETN 的回收率均高于95.0%，CE 的回收率大于70.0%，RDX、HMX 的回收率小于10.0%，推测土壤对RDX、HMX 具有较强的吸附性，且因RDX、HMX 含有N－NO2，比一般硝基化合物更易被土壤中的微生物降解[14]，导致RDX、HMX 回收率较低，这方面的研究工作还待进一步开展。