环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析

赵艺洁, 刘国瑞, 郑明辉. 环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析[J]. 环境化学, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802
引用本文: 赵艺洁, 刘国瑞, 郑明辉. 环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析[J]. 环境化学, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802
ZHAO Yijie, LIU Guorui, ZHENG Minghui. Environmental analysis of organic pollutants by gas chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802
Citation: ZHAO Yijie, LIU Guorui, ZHENG Minghui. Environmental analysis of organic pollutants by gas chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802

环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析

    通讯作者: Tel:010-62849356,E-mail:grliu@rcees.ac.cn
  • 基金项目:
    中国科学院战略性先导科技专项(XDB0750400)资助.
  • 中图分类号: X-1;O6

  • CSTR: 32061.14.hjhx.2024061802

Environmental analysis of organic pollutants by gas chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry

    Corresponding author: LIU Guorui, grliu@rcees.ac.cn
  • Fund Project: the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDB0750400).
  • 摘要: 工业生产和人类生活活动导致大量化学品进入环境,进入环境的化学品会发生迁移转化等环境行为,对生态环境和人类健康造成潜在危害. 环境污染物数量众多且包含大量未知化合物,传统的分析仪器受其分辨率和扫描速率的限制,不能满足对环境污染物全面筛查的需要. 气相色谱-飞行时间质谱(GC-QTOF MS)和气相色谱-轨道离子阱质谱(GC-Orbitrap MS)拥有更高的分辨率及更高的灵敏度,已在环境分析领域发挥重要作用. 本文对环境分析中基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS的研究进行了总结,归纳了基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS分析的常用样品前处理方法,探讨了GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS在不同环境基质中有机污染物靶向筛查、可疑化合物筛查以及非靶向筛查中的应用,有助于为环境基质中新污染物的识别和量化研究提供参考.
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  • 表 1  对植物样本中的有机污染物进行筛查的前处理方法

    Table 1.  Pre-treatment method for screening organic pollutants in plant samples

    植物种类
    Plant type
    污染物种类
    Pollutant type
    前处理方法
    Pre-treatment method
    参考文献
    References
    苹果、梨、番茄、黄瓜、卷心菜15种有机磷农药测定QuEChERS[11]
    苹果、芹菜、梨、桃子、甘蓝、番茄152种可疑农药筛查SPE[36]
    鲜/干辣椒244种可疑农药筛查QuEChERS[37]
    烟草209种可疑农药筛查mini-SPE[39]
    党参482种可疑农药筛查自动QuEChERS[40]
    水稻21种可疑OPFRs筛查QuEChERS[41]
    植物种类
    Plant type
    污染物种类
    Pollutant type
    前处理方法
    Pre-treatment method
    参考文献
    References
    苹果、梨、番茄、黄瓜、卷心菜15种有机磷农药测定QuEChERS[11]
    苹果、芹菜、梨、桃子、甘蓝、番茄152种可疑农药筛查SPE[36]
    鲜/干辣椒244种可疑农药筛查QuEChERS[37]
    烟草209种可疑农药筛查mini-SPE[39]
    党参482种可疑农药筛查自动QuEChERS[40]
    水稻21种可疑OPFRs筛查QuEChERS[41]
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    表 2  筛查不同环境介质/样本中有机污染物的前处理方法

    Table 2.  Pre-treatment method for screening organic pollutants in different environmental media or samples

    环境介质/样本
    Environmental medium/sample
    污染物种类
    Pollutant type
    前处理方法
    Pre-treatment method
    参考文献
    References
    土壤 废弃农药生产厂土壤 有机氯化物及其转化产物 PLE [49]
    某历史工业场地土壤 多环芳香族化合物 PLE [12]
    某化学工业园土壤 有机污染物 PLE [50]
    气体 重污染过程大气PM2.5 有机污染物 PLE [51]
    北京冬季雾霾期大气 有机污染物 索氏提取 [52]
    固体废物焚烧烟道气 有机污染物 索氏提取 [13]
    冶金厂周围大气 HPAHs及其他有机污染物 PLE [53]
    水体 积雪 多氯联苯 SPE [54]
    城市污水处理厂 PAHs及其他有机污染物 HS-SPME [14]
    地表水体 农药 SPE [55]
    其他 口罩 挥发性化合物 直接顶空进样 [15]
    奶粉 PAHs及HPAHs PLE [56]
    牙胶 有害化学物质 模拟唾液提取 [57]
    飞灰 有机污染物 索氏提取 [58]
    环境介质/样本
    Environmental medium/sample
    污染物种类
    Pollutant type
    前处理方法
    Pre-treatment method
    参考文献
    References
    土壤 废弃农药生产厂土壤 有机氯化物及其转化产物 PLE [49]
    某历史工业场地土壤 多环芳香族化合物 PLE [12]
    某化学工业园土壤 有机污染物 PLE [50]
    气体 重污染过程大气PM2.5 有机污染物 PLE [51]
    北京冬季雾霾期大气 有机污染物 索氏提取 [52]
    固体废物焚烧烟道气 有机污染物 索氏提取 [13]
    冶金厂周围大气 HPAHs及其他有机污染物 PLE [53]
    水体 积雪 多氯联苯 SPE [54]
    城市污水处理厂 PAHs及其他有机污染物 HS-SPME [14]
    地表水体 农药 SPE [55]
    其他 口罩 挥发性化合物 直接顶空进样 [15]
    奶粉 PAHs及HPAHs PLE [56]
    牙胶 有害化学物质 模拟唾液提取 [57]
    飞灰 有机污染物 索氏提取 [58]
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-18
  • 录用日期:  2024-09-02
  • 刊出日期:  2024-11-27
赵艺洁, 刘国瑞, 郑明辉. 环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析[J]. 环境化学, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802
引用本文: 赵艺洁, 刘国瑞, 郑明辉. 环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析[J]. 环境化学, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802
ZHAO Yijie, LIU Guorui, ZHENG Minghui. Environmental analysis of organic pollutants by gas chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802
Citation: ZHAO Yijie, LIU Guorui, ZHENG Minghui. Environmental analysis of organic pollutants by gas chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(11): 3579-3589. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2024061802

环境有机污染物的气相色谱/高分辨质谱分析

    通讯作者: Tel:010-62849356,E-mail:grliu@rcees.ac.cn
  • 1. 国科大杭州高等研究院,环境学院,杭州,310024
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心,环境化学与生态毒理学国家重点实验室,北京,100085
  • 3. 中国科学院大学,资源与环境学院,北京,101408
基金项目:
中国科学院战略性先导科技专项(XDB0750400)资助.

摘要: 工业生产和人类生活活动导致大量化学品进入环境,进入环境的化学品会发生迁移转化等环境行为,对生态环境和人类健康造成潜在危害. 环境污染物数量众多且包含大量未知化合物,传统的分析仪器受其分辨率和扫描速率的限制,不能满足对环境污染物全面筛查的需要. 气相色谱-飞行时间质谱(GC-QTOF MS)和气相色谱-轨道离子阱质谱(GC-Orbitrap MS)拥有更高的分辨率及更高的灵敏度,已在环境分析领域发挥重要作用. 本文对环境分析中基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS的研究进行了总结,归纳了基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS分析的常用样品前处理方法,探讨了GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS在不同环境基质中有机污染物靶向筛查、可疑化合物筛查以及非靶向筛查中的应用,有助于为环境基质中新污染物的识别和量化研究提供参考.

English Abstract

  • 化学品在制造业、消费品、食品、建材、家具和各种工农业生产中的广泛使用,使数量庞大的化学品进入环境,可能成为潜在的环境污染物,对生态系统和人类福祉构成威胁[12]. 对多种多样的化学品在各种环境介质中的赋存特征进行全面分析,是进一步研究其迁移转化、评估其健康风险与制订污染物控制策略的基础. 目前,各种复杂环境介质中有害化学物质的分析检测是环境学科研究的热点领域,大量研究集中于建立针对不同环境样品,不同污染物种类的筛查确证方法,用于实际样品中污染物的定性和定量分析.

    质谱法是检测环境基质和食品样本中许多低含量有机污染物的重要分析方法[3]. 传统的分析仪器将低分辨质谱与色谱联用,如气相色谱-质谱联用(GC-MS). GC-MS已在环境样品中已知污染物的精确定量的研究中得到大量应用,具有令人满意的灵敏度和选择性. 但在分析复杂环境样本中的有机污染物时,可能遇到更大的挑战[4]. 首先,环境分析样本中的有机污染物数量众多,且浓度通常较低,其物理化学性质也可能存在很大差异[46]. 另外,环境基质具有高复杂性,其中包含大量未知化合物,以及由进入环境的原始污染物降解和转化而生成的数量众多的潜在有机污染物[56]. 筛查与识别其中的未知污染物,对质谱的分辨率要求更高,而传统分析仪器的分辨率和扫描速率较低,无法满足未知化合物的鉴定要求.

    当前的质谱技术发展迅速,对复杂样品中痕量物质准确识别和量化需求的不断扩大激发和促进了高分辨质谱(high-resolution mass spectrometry,HRMS)技术的发展[7]. HRMS的分辨率通常> 20000且质量精度< 5×10−6,因其高分辨率、高质量扫描范围等优点日益得到研究人员的关注,四极杆串联飞行时间质谱(QTOF MS)和静电场轨道阱质谱(Orbitrap MS)是最常用的两种高分辨质谱仪器[8]. QTOF MS和Orbitrap MS质量分析仪在对分析物进行鉴定时可以提供高分辨率和高质量精度的数据[9],扫描速度快,单次运行即可以实现目标化合物靶向筛查,可疑化合物筛查以及非目标化合物筛查[10]. GC-HRMS联用技术在环境分析领域被广泛用于鉴定环境介质样品,例如水、大气、土壤和植物[11]等中的农药残留,各种环境基质,如空气、土壤和水体中的新污染物的识别[1214],以及动物样本和消费品中持久性有机污染物的赋存特征等方面[1516],是开展未知环境污染物非靶标筛查的有力工具.

    之前的综述重点关注的是高分辨质谱技术在环境领域的应用,主要集中于介绍高分辨质谱的靶向筛查,可疑化合物筛查以及非目标化合物筛查的原理与工作流程,而对环境分析中基于GC-HRMS联用技术的综述较少[1719]. 本文总结了环境分析中基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS的研究,主要从不同样本种类的角度进行讨论,包括生物样本、土壤样本、气体样本、水体样本及其他样本等,总结了基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS针对不同样本进行分析时的常用前处理方法,有助于未来在更多环境基质和消费品等样本中开展污染物识别,为未来的研究者提供参考.

    • 样品前处理是对各类环境样本中的有机污染物进行分析的必要步骤. 样品前处理是在仪器分析之前对样品进行目标物提取、净化和富集的过程,不仅可以分离目标组分,还能排除样品中的干扰组分,对于微量污染物,还起到富集浓缩的功能. 样品前处理方法可分为物理法和化学法两大类,其中物理法包括过滤、离心、蒸馏、溶剂萃取等,化学法包含沉淀、络合等. 在环境分析领域,常用的样品前处理技术包括索氏提取技术、固相萃取技术(solid-phase extraction,SPE)、固相微萃取技术(solid-phase microextraction,SPME)、QuEChERS技术(Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe)、加压流体萃取(pressurized liquid extraction,PLE)等.

      索氏提取是一种经典的样品前处理方法,一直以来都在环境分析中占据重要地位. 索氏提取技术就是基于溶剂回流和虹吸,使被测物质被持续萃取的一种提取方法[20],可以依据目标化合物的特性选用不同的溶剂系统,长时间的提取可以保证目标化合物的回收率,并且适用于样品量较大的情况. 相应的,索氏提取技术用时长,溶剂用量大,无法满足样品较小情况下的分析要求[21]. SPE是利用固体吸附剂吸附目标分析物,之后用洗脱液洗脱或者利用热解吸分离并富集目标分析物的一种萃取方法,突出特点是易于操作并且成本投入较低[22]. SPE能够很好地消除干扰物质并且节约有机溶剂和萃取时间,但固相萃取柱难以选择,SPME是在SPE基础上优化得到的一种前处理方法,集取样、萃取、浓缩和进样于一体,提取的分析物能够直接进入检测设备,提取效率得到提升,也克服了SPE回收率低的缺点[2324]. SPME萃取技术依赖于分析物在涂层和样品中的分配系数,因此有研究重点关注涂层材料的优化和开发[23]. QuEChERS技术是一种快速、简单、廉价、高效、耐用且安全的前处理方法,利用吸附剂填料吸附基质中的杂质以实现净化. 与经典萃取方法相比,QuEChERS技术消耗的样品量和溶剂少,提取效率高,回收率和分析性能好[25]. PLE是一种在高压条件下,利用有机溶剂进行萃取的自动化方法,其优势在于有机溶剂使用量相对较小,萃取过程耗时短,同时也提高了样品的回收率[26]. 由于PLE是一个高温高压的萃取过程,所以要特别注意待测组分,尤其是热不稳定的分析物是否会分解[20].

    • 气相色谱是以He、N2、Ar、H2等惰性气体为流动相的一种分离技术,适合分析非极性、半极性和挥发性化合物. 样品经过前处理后,气相色谱可以将样本中的待测组分与杂质再次进行分离,同时将目标化合物输送至质谱检测器. 色谱与质谱的工作条件差别较大,通过离子源可以实现两种环境的切换. 离子源的功能是将待测物电离使其成为离子,并将离子汇聚成具有一定能量和形状的离子束. 质谱中常用的离子源有电子轰击离子源(EI)、化学电离源(CI)、快速原子轰击源(FAB)、电喷雾电离源(ESI)、大气压化学电离源(APCI)、基质辅助激光解析电离源(MALDI)、电感耦合等离子体电离源(ICP)等. 除离子源外,质谱仪的分析系统还包括质量分析器和质量检测器两个重要部分. 质量分析器是一种依据不同方式将离子源产生的离子按质荷比大小分开并排列成谱的仪器,包括飞行时间质量分析器(TOF)、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器(FT-ICR)、四极杆质量分析器(Q)、轨道离子阱质量分析器(Orbitrap)等. 质量检测器则可以将质量分析器分离的离子流转换为可测量的信号,检测或计数具有特定质荷比的离子. GC-TOF MS技术的准确度和灵敏度低,但与四极杆联用的GC-QTOF MS则能够达到高质量精度的识别,其与GC-Orbitrap MS是目前GC-HRMS在环境分析领域的两种最常见的技术[27].

    • GC-HRMS分析会产生大量信息,数据处理是分析质量检测器收集到的谱图信息以实现污染物识别与结构鉴定的关键. 有相应标准品为参考的目标化合物分析依靠质谱峰和色谱保留时间即可实现目标化合物的定量分析和结构鉴别. 在可疑化合物分析中,工作软件可以将检测器收集到的信息做解卷积处理,同时去除背景干扰,识别出可能存在的单个化合物,选择特征离子并使用离子碎片预测工具与数据库匹配以实现化合物的结构确认[28]. 非目标化合物分析首先要识别潜在的污染物分子,筛选方法包括扣除空白信号、设置一定的信噪比,控制色谱峰的峰形等,在此基础上,可依据公开数据库或自建数据库比对数据,筛选出潜在的污染物分子[29]. 一些包含特殊结构的污染物可能碎裂为某些具有质量数特征和离子特征的碎片,也可作为识别依据[29]. 识别潜在污染物分子后,要对化合物结构进行鉴定,可根据软件生成分子式或使用“七项黄金法则”进行初步推断,结构确认则要进行质谱数据库和化学数据库匹配,并且配合人工检验完成化合物结构的最终确认[29]. 为评估GC-HRMS系统的鉴定结果是否可靠,可参考Charbonnet等提出的置信等级评价方法[30].

    • 农药在减少虫害造成的作物损失上起到重要作用,但滥用农药会引发严重的环境污染,干扰人类的正常生活[31]. GC-QTOF MS是最有效的农药残留检测仪器之一,其与QuEChERS方法结合已在不同植物体内的农药残留筛查与识别的研究中被普遍使用(表1). GC-QTOF MS可采用全扫描模式测定设定的质量范围内的所有物质,一次实验得到的数据可以开展多次分析以获得更多信息,检测化合物范围远远高于其他传统质量分析仪[32]. 对比GC-MS/MS与GC-QTOF MS在水果、蔬菜中农药多残留检测方面的优劣,发现GC-QTOF MS在快速、高通量筛查和农药残留鉴别以及非目标化合物检测方面的表现更为突出[33]. 通过对超市购买的苹果、黄瓜、生菜、番茄、辣椒和胡萝卜,以及田间残留实验地块获取的葡萄、橘子、草莓和花椰菜中的农残开展研究,评价与大气压化学电离源(atmospheric pressure chemical ionization,APCI)耦合的GC-QTOF MS在果蔬农药残留检测中的应用效果,结果显示在样品中加入一定浓度的农药混合液强化样品,可以提高农药的鉴定比例[34].

      有研究对大气压气相色谱电离源(APGC)与电子轰击电离源(EI)进行了比较,以评估GC-QTOF MS测定常见果蔬中的有机磷农药的方法,发现APGC对所有分析物的灵敏度提高了1.0—8.2倍[11],而在另一个类似的研究中,APGC的灵敏度与EI相比提高了约7—305倍[35],表明APGC-QTOF MS可用于果蔬样品中有机磷农药的常规定量分析. 李晓颖等[36]利用GC-QTOF MS建立了常见果蔬中152种农药的准确鉴定方法,对苹果、芹菜、梨、桃子、甘蓝、番茄6种果蔬共24个样品中的农药残留进行检测,发现毒死蜱的检出率较高,占68.8%,还检出了部分国家全面禁止使用的药物,如芹菜中检出的β-六氯环己烷(beta-HCH)等. 曹琦等[37]根据自建的244种农药残留的精确质量数据库及谱图库,对市售12个鲜辣椒样品和14个干辣椒样品进行农药的筛查和人工鉴定,在9个鲜辣椒样品和3个干辣椒样品中共筛查出8种农药[37]. 借助建立的基质匹配标准曲线对这8种农药进行定量,结果显示,鲜辣椒和干辣椒中都检出的苯醚甲环唑(difenoconazole)浓度在定量限(LOQ)以上,且浓度均未超过其在GB 2763—2019《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》中所规定的最高残留限量[37]. 其余7种农药的含量均低于LOQ,但经人工考察目标物峰型、离子相对丰度等信息后可实现确证[37].

      农药不仅用于水果蔬菜,也用于经济作物烟草的种植与保存过程,烟草是农药用量最高的作物之一. 研究表明,香烟烟雾中也存在农药,使主动吸烟者与被动吸烟者都暴露在烟草烟雾中的农药残留[38]. 有研究利用GC-QTOF MS结合微型固相萃取法分析中国3个主要烟草种植区的7份烟草样本,在其中5份样本中共检测到7种农药,浓度均低于CORESTA(国际烟草研究合作中心)设定的烟草农药指导性残留限量[39]. 党参作为一种经济作物,可广泛代替人参使用,且其使用者大多患有疾病或身体虚弱,建立党参中农药残留的分析方法有助于评估其健康风险,也为其他中药材的农药残留检测提供了思路[29]. Chang等[40]建立了GC-QTOF MS和LC-QTOF MS联合自动QuEChERS技术检测党参中482种农药残留的方法,并利用该方法对50批党参进行分析,结果在38批党参中检测到了18种农药,其中4,4’-DDE和亚胺硫磷(phorate-sulfoxide)被2020年版《中华人民共和国药典(四部)》规定为不可检出,其他农药仍缺失有效的分析依据.

      除果蔬和经济作物外,也有研究利用QuEChERS技术结合GC-QTOF MS建立了能够一次性分析水稻中21种有机磷阻燃剂(OPFRs)的高通量分析策略,对影响因素进行一系列优化后,方法定量限范围达到0.05—1.07 ng·g−1,用该方法分析中国不同地区的6份水稻样品,共检出14种OPFRs,浓度在0.05—10.43 ng·g−1,其中磷酸三甲酯(TMP)和磷酸三(3,5-二甲基苯基)酯(T35DMPP)的检出频率较高[41].

    • 一些传粉昆虫的物种多样性以及数量能够作为监测生态环境变化、评价环境污染情况的生物指示物[42]. Gómez-ramos等[43]应用GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS对成蜂样本进行未知污染物非靶向筛查,发现了包括多环芳烃、邻苯二甲酸盐、合成麝香和蜜蜂的兽药残留物在内的气相色谱适宜的污染物,证明除兽药外,多环芳烃等环境污染物也会迁移到蜜蜂体内,可能对蜜蜂存在潜在影响[43]. 鱼类可以直接从水中或通过饮食积累水中的有害化合物,被普遍应用于反映水生环境污染水平的生物监测指标[44]. 有研究采用GC-Orbitrap MS测定斯里兰卡市售不同品种金枪鱼组织中的多环芳烃(PAHs)与卤代多环芳烃(HPAHs)含量,发现所有样本中PAHs的浓度都高于HPAHs,可能是由于HPAHs的可用性较低[16]. 氯化石蜡(CPs)是存在于整个水生食物网的持久性有机污染物,有研究团队在2014—2017年4年间收集了德国122条养殖鲑鱼和11条野生鲑鱼,采用GC-Orbitrap MS测定鲑鱼中的短链氯化石蜡(SCCPs)和中链氯化石蜡(MCCPs),发现SCCPs和MCCPs的浓度范围分布广泛,超过3个数量级,且MCCPs的平均浓度通常高于SCCPs[45].

      基于GC-HRMS分析有机物在人体不同组织内的积累情况的研究主要聚焦在母婴之间. 大量研究证明,由于中国是生产和使用CPs的大国,普通人群可能面临着较高的外暴露和内暴露水平[46]. Wang等[46]利用GC-QTOF MS对一家医院的4个胎盘样本进行分析,在3个样本中都发现了SCCPs,浓度区间在436.4—781.7 ng·g−1 dw,其中含7、8氯的SCCPs是最主要的同系物. 该研究团队在2016年从河南某医院采集了54份人体胎盘样本,并利用GC-QTOF MS分析胎盘中CPs的分布与形态特征,在54份样本中均检测到了SCCPs,在其中38份样本中检测到了MCCPs[47].

      农药的过量使用可能在一定程度上影响新生儿的健康. 有研究建立了GC-QTOF MS检测母体和脐带血中农药残留的方法,并成功在一个产妇的胎盘和脐带血中筛查出6种农药残留,包括4种有机氯农药,五氯苯(Pentachlorobenzene)、六氯苯(Hexachlorobenzene)、反式氯丹(trans-chlordane)、对氯苯基乙烯(p,p’-DDE),以及联苯(biphenyl)、磷酸三苯酯(triphenylphosphate)[48].

    • 目前,利用GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS筛查土壤样本中污染物的研究多采用PLE为前处理方法,且更多针对的是污染场地土壤样本,而对没有直接工业污染或其他污染历史的土壤研究相对较少(表2). 目标分析方法在以往关于土壤中有机氯化物的研究中往往忽略了母体化合物降解或转化而来的未知产物,一项研究利用GC-QTOF MS非靶标筛查方法对弃用的农药生产地块中被忽视的有机氯化物进行检测,便于进一步评估土壤中在监管范围以外或存在一定环境影响的化合物[49]. 该研究通过目标物分析发现,双对氯苯基三氯乙烷(DDT)及其降解产物二氯二苯二氯乙烯(DDE)和二氯二苯二氯乙烷(DDD)是该历史污染区域的主要污染物,结合非靶标筛查结果发现的多种DDT结构类似物,可以推测DDT的降解转化途径,为进一步研究有机氯农药在环境中的环境行为提供了思路[49].

      有研究利用GC-Orbitrap MS非靶向分析和GC-MS靶向分析结合体外生物测定法对瑞典某历史工业污染土壤中的多环芳香族化合物(PACs)进行表征,目标分析确定了78种PACs的存在,在此基础上,进一步的非靶向分析作为补充,可以识别目标化合物清单之外的高生物活性的未知化合物,根据分析结果,初步确定了一个包含12种物质的、可以被考虑纳入未来常规筛查研究的化合物列表,有助于开展未来污染场地土壤的风险评估[12]. 另有研究利用PLE提取某化学工业园土壤中的有机污染物,使用GC-QTOF MS全扫描模式对提取液进行非靶标筛查,基于高分辨质谱数据库的可疑物筛查共识别出96种化合物,包括25种农药、21种PAHs及11种多环芳烃衍生物,基于Unknowns Analysis软件的未知物分析识别出了约60种有机污染物,包括高分辨质谱数据库之外的更多高环数和多基团取代多环芳烃类物质[50]. 未来可开展对更多类型土壤样品的有机污染物筛查工作,摸清更大范围地域的土壤污染情况,为以后的深入研究和风险管控提供依据.

    • 筛查大气细颗粒物中的有机污染物有助于解析大气细颗粒物的来源,为全面掌握大气污染来源及特征提供支持[51]. 有研究基于GC-QTOF MS对重污染过程期间的大气PM2.5样本进行有机物分析,共识别出182种有机化合物,以多环芳烃、多环芳烃衍生物、芳香酯、脂肪酸酯、烷醇等为主,研究结果说明了GC-QTOF MS在大气细颗粒物有机物的定性筛查及半定量方面的优势,可为污染源废气及颗粒物中有机物的筛查提供技术支撑[51]. 武姿辰等[52]基于GC-QTOF MS对北京市冬季雾霾期大气中的有机污染物进行了非靶标筛查,其中,可疑物筛查共识别出了以多环芳烃及其衍生物、邻苯二甲酸酯、有机磷酸酯、氯苯和有机合成中间体为主的78种化合物,未知物筛查识别出61种物质,包括多环芳烃及其衍生物、增塑剂、有机合成中间体等. 该研究也对识别出的特征污染物进行了半定量分析,识别出的有机污染物总浓度为288 ng·m−3,研究结果体现了GC-QTOF MS在非靶标筛查中的优势[52].

      除了识别备受关注的二噁英和多环芳烃,对工业污染源周围环境中的其他有机污染物成分也进行全面分析,有助于进一步研究排放源对周围环境的潜在影响[53]. Yang等[53]采用GC-QTOF MS对冶金厂周围大气中的有机污染物进行非靶向筛查,对多氯萘等38种HPAHs进行目标分析,目标多环芳烃的浓度范围为0.12—101.2 pg·m−3,非目标分析共鉴定出146种芳香烃和41种脂肪烃,其中,在非目标分析识别出的16种优先控制多环芳烃中,荧蒽含量较高[53].

      垃圾焚烧是对固体废物进行减量化和资源化的重要措施,但焚烧过程会释放多种环境污染物,目标化合物分析不能全面识别其释放的潜在有害物质,而非目标化合物分析可以作为补充,弥补目标化合物分析的不足. 有研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱法(FT-ICR-MS)和GC-QTOF MS技术,对城市生活垃圾焚烧、医疗垃圾焚烧与水泥窑协同处置的飞灰及烟囱气样本中的有机物进行非目标分析,通过GC-QTOF MS,分别在城市生活垃圾焚烧、医疗垃圾焚烧和水泥窑协同处理的飞灰样本中识别出283、179、210种化合物,烟道气样本中识别出289、298、232种化合物,在飞灰和烟气样本中识别出的化合物主要是芳环或联苯结构上的羧酸酯类、酚类、醇类和酮类化合物及其衍生物[13].

    • 目前,Orbitrap分析仪与液相色谱结合用于监测水中有机化合物的方法已经比较成熟,但与气相色谱结合并应用于水体样本分析的研究相对较少[14]. 有研究使用顶空固相微萃取与GC-Orbitrap MS结合,对西班牙某几家城市污水处理厂废水中的有机污染物进行分析,非靶标筛查识别出了PCBs、PBDEs和杀虫剂等多种有机物质,废水中的污染物大多数是调味剂和家用产品成分[14].

      有研究基于GC-QTOF MS分析我国东北典型地区积雪中的多氯联苯(PCBs),检测到积雪中PCBs的主要组成为五、六氯联苯,PCB81、128、126和169是含量较高的PCB单体[54]. 采用GC-QTOF MS和LC-QTOF MS两种互补技术分析样本,可以筛查出大量极性和挥发性不同的化合物,一项研究调查了巴西某地溪流样本中的农药,共检测出52种农药和6种代谢物[55].

    • 新冠疫情爆发后,口罩的使用量剧增. 公民公共卫生安全意识的提升可能使疫情后口罩的使用量仍保持在较高的水平,而口罩是和人体接触密切的防护工具,检测其中存在的未知化学品有助于评估口罩可能带来的潜在危害. 有研究利用GC-Orbitrap MS建立非靶向分析方法快速鉴定60份医用口罩中的未知挥发性化学物质,共检出9类69种物质,在医用防护口罩、成人医用外科口罩和一次性医用口罩、儿童医用外科口罩和一次性医用口罩中,成人和儿童一次性医用口罩中检出的化学物质相对较多,且儿童口罩中检测到的物质多于成人口罩[15]. 口罩中的12种高风险挥发性化合物中,有一些被认为具有致癌性,如环氧乙烷[15].

      人类动物源性食品中含有PAHs及HPAHs,所以它们在乳制品中的赋存也可能对人体健康产生威胁[56]. 有研究采用GC-Orbitrap MS对斯里兰卡和日本的牛奶及奶粉样品中的PAHs与HPAHs进行分析,共发现75个目标化合物中的53个,其中卤化芘、氯代荧蒽、溴化萘和氯代苯并[a]芘是主要的HPAHs同系物[56]. 斯里兰卡奶粉样品中ClPAHs含量最高,其次是BrPAHs,而日本奶粉中的母体PAHs含量要高出几个数量级[56].

      牙胶主要由硅胶制成,是1岁以下婴幼儿的特殊玩具,牙胶中的有害物质若通过口腔接触转移到婴幼儿体内,可能存在一定健康风险,除了法规规定的物质,牙胶中的未知化合物也可能威胁婴幼儿健康,检测和识别其中的未知物质对牙胶的安全生产具有指导意义[57]. 一项研究基于GC-Orbitrap MS对牙胶中可能通过唾液迁移到婴儿体内的未知化合物进行非靶向鉴定,共在10个牙胶玩具中鉴定了出28种物质,其中苯酚、N-甲基苯胺、1,6-二氧杂环十二烷-7,12-二酮和环己酮的检出率相对较高[57]. 筛查出的28种物质中包括一些存在健康风险但尚未得到相应法规重视的物质[57],如环境污染物邻苯二甲酸二甲酯、N-甲基苯胺和N-甲基甲酰苯胺[5859],具有内分泌干扰效应的苯甲酸异丁酯[57].

      铁矿石烧结和再生有色金属冶炼等多种工业热过程释放的飞灰是有毒污染物的重要载体,有研究建立了一种GC-Orbitrap MS方法,可应用于工业热处理过程产生的飞灰样品中有机污染物的筛查,并对铁矿烧结厂,再生铜、铝、铅冶炼厂和水泥窑飞灰样品的可疑物筛查和未知物进行分析,共在不同来源的飞灰提取物中确定了96种有机化学品,再生铜冶炼厂飞灰样本所含的有机化合物质量高于其他4个行业,污染物质量浓度最低、种类最少的是水泥窑飞灰样品[60]. 再生铝冶炼厂飞灰样品中多环芳烃含量占主导地位,卤代多环芳烃主要存在于再生铜冶炼厂的飞灰样品中[60].

      GC-QTOF MS在分析环境样品中的CPs方面具有许多优点,可同时分析复杂环境样品中的SCCPs和MCCPs,消除CPs的自干扰并减少基质干扰[61]. 有研究基于GC-QTOF MS或GC-Orbitrap MS对同一场地不同基质中的氯化石蜡进行鉴定,与从快餐店购买的食品中的MCCPs和有机膜样品中的MCCPs相比,基于XAD的空气样本中检测到的MCCPs浓度相对较低[61].

    • HRMS的发展使针对不同样品的目标化合物靶向筛查、可疑化合物筛查以及非目标化合物筛查成为现实. 本文总结了环境分析中基于GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS技术的研究. 在生物样本中的有机物筛查方面,GC-QTOF MS常与QuEChERS前处理方法结合,用以分析各类植物样本中的农药残留. 一些研究应用GC-QTOF MS或GC-Orbitrap MS对能够反映环境状况的生物指标进行了监测,有助于评价差异化暴露方式下的污染物可能对人体产生的不良影响. 基于GC-HRMS分析有机物在人体不同组织内的积累情况的研究主要聚焦在母婴之间,利用GC-QTOF MS对胎盘样本中的氯化石蜡、母体和脐带血中的农药残留进行了分析,有助于调查污染物在母婴之间的转移情况. 未来可基于GC-HRMS对不同地区以及各类职业群体的胎盘、母体血液和脐带血样本进行分析,以研究污染物在母婴之间的转化和代谢,并探究地区和职业的影响.

      GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS用于筛查不同类型土壤、气体和水体样本中的有机污染物时,可以对环境介质中的污染物进行更为全面的识别,有助于掌握目标地区的污染情况、探究污染物的迁移转化路径. 利用GC-QTOF MS和GC-Orbitrap MS在对土壤和气体介质中的污染物进行筛查时,常用的前处理技术包括PLE和索氏提取等. 但HRMS与气相色谱结合用于分析水体污染物的研究相对LC-HRMS较少,采用的前处理技术是SPE或SPME. 未来可开发基于GC-HRMS筛查水体中环境污染物的方法,探究适宜的前处理技术及仪器分析条件,为全面识别环境水体或特殊水域中的有机化合物提供方法支持. 其次,可利用LC-HRMS与GC-HRMS同时分析环境样本,实现对极性和挥发性不同的更多化合物的筛查[54].

      GC-HRMS也被大量用于检测口罩、奶粉、飞灰及婴幼儿牙胶玩具等其他环境样本中的有害化学物质,前处理方法根据样本性质的不同存在差异,需要具体选择. GC-HRMS在各种样品中的广泛使用体现了其在污染物筛查方面的显著优势,在不同环境介质或样品中的污染物筛查方面有巨大的应用潜力. 也有一些研究基于GC-QTOF MS或GC-Orbitrap MS对不同环境样品中的同种污染物进行分析,以探究该类污染物在不同介质中的赋存差异,提示未来的研究可以利用GC-HRMS技术对同一场地的不同环境介质或样品中的污染物进行监测,分析污染物可能的迁移转化路径和浓度分布特征,有利于进一步评估污染物的环境风险.

    参考文献 (61)

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