趙亞靜，鄒 立，牛增元，羅 忻*，李曉瞳

（1.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.青島海關(guān)技術(shù)中心，山東 青島 266002）

有機污染物，特別是持久性有機污染物，通常具有疏水性和親脂性，進入水環(huán)境后易吸附或結(jié)合于富含有機質(zhì)的顆粒物上，而難以在水相中檢測到［1］。吸附在顆粒物上的有機污染物可通過遷移、沉降，埋藏在沉積環(huán)境中［2］；部分有機物被生物攝食或吸收后也會隨生物體的凋亡沉降到底部沉積物中，沉積物雖未與污染源直接接觸，但其他介質(zhì)中的有機污染物會通過一系列的遷移過程最終到達沉積物，因此沉積物是有機污染物一個重要的“匯”［3］。以中國東部邊緣海為例，占全球總量約10%的河流沉積物由中國的主要河流（如黃河和長江）輸送到黃海、東海等海域［4］，同時，黃海、東海也是亞洲大陸氣溶膠向西北太平洋輸送的必經(jīng)之地，大量的大氣顆粒物及其吸附的有機污染物通過干、濕沉降等方式進入該海域［5］，加之陸架泥質(zhì)區(qū)特有的環(huán)流動力體系及較穩(wěn)定的高渾濁特點，使其存在固有的物質(zhì)“匯”特性。此外，當(dāng)外界環(huán)境或氣象條件發(fā)生改變時，沉積物會經(jīng)再懸浮等方式將有機污染物重新釋放到水體中，造成水體的二次污染［6］。顆粒物和沉積物作為有機污染物的主要載體和最終歸宿之一，其有機物污染是影響水環(huán)境安全的重要因素。

環(huán)境中有機污染物賦存濃度往往處于ng/kg～mg/kg的痕量乃至超痕量水平［7］，其物理化學(xué)特征各有差異，面對有機污染物種類和數(shù)量的劇增，傳統(tǒng)分析方法的檢測通量低等問題開始凸顯，高分辨質(zhì)譜（HRMS）技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境痕量分析帶來了新的機遇。HRMS具有高分辨能力（10000～1000000）、高質(zhì)量精度（＜2～5ppm）和高靈敏度（在全掃描模式下為fg到pg范圍），一次運行即可篩選數(shù)百種化合物而不失其靈敏度和選擇性［8］。相比于傳統(tǒng)的氣相色譜－高分辨質(zhì)譜技術(shù)（GC－HRMS）（如磁質(zhì)譜或傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜）主要分析多氯聯(lián)苯、二英等揮發(fā)性和弱極性物質(zhì)，液相色譜－高分辨質(zhì)譜技術(shù)（LC－HRMS）更適合廣泛的中等極性到較強極性的有機污染物分析［9－12］，特別是在新興有機污染物的高通量分析方面，其應(yīng)用更為普遍［10，13－19］。本文通過回顧應(yīng)用LC－HRMS技術(shù)篩查和鑒定沉積物和顆粒物中有機污染物的研究，總結(jié)該技術(shù)在有機污染物分析中的分析策略、分析流程和實例，以期深化和拓展其在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 基于LC－HRMS的分析方法策略

基于LC－HRMS的分析方法策略有3類：目標(biāo)化合物分析（Target analysis）、可疑化合物分析（Suspect analysis）和非目標(biāo)化合物分析（Nontarget analysis）。目標(biāo)化合物分析是在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)存在的情況下，對選定的化合物進行鑒定和定量，由于并非所有環(huán)境污染物的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均可獲得，所以該分析方法受標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局限［7］?？梢苫衔锓治鍪轻槍悠分锌赡艽嬖诘奈镔|(zhì)列出化合物清單，利用精確質(zhì)量數(shù)、同位素豐度等信息，結(jié)合數(shù)據(jù)庫和相關(guān)軟件進行化合物篩查，該方法一定程度上彌補了目標(biāo)化合物分析中忽略目標(biāo)外物質(zhì)的不足。當(dāng)無可參考的化合物信息時，通常采用非目標(biāo)化合物分析方法，研究對象可為通過全掃描采集獲取的HRMS數(shù)據(jù)，依次經(jīng)過峰的選擇和提取、分子式擬合、數(shù)據(jù)庫檢索以及碎片裂解模擬等步驟，對化合物進行結(jié)構(gòu)推測，初步鑒定可能存在的化合物［20］。前兩種策略是在有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（目標(biāo)化合物分析）和先驗信息（可疑化合物分析）情況下的針對性分析策略。而非目標(biāo)化合物分析既無先驗信息，也不依賴于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［21］。本文在文獻［8，22］基礎(chǔ)上將LC－HRMS分析流程進行整理和歸納（如圖1）。

不同文獻對分析策略中被分析物的描述存在差異，如將“目標(biāo)化合物”和“可疑化合物”歸為“目標(biāo)物分析”，將“目標(biāo)化合物”和“可疑化合物”統(tǒng)稱為“已知物”，將“非目標(biāo)化合物”稱為“未知物”，以及將3類分析物分別稱為“已知的已知（Known known）”、“已知的未知（Known unknown）”、“未知的未知（Unknown unknown）”。此外，小分子化合物分析領(lǐng)域也會用代謝組學(xué)較為常見的“靶向”和“非靶向”描述“目標(biāo)”和“非目標(biāo)”。實際上，這3類分析物的策略基本遵循圖1的流程。

圖1 目標(biāo)化合物、可疑化合物和非目標(biāo)化合物的分析方法策略流程圖Fig.1 The flow chart of target，suspect and nontarget analysis

2 LC－HRMS應(yīng)用范圍

HRMS的出現(xiàn)適應(yīng)了當(dāng)今環(huán)境污染物分析的發(fā)展需求，促成了高通量技術(shù)和未知物鑒定技術(shù)的形成，在Web of Science中對相關(guān)主題詞進行檢索，其中有51篇文獻涉及沉積物和顆粒物中有機污染物分析（統(tǒng)計截止于2020年11月）。近十年LC－HRMS技術(shù)在該領(lǐng)域的研究報道逐漸增多，在沉積物方面的應(yīng)用［10－12，15－18，23－55］多于顆粒物［17，28，31，38，56－57］，這可能與沉積物被普遍認為是有機污染物的“匯”有關(guān)，相對于顆粒物，其可以記錄并保存有機污染物的大量信息，如采集具有一定深度的沉積物樣品可用于探索環(huán)境污染歷史［42，45，51－52］。

表1歸納整理了LC－HRMS的研究環(huán)境、分析策略和應(yīng)用方向等信息，主要有以下特點：①研究主要集中在國外，尤其是歐洲地區(qū)，國內(nèi)開展的相關(guān)工作較少。②應(yīng)用于淡水環(huán)境（如河流和湖泊）的報道是海洋環(huán)境的5倍，這可能與海洋環(huán)境樣品不易獲取、有機污染物含量低不易檢出、有機污染問題不突出有關(guān)。③在待測污染物方面，數(shù)量整體呈高通量的特點，越來越傾向于不同分析策略的綜合應(yīng)用；種類上，新興有機污染物受到越來越多的關(guān)注，國外已開展了較多研究，且在方法開發(fā)和擴大污染物監(jiān)測范圍上取得了一定成果，而國內(nèi)在此方面較為薄弱。④樣品前處理方式多樣化，加壓液體萃?。≒LE）與固相萃?。⊿PE）分別為應(yīng)用最廣泛的有機污染物提取和凈化方法，超聲輔助萃?。║AE）應(yīng)用也較為頻繁，新興的方法如QuEChERS也逐漸應(yīng)用于沉積物與顆粒物樣品的前處理。⑤靜電場軌道阱質(zhì)譜（Orbitrap）和飛行時間質(zhì)譜（TOF）為目前最主流的兩類高分辨質(zhì)譜，其中Orbitrap應(yīng)用更多。⑥HRMS二級數(shù)據(jù)采集模式主要有兩種：數(shù)據(jù)依賴性采集（DDA）和數(shù)據(jù)非依賴性采集（DIA），DDA應(yīng)用多于DIA，DDA雖然是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)采集方式，但近幾年DIA在高通量目標(biāo)物和非目標(biāo)物分析中較占優(yōu)勢。⑦LC－HRMS也被應(yīng)用于有機污染物的降解、轉(zhuǎn)化產(chǎn)物分析，或通過模擬實驗探索其降解率，以及沉積物對母體化合物和降解產(chǎn)物的吸附能力。

表1 國內(nèi)外不同區(qū)域基于LC－HRMS開展的沉積物和顆粒物中有機污染物研究Table1 Studies on organic contaminants in sediments and particulate matters based on LC－HRMS in different regions

（續(xù)表1）

（續(xù)表1）

3 沉積物與顆粒物樣品的前處理

3.1 樣品的制備

沉積物樣品分析前通常需要冷凍干燥，也有少數(shù)研究采用風(fēng)干或低溫烘干的方式［15，23］，然后研磨過篩，對篩子的孔徑無統(tǒng)一要求，孔徑一般小于2mm。經(jīng)過干燥過篩后的樣品即可進行后續(xù)的有機物提取。顆粒物樣品是通過過濾水樣獲得，后續(xù)也需對濾膜進行干燥［17，31，38］，提取方式與沉積物樣品幾乎無差異。

3.2 樣品的提取與凈化

樣品的提取與凈化是痕量化合物分析的重要程序，發(fā)展各種環(huán)境基質(zhì)中樣品的前處理方法極為重要。對于沉積物和顆粒物兩種固體樣品，由于其基質(zhì)較為復(fù)雜，所以前處理過程較水樣品繁瑣。沉積物樣品首先需通過微波輔助溶劑萃?。∕ASE）、UAE、振蕩離心或PLE等方式從樣品中提取待測物，再進行凈化。但有些研究為了確保潛在的化合物損失最小，不再采取進一步的凈化［10，16，25，28，30－31，36，38－39，48，50，58，61，63］。合適的提取溶劑是提高回收率的關(guān)鍵，甲醇、二氯甲烷和丙酮等是常用的提取溶劑［10，15，18，24，30］。近年來高通量有機污染物分析逐漸成為熱門趨勢，同時采用兩種及以上溶劑提取樣品中具有廣泛物理－化學(xué)性質(zhì)的待測物的方法也得到了廣泛應(yīng)用，如Massei等［10－11］采用3種混合溶劑對農(nóng)藥、藥品和個人護理品（PPCPs）等上百種目標(biāo)污染物進行提取，以保證良好的提取效果。

由表1可以看出，UAE與PLE應(yīng)用最為廣泛，兩者適用于多種化合物的提取，但在選擇時應(yīng)考慮到UAE的提取效果相對較差、溶劑消耗量大，PLE儀器價格較高、樣品用量較多等問題［64－65］。另有部分研究采用索氏提取、渦旋－離心等方法，索氏提取是最經(jīng)典的固液萃取方式之一，具有操作簡單、萃取效果穩(wěn)定等優(yōu)點，但存在溶劑用量大、萃取時間長等缺點［66］。以上方法通常選用SPE作為后續(xù)的凈化步驟，與傳統(tǒng)的液液萃取相比，SPE更快速、高效，且有機溶劑用量少、綠色環(huán)保，缺點在于小柱成本較高［67］。近年來，更簡便的前處理方法得到了快速發(fā)展，如QuEChERS，該法旨在簡化萃取程序，最小化成本，后續(xù)通常采用分散固相萃?。╠SPE）對提取液進一步凈化。綜合來看，隨著對環(huán)境樣品中有機污染物研究的不斷深入，樣品的前處理方法正逐漸向快速、高效、環(huán)保以及自動化的方向發(fā)展，在實際應(yīng)用中選擇最適用于當(dāng)前研究的前處理方式，并通過優(yōu)化實驗對提取效果進行改進。

4 LC－HRMS在目標(biāo)污染物分析中的應(yīng)用

LC－HRMS不僅用于某一類化合物的定性定量分析，在多組分的高通量、寬范圍的目標(biāo)物分析中也發(fā)揮了極大作用，可以對不同極性和類別的化合物同時進行篩查和鑒定［10－11，15，35，50，52－54，58－59］，亦廣泛應(yīng)用于新興污染物篩查和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物探索［14，17－19，23－24，26，30－31，33－34，57－58，60－61］。

4.1 高通量目標(biāo)污染物分析

基于高通量分析的優(yōu)勢，多位學(xué)者將該法應(yīng)用于環(huán)境研究中。如Chiaia－Hernández等［52］將電噴霧電離（ESI）和大氣壓光致電離（APPI）兩種方法結(jié)合，研究湖泊沉積物中180種具有廣泛物理－化學(xué)特征的PPCPs、農(nóng)藥、麝香香料、紫外線穩(wěn)定劑和防曬用品等的賦存狀況，其中APPI主要針對后3類物質(zhì)，定量檢出13種污染物，并通過污染物的時間分布特征與人文活動和社會事件的相關(guān)性，反演和探究了湖泊污染歷史。Massei等［10］對上述方法進行了優(yōu)化，將待分析污染物范圍擴大到偏極性及離子型化合物，以發(fā)現(xiàn)和分析水生環(huán)境中310種有機化學(xué)物質(zhì)的分布和組成，但該方法存在部分化合物回收率較低的問題。結(jié)合毒理學(xué)方法，質(zhì)譜高通量分析還可用于污染物潛在風(fēng)險性評估研究，如將LC－HRMS技術(shù)與斑馬魚胚胎病理學(xué)試驗相結(jié)合，對河流沉積物中428種目標(biāo)污染物（包括藥品、農(nóng)藥和工業(yè)化學(xué)品）進行研究，篩查出藥品（如鎮(zhèn)痛藥布洛芬）為克羅地亞薩瓦河的重要污染源，并獲取了其毒性信息［15］。

4.2 新興污染物篩查

新興污染物一般指尚無相關(guān)的環(huán)境管理政策法規(guī)或排放控制標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)對其檢出頻率及潛在健康風(fēng)險的評估，有可能被納入管制對象的物質(zhì)［68］。目前受關(guān)注較多的新興污染物有：內(nèi)分泌干擾物、藥品和PPCPs、全氟化合物和阻燃劑等。

PPCPs因包含的化合物類別廣泛且消耗量可觀，獲得了較多的研究關(guān)注［18，23，33－34］，在一次運行中對此類化合物進行多殘留檢測成為技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵。基于HRMS的優(yōu)勢，Tong等［23］、Nannou等［34］完成了多類別PPCPs的定性、定量研究，有效評估了低劑量賦存于沉積物中PPCPs的潛在毒性和生態(tài)安全性［23］，為精準(zhǔn)檢測和評估污染狀況提供了有效方法［34］。氯化石蠟（CPs）作為增塑劑和阻燃劑，被廣泛使用并存在于各種環(huán)境介質(zhì)中。由于工業(yè)化合物的高度復(fù)雜性，以及檢測時存在CPs單體之間或其它脂溶性鹵代有機污染物的質(zhì)量干擾等問題，增加了分析難度。近期，Zheng等［24］首次開發(fā)了氯化銨增強型LC－Q－TOF方法，采用氯化銨作為Cl－供應(yīng)試劑，在ESI、APCI和熱輔助ESI電離源條件下，實現(xiàn)了對沉積物和水體中三大類（短、中和長鏈）11種CPs的定量分析檢測，該方法檢出限較低，可推廣到其他氯化污染物的相關(guān)研究中。Wu等［14］也應(yīng)用高分辨質(zhì)譜同時檢測沉積物中的短鏈和中鏈CPs，該方法縮短了檢測時間，檢出限較低，通過將分辨率設(shè)置為120000，避免了CPs同類物和氯化烯烴的干擾，與氣相色譜－電子捕獲負化學(xué)電離－低分辨質(zhì)譜法（GC－ECNI－LRMS）相比，獲得了更準(zhǔn)確合理的CPs定量濃度。CPs類化合物檢測方法的改進和HRMS技術(shù)的發(fā)展，為研究復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)中CPs的分布與組成提供了更多可能。與PPCPs和阻燃劑類物質(zhì)相比，季膦類化合物的相關(guān)研究報道較少，但有研究表明，此類化合物在萊茵河與易北河流域內(nèi)的含量呈上升趨勢，且被顆粒物和沉積物吸附后會持久存在，幾種選定的季膦類化合物在高濃度下均表現(xiàn)出細胞毒性，甚至具有遺傳毒性的潛力［31］。以上結(jié)果顯示出對該類化合物進行排放管控的必要性。

新興污染物篩查還可與高通量分析相結(jié)合，Kandie等［59］對沉積物和生物樣品（蝸牛）中429種多類別新興污染物進行了高分辨質(zhì)譜篩查，在沉積物中共檢出78種物質(zhì)，化合物（甲基嘧啶磷）含量最高可達110ng/g（以有機碳含量計算）。該研究將沉積物和生物樣品的檢測數(shù)據(jù)與前期水體中的污染數(shù)據(jù)進行了比較，且采用環(huán)境樣品與生物樣品分析的相輔相成，對于更全面、準(zhǔn)確地評估污染狀況有極大的幫助，也是目前環(huán)境分析的一個重要方向。

5 LC－HRMS在可疑污染物分析中的應(yīng)用

HRMS對目標(biāo)污染物的高通量分析僅涵蓋了有機污染物中很小的一部分，且受到標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的限制（如價格昂貴、無法獲得等），為達到擴大污染物篩查范圍，并降低分析成本和時間的目的，使用LC－HRMS篩查分析預(yù)期目標(biāo)以外污染物的方式正日益成為熱門趨勢。可疑物分析前通常需編制可疑化合物列表，也可用已建立的數(shù)據(jù)平臺直接進行數(shù)據(jù)處理，如DSFP（Digital sample freezing platform）、UNIFI?篩選平臺（Waters Corporation，Milford MA，USA）等。分析策略大體相同，但在數(shù)據(jù)縮減以簡化分析或相關(guān)參數(shù)設(shè)置等方面則會根據(jù)研究內(nèi)容和目的進行調(diào)整，如精確質(zhì)量數(shù)偏差作為常規(guī)使用的鑒定參數(shù)，其在不同研究中的設(shè)置值也有差異，但通常設(shè)置為小于10ppm；除常用的參數(shù)外，部分研究還會對元素組成、峰形得分等做出限制，這與所研究化合物的性質(zhì)、使用儀器或數(shù)據(jù)處理軟件有關(guān)。表2給出了相關(guān)研究采用的參數(shù)設(shè)置。

表2 沉積物和顆粒物樣品中可疑與非目標(biāo)化合物分析的優(yōu)先級策略及初步鑒定標(biāo)準(zhǔn)Table2 Prioritization strategies and tentative identification criterias for suspect and nontarget compounds in sediments and particulate matters

（續(xù)表2）

5.1 編制可疑化合物列表

Chiaia－Hernández等［55］在前期工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾個歐美國家的消費數(shù)據(jù)編制了包含農(nóng)藥和一些重要藥品等838種物質(zhì)的可疑化合物列表，包括精確質(zhì)量數(shù)、分子式、加合物形式和預(yù)測的保留時間（RT=1.65 ×log Kow+4.36 ）等信息。然后基于峰面積、信噪比（S/N）、峰形得分、同位素匹配度等參數(shù)進行初步鑒定，最后利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對初步鑒定的可疑化合物進行確認。Chen等［28］采用類似方式建立了249種親脂性海洋毒素的可疑化合物列表，列表中包含精確質(zhì)量數(shù)和分子式等信息，基于實驗數(shù)據(jù)與期望值的比較，包括質(zhì)量偏差和同位素匹配度，并將MS/MS數(shù)據(jù)與文獻比對初步鑒定可疑物，最后使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行確認。然而，在可疑物分析過程中，從化合物列表編制到化合物鑒定均較為耗時，其中又涉及多種軟件和數(shù)據(jù)庫的協(xié)同使用，對分析人員的專業(yè)能力和工作強度都是一種挑戰(zhàn)。若將這些工作流程集成到一個平臺中進行自動化數(shù)據(jù)處理，不僅可提高工作效率，還便于各項研究的開展。

5.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)平臺

有研究對地中海流域水體和沉積物中的新興污染物進行了可疑物分析［19］，樣品檢測數(shù)據(jù)經(jīng)UNIFI?篩選平臺進行處理，該平臺包含了涵蓋2200種農(nóng)藥、PPCPs及其他有害物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫。通過對RT、精確質(zhì)量數(shù)和響應(yīng)值等參數(shù)的設(shè)置，將樣品數(shù)據(jù)與庫進行匹配，初步鑒定的42種化合物均滿足基于Schymanski等［70］描述的置信度2級標(biāo)準(zhǔn)（可能的結(jié)構(gòu)）。為防止假陽性結(jié)果并確認目標(biāo)化合物，最后通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行了驗證。除了UNIFI?，各家高分辨質(zhì)譜儀器公司通常有配套的數(shù)據(jù)篩選平臺或軟件，以通過集成數(shù)據(jù)庫或在線數(shù)據(jù)庫進行化合物鑒定。此外還有免費軟件如enviMass和MZmine，可以兼容主流高分辨質(zhì)譜廠家儀器采集的原始數(shù)據(jù)，在通用性上有一定優(yōu)勢。

DSFP是由NORMAN網(wǎng)絡(luò)（www.norman－network.com）的非目標(biāo)篩查工作組（NTS WG）開發(fā)的LCHRMS數(shù)據(jù)存檔平臺，可用于追溯篩查數(shù)千種環(huán)境污染物，該平臺目前只對提供數(shù)據(jù)的組織或研究人員開放［71］。對波河三角洲的新興有機污染物進行可疑物分析時［18］使用了該平臺：首先將元數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入DSFP，平臺根據(jù)精確質(zhì)量數(shù)偏差、合理的RT、同位素匹配度和碎片離子匹配情況進行自動篩選，最后通過譜庫匹配打分得出初步鑒定結(jié)果。通過類似程序，Diamanti等［50］應(yīng)用DSFP平臺對HRMS數(shù)據(jù)進行處理，評估了德涅斯特河的污染狀況。該平臺的突出特點是可以存檔數(shù)據(jù)用于回顧性分析。

目前可用于污染物篩查、鑒定的數(shù)據(jù)庫主要由政府機構(gòu)、科研機構(gòu)和儀器廠商等提供，公開共享的數(shù)據(jù)平臺為各項研究提供了便利。此外，研究人員還可自建數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫分為質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫和化合物數(shù)據(jù)庫，前者收集了化合物的質(zhì)譜圖，可通過母離子、碎片離子、豐度比等信息進行化合物鑒定，常見的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫有MassBank、mzCloud、NIST Mass Spectral Library等；后者包含化合物的分子式、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等，如ChemSpider、PubChem等，為分子式的確定提供了重要參考。相對而言，儀器自帶數(shù)據(jù)庫與實驗室自建數(shù)據(jù)庫包含的數(shù)據(jù)量較少，通常只有數(shù)百種或上千種，尤其是自建數(shù)據(jù)庫，需花費大量的時間和經(jīng)濟成本，超出大部分實驗室的承受能力［72］，但其針對性較強，適用于有目標(biāo)的化合物鑒定。而由NORMAN Suspect Exchange initiative組織建立的可疑化合物清單已收集并整理40053種化合物的信息，NORMAN MassBank（http：//massbank.ufz.de/MassBank/）也收集近5萬個質(zhì)譜圖［71］。免費的在線數(shù)據(jù)庫在可疑化合物或非目標(biāo)化合物的鑒定中發(fā)揮了極大作用，如ChemSpider可從數(shù)百個數(shù)據(jù)源中提供超過6700萬個結(jié)構(gòu)信息，mzCloud中包含約10000種化合物和超過700萬張譜圖。

6 LC－HRMS在非目標(biāo)污染物分析中的應(yīng)用

6.1 未知化合物鑒定的置信水平

近年來非目標(biāo)化合物分析，包括未知化合物的鑒定，成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的熱點。為實現(xiàn)不同目的，各項研究針對化合物鑒定制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)（如表2）。由于使用的儀器和軟件不同，化合物鑒定的設(shè)置參數(shù)存在差異，彼此難以建立準(zhǔn)確、共通的聯(lián)系，例如精確質(zhì)量數(shù)偏差、保留時間偏差和同位素擬合度等常規(guī)參數(shù)在不同研究中設(shè)置值并不相同，參數(shù)名稱也因軟件不同而存在差異；有些研究還會考慮一些特定參數(shù)，如鑒定有機溴和有機碘化合物時可考察前體離子與特征碎片峰之間的相關(guān)性［41?43］等。在代謝組學(xué)、法醫(yī)學(xué)等其他領(lǐng)域，基于HRMS的可疑和非目標(biāo)物分析來解釋小分子化合物來源和轉(zhuǎn)化機制的應(yīng)用也越來越多，因此需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)衡量化合物鑒定的置信度。

在HRMS得到廣泛應(yīng)用前，歐盟準(zhǔn)則2002/657/EC［73］中給出的識別點概念可用于表征化合物在其標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可獲取時的鑒定依據(jù)。隨著HRMS的應(yīng)用普及，這一準(zhǔn)則在鑒定程序及鑒定標(biāo)準(zhǔn)等方面已不適用。近年，Schymanski等［70］提出了HRMS在小分子化合物結(jié)構(gòu)鑒定中的置信度分級方法（共分5個等級）。該方法源于代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)倡議（MSI）中的4個置信度等級［74］，而后者在原來的基礎(chǔ)上添加了“Level0”，對明確的3D結(jié)構(gòu)確認提出了要求［75］。HRMS在小分子化合物結(jié)構(gòu)鑒定中的置信度分級方法，與目前代謝組學(xué)中應(yīng)用的分級方法對比如表3所示。

表3 兩種不同的化合物鑒定置信度分級方法［70，75］Table3 Two different identification confidence levels of compounds［70，75］

Schymanski置信度分級方法以代謝組學(xué)領(lǐng)域早期應(yīng)用為基礎(chǔ)，所以兩者存在共通之處，但因適用領(lǐng)域不同和后期發(fā)展改進而存在差異。Schymanski分級方法側(cè)重于基于HRMS開展的化合物鑒定，而MSI中的置信度等級方法主要應(yīng)用于代謝組學(xué)研究。新標(biāo)準(zhǔn)的興起并不代表以往的經(jīng)典準(zhǔn)則被取代，而是為化合物的鑒定分析提供更多可能，如Rochat［76］基于歐盟準(zhǔn)則2002/657/EC和MSI編輯的兩部文件，提出了針對LC－HRMS數(shù)據(jù)分析的置信度量表，嘗試在代謝組學(xué)和篩查實驗室（通常涉及食品安全、廢水、環(huán)境、法醫(yī)學(xué)和毒理學(xué)分析的實驗室）之間建立聯(lián)系。

6.2 數(shù)據(jù)非依賴性采集

數(shù)據(jù)依賴性采集（DDA）和數(shù)據(jù)非依賴性采集（DIA）是常見的兩種HRMS二級數(shù)據(jù)采集模式。在DDA采集模式下，只有在較窄m/z窗口（通常寬為1～3Da）內(nèi)的選定離子才會被選擇，傳輸?shù)脚鲎彩抑幸陨伤槠?，使得MS/MS數(shù)據(jù)具有較高的選擇性，干擾小，適用于目標(biāo)化合物的鑒定。不足是該模式使色譜－質(zhì)譜易受限于質(zhì)譜的掃描速度，而不易進行全面檢測，且可能無法產(chǎn)生足夠的譜圖數(shù)以構(gòu)成可供定量的分析物色譜峰。DIA為將連續(xù)區(qū)段式的固定或可變質(zhì)量范圍前體離子同時送入碰撞室，進一步執(zhí)行碎裂離子碰撞，該模式相對缺乏特異性，但具有無時限地獲取所有信息的優(yōu)勢。與DDA相比，DIA不受儀器掃描速度的限制［21］，理論上，在選定的m/z窗口中誘導(dǎo)所有前體離子碎裂，有利于對數(shù)據(jù)進行回顧分析，所以DIA正逐漸被大量應(yīng)用于非目標(biāo)或可疑化合物分析中。

一項針對河流沉積物中藥物殘留分析的研究［69］，對DDA和DIA（SWATH）兩種模式進行了比較，在32種化合物的添加實驗中，DIA模式可獲得更高比例化合物數(shù)量的二級譜圖，而在600種化合物的可疑篩查中，DIA模式也可鑒定出更多的物質(zhì)。但DIA帶來分析普適性的同時，由于其專屬度不如DDA模式，二級譜圖的質(zhì)量較DDA模式差。另有學(xué)者對地中海流域新興污染物進行目標(biāo)物、可疑物和非目標(biāo)物分析時采用DIA模式，經(jīng)“過濾篩選”與“數(shù)據(jù)庫比對”等6個步驟實現(xiàn)了對樣品中13種非目標(biāo)污染物的初步鑒定［19］。Chiaia－Hernández等［45，55］、Peng等［41－43］的多項研究中也應(yīng)用DIA進行數(shù)據(jù)采集，以進行湖泊污染歷史調(diào)查和有機鹵代化合物的鑒定與時空分布分析。DIA模式的發(fā)展和應(yīng)用，有助于高通量污染物分析的開展，也拓展了對未知化合物的鑒定，對發(fā)現(xiàn)環(huán)境中普遍存在的污染物以及評估潛在的環(huán)境風(fēng)險提供了更廣泛的平臺。DIA數(shù)據(jù)采集后應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析軟件不盡相同，數(shù)據(jù)解析和化合物鑒定流程較為繁瑣，需耗費大量的時間和精力，成為DIA應(yīng)用于非目標(biāo)物分析的難點所在。

6.3 優(yōu)先級策略

非目標(biāo)物的篩查范圍比目標(biāo)污染物和可疑污染物更廣泛，程序更復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理和解析難度更大，因此需要多種工具和軟件的配合，有時需借助其他儀器設(shè)備，如核磁共振（NMR）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等［77－78］。顆粒物和沉積物作為流域內(nèi)污染物運輸?shù)妮d體和污染歷史的承載者，包含了數(shù)以萬計的天然和人工化合物，采用LC－HRMS分析，會得到上千甚至上萬個化合物峰，解析所有未知峰非常困難。因此，有必要根據(jù)研究目的優(yōu)先選擇未知峰進行分析，稱之為優(yōu)先級策略。優(yōu)先級策略減少了未知峰的數(shù)量，便利了后續(xù)化合物的初步鑒定工作，表2給出了代表性研究采用的優(yōu)先級策略和初步鑒定標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)設(shè)置。

大多數(shù)研究遵循基于強度的優(yōu)先級標(biāo)準(zhǔn)，強度是獲得高質(zhì)量MS/MS數(shù)據(jù)的關(guān)鍵參數(shù)，對鑒定步驟至關(guān)重要；又因通常認為許多氯代和溴代化合物屬于人為來源，可幫助闡釋人文活動與環(huán)境變化間的關(guān)系，所以基于特征性同位素模式（例如Cl、Br、S）的優(yōu)先選擇方法也得到廣泛應(yīng)用。中歐湖泊污染歷史調(diào)查中使用非目標(biāo)物分析方法鑒定“可能存在”、“具有研究意義”，但不包含在監(jiān)測要求范圍中的污染物時，將強度＞106、具有特征性的同位素模式、化合物在環(huán)境中濃度隨時間推移增加等作為優(yōu)先選擇的條件，通過與數(shù)據(jù)庫匹配（EFS，Thermo Scientific，＞1700organic contaminants）和借助MetFrag進行碎片裂解模擬評估數(shù)據(jù)，初步鑒定了殺菌劑抑霉唑［45］。地中海流域水體和沉積物中新興污染物評估也應(yīng)用了基于峰強度和特征同位素模式的優(yōu)先級標(biāo)準(zhǔn)［19］，在“過濾篩選”和“闡明工具設(shè)置”兩個步驟中，通過峰強度、色譜峰寬、質(zhì)譜峰分辨率和鹵素參數(shù)設(shè)置，將樣品中的組分減少了90%以上，并可用以關(guān)注包含Cl、Br、F等對環(huán)境毒害性較大的污染物，再通過匹配在線數(shù)據(jù)庫、計算機排序，初步鑒定了13種化合物。

優(yōu)先級選擇的標(biāo)準(zhǔn)還可通過質(zhì)量虧損值設(shè)置、效應(yīng)導(dǎo)向分析（EDA）和提取特征碎片離子等方式實現(xiàn)。首先，對質(zhì)量虧損值進行設(shè)置，可減少MS和MS/MS中干擾峰的數(shù)目，顯著改善了MS同位素匹配和碎片的預(yù)測與擬合［55］。其次，將效應(yīng)測試和逐步分離結(jié)合起來的EDA方法可識別復(fù)雜環(huán)境樣品中的主要毒害物質(zhì)，其逐步分離程序降低了混合物的復(fù)雜性，優(yōu)先考慮生物活性成分，如Zaja等［79］基于EDA的優(yōu)先級策略識別出P－糖蛋白抑制劑。此外，基于LC－APCI－HRMS技術(shù)建立的DIA和特征碎片（DIPIC－Frag）分析方法，對湖泊沉積物中的溴代有機物進行了非目標(biāo)物分析［43］，采用APCI離子源，DIA模式采集數(shù)據(jù)；提取特征碎片離子Br－，篩選出前體離子；根據(jù)溴原子數(shù)、強度和精確質(zhì)量數(shù)等信息計算化學(xué)式；通過數(shù)據(jù)庫搜索和高分辨MS/MS譜圖對比，確認化合物結(jié)構(gòu)。該方法篩查出1593種溴代有機物，其中大部分未被報道過，該結(jié)果比Pena－Abaurrea等［80］采用GC×GC－TOF法檢測河流沉積物中的污染物更多，后者通常識別不足100個鹵代化合物。

7 總結(jié)與展望

應(yīng)用LC－HRMS技術(shù)同步進行目標(biāo)物、可疑物和非目標(biāo)物分析已成為環(huán)境研究領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢，近年來無論是儀器升級換代還是數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)，均取得了長足進步，但LC－HRMS在實際應(yīng)用中仍有待完善。首先，LC－HRMS應(yīng)用于沉積物和顆粒物中有機污染物檢測的案例相對較少，主要集中在淡水系統(tǒng)。海洋，尤其陸架邊緣海域，作為眾多污染物的歸宿之一，與人文活動密切相關(guān)，其有機污染狀況和污染歷史受到越來越多的關(guān)注與重視，將是LC－HRMS技術(shù)應(yīng)用的新興區(qū)域。其次，分析基于HRMS獲取的大量數(shù)據(jù)時，質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫可以有效縮短分析時間，而LC－HRMS相比于GC－MS的明顯缺陷在于，同一化合物使用不同儀器得到的二級質(zhì)譜不盡相同，因此少有類似于NIST（GC－MS質(zhì)譜庫）的通用LC－MS標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫可供使用。LC－HRMS往往需要實驗室通過購買標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)自建數(shù)據(jù)庫，雖然儀器廠商也在做相關(guān)的積累工作，但遠達不到環(huán)境研究的需求，所以數(shù)據(jù)庫的不斷補充和完善成為LC－HRMS廣泛應(yīng)用的重要條件，同時應(yīng)鼓勵各研究機構(gòu)保存和公開其譜庫數(shù)據(jù)，加強信息共享和傳播。此外，RT作為化合物鑒定的重要參數(shù)，可提高化合物鑒定的置信度，降低假陽性結(jié)果，在無標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的情況下，RT的預(yù)測對化合物鑒定顯得尤為必要，而目前的RT預(yù)測方法誤差較高，需要開發(fā)可集成到鑒定軟件中的更準(zhǔn)確的RT預(yù)測模型。最后，非目標(biāo)化合物分析仍處于起步階段，各項研究應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理軟件及相關(guān)術(shù)語不統(tǒng)一，化合物鑒定標(biāo)準(zhǔn)也有差異，方法應(yīng)用達不到標(biāo)準(zhǔn)化水平，因此需要建立相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和完善的通用鑒定標(biāo)準(zhǔn)，并促進數(shù)據(jù)處理流程明朗化、自動化，形成成熟可靠的解析算法，以簡化化合物鑒定程序，提高篩查效率。