王天潤， 黎 梅， 翁 瑞， 杜沈旋

(1.河北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，北京 100081)

有機(jī)質(zhì)譜技術(shù)作為一種化合物結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)，在藥物檢測、環(huán)境分析和生物代謝等多方面發(fā)揮著不可或缺的作用.化合物分子在進(jìn)入質(zhì)譜后，通過離子源離子化，使分子成為帶電離子，隨后發(fā)生裂解，這種裂解反應(yīng)本質(zhì)上為單分子離子的分解反應(yīng).大多數(shù)分子的裂解在質(zhì)譜的質(zhì)量分析器中進(jìn)行，質(zhì)譜的質(zhì)量分析器具有高真空度的特點(diǎn)，所以分子的裂解過程及碎片離子的產(chǎn)生可以通過量子化學(xué)進(jìn)行計(jì)算研究和闡明[1].目前，已有相關(guān)學(xué)者借助量子化學(xué)計(jì)算方法研究和闡明化合物的質(zhì)譜特征和裂解機(jī)理[2-7].Ouyang等[8]根據(jù)密度泛函理論，確定簡單吲哚類生物堿初始電離位點(diǎn)，并對其EI源質(zhì)譜的特征裂解規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測.崔培珅等[9]使用電噴霧離子阱質(zhì)譜對大黃酸進(jìn)行分析，并通過量子化學(xué)計(jì)算方法對質(zhì)譜離子的幾何參數(shù)、鍵斷裂能、電荷變化、自旋密度以及前線分子軌道進(jìn)行分析，較為系統(tǒng)地解釋了大黃酸分子在電噴霧離子阱質(zhì)譜中的裂解行為.任昀等[10]運(yùn)用量子化學(xué)計(jì)算方法，計(jì)算出三聚氰胺在電噴霧質(zhì)譜中準(zhǔn)分子的產(chǎn)生和裂解規(guī)律等質(zhì)譜學(xué)特征，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了質(zhì)譜裂解過程主要受碎片離子Mulliken電荷分布及其化學(xué)鍵相互作用強(qiáng)弱的影響，為進(jìn)一步研究三聚氰胺衍生化合物的質(zhì)譜裂解途徑提供理論依據(jù).

全氟辛烷磺酸(PFOS)因其極低的表面張力以及疏水、疏油的獨(dú)特物理性質(zhì)，曾在民用和工業(yè)產(chǎn)品中得到應(yīng)用.然而，鑒于此類化合物具有毒性、環(huán)境持久性、生物蓄積性和長距離遷移等特性，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署于2009年將全氟辛烷磺酸列為“斯德哥爾摩公約”中新型持久性有機(jī)污染物.盡管如此，PFOS在全球范圍內(nèi)的生產(chǎn)仍在繼續(xù)，尤其在中國[11].研究表明，PFOS在中國環(huán)境中的殘留問題日益嚴(yán)重，其殘留物將經(jīng)由呼吸和飲食進(jìn)入人體，危害人體健康[12].PFOS的檢測主要采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)[13-14].HPLC-MS/MS具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)已將其作為動(dòng)物食品的主要檢測方法[15]，但仍未見從分子水平上研究PFOS裂解過程機(jī)理的理論報(bào)道.

本文中，筆者采用量子化學(xué)方法對PFOS在電噴霧源質(zhì)譜中的質(zhì)譜碎片結(jié)構(gòu)及碎裂過程進(jìn)行研究，探討可能存在的碎裂機(jī)理，進(jìn)而為研究其他全氟化合物的裂解規(guī)律和利用質(zhì)譜篩查PFOS的結(jié)構(gòu)類似物提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Thermo Fisher Endura質(zhì)譜儀(配有ESI源、三重四極桿質(zhì)量分析器和TraceFinder數(shù)據(jù)處理軟件等,美國 Thermo Fisher公司)；流動(dòng)注射泵(美國Thermo Fisher公司).

全氟辛烷磺酸標(biāo)準(zhǔn)品(1.0 g/L，溶于甲醇，天津阿爾塔科技有限公司)；甲醇(色譜純，美國Thermo Fisher公司).

1.2 質(zhì)譜條件

采用ESI負(fù)離子模式檢測，噴霧電壓為2 500 kV,離子傳輸管溫度為300 ℃，鞘氣和輔助氣為氦氣，鞘流速為4.09 L/min,輔助氣流速為7.97 L/min,氦氣為碰撞氣進(jìn)行誘導(dǎo)裂解，壓力為0.2 Pa,掃描范圍為m/z50～600,流動(dòng)注射泵直接進(jìn)樣，流速為10 μL/min.

1.3 量子化學(xué)計(jì)算方法

基于密度泛函理論，采用量子化學(xué)從頭算方法，在B3LYP/6-31G(d,p)的水平上，對所有分子及其碎片離子進(jìn)行初始幾何構(gòu)型的全自由度優(yōu)化并進(jìn)行頻率計(jì)算，確認(rèn)優(yōu)化結(jié)果無虛頻后，即可認(rèn)為分子及其碎片離子達(dá)到穩(wěn)定構(gòu)型.對分子優(yōu)化后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使用自然布居分析(natural population analysis,NPA)進(jìn)行電荷計(jì)算，分析分子中原子電荷的分布.采用Lu等[16]開發(fā)的Multiwfn的Mayer鍵級進(jìn)行鍵級的計(jì)算，用于考察分子在裂解過程中化學(xué)鍵穩(wěn)定性的變化.各化學(xué)鍵的鍵斷裂能(EBD)由式(1)計(jì)算得到：

EBD=EA+EB-EAB.

(1)

其中：EAB為母體碎片離子總能量；EA為脫去取代基后的能量；EB為取代基能量.

2 結(jié)果與討論

2.1 PFOS質(zhì)譜數(shù)據(jù)初步分析

PFOS的分子結(jié)構(gòu)及其位次編號如圖1所示，可以看出，分子中只存在1個(gè)H原子，所以負(fù)離子模式下，失去氫離子的位點(diǎn)只有與O10連接的氫原子.PFOS的二級質(zhì)譜如圖2所示，在所有的子離子中，m/z230，280,330具有較高的響應(yīng)，其相差的質(zhì)荷比均為50，m/z119和m/z169相差的質(zhì)荷比也為50，而—CF2—的相對分子質(zhì)量為50，這一現(xiàn)象可能是由子離子帶有不同數(shù)量的—CF2—所導(dǎo)致.基于以上分析，對PFOS的裂解過程做出初步假設(shè)，如圖3所示.由于PFOS為鏈狀結(jié)構(gòu)，并且大部分C—F鍵具有較高的鍵能，不易斷裂.所以PFOS在質(zhì)譜碎裂的過程中，產(chǎn)生的碎片離子主要是由于主鏈化學(xué)鍵的斷裂.對于m/z99的碎片離子，通過PFOS準(zhǔn)分子離子的直接斷裂不能產(chǎn)生m/z99的碎片離子，所以m/z99的離子可能是經(jīng)歷了重排異構(gòu)過程.為了從理論上證明裂解途徑的可能性，從NPA電荷、電子密度差、鍵長和Mayer鍵級等多方面對裂解過程的假設(shè)進(jìn)行分析.

圖1 PFOS的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular Structure of PFOS

圖2 PFOS的二級質(zhì)譜Fig.2 MS2 Spectra of PFOS

圖3 PFOS在串聯(lián)質(zhì)譜中裂解過程的假設(shè)Fig.3 Hypothesis of PFOS Pyrolysis Process in Tandem Mass Spectrometry

2.2 準(zhǔn)分子離子NPA電荷分析

對構(gòu)建的PFOS準(zhǔn)分子離子進(jìn)行幾何優(yōu)化，確認(rèn)分子無虛頻后，認(rèn)為分子達(dá)到幾何優(yōu)化穩(wěn)定點(diǎn)，此時(shí)的結(jié)構(gòu)即為穩(wěn)定結(jié)構(gòu).為了確認(rèn)分子在電離后電荷轉(zhuǎn)移的情況，對PFOS分子及其準(zhǔn)分子離子進(jìn)行了NPA電荷的計(jì)算，其前后NPA電荷及其變化如表1所示，其中M代表未離子化的PFOS分子，[M-H]-代表PFOS的準(zhǔn)分子離子.

由表1可以看出，在PFOS形成[M-H]-的過程中，負(fù)電荷主要向與S9相連的3個(gè)氧原子轉(zhuǎn)移，其中向O11轉(zhuǎn)移的最多，其次為O10和O12，2個(gè)原子轉(zhuǎn)移負(fù)電荷的數(shù)量基本相同.對于氟原子來說，與C8相連的2個(gè)氟原子及與C7相連的1個(gè)氟原子電荷變化最大，其中F28變化最大，其次為F29和F27.在主鏈上，C8和S9的NPA電荷變化最大，正電荷向S9轉(zhuǎn)移，負(fù)電荷向C8轉(zhuǎn)移，使C8和S9原子之間的NPA電荷增加，電子云向S9轉(zhuǎn)移，使C8與S9之間的共價(jià)鍵穩(wěn)定性降低，所以推測斷裂容易發(fā)生在C8與S9之間.

表1 PFOS變?yōu)闇?zhǔn)分子離子的自然電荷變化Tab.1 The Change of Natural Charge from Molecular to Quasi-molecular Ion

2.3 電子密度差分析

為了進(jìn)一步分析電荷分子變?yōu)闇?zhǔn)分子離子時(shí)對PFOS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，通過分子與準(zhǔn)分子離子的電子密度差，可以更精確地分析電子密度在空間中的變化，電子密度差等值面見圖4.其中，綠色和藍(lán)色分別代表PFOS分子失去氫離子后電子密度增大和減小的部分.PFOS分子在變?yōu)闇?zhǔn)分子離子的過程中，電子密度變化的區(qū)域主要集中在氫離子發(fā)生解離的位點(diǎn)，對于碳原子組成的主鏈來說，呈現(xiàn)出靠近SO3-的一側(cè)電子密度增大，背向SO3-的一側(cè)電子密度減小，且變化的程度隨著丟失氫離子位點(diǎn)的距離增大而減小.S9周圍電子密度減小，C8周圍電子密度增大，同時(shí)，C8與C7電子密度也發(fā)生了一定的變化，但是變化程度遠(yuǎn)小于C8和S9，這與NPA電荷的變化一致.

圖4 PFOS變?yōu)闇?zhǔn)分子離子的電子密度差等值面Fig.4 The Isosurface Map of Electron Density Differences for PFOS Change to Quasi-molecular Ion

為了更直觀地看出電子密度的變化情況，以C7,C8,S9為平面對其周圍空間做剖面圖，見圖5.其中，藍(lán)色虛線和紅色實(shí)線分別代表形成準(zhǔn)分子離子后電子密度減少和增加的區(qū)域.圖5從平面上展示出形成準(zhǔn)分子離子后電子密度變化的情況， C8與S9之間電子密度變化存在著一個(gè)截面，這反映出形成共價(jià)鍵的電子共享程度降低，使得它們之間形成的共價(jià)鍵被削弱，C8與S9之間的鍵長增大，鍵級減小.同時(shí)可以看出，相鄰碳原子間的電子密度也發(fā)生了不同程度的變化，這意味著準(zhǔn)分子離子在誘導(dǎo)碰撞裂解的過程中，C—C鍵也會(huì)在一定能量條件下發(fā)生裂解.

圖5 PFOS變?yōu)闇?zhǔn)分子離子的電子密度差等值線Fig.5 The Contour Line of Electron Density Differences for PFOS Change to Quasi-molecular Ion

2.4 鍵長與Mayer鍵級變化

為了進(jìn)一步預(yù)測 PFOS在質(zhì)譜中化學(xué)鍵發(fā)生斷裂的位置，對PFOS在形成準(zhǔn)分子離子前后的鍵長和Mayer鍵級進(jìn)行了計(jì)算.由表2可知，PFOS主鏈上鍵長和鍵級變化最大的是C7—C8和C8—S9，C7—C8鍵長減少了0.000 3 nm；C8—S9鍵長增加了0.000 3 nm，雖然二者鍵長變化一樣，但是它們的鍵級變化不同，C7—C8之間的鍵級僅僅增加了0.016，但是C8—S9之間的鍵級減少了0.050，C8與S9之間共價(jià)鍵的穩(wěn)定性顯著降低，這與電子密度差分析得出的結(jié)果一致，推測在形成準(zhǔn)分子后，由于氧原子的電負(fù)性比硫原子大，S9上的電子云向3個(gè)氧原子轉(zhuǎn)移，使得C8—S9之間的電子密度降低，同時(shí)由于C8與S9的電負(fù)性差距較小，使得原本C8與S9之間的電子向C8與S9各自轉(zhuǎn)移，C8與S9之間的共價(jià)鍵從而更容易發(fā)生斷裂.所以，PFOS在形成準(zhǔn)分子離子后，C8與S9之間可能發(fā)生均裂，形成SO3-基團(tuán)，在質(zhì)譜中檢測到m/z80的碎片離子峰.對于碳鏈來說，通過鍵長和鍵級的變化可以看出，大部分C—C鍵的強(qiáng)度小幅降低，同時(shí)由于PFOS的化學(xué)結(jié)構(gòu)為鏈狀結(jié)構(gòu)，這意味著碳主鏈在外界能量達(dá)到一定程度后，C—C鍵會(huì)發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生相應(yīng)的碎片離子峰.

表2 鍵長和Mayer鍵級變化Tab.2 The Change of Bond Length and Mayer Bond Order

2.5 鍵斷裂能

根據(jù)鍵能理論，化學(xué)鍵的鍵能越大越難斷裂，因此在質(zhì)譜誘導(dǎo)碰撞裂解(collision-induced dissociation,CID)過程中，母離子形成后，產(chǎn)生碎片離子所需的鍵斷裂能越小，斷裂過程越容易發(fā)生，該碎片離子越容易被質(zhì)譜表征出來[9].PFOS的CID-MS2裂解能計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 PFOS CID-MS2裂解能Tab.3 Bond Dissociation Energy of PFOS in CID-MS2

由表3可以看出，產(chǎn)生SO3-的鍵斷裂能最小，這意味著該化學(xué)鍵最易斷裂，所以m/z80在二級質(zhì)譜中是除母離子之外響應(yīng)最高的峰，對于帶有SO3-基團(tuán)的碎片離子峰來說，產(chǎn)生CF2SO3-(m/z130)，C2F4SO3-(m/z180)，C3F6SO3-(m/z230)，C4F8SO3-(m/z280)和C5F10SO3-(m/z330)的鍵斷裂能也處在較低的水平，在二級質(zhì)譜中也具有一定的峰強(qiáng)度，其中C3F6SO3-(m/z230)和C4F8SO3-(m/z280)在二級質(zhì)譜中響應(yīng)較高.從總體趨勢上看，帶有SO3-基團(tuán)的碎片離子，產(chǎn)生的碎片離子所需的鍵斷裂能越小，碎片離子在質(zhì)譜中的響應(yīng)越高，這意味著對于帶有同種負(fù)離子基團(tuán)的碎片離子，可以根據(jù)產(chǎn)生不同碎片離子的鍵能判斷其產(chǎn)生碎片離子峰的相對大小.值得注意的是，在C2—C3和C3—C4發(fā)生斷裂時(shí)，產(chǎn)生碎片離子C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)，不含SO3-基團(tuán)，但仍然帶有1個(gè)負(fù)電荷，通過NPA電荷分析，可以看出C2的電荷比C3的少，推測在母離子的C2—C3共價(jià)鍵斷裂時(shí)，電子被C2吸引，使共價(jià)鍵發(fā)生異裂，從而形成C2F5-(m/z119)負(fù)離子，同理，C3的電荷比C4的少，所以母離子C3—C4共價(jià)鍵斷裂也會(huì)發(fā)生異裂，從而形成C3F7-(m/z169)負(fù)離子.同時(shí),C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)的峰強(qiáng)度與 C2—C3和C3—C4的鍵斷裂能也體現(xiàn)了一定關(guān)聯(lián)， 由于C3—C4的鍵斷裂能小于C2—C3的鍵斷裂能，因此C3F7-(m/z169)的峰強(qiáng)度要大于C2F5-(m/z119)的峰強(qiáng)度.

2.6 m/z 99的碎片離子質(zhì)譜解析

PFOS的鏈狀結(jié)構(gòu)決定了碎片離子大部分都由母離子直接裂解形成，但是m/z99的結(jié)構(gòu)為FSO3-，由母離子直接裂解并不能形成此結(jié)構(gòu).由表2可知，PFOS在形成準(zhǔn)分子離子過程中，C8,F28和F29的鍵長增加，鍵級減小，且變化程度較大，說明C8—F28和C8—F29的共價(jià)鍵穩(wěn)定性降低，容易在CID作用下發(fā)生斷裂，因此，推測FSO3-(m/z99)的氟原子可能是由與C8相連的F28和F29中的任意一個(gè)氟原子重排形成.為了進(jìn)一步驗(yàn)證氟原子的重排反應(yīng)是否可以發(fā)生，對其反應(yīng)過程進(jìn)行計(jì)算，并給出了重排裂解反應(yīng)的相對吉布斯自由能(見圖6)，其中TS1,TS2分別為F28,F29發(fā)生重排時(shí)的過渡態(tài)，括號內(nèi)數(shù)字為相對吉布斯自由能(單位為kJ/mol).由圖6可以看出，C8上的F28,F29經(jīng)過一個(gè)三元環(huán)的過渡態(tài)轉(zhuǎn)移到磺酸基的硫原子上，從而生成FSO3-(m/z99).F28,F29發(fā)生重排時(shí)的過渡態(tài)能量分別為264.97,267.90 kJ/mol，發(fā)生反應(yīng)所需要跨越的能量壁壘較低，且2種反應(yīng)途徑能量相差不大，所以F28,F29均有可能發(fā)生重排.

圖6 m/z 99碎片離子形成途徑及相對吉布斯自由能變化Fig.6 The Formation Pathway of m/z 99 Fragment Ion and the Change of Relative Gibbs Free Energy

3 結(jié) 論

采用基于密度泛函理論的量子化學(xué)計(jì)算方法對PFOS的質(zhì)譜裂解過程進(jìn)行了理論分析，通過對分子結(jié)構(gòu)的分析確定初始電離位點(diǎn)，分析了分子電離后NPA電荷的分布，并通過電子密度差、鍵能、Mayer鍵級和鍵解離能綜合分析PFOS形成準(zhǔn)分子離子后的裂解過程，結(jié)果表明，大部分的碎片離子都是由母離子主鏈在不同位置斷裂形成的，除C2F5-(m/z119)和C3F7-(m/z169)外，其余碎片離子均帶有磺酸基.同時(shí)，通過理論計(jì)算驗(yàn)證了FSO3-(m/z99)是通過氟原子重排形成的.通過研究PFOS的質(zhì)譜裂解規(guī)律，可進(jìn)一步為其他全氟化合物的質(zhì)譜裂解規(guī)律提供理論依據(jù)，也可為研究其他化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)譜裂解規(guī)律提供方法參考.