西湖大学张岩岩实验室ES&T：全/多氟烷基化合物（PFAS）在LC-ESI-HRMS分析中的源内裂解特征

图片摘要

成果简介

近日，西湖大学张岩岩实验室在 ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 上发表了题为 “Unravel the in-Source Fragmentation Patterns of Per- and Polyfluoroalkyl Substances during Analysis by LC-ESI-HRMS” 的研究论文 ( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c08442 ) 。部分 污染物在液相色谱 - 质谱（ LC-MS ）分析过程中不可避免地会发生源内裂解（ in-source fragmentation ）。这种现象不仅会降低母离子的响应信号，影响定量分析，还会生成与母离子共流出的源内裂解离子，干扰非靶向分析过程中母离子结构的识别和鉴定，降低结果的可靠性。此外，源内裂解离子还容易被误判为降解产物，影响污染物降解路径和反应机理的解析，不利于降解效率的提升。本研究针对国内外最受关注的新污染物类型 — 全 / 多氟烷基化合物（ PFAS ），使用 UPLC-Orbitrap-HRMS 系统研究了 12 类、 82 种 PFAS 在电喷雾离子源（ Electrospray ， ESI ）作用下的源内裂解现象。研究中识别了发生源内裂解的 PFAS 结构特征，并进一步揭示了其裂解路径。结果表明， 6 类、 38 种含有羧基的 PFAS 均表现出显著的源内裂解现象，裂解程度高达 100% 。研究解析了包括 CO ₂ 中性丢失、 C−O 和 C−C 键断裂，以及 HF/CO ₂ HF 消除在内的 7 种裂解路径。本文提出， HF/CO ₂ HF 的消除是在水分子作用下形成环状过渡态，通过 β- 消除、 McLafferty 重排、 H ^… F 桥连等机制实现裂解，而 CO ₂ 中性丢失是其他裂解路径的先决条件，这解释了为何其他极性基团的 PFAS 不存在源内裂解现象。研究利用密度泛函理论（ DFT ）计算键解离能，阐释了源内裂解程度与分子结构的相关性，同时探讨了质谱采集参数和环境样品基质对源内裂解程度的影响。本研究结果为 PFAS 非靶向结构识别及其降解产物的准确鉴定提供了重要参考 。

全 / 多氟烷基化合物（ PFAS ）是当前国内外广受关注的新污染物类型之一，广泛应用于 200 多种工业领域。识别新型 PFAS 的结构，开发针对不同类型 PFAS 的降解技术，鉴定其降解产物并解析降解机理，是解决全球 PFAS 污染问题的关键基础。这些研究高度依赖基于高效液相 - 质谱（ UPLC-MS ），尤其是高分辨质谱（ UPLC-HRMS ）的分析技术。在质谱分析中，待测分子需要在离子源中被离子化为带电离子后才能被检测。在此过程中，待测分子会获得额外的内能。通常，在液相质谱中最常用的软电离技术 —— 电喷雾离子源（ ESI ）的作用下，这些额外的内能较小，不足以导致分子发生碎裂，因此通常可以获得待测分子的母离子 。

然而，对于某些 PFAS 结构，在 ESI 源作用下可能会发生裂解，生成与母离子保留时间相同的碎片离子，即液相共流出现象。这一过程被称为源内裂解（ in-source fragmentation ）。质谱源内裂解现象在分析过程中普遍存在，其裂解离子虽然可以提供额外的结构信息，但同时也会降低母离子的响应信号，影响定量分析。此外，源内裂解现象还会增加非靶向分析和降解产物鉴定的复杂性和不确定性，从而影响结构鉴定的准确性，甚至可能导致降解产物的误判，进而干扰降解路径和反应机理的解析。待测分子是否发生源内裂解及其裂解程度，主要取决于分子结构、离子源参数以及样品基质等因素。

本研究利用 UPLC-Orbitrap-HRMS ，针对环境中常见的 12 类、 82 种 PFAS ，系统研究了发生源内裂解的 PFAS 结构特征，解析了裂解路径及其影响因素。研究结果为新型 PFAS 及其降解产物的准确鉴定提供了重要参考，对 PFAS 污染问题的解决具有重要意义。

图文导读

源内裂解离子的鉴定方法。 本研究通过 PFAS 的 MS ¹ 图谱识别源内裂解离子的方法和标准如 图 1 所示，主要包括以下 7 个判定条件：（ 1 ）与母离子保留时间相同，即色谱共流出；（ 2 ）在母离子相同的质谱扫描图中出现；（ 3 ）具有比母离子小的 m/z 值；（ 4 ）在不同的质谱参数下响应强度具有差异；（ 5 ）启用温和捕获模式时（ mild trapping ）响应强度增加；（ 6 ）不同 CF ₂ 链长的同系物具有相似的源内裂解碎片；（ 7 ） 碎片离子与 PFAS 标准品的二级离子一致 。

图 1. PFAS 源内裂解离子的识别流程

PFAS 源内裂解特征及裂解路径 。在以母离子响应为标准的最优质谱条件下（电喷雾电压为 −1500 V 和 +2000V ，离子源温度 350℃ ，离子传输管温度 200℃ ， RF Lens 70% ），发现 6 类、 38 种含有羧酸基团（ CO ₂ ⁻ ）的 PFAS 发生了明显的源内裂解现象。这些 PFAS 包括两种 ωCl-PFCA 和所有 PFCA 、 ωH-PFCA 、 PFdiCA 、 FTCA&FTUCA 以及 PFECA （ 图 2 ），其源内裂解程度从 0.10% 到 100% 不等，表现出较大的结构差异性。而在相同质谱条件下，其他具有磺酸、磷酸、酰胺、磺酰胺等极性基团的 PFAS 未观察到源内裂解现象。

图 2. 发生源内裂解的 PFAS 结构特征及其裂解程度

本研究根据母离子和裂解离子的结构，提出了 7 种源内裂解路径（ pathway I−VII ）。包括 C−CO ₂ ⁻ 断裂（即 CO ₂ 中性丢失， pathway I ）、通过环状过渡态（ pathway II-V ）的多个 HF/CO ₂ HF 消除路径、以及醚键（ C−O ）或碳键（ C−C ）断裂（ pathway VI 、 VII ） 。

PFCA 。所有 PFCA 在电喷雾电离过程中均发生 CO ₂ 中性丢失，生成特征性的 [M−44] ⁻ （ C _n F _2n+1 ⁻ ）离子（ 图 3a ）。这一过程涉及 CF ₂ −CO ₂ ⁻ 键的断裂，属于异裂机制，其中共价电子被 α-CF ₂ 保留，从而导致 CO ₂ 中性丢失并生成带负电荷的 C _n F _2n+1 ⁻ 离子（ pathway I ， 图 4a ）。 DFT 计算结果表明， PFCA 中 CF ₂ −CO ₂ ⁻ 键的键解离能（ bond dissociation energy ）随着 CF ₂ 链长的增加（ C3−C14 ）而逐渐升高（ 96.7−98.5 kcal/mol ）（ 图 3d ）。同时，解裂程度从 62.7% 下降到 14.4% 。进一步分析发现， CF ₂ −CO ₂ ⁻ 的键解离能与裂解程度显著负相关（ r = −0.832 ， p < 0.01 ），表明当键解离能较高时， CF ₂ −CO ₂ ⁻ 键在电喷雾电离过程中更难发生源内裂解。

ωH-PFCA 。 5 种 ωH-PFCA 均发生了源内裂解，生成特征性离子 [M−64] ⁻ （ C _n F _2n-1 ⁻ ）。以 ωH-PFOA 为例，在保留时间为 10.69 分钟时，裂解离子（ C ₇ F ₁₃ ⁻ ， m/z = 330.9798 ）与母离子（ HC ₇ F ₁₄ CO ₂ ⁻ ， 394.9754 ）共流出（ 图 3b ）。基于 ωH-PFOA 的结构特征，其裂解机制为分子两端分别发生 HF 消除和 CO ₂ 丢失，生成带有一个末端不饱和键（ CF ₂ =CF(CF ₂ ) ₅ ⁻ ）的 C ₇ F ₁₃ ⁻ 离子。其中， ωH-PFCA 的 HF 消除裂解方式，是一种典型的 β- 消除反应（ pathway III ）发生，在 H ₂ O 分子的参与下、通过氢键作用生成较为稳定的六元环过渡态（ 图 4b ）。 ωH-PFCA 的裂解强度随着 CF ₂ 链长度增加而降低，这一趋势与 CF ₂ −CO ₂ ⁻ 的键解离能随链长增加而增大的规律一致（ 图 3e ）。

图 3. PFOA 和 ωH-PFOA 及源内裂解离子的色质谱图

PFdiCA 。本研究涉及的 5 个 PFdiCA 均检测到特征性的 [M−108] ^– （ C _n F _2n-1 ⁻ ）源内裂解离子，其裂解机制包括 CO ₂ ⁻ 端的 CO ₂ 丢失（ pathway I ）和 COOH 端的 CO ₂ HF 消除（ pathway IV ）。其中， CO ₂ HF 消除过程涉及 McLafferty 重排以及通过氢键作用形成的六元环过渡态（ 图 4c ）。对于 C6−C8 PFdiCA ，均检测到 [M−64] ⁻ 离子而未检测到仅发生 CO ₂ 丢失的 [M−44] ⁻ 离子，表明相较于 CO ₂ 丢失， COOH 端的 CO ₂ HF 消除更容易发生。

图 4 . (a) PFCA, (b) ωH-PFCA, (c) PFdiCA, (d) ωCl-PFCA 和 (e−g) FTCA & FTUCA 的源内裂解路径 .

其他 PFAS 。 ωCl-PFHpA 和 ωCl-PFNA 均观察到了通过 CO ₂ 丢失生成的 [M−44] ⁻ （ 图 4d ）。此外， Cl ⁻ 消除也是一种潜在的源内裂解路径，但其生成的中性碎片无法被质谱检测。因此， ωCl-PFPeA ， ωCl-PFOS 及 n:2 Cl-PFESA 可能发生了源内裂解，但无法通过质谱明确观察。 FTCA 和 FTUCA 类化合物，在离子源发生 CO ₂ 丢失和连续脱 HF 的源内裂解，生成多个不饱和碎片离子（ 图 4e − g ）。其中， HF 消除反应涉及通过 H ^… F 桥连的六元环过渡态（ pathway V ）。通过与 n:2 FTSA 对比发现， CO ₂ 丢失是 HF 消除的先决条件。而 PFECA 类化合物通过 CO ₂ 丢失、醚键（ C−O ）和碳碳键（ C−C ）断裂，生成多个源内裂解离子。通过与 PFESA 类化合物的比较发现， CO ₂ 丢失是醚键断裂等裂解机制的先决条件。

质谱参数和样品基质对 PFAS 源内裂解的影响。 在影响电离效率、离子传输效率和碎裂强度的四个质谱参数中，离子源温度及离子传输管温度对 PFAS 的源内裂解程度及母离子响应信号具有显著影响。随着这两个温度参数的升高，大多数 PFAS 化合物的源内裂解程度显著增加（ 图 5 ）。此外，本研究还对市政污水和氟化工排放废水进行了非靶向分析，发现了多种新型 PFAS 结构。这些新型 PFAS 在质谱分析中表现出显著的源内裂解现象。样品基质对 PFAS 的裂解程度也具有显著影响，可能是由于基质中的复杂化学环境改变了电离和裂解过程。

图 5. 离子源参数对 PFAS 源内裂解程度及质谱响应强度的影响