一种多类别新污染物高通量同步识别与定量分析方法

技术领域

本发明属于环境分析化学技术领域，具体为一种多类别新污染物高通量同步识别与定量分析方法。

背景技术

截至目前，美国化学文摘社注册的化学物质已达2亿种，全球市场使用的化学品及其混合物也已达35万种，这些化学品是新污染物的重要来源。新污染物(EmergingContaminants，简称ECs)是指新近发现或被关注，对生态环境或人体健康存在风险，尚未纳入管理或现有管理措施不足以有效防控其风险的污染物，包括持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素等。目前针对新污染物的分析手段包括靶标分析和非靶标筛查两种，但存在靶标分析通量低、效率低、成本高以及非靶标筛查数据解析繁琐、定量困难等难题，难以达到多类别新污染物高通量同步识别与定量的目的。

近年来，质谱数据库在新污染物筛查方面的应用越来越广泛，能够高通量识别数据库中所有目标物，高效率且低成本，已成为快速准确分析新污染物的有力工具。日本Kadokami教授发表在Journal of Chromatography A的文章中曾基于气相色谱-质谱的全扫描模式，开发了887种有机污染物的同步识别与定量数据库，并成功应用于水样、沉积物和空气样品的筛查[Kadokami K.,Tanada K.,Taneda K.,et al.J Chromatogr A,2005,1089(1-2):219-226；Li X.,Tian T.,Shang X.,et al.Environ Health Perspect,2020,128(10):107010]。我国Chang等人基于GC-QTOF-MS的全扫描模式建立了327种农药残留的高通量筛查方法，并基于该方法分析了药材中的农药残留情况[Chang Q.,Ge L.,Li J.,etal.Anal Methods,2021,13(46):5660-5669.]。然而，当前数据库仅基于单一数据采集模式进行构建，若目标物数量增加容易产生假阳性或假阴性。其次，仪器状态的变化，也会影响同一化合物识别与定量。因此，迫切需要开发可同步定性定量新污染物的高通量筛查方法，提高污染物结构识别和定量的准确性，以高效率、低成本地解析环境中新污染物的暴露水平和赋存特征。

发明内容

本发明的主要目的在于耦合全扫描和多反应监测扫描的层级定性策略，提供一种效率高、操作便捷、成本低廉的多类别新污染物高通量同步识别与定量分析方法，为复杂环境中新污染物高通量筛查提供技术支持。

本发明的技术方案：

一种多类别新污染物高通量同步识别与定量分析方法，步骤如下：

(1)确定高通量同步识别与定量分析方法的新污染物名录

基于文献挖掘，汇总全球多介质环境中的高关注、高检出新污染物，同时考虑我国重点管控新污染物清单、欧洲化学品管理局高度关注物质清单中适用于气相色谱-质谱分析的新污染物，最终形成高通量同步识别与定量分析方法的千余种新污染物名录；通过Pubchem爬取新污染物名录中新污染物的理化性质，包括中英文名称、CAS号、化学分子式、分子量、沸点和疏水性；

(2)确定化合物保留指数和一级质谱信息

基于气相色谱-三重四极杆质谱的全扫描模式对目标化合物的标准工作溶液进行测定，解析总离子色谱图，确定各目标化合物的保留时间和一级质谱图，同时基于C

(3)确定最优碰撞能量下的监测离子对

将一级质谱图中响应高且特异性强的特征碎片离子作为前体离子，并在3-60V不同碰撞能量下分别测定前体离子的所有产物离子；选取强度最大的产物离子并与其前体离子构成最优碰撞能量下的监测离子对，使选定的监测离子对有最佳灵敏度；每个目标化合物共登记3个强度最大的监测离子对，包括1个定量离子对和2个定性离子对，确定二级质谱图；

(4)绘制标准曲线

基于步骤(3)得到的监测离子对，建立一系列目标化合物的多反应监测扫描方法，并基于覆盖不同保留时间的内标绘制目标化合物在多反应监测扫描模式下的标准曲线，标准曲线的浓度范围为0.1-400ng/mL；

(5)数据库色谱质谱信息融合

利用Smart MRM软件，对步骤(1)新污染物名录中所有目标化合物的保留指数、一级质谱、最优碰撞能量、二级质谱、标准曲线进行融合，生成耦合全扫描和多反应监测扫描模式的同步识别与定量分析方法；

(6)仪器性能评价标准

针对步骤(1)中确定的新污染物名录中所有目标化合物，通过多次进样分析，选择保留时间和定量值偏差较大的多组分物质作为仪器性能评价标准物质，用于综合评价色谱柱、进样口、质谱对目标化合物定性定量的影响，确保样品分析时的仪器性能与构建该同步识别与定量分析方法时一致。

进一步地，所述步骤(2)中，全扫描模式设置的色谱质谱条件分别为：

色谱条件：

色谱柱：SH-Rxi-5Sil MS(30m×0.25mm×0.25μm)；进样口温度：250℃；进样方式：恒流模式，不分流；进样体积：1μL；载气：氦气；载气流速：1.2mL/min；传输线温度：300℃；

质谱条件：

离子源：EI源；扫描范围：m/z 45-600；溶剂延迟：4min；升温程序：40℃(保持2min)，8℃/min升温至310℃(保持5min)。

进一步地，所述步骤(2)中，采用C

进一步地，耦合全扫描和多反应监测扫描模式的层级定性与定量方法，首先判断在保留时间范围内是否有色谱峰存在，然后通过全扫描模式下的一级质谱图与标准谱图的相似度指数比对识别化合物，若相似度指数≥80，则初步判定为有该目标物存在；若相似度指数＜60，则初步判定没有该目标物存在；若相似度指数为60-80之间，则难以辨别目标物的存在与否，可进一步利用多反应监测模式下的3个监测离子对以及监测离子对中产物离子的丰度比辅助结构鉴定；若3个监测离子对在保留时间范围内全部出现，且产物离子的丰度比在规定的偏差范围内(相对偏差50％)，则认为该目标物存在(图2)。通过耦合两种扫描模式的层级定性策略，提高了化合物识别的准确性。

进一步地，将该方法应用于实际环境样品分析，首先需要对气相色谱-三重四极杆质谱的离子源、进样口、衬管和色谱柱等部件进行维护，并进行仪器调谐。设置色谱质谱条件后，测定性能检查标准溶液，综合评估仪器性能是否满足该同步识别与定量分析方法的要求。在满足仪器性能的前提下，采用性能检查标准溶液中的正构烷烃预测数据库中所有新污染物的保留时间，生成校正保留时间后的高通量同步识别与定量分析方法。通过该方法测定实际环境样品，并基于耦合全扫描和多反应监测扫描模式的层级定性策略及标准曲线进行数据分析，以达到环境样品中多类别新污染物同步识别与定量的目的(图3)。

方法学验证：

本发明以杀菌剂、杀虫剂、除草剂、邻苯二甲酸酯、多氯联苯等332种模型化合物为例进行方法学验证。采用内标法绘制多反应监测扫描模式下的标准曲线，332种新污染物中98％以上的线性相关系数r≥0.99；其中253种新污染物的仪器检出限小于等于1pg，足以满足多介质环境中新污染物的痕量分析。

配制20μg/L和200μg/L两种浓度下的标准溶液，所有标准溶液均采用正己烷进行稀释，每个浓度水平5次连续进样测试。结果表明，在20μg/L和200μg/L两种浓度下，分别有85.8％和93.4％新污染物的平均回收率范围在70-130％，分别有95.2％和99.1％的新污染物的相对标准偏差＜10％，该方法的准确度和精密度能够满足多类别新污染物的筛查测试要求。

本发明的有益效果：本发明依据气相色谱-三重四极杆质谱，构建了千余种新污染物的高通量同步识别与定量分析方法，通过数据库中目标物的保留指数、一级质谱、最优碰撞能量、二级质谱及标准曲线信息对多类别新污染物进行快速识别和定量，同时耦合全扫描和多反应监测扫描模式的层级定性策略，降低了假阳性/假阴性水平，为新污染物的筛查和管控提供有效技术支撑。

本发明构建的高通量同步识别与定量分析方法，可以有效解决背景技术中传统靶标筛查通量低、效率低和成本高以及非靶标筛查数据解析繁琐和难以精准定量等问题。结合可多维度表征仪器状态的性能检查标准溶液，实现不依赖标准品对环境样品中的多类别新污染物进行同步识别与定量解析，极大降低检测成本，同时显著提高了分析效率。

附图说明

图1是色谱柱流量与物质苝-D

图2是耦合全扫描与多反应监测扫描模式的层级定性策略图。

图3是多类别新污染物高通量同步识别与定量分析方法的应用流程图。

图4是实施例3中实测样品在17.277min的一级质谱图。

图5是实施例3中苊的标准谱图。

图6是实施例3中实测样品在17.277min的监测离子对信息图。

图7是实施例3中实测样品在11.692min的一级质谱图。

图8是实施例3中2-硝基甲苯的标准谱图。

图9是实施例3中实测样品在11.692min的监测离子对信息图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

本实施例提供一种以19种邻苯二甲酸酯为例的高通量同步识别与定量分析方法的构建流程。

(1)配制标准工作溶液

将19种邻苯二甲酸酯的混合标准储备液(200μg/mL)用正己烷稀释成1μg/mL的标准工作溶液，并通过气相色谱-三重四极杆质谱的全扫描模式进行测定；

(2)确定保留指数和一级质谱信息

基于气相色谱-三重四极杆质谱的全扫描模式对19种邻苯二甲酸酯的标准工作溶液进行测定，解析19种邻苯二甲酸酯的总离子色谱图，确定每个邻苯二甲酸酯的保留时间和一级质谱图，并基于C

(3)确定最优碰撞能量和监测离子对

从19种邻苯二甲酸酯的一级质谱图中选择响应高且特异性强的特征碎片离子作为前体离子，并在3-60V不同碰撞能量下分别测定前体离子的所有产物离子，进而确定多环芳烃在最优碰撞能量下的监测离子对，使选定的监测离子对有最佳灵敏度。每个邻苯二甲酸酯共登记3个监测离子对，包括1个定量离子对和2个定性离子对，确定二级质谱图。19种邻苯二甲酸酯的最优碰撞能量和监测离子对如表1所示：

表1 19种邻苯二甲酸酯的最优碰撞能量和监测离子对信息

(4)绘制标准曲线

基于监测离子对，建立19种邻苯二甲酸酯的多反应监测扫描方法，并在0.1ng/mL-400ng/mL浓度范围，基于内标法绘制19种邻苯二甲酸酯在多反应监测扫描模式下的标准曲线；

(5)数据库色谱质谱信息融合

利用Smart MRM软件，将19种邻苯二甲酸酯的保留指数、一级质谱、最优碰撞能量、二级质谱、标准曲线等信息进行融合，生成耦合全扫描和多反应监测扫描模式的同步识别与定量分析方法，克服传统靶标分析通量低且非靶标筛查难以精准定量的问题。

千余种新污染物的高通量同步识别与定量分析方法流程皆按实施例1中进行操作。

实施例2

本实施例针对包含130种新污染物的加标样品(每种污染物浓度为200ng/mL，正己烷溶液)，利用本发明的高通量同步识别与定量分析方法对该样品进行分析，具体包括如下步骤：

对仪器进行维护和调谐后，设置色谱质谱条件，首先测量性能检查标准溶液以检查仪器性能是否满足高通量同步识别与定量分析方法的要求。在满足仪器性能的前提下，采用性能检查标准溶液中的正构烷烃预测数据库中所有新污染物的保留时间，生成校正保留时间后的高通量同步识别与定量分析方法。基于该方法对200ng/mL的加标样品进行高通量筛查。结果发现，130种新污染物在相应保留时间内均出现色谱峰，且保留时间偏差均＜5s。这些新污染物的一级质谱图与标准谱图的相似度指数均＞80，判定130种新污染物全部存在。采用高通量同步识别与定量分析方法中的标准曲线，计算出130种新污染物的定量值范围为141.7-253.9ng/mL。

实施例3

本实施例针对某水环境样品，利用本发明的高通量同步识别与定量分析方法进行筛查(图3)，具体包括如下步骤：

对仪器进行维护和调谐后，设置色谱质谱条件，首先测量性能检查标准溶液以检查仪器性能是否满足高通量同步识别与定量分析方法的要求。在满足仪器性能的前提下，采用性能检查标准溶液中的正构烷烃预测数据库中所有新污染物的保留时间，生成校正保留时间后的高通量同步识别与定量分析方法。基于该方法对某水环境样品中的新污染物进行高通量筛查。共识别出18种新污染物，包括6种农药、4种邻苯二甲酸酯、3种酚类、2种醇类、2种氯苯和1种苯胺。

以筛查出的多环芳烃类物质—苊为例，说明基于全扫描和多反应监测扫描模式的层级定性策略，进行同步识别和定量的过程。在该样品中，保留时间17.277min处有色谱峰，而数据库中登入的苊的保留时间为17.276min，保留时间偏差小于5s。其中，物质苊的一级质谱图(图4)与标准谱图(图5)的相似度指数为71，难以判定该物质是否存在。进一步，通过多反应监测模式下的监测离子对以及监测离子对中产物离子的丰度比对该物质进行识别，发现3个监测离子对均在保留时间范围内出现，且产物离子的丰度比在规定的偏差范围内(图6和表2)，故判定该物质存在于该水环境样品中，从而提高了结构识别的准确度。采用高通量同步识别与定量分析方法中的标准曲线，计算出苊在水体样品中的浓度为1.8ng/L，与传统靶标分析2.1ng/L的定量结果相当，相对偏差为14.3％。

表2数据库中物质苊的产物离子丰度比与实测样品在17.277min时的产物离子丰度比

另外，在该样品中，保留时间11.692min处有色谱峰，而数据库中登入的2-硝基甲苯的保留时间为11.633min，保留时间偏差小于5s。其中，物质2-硝基甲苯的一级质谱图(图7)与标准谱图(图8)的相似度指数为75，并发现该保留时间的总离子色谱图有许多特征碎片离子存在，难以判定该物质是否存在。通过多反应监测模式下的监测离子对以及监测离子对中产物离子的丰度比进一步对该物质进行识别，发现3个监测离子对均在保留时间内出现，但定量离子对91＞65与定性离子对120＞65.1的丰度比不在规定的偏差范围内(图9和表3)，故判定该物质不存在，提高了结构识别的准确度。

表3数据库中物质2-硝基甲苯的产物离子丰度比与实测样品在11.692min时的产物离子丰度比

本发明不受上述实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入要求保护的本发明范围内。