液相色譜－高分辨質(zhì)譜技術(shù)在沉積物和顆粒物中有機(jī)污染物分析的研究進(jìn)展

趙亞靜，鄒 立，牛增元，羅 忻*，李曉瞳

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.青島海關(guān)技術(shù)中心，山東 青島 266002）

有機(jī)污染物，特別是持久性有機(jī)污染物，通常具有疏水性和親脂性，進(jìn)入水環(huán)境后易吸附或結(jié)合于富含有機(jī)質(zhì)的顆粒物上，而難以在水相中檢測(cè)到［1］。吸附在顆粒物上的有機(jī)污染物可通過遷移、沉降，埋藏在沉積環(huán)境中［2］；部分有機(jī)物被生物攝食或吸收后也會(huì)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(jī)污染物會(huì)通過一系列的遷移過程最終到達(dá)沉積物，因此沉積物是有機(jī)污染物一個(gè)重要的“匯”［3］。以中國(guó)東部邊緣海為例，占全球總量約10%的河流沉積物由中國(guó)的主要河流（如黃河和長(zhǎng)江）輸送到黃海、東海等海域［4］，同時(shí)，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(jī)污染物通過干、濕沉降等方式進(jìn)入該海域［5］，加之陸架泥質(zhì)區(qū)特有的環(huán)流動(dòng)力體系及較穩(wěn)定的高渾濁特點(diǎn)，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(shí)，沉積物會(huì)經(jīng)再懸浮等方式將有機(jī)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(jī)污染物的主要載體和最終歸宿之一，其有機(jī)物污染是影響水環(huán)境安全的重要因素。

環(huán)境中有機(jī)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(duì)有機(jī)污染物種類和數(shù)量的劇增，傳統(tǒng)分析方法的檢測(cè)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(jī)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(yùn)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(qiáng)極性的有機(jī)污染物分析［9－12］，特別是在新興有機(jī)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(jī)污染物的研究，總結(jié)該技術(shù)在有機(jī)污染物分析中的分析策略、分析流程和實(shí)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(duì)選定的化合物進(jìn)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］。可疑化合物分析是針對(duì)樣品中可能存在的物質(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(jìn)行化合物篩查，該方法一定程度上彌補(bǔ)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(shí)，通常采用非目標(biāo)化合物分析方法，研究對(duì)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(duì)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)推測(cè)，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(yàn)信息（可疑化合物分析）情況下的針對(duì)性分析策略。而非目標(biāo)化合物分析既無先驗(yàn)信息，也不依賴于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［21］。本文在文獻(xiàn)［8，22］基礎(chǔ)上將LC－HRMS分析流程進(jìn)行整理和歸納（如圖1）。

不同文獻(xiàn)對(duì)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(huì)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(shí)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(duì)相關(guān)主題詞進(jìn)行檢索，其中有51篇文獻(xiàn)涉及沉積物和顆粒物中有機(jī)污染物分析（統(tǒng)計(jì)截止于2020年11月）。近十年LC－HRMS技術(shù)在該領(lǐng)域的研究報(bào)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(rèn)為是有機(jī)污染物的“匯”有關(guān)，相對(duì)于顆粒物，其可以記錄并保存有機(jī)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(diǎn)：①研究主要集中在國(guó)外，尤其是歐洲地區(qū)，國(guó)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(bào)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(jī)污染物含量低不易檢出、有機(jī)污染問題不突出有關(guān)。③在待測(cè)污染物方面，數(shù)量整體呈高通量的特點(diǎn)，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(jī)污染物受到越來越多的關(guān)注，國(guó)外已開展了較多研究，且在方法開發(fā)和擴(kuò)大污染物監(jiān)測(cè)范圍上取得了一定成果，而國(guó)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(jī)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(chǎng)軌道阱質(zhì)譜（Orbitrap）和飛行時(shí)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(jí)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(shì)。⑦LC－HRMS也被應(yīng)用于有機(jī)污染物的降解、轉(zhuǎn)化產(chǎn)物分析，或通過模擬實(shí)驗(yàn)探索其降解率，以及沉積物對(duì)母體化合物和降解產(chǎn)物的吸附能力。

表1 國(guó)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(jī)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(duì)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(jìn)行后續(xù)的有機(jī)物提取。顆粒物樣品是通過過濾水樣獲得，后續(xù)也需對(duì)濾膜進(jìn)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(duì)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(cè)物，再進(jìn)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(jìn)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(jī)污染物分析逐漸成為熱門趨勢(shì)，同時(shí)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(cè)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(duì)農(nóng)藥、藥品和個(gè)人護(hù)理品（PPCPs）等上百種目標(biāo)污染物進(jìn)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(shí)應(yīng)考慮到UAE的提取效果相對(duì)較差、溶劑消耗量大，PLE儀器價(jià)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(jiǎn)單、萃取效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但存在溶劑用量大、萃取時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)［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(jī)溶劑用量少、綠色環(huán)保，缺點(diǎn)在于小柱成本較高［67］。近年來，更簡(jiǎn)便的前處理方法得到了快速發(fā)展，如QuEChERS，該法旨在簡(jiǎn)化萃取程序，最小化成本，后續(xù)通常采用分散固相萃取（dSPE）對(duì)提取液進(jìn)一步凈化。綜合來看，隨著對(duì)環(huán)境樣品中有機(jī)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(dòng)化的方向發(fā)展，在實(shí)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(shí)驗(yàn)對(duì)提取效果進(jìn)行改進(jìn)。

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(duì)不同極性和類別的化合物同時(shí)進(jìn)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(shì)，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(duì)后3類物質(zhì)，定量檢出13種污染物，并通過污染物的時(shí)間分布特征與人文活動(dòng)和社會(huì)事件的相關(guān)性，反演和探究了湖泊污染歷史。Massei等［10］對(duì)上述方法進(jìn)行了優(yōu)化，將待分析污染物范圍擴(kuò)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(jī)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(xiǎn)性評(píng)估研究，如將LC－HRMS技術(shù)與斑馬魚胚胎病理學(xué)試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)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(jìn)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(duì)其檢出頻率及潛在健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，有可能被納入管制對(duì)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(yùn)行中對(duì)此類化合物進(jìn)行多殘留檢測(cè)成為技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵。基于HRMS的優(yōu)勢(shì)，Tong等［23］、Nannou等［34］完成了多類別PPCPs的定性、定量研究，有效評(píng)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(cè)和評(píng)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(cè)時(shí)存在CPs單體之間或其它脂溶性鹵代有機(jī)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)沉積物和水體中三大類（短、中和長(zhǎng)鏈）11種CPs的定量分析檢測(cè)，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(shí)檢測(cè)沉積物中的短鏈和中鏈CPs，該方法縮短了檢測(cè)時(shí)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(fù)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(cè)方法的改進(jìn)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(bào)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(shì)，且被顆粒物和沉積物吸附后會(huì)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(xì)胞毒性，甚至具有遺傳毒性的潛力［31］。以上結(jié)果顯示出對(duì)該類化合物進(jìn)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(duì)沉積物和生物樣品（蝸牛）中429種多類別新興污染物進(jìn)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(dá)110ng/g（以有機(jī)碳含量計(jì)算）。該研究將沉積物和生物樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)與前期水體中的污染數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)于更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估污染狀況有極大的幫助，也是目前環(huán)境分析的一個(gè)重要方向。

5 LC－HRMS在可疑污染物分析中的應(yīng)用

HRMS對(duì)目標(biāo)污染物的高通量分析僅涵蓋了有機(jī)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(jià)格昂貴、無法獲得等），為達(dá)到擴(kuò)大污染物篩查范圍，并降低分析成本和時(shí)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(shì)。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(tái)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如DSFP（Digital sample freezing platform）、UNIFI?篩選平臺(tái)（Waters Corporation，Milford MA，USA）等。分析策略大體相同，但在數(shù)據(jù)縮減以簡(jiǎn)化分析或相關(guān)參數(shù)設(shè)置等方面則會(huì)根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目的進(jìn)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(huì)對(duì)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(jí)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(gè)歐美國(guó)家的消費(fèi)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(cè)的保留時(shí)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(jìn)行初步鑒定，最后利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)初步鑒定的可疑化合物進(jìn)行確認(rèn)。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(shí)驗(yàn)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(xiàn)比對(duì)初步鑒定可疑物，最后使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)。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(shí)，其中又涉及多種軟件和數(shù)據(jù)庫的協(xié)同使用，對(duì)分析人員的專業(yè)能力和工作強(qiáng)度都是一種挑戰(zhàn)。若將這些工作流程集成到一個(gè)平臺(tái)中進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，不僅可提高工作效率，還便于各項(xiàng)研究的開展。

5.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)平臺(tái)

有研究對(duì)地中海流域水體和沉積物中的新興污染物進(jìn)行了可疑物分析［19］，樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)UNIFI?篩選平臺(tái)進(jìn)行處理，該平臺(tái)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(duì)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(jìn)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)（可能的結(jié)構(gòu)）。為防止假陽性結(jié)果并確認(rèn)目標(biāo)化合物，最后通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了驗(yàn)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(tái)或軟件，以通過集成數(shù)據(jù)庫或在線數(shù)據(jù)庫進(jìn)行化合物鑒定。此外還有免費(fèi)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(shì)。

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(tái)，可用于追溯篩查數(shù)千種環(huán)境污染物，該平臺(tái)目前只對(duì)提供數(shù)據(jù)的組織或研究人員開放［71］。對(duì)波河三角洲的新興有機(jī)污染物進(jìn)行可疑物分析時(shí)［18］使用了該平臺(tái)：首先將元數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入DSFP，平臺(tái)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(jìn)行自動(dòng)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(tái)對(duì)HRMS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評(píng)估了德涅斯特河的污染狀況。該平臺(tái)的突出特點(diǎn)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(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)和儀器廠商等提供，公開共享的數(shù)據(jù)平臺(tái)為各項(xiàng)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(jìn)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(duì)而言，儀器自帶數(shù)據(jù)庫與實(shí)驗(yàn)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(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，超出大部分實(shí)驗(yàn)室的承受能力［72］，但其針對(duì)性較強(qiáng)，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(gè)質(zhì)譜圖［71］。免費(fèi)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(gè)數(shù)據(jù)源中提供超過6700萬個(gè)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(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)不同目的，各項(xiàng)研究針對(duì)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(shí)間偏差和同位素?cái)M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(huì)考慮一些特定參數(shù)，如鑒定有機(jī)溴和有機(jī)碘化合物時(shí)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(jī)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(shí)別點(diǎn)概念可用于表征化合物在其標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可獲取時(shí)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(jí)方法（共分5個(gè)等級(jí)）。該方法源于代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)倡議（MSI）中的4個(gè)置信度等級(jí)［74］，而后者在原來的基礎(chǔ)上添加了“Level0”，對(duì)明確的3D結(jié)構(gòu)確認(rèn)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(jí)方法，與目前代謝組學(xué)中應(yīng)用的分級(jí)方法對(duì)比如表3所示。

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

Schymanski置信度分級(jí)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(jìn)而存在差異。Schymanski分級(jí)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(jí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jí)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(huì)被選擇，傳輸?shù)脚鲎彩抑幸陨伤槠沟肕S/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(jìn)行全面檢測(cè)，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(shí)送入碰撞室，進(jìn)一步執(zhí)行碎裂離子碰撞，該模式相對(duì)缺乏特異性，但具有無時(shí)限地獲取所有信息的優(yōu)勢(shì)。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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàng)針對(duì)河流沉積物中藥物殘留分析的研究［69］，對(duì)DDA和DIA（SWATH）兩種模式進(jìn)行了比較，在32種化合物的添加實(shí)驗(yàn)中，DIA模式可獲得更高比例化合物數(shù)量的二級(jí)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(shí)，由于其專屬度不如DDA模式，二級(jí)譜圖的質(zhì)量較DDA模式差。另有學(xué)者對(duì)地中海流域新興污染物進(jìn)行目標(biāo)物、可疑物和非目標(biāo)物分析時(shí)采用DIA模式，經(jīng)“過濾篩選”與“數(shù)據(jù)庫比對(duì)”等6個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(xiàng)研究中也應(yīng)用DIA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以進(jìn)行湖泊污染歷史調(diào)查和有機(jī)鹵代化合物的鑒定與時(shí)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(duì)未知化合物的鑒定，對(duì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中普遍存在的污染物以及評(píng)估潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供了更廣泛的平臺(tái)。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(fèi)大量的時(shí)間和精力，成為DIA應(yīng)用于非目標(biāo)物分析的難點(diǎn)所在。

6.3 優(yōu)先級(jí)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(shí)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(yùn)輸?shù)妮d體和污染歷史的承載者，包含了數(shù)以萬計(jì)的天然和人工化合物，采用LC－HRMS分析，會(huì)得到上千甚至上萬個(gè)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(jìn)行分析，稱之為優(yōu)先級(jí)策略。優(yōu)先級(jí)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(jí)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(qiáng)度的優(yōu)先級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度是獲得高質(zhì)量MS/MS數(shù)據(jù)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)鑒定步驟至關(guān)重要；又因通常認(rèn)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(dòng)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(cè)要求范圍中的污染物時(shí)，將強(qiáng)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(shí)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(jìn)行碎片裂解模擬評(píng)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(píng)估也應(yīng)用了基于峰強(qiáng)度和特征同位素模式的優(yōu)先級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［19］，在“過濾篩選”和“闡明工具設(shè)置”兩個(gè)步驟中，通過峰強(qiáng)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(duì)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(jì)算機(jī)排序，初步鑒定了13種化合物。

優(yōu)先級(jí)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(shí)現(xiàn)。首先，對(duì)質(zhì)量虧損值進(jìn)行設(shè)置，可減少M(fèi)S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(cè)與擬合［55］。其次，將效應(yīng)測(cè)試和逐步分離結(jié)合起來的EDA方法可識(shí)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(jí)策略識(shí)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(duì)湖泊沉積物中的溴代有機(jī)物進(jìn)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(qiáng)度和精確質(zhì)量數(shù)等信息計(jì)算化學(xué)式；通過數(shù)據(jù)庫搜索和高分辨MS/MS譜圖對(duì)比，確認(rèn)化合物結(jié)構(gòu)。該方法篩查出1593種溴代有機(jī)物，其中大部分未被報(bào)道過，該結(jié)果比Pena－Abaurrea等［80］采用GC×GC－TOF法檢測(cè)河流沉積物中的污染物更多，后者通常識(shí)別不足100個(gè)鹵代化合物。

7 總結(jié)與展望

應(yīng)用LC－HRMS技術(shù)同步進(jìn)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(shì)，近年來無論是儀器升級(jí)換代還是數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)，均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但LC－HRMS在實(shí)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(jī)污染物檢測(cè)的案例相對(duì)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(dòng)密切相關(guān)，其有機(jī)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(shí)，質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫可以有效縮短分析時(shí)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(jí)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(shí)驗(yàn)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(yuǎn)達(dá)不到環(huán)境研究的需求，所以數(shù)據(jù)庫的不斷補(bǔ)充和完善成為L(zhǎng)C－HRMS廣泛應(yīng)用的重要條件，同時(shí)應(yīng)鼓勵(lì)各研究機(jī)構(gòu)保存和公開其譜庫數(shù)據(jù)，加強(qiáng)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(cè)對(duì)化合物鑒定顯得尤為必要，而目前的RT預(yù)測(cè)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(cè)模型。最后，非目標(biāo)化合物分析仍處于起步階段，各項(xiàng)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(dá)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(jìn)數(shù)據(jù)處理流程明朗化、自動(dòng)化，形成成熟可靠的解析算法，以簡(jiǎn)化化合物鑒定程序，提高篩查效率。