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揭示溶解有機質的奧秘——傅立葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR MS）

來源：時間：2024-08-06 10:28:44 瀏覽：4057次

探索天然有機質（NOM）的來源、轉化和歸趨對于深入探究區域/全球的碳循環和碳平衡起著重要的作用。溶解有機質（DOM）作為NOM的一部分，主要是由植物、土壤、動物，微生物和人為化學物質轉化而來的復雜混合物，它們在陸地-海洋-大氣等界面等眾多生物地球化學過程中扮演著至關重要的角色。近年來，傅立葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR MS）被逐漸應用到地球科學領域的研究中，為在分子水平上對DOM進行詳細表征提供了技術支持。另一方面，DOM樣品的高度復雜性也為分析技術和方法的開發帶來了新的挑戰，進而推動了FT-ICR MS儀器自身的發展。

Bruker Solarix 2xR 7.0T型FT-ICR MS儀器超導磁體強度為7.0 T和全新的OMEGA檢測電極。FT-ICR MS具有超高的分辨率和質量準確度，精確確定復雜體系中所含的C、H、O、N、S及主要同位素組成，結合所配置的電噴霧電離源（ESI）、大氣壓光電離源（APPI）、大氣壓化學電離源（APCI），氣質聯用離子源（GC-APCI）和基質輔助激光解離離子（MALDI）電離源，可以在分子層面上實現弱極性多環芳烴、含硫化合物及中、高極性的NSO雜原子化合物的精細組成分析。目前廣泛應用于環境科學、大氣科學、石油科學和地球科學等領域。

一、超強的質譜分辨能力

FT-ICR MS已成為對天然復雜混合物進行詳細化學表征的首選方法，利用其高靈敏度、超高分辨率、超高質量精確度、以及多級質譜功能、尤其是其特有的精細同位素結構功能，實現了對未知化合物的結構鑒定以及復雜體系中多種化學成分的分析。

其關鍵性能指標如下：

最高質量分辨率：＞1900 萬；

質量掃描范圍：m/z 100~10000

超高的質量準確度：＜0.6×10^-6

二、簡單易行的前處理

FT-ICR MS的樣品制備是獲取高質量分析數據，提高儀器使用效率的先決條件。對于DOM中存在的大量無機鹽，給超低DOM濃度的分析帶來了巨大的挑戰。脫鹽、分離和濃縮是表征DOM的先決條件。

典型的樣前處理方式為：

樣品過濾和酸化：取適量體積的原水樣品（所需體積需根據原水TOC結果確定），過0.45微米的濾膜以去除大顆粒的固體雜質，然后用鹽酸酸化水樣，逐滴加入至pH值為2。

固相萃取：首先分別使用2柱體積甲醇和鹽酸酸化后pH值為2的酸化超純水依次淋洗固相萃取柱（型號：Agilent Bond Elut PPL，1.0g，6mL），然后將酸化水樣緩慢、多次注入固相萃取小柱中，控制液體流速為每秒1-2滴。待樣品全部流過固相萃取柱后，立即2柱體積的酸化超純水淋洗。使用氮氣吹干柱內水分，再用1~2柱體積的甲醇洗脫萃取柱，最后得到待測溶液。

適用于：降水/雪、河流、湖泊、海洋、地下水以及土壤和氣溶膠膜樣品的水溶液等。

三、廣泛的應用前景

FT-ICR MS利用其超高的質量分辨率和質量準確度可以在復雜的混合物樣品中同時檢測到上千種不同的有機物組分，為在分子水平上準確表征復雜樣品的組成信息提供關鍵的技術支持。在地球化學、大氣化學、環境化學、微生物、礦物、生命科學等領域有廣泛的應用前景。實驗室目前可開展的測試項目有：溶解性有機質分子組成分子（-ESI法）、溶解性有機質分子組成分子（LC-MS法）及分子結構解析（SORI-CID法）等。相關應用如下：

1. 大氣化學

利用FT-ICR MS表征塊煤和蜂窩型煤燃燒產生的細顆粒(PM2.5)的分子組成。每個PM2.5樣本中檢測到6000多個分子式。從塊煤到蜂窩煤衍生的氣溶膠中，不飽和化合物和芳香族化合物顯著減少。塊煤中約73.6%的獨特CHON化合物被認為具有芳香結構，而蜂窩型煤中這一比例降至7.3%。這些僅在塊煤中檢測到的硝基芳烴大多具有4-6環的高致癌性和誘變性。本研究結果提供了分子水平的證據，證明從塊煤到蜂窩型煤的轉化可以有效減少芳香族化合物的排放，這有利于評估和減少對氣候變化和人類健康的影響。

儀器支撐論文：

https://doi.org/10.5194/acp-23-2061-2023

https://doi.org/10.5194/acp-23-8383-2023

https://doi.org/10.5194/acp-20-6803-2020

https://doi.org/10.5194/acp-21-11453-2021

2. 降水（雨、雪、霧等）

FT-ICR MS分析了中國北方4個大城市同時采集的雪樣品的分子組成和潛在前體物質，揭示了積雪中含一個氮原子和含二個氮原子的有機物（CHON1和CHON2）主要以氧化形式存在。在分子水平上，采用氣相氧化過程和顆粒相水解過程來追蹤CHON的潛在前體，結果表明，半數以上的積雪CHON分子可能與大氣有機物的氧化和水解過程有關。

儀器支撐論文：

https://doi.org/10.1021/acs.estlett.2c00153

https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.118024

https://dx.doi.org/10.1021/acs.est.0c06851

3. 地表水（河流、湖泊、海洋、孔隙水等）

FT-ICR MS與UPLC聯用，通過精密的儀器優化，DOM中金屬鹽、富含羧基的脂環分子、有機硫酸鹽和木質素類化合物可以在一個LC循環內完全分離。通過LC分離，分析物的復雜性大大降低，因此可以獲得更好的質譜性能。

儀器支撐論文：

https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00162

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.1c04240

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119674

4. 土壤與沉積物

FT-ICR MS揭示了沉積物DOM中有機分子的多樣性并對DOM分解的熱力學限制提供獨特見解。

儀器支撐論文：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120133

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163629

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119732

5. 礦物與DOM

儀器支撐論文：

https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08727

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00124

6. 微生物與DOM

https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00896

https://doi.org/10.1016/j.isci2023.106812

https://doi.org/10.1128/AEM.01201-21

7. 木質素

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136573

https://doi.org/10.3390/molecules26010178

https://doi.org/10.1007/s00216-019-01984-y

8. 石油

https://doi.org/10.1002/ansa.202000123

https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117536

9. 白酒

https://doi.org/10.3390/molecules28031273

10. 腐殖質

https://doi.org/10.1016/j.envint.2023.107796

11. SORI-CID

https://doi.org/10.1021/acsestwater.1c00162

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