LC-MS联用技术在HMX定量分析研究中的应用

LC-MS联用技术在HMX定量分析研究中的应用摘要：液相色谱串联质谱(liquidchromatography-massspectrometry，LC-MS)是一种集分离和定量分析于一体的技术，相对于其他常用仪器分析法而言，具有进样量少灵敏度高分析速度快等特点。由于对HMX进行定量分析具有很大的实际指导意义，因此研究人员尝试了很多种方法对HMX进行定量分析，但LC-MS联用技术无疑是最优的检测方法之一。本文就近几年HMX定量分析的一些研究成果进行介绍，尤其是LC-MS联用技术在HMX定量分析研究中的应用进行了重点介绍。关键词：液相色谱串联质谱；HMX定量分析1引言奥克托金(HMX)，化学名为环四亚甲基四硝胺，分子式为C4H8N8O8，相对分子质量296.16，奥克托金一般为无色晶体，不溶于水，常温下微溶于冰醋酸，溶于丙酮。它属于高能有机炸药，爆速高，密度大，具有良好的高温热安定性，20℃时的蒸汽压为10-14Torr，广泛用于装填火工品和制成混合炸药。由于HMX的蒸汽压较低和高温热稳定性，经典的GC／MS法已不能满足检测的需求。而LC-ESI／MS／MS法能分析大分子化合物、强极性化合物、热不稳定化合物及难挥发性化合物，而且克服了LC／UV法检测灵敏度低的难题[1]。电喷雾电离源(ESI)是将具有一定极性的含待测样品的液体泵入一个带有高电压的雾化室，由于高压使具有一定极性的化合物极化带电，从而形成带电荷的微滴，随着液滴的不断蒸发，样品的离子以分子的形式被抛射到分析器。其过程是在常温下进行的，所以特别适合难挥发和热不稳定样品的分析。2LC-MS联用技术简介自1968年发表第一篇HPLC和MS在线联用的实验报告至90年代初形成的5种接口类型的商品仪器，经历了30年。LC-MS由液相色谱和质谱两部分组成，质谱系统由接口、离子源、真空泵、质量分析器和检测器组成。根据质量分析器的不同，质谱可分为：磁质谱、射频质谱(四极杆质谱和离子阱质谱)、飞行时间(TOF)质谱和傅立叶变换质谱(FTMS)。目前世界上常见的质谱主要有四极杆串联质谱、离子阱质谱和飞行时间质谱。LC-MS经历了一个漫长的研究过程，主要是为了解决真空技术和性能优越的接口技术。为解决质谱分析所必须的真空度，LC-MS一般都采用分段、多级抽真空的方法。与GC-MS联用相比，接口问题的解决过程是艰巨的。主要原因来自两方面：一是真空；二是样品性质。也就是说质谱仪的高真空系统不适应HPLC的流出液体；强极性、难汽化和热不稳定的样品不适应质谱的常规进样和离子化方式。LC-MS在发展的过程中曾出现了很多接口技术，现在在线联用接口汇集成商品化的5种接口为传送带(MB)、流动快原子轰击(CF-FAB)、粒子束(PB)、热喷雾(TSP)以及大气压电离(API)。其中API技术尽管不能全部代替其他4种接口，但它的出现使HPLC方法可以对强极性、高熔点、低挥发性和热不稳定性样品进行分析，因此在单质炸药的定量研究中逐渐得到应用。API技术分为电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)，目前商业化的LC-MS绝大多数使用这两种接口，下面简单介绍这两种接口的特点。2.1电喷雾电离(ElectrosprayIonization，ESI)自Aleksandrov等[2]的早期工作把电喷雾过程描述为“大气压环境下从溶液中萃取离子”。电喷雾电离和大气压化学电离共用一个真空接口，把离子引入到质谱离子源的高真空区域。这个接口通常被叫做大气压电离（API）接口。虽然可以设计各种各样的接口，但API接口还是有两者共同之处。API接口的硬件可大致分为两个部分：大气压区和真空接口，ESI和APCI在大气压区域的组件各自独立但可以互换（如图2.1）。ESI是高电压加在毛细管喷口上，通过电动喷雾，雾化的液滴经去溶剂化最终成为样品的准分子离子，电喷雾由此而得名。ESI有正离子化和负离子化两种模式可供选择，碱性样品一般选择正离子化模式，酸性样品一般选择负离子化模式。ESI具有离子化效率高、灵敏度高、分析范围广等优点。它可以形成多电荷离子分析大分子如多肽、蛋白质等，也可形成单电荷离子分析较小分子量(1000amu)的极性化合物，如小分子药物及其代谢物，用于农药及化工产品的中间体和杂质的鉴定。图2.1ESI和APCI电离源示意图2.2大气压化学电离(AtomospericPressureChemicalIonization，APCI)APCI是样品进入气相后依赖电晕放电发生离子化。被分析物随溶液一起通过不锈钢探针，同时被加热气化，其溶胶进入离子源，借助电晕放电而带电，随后分子、离子之间进行电荷转移(化学反应)，使被反应物带电。与GC-MS不同的是APCI并不需要反应气。与ESI相比，APCI所要求的液相色谱流动相流速可在0.2mL／min—2.0mL／min，这样对于选择色谱柱和优化色谱条件十分方便，而ESI要求流动相流速控制在1.0mL／min以下[3]。但是APCI不能形成多电子离子，这使得它的质量分析范围没有ESI广，有些化合物使用两种接口技术均可进行分析，一般极性低的化合物多使用APCI接口，APCI的灵敏度较ESI好。3HMX定量分析研究自从奥克托今诞生以来，国内外对HMX定量分析研究就没有停止过。研究人员探索了很多种方法对HMX进行定量分析，比如紫外分光光度法、近红外漫反射光谱法、液相色谱法等。从近年来的研究情况来看，对HMX定量分析的研究主要用于对环境中微量炸药组分检测及多组分混合炸药中HMX含量的定量分析。马宝珊等[4]通过将奥克托金用碱水解成亚硝酸根，再以盐酸萘乙二胺分光光度法，测出空气中的奥克托金(Octahydro-1，3，5，7-tetranitro-1，3，5，7-tetrazocine，HMX)的含量，该方法仪器设备简单，成本低廉，适用于空气样本及环境水样样本的检测，但HMX检出限仅为0.5g/m3，检测灵敏度较低。苏鹏飞等[5]建立了近红外漫反射光谱快速测定混合炸药中HMX含量的新方法。以不同谱图预处理方法与扫描谱区各波段的组合建立了HMX的定量校正模型，并通过模型内部交互验证和外部检验确定最优模型的交互验证相关系数R为0.9709，交叉验证均方根误差RMSECV为0.551％，预测标准偏差SEP为0.294％，表明所建模型具有较好的可靠性和稳健性，从而为将近红外光谱分析技术用于含能材料中HMX含量的快速检测提供了参考。吴越等[6]采用液相色谱法对测定奥克托儿中HMX进行了研究。通过实验，建立了液相色谱法测定奥克托儿中HMX的方法。该方法简便、快捷、可靠、分离度高，准确性好。0.65mg/mL~0.80mg/mL范围内有良好的线性关系，样品测定的相对偏差在0.5%以内，精密度和准确度较好，但这种方法对配制标准工作溶液和进样技术要求高。王金英等[7]研究了多组分混合炸药HMX/NTO/F2641/PNP的组分分析方法。采用减量法、萃取法以及吸收光度法进行了组分测定，对比各方法的测定结果。结果表明：将萃取法和吸收光度法相结合，克服了由于试样组分较多，仅采用萃取法无法进行各个组分的分离的困难，且操作过程和实验设备均较好掌握。测定结果的准确度和精度能够满足混合炸药的研制和生产要求。4LC-MS联用技术在HMX定量分析研究中的应用液相色谱串联质谱(liquidchromatography-massspectrometry，LC-MS)是一种集分离和定量分析于一体的技术，相对于其他常用仪器分析法而言，具有进样量少灵敏度高分析速度快等特点。由于LC-MS是一种弱电离技术，适用于热不稳定化合物的分析，很多硝基类推进剂的成分都是热不稳定化合物，故LC-MS广泛应用于硝基化合物的分析。国内张敏[8]曾研究了HMX和RDX混合物大气压电喷雾电离质谱行为，但是没有考虑液相条件中添加剂浓度的影响和测定最低检出限。在国外，有机炸药被确认为环境第一危害物质，LC／MS广泛应用于炸药分析[9-12]。张榆梓等[1]研究了HPLC-ESI-MS／MS检测奥克托金的方法，其在负离子模式下，引入CH3COO—，形成加合离子[M+CH3COO]—，通过电喷雾电离和多反应监测模式，找出离子对，进行定性分析，最后确定奥克托金的检测离子对为354.9／46.0，354.9／147，354.9／174.2和354.9／100，最低检出限达5×lO-2ng／mL。结果表明通过HPLC-ESI-MS／MS可以快速有效的检出微量奥克托金。西安近代化学研究所的张敏[8]液相色谱—大气压电喷雾电离—质谱(LC-ESI-MS)联用技术分离检测RDX和HMX混合物。由反相高效液相色谱法在C18柱上分离了RDX和HMX，检测在225nm处进行，流动相为甲醇／水(V(甲醇)：V(水)=50：50)，流速为0.2mL／min。分析了影响结果的因素，研究了通过诱导碰撞裂解(CID)电压调节RDX和HMX特征碎片离子的毛细管出口(CapEx)电压、pH值、电离方式和干燥气体温度等对其质谱图的影响。结果表明，用负离子检测模式，当CapEx电压为-100V、pH值为8时，可得到比较理想质谱图，可观察到RDX和HMX分子离子峰[M—H]—、加合离子[M—H+H20]—、[M—H+2H2O]—、[M—H+N02]—、[M—H+62]一和其他特征碎片离子。根据CID技术得到的RDX和HMX的分子离子，加合离子和特征碎片离子，易确定RDX和HMX的结构。张茜等[13]应用液相色谱串联质谱高通量平台，研究黑索金(RDX)和奥克托金(HMX)的质谱行为，并建立一种简单、快捷、灵敏度高的RDX和HMX体内同时定量的液相色谱串联质谱定量检测方法，取RDX或HMX(10µg˙Ml-1)的对照品溶液蠕动进样，进行Q1全扫描，再以各母离子为对象进行二级碎片离子扫描，根据母离子和二级碎片离子信息，推导各离子对归属，寻找RDX和HMX的质谱裂解规律。分别进行色谱条件优化、质谱条件优化、前处理方法摸索等步骤，建立定量分析方法，并进行全面的方法学验证。宣宇等[14]采用高选择性和灵敏度的LC(液相色谱)／APCI(大气压化学电离源)／MS(质谱)方法定量分析粉尘样品中的HMX、RDX、PETN、CE、NQ和TNT。采用ASE萃取，GPC净化浓缩作为前处理方法，在粉尘中分别添加所测炸药组分，用丙酮作为ASE萃取溶剂，乙酸乙酯和环己烷(体积比为1：1)作为GPC净化时的流动相并抛弃杂质500s，收集1520s。在LC／MS分析时，通过在流动相中添加1mmol／L甲酸与样品形成[M+HCOO]一的甲酸加合离了。结果表明，HMX、RDX、PETN、CE、NQ、TNT的方法检测限分别为0.78，1.44，1.69，0.77，1.06，1.72ug／mL，回收率为49.0％～88.1％，相对标准偏差为3.5％～10.3%。该方法可以用来系统排查及定量分析爆炸残留物及环境样品中的NQ、RDX、PETN、CE、HMX、TNT成分。潘小平等[15]用快速灵敏的LC-ESI-MS法对环境中HMX含量进行定量分析。在负离子模型中，HMX能跟多种有机酸和盐形成加和离子，包括乙酸、甲酸、丙酸、硝酸铵、氯化铵、亚硝酸钠和硝酸钠等。在实验中，选择乙酸作为添加剂，形成加和离子，[M+CH3COO]−，质荷比m/z=355，用此加和离子作为离子检测的定量标准。实验表明，在流动相中乙酸浓度较低和毛细管温度相对较低时，测量灵敏度会大大提高。在标准溶液中，这种方法能够检测HMX的下限达到0.78pg。在低浓度条件(0.5–50
g/L)下可以得到很好的线性关系(R20.9998)。5展望HMX作为新一代高能有机炸药，具有爆速高，密度大，良好的高温热安定性等优点，已经广泛用于装填火工品和制成混合炸药。但随之而来的环境问题以及生产车间安全生产问题则对HMX定量分析检测提出越来越高的要求。近几年的研究表明LC-MS联用技术非常适合对HMX进行定量分析检测，LC-MS联用技术具有进样量少灵敏度高分析速度快等特点，尤其是能分析大分子