将环境基质中有机氯农药的目标分析方法从使用氦气作为载气的电子轰击电离GC-HRMS方法转换为使用氮气作为载气的大气压电离GC-MS/MS方法

有机氯农药(OCP)是过去产量高、应用广泛的化学品之一，在环境中表现出显著的持久性。例如，DDT在沉积物中的半衰期长达15年，这意味着它可能需要45~60年才能降解90%¹。 此外，这类农药在人和动物体内发生生物蓄积时会对健康造成许多不利影响。鉴于上述原因，2004年《关于持久性有机污染物(POP)的斯德哥尔摩公约》最初规定的12种化合物中有9种属于此类²。

由于在监测这类化合物的归宿、迁移和赋存状态时会遇到复杂的基质，例如沉积物和生物群落，因此这些研究需要采用具有高灵敏度、特异性和耐用性的技术。过去，为应对这一问题，通常需要使用复杂的样品提取和净化方法，结合电子轰击电离(EI)和使用扇形磁场仪器的高分辨率质谱(HRMS)技术。但近年来，气相色谱-大气压电离串联四极杆质谱(GC-APCI-MS/MS)技术已被证明具有与传统技术相当或更好的性能³。

本研究在Xevo™ TQ-XS串联四极杆系统上使用大气压气相色谱(APGC™)电离源，搭配氦气(He)和氮气(N₂)作为载气，分析沉积物和生物群落提取物中39种OCP的存在状态。运行相同的样品，比较APGC-MS/MS和GC-EI-HRMS的性能特征和样品定量分析结果。

优势

• APGC-MS/MS具有优异的灵敏度、特异性和耐用性，相比扇形磁场GC-EI-HRMS方法提供了一种更紧凑、成本更低的替代方案
• APGC-MS/MS的操作员培训只需要数周，而EI-GC-HRMS需要数月
• 大气压电离可以轻松适应使用氮气作为载气，在日常操作中更符合可持续理念、更可靠且更经济实惠
• APGC-MS/MS能够重现复杂环境提取物的定量结果，而之前只能使用GC-EI-HRMS方法

OCP在环境中的降解速率较慢，且具有半挥发性，再加上这些化学品多年来一直被大量使用，导致它们遍布全球，甚至在缺乏主要城市、工业和农业投入的地区也有分布⁴。 如此广泛的分布致使OCP不仅存在于水体和沉积物样品中，还会进入食物链，因此，生物群落样品也成为了重要的研究对象。人为引起的气候变化可能会加剧冻土层融化等环境过程，这些过程也会导致持久性有机污染物(POP)向北极的偏远地区输送。综上所述，尽管许多OCP已被禁止生产并失去其原定用途多年，但在当下，监测环境基质中OCPs的存在仍然是必要且重要的。

由于EI-GC-HRMS具有出色的性能特征，该技术过去常用于需要高特异性、灵敏度和动态范围的复杂基质应用中⁵。EI-GC-HRMS可以同时满足许多环境分析的需求，因此成为了一种必需的分析技术，在此类研究中得到广泛应用。然而，该技术给许多实验室带来了挑战，因为这些系统的安装要求和操作人员需要具备的专业知识超出了许多组织的承受能力。此外，随着时间推移，串联四极杆(TQ)质谱仪稳步改进，最终在各种性能指标上开始追赶甚至超越扇形磁场仪器，成为定量分析复杂基质中痕量分析物的新的“黄金标准”⁶。 从GC-HRMS方法迁移到GC-MS/MS方法是近年来的一个流行趋势，因为后者可以更好地满足现代实验室的需求，同时保持数据质量与经典方法一致⁷。

为进一步扩展已成功转换到GC-APCI MS/MS的应用，本研究使用一种经过充分表征的EI-GC-HRMS方法来定量分析环境基质中的OCP⁷。 在方法开发中，我们首先使用氦气(He)作为载气来分析提取的样品和标准参比物质(SRM)，并与之前的方法直接比较，然后使用氮气(N₂)作为一种更符合可持续理念、成本更低的替代载气来比较性能⁸。

样品前处理

样品前处理在加拿大环境与气候变化部(ECCC)的魁北克环境检测实验室(QLET)进行。样品和标准品包括五点标准曲线标样、空白样、标准参比物质(SRM)以及四个生物群落和沉积物样品。将样品置于盛有Na₂SO₄的纤维素套管中，使用索氏提取法提取（生物群落使用己烷:丙酮1:1，沉积物使用甲苯，回流16小时）。提取物先经过GPC色谱柱，然后用硅胶柱（用3% H₂O钝化）净化。

为了减少变异，对所有载气和色谱柱配置使用相同的39 min温度程序。

方法开发的第一阶段使用APGC源和60 m色谱柱，以He作为载气，重现EI-GC-HRMS参比方法。由于使用APGC时，色谱柱出口压力接近大气压力，而在参比方法中处于真空条件下，因此将氦气流速从1.0 mL/min增加到1.5 mL/min，以匹配两种方法之间的保留时间和分离效率。这样可以使所有关键分析物对之间实现等效分离，所有分析物、替代物和内标的RT均紧密匹配（数据未显示）。

接下来，将该方法调整为使用N₂作为载气，色谱柱缩放到40 m，保持与参比方法的色谱柱相同的相比率。这样一来，使用N₂作为载气的APGC方法在RT上与使用氦气作为载气的方法相差平均不超过1.1秒，并且分离效果与使用氦气作为载气的APGC方法（图1）和参比方法相当。图2显示了使用APGC和每种载气分离六氯苯和五氯苯甲醚的示例。由于两种载气的色谱性能非常匹配，因此可以对两个数据集使用完全相同的MRM采集文件和定量分析处理方法。此外，两种载气方法的灵敏度相差无几，误差在+/-2倍以内，如图3所示。在1~200 ppb的范围内，氦气方法和N₂方法的数据中所有OCP均观察到线性响应，平均R²分别为0.9960和0.9991。由于最低校正点为1 ppb，远高于本方法中所有分析物的LOD，因此前两个MRM通道的灵敏度都足够高，可以相加作为主要的定量迹线。

完成APGC MS/MS方法开发后，使用N₂作为载气的方法分析生物群落和沉积物的提取样品以及SRM。所有样品之前都已使用EI HRMS参比方法分析过，SRM的结果已经发表⁸。本研究分析了两份沉积物提取物（名为样品A和样品B）以及两份生物群落提取物（名为样品5和样品6）。如果分析物报告浓度在1~200 ppb的校准范围内，则两种方法分析所有分析物和样品的平均一致性在20.2%以内。请参阅图6中样品5和6的结果，所有检测到的分析物浓度都在15~65 ppb范围内，平均偏差不超过5.95%。尽管分析物列表中包含“百菌清”，但我们将其从比较结果中排除，因为它在所有样品和SRM中表现出较高差异性，并且已知该化合物从复杂基质中回收会产生问题⁹。这些样品从最初的EI HRMS分析到随后的APGC-MS/MS分析储存了三年以上，这也可能导致结果差异性。计算浓度在1~2 ppb范围内也表现出较高的差异性，因此，针对2~200 ppb的范围重新计算了两种方法之间的平均一致性，得到的平均一致性都在10.6%以内。图7和图8显示了在提取的样品中检出低浓度分析物的示例。沉积物样品A中反式九氯的计算浓度与参比方法值相差不超过6.6%，生物群落样品6中狄氏剂的计算浓度与参比方法值相差不超过4.2%。由于两种方法之间的一致性标准是在30%以内，因此上述所有值均表明方法转换初步成功，并且计划进行进一步的方法评估和优化。 

GC-EI-HRMS参比方法的分离效果和运行时间都与APGC-MS/MS方法匹配，后者仅在He作为载气的流速上进行了细微修改。缩放色谱柱尺寸并使用N₂作为载气后，参比方法的分离效果和总运行时间得到有效重现，因此可以在两种配置中使用相同的采集和处理文件。APGC方法使用He作为载气与使用N₂作为载气的数据比较结果表明，两种载气之间的灵敏度也保持在两倍的范围内。生物群落和沉积物提取样品的分析结果表明，APGC使用N₂作为载气的方法与EI HRMS参比方法得到的值之间具有良好的一致性。上述结果表明，有这样一种技术，可以更轻松地集成到大多数实验室中，并且对于大多数操作员而言使用更方便，从而对传统参比方法进行现代化改进。

1. National Pesticide Information Center, DDT General Fact Sheet, accessed 14 February 2024, LINK.
2. United Nations Environment Programme, The 12 initial POPs under the Stockholm Convention, accessed 14 February 2024, LINK.
3. Van Bavel, Bert, et al.Atmospheric-Pressure Chemical Ionization Tandem Mass Spectrometry (APGC/MS/MS) an Alternative to High-Resolution Mass Spectrometry (HRGC/HRMS) for the Determination of Dioxins.Analytical Chemistry 87.17: 9047–9053, 2015.
4. De Wit, Cynthia A., Katrin Vorkamp, and Derek Muir.Influence of Climate Change on Persistent Organic Pollutants and Chemicals of Emerging Concern in the Arctic: State of Knowledge and Recommendations for Future Research.Environmental Science: Processes & Impacts 24.10: 1530–1543, 2022.
5. Karasek, F. W., and F. I. Onuska.Trace Analysis of the Dioxins.Analytical Chemistry 54.2: 309-324, 1982.
6. Yost, Richard A. The Triple Quadrupole: Innovation, Serendipity and Persistence.Journal of Mass Spectrometry and Advances in the Clinical lab 24: 90, 2022.
7. Commission Regulation (EU) No.589/2014 Laying Down Methods of Sampling and Analysis for the Control of Levels of Dioxins, Dioxin-Like PCBs and Non-Dioxin-Like PCBs in Certain Foodstuffs and Repealing Regulation (EU) No.252/2012, LINK.
8. Converting Semivolatile GC-MS/MS Methods from Helium to Nitrogen Carrier Gas with APGC, an Atmospheric Pressure Ionization Source, March 2023, LINK.
9. Smalling, Kelly L., and Kathryn M. Kuivila.Multi-Residue Method for the Analysis of 85 Current-Use and Legacy Pesticides in Bed and Suspended Sediments. Journal of Chromatography A 1210.1: 8–18, 2008.