CN113433230A - 有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，涉及有机污染物领域，将有机物转化中间产物识别、路径推导和质量平衡研究标准化，弥补现阶段关于环境有机污染物转化过程机制等方面研究的主观和经验判断性，明确有机污染物的环境归趋和最终命运，也为评估有机污染物在该处理工艺过程中的生态风险奠定有力基础。

Description

有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法

技术领域

本发明涉及有机污染物领域，尤其涉及有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法。

背景技术

近年来，有机污染物在处理工艺中的转化过程机制如转化中间产物识别和路径推导等研究越来越多。然而，由于化学反应的复杂性等等客观因素限制，市面上这些中间产物的标准样品难于获取；即使存在少量商品化的标准品，价格也十分昂贵。因此，这些报道中的大部分中间产物仅是基于一级质谱、二级质谱碎片信息、NIST数据库等进行推断，并未采用标样验证，进而导致提出的路径极度缺乏验证，且无法量化转化中间产物的相对产率，更无法进行质量平衡分析，目标污染物是否还存在其他路径等问题也无从得知。即使某一处理工艺对目标污染物具有较高的去除效率，也无法对此工艺中该污染物的转化归趋做出实际的指导意义。

有机污染物的质量平衡是指该污染物在转化过程中遵循质量守恒定律，即，假设该污染物可被全部转化，反应前它的质量(以碳计)应等于经各转化路径生成的所有初始产物的质量(以碳计)之和。进行准确的质量平衡分析能够将反应过程中未知或难以计量的转化初始产物做出定量，用可靠的实验数据将复杂的化学反应一一“分离解剖”，并揭示所提出的转化路径是否全面等问题。现阶段，环境污染物的质量平衡研究仍限于它的输入和输出、生产和消耗等宏观层面，转化中间产物标准样品的缺乏导致其在转化过程这类微观层面的质量平衡验算还无法进行。

发明内容

本发明的目的在于提供有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，以用于有机污染物转化中间产物进行定性定量分析、转化路径推导和质量平衡验算。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、有机物污染物转化：向反应器皿中加入配好的有机污染物物，在处理工艺进行过程中不同时段取样，并用终止剂结束反应；

S2、转化中间产物的定性研究：

有机物污染物在转化过程中的中间产物分别采用高效液相色谱、液相色谱-质谱联用仪的一级和二级分析、气相色谱、气相色谱-质谱联用仪的一级和二级分析、离子色谱、制备色谱、红外光谱、核磁共振波谱进行鉴别；

第一步：针对液相色谱-质谱联用仪上获得的总离子流色谱图进行分析，以物质的准分子离子在不同反应时间的峰面积变化趋势筛选可能的中间产物，根据物质准分子离子质荷比、所含原子种类、特殊原子同位素峰和处理工艺特点，推测可能的分子结构；保持准分子离子的实验质荷比与推测的分子离子理论质荷比之间的误差小于3ppm，然后将筛选出的可能产物分子离子质荷比作为母离子，给予15-50V的碰撞能，进行二级质谱分析，若其碎片离子信息与推测产物的结构相同，则初步认定其为转化中间产物；

第二步：标样验证；通过对比第一步初步认定的转化中间产物的反应样品和标准品在液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪上的色谱保留时间以及液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪二级分析图谱的碎片离子信息，确定准确的反应中间产物结构；

中间产物分离纯化：液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪找出并记录待分离中间产物的分子离子生成的最高峰面积和此时对应的时间点t，所述反应溶液在反应t时间后终止，基于目标组分的性质，选择对应的有机溶剂进行萃取后，将萃取液负载到硅胶上，负载样品上样至正和/或反向分离柱，在制备色谱仪器上进行组分分离，收集洗脱液、蒸干后，再溶解至液相色谱溶剂中，并观察其在高效液相色谱全波长扫描下的出峰情况；

S3、定量分析

利用已有的初始产物标样配制多个浓度梯度的标准溶液，于液相色谱仪、气相色谱仪或者液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪上进行标准曲线的绘制后，测定质谱样品中该产物的浓度；若该产物在液相色谱、气相色谱柱上的分离效果不好，则采用总离子流图谱获取方法于液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪上进行测定；

S4、产率计算和质量平衡分析：

根据下式①求出初始产物的产率，进而量化各反应路径的贡献，进行质量平衡分析，理论上所有初始产物产率之和应等于1；

产率(％)＝初始产物生产量/有机物转化量×100％ ①

式中，n代表反应路径的个数。

优选的，S2中，测样前，需对样品进行预处理，液相色谱-质谱联用仪的样品需经CNW Poly-Sery HLB固相萃取柱富集纯化并去除可能存在的无机离子、颗粒等杂质后，再洗脱至甲醇溶剂中，测定转化过程中可能的极性和强极性产物；若反应体系为液相，上述滤液于离子色谱仪器上测定可能的小分子酸产物；在不同反应时间终止后的反应样品经正己烷萃取后，气相色谱-质谱联用仪上测定反应过程中可能的非极性和弱极性产物。

优选的，S2中标样的获取包括两种途径，一是推测产物已有商品化标准品，可购买得到；二是采用制备色谱分离纯化获得，纯化后还需根据红外光谱和核磁共振波谱确定其精确的分子结构。

优选的，S2中，观察其在高效液相色谱全波长扫描下的出峰情况，若为单个样品峰，再于核磁共振波谱和红外光谱上分别测定其纯度和精确分子结构，可反复进行分离纯化操作，直至高效液相色谱、核磁共振波谱和红外光谱上无杂峰且目标组分的特征峰出现为止。

优选的，S3中建立峰面积和浓度之间的相关关系，需保证标准曲线具有好的相关性，一般相关系数R²至少在0.90以上，越接近1越好。

本发明的有益效果是：

本发明技术方案可将有机污染物转化中间产物识别、路径推导和质量平衡研究标准化，弥补现阶段关于环境有机污染物转化过程机制等方面研究的主观和经验判断性，明确有机污染物的环境归趋和最终命运，也为评估有机污染物在该处理工艺过程中的生态风险奠定有力基础。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中反应样品在液相色谱-质谱联用仪上获得的总离子流色谱图；

图3为本发明实施例中反应样品在液相色谱-质谱联用仪上的提取离子流色谱图；

表1为本发明实施例中反应样品在液相色谱-质谱联用仪上获得的峰面积变化表；

图4为本发明实施例中标准品在液相色谱-质谱联用仪上获得的提取离子流图；

图5为本发明实施例中可能转化中间产物经制备色谱多次分离纯化后在 HPLC全扫下的出峰图；

图6为本发明实施例中经制备色谱多次分离纯化后的物质在核磁共振波谱上获得的氢谱图；

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的具体实施例。

实施例

如图1-6所示，有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法：

有机物转化：选用24-二氯苯酚作为目标有机污染物，反应体系为液相，处理工艺为氯化消毒。首先，向40mL的锥形瓶中加入一定量配好的24-二氯苯酚水溶液和次氯酸钠，于0、5、10、15、30、60和180s时段取样，并用终止剂硫代硫酸钠结束反应；

24-二氯苯酚在转化过程中的中间产物分别采用高效液相色谱、液相色谱- 质谱联用仪的一级和二级分析、制备色谱、核磁共振波谱等现代分析技术进行鉴别；

第一步：针对液相色谱-质谱联用仪负离子运行模式下获得的总离子流色谱图进行分析可知，24-二氯苯酚的峰面积随着反应时间的延长而不断降低，伴随着几个新峰的出现。以物质的准分子离子在不同反应时间的峰面积变化趋势筛选可能的中间产物，一般来说，中间产物的峰面积应随着反应时间延长而呈现出逐渐增加、先增加后不变和先增加后降低的趋势(若出现先降低后增加现象，该准分子离子质荷比对应的物质可能也是目标有机物的转化中间产物，应视具体情况而定)。根据上述规则发现，分子离子质荷比为194.91的物质峰面积变化呈现出先增加后降低趋势，再结合该物质提取离子信息中明显的氯原子同位素特征峰、底物含氯原子和氯化处理特点以及与三氯苯酚相同的质荷比，进一步推测其可能为三氯苯酚。然后将筛选出的194.91作为母离子，给予25V的碰撞能，进行二级质谱分析，其碎片离子信息与246-三氯苯酚的相同，则初步认定其为转化中间产物。根据相同的原理推测质荷比为 322.90的物质为24-二氯苯酚的二聚体；

第二步：标样验证；通过对比含质荷比194.91物质的反应样品和246-三氯苯酚标准品在液相色谱-质谱联用仪上的色谱保留时间以及液相色谱-质谱联用仪二级分析图谱的碎片离子信息，确定反应过程中确实生成了246-三氯苯酚；

中间产物分离纯化：液相色谱-质谱联用仪找出并记录待分离中间产物 (-m/z＝322.90)生成的最高峰面积和此时对应的时间点60s，所述反应溶液在反应60s时间后终止，基于目标组分的性质，选择乙酸乙酯对其进行液液萃取后，将萃取液经旋转蒸发负载到硅胶上，负载样品上样至分离柱，在制备色谱仪上进行正向和反向的多次组分分离，收集洗脱液、蒸干后，再将其溶解至乙腈中，观察其在高效液相色谱全波长扫描下出现了单个物质峰，经液相色谱-质谱联用仪鉴定其质荷比即为322.90，且色谱保留时间与反应样品一致，再于核磁共振波谱上确定其氢谱，因此，经上述分离纯化后的物质即为24-二氯苯酚的二聚体；

S3、定量分析

利用上述标样配制多个浓度梯度的标准溶液，于液相色谱或者液相色谱- 质谱联用仪上进行标准曲线的绘制后，并测定质谱样品中该产物的浓度；

S4、产率计算和质量平衡分析：

根据下式①求出初始产物的产率，进而量化各反应路径的贡献，进行质量平衡分析，理论上，所有初始产物产率之和应等于1；

产率(％)＝初始产物生产量/有机物转化量×100％ ①

式中，n代表反应路径的个数。

表1

Claims (6)

1.有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、有机物污染物转化：向反应器皿中加入配好的有机污染物物，在处理工艺进行过程中不同时段取样，并用终止剂结束反应；

S2、转化中间产物的定性研究：

有机物污染物在转化过程中的中间产物分别采用高效液相色谱、液相色谱-质谱联用仪的一级和二级分析、气相色谱、气相色谱-质谱联用仪的一级和二级分析、离子色谱、制备色谱、红外光谱、核磁共振波谱进行鉴别；

第一步：针对液相色谱-质谱联用仪上获得的总离子流色谱图进行分析，以物质的准分子离子在不同反应时间的峰面积变化趋势筛选可能的中间产物，根据物质准分子离子质荷比、所含原子种类、特殊原子同位素峰和处理工艺特点，推测可能的分子结构；保持准分子离子的实验质荷比与推测的分子离子理论质荷比之间的误差小于3ppm，然后将筛选出的可能产物分子离子质荷比作为母离子，给予15-50V的碰撞能，进行二级质谱分析，若其碎片离子信息与推测产物的结构相同，则初步认定其为转化中间产物；

第二步：标样验证；通过对比第一步初步认定的转化中间产物的反应样品和标准品在液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪上的色谱保留时间以及液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪二级分析图谱的碎片离子信息，确定准确的反应中间产物结构；

中间产物分离纯化：液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪找出并记录待分离中间产物的分子离子生成的最高峰面积和此时对应的时间点t，所述反应溶液在反应t时间后终止，基于目标组分的性质，选择对应的有机溶剂进行萃取后，将萃取液负载到硅胶上，负载样品上样至正和/或反向分离柱，在制备色谱仪器上进行组分分离，收集洗脱液、蒸干后，再溶解至液相色谱溶剂中，并观察其在高效液相色谱全波长扫描下的出峰情况；

S3、定量分析

利用已有的初始产物标样配制多个浓度梯度的标准溶液，于液相色谱仪、气相色谱仪或者液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪上进行标准曲线的绘制后，测定质谱样品中该产物的浓度；若该产物在液相色谱、气相色谱柱上的分离效果不好，则采用总离子流图谱获取方法于液相色谱-质谱联用仪、气相色谱-质谱联用仪上进行测定；

S4、产率计算和质量平衡分析：

根据下式①求出初始产物的产率，进而量化各反应路径的贡献，进行质量平衡分析，理论上所有初始产物产率之和应等于1；

产率(％)＝初始产物生产量/有机物转化量×100％ ①

式中，n代表反应路径的个数。

2.根据权利要求1所述的有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：S2中，测样前，需对样品进行预处理，液相色谱-质谱联用仪的样品需经CNWPoly-Sery HLB SPE固相萃取柱富集纯化并去除可能存在的无机离子、颗粒及杂质后，再洗脱至甲醇溶剂中，测定转化过程中可能的极性和强极性产物；反应体系为液相，上述滤液于离子色谱仪器上测定可能的小分子酸产物；在不同反应时间终止后的反应样品经正己烷萃取后，气相色谱-质谱联用仪上测定反应过程中可能的非极性和弱极性产物。

3.根据权利要求1所述的有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：S2中标样的获取包括两种途径，一是推测产物已有商品化标准品，可购买得到；二是采用制备色谱分离纯化获得，纯化后还需根据红外光谱和核磁共振波谱确定其精确的分子结构。

4.根据权利要求1所述的有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：S2中，观察其在高效液相色谱全波长扫描下的出峰情况，若为单个样品峰，再于核磁共振波谱和红外光谱上分别测定其纯度和精确分子结构，可反复进行分离纯化操作，直至高效液相色谱、核磁共振波谱和红外光谱上无杂峰且目标组分的特征峰出现为止。

5.根据权利要求1所述的有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：S3中建立峰面积和浓度之间的相关关系，需保证标准曲线具有良好的相关性，相关系数的R²至少在0.90以上，接近1为最佳。

6.根据权利要求1所述的有机污染物转化中间产物的定性定量与质量平衡研究方法，其特征在于：S2中标样验证可针对已识别出的可能转化中间产物，采用有机合成的方法将其合成出来。

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