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揭示溶解有機(jī)質(zhì)的奧秘——傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)
來源: 時(shí)間:2024-08-06 10:28:44 瀏覽:2687次

探索天然有機(jī)質(zhì)(NOM)的來源、轉(zhuǎn)化和歸趨對(duì)于深入探究區(qū)域/全球的碳循環(huán)和碳平衡起著重要的作用。溶解有機(jī)質(zhì)(DOM)作為NOM的一部分,主要是由植物、土壤、動(dòng)物,微生物和人為化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的復(fù)雜混合物,它們?cè)陉懙?海洋-大氣等界面等眾多生物地球化學(xué)過程中扮演著至關(guān)重要的角色。近年來,傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)被逐漸應(yīng)用到地球科學(xué)領(lǐng)域的研究中,為在分子水平上對(duì)DOM進(jìn)行詳細(xì)表征提供了技術(shù)支持。另一方面,DOM樣品的高度復(fù)雜性也為分析技術(shù)和方法的開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn),進(jìn)而推動(dòng)了FT-ICR MS儀器自身的發(fā)展。

Bruker Solarix 2xR 7.0T型FT-ICR MS儀器超導(dǎo)磁體強(qiáng)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(zhì)量準(zhǔn)確度,精確確定復(fù)雜體系中所含的C、H、O、N、S及主要同位素組成,結(jié)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(xué)電離源(APCI),氣質(zhì)聯(lián)用離子源(GC-APCI)和基質(zhì)輔助激光解離離子(MALDI)電離源,可以在分子層面上實(shí)現(xiàn)弱極性多環(huán)芳烴、含硫化合物及中、高極性的NSO雜原子化合物的精細(xì)組成分析。目前廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)、石油科學(xué)和地球科學(xué)等領(lǐng)域。


一、超強(qiáng)的質(zhì)譜分辨能力

FT-ICR MS已成為對(duì)天然復(fù)雜混合物進(jìn)行詳細(xì)化學(xué)表征的首選方法,利用其高靈敏度、超高分辨率、超高質(zhì)量精確度、以及多級(jí)質(zhì)譜功能、尤其是其特有的精細(xì)同位素結(jié)構(gòu)功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)未知化合物的結(jié)構(gòu)鑒定以及復(fù)雜體系中多種化學(xué)成分的分析。

其關(guān)鍵性能指標(biāo)如下:

最高質(zhì)量分辨率:>1900 萬;

質(zhì)量掃描范圍:m/z 100~10000

超高的質(zhì)量準(zhǔn)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(zhì)量分析數(shù)據(jù),提高儀器使用效率的先決條件。對(duì)于DOM中存在的大量無機(jī)鹽,給超低DOM濃度的分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。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(jù)原水TOC結(jié)果確定),過0.45微米的濾膜以去除大顆粒的固體雜質(zhì),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(hào):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?dú)獯蹈芍鶅?nèi)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(yīng)用前景

FT-ICR MS利用其超高的質(zhì)量分辨率和質(zhì)量準(zhǔn)確度可以在復(fù)雜的混合物樣品中同時(shí)檢測到上千種不同的有機(jī)物組分,為在分子水平上準(zhǔn)確表征復(fù)雜樣品的組成信息提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。在地球化學(xué)、大氣化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、微生物、礦物、生命科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)室目前可開展的測試項(xiàng)目有:溶解性有機(jī)質(zhì)分子組成分子(-ESI法)、溶解性有機(jī)質(zhì)分子組成分子(LC-MS法)及分子結(jié)構(gòu)解析(SORI-CID法)等。相關(guān)應(yīng)用如下:

1. 大氣化學(xué)

利用FT-ICR MS表征塊煤和蜂窩型煤燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒(PM2.5)的分子組成。每個(gè)PM2.5樣本中檢測到6000多個(gè)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(dú)特CHON化合物被認(rèn)為具有芳香結(jié)構(gòu),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(huán)的高致癌性和誘變性。本研究結(jié)果提供了分子水平的證據(jù),證明從塊煤到蜂窩型煤的轉(zhuǎn)化可以有效減少芳香族化合物的排放,這有利于評(píng)估和減少對(duì)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(gè)大城市同時(shí)采集的雪樣品的分子組成和潛在前體物質(zhì),揭示了積雪中含一個(gè)氮原子和含二個(gè)氮原子的有機(jī)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C(jī)HON的潛在前體,結(jié)果表明,半數(shù)以上的積雪CHON分子可能與大氣有機(jī)物的氧化和水解過程有關(guān)。

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(lián)用,通過精密的儀器優(yōu)化,DOM中金屬鹽、富含羧基的脂環(huán)分子、有機(jī)硫酸鹽和木質(zhì)素類化合物可以在一個(gè)LC循環(huán)內(nèi)完全分離。通過LC分離,分析物的復(fù)雜性大大降低,因此可以獲得更好的質(zhì)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(jī)分子的多樣性并對(duì)DOM分解的熱力學(xué)限制提供獨(dú)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(zhì)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(zhì)

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

11. SORI-CID

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

 

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文字是人類用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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