譜圖準確度在高分辨飛行時間質(zhì)譜分析有機炸藥中的應用

劉占芳, 李 斌, 徐建中, 孫振文，周 紅, 孫玉友, 歐陽偉民

(1. 公安部物證鑒定中心， 北京 100038；2. 北京綠綿科技有限公司, 北京 100080)

近年來，隨著世界各國反恐能力的提升，恐怖襲擊的手段也發(fā)生了很大變化，利用高能有機炸藥進行爆炸恐怖襲擊的案件不斷發(fā)生，嚴重危害人民的生命財產(chǎn)和公共安全。通過對犯罪現(xiàn)場相關(guān)物證中有機炸藥的檢驗鑒定，可以為案件偵破提供關(guān)鍵的線索和證據(jù)，因此有機炸藥爆炸物的分析研究是打擊恐怖勢力、快速偵破案件的重要措施。

由于高分辨飛行時間質(zhì)譜可以通過精確質(zhì)量的測定，計算出目標化合物的元素組成信息(即分子式)，且具有靈敏度高和分析速度快的優(yōu)點，已成為目前法庭科學領域復雜基體中痕量有機炸藥鑒定的重要手段。盡管質(zhì)量準確度是質(zhì)譜解析未知化合物元素組成的重要因素，但并不是準確確定未知物的充分條件。研究表明，即使質(zhì)譜測定的質(zhì)量誤差小于10-6，仍有許多的待選化學式無法排除[1-3]。近年來，一種結(jié)合了高質(zhì)量精度和同位素豐度比概念的新技術(shù)可以幫助排除那些質(zhì)量誤差非常小，但同位素信息匹配較差的化學式[4-5]，大大改善了質(zhì)譜定性未知化合物的準確性[6-7]。

本研究應用實時直接分析高分辨飛行時間質(zhì)譜(DART-TOF MS)法對2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、環(huán)三亞甲基三硝銨(RDX)、環(huán)四亞甲基四硝銨(HMX)、季戊四醇四硝酸酯(PETN)四種常見的有機炸藥及其爆炸殘留物進行精確質(zhì)量數(shù)的測定，運用MassWorks軟件對炸藥離子進行同位素輪廓分析，利用譜圖準確度[8]對炸藥離子的元素組成進行解析。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

DART實時直接分析離子源：美國Ion Sense公司產(chǎn)品；JMS-T100LP Accu TOF-MS高分辨飛行時間質(zhì)譜儀：日本電子JEOL公司產(chǎn)品；MassWorks質(zhì)譜解析軟件：美國Cerno Bioscience公司產(chǎn)品。

丙酮(分析純)：國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品。

1.2 實驗條件

DART參數(shù): DART與質(zhì)譜錐孔之間的距離25 mm，放電針電壓4 000 V，出口電極偏轉(zhuǎn)電壓-100 V，采用負離子模式掃描。

Accu TOF MS參數(shù)：質(zhì)譜的分辨率在6 000以上，質(zhì)量掃描范圍m/z50～500，采用負離子模式掃描。

1.3 樣品制備

TNT、RDX、HMX、PETN標準樣品：由西安204所提供。

準確稱取TNT、RDX、HMX、PETN四種有機炸藥標樣，用丙酮配制成0.001 g/L的溶液。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Accu TOF質(zhì)量校正功能，對得到的炸藥DART-TOF MS譜圖進行質(zhì)量內(nèi)校正，測定出譜圖中各個離子的精確質(zhì)量數(shù)；在Accu TOF工作站中設定檢索質(zhì)量誤差為5 mu，可能的元素組成為C(0～10)、H(0～20)、O(0～20)、N(0～20)，檢索可能的待選化學式，得到質(zhì)量準確度數(shù)據(jù)。在MassWorks中，利用sCLIPS功能對DART-TOF MS譜圖進行噪音過濾和峰形校正處理，然后采用與Accu TOF完全一致的條件檢索化學式，得到譜圖準確度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 四種有機炸藥的DART-TOF MS解析

常見的有機炸藥中多含有親電的硝基部分，其熱穩(wěn)定性差、易分解，給質(zhì)譜鑒定帶來很大困難，采用直接進樣方式和DART原位電離技術(shù)可降低有機炸藥分解幾率[9-11]，有效提高鑒定水平和鑒定準確率。本研究應用DART-TOF MS對TNT、RDX、HMX、PETN四種常見有機炸藥進行檢測分析，其質(zhì)譜圖示于圖1?？梢钥吹剑贒ART負離子模式下，飛行時間質(zhì)譜檢測到的通常為化合物的分子離子峰和特征加合離子峰[12-13]，相比于傳統(tǒng)的電子轟擊技術(shù)得到的低質(zhì)量碎片離子峰[14-17]，特征成分更明顯，更易解析。在TNT的DART-TOF MS譜圖中，主要觀察到[M]-和[M-H]-兩個分子離子特征峰；而在RDX、HMX譜圖中幾乎觀察不到分子離子峰和[M-H]-離子，但能觀察到強度非常明顯的[M+NO2]-加合離子特征峰；PETN在DART負離子模式下，只能觀察到 [M+NO3]-加合離子特征峰。因此，在實際定性分析中，以[M-H]-離子作為TNT分析的標準，[M+NO2]-離子作為RDX、HMX分析的標準，[M+NO3]-離子作為PETN分析的標準，而譜圖中其余的特征離子可作為輔助定性的依據(jù)。

圖1 TNT (a), RDX(b), HMX(c), PETN(d)有機炸藥的DART-TOF MS質(zhì)譜圖Fig.1 The DART-TOF MS spectra of TNT (a), RDX(b), HMX(c), PETN(d)

2.2 有機炸藥元素組成的質(zhì)譜解析

Accu TOF預測化合物分子式的主要方式是在一定質(zhì)量誤差范圍內(nèi)，根據(jù)測定的準確質(zhì)量將可能存在的元素排列組合，計算出可能存在的分子式[18-19]。圖1中，TNT產(chǎn)生的[M-H]-、RDX和HMX產(chǎn)生的[M+NO2]-、PETN產(chǎn)生的[M+NO3]-離子經(jīng)過精確質(zhì)量校正后的質(zhì)量數(shù)分別為226.010 8、268.029 9、342.040 5、378.003 3，在5 mu質(zhì)量誤差范圍內(nèi)，由C、H、O、N元素組成待選分子式。若以質(zhì)量準確度來識別，準確的分子式C7H4N3O6、 C3H6N7O8、 C4H8N9O10、C5H8N5O15分別排在第3、第2、第2和第5位(表1)。利用MassWorks的同位素峰形校正檢索技術(shù)，根據(jù)同位素峰形輪廓匹配原則，推測加合離子的分子式，TNT、RDX、HMX、PETN加合離子的分子式根據(jù)譜圖準確度均排在第1位(表1)。結(jié)果表明，盡管質(zhì)量準確度在化合物的質(zhì)譜解析中至關(guān)重要，但它并不能作為未知化合物質(zhì)譜解析的唯一依據(jù)，而同位素分布信息卻是質(zhì)譜解析未知物元素組成不可或缺的重要信息。

表1 質(zhì)譜準確度與譜圖準確度的分析結(jié)果

這里以TNT質(zhì)譜圖為例，[M-H]-離子單同位素峰為校正基準峰，將整個質(zhì)譜圖(包含全部的同位素信息)校正成正態(tài)分布曲線，示于圖2，待選分子式按譜圖準確度的大小被重新排序，結(jié)果列于表2。在表2中，排在前3位的分子式譜圖準確度非常接近，誤差在0.13%以內(nèi)，如果不將質(zhì)譜峰形校正成最接近理論峰形，譜圖準確度識別分子式的實際意義也不大。C7H4N3O6、C9H6O7校正譜圖與理論譜圖的匹配結(jié)果示于圖2。C7H4N3O6同位素峰形匹配完美，而C9H6O7在m/z228處與理論譜圖存在差異。

表2 [M-H]-離子的MassWorks分析結(jié)果

注：待選分子式按譜圖準確度大小排序

注：實線代表校正譜圖；虛線代表理論譜圖圖2 MassWorks識別m/z 226.010 8分子式的結(jié)果Fig.2 The identifitable results of m/z 226.010 8 formula

2.3 實際案例分析

有機炸藥爆炸完全，爆炸現(xiàn)場提取到的經(jīng)常是痕量樣品。由于樣品量較少，所以應用高分辨飛行時間質(zhì)譜進行檢驗時靈敏度較低，經(jīng)常會出現(xiàn)質(zhì)量準確度降低的現(xiàn)象。應用MassWorks軟件進行處理，通過高質(zhì)量精度和同位素豐度相結(jié)合的方式，可以排除那些質(zhì)量誤差非常小，但同位素分布模式匹配較差的分子式，以提高化合物定性的準確性。

從某炸藥實際案例中獲得TNT的DART-TOF MS譜圖示于圖3，從圖中能明顯觀察到[M]-、[M-H]-、[M-NO2]-離子的存在，符合TNT的DART斷裂模式。質(zhì)量內(nèi)校正后得到[M-H]-和[M-NO2]-離子的準確質(zhì)量為226.009 2和181.023 4，[M-H]-離子C7H4O6N3按質(zhì)量準確度識別排在所有10個待選化學式的第5位，譜圖準確度排在第3位。譜圖準確度第2位的分子式C5H2O5N6根據(jù)“氮規(guī)則”被排除，而第1位的分子式C3O4N9違反了Kind等[3]所描述的元素組成規(guī)律也可以被排除。為了驗證C7H4O6N3分子式的準確性，對碎片離子[M-NO2]-進行了解析，結(jié)果列于表3。綜合2個離子的譜圖準確度分析結(jié)果，可以確定該化合物為TNT炸藥。2個離子的實際校正同位素峰形與理論同位素峰形匹配結(jié)果示于圖4。

圖3 實際案例的TNT DART-TOF MS譜圖Fig.3 DART-TOF MS spectra for case of TNT

離子分子式理論質(zhì)量/u質(zhì)量準確度排序質(zhì)量誤差/mu譜圖準確度排序譜圖準確度[M-H]-C7H4N3O6226.010 052.019 9398.150 8[M-NO2]-C7H5N2O4181.024 941.921 7197.372 7

圖4 MassWorks識別的案例中[M-H]-和[M-NO2]-分子式的結(jié)果Fig.4 The identifitable results of [M-H]- and [M-NO2]- formula by MassWorks in case

3 小結(jié)

在未知化合物的實際定性工作中，尤其是在基體復雜的爆炸物分析中，不能僅依靠高分辨質(zhì)譜測定化合物的準確質(zhì)量來確定化合物的元素組成，還需要充分利用質(zhì)譜的同位素輪廓信息來更準確地推測分子式。因此，在有機炸藥的鑒定工作中，通過高分辨質(zhì)譜的準確質(zhì)量測定與同位素輪廓的譜圖準確度相結(jié)合的方式，可從質(zhì)量誤差已經(jīng)非常小的待選化學式中識別出最準確的分子式，減輕了進一步鑒定未知爆炸物的工作負擔，可為鑒定工作帶來極大的方便。

[1] KIND T, FIEHN O. Metabolomic database annotations via query of elemental compositions: Mass accuracy is insufficient even at less than 1 ppm[J]. BMC Bioinformatics, 2006, (7): 234-237.

[2] STOLL N, SCHMIDT E, THUROW K. Isotope pattern evaluation for the reduction of elemental compositions assigned to high-resolution mass spectral data from electrospray ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry[J]. Am Soc Mass Spectrom, 2006, 17(12): 1 692-1 699.

[3] KIND T, FIEHN O. Seven golden ruled for heuristic filtering of molecular formulas obtained by accurate mass spectrometry[J]. BMC Bioinformatics, 2007, (8): 105.

[4] ZHANG J F, GAO W, CAI J J, et al. Predicting molecular formulas of ragment ions with isotope patterns in tandem mass spectra[J]. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 2005, 2(3): 217-230.

[5] KUEHL D, WANG Y D. Peak shape calibration method improves the mass accuracy of mass spectrometers[J]. Bio Pharm International, 2006, 19(7): 32-38.

[6] ERVE J C L, GU M, WANG Y D, et al. Spectral accuracy of molecular ions in an LTQ/Orbitrap mass spectrometer and implications for elemental composition determination[J]. American Society for Mass Spectrometry, 2009, 20(11): 2 058-2 069.

[7] ZHOU W, ZHANG Y H, XU H L, et al. Determination of elemental composition of volatile organic compounds from Chinese rose oil by spectral accuracy and mass accuracy[J]. Rapid Commun Mass Spectrom, 2011, 25(20): 3 097-3 102.

[8] WANG Y D, GU M. The concept of spectral accuracy for MS[J]. Anal Chem, 2010, 82(17): 7 055-7 062.

[9] SISCO E, DAKE J, BRIDGE C. Screening for tr- ace explosives by AccuTOFTM-DART: An in-depth validation study[J]. Forensic Science International, 2013, 232(1/2/3): 160-168.

[10] NILLES J M, CONNELL T R, STOKES S T. Explosives detection using direct analysis in real time(DART) mass spectrometry[J]. Propellants Explos Pyrotech, 2010, 35(5): 446-451.

[11] ABDELNUR P V, EBERLIN L S, SOUZA V, et al. Single-shot biodiesel analysis: Nearly instantaneous typification and quality control solely by ambient mass spectrometry[J]. Anal Chem, 2008, 80(20): 7 882-7 886.

[12] CODY R B, LAEAMEE J A, DURST D H. Ve- rsatile new ion source for the analysis of materials in open air under ambient conditions [J]. Anal Chem, 2005, 77(8): 2 297-2 302.

[13] CHERNETSOVA E S, MORLOCK G E, REVELSKY I A. DART mss spectrometry and its applications in chemical analysis[J]. Russ Chem Rev, 2011, 80(3): 235-255.

[14] YINON J, ZITRIN S. Modern methods and applications in analysis of explosives[M]. New York: John Wiley,1996.

[15] 周躍明, 王偉萍, 賴勁虎, 等. 電噴霧解吸電離質(zhì)譜法測定表面痕量TNT[J]. 質(zhì)譜學報, 2006, 27(增刊): 129-131. ZHOU Yueming, WANG Weiping, LAI Jinhu, et al. Mass rapid detection of trace TNT on the surface of various materials with desorption electrospray ionization[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2006, 27 (Suppl): 129-131(in Chinese).

[16] 宣 宇, 孫 楠, 傅得鋒, 等. 用LC/APCI/MS方法檢測粉塵中的炸藥成分[J]. 火炸藥成分, 2012, 35(2): 27-31. XUAN Yu, SUN Nan, FU Defeng, et al. Analysis of explosives in sandy loam soils by LC/APCI/MS[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2012, 35(2): 27-31(in Chinese).

[17] 徐建中, 彭耀珊, 汪聰慧. 某些炸藥在CI源中的行為[J]. 刑偵技術(shù), 1995, (5): 1-4. XU Jianzhong, PENG Yaoshan, WANG Conghui. Behavior of some explosives in CI source[J]. Forensic Science and Technology, 1995, (5):1-4(in Chinese).

[18] VACLAVIK L, ZACHARIASOVA M, HRBEK V, et al. Analysis of multiple mycotoxin in cereals under ambient conditions using direct analysis in real time(DART) ionization coupled to high resolution mass spectrometry[J]. Talanta, 2010, 82(5): 1 950-1 957.

[19] NILLES J M, CONNELL T R, DURST H D. Quantitation of chemical warfare agents using the direct analysis in real time(DART) technique[J]. Anal Chem, 2009, 81(16): 6 744-6 749.