水相中酒石酸鈾酰形態(tài)的電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜研究

曾 凱，陳煥文，羅明標(biāo)，張 慧，余文婷，楊亞宣

(1.東華理工大學(xué)，江西省質(zhì)譜科學(xué)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.南昌市食品藥品檢驗(yàn)所，南昌市中藥質(zhì)量控制與安全性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330012)

鈾在國(guó)防、能源等領(lǐng)域具有重要作用[1]，但從鈾的開采[2-4]到放射性廢物處置過程[5-7]都可能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響或傷害，而鈾形態(tài)對(duì)鈾的環(huán)境遷移特性及生物毒性有重要影響[8-12]。潘自強(qiáng)、錢七虎院士指出：鈾等關(guān)鍵核素的水溶液化學(xué)形態(tài)與酒石酸等有機(jī)酸絡(luò)合行為是處置化學(xué)須重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一[13]。研究鈾與有機(jī)酸的結(jié)合形態(tài)，對(duì)完善鈾污染治理方法，以及闡述鈾的地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義[14-20]。

電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜(ESI-MS/MS)具有無需樣品前處理、不改變樣品原有形態(tài)、定性定量結(jié)果準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)定高效等特點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸成為結(jié)構(gòu)、形態(tài)研究的重要手段之一[21]。2003年，Pasilis等[22]首先將電噴霧質(zhì)譜用于檸檬酸鈾酰溶液形態(tài)研究，并將結(jié)果與拉曼、紅外等傳統(tǒng)分析方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。2009年，Tserkezos等[23]證明了ESI-MS/MS定性研究硝酸鈾酰水溶液形態(tài)的準(zhǔn)確性。之后的近10年內(nèi)，電噴霧質(zhì)譜越來越廣泛地應(yīng)用于含鈾化合物的研究[24-30]。

本研究擬采用電噴霧離子源-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜，利用鈾?；鶊F(tuán)([238UO2]+)解離能遠(yuǎn)超一般有機(jī)小分子的特點(diǎn)，通過質(zhì)譜碰撞池中的中性氮?dú)夥肿痈吣芘鲎舱T導(dǎo)解離(CID)快速鑒別含鈾化合物，對(duì)酒石酸鈾酰絡(luò)合形態(tài)進(jìn)行快速鑒別和表征，獲得水溶液中酒石酸鈾酰絡(luò)合物形態(tài)及其質(zhì)譜裂解規(guī)律，為深入探索核素與有機(jī)酸的水溶液形態(tài)研究提供方法支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

G6460三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀：美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品，配有電噴霧離子源及MassHunter 6.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；XS205十萬分之一天平：瑞士Mettler Toledo公司產(chǎn)品。

1.2 主要材料與試劑

六水合硝酸鈾酰(UO2(NO3)2·6H2O)：純度≥99.0%，湖北楚盛威化工有限公司產(chǎn)品；酒石酸(H2Tar)：純度≥99.8%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

ESI正離子模式；進(jìn)樣流速：10 μL/min；掃描范圍：m/z220～2 000；碎裂電壓：90 V；加速電壓：7 V；毛細(xì)管電壓：4 500 V；干燥氣：溫度300 ℃，流速11 L/min；霧化器壓力：103.4 kPa；四極桿溫度：100 ℃；真空度：2.8×10-3Pa。

1.4 樣品溶液制備

精密稱取1.048 6 g酒石酸于500 mL容量瓶中，用純水定容，得0.010 mol/L酒石酸溶液；稱取1.237 2 g六水合硝酸鈾酰于250 mL容量瓶中，用純水定容，得0.010 mol/L硝酸鈾酰溶液。于500 mL容量瓶中加入適量硝酸鈾酰溶液，再加入適量酒石酸溶液，用純水定容，即得一系列酒石酸鈾酰樣品溶液，待ESI-MS/MS分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 酒石酸鈾酰溶液中鈾酰形態(tài)分析

向酒石酸中加入硝酸鈾酰溶液后產(chǎn)生多種酒石酸鈾酰絡(luò)合物離子，其全掃描質(zhì)譜圖示于圖1。傳統(tǒng)質(zhì)譜分析方法需在鑒別化合物結(jié)構(gòu)后才能確定其是否含鈾，工作量大、分析效率低。含鈾化合物的本質(zhì)特點(diǎn)是其分子結(jié)構(gòu)中存在鈾?；鶊F(tuán)([UO2]+，m/z269.9)，因此本研究采用質(zhì)譜高碰撞能量轟擊目標(biāo)物，產(chǎn)生鈾酰離子信號(hào)的離子即為含鈾化合物。通過這種方法確定了溶液中的含鈾離子，鑒定出5種無機(jī)鈾酰和14種酒石酸鈾酰形態(tài)，列于表1。該結(jié)果既表明了鈾絡(luò)合形態(tài)的多樣性和復(fù)雜性，也驗(yàn)證了電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜研究水溶液中鈾絡(luò)合形態(tài)的優(yōu)勢(shì)。其中m/z1 121.3、m/z460.1等低響應(yīng)、多電荷或結(jié)構(gòu)未能解析的離子，在200 V高碰撞能量下均只存在唯一的[UO2]+離子信號(hào)，結(jié)果示于圖2。

2.2 酒石酸與鈾酰絡(luò)合形態(tài)質(zhì)譜解析

2.2.1單酒石酸鈾酰形態(tài)的結(jié)構(gòu)表征及質(zhì)譜裂解途徑 1個(gè)酒石酸陰離子與1個(gè)鈾?；鶊F(tuán)結(jié)合形成帶1個(gè)正電荷的絡(luò)合物離子m/z418.9。CID為5 V時(shí)，[UO2HTar]+失去1個(gè)·COOH基團(tuán)，與脫去1個(gè)·H的鄰位碳結(jié)合形成雙鍵，產(chǎn)生較弱響應(yīng)的m/z373.0。另外，[UO2HTar]+可失去2個(gè)·COOH基團(tuán)，2個(gè)連接羧基的碳原子結(jié)合形成碳碳雙鍵，產(chǎn)生響應(yīng)值較高的m/z328.9，m/z328.9還可進(jìn)一步失去1個(gè)·CH產(chǎn)生m/z300.9。當(dāng)CID增大至50 V時(shí)，產(chǎn)生明顯的[UO2]+信號(hào)，示于圖3，[UO2HTar]+的質(zhì)譜裂解途徑示于圖4。m/z328.9的結(jié)構(gòu)表明，酒石酸分子是通過羥基上的氧原子而非羧基上的氧原子與鈾酰絡(luò)合。酒石酸鈾酰一聚物還可結(jié)合1個(gè)水分子或硝酸分子形成[UO2HTarH2O]+(m/z437.0)或[UO2HTarHNO3]+(m/z481.9)。

圖1 酒石酸鈾酰溶液的全掃描質(zhì)譜圖Fig.1 Full scan mass spectrum of uranyl tartrate solution

質(zhì)荷比m/z結(jié)構(gòu)式Structural formula質(zhì)荷比m/z結(jié)構(gòu)式Structural formula1255.1—481.9[UO2HTarHNO3]+1121.3—460.1—987.1—437.0[UO2HTarH2O]+837.1—418.9[UO2HTar]+778.1[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+350.0[UO2NO3H2O]+719.1[UO2HTar(H2Tar)2]+332.0[UO2NO3]+703.1[(UO2)3Tar(HTar)2]2+322.9[UO2H2OOH]+587.1[UO2HTarH2TarH2O]+305.0[UO2H2OOH]+569.1[UO2HTarH2Tar]+287.0[UO2OH]+569.1[(UO2HTarH2Tar)2]2+

注：“—”表示結(jié)構(gòu)未知

圖2 高質(zhì)譜碰撞能量鑒別含鈾離子的質(zhì)譜圖(CID 200 V)Fig.2 Mass spectra of identification of uranium ions by high mass spectrometry collision energy (CID 200 V)

圖3 [UO2HTar]+子離子掃描質(zhì)譜圖(CID 50 V)Fig.3 Product ions scan mass spectrum of [UO2HTar]+ (CID 50 V)

圖4 [UO2HTar]+質(zhì)譜裂解途徑Fig.4 MS fragmentation pathways of [UO2HTar]+

2.2.2多聚酒石酸鈾酰團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)表征及質(zhì)譜裂解途徑m/z569.1存在單電荷離子與雙電荷離子的質(zhì)譜信號(hào)。當(dāng)碰撞能量為5 V時(shí)，產(chǎn)生明顯的酒石酸陽離子m/z150.9及其脫·COOH的子離子m/z104.9，同時(shí)m/z569.1失去m/z75形成顯著的m/z494.1子離子，示于圖5a。m/z569.1主要以雙電荷離子[(UO2HTarH2Tar)2]2+形態(tài)存在,該離子容易丟失2個(gè)酒石酸分子產(chǎn)生較強(qiáng)響應(yīng)的m/z837.1([(UO2)2TarHTar]+)，其裂解途徑示于圖6a。該結(jié)果表明，以分子形式絡(luò)合的酒石酸與鈾酰的結(jié)合較弱。由于共軛雙鍵的穩(wěn)定作用，單電荷離子[UO2HTarH2Tar]+可脫去2個(gè)·COOH形成特征離子m/z479.1，其質(zhì)譜裂解途徑示于圖6b。當(dāng)碰撞能量提高至20 V，m/z569.1可形成失去羧基、水的離子m/z625.1、418.9、373.0、329.0，結(jié)果示于圖5b。繼續(xù)提高碰撞能量至80 V，[(UO2HTarH2Tar)2]2+產(chǎn)生顯著的[UO2]+信號(hào)，以及微弱的m/z555.9，示于圖5c。該結(jié)果表明，雙鈾酰聚合離子具有較強(qiáng)的質(zhì)譜穩(wěn)定性，其解離能量大于酒石酸陰離子的官能團(tuán)解離所需的能量。

注：a.CID為5 V；b.CID為20 V；c.CID為80 V圖5 m/z 569.1的子離子掃描質(zhì)譜圖Fig.5 Product ions scan mass spectrum of m/z 569.1

m/z719.1([UO2HTar(H2Tar)2]+)為鈾?；鶊F(tuán)結(jié)合1個(gè)酒石酸陰離子和2個(gè)酒石酸分子形成的離子。與m/z569.1不同，m/z719.1不產(chǎn)生大于自身的子離子，也檢測(cè)不到酒石酸陽離子或其碎片離子信號(hào)，這表明m/z719.1為單電荷陽離子。[UO2HTar(H2Tar)2]+被10 V能量轟擊，脫去1個(gè)酒石酸分子產(chǎn)生[UO2HTarH2Tar]+子離子，示于圖7a。增大碰撞能量至25 V，出現(xiàn)m/z479.1、461.1、418.9等碎片離子，示于圖7b。繼續(xù)提高CID至50 V時(shí)，主要的子離子為m/z370.0、329.1、300.9等[UO2HTar]+碎片離子和[UO2]+信號(hào)，示于圖7c。當(dāng)CID為200 V時(shí)，[UO2HTar(H2Tar)2]+產(chǎn)生明顯的[UO2]+信號(hào)，示于圖7d。[UO2HTar(H2Tar)2]+的質(zhì)譜裂解途徑示于圖8。

m/z778.1([(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+)也是雙電荷酒石酸鈾酰離子，它通過兩種途徑裂解：1) 三鈾酰聚合離子[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+被低能量碰撞后，失去1個(gè)酒石酸分子和1個(gè)酒石酸陽離子，產(chǎn)生單電荷陽離子m/z1 255.1信號(hào)；2)m/z778.1逐漸失去2個(gè)酒石酸分子，產(chǎn)生m/z703.1、628.1信號(hào)。由于共軛雙鍵的作用，[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+在較高碰撞能量下，結(jié)合的多聚鈾酰離子分離形成一系列復(fù)雜的離子碎片，這些多聚鈾酰離子的質(zhì)譜穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易產(chǎn)生單鈾酰離子。在200 V碰撞能量下，[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+產(chǎn)生明顯的[UO2]+信號(hào)。不同碰撞能量下，[(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+的子離子掃描質(zhì)譜圖示于圖9，其裂解途徑示于圖10。本實(shí)驗(yàn)中，因m/z987.1、1 121.3響應(yīng)值太低或超出本儀器掃描范圍，故暫未分析其結(jié)構(gòu)。

圖6 m/z 569.1的質(zhì)譜裂解途徑Fig.6 MS fragmentation pathways of m/z 569.1

注：a.CID為10 V；b.CID為25 V；c.CID為50 V；d.CID為200 V圖7 [UO2HTar(H2Tar)2]+的子離子掃描質(zhì)譜圖Fig.7 Product ions scan mass spectra of [UO2HTar(H2Tar)2]+

圖8 [UO2HTar(H2Tar)2]+的質(zhì)譜裂解途徑Fig.8 MS spectral fragmentation pathways of [UO2HTar(H2Tar)2]+

3 結(jié)論

本研究以電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜研究酒石酸-硝酸鈾酰水溶液中的鈾酰形態(tài)，以[UO2]+為鑒別含鈾離子的依據(jù)，共發(fā)現(xiàn)14種酒石酸鈾酰絡(luò)合物及5種無機(jī)鈾酰形態(tài)。酒石酸鈾酰形態(tài)中鈾酰與酒石酸陰離子結(jié)合緊密，還可繼續(xù)結(jié)合1～2個(gè)酒石酸或水分子，形成二鈾酰、三鈾酰聚合的酒石酸鈾酰絡(luò)合物，其中[UO2HTar(H2Tar)2]+等多聚酒石酸鈾酰團(tuán)簇形態(tài)為首次發(fā)現(xiàn)。酒石酸鈾酰形態(tài)中各絡(luò)合鍵解離所需能量大小順序?yàn)椋衡欟ｉg結(jié)合鍵>酒石酸陰離子-鈾酰結(jié)合鍵>酒石酸分子-鈾酰結(jié)合鍵。電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法無需樣品前處理，不改變?nèi)芤涸行螒B(tài)，在水溶液含鈾形態(tài)分析中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可為實(shí)際條件下核素與有機(jī)酸的水溶液形態(tài)研究提供數(shù)據(jù)和方法支持。

注：a.CID為10 V；b.CID為35 V；c.CID為50 V；d.CID為200 V圖9 [(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+的子離子掃描質(zhì)譜圖Fig.9 Product ions scan mass spectra of [(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+

圖10 [(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+的質(zhì)譜裂解途徑Fig.10 MS fragmentation pathways of [(UO2)3Tar(HTar)2(H2Tar)2]2+