采用APGC-MS/MS分析火灾残留物中多卤代二噁英和呋喃(PXDD/F)的复杂混合物

无论是在火灾持续期间还是火灾已扑灭的现场，救援人员都会暴露于火灾残留物中，这些残留物是非常复杂的化合物混合物，含有潜在有毒物质。其中一些化合物是材料中的阻燃剂在火灾中燃烧时产生的副产物。

溴代阻燃剂(BFR)，尤其是多溴联苯醚(PBDE)就是最常用的阻燃剂之一。尽管某些PBDE制剂正被逐步禁用，但目前尚未被彻底替换，如今许多消费品中仍含有PBDE。研究表明，PBDE燃烧时会形成二苯并-对-二噁英和二苯并呋喃主链，而燃烧后的材料中所含的卤素(Br和/或Cl)会取代该主链上的碳原子。

在本应用纪要中，我们将APGC与Xevo TQ-S串联四极杆仪器相结合，用以更好地表征模拟火灾残留物中种类更多的二噁英和呋喃(多溴代和混合卤代同系物)，旨在更全面地掌握现场救援人员在这些化合物中的暴露水平。

应用优势

将大气压气相色谱(APGC)与三重四极杆质谱联用，可获得以下优势：

• 高灵敏度分析复杂样品基质中的痕量组分。
• 易用性和灵敏度优于传统的扇形磁场仪器。
• 可区分PXDD/F同分异构体与基质中的其它类似持久性有机化合物。
• 有助于掌握现场救援人员(尤其是消防员)对潜在有毒物质二噁英和呋喃的暴露水平(目前不在监管范围内)。

大量研究显示，自世界贸易中心遭受“911”恐怖袭击15年来，曾暴露于WTC废墟的消防员的总患癌比例已激增至19%¹。另有研究发现，与一般人群相比，消防员患癌比率总体较高²。无论是在火灾持续期间还是火灾已扑灭的现场，救援人员都会暴露于火灾残留物中，这些残留物是非常复杂的化合物混合物，含有潜在有毒物质。其中一些化合物是材料中的阻燃剂在火灾中燃烧时产生的副产物。

溴代阻燃剂(BFR)，尤其是多溴联苯醚(PBDE)就是最常用的阻燃剂之一。尽管某些PBDE制剂正被逐步禁用，但目前尚未被彻底替换，如今许多消费品中仍含有PBDE。研究表明，PBDE燃烧时会形成二苯并-对-二噁英和二苯并呋喃主链，而燃烧后的材料中所含的卤素(Br和/或Cl)会取代该主链上的碳原子^3-4。

目前，仅有17种氯代二噁英和呋喃(PCDD/F)受到法规监管和常规监测。这些监测方法的目标物质不包括多溴代(PBDD/F)和混合溴-氯(PXDD/F)同系物。PBDD/F和PXDD/F的毒性接近甚至超过毒性最强的PCDD/F，尤其是2,3,7,8-TCDD。因此，使用现行法规方法并不能准确评估样品的潜在毒性。

过去，人们利用基于电子碰撞(EI)气相色谱技术的扇形磁场仪器来分析二噁英。然而，为了充分利用扇形磁场的灵敏度，单次运行只能以数量有限的化合物为目标。要分析样品中可能形成的数千种二噁英和呋喃同系物，可以使用串联四极杆质谱仪。Waters™ XevoTQ-S能够维持足够的灵敏度和扫描速度，覆盖此类分析所需的宽泛MRM通道范围。

此外，将新兴的软电离技术(如APGC)与飞行时间或串联四极杆质谱仪联用(APGC-MS/MS)，也能为此类化合物的常规分析提供足够的选择性和灵敏度。

在本应用纪要中，我们将APGC与Xevo TQ-S串联四极杆仪器相结合，用以更好地表征模拟火灾残留物中种类更多的二噁英和呋喃(多溴代和混合卤代同系物)，旨在更全面地掌握现场救援人员在这些化合物中的暴露水平。

样品制备

火灾残留物样品由位于加拿大安大略省多伦多的消防与急救服务培训学院(Fire and Emergency Services Training Institute, FESTI)提供。分别模拟了家庭火灾(燃烧物为家具)和电子器件火灾(燃烧物为办公室中常用的电子器件)。火灾扑灭后，从火灾残骸的不同位置采集多个样品。采集的样品包括残留碎片和灰烬，以及从燃烧房间的墙壁和消防员装备上提取的擦拭物。在宾夕法尼亚州立大学采用安大略省环境与气候变化部(Ministry of Environment and Climate Change, MOECC)发布的方法E3418对样品进行萃取⁵。简单来讲，即使用索氏提取器以正己烷萃取样品24 h。萃取之前，向样品中添加13C标记的内标的混合物(表1)。萃取后，浓缩样品并进行两级柱净化处理：(a)酸性硅胶，(b) 5%碳/硅胶(w/w)。在进样至APGC-MS/MS之前，使用旋转蒸发仪将萃取物浓缩至100 μL。

针对不同类别的PXDD、PXDF、PBDD和PBDF同系物，我们监测了多个MRM通道(每种类别3至6个通道)。创建两种方法，其中一种用于分析PXDD和PXDF化合物，另一种用于分析PBDD和PBDF化合物。PXDD/F方法共设置约150个MRM通道，用于监测40个不同的天然及标记同系物组，而PBDD/F方法共设置约50个MRM通道，用于监测17个不同的同系物组。所有化合物的完整MRM信息详见附录。您也可通过APGC Quanpedia™数据库获取方法信息。

MRM方法开发

由于可购得的PXDD/F标准品种类非常有限，我们使用了之前进行过表征的火灾残留物样品为各种PXDD/F同系物开发MRM通道。已知二噁英和呋喃分子倾向于丢失-COX(X = Br或Cl)基团，而当DD或DF主链上存在混合卤素时，-COBr比-COCl更易丢失。因此，本研究选择该基团用于分析所有化合物，以分子离子簇(M+2或M+4)中丰度最高的质量数作为母离子。我们为所有化合物选择的第二个通道是失去了COBr基团且丰度次高的分子离子。本研究还基于多种其它基团开发了其它MRM通道，具体请参阅附录。

鉴定火灾残留物样品中的混合卤代二噁英和呋喃

由于Xevo TQ-S的灵敏度极高，我们在家庭火灾和电子器件火灾残留物样品中均鉴定出了多种PXDF同系物组。电子器件火灾残留物中检出的PXDF种类最多且浓度最高。这一结果符合预期，因为电子产品中通常存在大量不同类型的阻燃剂。在样品中鉴定出的各同系物组中，我们观察到大量潜在的同分异构体，如图2所示。图2中的每个峰都代表Br₂Cl取代模式的一种同分异构体，而正如预期的那样，火灾中形成的大量潜在同分异构体大幅提升了样品复杂性，因此这些峰未能完全分离。样品中各种PXDD/F的浓度为ppt至ppb水平，因此需要借助Xevo TQ-S的灵敏度优势来检测大部分化合物。图2还展示了其中几个峰的信噪比计算值(在12至89范围内)。

使用一组13C标记的内标(表1)，对鉴定出的PXDF进行半定量分析。仅执行半定量分析的原因在于并不是每种同系物都有可商购获得的内标。由于采集到的色谱图较为复杂，因此我们使用组成一个同系物组的所有单个峰的总面积来进行定量分析。例如，图2中所有峰的总和将作为一个峰面积进行处理。表2汇总了两个火灾模拟现场采集的样品中计算得到的浓度范围。不同样品之间存在巨大的浓度差异。

对于家庭火灾，从燃烧房间的门上刮下的颗粒残留物中所含的PXDF浓度最高。对于电子器件火灾，PXDF浓度最高的样品实际上是从消防员头盔上采集的样品。这些结果似乎表明，多卤代呋喃更倾向于逸散到空气中的颗粒物上，而不是残留在火灾残留物上。某些电子器件火灾残留物样品中还含有PXDD。PXDD的浓度远低于PXDF，鉴定出的同系物也较少。鉴定出的二噁英中包括BrCl2、BrCl3、Br2Cl、Br2Cl2、Br2Cl3和Br3Cl的取代物，以及Br至Br5的取代物。

通过匹配标准品(如果有)保留时间(Rt)进行峰识别。由于PXDD/F的数量远远超过了可用的标准品，因此基于分子离子同位素模式来鉴定无对应标准品的峰，如图3所示。

电子器件火灾扑灭后，消防员装备上覆盖有黑色颗粒残留物。从消防员头盔上提取擦拭物，以测定沉积在消防员装备上的多卤代二噁英和呋喃的浓度。如前文所述，结果表明这些样品所含的PXDF浓度最高。这些样品可反映现场救援人员直接暴露的环境中，火灾残留物及相关颗粒物的情况。四卤代同系物通常被认为是毒性最强的，尤其是2,3,7,8-位取代模式的化合物。图4展示了头盔样品中每个四卤代二苯并呋喃同系物组的高度复杂性。

将APGC与高灵敏度的Xevo TQ-S相结合，开发出了一种分析复杂样品基质中多卤代二噁英和呋喃的全面方法。采用这种方法分析模拟火灾残留物样，成功鉴定出了一系列多溴代及多卤代二噁英和呋喃，取代模式包括一取代至七取代模式。半定量分析结果表明，同系物总浓度为ppt至ppm水平，证明该分析方法具有宽泛的动态范围和较高的灵敏度。本研究采集和评估的样品类型为我们深入了解消防员和现场急救人员在这些有毒化合物中的暴露水平提供了宝贵信息。颗粒物样品(例如从消防员头盔上采集的样品)中所含的多卤代二苯并呋喃浓度最高，这说明现场救援人员直接暴露的环境中的残留物类型相当复杂，因此目前的二噁英监测方法可能无法准确估计此类样品的毒性。本研究采用APGC-MS/MS进行分析，揭示了这些火灾残留物样品中痕量混合卤代二噁英和呋喃的复杂性质。

致谢

作者在此特别感谢消防与应急服务培训学院(Fire and Emergency ServicesTraining Institute, FESTI)的团队为火灾模拟研究提供实验设施、专业知识及协助。还要感谢环境与气候变化部(Ministry of Environment and Climate Change, MOECC)的Eric Reiner和Terry Kolic提供有关样品制备流程的培训和指导。

1. Zeig-Owens R, Webber MP, Hall CB, Schwartz T,Jaber N, Weakley J, Rohan TE, Cohen HW, Derman O,Aldrich TK, Kelly K, Prezant DJ. Lancet 2011, 378:898−905.

2. LeMasters GK, Genaidy AM, Succop P, Deddens J,Sobeih T, Barriera-Viruet H, Dunning K, Lockey J.J Occup Environ Med. 2006, 48: 1189−1202.

3. Eljarrat E, Feo ML, Barcelo D. Handbook ofEnvironmental Chemistry: Brominated FlameRetardants; Springer: Heidelberg, 2011; pp 187−202.

4. Weber R, Kuch B. Environ Int. 2003, 29: 699−710.

5. Ontario Ministry of Environment MethodDFPCB-E3418. Laboratory Services Branch,Ontario Ministry of the Environment:Toronto, ON, 2010.