藺大偉,夏慶兵,邵 凱,張冠男,鄭佳佳,李秀云,李文海,孫紅雷

(1.泰安市公安局刑事科學(xué)技術(shù)研究所，泰安 271000; 2.公安部物證鑒定中心，北京 100038)

爆炸現(xiàn)場(chǎng)的生物檢材和痕跡物證破壞嚴(yán)重，偵查線(xiàn)索和證據(jù)很大程度上依賴(lài)于爆炸殘留物中爆炸裝置和炸藥的理化分析[1]。有機(jī)炸藥破壞力強(qiáng)、危害性大，具有爆炸反應(yīng)完全、炸藥殘留量少、檢驗(yàn)難度大的特點(diǎn)，一直是法庭科學(xué)理化檢驗(yàn)中的難點(diǎn)。目前，有機(jī)炸藥的檢測(cè)方法有紅外光譜法[2]、拉曼光譜法[3]、高效液相色譜法[4]、離子遷移譜法[5]、毛細(xì)管電泳法[6]、氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[7]、液相色譜-質(zhì)譜法[8-9]。但上述方法操作復(fù)雜、抗干擾能力差，因此建立高分辨、高靈敏度的有機(jī)炸藥爆炸殘留物的定性和定量方法至關(guān)重要[10]。四極桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜法具有高質(zhì)量精度分析性能，可根據(jù)化合物的精確質(zhì)量數(shù)、二級(jí)碎片離子信息和保留時(shí)間匹配特定的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的無(wú)標(biāo)準(zhǔn)品快速篩查。本工作以丙酮作提取劑，提取爆炸殘留物中三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油(NG)、太安(PETN)、奧克托金(HMX)、黑索金(RDX)、特屈兒(CE)等6種有機(jī)炸藥，采用超高效液相色譜-四極桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜法定性、定量分析，可用于爆炸現(xiàn)場(chǎng)痕量有機(jī)炸藥的快速篩查和確證。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Q Exactive Foucs型超高效液相色譜-四極桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜聯(lián)用儀;Milli-Q 型超純水儀;VORTEX2型渦旋振蕩器;3K15 型高速離心機(jī);KQ-250DE型超聲儀。

TNT、NG 和RDX 的單標(biāo)準(zhǔn)溶液:1.0 g·L－1，介質(zhì)為甲醇;PETN、HMX 和CE 的單標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.1 g·L－1，介質(zhì)為甲醇。其他溶液均由上述溶液用甲醇逐級(jí)稀釋制成，于4℃下保存，每2個(gè)星期重新配制。

TNT、CE、RDX、HMX 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:用甲醇作稀釋劑，配制成各目標(biāo)物質(zhì)量濃度分別為10.0，20.0，50.0，100，200，500，800，1 000μg·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

PETN、NG 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:用甲醇作稀釋劑，配制成各目標(biāo)物質(zhì)量濃度分別為20.0，50.0，100，200，500，1 000，2 000μg·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

甲醇、乙腈、丙酮、甲酸銨均為色譜純;氯化銨為分析純;試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 色譜條件

ACQUITY UPLC HSS T3色譜柱(50 mm×2.1 mm，1.8μm);流量0.3 mL·min－1;進(jìn)樣量5μL;流動(dòng)相A 為 含0.5 mmol·L－1氯化銨 的5.0 mmol·L－1甲酸銨溶液，B 為體積比1∶1的乙腈-甲醇混合溶液。梯度洗脫程序見(jiàn)表1。

表1 梯度洗脫程序Tab.1 Gradient elution procedure

1.2.2 質(zhì)譜條件

大氣壓化學(xué)電離(APCI)源，負(fù)離子電離模式;全掃描/數(shù)據(jù)依賴(lài)二級(jí)掃描(Full MS/dd MS2)采集模式;放電電流18μA;離子傳輸管溫度125 ℃;鞘氣為氮?dú)?，壓力?×106Pa;輔助氣為氮?dú)猓瑝毫?.45×106Pa;氣化溫度160 ℃;一級(jí)掃描分辨率70 000;二級(jí)掃描分辨率17 500。

6種有機(jī)炸藥的其他質(zhì)譜參數(shù)見(jiàn)表2，其中母離子為定量離子。

表2 6種有機(jī)炸藥的質(zhì)譜參數(shù)Tab.2 MS parameters of the 6 organic explosives

1.3 試驗(yàn)方法

用50%(體積分?jǐn)?shù))丙酮溶液浸泡擦拭棉球，擦取檢材上的爆炸殘留物，然后將擦拭棉球放入具塞離心管中。加入5 mL 丙酮，超聲1 min，于10 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心5 min。上清液于常溫?fù)]發(fā)至0.2 mL以下，用甲醇定容至1 mL，過(guò)0.22μm有機(jī)相濾膜，濾液按照儀器工作條件測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)相的選擇

試驗(yàn)比較了在0.5 mmol·L－1氯化銨溶液中分別加入5.0 mmol·L－1甲酸銨和5.0 mmol·L－1乙酸銨時(shí)的分離效果。結(jié)果顯示:加入5.0 mmol·L－1甲酸銨時(shí)，色譜峰峰形得到有效改善，色譜峰峰面積增加。進(jìn)一步比較了流動(dòng)相B分別為甲醇、體積比1∶1 的乙腈-甲醇混合溶液時(shí)的色譜分離效果。結(jié)果顯示，體積比1∶1的乙腈-甲醇混合溶液的洗脫能力更強(qiáng)，且能改善硝銨類(lèi)炸藥CE、RDX、HMX 的色譜峰拖尾現(xiàn)象。為增加電離效果，試驗(yàn)繼續(xù)嘗試在流動(dòng)相A 和流動(dòng)相B 中均加入0.1%(體積分?jǐn)?shù)，下同)甲酸。結(jié)果顯示，0.1%甲酸對(duì)目標(biāo)物有抑制作用，色譜峰峰面積減小?；谏鲜鼋Y(jié)果，試驗(yàn)選擇的流動(dòng)相A 為含0.5 mmol·L－1氯化銨的5.0 mmol·L－1甲酸銨溶液，B 為體積比1∶1的乙腈-甲醇混合溶液。

2.2 質(zhì)譜條件的選擇

文獻(xiàn)[9，11]指出，有機(jī)炸藥是難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定性化合物，最佳電離源為電噴霧離子(ESI)源，但是本試驗(yàn)采用的Q Exactive Foucs型超高效液相色譜-四極桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜聯(lián)用儀配備的HESI(高溫ESI)源加熱溫度為250～500 ℃，該離子源雖然去溶劑效率較高，但是其較高的加熱溫度容易導(dǎo)致大部分有機(jī)炸藥分解，NG 和PETN 出峰效果較差。而將HESI源切換為APCI源，可以有效提高各目標(biāo)物的靈敏度，實(shí)現(xiàn)各目標(biāo)物的分離。

繼續(xù)比較了離子傳輸管溫度分別為125，145，185 ℃時(shí)6種有機(jī)炸藥的峰面積。結(jié)果顯示:溫度對(duì)TNT、CE、HMX、PETN 和RDX 峰面積影響不明顯;當(dāng)溫度為145 ℃時(shí)，NG 色譜峰峰面積為125 ℃時(shí)的35.5%;當(dāng)溫度達(dá)到185 ℃時(shí)，NG 完全分解，不能被檢出?？紤]到NG 的熱分解溫度較低，試驗(yàn)選擇的離子傳輸管溫度為125 ℃。

在二級(jí)掃描分辨率為17 500時(shí)，優(yōu)化了二級(jí)碎片離子的NCE，結(jié)果見(jiàn)表2。

在優(yōu)化的儀器工作條件下，6種有機(jī)炸藥的提取離子色譜圖見(jiàn)圖1。

圖1 6種有機(jī)炸藥的提取離子色譜圖Fig.1 Extracted ion chromatograms of the 6 organic explosives

2.3 篩查列表的建立

歐盟2002/657/EC[12]規(guī)定，以識(shí)別點(diǎn)(IPs)為指標(biāo)對(duì)違禁化合物進(jìn)行定性分析時(shí)，至少需要4個(gè)IPs。對(duì)于高分辨質(zhì)譜(分辨率大于10 000)而言，只需要1 個(gè)母離子(2.0 IPs)與1 個(gè)二級(jí)碎片離子(2.5 IPs)即可滿(mǎn)足規(guī)定。此外，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)發(fā)布的指導(dǎo)準(zhǔn)則[13]對(duì)確證條件作出了規(guī)定:至少需要1對(duì)合適的母離子與二級(jí)碎片離子，母離子的精確質(zhì)量數(shù)偏差不大于5×10－6，二級(jí)碎片離子的精確質(zhì)量數(shù)偏差不大于10×10－6。

以6種有機(jī)炸藥單標(biāo)準(zhǔn)溶液(100μg·L－1)為待測(cè)對(duì)象，按照優(yōu)化的儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定。在TraceFinder軟件中，根據(jù)目標(biāo)物的分子式、負(fù)離子的電離方式、電荷數(shù)等信息計(jì)算出母離子的理論精確質(zhì)量數(shù);利用Full MS/dd MS2采集模式，得到二級(jí)碎片離子的全掃描圖譜，找出豐度最高的子離子，計(jì)算該二級(jí)碎片離子的理論精確質(zhì)量數(shù)。在TraceFinder軟件中輸入上述目標(biāo)物的名稱(chēng)、分子式、CAS號(hào)、掃描方式、母離子精確質(zhì)量數(shù)、二級(jí)碎片離子精確質(zhì)量數(shù)、負(fù)離子的電離方式、保留時(shí)間等信息，建立6種有機(jī)炸藥的篩查列表，用于這6種有機(jī)炸藥的快速篩查和確證，部分信息見(jiàn)表2。

2.4 基質(zhì)效應(yīng)

采用APCI源電離時(shí)，基質(zhì)成分會(huì)與目標(biāo)物競(jìng)爭(zhēng)質(zhì)子，產(chǎn)生基質(zhì)效應(yīng)。以空白棉球?yàn)榛|(zhì)，按照試驗(yàn)方法制備并測(cè)定加標(biāo)基質(zhì)溶液(加標(biāo)量200μg·L－1)，同時(shí)測(cè)定200μg·L－1單標(biāo)準(zhǔn)溶液，計(jì)算加標(biāo)基質(zhì)溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液中目標(biāo)物的峰面積百分比。當(dāng)基質(zhì)效應(yīng)(ME)值(100%和峰面積百分比的差值)為0時(shí)，表示無(wú)基質(zhì)效應(yīng);ME 值小于0時(shí)，表示存在基質(zhì)增強(qiáng)效應(yīng);ME值大于0時(shí)，表示存在基質(zhì)抑制效應(yīng)。ME值絕對(duì)值越大，基質(zhì)效應(yīng)越明顯，當(dāng)ME值不大于20%時(shí)，存在弱基質(zhì)效應(yīng)。結(jié)果顯示，6種目標(biāo)物ME值為0.68%～1.66%，屬于弱基質(zhì)抑制效應(yīng)，因此無(wú)需采用基質(zhì)匹配法制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)和檢出限

按照儀器工作條件測(cè)定混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，以各目標(biāo)物的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的峰面積為縱坐標(biāo)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得到6種有機(jī)炸藥的線(xiàn)性范圍、線(xiàn)性回歸方程和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

各目標(biāo)物的提取離子色譜圖基線(xiàn)噪聲非常低，無(wú)法利用3倍信噪比計(jì)算檢出限，因此以目標(biāo)物母離子和二級(jí)碎片離子在Full MS/dd MS2采集模式下均可被檢出時(shí)的加標(biāo)濃度水平為檢出限，結(jié)果見(jiàn) 表3。

表3 線(xiàn)性參數(shù)和檢出限Tab.3 Linearity parameters and detection limits

2.6 精密度和回收試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法對(duì)空白棉球進(jìn)行低、中、高等3個(gè)濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn)，每個(gè)加標(biāo)濃度水平測(cè)定6次，計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，所得結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，6 種目標(biāo)物的回收率為56.6%～117%，測(cè)定值的RSD 為0.40%～6.9%，滿(mǎn)足實(shí)際檢測(cè)需求。

表4 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.4 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

以5 g土壤為研究對(duì)象進(jìn)行上述濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn)。結(jié)果顯示:TNT、NG、PETN 的回收率均高于95.0%，CE 的回收率大于70.0%，RDX、HMX 的回收率小于10.0%，推測(cè)土壤對(duì)RDX、HMX 具有較強(qiáng)的吸附性，且因RDX、HMX 含有N－NO2，比一般硝基化合物更易被土壤中的微生物降解[14]，導(dǎo)致RDX、HMX 回收率較低，這方面的研究工作還待進(jìn)一步開(kāi)展。

2.7 樣品分析

2020年7月11日，報(bào)警人稱(chēng)其岳父家中藏有爆炸物，辦案民警依法扣押并提取若干深褐色小塊狀樣品，送至本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定性分析，利用本方法快速篩查出了TNT，所得色譜圖見(jiàn)圖2。

圖2 樣品提取離子色譜圖Fig.2 Extracted ion chromatogram of the sample

本工作以超高效液相色譜-四極桿靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜法測(cè)定爆炸殘留物中6種有機(jī)炸藥的含量，該方法簡(jiǎn)單、快速、高效，準(zhǔn)確性和精密度好，基質(zhì)效應(yīng)影響小，能滿(mǎn)足日常檢測(cè)需求，適用于爆炸殘留物中6種有機(jī)炸藥的快速篩查確證和定量檢驗(yàn)。