【摘要】 同位素的相对丰度区分了直接氧转移（直接OBPs）和其他与臭氧反应（间接OBPs）的产物。

污水处理厂排放的有机微污染物（OMPs）已被认为是对水生环境的威胁。为了减轻这一威胁，瑞士、德国、中国和美国等几个国家已经对臭氧化进行了测试，并将其应用于污水的后处理。在处理过程中，臭氧对废水进行消毒，并作为化学氧化剂去除关注的污染物。

 

臭氧是一种亲电试剂，它与富含电子的官能团发生反应，反应机制是众所周知的。通常不饱和的化学键被劈开，臭氧中的氧被加入到分子中。臭氧将烯烃转化为醛类和酮类，将胺转化为硝基和n -氧化物基团，将硫化物转化为磺酸和亚砜。

 

臭氧还会产生羟基自由基，这是一种高活性和非选择性的二次氧化剂。臭氧抗性OBPs与羟基自由基发生间接反应，导致转化产物的混合物更加多样化和难以预测。

 

Elaine K. Jennings等人[1]将臭氧发生器结合质量标记氧臭氧化EfOM生产质量标记OBPs。直接滴注（DI） FTICR-MS检测臭氧氧化后含18O的配方。同位素的相对丰度区分了直接氧转移（直接OBPs）和其他与臭氧反应（间接OBPs）的产物。

 

一旦确定，用FT-ICR-MS/MS对含有氮和硫的高强度OBPs进行碎片化，以检测18O的中性损失。基于臭氧的反应机理，碎片化可以深入了解非臭氧化EfOM中存在的官能团。这种对复杂EfOM中前体-产物对的直接洞察目前无法用替代方法获得。

图1 (A)维恩图显示未标记OBPs和标记OBPs的可检测性。(B)标记OBPs和(C)未标记OBPs的分子氧碳比（O/C）与氢碳比（H/C）。

 

添加质量标记臭氧后，929个分子式可被鉴定为标记OBPs。由于臭氧化后相对强度的变化不足以将单同位素物归类为OBPs，因此在没有18O的情况下，近三分之一（282）无法检测到OBPs（图1A）。

 

其余的18O标记OBP（647）可以用基于峰强度变化的传统方法检测到。216个标记的OBP在臭氧化前不存在单同位素，这标志着它们是新形成的（独特的）OBPs配方。先前使用LC-FT-ICRMS的工作表明，依赖于相对强度变化的OBPs检测通常会遗漏OBPs，因为相对强度的变化可能是可变的，而且OBPs并不总是达到分类的阈值。

 

通过使用质量标记臭氧，可以在不依赖于相对强度差异的情况下识别OBPs，消除了传统方法中固有的样本对样本的偏差。

 

图2 已标记OBPs（绿色）和未标记OBPs（紫色）的化学描述符分布。

 

与未标记的OBPs相比，标记的OBPs具有显著不同的分子描述符，具有更高的峰强度和强度加权平均值，并且较低的双键等效氧（DBE-Owa），为- 1.52，而未标记的OBPs为- 1.03 (p = 0.003)（图2）。

 

较低的DBE-Owa意味着标记的分子式缺少双键结构，通常是臭氧的目标。碳的标称氧化态（NOSCwa）是分子极性的指示，标记的OBPs略低。

 

在预期强度分数附近的+/ - 10%的窗口用于OBPs分类。在这个范围内只发现了84个OBPs，被归类为直接OBPs，而其余845个OBPs被归类为间接OBPs，因为它们不符合预期的强度模式（图3）。

 

绝大多数直接OBPs是具有三个氮原子的分子式（84个直接OBPs中有69个）。相比之下，间接OBPs大多含有零或一个氮（845个中有840个）。虽然这可能反映了与氮的数量相关的不同反应机制，但它很可能是由下面描述的干扰引起的，这些干扰损害了对其他配方中所有直接OBPs的最准确检测。

 

图3 (A) 18O1同位素峰强度除以所有同位素峰强度之和计算的18O OBPs相对丰度分布。（B和C）直接OBPs和间接OBPs在每个分子式类别中发现的OBPs数量。

 

综上所述，有了质量标记的OBPs，可以明确区分OBPs和复杂的EfOM。标记的OBPs更肯定是由臭氧化形成的，而传统的检测方法可能会遗漏或包含分子式作为数据处理的伪影，这些伪影不是真正的OBPs。18O标签增加了对OBPs分配的信心。

 

质量标记峰比可以区分直接氧转移反应的产物与其他或多个反应产生的OBPs，显示可能的反应机理模式。虽然直接OBPs的检测仍然受到同分异构体复杂性的抑制，但这一进展仍然突出了利用18O3进行反应机制研究的能力。

 

结合FT-ICR-MS/MS，可以发现含有中性损失的18O，并将其与OBPs结构和EfOM本身的氧化还原状态联系起来。

 

在这里，只有少数OBPs用这种方法筛选，但通过扩大MS/MS数据收集和处理，可以获得更多关于EfOM中官能团及其与臭氧反应的信息。通过臭氧化产生的亚砜和磺酸可以通过中性损失筛选检测到，但这种方法尚未发现EfOM中n -氧化物形成的证据。

 

[1] E.K. Jennings, M. Sierra Olea, J.M. Kaesler, U. Hübner, T. Reemtsma, O.J. Lechtenfeld, Stable isotope labeling for detection of ozonation byproducts in effluent organic matter with FT-ICR-MS, Water Research 229 (2023) 119477.

 

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