基于TWIMS-HRMS联用技术的亚特兰大水体高极性污染物定性与定量分析研究

本研究针对高极性污染物因传统分析技术局限而长期被忽视的问题，创新性结合液相色谱(LC)、行波离子淌度谱(TWIMS)与高分辨质谱(HRMS)技术，成功实现对45种高极性污染物(log Dow <0)的分离检测，首次报道33种小分子碰撞截面(CCS)值，揭示城市水体中52.4%目标污染物的普遍存在，为环境风险防控提供新方法学支撑。

　　

在城市化进程加速的背景下，水体中高极性污染物因其低log D_ow值和传统分析技术的局限性，长期成为环境监测的"盲区"。这类物质难以通过常规反相色谱(RP)和亲水相互作用色谱(HILIC)保留，且因不易在有机质中积累而被低估生态风险。亚特兰大作为人口密集的缺水城市，其饮用水源查特胡奇河面临工业排放与交通污染的双重压力，亟需建立高极性污染物的精准分析方法。

为破解这一难题，研究人员在《Analytica Chimica Acta》发表创新成果，首次将行波离子淌度谱(TWIMS)与高分辨质谱(HRMS)联用，建立多维度分离分析体系。研究选取45种高极性化合物(41种为欧洲化学品管理局定义的"高移动性物质")，通过优化TWIMS参数获得33种小分子(120-500 Da)的碰撞截面(CCS)值，并对比评估其与漂移管离子淌度谱(DTIMS)数据的可比性。样本采集自查特胡奇河8个断面和亚特兰大市中心自来水，采用蒸发浓缩前处理结合LC-TWIMS-HRMS进行分析。

关键技术方法
研究采用Synapt G2-Si HDMS质谱系统进行TWIMS分析，以聚-DL-丙氨酸校准CCS值；定量分析使用Vanquish Horizon UHPLC-Orbitrap QEHF系统，配备T3反相柱和Z-HILIC柱双色谱体系。通过建立ΔCCS≥0.5%的分离阈值，评估TWIMS对小分子的分辨能力。

IM vs LC分离性能
对比实验显示，1-(2-氨乙基)哌嗪(log D_ow -4.53)等5种物质在LC中保留极差，但通过TWIMS实现有效分离。如图2所示，草铵膦(glufosinate)和甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)在两种LC模式下均出现峰拖尾，而TWIMS呈现对称峰形，证实离子淌度对极性物质的互补分离优势。

CCS值测定
研究首次报道了33种小分子的^TWIMSCCS_N2数据，其中PFBS、PFHxS和PFOS的CCS值与DTIMS文献值差异仅0.3?²以内，验证了TWIMS数据的可靠性。值得注意的是，含氟化合物因氟原子体积效应，其CCS-m/z关系偏离常规趋势(图3)，这对非靶向识别中推断分子结构具有重要指导价值。

小分子分离适用性
通过ΔCCS分析发现，75.8%的化合物对(25种)满足分离阈值，仅苯胺-3-磺酸与苯胺-4-磺酸等同分异构体未能分辨。正离子模式因质子化增加分子体积，其CCS普遍大于相同m/z的负离子(图4)，且随CCS增大分离度提升，证实TWIMS对小分子分析的适用性。

污染物分布特征
定量分析显示，萘-1-磺酸(1933 ng/L)、三乙烯二胺(686 ng/L)等工业化学品在河水中普遍存在，自来水检出19种污染物。值得注意的是，抗生素阿莫西林在R3断面突增至1185 ng/L，提示局部污染事件。PFAS中PFBA(142 ng/L)和PFOA(160 ng/L)浓度较高，但低于美国地表水平均值，反映地域污染特征差异。

研究意义
该研究突破高极性污染物分析的技术瓶颈，建立首个包含TWIMS-CCS值的数据库，为环境监测提供新维度参数。通过证实TWIMS与DTIMS数据的可比性，推动离子淌度技术的标准化进程。实践中发现查特胡奇河52.4%的监测点存在目标污染物，其中萘磺酸等物质检出率100%，为制定优先控制清单提供科学依据。方法论上，研究开创性地将TWIMS作为LC分离不足的补偿手段，为复杂基质中小分子分析提供新范式。

这项由Sandra Pérez团队完成的工作，不仅完善了高极性污染物的分析方法学，更通过实际监测数据敲响城市水体新型污染的警钟。随着CCS数据库的扩充，未来有望通过非靶向筛查发现更多"隐形"污染物，为保护水资源安全筑起技术防线。