用于高分辨率质谱分析中五氟硫基 PFAS 准确分子表征的双键当量计算修正

《ACS ES&T Water》：Refining the Double Bond Equivalents Computation for Accurate Molecular Characterization of Pentafluorosulfanyl PFAS in High-Resolution Mass Spectrometry Analysis

　　

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类合成有机化合物，由于其独特的理化性质赋予其环境持久性，因此已在环境中被广泛检出；也正因如此，PFAS 被称为“永久化学品”。准确识别 PFAS 对于阐明其环境赋存、归趋、迁移和毒性至关重要。近年来，基于高分辨率质谱（HRMS）技术，尤其是傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）和 Orbitrap 的非靶向筛查，已被广泛用于发现新型 PFAS。FT-ICR MS 的超高质量分辨率使其能够同时、非靶向且高通量地识别溶解性有机质（DOM），其中既包括天然来源且危害较低的化学物，也包括 PFAS 等微污染物。双键当量（DBE）、碳的名义氧化态以及芳香性指数，常被用作 FT-ICR MS 所表征的 DOM 谱图中数千至数万个已指认化学分子式之分子性质的指标。

广泛使用的 PFAS 的 DBE 公式存在不足

DBE 通常采用公式 1 计算，表示已知化学分子式中双键数目的总和。对于利用 FT-ICR MS 开展的 DOM 分子表征，DBE 是估计不饱和度的重要参数。通常，PFAS 的 DBE < 5，并可使用公式 2 进行计算。

DBE = 1 + ∑_i n_i(v_i ? 2)/2

DBE_conv = 1 + (2C ? H ? F ? Cl ? I ? Br + N + P + 0S)/2

其中，n_i 为各元素 i 的原子数，v_i 为各元素 i 的化合价，DBE_conv 为 DBE 的传统定义，C、H、F、Cl、I、Br、N、P 和 S 分别表示化学分子式中碳、氢、氟、氯、碘、溴、氮、磷和硫原子的数目。

对于大多数 PFAS，硫存在于磺酸或磺酰胺官能团中。由于这些官能团中 S═O 键的电子结构更接近于硫氧单键（S–O），因此这些基团中的硫原子电荷态可赋值为 ?2。因此，磺酸和磺酰胺基团中的 S═O 键对 PFAS 的不饱和度不产生贡献。在这种情况下，对于六类常见含硫 PFAS，即全氟烷基磺酸（PFSA）、氟调聚体磺酸（FTSA）、全氟辛烷磺酰胺（FOSA）、全氟辛烷磺酰胺乙酸（FOSAA）、全氟辛烷磺酰胺乙醇（FOSE）和全氟烷基醚磺酸（PFESA），公式 2 能够准确计算 DBE。

然而，上述方案并不适用于含有五氟硫基（-SF₅）的新兴 PFAS 类别，例如五氟硫代全氟烷基羧酸（SF₅-PFCA）、SF₅-PFSA 和 SF₅-ether-PFSA；这些物质已经在水成膜泡沫、受影响土壤和组织样品中被检出。五氟硫基结构单元以其高电负性、化学与热稳定性以及低表面能而闻名，因此含 SF₅ 的 PFAS 在医用和光电材料领域的应用引起了关注。使用公式 2 计算时，含 SF₅ 的 PFAS 会得到负 DBE 值，这凸显了传统 DBE 定义在这类新兴关注化合物中的内在问题。这些 PFAS 中独特的 -SF₅ 结构单元包含一个高配位硫原子，该硫原子与五个氟原子及第六个原子成键，第六个原子通常为碳（如 SF₅-PFSA）或氧（如 SF₅-ether-PFSA），此时硫原子的价态为 +6。因此，研究人员对广泛使用的 PFAS 的 DBE 计算公式 2 提出小幅修正，形成公式 3。

DBE_PFAS = 1 + (2C ? H ? F ? Cl ? I ? Br + N + P + 4S_SF5 + 0S₀)/2

其中，S_SF5 为 -SF₅（五氟硫基）中的硫原子数，S₀ 为其他含硫基团（如磺酸和磺酰胺）中的硫原子数。

所提 DBE 公式在 PFAS 非靶向分析中的应用

常见 PFAS 的 DBE 值采用公式 2 和公式 3 进行计算。对于含 SF₅ 的 PFAS，按照公式 2，通式 SF₅-PFCA、SF₅-PFSA 和 SF₅-ether-PFSA 的 DBE 值分别为 ?1、?2 和 ?2。在实际应用中，公式 2 常直接用于全扫描 FT-ICR MS 谱图，而不预先考虑已指认化学分子式对应的具体结构。SF₅-PFCA 的 DBE 为 ?1，指示该 PFAS 含有一个 -SF₅ 结构单元以及一个不饱和键，例如羧酸基；类似地，SF₅-PFSA 和 SF₅-ether-PFSA 的 DBE 为 ?2，则提示该 PFAS 含有单一 -SF₅ 基团且不含不饱和键。因此，由公式 2 得出的 DBE 值对于全扫描 FT-ICR MS 谱图中识别的 PFAS 在结构上具有一定信息价值，但这些数值与 DBE 的实际约束条件，即 DBE ≥ 0，并不相容。采用针对 PFAS 修正后的定义公式 3 后，通式 SF₅-PFCA、SF₅-PFSA 和 SF₅-ether-PFSA 的 DBE 值分别变为 +1、0 和 0。重要的是，对于不含 -SF₅ 基团的含硫 PFAS，公式 2 与公式 3 所计算的 DBE 值并无差异。

该文发表于《ACS ES》，聚焦于高分辨率质谱（HRMS）非靶向筛查中 PFAS 分子式指认所依赖的关键参数——双键当量（DBE）——的适用性问题。研究背景在于，全氟和多氟烷基物质（PFAS）因具有极强环境持久性而广泛存在于环境介质中，准确识别其分子组成是认识其赋存、环境归趋、迁移行为与毒性效应的前提。近年来，傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）与 Orbitrap 等高分辨率质谱技术推动了 PFAS 非靶向发现，但在复杂样品分子式批量指认过程中，DBE 等分子描述符的计算准确性直接影响结果解释。现有广泛使用的 DBE 公式能够较好适用于多数常规含硫 PFAS，但对于含五氟硫基（-SF₅）的新兴 PFAS，则会产生负值结果，从而暴露出传统定义与该类化合物结构特征不匹配的问题。因此，开展本研究的必要性在于：建立一种仍符合有机化学基本框架、又能正确处理 -SF₅ 结构单元的 DBE 计算方法，以提高新兴 PFAS 的识别准确度。

研究人员围绕 DBE 的定义进行了概念性修正与应用论证。论文首先回顾了 DBE 在溶解性有机质（DOM）和 PFAS 非靶向质谱解析中的常规用途，说明其本质上用于表征分子不饱和度；随后对传统 DBE 公式中硫元素处理方式的化学依据进行分析，指出在磺酸和磺酰胺等常见官能团中，S═O 键可按不贡献不饱和度处理，因此传统公式可适配 PFSA、FTSA、FOSA、FOSAA、FOSE 和 PFESA 等类别；接着，研究人员针对含 -SF₅ 的 PFAS，依据该结构中高配位硫原子与五个氟原子及第六个原子的成键特征，提出修正公式，将位于 -SF₅ 基团中的硫与其他含硫官能团中的硫区分处理；最后，研究人员比较传统公式与修正公式在不同 PFAS 通式上的计算结果，证明新公式可在不影响既有 PFAS 类别 DBE 结果的前提下，纠正含 -SF₅ PFAS 的不合理负值。论文的核心结论是：修正后的 DBE 定义既保留中性有机化合物 DBE 计算的一般框架，又能为含 SF₅ 的 PFAS 提供准确数值，应作为 FT-ICR MS 分子式指认中的适用筛选规则。其重要意义在于，该方法有助于在复杂混合物中识别此前可能被忽视的含 SF₅ PFAS，并支持进一步认识这一新兴 PFAS 亚类的环境赋存与归趋。

就主要技术方法而言，本文以理论公式修正和分子式层面的比较分析为核心方法。研究人员基于 DBE 的通用计算框架，结合 PFAS 中不同硫官能团的成键与价态特征，对传统公式进行针对性调整；随后以多类常见 PFAS 以及含 -SF₅ 的代表性 PFAS 通式为对象，对传统定义与修正定义的 DBE 结果进行对比；研究应用场景定位于 FT-ICR MS 全扫描非靶向分析中的分子式赋值与筛选。文中提及含 -SF₅ PFAS 已在水成膜泡沫、受影响土壤和组织样品中被检出，但本研究本身并非样本队列实验，而是围绕质谱数据解释规则开展的方法学讨论。

在研究结果部分，论文首先通过“广泛使用的 PFAS 的 DBE 公式存在不足”这一部分说明：传统 DBE 计算式虽然适用于多数常见含硫 PFAS，但前提是硫位于磺酸或磺酰胺等官能团中，此时 S═O 键不作为不饱和度贡献项，因此 PFSA、FTSA、FOSA、FOSAA、FOSE 与 PFESA 的 DBE 可被正确计算。该部分实际上通过官能团层面的化学结构分析，界定了传统公式有效性的边界条件。

随后，在同一部分后半段，研究人员进一步指出，对于新兴含五氟硫基的 PFAS，传统公式会失效。通过对 -SF₅ 基团的结构解析，论文说明该基团中的硫属于高配位状态，与五个氟及另一个碳或氧原子成键，硫的价态应按 +6 理解。这一结构特征使得传统 DBE 公式中对硫的处理不再适用，进而导致 SF₅-PFCA、SF₅-PFSA 和 SF₅-ether-PFSA 等化合物被计算出负 DBE 值。该结果表明，问题并非出在质谱检测本身，而是出在分子描述符计算规则与特定结构单元之间的不匹配。

在“所提 DBE 公式在 PFAS 非靶向分析中的应用”部分，研究人员给出了修正公式，并检验其在不同 PFAS 类别中的表现。比较结果显示，按照传统公式，通式 SF₅-PFCA、SF₅-PFSA 和 SF₅-ether-PFSA 的 DBE 分别为 ?1、?2 和 ?2；而按照修正公式，三者分别变为 +1、0 和 0。由此可见，修正公式有效恢复了 DBE 应满足的实际约束，即 DBE ≥ 0，同时保留了与化学结构相一致的不饱和度信息。对于 SF₅-PFCA，修正后的 +1 对应一个不饱和键；对于 SF₅-PFSA 与 SF₅-ether-PFSA，修正后的 0 与其不含额外不饱和键的结构特征相符。更重要的是，论文特别强调，对不含 -SF₅ 基团的含硫 PFAS，传统公式与修正公式所得 DBE 完全一致，这说明新定义并不会破坏既有 PFAS 类别的解释体系，而是一种兼容性良好的局部修正。

从结果的解释层面看，论文还指出传统公式虽然会给出负 DBE 值，但这些负值在某种程度上仍可对结构提供线索。例如，SF₅-PFCA 的 ?1 可提示分子含有一个 -SF₅ 基团和一个不饱和键，SF₅-PFSA 与 SF₅-ether-PFSA 的 ?2 则可提示存在单一 -SF₅ 基团且缺乏不饱和键。然而，这种“结构提示性”并不能替代化学上合理的 DBE 定义，因为负 DBE 与实际分子不饱和度约束不相容。因此，修正公式的价值不仅在于数值更正，还在于为非靶向筛查中的规则过滤提供了更加规范和可推广的依据。

讨论部分的核心在于，DBE 作为 FT-ICR MS 分子式赋值中的基础筛选指标，其计算规则必须与目标污染物类别的真实结构化学保持一致。对于新兴含 SF₅ 的 PFAS，如果继续沿用传统公式，可能导致这类化合物在数据处理流程中被误判、遗漏或解释不当。修正后的定义遵循中性有机化合物 DBE 计算的总体框架，只对 -SF₅ 中硫的贡献进行针对性校正，因此兼具化学合理性与方法实用性。论文由此强调，改进复杂混合物中化学分子式的 DBE 评估，将有助于先进高分辨率质谱方法识别新的含 SF₅ PFAS，并促进对这一新兴 PFAS 亚类环境存在形式与归趋行为的认识。

研究结论部分可译为：公式 3 所提出的修正 DBE 定义遵循中性有机化合物的一般框架，能够为含 SF₅ 的 PFAS 提供准确数值，并应作为 FT-ICR MS 谱图分子式赋值中的适用筛选规则。对复杂混合物中实测化学分子式 DBE 的改进评估，有助于借助先进高分辨率质谱方法识别新的含 SF₅ PFAS。准确计算 DBE 同样是识别此前被忽视的含 SF₅ PFAS 以及理解这一新兴 PFAS 亚类环境赋存和归趋所必需的。