大气、水、土壤和沉积物中的DOM以其非凡的分子多样性为特征，而FT-ICR MS固有的超高质量分辨率和质量准确度使其拥有最大的潜力以进行最先进的DOM研究。天津大学地球系统科学学院戚羽霖教授等在Carbon Research首期上发表了题为“Deciphering dissolved organic matter by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS): from bulk to fractions and individuals”的综述论文，该论文对表征DOM的相关技术进行了简介，同时重点围绕FT-ICR MS，介绍了相关方法和原理、起源和发展、数据的处理和可视化、应用范例及新颖应用、当下问题与未来展望，为FT-ICR MS应用于DOM的研究奠定了基础。

一、摘要

探索天然有机物（NOM）的来源、转化途径和命运对于理解区域/全球碳循环和碳收支至关重要。NOM的溶解部分，即溶解有机物（DOM），是植物、动物和微生物物质转化产生的复杂混合物，在陆地-海洋-大气界面的许多生物地球化学过程中起着至关重要的作用。傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-ICR MS）的发展使得在分子水平上详细表征DOM成为可能。另一方面，复杂DOM样品的解析也带来了巨大的分析挑战，这些挑战也是FT-ICR MS仪器和方法开发的驱动力。这篇综述文章旨在帮助那些在生物地球化学、环境和大气化学以及研究元素循环和DOM转化的相关领域工作的人员。首先，已经介绍了基础理论，历史观点和在该领域的近期进展。环境和地质样品的详细分子表征仍然是重大的分析挑战，它也成为仪器和实验方法发展的驱动力。DOM分析的这些成就对环境科学、地球化学和分析化学领域产生了影响。接下来，还介绍了FT-ICR MS的各种应用，并展望了这项技术在地球科学研究中的前景。我们相信这篇综述涵盖了FT-ICR MS的基本配对，并共同为环境和地球化学科学家的研究提供了大量资源。

二、本文亮点

• 概述了应用FT-ICR MS解析DOM分子的原理和步骤

• 综述了FT-ICR MS在揭示环境和生物地球化学行为中的应用进展

• 介绍了用于环境中DOM结构解析的新型互补FT-ICR MS方法
  

三、引言

天然有机物（NOM）是降解的天然化合物的复杂混合物，在全球碳循环中起着至关重要的作用。溶解有机物（DOM）是指可以通过0.7 μm玻璃/石英纤维过滤器的大量有机物的溶解部分，使用具有超高分辨率和质量准确度（MA）的质谱（MS）可以获得DOM上全面的化学和分子组成概况。在不同的MS仪器类型中，飞行时间质谱仪（TOF）、轨道阱和傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-ICR MS）是三种高分辨率质量分析器。1974年首次推出的FT-ICR MS，目前在各种质量分析仪中具有最高的质量分辨率（R）和最佳的MA。因此，FT-ICR MS目前是地球化学、环境化学和大气化学领域的首选仪器，用于在分子水平上分析不同环境基质中的有机物，包括其性质和反应性，样品消耗量仅为微克量。

这篇综述文章总结了复杂DOM系统分析的历史、原理、近期进展、分析策略、新颖的应用和未来面临的挑战。

四、FT-ICR MS的原理

通常，样品首先必须被电离以产生气相离子，然后根据它们的质荷比（m/z）进行分析和检测，通过绘制信号强度与m/z的关系来生成质谱。在FT-ICR MS中，离子从离子源外部产生，聚集在离子光学系统中，并转移到离子回旋加速器单元中，该单元嵌入在空间均匀的磁场（B）和电场（E）中（图1）。来自离子的感应电流可以被检测为时间的函数，并被记录为正弦波的合成和，称为“自由感应衰减（FID）”。FID被傅立叶变换为频域信号，随后是相对于m/z域的质量校准。

图1.（a）封闭圆柱形单元的示意图（左）和实际照片（右）。单元与磁场（z轴）对齐；激发板和检测板位于xy平面上。捕获板位于单元的两端，沿轨道运行的离子显示为黄色。（b）如何激发、检测、记录和傅里叶变换离子以生成质谱的示意图。

五、历史和近期发展

超高分辨率质谱仪是分析复杂化学混合物不可或缺的工具。目前，FT-ICR MS拥有最高的性能，已广泛用于石油地质学研究，并继续成为开发实验方法、数据处理和新仪器的驱动力，同时也推动了许多其他领域的前沿发展。

现如今，各种分析方法（如UV、EEM）可用于DOM样品的批量分析，以估计其元素组成和平均结构。这些方法各有利弊，如UV和EEM对大体积样品的表征简单方便，但不能对样品进行分子水平的分析。此外，核磁共振和质谱是可以获取个体详细信息的现代仪器，而FT-ICR MS是一种具有足够的质量分辨率来分离和准确分配单个分子的元素组成的技术，从而允许对DOM组成、微生物分解途径和区域/全球循环的研究和更可靠的结论。当然，目前也有许多研究倾向于采用多种方法的结合来展现DOM的互补描述。Fievre等人（1997）利用国家强磁场实验室（MagLab）的FT-ICR MS首次分析了从苏旺尼河（Suwannee River）采集的溶解的NOM样品，从而开创了一个新的方向，从根本上改变了地球化学科学。在接下来的二十年里，更多的研究小组致力于这一领域。

在“Web of Science”中，以“FT-ICR MS”和“有机物”为关键词检索了2011-2020年的571篇论文（图2a）。如今，世界各地的许多团队都在研究复杂的NOM系统，包括原油、生物燃料、沥青、木质素、沉积物、土壤、大气气溶胶、饮用水等（图2 b）。

图2.（a）2011-2020年各论文中的关键词：圆点的大小表示其在所有论文中的权重，因为每篇论文由多个关键词组成，因此线条表示各论文之间的联系。（b）研究小组在复杂的NOM系统和有关领域工作的例子，对不同的样本类型和方法发展类别进行了标记。

六、DOM的提取

对于水溶性有机物（WSOM），在水样中存在的大量无机盐给超低DOM浓度的分析带来了巨大的挑战。DOM组分的脱盐、分离和浓缩是表征DOM的先决条件。

DOM的提取通常可以通过以下四种方法之一：（1）超滤；（2）直接干燥或冷冻干燥；（3）反渗透结合电渗析（RO/ED）；（4）固相萃取（SPE）。与其他技术相比，SPE已经被证明是“更简单、更快的技术”。因此，它是最适合的提取方法。在SPE中，当DOM样品流经预包装的色谱柱时，分子被保留在适当的固相上，然后用合适的溶剂将目标化合物进行洗脱。

而对于土壤有机质SOM的表征，有机化合物必须从土壤中提取且很少或没有化学变化。然而，由于没有一种提取方法能够从复杂的环境样品中完全恢复DOM成分，因此，在FT-ICR MS分析之前，应根据样品的条件仔细地选择方法。

七、DOM的电离技术

DOM的电离选择性主要由分子中的两个基本基团决定：极性和非极性基团。直到20世纪90年代末电喷雾电离（ESI）源的发明，MS才被用于DOM分析。这种技术将水溶液中的化合物电离，产生质子化或去质子化的分子离子（[M+H]⁺或[M-H]^-），以用于后续的质谱分析。负电喷雾电离（ESI-）主要用于DOM的MS研究，因其对极性酸性官能团具有高选择性，分析时只需要非常少量的样品。

在ESI过程中，样品溶液通过高电压形成带电液滴。液滴蒸发后，电荷集中，一旦电荷超过Rayleigh极限，液滴离解并产生离子。根据这一机理，ESI更倾向于极性更大的组分，在正模式下形成初级极性物质，在负模式下形成酸性极性物质。因此，为了全面表征环境样品，应考虑选择合适的电离条件，甚至是电离方法的组合。大气压电离源种类繁多，有如大气压光电离（APPI）、大气压化学电离（APCI）、激光解吸/电离（LDI）和基质辅助激光解吸/电离（MALDI）。

总的来说，不同的电离方法对DOM分子表现出不同的选择性。对于DOM的全面研究，方法的选择应满足特定的测量目的，涵盖所需的化合物类别，还要防止单个电离源的错误解释。

图3. MALDI（A）和ESI（B）中NOM的FT-ICR质谱图，m/z为200-800；MALDI（C）和ESI（D）中标称m/z为447的标称m/z段；MALDI-FT-ICR质谱图中标称m/z为439（E，MALDI奇数m/z）和标称m/z（F，MALDI偶数m/z）的FT-ICR质谱图。

八、数据可视化和处理

目前，已经开发了许多图形和统计方法来研究DOM，以可视化数据、分析样本、启用指纹识别和促进数据集之间的比较。

1.Van Krevelen图，应用最为广泛，其有助于对特定区域的同类化合物进行分类，并使分子间可能的联系直观化。绘制了氧、碳数和双键当量分布等柱状图，以研究DOM的化学特征。

2.Kendrick质量亏损（KMD），其可根据分子的同源结构单位（如CH₂的14.01565）重新调整分子的m/z单位，并允许数千个具有相同官能团的化合物进行比对。

3.芳香性指数（AImod），基于上述方法不断改进以从FT-ICR质谱数据中提取隐藏信息。例如，计算改进的芳香性指数（AImod）以反映给定元素式中的碳不饱和键密度。AImod ≥0.5的化合物通常被识别为芳香族化合物，≥0.67是多环稠合芳香族化合物的明确指标，而<0.5对应于非芳香族化合物。

4.多维化学计量化合物分类法（MSCC）,可根据C/H/O/N/P化学计量比将指定的DOM分子分为脂类、肽类、氨基糖类、糖类、核苷酸类化合物。

5.分子不稳定性边界（MLB）,可基于FT-ICR MS数据计算得到，通过将数据分为更多和更少的不稳定成分。在H/C≥1.5的MLB以上的DOM化合物对应于更不稳定的物质，而在H/C <1.5的MLB以下的DOM化合物表现出更不稳定、更难控制的特性。

由于FT-ICR MS数据的超复杂性，数理统计正变得越来越普遍；多变量分析可以将不同大小、结构和来源的原始DOM数据转换成模型。例如，主成分分析（PCA）、冗余分析（RDA）和Spearman相关分析已广泛应用于石油和环境样品，以表明样品之间的可变性和相关分子特征。

九、软件开发

复杂DOM化合物的质谱处理和表征，包括信噪比（S/N）过滤、质量重新校准、化学式同化、同位素验证和图形可视化等，现如今可通过如下免费或商用的计算机程序进行获取。

（1）.Formularity软件，由美国太平洋西北国家实验室的Andrey Liyu和Nikola T olić（2017）开发的免费软件。能够通过将测量的m/z值与预先构建的分子式库的理论m/z值进行比较，并根据非氧杂原子的最小数量和同源检查在多个模糊解决方案中选择最佳配方，从而为DOM的FT-ICR MS分配化学式。

（2）. MS可视化程序，由Kew等人（2017）发布的一种基于交互式网络浏览器的图形形式。该工具提供质心质谱、van Krevelen图、DBE对碳数图和AImod对碳数图，提供DOM质谱数据的强大可视化。然而，整个光谱处理必须使用命令行在用户的计算机上执行，因此要求用户具有足够的计算机知识。

（3）. UltraMassExplorer（UME），由Leefmann等人（2019）提出的一个完全基于web浏览器的工具。该网站提供了一个完整的数据评估过程，从元素成分的计算到数据可视化。质谱可以ASCII或CSV格式上传，由m/z信号和强度组成。处理后的数据可以通过交互式可视化，包括2D和三维van Krevelen图进行审查。然而，这些算法也有一些限制。例如，分子式化需要手动输入质谱数据，对于m/z超过500的峰，性能相对较差。同样，UME可以为一个峰分配多个分子式，因此，需要进一步过滤以选择最适合的分子式。

（4）. ICBM-OCEAN（奥尔登堡海洋环境化学和生物学研究所-复杂分子混合物，评估和分析），由Merder等人（2019，2020）、Riedel和 Dittmar（2014）推出的一个基于服务器的工具。该计划整合了已发表的新方法，包括去除噪声、边带和污染物、不同样品的光谱对齐、同位素比率过滤器线性分位数回归过滤器和基本统计分析（图4），以实现从FT-ICR MS获得的DOM的标准化分析。

（5）. MFAssignR代码，由Schum等人（2020）提出的一种基于R语言的代码，可以估计噪声、过滤13C和34S多异同位素质量、重新校准质量，并为Suwannee河和气溶胶DOM样品分配分子式。

（6）. TRFu代码、NOMDBP代码和FTMSDeu代码，由中国地质大学（武汉）的付庆龙等人开发且基于MATLAB的代码。TRFu代码与不同NOM类型（例如，淡水、海洋、土壤、大气气溶胶、生物炭）的负电荷模式FT-ICR MS谱兼容，分子式分配准确度高达94%。随后，TRFu代码进一步更新为NOMDBP代码和FTMSDeu代码，可同时指定NOM和有机卤素分子的化学式。除了¹³C、³⁷Cl和⁸¹Br同位素模式之外，已经提出了三种过滤规则和碘化分子的经验质量分布规则来提高有机卤素的分子式分配准确度。FTMSDeu代码还与氘标记的FT-ICR MS谱图兼容，为解析DOM分子中的易氢原子（主要是羧基和羟基官能团中的氢）和不易氢原子（如羰基或醚基中的氢）提供了一个强大的工具。

（7）. Petro org（mag lab）和Composer（Sierra Analytics，Inc）软件，由原油和相关材料分析专家开发的商用软件。

虽然用于吸收模式处理的软件可用于FT-ICR和Orbitrap MS，但它尚未广泛应用于DOM研究。为此，Da Silva等人（2020）测试了吸收模式，用于分析参考样品——Suwannee河天然有机物（SRNOM）,使用的分析品质因数包括精密度、准确度和再现性。结果表明，处理吸收模式质谱的额外处理实现了三倍的质量分辨率，并且对于含氮和硫的分子有显著的改善（图5）。

总的来说，对更高效的数据处理、可视化、指纹识别和样品间比较的需求正在滚雪球般增长。用于DOM数据处理的开放脚本、在线工具和商业软件无疑将在相关群体中进一步蓬勃发展，并在未来受到更多关注。

图4. ICBM‑OCEAN的工作流程，在每个关键步骤中，诊断工具都能够优化参数化，以获得稳健的结果。

图5.（a）Van Krevelen图，显示了在吸收模式的三次测量中分配给共有峰的新分子式的化合物类别（模式之间共有的峰以灰色显示）；（b）在模式之间共享的峰的m/z密度分布，并且在吸收模式中额外指定。

十、地球化学和环境科学典型应用

FT-ICR MS是分析复杂DOM样品的强大工具，与另一种分析技术的结合进一步提高了分离能力。例如，Qi等人（2021）利用LC-FT-ICR MS在线分析河水和雨水中的DOM。通过精密的仪器优化，在20分钟的液相色谱（LC）循环中，不同部分的金属盐、富含羧基的脂环分子、有机硫酸盐（OSs）和木质素类化合物被成功分馏（图6）。

Stubbins等人（2014）使用EEM/PARAFAC方法和傅里叶变换ICR质谱分析了加拿大魁北克北部的河水样本，以确定与EEM相关的分子特征（图7）。发现通过FT-ICR MS鉴定的39%的分子式与PARAFAC组分相关，表明FT-ICR MS和EEM/PARAFAC的结合提供了大得多比例DOM库的生物地球化学循环的信息。

图6.（a）LC-FT-ICR MS分析地表水（西南，蓝色）和雨水（RW，红色）样品的总离子流色谱图，其中标记了四种不同的组分。（b）四个组分的SW平均质谱（左）和组分SW II和SW III的m/z 364.96-365.25区域的质量比例扩展。含氮化合物标为黄色，含硫化合物（主要是OSs）标为蓝色。（c）四个组分的RW平均质谱和RW II和RW III组分m/z 364.96-365.25区域的质量比例扩展。

图7. Van Krevelen图展示了与PARAFAC组分相关的分子家族，数据点按分子量着色。

十一、新的应用

FT-ICR MS能力和方法的进步极大地惠及了地球化学和大气化学研究界。例如，Araújo等人（2014）甚至可以绘制和量化DOM分子的三维分布。她应用质谱成像(MSI)技术查看了桉树茎部手切部分的可溶性木质素的空间和横向分布。结果，很容易检测到丁香基和愈创木酚的比例，并进行了相对量化（图8）。

图8. 新鲜手切桉树茎段中芥子醇、松柏醇和对香豆酰基醇的间苯三酚染色和分布。为了进行相对量化，将数字转换为灰色图像。

最近，Fernandez-Lima小组通过对DOM结构表征进行基于元素分子式的离子淌度和MSⁿ分析，进一步扩展了TIMS-FT-ICR MS的界限（Leyva等人，2020）。在该报告的工作中，分离了标称质量为393的离子种类，包括同量异位素和同分异构体，五个IMS谱带被分配给前体离子[C₁₈H₁₈O₁₀-H]^-的非均质分布图，并与串联质谱（MSⁿ）获得的数据相关联（图9）。

图9.作为离子迁移率扫描的函数的离子种类分离和CID（底行）。[C₁₈H₁₈O₁₀-H]^-的异质离子淌度分布图指定了五个IMS谱带，并根据其离子淌度和MSⁿ匹配分数提出了候选结构。

十二、当前问题和未来工作

质谱学已经成为环境和地球科学中一个发展良好的非常有价值的工具。尽管这里总结了FT-ICR MS的基本原则、最新发展和重大成就，但仍存在许多有待解决的问题：

1.ESI虽是检测DOM最可行的方法，但仍有部分DOM不能被完全检测到。

2.电离过程产生的碎片和加合物会进一步使质谱复杂化并导致错误的信息。

3.质谱中观察到的化合物强度不能直接与其浓度联系起来。

4.由于DOM样品的复杂性，前端四极体上的标称质量分辨率不足以有效地将特定的分子离子从窄的m/z窗口中分离出来。因此，多个离子物种及其异构体将同时发生质量碎片，导致复杂的多级MS质谱谱图，由几个不同的前体离子表示。

开发用于处理、可视化和比较多个复杂数据集的软件正成为新的挑战，未来的工作需要考虑如下：

1.原始样品是固体或原位吸收时，提取有代表性的DOM用于质谱分析。

2.需要更好地考虑包括样品制备方案、基质效应、溶剂pH值、分子电离效率和仪器参数等因素对质谱中观察到的化合物的信号强度的影响，尤其是在比较不同批次和实验室的测量值。

3.对更广泛的化合物进行定量。

4.对复杂混合物的分子结构进行图解

本文所有图片均来自于原文Qi, Y., Xie, Q., Wang, JJ. et al. Deciphering dissolved organic matter by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS): from bulk to fractions and individuals. carbon res 1, 3 (2022). https://doi.org/10.1007/s44246-022-00002-8

本文由中国地质大学（武汉）环境学院已录取博士研究生吴仕希翻译。受作者学术水平限制，翻译稿中难免有不妥之处，敬请读者谅解。如有相关建议，请联系付庆龙，邮箱fuqinglong@cug.edu.cn.