广东工业大学安太成教授团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“单体同位素分析技术示踪溴化有机化合物来源、转化机制以及生物代谢方面的新进展（New advance in the application of compound-specific isotope analysis (CSIA) in identifying sources, transformation mechanisms and metabolism of brominated organic compounds; DOI: 10.1080/10643389.2021.1993053; Published online: 22 Oct 2021）”的特邀综述。
溴化有机化合物（Brominated organic compounds, BOCs）来源于自然和人类活动，在环境中大量存在。大多数BOCs是有危害的，对环境和人类健康构成重大风险。控制这些污染物需要了解其来源、行为和最终环境归宿。单体同位素分析（Compound-specific isotope analysis, CSIA）技术已成为环境、生态、地球化学等许多研究领域取得科学突破的重要工具，可以帮助科学家阐明BOCs的来源、转化途径和归宿。近几十年来，气相色谱-燃烧-同位素比值质谱（GC/C/IRMS）和气相色谱-多收集器-电感耦合等离子体质谱（GC/MC/ICPMS）的出现，极大地发展了CSIA在BOCs稳定同位素分析中的应用。本文首先介绍了目前质谱法测定BOCs碳、氢、氧和溴稳定同位素的分析方法。然后，综述了其在识别来源、追踪转化途径和生物代谢方面的应用。综述也包括基于反应机理，探讨了（生物）化学反应动力学同位素效应关系。最后，该综述强调了溴同位素效应、多同位素富集效应和特定位置同位素研究方面未来的挑战和前景。本综述以对未来研究的展望作为结束，这些研究可能有助于增快CSIA技术领域的发展。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
溴化有机化合物（BOCs）是环境中常见的有机污染物，当前已经引起了环境科学、大气化学、海洋化学和环境地球化学领域科学家的广泛关注。BOCs在环境中既有自然来源，又有人为来源。自然界中的BOCs约有1600种，由非生物过程、光化学、铁介导和酶反应等过程产生。例如，溴化苯酚可由藻类、多毛类和半脊柱类等海洋生物代谢排放。人为源的BOCs主要来自工业生产和使用过程，阻燃剂、杀虫剂、杀菌剂、消毒剂、汽油添加剂和溶剂等。BOCs通过溴气对碳氢前体物的溴化和溴化前体物的加成反应生成，在农业生产、工业排放以及城市污染物被大量释放。环境中，BOCs通过各种化学和生物化学进行转化，C-Br键断裂形成脱溴产物。BOCs在野生动物和人体血液和组织中被检测到较高的浓度。不幸的是，大多数BOCs具有环境持久性、生物积累性、远距离传输和毒性。因此，很多的研究都集中在BOCs的环境来源、迁移传输、转化机制、生态毒性以及最终环境归趋。由于单体同位素分析（CSIA）技术可以示踪BOCs的环境来源、转化机制以及生物代谢，因此吸引了众多科学家的极大兴趣。C、H、O和Br是BOCs的主要元素，它们在自然界中存在两种或两种以上的稳定同位素。不同稳定同位素之间比值可以利用同位素比值质谱仪进行测定。为了消除同位素比值质谱仪系统误差和校准稳定同位素比值，采用了国际原子能机构发布的国际稳定同位素参考标准品进行标准化校正，获得有机化合物元素稳定同位素比值。稳定同位素比值通常用符号delta（δ）‰表示（Eq. 1）:
其中，δhEsample代表样品中元素相对于标准品的稳定同位素比值。R（hE/lE）std和R（hE/lE）sample分别代表标准品和样品中重同位素（hE）与轻同位素（lE）相对丰度比值。1表示从R（hE/lE）std/R（hE/lE）std分馏中减去1；当样品的δhEsample值为正值时，表示样品中的重同位素相对参考标准物质是富集；相反，如果是负值时，表示样品中的重同位素是稀释。通常，稳定同位素变化值是在千分之一范围内，因此稳定同位素比值最终结果将乘以因子1000。测定的稳定同位素比值数据必须通过国际参考标准品进行校正，以便不同实验室之间进行对比。标准校正的方法主要有：单点校正法、两点线性校正法、两点或多点线性归一法等。地球上C元素中98.889%为¹²C稳定同位素，1.111%为¹³C稳定同位素。有机化合物¹³C/¹²C值是通过测定CO2气体中质量数为45的¹³CO2和质量数为44的¹²CO2来实现，用符号δ¹³C（‰）表示，以美国南卡罗来纳州白垩纪箭化石（PDB）为国际参考标准品。有机化合物δ¹³C值的分析主要是利用气相色谱接口燃烧串联同位素比值质谱仪（GC/C/IRMS）。该系统中，气相色谱安装高分辨率毛细色谱分离柱，接口连接在线燃烧装置，氧化燃烧产生的混合气体经纯化后进入同位素比值质谱仪。毛细色谱柱先对混合有机化合物进行分离，分离后的有机化合物以单体形式，以氦气为载气输送到装有氧化铜/金属铂/镍线催化剂的陶瓷燃烧反应管中进行氧化还原，生成CO2、N2和H2O气体，通过吸水的Nafion管去除H2O，其他气体通过真空管进入同位素比值质谱仪进行测定。CO2气体在电子轰击作用下失去电子带正电荷，带正电荷的CO2离子在磁场作用下根据质量不同而分离成质荷比为44、45和46的三种离子，而同位素比值质谱仪中固定的法拉第接收杯接收不同的离子。高分辨毛细色谱分离柱使混合有机化合物相互分离形成单体，同位素比值质谱仪测定单体有机化合物的δ¹³C值。同位素比值质谱仪的离子源和固定的法拉第接收杯不能直接分析有机化合物分子δ¹³C，而是依赖于有机化合物燃烧产生的CO2气体进行分析，方法的标准偏差在0.2‰~0.5‰。δ¹³C值分析已广泛被用于研究BOCs，如多溴联苯醚、溴化苯酚、四溴双酚A、二溴乙烷和溴化乙烯等。已有研究报道了GC/C/IRMS测定BOCs中δ¹³C值，不同的BOCs的δ¹³C值分析方法也不一样。对于挥发性强或弱极性的BOCs，毛细色谱柱分离后，同位素比值质谱分析单体化合物的δ13C值。例如，Vetter等利用GC/C/IRMS测定两种多溴联苯醚工业产品中多溴联苯醚同系物单体的δ13C值。对于低挥发性或强极性的BOCs，如含有羟基、羧基或氨基基团，需要衍生化剂降低BOCs的极性或提高挥发性，改变BOCs的热稳定性和提高色谱分离效果。本文的第一作者熊等前期通过N,O-bis(trimethylsily)trifluoroacetamide衍生化试剂对酚类溴代阻燃剂进行衍生化，建立了酚类溴代阻燃剂δ¹³C值的分析方法。地球上元素中，H元素是最容易发生稳定同位素比值变化的元素，因此常常分析有机化合物的H稳定同位素比值变化。H稳定同位素比值以δD（‰）值表示，采用维也纳标准平均大洋水作为标准（V-SMOW）进行校正。1998年，科学家首次利用GC/IRMS测定有机化合物的δD值。δD值的测定是有机化合物在高温条件下热裂解释放出H2，在电子轰击作用下失去电子带正电荷，同位素比值质谱对质量数为2的¹H-¹H和质量数为3的²H-¹H进行测定。氢同位素测定需要一个燃烧裂解管，填充有氧化铬，而不是用于C和N测定的氧化铜。由于H同位素的分析以He为载气（He/H2~500）以及有机化合物热裂解转化的不完全，使得分析δD值的精确性不如δ¹³C和其他元素。另外，由于²H的天然丰度较低（仅占所有H元素的0.0156%），使得同位素比值质谱仪很难产生足够强的²H离子电流来获得足够的精确度，标准偏差范围一般为2.0‰-5.0‰。O含有¹⁶O（99.762%）、¹⁷O（0.038%）和¹⁸O（0.200%）三种稳定同位素。O稳定同位素（¹⁸O/¹⁶O）比值用δ¹⁸O（‰）表示，同样以V-SMOW标准品进行校正。δ¹⁸O值的测定依赖于有机化合物热裂解和还原，使得C定量转化为CO进行测定。1996年，第一台商品化用于测定有机化合物δ¹⁸O值变化的气相色谱串联同位素比值质谱仪（GC/IRMS）诞生。该仪器在气相色谱和同位素比值质谱之间引入了热裂解反应器，将有机化合物分子结合的氧特异转化为CO分析物，并通过同位素质谱仪分析获得δ¹⁸O值。热裂解反应器内部由衬有铂或镍金属线的三氧化二铝构成。δ¹⁸O值通过测定CO离子流强度实现，分别监控质量数为28的C¹⁶O、29的C¹⁷O和30的C¹⁸O。Br含⁷⁹Br和⁸¹Br两种稳定同位素，天然丰度分别为50.7%和49.3%（⁸¹Br/⁷⁹Br = 0.97277）。Br稳定同位素的比值（⁸¹Br/⁷⁹Br）用δ⁸¹Br（‰）表示，δ⁸¹Br值是相对于参考标准品的δ⁸¹Br值。δ⁸¹Br值对于研究BOCs的环境来源、降解和转化机制具有潜在有效的证据。由于Br相对质量较大，⁷⁹Br和⁸¹Br之间质量差异很小，因此它们比值的变化非常微小，研究δ⁸¹Br值变化需要更为精密的仪器。Br稳定同位素的研究始于1978年。采用双路进样同位素比值质谱仪测定溴甲烷中Br稳定同位素的组成，δ⁸¹Br值的相对标准偏差为7×10⁻⁶。该方法不能分析混合有机化合物单体中的δ⁸¹Br值。2007年，美国Sylva教授等首先引入气相色谱-多接收感应耦合等离子体质谱仪（GC/MC/ICPMS）测定三种溴化苯混合物单体δ⁸¹Br值。基于毛细色谱柱对三种溴化苯混合物的在线分离，将单体溴化苯引入多接收感应耦合等离子体质谱进行δ⁸¹Br值分析。该方法对样品不需要任何预化学转化，可以直接测定单体化合物δ⁸¹Br值。该方法中，当Br含量在0.3 nmol时，δ⁸¹Br值测定的标准偏差小于0.3‰。Br含量大于0.3 nmol时，分析标准偏差在3倍信噪比内。另外，1,4-二溴苯用于测定δ⁸¹Br值的参考标准品（研究中设定δ⁸¹Br = 0‰）。此后，以色列Gelman教授等采用锶（⁸⁴Sr/⁸⁶Sr）作为仪器质量偏差校正的外部标准进行仪器校正，大大提高了GC/MC/ICPMS测定δ⁸¹Br值的分析精确性。该方法分析含Br小于1 nmol的样品，分析标准偏差小于0.1‰。瑞士Holmstrand教授等在气相色谱和多接收感应耦合等离子体质谱之间构建加热转化线，利用GC/MC/ICPMS测定溴化联苯化合物的δ⁸¹Br值。该研究中，阻燃剂混合工业品Bromkal 70-5DE用于被测定混合物，其中的多溴联苯醚主要包含有BDE-47、-99和-100，使用已知δ⁸¹Br（-0.39‰）值的单溴苯为内标，对于单溴苯和多溴联苯醚测定的标准偏差分别小于0.4‰和1.4‰-1.8‰。单溴苯和多溴联苯醚分析精确度的差异主要是由于它们冷凝温度的不同，因此ICP炬管的温度设置不同而造成。瑞士Horst等利用GC/MC/ICPMS测定溴甲烷中δ⁸¹Br值。当样品量大于40 ng时，测定的标准偏差小于0.1‰。同样利用GC/MC/ICPMS首次测定了大气溴甲烷中δ⁸¹Br值。由此可见，随着GC/MC/ICPMS对BOCs的δ⁸¹Br值分析精确度不断提高，GC/MC/ICPMS成功用于分析BOCs中δ⁸¹Br值，相应的仪器流程如图2所示。目前利用GC/MC/ICPMS测定BOCs的δ⁸¹Br值的研究已广泛报道，如分析溴化苯、溴化苯酚、3-溴-2,2-双（溴甲基）丙醇、二溴乙烯和溴化乙烯等含溴的BOCs，并且标准偏差一般小于0.2‰。CSIA技术利用分子中元素稳定同位素比值示踪有机化合物环境来源与归趋。元素稳定同位素存在自然丰度，而自然丰度的变化是很小的，通常在1/104数量级。元素稳定同位素丰度的精确分析可以给科学家提供来源方面的重要信息。然而，传统稳定同位素比值质谱仪分析精确性差和灵敏度低，因此稳定同位素比值分析的应用受到了极大的限制。传统稳定同位素比值分析仪需要昂贵标记的高含量有机化合物样品和样品量巨大，因此它会受到样品量、样品通量性质以及分析仪器手动制备气体样品等限制。70年前，首先在美国明尼苏达大学的地球化学实验室成功测定了单体有机化合物C、N和O稳定同位素，但是真正商业化的气相色谱/燃烧/同位素比值质谱仪（GC/C/IRMS）出现于30年前。该仪器技术的诞生使精确测定单体有机化合物中C、N、O和S等稳定同位素组成成为现实。它需要的样品量小和高通量性，因此越来越多地应用于地球科学、生态科学、海洋科学以及环境科学等领域。通常，有机化合物稳定同位素组成的分馏变化是由于与质量相关的同位素分馏效应引起的，即轻同位素比重同位素反应更快。同位素分馏效应发生在有机化合物的生产、再生产、储存以及处置过程，但是在非反应过程中保持相对稳定的，因此有机化合物稳定同位素比值可用于环境来源示踪。CSIA技术也可用于示踪有机化合物转化途径与机制。化学反应可改变有机化合物元素稳定同位素的相对丰度，由于重同位素形成较强的化学键，因此比轻同位素反应更慢，导致底物中重同位素和产物中轻同位素的富集。稳定同位素的这种变化称之为同位素分馏。它主要来源于化学键的变化，特别是速控步骤化学键的断裂。同位素分馏导致了反应原子的动力学同位素效应（KIEs），而它能为化学反应途径与机制提供重要的信息。例如，在化学反应过程中，分析测定单体有机化合物稳定同位素变化，根据化学反应KIEs示踪化学反应途径与机制，因此，KIEs可阐明化学反应类型和机理途径。早前研究也证明了CSIA技术在示踪有机化合物转化反应与机制方面的广泛应用，图3是利用CSIA 技术示踪二溴乙烷转化机制（1. 亲核取代反应；2. Zn⁰脱除Br反应；3. 与芬顿发生自由基反应）。图3 二溴乙烷转化机制（1. 亲核取代反应；2. Zn⁰脱除Br反应；3. 与芬顿发生自由基反应）二维或多维（两种或两种以上元素）-CSIA技术的出现为示踪化学转化途径与机制提供新兴的更有力的手段。利用不同元素稳定同位素比值与化学反应途径机制相关联，因此二维或多维-CSIA技术也用来示踪有机化合物转化途径与机制。对于特定化学反应途径，当两种元素同位素分馏相关联时，此时同位素富集因子与对应的化学键裂解途径是可以被预测。众多研究表明了二维或多维-CSIA技术已应用于示踪化学反应途径与机制。例如，通过二维δ¹³C/δ²H示踪甲基叔丁基醚的生物转化途径，δ¹³C/δ¹⁵N示踪阿特拉津的降解机制。近年来二维δ¹³C/δ⁸¹Br也被用来示踪BOCs的转化途径和机制（图4）。与CSIA相比，二维或多维-CSIA分析了两种或两种以上元素稳定同位素，因此为有机化合物转化反应提供了更多同位素分馏数据，能更准确有效的示踪有机化合物的转化途径与机理。图4 溴化苯酚在乙醇和水溶液中的光降解转化途径（1. 溴化苯酚在乙醇和水溶液中的光降解途径以及主要的中间体；2. 光降解离子和自由基反应机制）CSIA技术用于示踪有机化合物在生物体内的积累和代谢转化，而且并被认为是一种非常有效的工具。例如，2,2’,4,4’,5-五溴联苯醚在锦鲤中主要转化为2,2’,4,4’-四溴联苯醚，而在卵鳎中主要是脱溴转化为2,2’,4,5’-四溴联苯醚。此外，现场研究发现相同物种中多溴联苯醚种类也不同。传统方法很难示踪饮食积累的多溴联苯醚和高溴联苯醚脱溴产生的多溴联苯醚之间的来源，而CSIA技术却可示踪多溴联苯醚具体的脱溴和营养代谢转化，并且已有研究利用CSIA技术示踪原位中多溴联苯醚的生物代谢转化。CSIA技术已成为示踪生物体中有机化合物来源和代谢转化途径越来越重要的技术手段。
本文全面系统地综述了CSIA技术在BOCs环境来源识别、转化机制以及生物代谢转化领域的应用，探讨了CSIA技术在BOCs的环境地球化学过程和行为方面的潜在应用。然而，CSIA技术是一项研究有机化合物环境地球化学研究的崭新技术，它的发展会给环境地球化学的发展带来突破，因此展望CSIA技术在以下方面有所发展：（1）开发应用更多元素稳定同位素分析；（2）开发发展化合物特定位置同位素富集方面的研究；（3）理论计算结合实验研究；（4）将CSIA应用于有机化合物生物积累、转化和代谢毒理。CSIA技术的应用为环境科学、生态学和环境地球化学的发展打开了一扇大门，对未来的科学发展具有巨大的潜力。熊举坤副教授，博士，硕士导师，广东工业大学环境健康与污染控制研究院和环境科学与工程学院“青年百人”副教授，博士毕业于中国科学院广州地球化学研究所，随后在中国科学院广州地球化学研究所开展两年的博士后研究工作。长期从事CSIA技术在有机化合物环境地球化学行为与过程、持久性毒害有机污染物非生物/生物降解转化机制、地下水体中有机污染物环境地球化学行为和有机污染物区域环境分布等领域的相关研究。在Critical Reviews in Environmental Science and Technology，Science of The Total Environment, Environmental Pollution，Chemosphere等期刊上已发表论文15篇，申请/授权中国发明专利4项；主持在研/完成国家及省部级项目5项，包括国家自然科学基金重大子课题、国家自然科学基金面上、国家自然科学基金青年等，参与包括国家重点研发、国家自然科学基金-广东联合重点、国家自然科学基金面上等国家及省部级项目6项。安太成教授，博导，广东工业大学学术委员会主任、环境健康与污染控制研究院院长，粤港澳污染物暴露与健康联合实验室主任、广东省环境催化与健康风险控制重点实验室主任。国家高层次人才计划、教育部高层次人才特聘教授和国家杰出青年科学基金获得者，全国模范教师，“广东特支计划”杰出人才(南粤百杰)和广东省科技创新领军人才、广东省环境工程专业珠江学者特聘教授，国家重点研发计划、广东省重点研发计划和广东省首批本土创新团队首席科学家，广东省丁颖科技奖、广东省五一劳动奖章和广东省优秀共产党员获得者。2021年带领团队分别获得广东省五一劳动奖状（劳模集体）和广东省五四青年奖章（集体）。长期从事新兴有机污染物的环境地球化学过程与健康效应、光化学与光催化迁移转化与风险消减机理方面的研究工作。重点开展有关环境大气和水体中毒害有机物环境净化消除与污染控制原理及其区域健康风险消减等方面的研发工作。在国内外相关领域的高水平期刊(如PNAS、JACS、Energy Environ. Sci.、Environ. Sci. Technol.、Appl. Catal. B-Environ.、J. Catal.、Water Res.和Environ. Sci. Nano)上发表发表SCI论文400余篇，被SCI引用13000余次，包括ESI%高被引论文10余篇和热点论文2篇。入选全球学者库网站公布“全球顶尖前万名科学家排名”榜单，2014年-2020年连续七年入选Elsevier发布的中国高被引学者榜单(环境科学类)。主持或完成国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目和重点国际合作项目、国家杰出青年科学基金、“珠江人才计划”首批本土创新科研团队项目、广东省重点研发计划项目、广东省自然科学基金团队项目等。目前为Appl. Catal. B-Environ.和Crit. Rev. Environ. Sci. Technol.杂志副主编及多个国际国内学术期刊编委和客座主编。还担任国际环境地球化学与健康学会(SEGH)亚太地区主席及其首批会士、SEGH中爱联盟中方主席、SEGH2017国际大会和第五届、第六届生物气溶胶研讨会主席等。环境健康与污染控制研究院网站：http://iehpc.gdut.edu.cn/安太成教授：https://yzw.gdut.edu.cn/info/1149/2721.htm
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