双(氢化牛脂基)二甲基季铵化合物的质谱裂解规律及色谱分离研究

朱 峰，卫 敏，杨瑜榕，陈金泉，连秋燕

(1.国家纺织服装产品质量监督检验中心(福建)，福建 福州 350026； 2. 福建省纤维检验局，福建 福州 350026)

双(氢化牛脂基)二甲基季铵化合物(dihardenedtallowdimethyl ammonium compounds, DHTDMAC)是一种季铵盐型阳离子表面活性剂[1-3]，是一系列双烷基二甲基季铵化合物的混合物[1-4]，主要用于织物的柔软剂和抗静电剂、洗涤剂、杀菌剂、防腐剂和个人防护用品[5]。

DHTDMAC的生物降解能力差，在污水处理过程中易被污泥、沉积物和土壤吸附，可在自然环境中持续累积[6-8]，对环境影响较大。因此，欧盟委员会纺织品生态标签(Eco-label) (2002/371/EC决议)要求：纺织品中不得含有DHTDMAC，并明确指出禁止使用包括DHTDMAC在内的7种表面活性剂以及由它们组成的制剂和配方[9]。全球有机纺织品标准(GOTS)要求：在天然纤维加工、制造、标识、贸易和分销等全过程中禁用季铵盐化合物[10]。挪威PoHS(消费性产品中禁用的有害物质)法令规定，所有相关产品中DHTDMAC的含量不得超过0.1%(质量分数)[11]。

目前，国内外有关DHTDMAC的研究主要包括毒理学[6-8]和残留检测。残留检测研究多见于环境领域，在水体沉积物[1-2,12-16]、废水[15,17]、雨水[18-19]、河水[15,20]中均有DHTDMAC的单个组分被检出的报道；在消费品领域的报道较少，丁友超等[21]和李全忠等[22]分别对纺织品和助剂中双十六烷基二甲基氯化铵、十六烷基十八烷基二甲基氯化铵和双十八烷基二甲基氯化铵的检测方法进行了研究。上述文献一部分研究[1-2,7,16]笼统地把DHTDMAC作为一个整体进行分析；另一部分研究[6,12-15,17-22]主要集中在烷基链长为C14、C16、C18的DHTDMAC组分，都未能对DHTDMAC混合物的成分进行分析研究。因此，研究一种能够快速确定DHTDMAC烷基链长分布和组分的分析方法具有重要的意义。

电喷雾电离(ESI)作为一种先进的软电离技术，既可以得到化合物的相对分子质量，又能得到较为丰富的碎片结构信息，在化合物结构解析中的应用越来越广泛[23-26]。因此，本工作拟采用高效液相色谱-电喷雾三重四极杆串联质谱联用技术对DHTDMAC进行分离和鉴定，通过多级质谱解析，推断其标准品中所包含的16种DHTDMAC，并建立DHTDMAC的定性定量分析方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与装置

Agilent 1290 Infinity液相色谱系统：美国Agilent 公司产品，配有在线脱气机、高压二元泵、柱温箱及自动进样器；G6410B Triple Quad 三重四极杆质谱仪：美国Agilent 公司产品，配有电喷雾离子源及MassHunter Workstation 数据处理系统；ABW-2001-U型纯水仪：艾科浦公司产品。

1.2 主要材料与试剂

甲醇(色谱纯)：德国Merck公司产品；甲酸(色谱纯)：德国CNW科技公司；实验用超纯水：经纯水仪纯化制得。

双(氢化牛脂基)二甲基氯化铵标准品(DHTDMAC, CAS: 61789-80-8)：美国Sigma-Aldrich公司产品。

1.3 实验条件

1.3.1 色谱条件 Agilent ZORBAX RRHD Eclipse Plus C18柱(2.1 mm×50 mm×1.8 μm)；柱温40 ℃；流动相：甲醇(A)和0.1%甲酸水溶液(B)；梯度洗脱：0～4 min、70%A～100%A，4～6 min、100%A，6～7 min、100%～70%A，7～10 min、70%A；进样体积5 μL；流速0.25 mL/min。

1.3.2 质谱条件 电喷雾正离子扫描(ESI+)；雾化气(N2)压力2.07×105Pa；离子喷雾电压4 000 V；干燥气(N2)温度350 ℃；干燥气流速8 L/min；质量扫描范围m/z25～1 300；采集数据方式：全扫描，选择离子扫描，子离子扫描，中性丢失扫描，母离子扫描，多反应监测。

1.4 标准工作溶液配制

精确称取50 mg DHTDMAC标准品，用甲醇定容至10 mL容量瓶中，浓度为500 mg/L，作为标准储备液，冷藏保存。

准确移取1 mL 500 mg/L标准储备液，用甲醇定容至100 mL容量瓶中，浓度为5 mg/L，作为标准工作溶液，用于质谱分析，冷藏保存。

2 结果与讨论

2.1 电喷雾一级质谱分析

双(氢化牛脂基)甲基季铵化合物的质谱图示于图1。图1 b是图1 a中局部(1)的放大图，DHTDMAC各组分经ESI电离出X-，生成特征离子峰[M-X]+，分别为m/z439、467、481、495、509、523、537、551、565、579，并通过中性丢失扫描和母离子扫描得到确证。从参考文献[1-4]以及串联质谱提供的结构信息，共鉴定出DHTDMAC的16种化合物：C10∶C18 (1)，C12∶C16 (2)，C14∶C14 (3)， C12∶C18 (4)，C14∶C16 (5)，C15∶C16 (6)，C14∶C17 (7)，C16∶C16 (8)，C14∶C18 (9)，C15∶C18 (10)，C16∶C17 (11)，C16∶C18 (12)，C17∶C18 (13)，C18∶C18 (14)，C18∶C19 (15)，C18∶C20 (16)。其中，化合物2、5、8、12、14被欧洲化学品管理局[4]收录；化合物3、5、8、12、14与文献[14]的鉴定结果一致。化合物1、4、6、7、10、11、13、15、16为鉴定得到的新组分。

化合物12的特征离子峰为基峰，化合物14和9的特征离子峰强度也较高，提示上述碳链C16和C18为DHTDMAC的主要烷基链长分布，链长分布为C10～C20，与文献[1-4]相符。

图1c显示一系列质荷比为m/z579+14n(n=1～17)的离子峰，初步推测为更长碳链烷基的DHTDMAC，但由于响应太低，未能对其进行裂解规律的分析。一级质谱图(图1d)中m/z1 024、1 052、1 080、1 108、1 136为m/z495、508、522、536、550的2倍体离子[2M-Cl]+，与文献[27]描述的规律一致，并经MassHunter Workstation数据处理系统中同位素分布计算器模拟验证。

注：a.全扫描图；b.图a中局部(1)放大图，即化合物1～16；c.图a中局部(2)放大图，即m/z 579+14n(n=1～17)；d.图a中局部(3)放大图，即[2M-Cl]+图1 双(氢化牛脂基)二甲基氯化铵标准品的质谱图Fig.1 Mass spectrum of DHTDMAC standard

2.2 串联质谱分析

以化合物1(2,3)、4(5)、6(7)、8(9)、10(11)、12、13、14、15、16的[M-X]+特征离子峰为母离子，通过碰撞诱导解离进行二级质谱(MS/MS)分析，结果示于图2。在二级质谱图上能见到DHTDMAC表面活性中心氮原子与大的烷基取代基断裂得到的子离子[M-X-R+H]+以及直链烷基简单裂解的特征系列峰簇(C3H7+、C4H9+)，其主要碎片信息列于表1，推测的化学结构示于图3，分子式为CnH2n+4NX。

在分析相应化合物的二级质谱得到的骨架裂解信息时发现，这16种化合物的骨架裂解离子都是通过氮原子与大的烷基取代基断裂而得到的，示于图4，这应为DHTDMAC特征的骨架裂解途径。由于季铵盐阳离子中心氮原子具有很强的给电子能力，长链烷基与氮原子间σ键断裂，失去大的烷基，形成[M-R+H]+阳离子和长链烷基自由基，长链烷基自由基通过半异裂形成特征CnH2n+1+系列峰簇，C3H7+(m/z43)和C4H9+(m/z57)的响应较高。

图2 双(氢化牛脂基)二甲基氯化铵的子离子扫描图Fig.2 PI chromatograms of DHTDMAC

化合物编号特征离子峰[M-X]+MS/MS子离子峰1(2,3)439298[M-X-R1+H]+, 186[M-X-R2+H]+270[M-X-R1+H]+, 214[M-X-R2+H]+242[M-X-R+H]+43 C3H7+,57 C4H9+4(5)467298[M-X-R1+H]+, 214[M-X-R2+H]+270[M-X-R1+H]+, 242[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+6(7)481270[M-X-R1+H]+, 256[M-X-R2+H]+284[M-X-R1+H]+, 242[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+8(9)495270[M-X-R1+H]+298[M-X-R1+H]+, 242[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+10(11)509298[M-X-R1+H]+, 256[M-X-R2+H]+284[M-X-R1+H]+, 270[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+12523298[M-X-R1+H]+, 270[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+13537298[M-X-R1+H]+, 284[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+14551298[M-X-R1+H]+43 C3H7+,57 C4H9+15565298[M-X-R1+H]+, 312[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+16579326[M-X-R1+H]+, 298[M-X-R2+H]+43 C3H7+,57 C4H9+

图3 双(氢化牛脂基)二甲基季铵化合物的结构Fig.3 The structures of DHTDMAC

图4 DHTDMAC的特征骨架断裂途径Fig.4 The characteristic MS/MS fragment pathway of DHTDMAC

2.3 液相色谱分析

DHTDMAC是一类具有不同碳数和不同链长烷基的季铵化合物的混合物，即除了含有不同碳数的季铵化合物外，还含有一定数量同分异构体的混合物。本实验比较了甲醇-水、甲醇-0.1%甲酸水、甲醇-10 mmol/L甲酸铵水混合溶剂体系作为流动相时，对DHTDMAC混合物的色谱分离行为和离子化响应的影响。研究表明，当流动相为甲醇-0.1%甲酸水时，色谱峰的峰形最窄，分离度及离子化效果均较好。因此，选择甲醇-0.1%甲酸水作为流动相。采用梯度洗脱进行色谱分离实验，其色谱保留特点是保留时间随着碳数的增加而增大，但具有相同碳数、不同链长烷基的DHTDMAC在色谱上较难实现完全分离。16种DHTDMAC的色谱图示于图5。

图5 16种双(氢化牛脂基)二甲基季铵化合物的MRM色谱图Fig.5 MRM chromatograms of sixteen DHTDMAC mixtures

3 结论

本工作建立了液相色谱与电喷雾三重四极杆联用方法，在电喷雾正离子扫描模式下，研究了DHTDMAC的一级电离规律和二级质谱裂解规律，通过梯度洗脱和多反应监测，检测出16个有关组分，并对其结构进行鉴定，这对于此类化合物的进一步研究具有重要意义。一级质谱全扫描显示还有更高质荷比的DHTDMAC，呈现出m/z579+14n(n=1～17)，但由于响应过低，暂时无法进行有效的确证。接下来，将应用现阶段成果，结合合适的前处理方法，进行纺织助剂中DHTDMAC的监控，以助于评价该类化合物对人类和环境的影响。

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