液相色谱-质谱联用仪的使用——以氯氧化磺胺甲噁唑降解产物的分析与鉴定为例

高珊珊, 曲有鹏, 田家宇, 林 巍, 崔福义

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090; 2. 哈尔滨工业大学 生命科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 3. 广州市市政工程设计研究院, 广东 广州 510060)



液相色谱-质谱联用仪的使用
——以氯氧化磺胺甲噁唑降解产物的分析与鉴定为例

高珊珊1, 曲有鹏2, 田家宇1, 林 巍3, 崔福义1

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150090; 2. 哈尔滨工业大学 生命科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 3. 广州市市政工程设计研究院, 广东 广州 510060)

利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对氯氧化磺胺甲噁唑的降解产物进行定性分析,是综合实验。该实验有效结合了前期的科研成果,涉及到水处理领域中的氯氧化工艺和现代色谱学、质谱学等学科内容,知识要点多,实用性和可操作性强,有利于提高学生综合实验能力和科研能力。该综合实验也可作为开放教学实验。

液相色谱-质谱联用仪; 综合实验; 氯氧化; 磺胺甲噁唑; 降解产物

近年来,随着社会对环境问题关注程度的不断提高,研究人员对各种环境污染物的迁移转化、降解和毒理学等方面研究也越来越深入[1-2]。在这样的背景下,研究人员对于环境分析技术的要求也势必越来越高,而大型精密仪器则逐渐成为高等院校和科研院所开展科研工作必不可少的支撑条件[3-4]。其中,高效液相色谱-质谱仪(LC-MS)由于具有灵敏度高、适用范围宽、可实现复杂基质的快速筛选等优点,在环境分析检测中发挥着越来越大作用,已成为目前发展最迅速的分析手段之一[5-8]。但由于LC-MS为现代化大型精密仪器,价格昂贵,在仪器维护、管理和实验操作方面较为复杂[9-10],目前很少有高校将该仪器的操作与使用应用于研究生实验教学工作中。哈尔滨工业大学市政环境工程学院目前拥有2台LC-MS,运行和维护良好。我们前期利用LC-MS技术,通过大量实验摸索,针对医药品——磺胺甲噁唑(SMX)的氧化降解产物,建立了十分有效的定性分析方法[11]。基于该研究成果,面向研究生开设了旨在介绍LC-MS技术的大型仪器综合实验,让研究生了解该联用仪的仪器结构和工作原理,基本掌握其使用和操作方法;学习如何有针对性的选择液质联用仪操作条件;了解氯氧化磺胺甲噁唑的基本原理和操作过程;掌握质谱数据图的分析方法,对未知物质进行定性分析。实验设计契合目前环境领域的热点问题,对于提高研究生的环境监测能力和仪器分析水平具有重要意义。该实验主要包括两部分:氯氧化SMX实验;LC-MS对氧化降解产物的分析与鉴定。

1 液相色谱-质谱联用仪结构和工作原理

本实验所使用的LC-MS (thermo finnigan LCQ Deca-XP LC/MSn) 由进样系统、色谱系统、PDA检测器、电喷雾电离离子源(ESI)、离子阱质量分析器、质谱检测器组成,此外还包括真空系统等辅助设备和数据处理系统。

工作原理:液相色谱根据分配原理,使不同组分得以分离;液相组分经过PDA检测器获得实验样品在所有波长下的响应情况;液相组分进入离子源,发生离子化生成带电离子;质量分析器将带电离子,按照不同的质荷比(m/z)分开;检测器获得离子质荷比和丰度的信号;数据处理系统将从PDA检测器和质谱检测器获得的信号放大、处理并给出相应的谱图。

2 实验用品

仪器:液相色谱-质谱联用仪,精密电子天平,pH计,恒温磁力搅拌器,超纯水仪,1mL和5mL量程手动移液器,250mL三角瓶若干。

药品和试剂:磺胺甲噁唑 (SMX,纯度99%),次氯酸钠溶液,盐酸,氢氧化钠,亚硫酸氢钠,色谱级甲醇,色谱级乙腈,色谱级甲酸,18.2Ω超纯水。

3 实验方案

3.1 实验试剂配制

配制：次氯酸钠储备液,SMX储备液,氧化反应终止剂硫代硫酸钠,0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH。

取250 mL三角瓶若干,加100 mL超纯水,分别加入不同量SMX储备溶液使其终浓度为2 mg/L,外加磁力搅拌器,用HCl和NaOH调节溶液pH=7,加次氯酸钠储备液,使其终浓度为2 mg/L,氧化反应进行5 min,取5 mL反应溶液加入试管中,并与试管中提前加入的硫代硫酸钠充分混匀。该混合液通过0.45

μm滤膜过滤后,注入液相样品瓶中进行LC-MS/MS的检测与分析。

3.2 液质联用仪运行条件及操作

液相分离使用C18柱(Waters XbridgeTM,2.1×150 mm,5 μm),柱温30 ℃,进样量20 μL,流动相A为乙腈，流动相B为超纯水(含0.1%甲酸)。采用梯度洗脱:0～1 min 10% A+90% B;1～25 min,A从10%增加至90%,而B则从90%降低至10%;25～30 min,90% A+10% B。流动相流速为0.3 mL/min。高纯氮气作为雾化和干燥气体,高纯氦气作为碰撞气体,喷雾室温度设为370 ℃,在正负离子化模式下(ESI+/ESI-)进行质谱扫描,m/z扫描范围50～600。当得到可能的降解产物时,比如得到m/z=270和m/z=288(290)的峰,则选择性对该质荷比物质进行二级质谱,质谱条件同上,轰击能量50%,根据全扫描得到的质谱图可以对二级质谱进行分段设置,这样通过1～3次二级质谱扫描即可得到所有产物的二级质谱图。

4 实验结果与讨论

通过上述实验操作,即可获得以质荷比为横坐标,信号强度为纵坐标的质谱图。在液相色谱-质联用仪的使用过程中,质谱图的解析至关重要。由于氧化过程中经常发生不完全氧化,所以SMX氧化降解产物和SMX物质本身的结构特征通常具有一定相似性。因此,对于SMX质谱的离子碎片进行鉴定和定性有利于对SMX氧化降解产物结构的鉴定。

然后,通过该方法我们可获得10余种SMX的氯氧化降解产物,其中,以产物1(m/z=270,ESI+)和产物2(m/z=288,ESI+)为例解析质谱图,完成对未知物的定性分析。

产物1的二级质谱图如图2所示,离子碎片m/z=99.05、161.18的出现表明异恶唑结构的存在,而离子碎片m/z=204.00、176.35、171.84、124.09、108.02分别对应SMX二级质谱碎片m/z=187.97、160.26、155.94、108.19、91.99加上16,即表示SMX苯环上的一个H被—OH取代。由于苯环上的H相对于苯胺氮上的H原子更易被—OH取代,推测产物1的结构为苯环上临位或者间位的H原子被—OH取代[12]。

图1 SMX二级质谱图

图2 SMX氧化降解产物1的二级质谱图

5 结论

(1) 该实验有利于培养学生具有完整的实验思路和有条不紊的操作技能。氧化降解实验与产物分析实验相互联系,氧化实验进行得如何直接影响下一步采用LC-MS对降解产物的鉴定,而质谱图的解析是对氧化效能的评估,也直接关系到最终的结果。

(2) 以LC-MS 对未知物鉴定为主线,将先进、高端、适用性广的分析仪器融入实验教学中。以往的分析化学侧重基础实验,新型、大型仪器设备使用较少,但由于环境污染越来越复杂,对环境检测要求也越来越高,急需将先进、高端、适用性广的大型现代化分析仪器引入到实验教学中。

图3 SMX氧化降解产物2的二级质谱图

(3) 该实验设计具有一定的灵活性。学生不但可充分了解和掌握常规氧化工艺流程和液质仪器的结构、工作原理、操作步骤和分析方法，也可以让学生在一定范围内进行实验条件摸索及仪器调试,如改变氧化剂投加量、调节初始反应溶液pH值、调整质谱条件等，也可以尝试对其他降解产物的定性分析,有利于培养学生的学习兴趣、激发学生的主观能动性。

References)

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Use of liquid chromatography—mass spectrometry: Taking analysis and appraisal of degradation products of sulfamethoxazole formed during chlorine oxidation as an example

Gao Shanshan1, Qu Youpeng2, Tian Jiayu1, Lin Wei3, Cui Fuyi1

(1. School of Municipal & Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China; 2. School o Life Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China; 3. Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute,Guangzhou 510060,China)

The qualitative analysis of degradation products of sulfamethoxazole formed during chlorine oxidation process by using the large modern equipment,liquid chromatography—mass spectrometry (LC-MS/MS),is a new comprehensive experiment on instrument utilization for postgraduate students.The experimental design is based on previous research achievements,and many knowledge points are involved,such as the chlorine oxidation process in water treatment,modern chromatography,mass spectrometry,etc.The experimental content has much higher practicability and maneuverability,which can be helpful for improving the comprehensive experimental capabilities and research capabilities of postgraduate students.The experiment can also be used as an open teaching experiment.

liquid chromatography—mass spectrometry; comprehensive experiment; chlorine oxidation; sulfamethoxazole; degradation product

2014- 06- 12 修改日期：2014- 07- 31

国家自然科学基金青年科学基金项目(51208140)

高珊珊(1981—),女,黑龙江大庆,博士,工程师,主要研究方向为色谱技术、质谱技术、环境功能材料.

E-mail：gsjy_2010@163.com

G642.423; X859

B

1002-4956(2015)2- 0097- 04