基于密度泛函理论的三聚氰胺质谱裂解过程研究

任　昀，张庆合，黎晓玲，杨　总

(1.湖南省计量检测研究院，湖南 长沙　410014；2.中国计量科学研究院，北京　100013)



基于密度泛函理论的三聚氰胺质谱裂解过程研究

任昀1，张庆合2，黎晓玲1，杨总2

(1.湖南省计量检测研究院，湖南 长沙410014；2.中国计量科学研究院，北京100013)

摘要：本研究运用密度泛函理论的第一性原理计算方法，在考虑准分子离子自旋的情况下，采用B3LYP/6-311++G(2d,2p)高精度基组全自由度优化了各质谱碎片准分子离子的稳定几何构型，计算了质谱分析中三聚氰胺形成的各碎片离子的键断裂能，分析了3种中间离子碎片Mulliken原子电荷分布，进而推导出三聚氰胺的质谱裂解途径。计算结果表明，三聚氰胺准分子离子m/z127通过环断裂方式逐级裂解生成m/z85和m/z68碎片离子，其中部分m/z68碎片离子进一步裂解形成m/z43碎片离子。采用三重四极杆质谱仪，在正离子多反应监测扫描模式(MRM)下，观测到三聚氰胺质谱裂解的主要碎片离子有C2H5N4+(m/z85)、C2H2N3+(m/z68)和CH3N2+(m/z43)，且其质谱峰信号强度依次减小，该现象进一步验证了裂解能理论计算的可靠性。此外，实验还发现，准分子离子的质谱裂解途径主要受碎片离子Mulliken电荷分布及其化学键相互作用强弱的影响。该方法有助于三聚氰胺结构的准确鉴定，也可为三聚氰胺的检测、研究和应用提供理论依据。

关键词：三聚氰胺；质谱裂解过程；密度泛函理论；第一性原理

doi：10.7538/zpxb.youxian.2015.0050

网络出版时间：2015-11-16；网络出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20151116.1348.006.html

有机分子的结构特征与其质谱裂解规律之间存在一定的相关性，这使得质谱技术成为药物代谢、有机合成和结构解析强有力的工具之一。大多数质谱碎裂是单分子离子的分解反应，研究和阐明各类化合物的质谱特征和裂解机理已成为质谱研究的热点[1-2]，且运用量子化学和分子力学等计算化学方法研究裂解机理问题可起到实验无法替代的作用[3-4]。很多研究人员在质谱结构解析上做了大量工作，其目的是找到化合物结构(或子结构)与其质谱行为的对应关系[5-6]。欧阳永中等[7]根据密度泛函理论，首次提出通过计算和分析分子离子的自旋密度及其中性分子到分子离子的电荷和键长变化来确定初始电离位点的新方法，并对吲哚类生物碱在EI源条件下离子裂解过程中涉及的反应物、产物离子、中性丢失碎片的结构和能量进行了计算分析，证明了对于含氮等杂原子化合物的EI源质谱，可直接利用自旋密度，通过确定初始电离位点来预测初始基诱导产生的α-裂解为主导的特征裂解方式。梁艳等[8]采用电喷雾质谱技术对山奈酚的质谱过程进行了表征，并用量子化学方法对山奈酚的各质谱碎片离子进行优化计算，得到各碎片离子的键断裂能，进而推导了这两种物质的质谱裂解途径。陈兰慧等[9]用量子化学方法研究了小檗碱等生物碱电喷雾串联质谱碎片稳定性、断裂规律等质谱学特征，通过结合能分析、电荷密度分析等方法，取得了与实验统计结果相符的理论成果，为寻找生物活性结构及有效中间体提供了理论依据，也为中药新药开发提供了一种全新的思路和方法。

三聚氰胺毒性低微，但长期食用会引起各种疾病，对免疫力低下的婴幼儿的健康影响极大。自2008年“三鹿奶粉事件”以来，三聚氰胺检测的国际标准和国家标准也随之出台，在此背景下，有关三聚氰胺的检测方法研究已成为分析化学、食品、环境等领域专家感兴趣的前沿课题之一[10]。目前检测三聚氰胺的方法主要有气相色谱法[11]、气相色谱-质谱法(GC/MS)[12]、高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)[10,13]、拉曼光谱法[14]、胶体金免疫层析法[15]等。其中，HPLC-MS/MS法的灵敏度高、抗干扰能力强，部分实验室已将其作为确证的基准方法[10]。但是，尚无利用量子化学手段从分子水平研究三聚氰胺裂解过程机理的理论报道。

本工作拟运用量子化学方法对三聚氰胺分子的质谱碎片结构特点及稳定性进行理论计算研究，探讨可能的质谱碎裂机理，从而为进一步研究三聚氰胺的结构修饰、可能的合成途径，以及同位素稀释质谱裂解高精度方法提供理论参考。

1研究方法

采用密度泛函理论[16-17]，从第一性原理计算出发，考虑体系的自旋效应[18]，采用B3LYP 6-31G(d)[19]低精度基组对获得的所有分子及碎片离子的初始几何构型进行第一性原理几何构型的全自由度优化，并对收敛结果构型的振动频率进行检测；无虚频后，再以此优化构型为基础，运用B3LYP 6-311++G(2d,2p)高基组进行几何结构的全自由度优化；优化后再次检测振动频率直至无虚频，获得稳定的、精确的分子几何构型。对于碎片离子存在多种可能的分子结构，如C2H2N3+，通过比较体系总能量，取能量最低者为相应的稳定结构。对三聚氰胺分子的碰撞诱导串联质谱数据进行分析，准分子离子[C3H7N6]+(m/z127)为质子化分子，在B3LYP 6-311++G(2d,2p)水平上计算单点能。各离子碎片的总能量(TE)包括零点振动能(ZPVE)和单点能(SPE)。各化学键的键断裂能(BDE)可由式(1)计算得到[9]：

(1)

其中，E(RX)为母体碎片离子的总能量，E(R)为脱去取代基后子离子碎片的能量，E(X)为取代基的能量。

2结果与讨论

2.1准分子离子的平衡几何构型分析

对构建的三聚氰胺准分子离子初始模型[20-22]进行全自由度的几何结构优化，确认振动频率无虚频后，获得平衡稳定的几何结构，示于图1。

由图1可以看出，该准分子体系中对应的苯环上的C，N原子均在同一平面上。

根据文献[22] 报道，可假想一个三聚氰胺分子在串联质谱中的裂解过程，示于图2a。三聚氰胺分子得到一个质子后的准分子离子键断裂的可能情况示于图2b和2c。

2.2准分子离子的裂解能

根据键能理论，化学键的键能越大越难断裂，因此在质谱裂解过程中，母离子形成后续碎片离子时所需的键断裂能越小，断裂过程越易发生，该碎片离子就越容易被质谱表征出来。根据式(1)计算三聚氰胺质谱裂解离子碎片的零点振动能、单点能、总能量和相应的键断裂能，结果列于表1。

图1　三聚氰胺准分子离子结构Fig.1　Quasi-molecular ion structure of melamine

图2　三聚氰胺在串联质谱中裂解过程的假设Fig.2　Assuming the pyrolysis processof melamine in tandem mass spectrometry

由表1可以看到，母离子C3H7N6+(m/z127)裂解后，其中间碎片离子的键断裂能均为正值，表明这些碎片离子只有得到所需能量才能产生裂解。当然，这些能量可通过外界条件提供，甚至由其他裂解过程产生的能量实现。同时，通过分析三聚氰胺质谱裂解的两种可能过程L1和L2，发现L1过程的裂解能更小，这意味着母离子C3H7N6+(m/z127)主要通过该方式裂解，先后得到C2H5N4+(m/z85)和C2H2N3+(m/z68)两种碎片离子。其中，C2H2N3+(m/z68)碎片离子也主要由L1裂解过程产生。C2H2N3+(m/z68)碎片离子再进一步裂解得到CH3N2+(m/z43)碎片离子，该过程BDE为223.4 hatree，其断裂能偏大，裂解所需的能量大，裂解几率相对偏低，导致生成的CH3N2+(m/z43)碎片离子偏少。综上分析，三聚氰胺的质谱裂解途径示于图3。

表1　三聚氰胺各质谱裂解离子碎片的计算结果

图3　三聚氰胺的质谱裂解过程Fig.3　Pyrolysis process of melamine

2.3Mulliken电荷

图3中3种中间过程碎片离子C3H7N6+(m/z127)、C2H5N4+(m/z85)和C2H2N3+(m/z68)的电荷分布图示于图4。

图4中，a、c、e和b、d、f位置分别表示碳和氮原子。从图4a可以看出，类苯环结构对应的a~f原子Mulliken电荷分别为0.458 e、-0.477 e、0.458 e、-0.514 e、0.351 e、-0.514 e。经分析可知，c、d和a、f碳氮原子之间的相互作用最强，其次是a与b、c与b位置的碳氮原子，而f与e位置的氮碳原子间相互作用最小。与上述计算相同，图4b中a~f相应位置原子Mulliken电荷分别为0.414 e、-0.441 e、0.428 e、-0.466 e、0.015 e、-0.167 e。分析得知，上述原子组成的化学键作用各不相同，相比由a~d组成的环状结构各化学键，c与e位置的碳氮原子间相互作用最弱，这也意味着该化学键最易断裂。同样，图4c中a~e相应位置原子Mulliken电荷分别为0.403 e、-0.076 e、0.319 e、-0.076 e、-0.068 e。与上述分析相同，b、c和d、c位置的氮碳原子相互作用比a、b和d、b强，而c与e位置的碳氮原子相互作用较弱。

图4　Mulliken电荷分布图Fig.4　Distribution of Mulliken charge

3实验验证

3.1仪器与试剂

Qtrap5500三重四极杆质谱仪：美国Applied Biosystems公司产品；三聚氰胺GBW10085((99.5±0.4)%，k=2)：由中国计量科学研究院提供。

3.2实验条件

电喷雾电离源；正离子多反应监测扫描模式；电喷雾电压：5 000 V；雾化气压力：379 kPa；气帘气压力：241 kPa；辅助雾化气压力：379 kPa；离子源温度：500 ℃。

3.3实验方法

用进样针吸取600 μL 200 μg/L的三聚氰胺标准溶液，采用流动注射泵直接注入质谱仪进行分析，进样流速为10 μL/min。

3.4实验结果

图5　三聚氰胺质谱碎裂图Fig.5　Mass spectrogram of melamine

三聚氰胺质谱碎裂图示于图5。由图5可知，三聚氰胺准分子离子峰[M+H]+为m/z127，通过质谱裂解获得主要碎片离子C2H5N4+(m/z85)、C2H2N3+(m/z68)和CH3N2+(m/z43)，且其质谱峰信号强度依次减小，这与之前理论计算分析的裂解能有关。由三聚氰胺准分子离子到C2H5N4+(m/z85)的裂解能较低，相比而言容易实现，随后进一步裂解，形成了C2H2N3+(m/z68)碎片离子。在此之后，部分C2H2N3+(m/z68)碎片离子进一步裂解形成CH3N2+(m/z43)碎片离子，其他碎片离子得到保持。由此可见，本实验结果与理论计算结果和Vaclavik等[23]报道的MS/MS实验结果基本一致。

4结论

本工作运用第一性原理方法对三聚氰胺质谱裂解过程及物理机理进行了理论和实验研究，分析了各特征碎片离子的几何结构及其相关的物理化学特征。计算结果表明，得到一个质子的三聚氰胺准分子离子m/z127通过环断裂逐级裂解的方式生成m/z85和m/z68碎片离子，进一步裂解得到m/z43碎片离子。分析从m/z127到m/z68的裂解过程，发现存在两种环断裂方式，但仍以m/z127→m/z85→m/z68分步裂解的方式为主。同时，采用三重四极杆质谱仪，在正离子多反应监测扫描模式下，观测到三聚氰胺质谱裂解的主要碎片离子C2H5N4+(m/z85)、C2H2N3+(m/z68)和CH3N2+(m/z43)，且其质谱峰信号强度依次减小，该实验结果与理论裂解能计算结果一致。此外，通过进一步计算准分子离子m/z127、m/z85和m/z68的Mulliken电荷分布，发现三聚氰胺的质谱裂解过程主要受碎片离子Mulliken电荷分布及其化学键相互作用强弱的影响，这可为进一步研究三聚氰胺衍生化合物的质谱裂解途径提供理论依据，也可为研究其他物质的质谱裂解过程提供方法参考。

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Research of Melamine Mass Fragmentation Process Based

on Density Functional Theory

REN Yun1, ZHANG Qing-he2, LI Xiao-ling1, YANG Zong2

(1.HunanInstituteofMetrologyandTest,Changsha410014,China;

2.NationalInstituteofMetrology,Beijing100013,China)

Abstract:Melamine analysis detection method has become one of the leading subjects of interest to experts in the field of chemical, food and the environment. The use of quantum chemistry and molecular mechanics, such as a computational chemistry research fragmentation mechanism, play an irreplaceable role in the experiment. According to the related reported experimental phenomenon, the first-principles calculation based on density functional theory was used considering spin polarization effect of atoms. The stable geometry of each mass fragment ion’s excimer was optimized for each fragment ions, and the fracture energy of bond formation was calculated at the level of B3LYP/6-311 G (2d,2p). Mulliken atomic charge distribution of three kinds of intermediate ion fragments was also analyzed, thus fragmentation pathway of melamine was obtained. The calculated results show that pseudo-molecular ionsm/z127 of melamine are cleaved by ring fracture mode, and a large number of fragment ionsm/z85 andm/z68 are generated mainly by way of stepwise cracking. Subsequently, some fragment ionsm/z68 are further cleaved to form fragment ionsm/z43. Using positive ion multi-reactions monitoring (MRM) technology of triple-quadrupole mass spectrometer, major fragment ions of the melamine C2H5N4+(m/z85), C2H2N3+(m/z68) and CH3N2+(m/z43) were detected, and their signal intensity of mass spectrometry were in turn decreased in our experimental observations, which further verify the correctness of the theoretical calculation of the dissociation energy. In addition, the theoretical calculation also found that the molecular mass spectrometry of excimer ion was mainly influenced by the Mulliken charge distribution of the fragment ions and the chemical bonds between atoms. This method can be used to identify the melamine structure and provide a theoretical basis for the detection, research and application of melamine.

Key words：melamine; mass fragmentation process; density functional theory; the first-principles

作者简介：任昀(1981—)，男(汉族)，湖南汩罗人，博士研究生，从事物理化学和化学计量研究。E-mail: renren123123@126.com

基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAK12B06)；质检公益性行业科研专项"双打"项目(2012104001)；湖南省质量技术监督局2013年科技计划项目 (2013KJJH31)资助

收稿日期：2015-03-25;修回日期：2015-05-28

中图分类号：O657.63

文献标志码：A

文章编号：1004-2997(2016)01-0037-06