液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的使用
——以氯氧化磺胺甲噁唑降解產(chǎn)物的分析與鑒定為例

高珊珊, 曲有鵬, 田家宇, 林 巍, 崔福義

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510060)

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液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的使用
——以氯氧化磺胺甲噁唑降解產(chǎn)物的分析與鑒定為例

高珊珊1, 曲有鵬2, 田家宇1, 林 巍3, 崔福義1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150090; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510060)

利用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)對氯氧化磺胺甲噁唑的降解產(chǎn)物進(jìn)行定性分析,是綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合了前期的科研成果,涉及到水處理領(lǐng)域中的氯氧化工藝和現(xiàn)代色譜學(xué)、質(zhì)譜學(xué)等學(xué)科內(nèi)容,知識要點(diǎn)多,實(shí)用性和可操作性強(qiáng),有利于提高學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂蒲心芰ΑＴ摼C合實(shí)驗(yàn)也可作為開放教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀; 綜合實(shí)驗(yàn); 氯氧化; 磺胺甲噁唑; 降解產(chǎn)物

近年來,隨著社會對環(huán)境問題關(guān)注程度的不斷提高,研究人員對各種環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化、降解和毒理學(xué)等方面研究也越來越深入[1-2]。在這樣的背景下,研究人員對于環(huán)境分析技術(shù)的要求也勢必越來越高,而大型精密儀器則逐漸成為高等院校和科研院所開展科研工作必不可少的支撐條件[3-4]。其中,高效液相色譜-質(zhì)譜儀(LC-MS)由于具有靈敏度高、適用范圍寬、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)的快速篩選等優(yōu)點(diǎn),在環(huán)境分析檢測中發(fā)揮著越來越大作用,已成為目前發(fā)展最迅速的分析手段之一[5-8]。但由于LC-MS為現(xiàn)代化大型精密儀器,價(jià)格昂貴,在儀器維護(hù)、管理和實(shí)驗(yàn)操作方面較為復(fù)雜[9-10],目前很少有高校將該儀器的操作與使用應(yīng)用于研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院目前擁有2臺LC-MS,運(yùn)行和維護(hù)良好。我們前期利用LC-MS技術(shù),通過大量實(shí)驗(yàn)摸索,針對醫(yī)藥品——磺胺甲噁唑(SMX)的氧化降解產(chǎn)物,建立了十分有效的定性分析方法[11]。基于該研究成果,面向研究生開設(shè)了旨在介紹LC-MS技術(shù)的大型儀器綜合實(shí)驗(yàn),讓研究生了解該聯(lián)用儀的儀器結(jié)構(gòu)和工作原理,基本掌握其使用和操作方法;學(xué)習(xí)如何有針對性的選擇液質(zhì)聯(lián)用儀操作條件;了解氯氧化磺胺甲噁唑的基本原理和操作過程;掌握質(zhì)譜數(shù)據(jù)圖的分析方法,對未知物質(zhì)進(jìn)行定性分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)契合目前環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題,對于提高研究生的環(huán)境監(jiān)測能力和儀器分析水平具有重要意義。該實(shí)驗(yàn)主要包括兩部分:氯氧化SMX實(shí)驗(yàn);LC-MS對氧化降解產(chǎn)物的分析與鑒定。

1 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀結(jié)構(gòu)和工作原理

本實(shí)驗(yàn)所使用的LC-MS (thermo finnigan LCQ Deca-XP LC/MSn) 由進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜系統(tǒng)、PDA檢測器、電噴霧電離離子源(ESI)、離子阱質(zhì)量分析器、質(zhì)譜檢測器組成,此外還包括真空系統(tǒng)等輔助設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

工作原理:液相色譜根據(jù)分配原理,使不同組分得以分離;液相組分經(jīng)過PDA檢測器獲得實(shí)驗(yàn)樣品在所有波長下的響應(yīng)情況;液相組分進(jìn)入離子源,發(fā)生離子化生成帶電離子;質(zhì)量分析器將帶電離子,按照不同的質(zhì)荷比(m/z)分開;檢測器獲得離子質(zhì)荷比和豐度的信號;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將從PDA檢測器和質(zhì)譜檢測器獲得的信號放大、處理并給出相應(yīng)的譜圖。

2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器:液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,精密電子天平,pH計(jì),恒溫磁力攪拌器,超純水儀,1mL和5mL量程手動移液器,250mL三角瓶若干。

藥品和試劑:磺胺甲噁唑 (SMX,純度99%),次氯酸鈉溶液,鹽酸,氫氧化鈉,亞硫酸氫鈉,色譜級甲醇,色譜級乙腈,色譜級甲酸,18.2Ω超純水。

3 實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)試劑配制

配制：次氯酸鈉儲備液,SMX儲備液,氧化反應(yīng)終止劑硫代硫酸鈉,0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH。

取250 mL三角瓶若干,加100 mL超純水,分別加入不同量SMX儲備溶液使其終濃度為2 mg/L,外加磁力攪拌器,用HCl和NaOH調(diào)節(jié)溶液pH=7,加次氯酸鈉儲備液,使其終濃度為2 mg/L,氧化反應(yīng)進(jìn)行5 min,取5 mL反應(yīng)溶液加入試管中,并與試管中提前加入的硫代硫酸鈉充分混勻。該混合液通過0.45

μm濾膜過濾后,注入液相樣品瓶中進(jìn)行LC-MS/MS的檢測與分析。

3.2 液質(zhì)聯(lián)用儀運(yùn)行條件及操作

液相分離使用C18柱(Waters XbridgeTM,2.1×150 mm,5 μm),柱溫30 ℃,進(jìn)樣量20 μL,流動相A為乙腈，流動相B為超純水(含0.1%甲酸)。采用梯度洗脫:0～1 min 10% A+90% B;1～25 min,A從10%增加至90%,而B則從90%降低至10%;25～30 min,90% A+10% B。流動相流速為0.3 mL/min。高純氮?dú)庾鳛殪F化和干燥氣體,高純氦氣作為碰撞氣體,噴霧室溫度設(shè)為370 ℃,在正負(fù)離子化模式下(ESI+/ESI-)進(jìn)行質(zhì)譜掃描,m/z掃描范圍50～600。當(dāng)?shù)玫娇赡艿慕到猱a(chǎn)物時(shí),比如得到m/z=270和m/z=288(290)的峰,則選擇性對該質(zhì)荷比物質(zhì)進(jìn)行二級質(zhì)譜,質(zhì)譜條件同上,轟擊能量50%,根據(jù)全掃描得到的質(zhì)譜圖可以對二級質(zhì)譜進(jìn)行分段設(shè)置,這樣通過1～3次二級質(zhì)譜掃描即可得到所有產(chǎn)物的二級質(zhì)譜圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過上述實(shí)驗(yàn)操作,即可獲得以質(zhì)荷比為橫坐標(biāo),信號強(qiáng)度為縱坐標(biāo)的質(zhì)譜圖。在液相色譜-質(zhì)聯(lián)用儀的使用過程中,質(zhì)譜圖的解析至關(guān)重要。由于氧化過程中經(jīng)常發(fā)生不完全氧化,所以SMX氧化降解產(chǎn)物和SMX物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)特征通常具有一定相似性。因此,對于SMX質(zhì)譜的離子碎片進(jìn)行鑒定和定性有利于對SMX氧化降解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的鑒定。

然后,通過該方法我們可獲得10余種SMX的氯氧化降解產(chǎn)物,其中,以產(chǎn)物1(m/z=270,ESI+)和產(chǎn)物2(m/z=288,ESI+)為例解析質(zhì)譜圖,完成對未知物的定性分析。

產(chǎn)物1的二級質(zhì)譜圖如圖2所示,離子碎片m/z=99.05、161.18的出現(xiàn)表明異惡唑結(jié)構(gòu)的存在,而離子碎片m/z=204.00、176.35、171.84、124.09、108.02分別對應(yīng)SMX二級質(zhì)譜碎片m/z=187.97、160.26、155.94、108.19、91.99加上16,即表示SMX苯環(huán)上的一個(gè)H被—OH取代。由于苯環(huán)上的H相對于苯胺氮上的H原子更易被—OH取代,推測產(chǎn)物1的結(jié)構(gòu)為苯環(huán)上臨位或者間位的H原子被—OH取代[12]。

圖1 SMX二級質(zhì)譜圖

圖2 SMX氧化降解產(chǎn)物1的二級質(zhì)譜圖

5 結(jié)論

(1) 該實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生具有完整的實(shí)驗(yàn)思路和有條不紊的操作技能。氧化降解實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)物分析實(shí)驗(yàn)相互聯(lián)系,氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得如何直接影響下一步采用LC-MS對降解產(chǎn)物的鑒定,而質(zhì)譜圖的解析是對氧化效能的評估,也直接關(guān)系到最終的結(jié)果。

(2) 以LC-MS 對未知物鑒定為主線,將先進(jìn)、高端、適用性廣的分析儀器融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。以往的分析化學(xué)側(cè)重基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),新型、大型儀器設(shè)備使用較少,但由于環(huán)境污染越來越復(fù)雜,對環(huán)境檢測要求也越來越高,急需將先進(jìn)、高端、適用性廣的大型現(xiàn)代化分析儀器引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

圖3 SMX氧化降解產(chǎn)物2的二級質(zhì)譜圖

(3) 該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的靈活性。學(xué)生不但可充分了解和掌握常規(guī)氧化工藝流程和液質(zhì)儀器的結(jié)構(gòu)、工作原理、操作步驟和分析方法，也可以讓學(xué)生在一定范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件摸索及儀器調(diào)試,如改變氧化劑投加量、調(diào)節(jié)初始反應(yīng)溶液pH值、調(diào)整質(zhì)譜條件等，也可以嘗試對其他降解產(chǎn)物的定性分析,有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。

References)

[1] 李玄,尹大強(qiáng),于振洋,等.環(huán)境污染物免疫毒性及其研究技術(shù)[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2013,8(6):857-863.

[2] 宋紅,王孔海,陳瑋,等.典型水生植物對水庫環(huán)境污染物去除能力的實(shí)驗(yàn)室模擬[J].生態(tài)學(xué)雜志,2014,33(1):119-124.

[3] 陳皓,李明利,肖乾芬,等.大型儀器分析技術(shù)在環(huán)境類專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(10):148-151.

[4] 胡冠九.淺談環(huán)境有機(jī)污染物監(jiān)測發(fā)展趨勢[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2010,22(3):18-21.

[5] 安蓉.液相色譜技術(shù)及液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在食品及農(nóng)產(chǎn)品殘留檢測中的應(yīng)用[J].分析測試技術(shù)與儀器,2003(1):20-23.

[6] 潘尋,賁偉偉,強(qiáng)志民.高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法同步測定城市污水處理廠活性污泥中的多類抗生素殘留[J].分析測試學(xué)報(bào),2012,30(4):448-452.

[7] 謝永洪,楊坪,錢蜀,等.高效液相色譜-電噴霧離子源-串聯(lián)三重四極桿質(zhì)譜法分析地表水中高氯酸鹽[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2014,30(1):164-168.

[8] 劉玉春,徐維海,余莉莉,等.固相萃取液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜聯(lián)用測定河水中大環(huán)內(nèi)酯類抗生素[J].分析測試學(xué)報(bào),2006,25(2):448-452.

[9] 彭紹春,張繼霞,史天貴.大型貴重儀器設(shè)備開放共享平臺的建設(shè)與管理[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(3):210-213.

[10] 章勇,張蓓蓓,趙永剛.液相色譜及液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用[J].廣州化工,2013,41(24):121-123.

[11] Gao Shanshan,Zhao Zhiwei,Xu Yongpeng,et al.Oxidation of sulfamethoxazole (SMX) by chlorine,ozone and permanganate：A comparative study[J].Journal of Hazardous Materials,2014,274(15):258-269.

[12] Hu L H,Flanders P M,Miller P L,et al.Oxidation of sulfamethoxazole and related antimicrobial agents by TiO2photocatalysis[J].Water Research.2007,41(12):2612-2626.

[13] Dodd M C,Huang C H.Transformation of the antibacterial agent sulfamethoxazole in reactions with chlorine:Kinetics mechanisms,and pathways[J].Environmental Science & Technology,2004,38(21):5607-5615.

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

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51208140)

高珊珊(1981—),女,黑龍江大慶,博士,工程師,主要研究方向?yàn)樯V技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、環(huán)境功能材料.

E-mail：gsjy_2010@163.com

G642.423; X859

B

1002-4956(2015)2- 0097- 04