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Baiba Cabovska,1Douglas M. Stevens,1A. John Cunningham2 和Arthur E. Bailey2
1沃特世公司(美國(guó)馬薩諸塞州米爾福德市)
2曼恩凱德生物醫(yī)療公司(美國(guó)康涅狄格州丹伯里市)
應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
有利于為諸如制藥、化工原料和食品工業(yè)等需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析工作的領(lǐng)域解決未知化合物鑒定所面臨的難題。提供一套鑒定可提取物的系統(tǒng)化工作流程。與QTof聯(lián)用的GC或UPLC均可采用同一工作流程。
沃特世解決方案
Xevo® G2 QTof質(zhì)譜儀
大氣壓氣相色譜電離源(APGC)
MassLynx®軟件
MSE技術(shù)
MassFragment™軟件
關(guān)鍵詞
可提取物，浸出物，樹脂，單體和低聚物，增塑劑，穩(wěn)定劑，填充劑，著色劑，抗氧化劑，抗靜電劑，元素組成
簡(jiǎn)介
根據(jù)美國(guó)FDA要求，制藥行業(yè)需確保在預(yù)期產(chǎn)品保質(zhì)期內(nèi)藥品的包裝材料中不會(huì)有任何有毒或有害物質(zhì)遷移到藥品中1-5。同樣，在食品和化妝品行業(yè)，人們對(duì)產(chǎn)品中存在的包裝材料浸出物的研究也非常關(guān)注。根據(jù)定義可知，可提取物是指在可控的提取條件下從包裝材料或設(shè)備組分中提取出的化合物。浸出物則是在正常保質(zhì)期內(nèi)從包裝材料遷移至產(chǎn)品中的化合物。在理想情況下，浸出物也可視作一種可提取物。如果一個(gè)公司無法對(duì)所有潛在污染物進(jìn)行全面準(zhǔn)確的鑒定，或是至少清楚了解化合物類別，那么很可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品召回、經(jīng)濟(jì)損失和/或品牌形象受損等嚴(yán)重后果6。
因此，我們開展了一項(xiàng)名為受控提取研究的初步調(diào)查，其中涉及某些類型的溶劑提取，如回流法、微波法或超臨界流體萃取法7。所選溶劑必須涵蓋較大的極性范圍，以確保非極性和極性分析物均能被提取。用于分析提取物的技術(shù)必須具有綜合性，可以適用于盡可能多的分析物，包括GC-FID-MS(揮發(fā)性物質(zhì))和LC-UV-MS(非揮發(fā)性物質(zhì))5。
在受控提取研究中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于化合物來說真正的挑戰(zhàn)就是對(duì)它的鑒定。很少有樹脂生產(chǎn)商能夠提供包裝材料聚合物中所使用的全部添加劑的完整清單。并且，原材料在生產(chǎn)過程中可能會(huì)降解或發(fā)生化學(xué)變化。此外，樹脂生產(chǎn)商可能并不了解化合物中可能存在的污染物。典型的可提取物包括由不完全聚合反應(yīng)生成的單體和低聚物；增塑劑、穩(wěn)定劑、填充劑、著色劑、抗氧化劑和抗靜電劑，以及它們的降解產(chǎn)物。除此之外，還有在模塑工藝后樹脂中殘留的洗滌劑和脫模劑.
實(shí)驗(yàn)
樣品制備
采用微波提取法制備樣品。將聚丙烯和尼龍樣品(2 g)用10 mL異丙醇在70 °C下提取3 h。提取完成后，將上清液轉(zhuǎn)移到GC樣品瓶中。
MS條件
MS系統(tǒng)： Xevo G2 QTof與7890A GC
色譜柱： HP1-MS，30 m x 0.32 mm，1.0微米膜
載氣： He，2 mL/min
升溫程序： 35 °C下保持5 min，以20 °C/min升至320 °C，保持20.75 min
進(jìn)樣口： 300 °C
進(jìn)樣類型： 1 微升，不分流，1 min吹掃
輔助氣體： N2，500 mL/min
掃描范圍： 50至1000 Da
MSE碰撞電壓： 15至25 eV
數(shù)據(jù)管理： MassLynx 4.1版軟件
利用單四極桿GC/MS所獲得的一些分析物數(shù)據(jù)可通過市售譜庫(kù)(例如NIST)進(jìn)行確認(rèn)。但是，當(dāng)譜庫(kù)中未收錄目標(biāo)化合物或單四極桿MS靈敏度不足以進(jìn)行分析物陽(yáng)性鑒別時(shí)，揮發(fā)性物質(zhì)分析所面臨的難題就出現(xiàn)了。這時(shí)可以結(jié)合另一種技術(shù)，例如本應(yīng)用資料所介紹的大氣壓氣相色譜(APGC)和四極桿飛行時(shí)間(QTof)質(zhì)譜8。由于譜庫(kù)中沒有LC/MS數(shù)據(jù)，因此精確質(zhì)量數(shù)數(shù)據(jù)將十分有利于非揮發(fā)性物質(zhì)的分析。對(duì)于本文中所進(jìn)行的揮發(fā)性物質(zhì)和半揮發(fā)性物質(zhì)分析來說，使用市售結(jié)構(gòu)解析工具在四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中采集的MSE數(shù)據(jù)已被證明在未知化合物的鑒定中具有重要意義。
工作流程
結(jié)果與討論
本研究采用了兩種廣泛使用的聚合物材料：聚丙烯和尼龍。在本應(yīng)用紀(jì)要中，對(duì)三類不同的可提取物進(jìn)行了鑒定：抗氧化劑、單體和單體降解產(chǎn)物。
如圖1所示，在聚丙烯樣品中，觀察到一個(gè)色譜峰(峰A)出現(xiàn)在保留時(shí)間26.3 min處。在精確質(zhì)量數(shù)APGC譜圖中進(jìn)行元素組成分析，如圖2所示，結(jié)果表明其分子式為C43H63O3P，如圖3所示。元素組成軟件通過觀察到的質(zhì)量數(shù)計(jì)算可能的分子式，并使用同位素模型算法，將每個(gè)候選分子式所觀察到的模型與理論模型進(jìn)行匹配。在這種情況下，對(duì)于該離子有兩種選擇，如果僅考慮質(zhì)量數(shù)差異，則第二個(gè)更為接近。而結(jié)合質(zhì)量數(shù)差異和同位素匹配可得到一個(gè)最佳的正確結(jié)果。
在干燥模式的源條件下進(jìn)行APGC分析9，可以優(yōu)先于質(zhì)子化加合物([M+H]+)促進(jìn)分子離子(M.+)的形成。值得注意的是，在高能碰撞條件下，相比質(zhì)子化加合物，分子離子碎片更易產(chǎn)生；因此，在兩種通道中基峰存在顯著差異(646.4與647.4)，如圖2所示。
在ChemSpider中搜索建議的元素組成分子式，結(jié)果為Irgafos 168，如圖4所示，根據(jù)Little等人所述，按“# of References”(參考編號(hào))排序，該結(jié)果為最佳答案10。Irgafos 168是一種亞磷酸三芳基酯加工穩(wěn)定劑，可保護(hù)樹脂聚合物(如聚丙烯)，防止其在樹脂合成過程中發(fā)生氧化。
數(shù)個(gè)碎片與主要碎片離子Irgafos 168相匹配，從而增加了鑒定的可靠性，如圖5所示。MassFragment可識(shí)別母離子結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵，并根據(jù)化學(xué)鍵斷裂的類型和可能性分配一個(gè)分值。另外，還會(huì)列出化學(xué)鍵斷裂的數(shù)目。分值越低(如，S:1.0，B:1.0與S:4.5，B:2.0)，產(chǎn)生該碎片結(jié)構(gòu)的可能性越大。
此工作流程的下一個(gè)步驟是購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)品，并與樣品的保留時(shí)間和碎片離子圖進(jìn)行比較。
眾所周知，月桂精內(nèi)酰胺是一種生產(chǎn)尼龍的原材料。在尼龍?zhí)崛∥镏�，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)月桂精內(nèi)酰胺單體(峰B)的保留時(shí)間為15.93 min，如圖6所示。按照先前示例所述的工作流程通過分子式和MassFragment報(bào)告確認(rèn)該峰。在保留時(shí)間16.07 min處觀察到一個(gè)較小的峰(峰C)。測(cè)得的質(zhì)量數(shù)與分子式C12H21NO相符，如圖7所示，這表明該峰可能是分子內(nèi)具有額外雙鍵的月桂精內(nèi)酰胺降解產(chǎn)物(月桂精內(nèi)酰胺單體為C12H23NO)。通過存在的內(nèi)源二聚體(2M+H)確認(rèn)各個(gè)譜圖中的母離子。對(duì)于月桂精內(nèi)酰胺，所觀察到的二聚體為m/z 395.3652，其降解產(chǎn)物的二聚體為m/z 391.3324。
使用ChemSpider搜索C12H23NO，結(jié)果顯示月桂精內(nèi)酰胺為第二最佳選擇。而搜索C12H21NO時(shí)，根據(jù)聚合物中的已知化合物未得到合適的匹配結(jié)果。
由于可能無法取得該降解產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)品，因此可以通過Xevo G2 QTof數(shù)據(jù)為此化合物指定一個(gè)結(jié)構(gòu)。我們無法確定月桂精內(nèi)酰胺環(huán)中雙鍵的確切位置。然而，在這類研究中，并不一定必須確定化合物的確切結(jié)構(gòu)，只需確定化合物的類別即可。顯而易見的是，該降解產(chǎn)物與月桂精內(nèi)酰胺相關(guān)，因此可以預(yù)計(jì)其毒理學(xué)特性與月桂精內(nèi)酰胺相似。
結(jié)論
♦Xevo G2 QTof是一種用于可提取物的鑒定和結(jié)構(gòu)解析的重要工具。利用MSE功能，可以同時(shí)采集母離子和碎片離子信息。精確質(zhì)量數(shù)和碎片信息有助于確定許多未知化合物的結(jié)構(gòu)。
♦當(dāng)市售譜庫(kù)中未提供目標(biāo)化合物的信息時(shí)，元素組成和Mass Fragment軟件可以提供與分析物相關(guān)的額外信息。
♦本文所述的工作流程有利于為諸如制藥、化工原料和食品工業(yè)等需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析工作的領(lǐng)域解決未知化合物鑒定所面臨的難題。
♦通常，根據(jù)已知存在的組分并結(jié)合碎片、最可能的分子式和一些化學(xué)常識(shí)，便能夠獲得可能的化合物結(jié)構(gòu)。在可提取物的研究中，如果目標(biāo)是建立安全性閾值，那么一個(gè)可能的化學(xué)結(jié)構(gòu)通常就能提供充分的依據(jù)。
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