任　昀，張慶合，黎曉玲，楊　總

(1.湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙　410014；2.中國計量科學研究院，北京　100013)

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基于密度泛函理論的三聚氰胺質(zhì)譜裂解過程研究

任昀1，張慶合2，黎曉玲1，楊總2

(1.湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙410014；2.中國計量科學研究院，北京100013)

摘要：本研究運用密度泛函理論的第一性原理計算方法，在考慮準分子離子自旋的情況下，采用B3LYP/6-311++G(2d,2p)高精度基組全自由度優(yōu)化了各質(zhì)譜碎片準分子離子的穩(wěn)定幾何構型，計算了質(zhì)譜分析中三聚氰胺形成的各碎片離子的鍵斷裂能，分析了3種中間離子碎片Mulliken原子電荷分布，進而推導出三聚氰胺的質(zhì)譜裂解途徑。計算結果表明，三聚氰胺準分子離子m/z127通過環(huán)斷裂方式逐級裂解生成m/z85和m/z68碎片離子，其中部分m/z68碎片離子進一步裂解形成m/z43碎片離子。采用三重四極桿質(zhì)譜儀，在正離子多反應監(jiān)測掃描模式(MRM)下，觀測到三聚氰胺質(zhì)譜裂解的主要碎片離子有C2H5N4+(m/z85)、C2H2N3+(m/z68)和CH3N2+(m/z43)，且其質(zhì)譜峰信號強度依次減小，該現(xiàn)象進一步驗證了裂解能理論計算的可靠性。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)，準分子離子的質(zhì)譜裂解途徑主要受碎片離子Mulliken電荷分布及其化學鍵相互作用強弱的影響。該方法有助于三聚氰胺結構的準確鑒定，也可為三聚氰胺的檢測、研究和應用提供理論依據(jù)。

關鍵詞：三聚氰胺；質(zhì)譜裂解過程；密度泛函理論；第一性原理

doi：10.7538/zpxb.youxian.2015.0050

網(wǎng)絡出版時間：2015-11-16；網(wǎng)絡出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20151116.1348.006.html

有機分子的結構特征與其質(zhì)譜裂解規(guī)律之間存在一定的相關性，這使得質(zhì)譜技術成為藥物代謝、有機合成和結構解析強有力的工具之一。大多數(shù)質(zhì)譜碎裂是單分子離子的分解反應，研究和闡明各類化合物的質(zhì)譜特征和裂解機理已成為質(zhì)譜研究的熱點[1-2]，且運用量子化學和分子力學等計算化學方法研究裂解機理問題可起到實驗無法替代的作用[3-4]。很多研究人員在質(zhì)譜結構解析上做了大量工作，其目的是找到化合物結構(或子結構)與其質(zhì)譜行為的對應關系[5-6]。歐陽永中等[7]根據(jù)密度泛函理論，首次提出通過計算和分析分子離子的自旋密度及其中性分子到分子離子的電荷和鍵長變化來確定初始電離位點的新方法，并對吲哚類生物堿在EI源條件下離子裂解過程中涉及的反應物、產(chǎn)物離子、中性丟失碎片的結構和能量進行了計算分析，證明了對于含氮等雜原子化合物的EI源質(zhì)譜，可直接利用自旋密度，通過確定初始電離位點來預測初始基誘導產(chǎn)生的α-裂解為主導的特征裂解方式。梁艷等[8]采用電噴霧質(zhì)譜技術對山奈酚的質(zhì)譜過程進行了表征，并用量子化學方法對山奈酚的各質(zhì)譜碎片離子進行優(yōu)化計算，得到各碎片離子的鍵斷裂能，進而推導了這兩種物質(zhì)的質(zhì)譜裂解途徑。陳蘭慧等[9]用量子化學方法研究了小檗堿等生物堿電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜碎片穩(wěn)定性、斷裂規(guī)律等質(zhì)譜學特征，通過結合能分析、電荷密度分析等方法，取得了與實驗統(tǒng)計結果相符的理論成果，為尋找生物活性結構及有效中間體提供了理論依據(jù)，也為中藥新藥開發(fā)提供了一種全新的思路和方法。

三聚氰胺毒性低微，但長期食用會引起各種疾病，對免疫力低下的嬰幼兒的健康影響極大。自2008年“三鹿奶粉事件”以來，三聚氰胺檢測的國際標準和國家標準也隨之出臺，在此背景下，有關三聚氰胺的檢測方法研究已成為分析化學、食品、環(huán)境等領域?qū)＜腋信d趣的前沿課題之一[10]。目前檢測三聚氰胺的方法主要有氣相色譜法[11]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC/MS)[12]、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)[10,13]、拉曼光譜法[14]、膠體金免疫層析法[15]等。其中，HPLC-MS/MS法的靈敏度高、抗干擾能力強，部分實驗室已將其作為確證的基準方法[10]。但是，尚無利用量子化學手段從分子水平研究三聚氰胺裂解過程機理的理論報道。

本工作擬運用量子化學方法對三聚氰胺分子的質(zhì)譜碎片結構特點及穩(wěn)定性進行理論計算研究，探討可能的質(zhì)譜碎裂機理，從而為進一步研究三聚氰胺的結構修飾、可能的合成途徑，以及同位素稀釋質(zhì)譜裂解高精度方法提供理論參考。

1研究方法

采用密度泛函理論[16-17]，從第一性原理計算出發(fā)，考慮體系的自旋效應[18]，采用B3LYP 6-31G(d)[19]低精度基組對獲得的所有分子及碎片離子的初始幾何構型進行第一性原理幾何構型的全自由度優(yōu)化，并對收斂結果構型的振動頻率進行檢測；無虛頻后，再以此優(yōu)化構型為基礎，運用B3LYP 6-311++G(2d,2p)高基組進行幾何結構的全自由度優(yōu)化；優(yōu)化后再次檢測振動頻率直至無虛頻，獲得穩(wěn)定的、精確的分子幾何構型。對于碎片離子存在多種可能的分子結構，如C2H2N3+，通過比較體系總能量，取能量最低者為相應的穩(wěn)定結構。對三聚氰胺分子的碰撞誘導串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)進行分析，準分子離子[C3H7N6]+(m/z127)為質(zhì)子化分子，在B3LYP 6-311++G(2d,2p)水平上計算單點能。各離子碎片的總能量(TE)包括零點振動能(ZPVE)和單點能(SPE)。各化學鍵的鍵斷裂能(BDE)可由式(1)計算得到[9]：

(1)

其中，E(RX)為母體碎片離子的總能量，E(R)為脫去取代基后子離子碎片的能量，E(X)為取代基的能量。

2結果與討論

2.1準分子離子的平衡幾何構型分析

對構建的三聚氰胺準分子離子初始模型[20-22]進行全自由度的幾何結構優(yōu)化，確認振動頻率無虛頻后，獲得平衡穩(wěn)定的幾何結構，示于圖1。

由圖1可以看出，該準分子體系中對應的苯環(huán)上的C，N原子均在同一平面上。

根據(jù)文獻[22] 報道，可假想一個三聚氰胺分子在串聯(lián)質(zhì)譜中的裂解過程，示于圖2a。三聚氰胺分子得到一個質(zhì)子后的準分子離子鍵斷裂的可能情況示于圖2b和2c。

2.2準分子離子的裂解能

根據(jù)鍵能理論，化學鍵的鍵能越大越難斷裂，因此在質(zhì)譜裂解過程中，母離子形成后續(xù)碎片離子時所需的鍵斷裂能越小，斷裂過程越易發(fā)生，該碎片離子就越容易被質(zhì)譜表征出來。根據(jù)式(1)計算三聚氰胺質(zhì)譜裂解離子碎片的零點振動能、單點能、總能量和相應的鍵斷裂能，結果列于表1。

圖1　三聚氰胺準分子離子結構Fig.1　Quasi-molecular ion structure of melamine

圖2　三聚氰胺在串聯(lián)質(zhì)譜中裂解過程的假設Fig.2　Assuming the pyrolysis processof melamine in tandem mass spectrometry

由表1可以看到，母離子C3H7N6+(m/z127)裂解后，其中間碎片離子的鍵斷裂能均為正值，表明這些碎片離子只有得到所需能量才能產(chǎn)生裂解。當然，這些能量可通過外界條件提供，甚至由其他裂解過程產(chǎn)生的能量實現(xiàn)。同時，通過分析三聚氰胺質(zhì)譜裂解的兩種可能過程L1和L2，發(fā)現(xiàn)L1過程的裂解能更小，這意味著母離子C3H7N6+(m/z127)主要通過該方式裂解，先后得到C2H5N4+(m/z85)和C2H2N3+(m/z68)兩種碎片離子。其中，C2H2N3+(m/z68)碎片離子也主要由L1裂解過程產(chǎn)生。C2H2N3+(m/z68)碎片離子再進一步裂解得到CH3N2+(m/z43)碎片離子，該過程BDE為223.4 hatree，其斷裂能偏大，裂解所需的能量大，裂解幾率相對偏低，導致生成的CH3N2+(m/z43)碎片離子偏少。綜上分析，三聚氰胺的質(zhì)譜裂解途徑示于圖3。

表1　三聚氰胺各質(zhì)譜裂解離子碎片的計算結果

圖3　三聚氰胺的質(zhì)譜裂解過程Fig.3　Pyrolysis process of melamine

2.3Mulliken電荷

圖3中3種中間過程碎片離子C3H7N6+(m/z127)、C2H5N4+(m/z85)和C2H2N3+(m/z68)的電荷分布圖示于圖4。

圖4中，a、c、e和b、d、f位置分別表示碳和氮原子。從圖4a可以看出，類苯環(huán)結構對應的a~f原子Mulliken電荷分別為0.458 e、-0.477 e、0.458 e、-0.514 e、0.351 e、-0.514 e。經(jīng)分析可知，c、d和a、f碳氮原子之間的相互作用最強，其次是a與b、c與b位置的碳氮原子，而f與e位置的氮碳原子間相互作用最小。與上述計算相同，圖4b中a~f相應位置原子Mulliken電荷分別為0.414 e、-0.441 e、0.428 e、-0.466 e、0.015 e、-0.167 e。分析得知，上述原子組成的化學鍵作用各不相同，相比由a~d組成的環(huán)狀結構各化學鍵，c與e位置的碳氮原子間相互作用最弱，這也意味著該化學鍵最易斷裂。同樣，圖4c中a~e相應位置原子Mulliken電荷分別為0.403 e、-0.076 e、0.319 e、-0.076 e、-0.068 e。與上述分析相同，b、c和d、c位置的氮碳原子相互作用比a、b和d、b強，而c與e位置的碳氮原子相互作用較弱。

圖4　Mulliken電荷分布圖Fig.4　Distribution of Mulliken charge

3實驗驗證

3.1儀器與試劑

Qtrap5500三重四極桿質(zhì)譜儀：美國Applied Biosystems公司產(chǎn)品；三聚氰胺GBW10085((99.5±0.4)%，k=2)：由中國計量科學研究院提供。

3.2實驗條件

電噴霧電離源；正離子多反應監(jiān)測掃描模式；電噴霧電壓：5 000 V；霧化氣壓力：379 kPa；氣簾氣壓力：241 kPa；輔助霧化氣壓力：379 kPa；離子源溫度：500 ℃。

3.3實驗方法

用進樣針吸取600 μL 200 μg/L的三聚氰胺標準溶液，采用流動注射泵直接注入質(zhì)譜儀進行分析，進樣流速為10 μL/min。

3.4實驗結果

圖5　三聚氰胺質(zhì)譜碎裂圖Fig.5　Mass spectrogram of melamine

三聚氰胺質(zhì)譜碎裂圖示于圖5。由圖5可知，三聚氰胺準分子離子峰[M+H]+為m/z127，通過質(zhì)譜裂解獲得主要碎片離子C2H5N4+(m/z85)、C2H2N3+(m/z68)和CH3N2+(m/z43)，且其質(zhì)譜峰信號強度依次減小，這與之前理論計算分析的裂解能有關。由三聚氰胺準分子離子到C2H5N4+(m/z85)的裂解能較低，相比而言容易實現(xiàn)，隨后進一步裂解，形成了C2H2N3+(m/z68)碎片離子。在此之后，部分C2H2N3+(m/z68)碎片離子進一步裂解形成CH3N2+(m/z43)碎片離子，其他碎片離子得到保持。由此可見，本實驗結果與理論計算結果和Vaclavik等[23]報道的MS/MS實驗結果基本一致。

4結論

本工作運用第一性原理方法對三聚氰胺質(zhì)譜裂解過程及物理機理進行了理論和實驗研究，分析了各特征碎片離子的幾何結構及其相關的物理化學特征。計算結果表明，得到一個質(zhì)子的三聚氰胺準分子離子m/z127通過環(huán)斷裂逐級裂解的方式生成m/z85和m/z68碎片離子，進一步裂解得到m/z43碎片離子。分析從m/z127到m/z68的裂解過程，發(fā)現(xiàn)存在兩種環(huán)斷裂方式，但仍以m/z127→m/z85→m/z68分步裂解的方式為主。同時，采用三重四極桿質(zhì)譜儀，在正離子多反應監(jiān)測掃描模式下，觀測到三聚氰胺質(zhì)譜裂解的主要碎片離子C2H5N4+(m/z85)、C2H2N3+(m/z68)和CH3N2+(m/z43)，且其質(zhì)譜峰信號強度依次減小，該實驗結果與理論裂解能計算結果一致。此外，通過進一步計算準分子離子m/z127、m/z85和m/z68的Mulliken電荷分布，發(fā)現(xiàn)三聚氰胺的質(zhì)譜裂解過程主要受碎片離子Mulliken電荷分布及其化學鍵相互作用強弱的影響，這可為進一步研究三聚氰胺衍生化合物的質(zhì)譜裂解途徑提供理論依據(jù)，也可為研究其他物質(zhì)的質(zhì)譜裂解過程提供方法參考。

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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

作者簡介：任昀(1981—)，男(漢族)，湖南汩羅人，博士研究生，從事物理化學和化學計量研究。E-mail: renren123123@126.com

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2013BAK12B06)；質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項"雙打"項目(2012104001)；湖南省質(zhì)量技術監(jiān)督局2013年科技計劃項目 (2013KJJH31)資助

收稿日期：2015-03-25;修回日期：2015-05-28

中圖分類號：O657.63

文獻標志碼：A

文章編號：1004-2997(2016)01-0037-06