CN106093248B - 高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法 - Google Patents

高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法 Download PDF

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Abstract

一种高效液相色谱‑串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，包括：用超纯水对气溶胶样品中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行超声萃取，用高效液相色谱‑串联四级杆质谱联用仪进行检测：采用氨水作为流动相；质谱部分的离子源采用适宜极性分子分析的电喷雾电离方式，质谱方法采用多次优化后的离子源参数和化合物参数，在负离子和多反应监测模式下进行定性和定量分析。通过外标曲线法，L、M、G在0.01‑1μg/ml范围内线性关系良好，相关系数超过0.99，其中L的检出限小于0.005μg/ml，M和G均小于0.01μg/ml，实验重复性很好，L、M、G的重复性实验的相对标准偏差分别为1.31％，4.48％和1.31％，其加标回收率均达到97％以上。

Description

高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋 葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法
技术领域
本发明涉及一种高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法。
背景技术
生物质燃烧例如森林大火、秸秆燃烧等会排放多环芳烃、卤代有机污染物等有毒物质影响人体健康，同时也会排放温室气体和大气颗粒物等影响大气环境和气候变化，其排放的污染物成分及其复杂，因此用分子示踪物来研究生物质燃烧对区域或局部地区大气环境的影响十分重要。
左旋葡聚糖(1,6-anhydro-β-d-glucose，或称Levoglucosan、L)学名1,6-脱水-β-D-葡萄糖,是纤维素在高于300℃下热解的产物，没有其他来源。由于它的释放量较大，且在大气环境中有足够的稳定性，被广泛用作生物质燃烧的示踪物。左旋葡聚糖的同分异构体甘露聚糖(1,6-anhydro-β-d-mannopyranose，或称Mannosan、M)学名1,6-脱水-β-D-吡喃型甘露糖以及半乳聚糖(1,6-anhydro-β-d-galactopyranose，或称Galactosan、G)学名1,6-脱水-β-D-吡喃型半乳糖是半纤维素高温裂解的产物，它们在大气环境中同样性质稳定且具有源特殊性，因而与左旋葡聚糖一并被公认为理想的生物质燃烧示踪物。左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖互为同分异构体，分子量均为162.0，其对应的分子结构式如下：
对于大气气溶胶中生物质燃烧示踪物左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖这三种单糖类的测定，早前广泛采用的是先用有机溶剂萃取气溶胶中的目标物质，接着经衍生化后用气相色谱-质谱联用的方法进行检测，该方法需用有机溶剂进行萃取，溶剂消耗量大，检测成本较高，而且样品准备耗时较长，衍生化还会造成待分析物的损失。近年来，新出现的无需进行衍生化的检测方法包括离子色谱-脉冲安培检测，其左旋葡聚糖检测限仅为60μg/l(200ng/m3)(Schkolnik,G.,Rudich,Y.,Detection and quantification oflevoglucosan in atmospheric aerosols:A review.Analytical and BioanalyticalChemistry,2006,385:26-33)；用高效液相色谱-脉冲安培检测方法，其三种单糖类的检测限在20-50μg/l(Caseiro,A.,Marr,I.L.,Claeys,M.,Kasper-Giebl,A.,Puxbaum,H.,Pio,C.A.,Determination of saccharides in atmospheric aerosol using anion-exchangehigh-performance liquid chromatography and pulsed-amperometricdetection.Journal of Chromatography A,2007,1171:37-45)；同样用高效液相色谱-串联四级杆质谱联用的方法对左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行检测，Piot et al采用NaOH溶液作为流动相可能会对质谱造成不可逆转的影响，例如会使流动相NaOH溶液经过离子源时于高温下析出晶体，堵塞离子源接口等，且该方法对三种目标物的检测限为30μg/l，定量限为100μg/l(Piot,C.,Jaffrezo,J.L.,Cozic,J.,Pissot,N.,El Haddad,I.,Marchand,N.,Besombes,J.L.,Quantification of levoglucosan and its isomers byHigh Performance Liquid Chromatography-Electrospray Ionization tandem MassSpectrometry and its applications to atmospheric and soil samples.AtmosphericMeasurement Techniques,2012,5:141-148)。以上检测限对于检测受气溶胶污染较少的地区或气溶胶浓度较低天气的气溶胶样品具有局限性。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种检出限低，检测效果好，无需使用有机溶剂，无需衍生化，检测成本低、安全的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高效液相色谱-串联四级杆质谱联用测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，步骤包括：
(1)用超纯水对气溶胶样品中的三种单糖左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行超声萃取，所得萃取液过滤后完成样品的前处理；
(2)用高效液相色谱-串联四级杆质谱联用测定样品中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖：色谱柱选择适合单糖类分离的阴离子交换柱，流动相选择为氨水(质量分数ω：约0.001％)-超纯水，采用恒流速洗脱，流速范围设定为0.2-0.5ml min-1；
(3)将步骤(1)所得的经过萃取的样品经由自动进样器进样后，通过步骤(2)中流动相的带动下进入柱温箱中的色谱柱中，柱温箱温度设定不超过柱子最高耐温度(最高耐温度为50℃)；三种单糖在流动相的带动下于色谱柱内洗脱分离后，各组分通过接口进入质谱检测；质谱的离子源采用适宜极性分子分析的电喷雾电离(ESI)方式(在负离子条件下，各组分在喷雾电压和雾化气的共同作用下雾化形成喷雾状的带电液滴后，接着在TurboHeater提供的雾化温度和辅助加热气的共同作用下，溶剂蒸发，小液滴碎裂，离子从液滴中脱落，产生气相离子，在接口处聚焦，在气帘气的带动下，进入质量分析器)获得的气相离子进入质量分析器；
(4)进入质量分析器(QqQ)后，采用质谱多反应监测(MRM)分析方法，采用质谱多反应监测(MRM)分析方法可以选择多个母、子离子对同时进行检测，设定只有质荷比为160.9的母离子能通过一级质谱(MS1/Q1)进入碰撞室(q2)，设定在碰撞室被打碎的碎片子离子中101.0,113.0和129.0能通过二级质谱(MS2/Q3)并被最后的检测器检测(设定好之后仪器将自动选择该类离子进入二级质谱或检测器)；相同的母、子离子对的化合物参数相同，每个离子对的化合物参数经多次优化后取最佳值以使其灵敏度最高，各母、子离子对的化合物参数如表1：
表1左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的特征母、子离子及对应化合物参数
(MRM方法具有灵敏度高、重现性好和准确度高的特点，适合已知分析物反应离子的检测。通过单标测试后发现，互为同分异构体的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖经离子化后具有相同的母离子即160.9，母离子经碰撞室碰撞击碎后，左旋葡聚糖丰度最高的两个子离子为101.0和113.0，甘露聚糖拥有同样的子离子即101.0和113.0，半乳聚糖丰度最高的两个子离子为101.0和129.0)
(5)结合目标物的保留时间和特征子离子对左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行定性，用丰度最高的160.9-101.0离子对对三种目标物进行定量，定量方法采用外标曲线法。
本发明上述的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，为了保证柱效和避免待测物在柱内的残留，还需要采用如下步骤：每两周用200mM的NaOH溶液冲洗柱子24小时，冲洗流速设定为0.4ml min-1，冲洗液不进入质谱，冲洗完后接着用质量分数为0.001％的氨水以0.4ml min-1的流速冲洗2小时以去除柱内残留的NaOH溶液，冲洗液不进入质谱；
上述步骤(1)中，用超纯水对样品中的三种单糖(左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖)分别进行了5、15、30、45、60、75、90分钟的超声萃取，最后确定最佳的萃取时间为45分钟(时间为45分钟时，萃取出来的三种单糖浓度最高，超过45分钟后，三种单糖浓度变化不大且有所减低)，温度为室温。
上述步骤(1)中，超声仪的功率为150W，使用频率为40kHz。
上述步骤(2)中的色谱柱选择为Dionex(戴安)4mm(内径)×250mm(长度)的CarboPac MA1分析柱以及4mm(内径)×50mm(长度)的CarboPac MA1保护柱。流动相选择为适合该色谱柱的碱性溶液，易挥发，不会对质谱造成影响的氨水。氨水选择为高效液相(HPLC)级别，购自西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich)公司，原质量分数为≥25％，上述质量分数为0.001％(约0.528mM)的氨水配制步骤为：取800ml超纯水，经超声脱气后，加入160μl的5％的氨水(由质量分数为25％的原氨水稀释5倍得到)，摇匀、静置。
本发明涉及的所有流动相都需经超声脱气处理，超声仪的功率为150W，使用频率为40kHz，时间为5-10分钟，以排除O2和N2等保证流量准确，提高色谱图重现性，同时避免流动相与空气中CO2的接触形成碳酸盐，吸附在柱子上而影响柱效。
经多次实验证明流速的改变对目标物灵敏度及分离度影响较小，优化结果设定为0.4ml min-1。
氨水的浓度可以影响目标物的灵敏度，可通过该变流动相比例实现其浓度的改变，当流动相氨水(ω：约0.001％)-超纯水比例为10:90(v/v)时，目标物的灵敏度最高，因此，方法中设定流动相比例为氨水(ω：约0.001％)-超纯水(10:90，v/v)，即流动相中氨水的质量分数为0.0001％。
本发明步骤(3)中离子源各参数经多次实验优化设定如下：离子喷雾电压设定为-3800V，雾化气设定为38psi，雾化温度设定为650℃，辅助加热气设定为80psi，气帘气设定为46psi；
上述步骤(3)中柱温箱温度经多次实验后证明与样品的分离度和灵敏度呈正相关，柱温箱温度越高，样品分离度越好，灵敏度越高，实验发现，当温度≤35℃时，分离效果偏差，柱温箱内使用的上述色谱柱的温度限值为50℃，长时间使用该柱子以不超过其最高温度的90％为宜，因此最佳温度设定为45℃。负离子模式适合酸性及中性样品，或含有多个羟基时。三种单糖偏中性且含数个羟基，因而选择负离子模式。
上述步骤(4)采用质谱多反应监测(MRM)分析方法，其分析检测时间为70分钟，同步化模式为“LC sync”即液相同步模式。
本发明的优点和有益效果为：
1.采用本发明的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用测定样品中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，由于三种单糖既溶于水也溶于有机溶剂，此处使用的液相色谱双重质谱联用仪中选择了“适合单糖类分离的阴离子交换柱”，该类柱子只能使用碱性的水相流动相，故而也只能使用水对目标物进行萃取，因此无需使用有机溶剂，样品也无需进行衍生化，能减少有机溶剂的使用，节约科研成本且有益于环保；而且能准确地定性、定量不同气溶胶样品中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖，检出限低(L的检出限小于5ng/ml(0.47ng/m3)，定量限(信噪比为10:1)小于10ng/ml，M和G的检出限小于10ng/ml(0.93ng/m3)，定量限在20-50ng/ml之间)，检测效果好。
2.本发明通过选择合适的色谱柱、流动相，优化流动相浓度、流速、柱温箱温度以及质谱中的离子源参数和目标物的化合物等参数，能使目标物得到很好的分离，在质谱离子源发生裂解，并使其对应的母、子离子在质谱得到最优化的分析检测。
附图说明
图1为本发明实施例1所检测的标准液中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的色谱图，该色谱图中的纵坐标代表峰的强度，横坐标代表保留时间，单位为分钟。
图2为本发明实施例2所检测的气溶胶样品萃取液中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的色谱图，该色谱图中的纵坐标代表峰的强度，横坐标代表保留时间，单位为分钟。
图3为本发明实施例1所检测的标准液中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的标准曲线图，该曲线图中的纵坐标代表液相色谱峰面积的响应值，横坐标代表左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的浓度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
实验条件：应用岛津公司的高效液相色谱(Shimadzu 30A)和爱博才思公司的串联四级杆质谱(ABsciex 3200Qtrap)联用仪进行检测，所用试剂均为高效色谱纯，色谱柱选用戴安公司生产的4mm(内径)×250mm(长度)的CarboPac MA1分析柱以及4mm(内径)×50mm(长度)的CarboPac MA1保护柱。流动相选择为氨水和超纯水，流速经优化设定为0.4mlmin-1。柱温箱温度设定为45℃。最佳离子喷雾电压设定为--3800V，雾化气设定为38psi，雾化温度设定为650℃，辅助加热气设定为80psi，气帘气设定为46psi。选择的各个单糖的代表性母、子离子对及对应的化合物参数如表1所示。进样量为10微升。计算机系统记录色谱和质谱图形，以离子对对应的峰面积作为目标物的响应值，结合左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖各自的保留时间和特征子离子对三种目标物进行定性，用丰度最高的160.9-101.0对三种目标物进行定量，定量方法采用外标曲线法。应用上述试验条件所作的具体实施例如下：
实施例1
精密称取左旋葡聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖各1.0mg，用适量超纯水溶解后，转移至100ml的容量瓶中，并用超纯水定容至刻度。摇匀，静置得10μg/ml的L、M、G混合标准溶液。L、M、G的测试工作曲线所用溶液由以上10μg/ml的标准溶液逐级稀释，分别配制成0.005,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1μg/ml的系列溶液，接着按上述实验条件进行高效液相色谱-串联四级杆质谱仪HPLC-MSMS分析检测，流动相选择为质量分数0.001％的氨水和超纯水(10：90，v/v)，恒流速设定为0.4ml min-1，柱温箱温度为45℃。最佳离子喷雾电压设定为-3800V，雾化气设定为38psi，雾化温度设定为650℃，辅助加热气设定为80psi，气帘气设定为46psi。选择的各个单糖的代表性母、子离子对及对应的化合物参数如表1所示。进样量为10微升。
实施例2
剪取大流量空气颗粒物采样滤膜3cm×3cm，剪碎后加入3ml超纯水，进行45分钟超声萃取。萃取液经0.45μm的疏水性PTFE针式滤器过滤后，将过滤后的提取液用高效液相-串联四级杆质谱联用仪进行测试分析，高效液相-串联四级杆质谱联用仪的测试分析实验条件同实施例1，外标法定量。对空气气溶胶样品作了3个平行样品，试验编号为A、B、C，分析结果见表2，并对第一个平行样品(试验编号A)重复测定5次，分析结果见表3。由表2可知，平行样中L的相对标准偏差(RSD)为8.98％，M的相对标准偏差为12.43％，G的相对标准偏差为6.98％；由表3可知，重复性测试中，L的相对标准偏差为1.31％，M的相对标准偏差为4.48％，G的相对标准偏差为1.31％。
表2该气溶胶样品中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的测试含量
表3该气溶胶样品中测试重复性
实施例3
将实施例1中的标准溶液加入到准备好的已知阴性结果(经测试不含有目标化合物)的测试液中，按照实施例1中仪器分析检测方法进行实验。对该样品做10次平行测量取平均值，根据实际加入量和实测结果，计算该样品的加标回收率，试验结果见表4，由表4可知，样品中左旋葡聚糖的加标回收率达到97-101％之间，平行测量的相对标准偏差为0.95％；样品中甘露聚糖的加标回收率达到99-101％之间，平行测量的相对标准偏差为0.61％；样品中半乳聚糖的加标回收率达到99-100％之间，平行测量的相对标准偏差为0.47％；
表4该样品的加标回收率
图1为本发明实施例1所检测的L、M、G的色谱图，该色谱图中的纵坐标代表峰的强度，横坐标代表保留时间，单位为分钟；图2为本发明实施例2所检测的气溶胶样品中的L、M、G的色谱图，该色谱图中的纵坐标代表峰的强度，横坐标代表保留时间，单位为分钟；根据L、M、G的单标所得色谱图的保留时间及特征离子进行定性，以峰度最强离子对160.9-101.0进行定量，以对应保留时间出现的160.9-101.0的峰面积作为目标物的响应值，对样品进行定性和定量分析。因实际气溶胶样品中M和G的含量很少，在色谱图中峰形不明显，因此，图2中M和G的峰形放大了10倍，L的峰形不变。图3为实施例1中对系列标准溶液检测所得的L、M、G的标准曲线图，该曲线图中的纵坐标代表液相色谱峰面积的响应值，横坐标代表L、M、G的浓度；由图3可知，L所得标准曲线的函数关系为y＝2E+06x+3364.8，其线性相关系数为R2＝0.9997；M所得标准曲线的函数关系为y＝3E+06x+104354，其线性相关系数为R2＝0.9976；G所得标准曲线的函数关系为y＝2E+06x+8626.5，其线性相关系数为R2＝0.9996；其中y代表对应的L、M、G的浓度，x代表液相色谱峰面积的响应值，表明该标准曲线具有较好的线性相关性。对于利用高效液相-串联四级杆质谱联用仪检测的仪器检出限(信噪比为3：1)，L的检出限小于5ng/ml(0.47ng/m3)，定量限(信噪比为10:1)小于10ng/ml，M和G的检出限小于10ng/ml(0.93ng/m3)，定量限在20-50ng/ml之间。

Claims (6)

1.一种高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，其特征在于：步骤包括：
（1）用超纯水对气溶胶样品中的三种单糖左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行超声萃取，所得萃取液过滤后完成样品的前处理；
（2）用高效液相色谱-串联四级杆质谱联用测定样品中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖：采用恒流速洗脱，流速为0.2-0.5 ml /min；
（3）将步骤（1）所得的经过萃取的样品进样后，在步骤（2）中流动相的带动下进入柱温箱中的色谱柱中，柱温箱温度设定不超过柱子最高耐温度；三种单糖在流动相的带动下于色谱柱内洗脱分离后，各组分通过接口进入质谱检测；质谱的离子源采用电喷雾电离方式获得的气相离子进入质量分析器；
（4）进入质量分析器后，采用质谱多反应监测分析方法，即选择多个母、子离子对同时进行检测，设定只有质荷比为160.9的母离子能通过一级质谱进入碰撞室，设定在碰撞室被打碎的碎片子离子中101.0,113.0和129.0能通过二级质谱并被最后的检测器检测；相同的母、子离子对的化合物参数相同；
（5）结合目标物的保留时间和特征子离子对左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行定性，用丰度最高的160.9-101.0离子对对三种目标物进行定量，定量方法采用外标曲线法；
步骤还包括：每两周用200mM的NaOH溶液冲洗柱子24小时，冲洗流速设定为0.4 mlmin-1，冲洗液不进入质谱，冲洗完后接着用质量分数为0.001%的氨水以0.4 ml min-1的流速冲洗2小时以去除柱内残留的NaOH溶液，冲洗液不进入质谱；
步骤（2）中的色谱柱选择为Dionex 4mm×250mm的CarboPac MA1 分析柱以及4mm×50mm的CarboPac MA1 保护柱；流动相为双流动相，即质量分数0.001%的氨水以及超纯水，氨水与超纯水的体积比为10:90；
步骤（3）中离子源的离子喷雾电压设定为-3800V，雾化气设定为38 psi，雾化温度设定为650°C，辅助加热气设定为80 psi，气帘气设定为46 psi；柱温箱温度为45°C；
步骤（4）各母、子离子对的化合物参数为：
左旋葡聚糖：母离子为160.9，子离子为101.0 或113.0，去簇电压为-45或-42，入口电压为-2.2或-2.0，碰撞室入口电压为-9或-6，碰撞能为-15或-13，碰撞室出口电压为-1.7或-2.2；
半乳聚糖：母离子为160.9，子离子为101.0 或129.0，去簇电压为-45或-38，入口电压为-2.2或-3.2，碰撞室入口电压为-9或-6，碰撞能为-15或-13，碰撞室出口电压为-1.7或-2.2；
甘露聚糖：母离子为160.9，子离子为101.0 或113.0，去簇电压为-45或-42，入口电压为-2.2或-2.0，碰撞室入口电压为-9或-6，碰撞能为-15或-13，碰撞室出口电压为-1.7或-2.2.。
2.根据权利要求1所述的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，其特征在于：步骤（1）中用超纯水对样品中的左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖进行超声萃取的时间为45分钟，温度为室温。
3.根据权利要求2所述的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，其特征在于：步骤（2）中质量分数0.001%的氨水配制步骤为：取800ml超纯水，经超声脱气后，加入160µl的5%的氨水，摇匀、静置。
4.根据权利要求1所述的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，其特征在于：步骤（2）中的流速为0.4 ml/ min。
5.根据权利要求1所述的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，其特征在于：所述的流动相均经超声脱气处理后的流动相，超声仪的功率为150W，使用频率为40kHz，超声脱气处理时间为5-10分钟。
6.根据权利要求1所述的高效液相色谱-串联四级杆质谱联用同步测定气溶胶中左旋葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖的方法，其特征在于：步骤（4）中所述的采用质谱多反应监测分析方法，其分析检测时间为70分钟，同步化模式为“LC sync”即液相同步模式。
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