新型卤代有机污染物及多环芳烃代谢物的准靶向定性分析

发布时间：2020-07-28 19:36

【摘要】：人类和自然活动产生了种类繁多的有机化合物,这些有机物可能会进入和存于环境中,造成环境污染。除目前已经研究的卤代持久性有机污染物(POPs)外,环境中可能还存在大量新型、未知的卤代有机污染物(HOPs)。在研究这些潜在新型HOPs之前,需要在环境样品中对它们进行鉴定,并初步评估它们的环境研究意义。多环芳烃(PAHs)是一类广泛存在的具有持久性、生物富集性和毒性的污染物,并可能进入和积存于人体中,对人体健康构成威胁,尤其对于有可能暴露于高浓度PAHs的人群。为了了解PAHs在人体内可能的代谢过程和途径,需要对PAHs的各类代谢物进行鉴定。为此,本研究提出准靶向定性分析的思想,建立了鉴定环境样品中潜在新型HOPs以及人尿液中PAHs代谢物的准靶向分析方法;并据此鉴定了一系列新型HOPs和PAHs代谢物。在此基础上,利用各种基于定量构效关系(QSAR)方法的软件计算了这些化合物的一些物理化学性质及生物活性,并模拟预测了它们的各种环境行为。主要研究结果有:1.利用化学软件模拟获取可能存在的新型HOPs的化学结构、精确分子量及同位素峰分布等信息,利用气相色谱高分辨质谱(GC-HRMS)的多离子监测模式对潜在新型HOPs的多个同位素质荷比进行扫描,再利用统计学方法包括配对样本T检验和余弦相似性分析,联合预测相对保留时间计算,建立了用于鉴定环境样品中新型HOPs的准靶向分析方法;并利用多种HOPs标准品和卤代苯标准品中氯溴混合卤代苯杂质对建立的方法进行了验证。实际检测结果和验证数据表明,该方法可以用于筛查鉴定环境样品中的卤代POPs,包括新型HOPs(如混合取代的HOPs和一些含硫的类二VA英化合物)。利用液相色谱-串联质谱(LCMS/MS)技术的多重反应监测、母离子扫描及中性丢失扫描等模式,联合自制代谢物数据表筛查,以及液相色谱-四级杆-飞行时间高分辨质谱(LC-QTOF-HRMS)和液相色谱-四级杆-静电场轨道离子阱高分辨质谱(LC-Q-Orbitrap-MS)的全扫描和二级离子扫描模式,建立了筛查鉴定人尿液中多环芳烃代谢物的准靶向分析方法。与已经报道的非靶向分析方法相比,该方法具有更高的确证性和可靠性。2.在垃圾焚烧飞灰样品中鉴定出了多类未曾报道或很少报道的新型HOPs,能确证的分子式一共有106种,其中混合卤代二VA英类化合物13种,混合卤代二联苯类化合物7种,混合卤代联苯醚类化合物7种,混合卤代苯类化合物5种,单一及混合卤代萘12种,单一及混合卤代菲20种,单一及混合卤代芘21种,溴代苯甲醚和甲氧基多溴联苯醚各1种,含硫的类二VA英化合物3种,卤代苯并萘二VA英/呋喃类化合物13种,卤代亚联苯类化合物3种。另外,一般每一种分子式都能检测出多种同分异构体。其中一共有6种化合物能确定化学结构(因它们各自仅有唯一结构),包括一溴五氯苯、五溴一氯苯、五溴苯甲醚、八氯代苯并噻吩、八氯代吩VA噻和八氯代噻蒽。通过文献对比和预测相对保留时间计算,一些同分异构体数量较少(2-4个)的分子式被推测性地确定化学结构,一共包括18种化合物:1-溴-2,3,4,6,7,8,9-七氯-二苯并-对-二VA英、2-溴-1,3,4,6,7,8,9-七氯二苯并-对-二VA英、1,2,3,4,6,7,8-七溴-9-氯-二苯并-对-二VA英、1,2,3,4,6,7,9-七溴-8-氯-二苯并-对-二VA英、1-溴-2,3,4,6,7,8,9-七氯-二苯并呋喃、2-溴-1,3,4,6,7,8,9-七氯-二苯并呋喃、3-溴-1,2,4,6,7,8,9-七氯-二苯并呋喃、4-溴-1,2,3,6,7,8,9-七氯-二苯并呋喃、1,2,3,4,6,7,9-七氯-8-氟-二苯并对二VA英、1,2,3,4,6,7,8-七氯-9-氟-二苯并对二VA英、Br-PCB-206、Br-PCB-207、Br-PCB-208、1,2,3,4,5,6,7-七氯萘(PCN-73)、1,2,3,4,5,6,8-七氯萘(PCN-74)、Cl-BDE-206、Cl-BDE-207和Cl-BDE-208。本研究还利用建立的准靶向定性分析方法来筛查除飞灰以外的环境样品(如土壤、污泥、室内灰尘、空气、烟气、鱼肉等)中的新型HOPs,并在一些样品中发现了一些新型HOPs。3.在人尿液样品中能确证的PAHs代谢物一共有19种,包括2种一相代谢物和17种二相代谢物。一相代谢物为二氢二醇PAHs,二相代谢物主要有OHPAHs葡糖醛酸代谢物和OH-PAHs硫酸代谢物,以及一些二羟基PAHs的葡糖醛酸化和硫酸化代谢物,另外还有二氢二醇-菲-谷胱甘肽-甘氨酸这种复杂代谢物。萘、芴和菲的代谢物种类稍多,分子量较大的芘只发现两类代谢物—葡糖醛酸化羟基芘和硫酸化羟基芘。根据代谢物的物理化学性质和色谱保留行为,可以推测出萘的一些代谢物的准确化学结构。4.计算模拟结果表明,鉴定出的HOPs大多具有持久性、生物富集性和毒性,是潜在的环境污染物,具有重要的环境研究意义。鉴定出的PAHs代谢物大多具有较强的极性和水溶性,容易随尿液排出体外;且一般毒性较低,但有的代谢物具有发育毒性和致突变性,可能会影响人体健康。本研究建立的准靶向定性分析方法适用于鉴定环境样品中的有机污染物及其代谢物,尤其是HOPs以及羟基化POPs代谢物。在缺乏标准品的条件下,该方法是一种相对可靠、可行、高效的鉴定新型HOPs及有机污染物体内代谢物的手段。本研究在环境样品中筛查鉴定出一系列未见报道或较少报道的新型HOPs,在尿液样品中鉴定出一些PAHs代谢物,并利用化学软件计算了这些化合物的物理化学性质、预测了它们的生物活性(如各种毒性等)、模拟了它们的环境行为和可能的代谢途径。这些数据可以为筛查具有研究意义的新型HOPs和污染物的代谢物以作更深入的研究提供参考。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X502
【图文】：

羟基萘,离子质谱,途径,离子

第四章多环芳烃代谢物的定性分析裂途径代谢物在质谱上通常能产生共同的特征性子于鉴定其代谢物。在负 ESI 源上，所有定量离子([M-H]-)。如图 4.3 所示，在子离子扫描29, m/z 115, m/z 89 和 m/z 41。子离子 m/z 1H 产生的；子离子 m/z 115 是由 OHN 母离子是 OHN 及与 OHN 代谢物的特征子离子，细质谱碎裂途径见图 4.3。其他三种 OH-PA也由相应的母离子脱去一个 CO 基团生成。图 4.4 所示。

色谱图,代谢模式,代谢物,母离子

图 4.6. 人尿液样品(未经酶处理)中 OH-PAHs 的母离子扫描(PIS)总离子色谱图(TIC). 注：(A):OHN 的 PIS-TIC 图；(B): OHF 的 PIS-TIC 图；(C): OHPhe 的 PIS-TIC 图；(D): OHP 的 PIS-TIC图；两次 PIS 分别由两个固定子离子进行.四、代谢物初步鉴定(LC-MS/MS)OH-PAHs 在人体内的理论代谢模式见表 4.1。这些代谢模式(一相代谢和二相代谢)导致了母体化合物 OH-PAHs 的分子量的变化。例如一种普遍发生的体内代谢过程—葡糖醛酸化能够产生分子量比母体化合物增加 176 u 的葡糖醛酸化代谢物。这些代谢过程导致的化合物分子量的变化值见表 4.1，利用这些变化值就可以计算出 OH-PAHs 可能代谢物的分子量。利用 LC-MS/MS 扫描，获取可能代谢物的保留时间信息，然后利用两次PIS 扫描，确定这些保留时间的色谱峰的母离子质荷比，然后将这些检测出的母离子质荷比跟预测的可能代谢物的母离子质荷比对比，筛查出可能的代谢物。通过 LC-MS/MS 筛查，在人尿液样品中初步鉴定出 83 种多环芳烃羟基化相关代谢物，分属于 33 类(具有相同分子式的代谢物归于一类)，其中与羟基化萘、羟基化芴、羟基化菲和羟基化芘相关的代谢物数量分别为 16、23、38 和 6 种。

【参考文献】