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基于同位素模式峰的串联质谱鉴别天然烟碱与合成烟碱.pdf
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1、第44卷第5期2023年9月质谱学报Journal of Chinese Mass Spectrometry SocietyVol.44No.5Sep.2023基于同位素模式峰的串联质谱鉴别天然烟碱与合成烟碱付亚宁1,2,崔利利1.2,于捧捧1.2,陈韩书磊1-2,侯宏卫1-2,胡清源1.2(1.国家烟草质量监督检验中心,河南郑州450 0 0 1;2.烟草生物学效应重点实验室,河南郑州450 0 0 1)东欢12,摘要:天然烟碱和合成烟碱的生物合成和化学合成过程不同,其同位素分馏也不同。本研究利用这一特性开发了一种基于同位素模式峰的串联质谱方法,通过对比烟碱的M+H+和M+H+1+峰的丰度和
2、面积比,以及M十H+和M+H+1+峰作为母离子产生的碎片峰丰度比来验证烟碱的来源。结果表明,天然烟碱与合成烟碱的MS谱图中m/164.1、16 3.1峰的丰度比和面积比,以及MS/MS谱图中m/163.1、16 4.1碎片离子的丰度比均具有显著性差异。在具有显著性差异的变量中,合成烟碱的总体丰度比高于天然烟碱。同时,结合化学计量学方法进一步构建鉴别天然烟碱与合成烟碱的评价模型。在OPLS-DA模型中,16 4.1-8 5.1/8 4.1、16 4.1-8 5.1/(8 4.1+8 5.1)、16 3.1-131.1/131.1、16 3.1-131.1/(130.1+131.1)为筛选出来的天
3、然烟碱与合成烟碱鉴别的主要变量,准确度达97.8 7%。该方法具有操作简单、快速、无需定量等特点,有助于市场上不同来源烟碱烟草制品的准确识别、标签和监管。关键词:合成烟碱;同位素;串联质谱;鉴别中图分类号:0 6 57.6 3doi;10.7538/zpxb.2022.0187Identification of Natural Nicotine and Synthetic Nicotineby Tandem Mass Spectrometry Based on Isotope Pattern PeaksFU Ya-ning*,CUI Li-lil-,YU Peng-peng*,CHEN Hua
4、n2,HAN Shu-leil-,HOU Hong-weil-,HU Qing-yuan-(l.National Tobacco Quality Supervision and Inspection Center,Zhengzhou 45000l,China;2.Key Laboratory of Biological Ef fects of Tobacco,Zhengzhou 450o01,China)Abstract:“Tobacco-free or synthetic nicotine products have been favored by the major-ity of youn
5、g people,which undoubtedly increase the potential health risks and regulato-ry challenges.Currently,there are few reliable methods for the determination ofauthenticity of natural nicotine and synthetic nicotine.The analytical techniques basedon mass spectrometry have broad application prospects in c
6、omponent sequence analysis,structure analysis,molecular weight determination and component content determina-tion.The synthesis processes of natural nicotine and synthetic nicotine are different,文献标志码:A文章编号:10 0 4-2 997(2 0 2 3)0 5-0 7 14-0 7国家烟草质量监督检验中心科技创新项目(552 0 18 CA0070)本文通信作者侯宏卫,胡清源第5期and the
7、ir isotopic fractionations are also different.Here,a method of tandem mass spec-trometry based on isotope model peak was developed using this feature.The source ornaturalness of nicotine is verified by comparing the abundance and area ratio of M+HJ+and M+H+1J+peaks of nicotine,and the abundance rati
8、o of M+HJ+andM+H+1+peaks as fragments of parent ions.A total of 47 experimental resultsshowed that the m/z 164.1,163.1 peak abundance ratios and the area ratios of naturalnicotine and synthetic nicotine in MS spectra were significantly different.In addition,inMS/MS spectra,the abundance ratios of fr
9、agment ions of m/z 163.1,164.1 also hadsignificant differences.Among the variables with significant differences,the overallabundance ratio of synthetic nicotine was higher than that of natural nicotine.The eval-uation model for the identification of natural nicotine and synthetic nicotine was furthe
10、rconstructed by combining chemometric methods.Using OPLS-DA modeling,the dis-criminant accuracy was 97.87%.Moreover,rankings of importance of variables differeddepending on the model of the evaluation.164.1-85.1/84.1,164.1-85.1/(84.1+85.1),163.1-131.1/131.1,163.1-131.1/(130.1+131.1)were the key disc
11、riminant variables.This method has the advantages of simple operation,rapid operation and no need forquantitative analysis,which will help to accurately identify,label and supervise tobaccoproducts from different nicotine sources on the market.Key words:synthetic nicotine;isotopes;tandem mass spectr
12、ometry;authentication烟碱是烟草制品的重要化学成分,其含量高低与烟草制品的品质和口感密切相关11。天然烟碱(99%(S)-(一)-烟碱)主要来源于烟草植物,例如,烤烟和卷烟2-3。随着烟碱有机合成技术的不断发展,含有合成烟碱的新型烟草制品成为传统烟草产品的替代品。合成电子烟一经问世,便受到欢迎,其销售额占美国一次性电子烟市场份额的51.3%41。与天然烟碱不同,合成烟碱含有等量的2 种立体异构体(R,S-(土)-烟碱),其主要通过化学合成得到5-6 。然而,合成烟碱对人类健康和成瘾方面的影响尚无定论。由于合成烟碱非来源于烟草植物,这给烟草制品的监督管理带来了极大的挑战。因此
13、,迫切需要开发一种可靠的方法来识别天然烟碱与合成烟碱。目前,基于手性柱的液相色谱-质谱分析是较常用的烟碱鉴定方法9-10 1,然而,高纯度合成(S)-(一)-烟碱的出现给该方法提出了挑战。近年来,稳定同位素比值技术在鉴定人工合成和天然提取的牛磺酸1、咖啡因12 、麻黄碱13中发挥着重要作用。此外,Hu等141基于核磁共振氢谱的位点特异性峰强度比(site-specificpeak intensityratio,SPI R)技术研究了天然烟付亚宁等:基于同位素模式峰的串联质谱鉴别天然烟碱与合成烟碱715碱与合成烟碱的不同。但上述2 种方法均要求操作者具备较丰富的专业知识,且实验过程复杂、成本高。
14、由于这2 种方法均利用了天然与合成产品中同位素分馏不同的原理,因此可借助高分辨质谱的串联技术监测化合物的同位素分馏情况15。化学计量统计分析对于数据的解释和未知来源样品的分类模型构建非常重要16 。典型的化学计量学数据分析包括:无监督的主成分分析(principal component analysis,PCA)17),层次聚类分析(hierarchical cluster analysis,HCA);以及有监督的线性判别分析(lineardiscriminant analysis,L D A)、偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminant anal
15、ysis,PLS-DA)、正交偏最小二乘判别分析(orthogonalpartial least squares-discriminant analysis,OPLS-DA)等18 。与 PLS-DA 相比,OPLS-DA可以滤除与分类信号无关的噪声,提高模型的分析能力和有效性。本研究拟通过开发基于同位素模式峰的串联质谱技术,结合化学计量学分析手段鉴定天然烟碱与合成烟碱,为实现市场上合成烟碱烟草产品的准确识别、标签和监管提供技术参考。7161实验部分1.1主要仪器与装置ImpactII超高分辨四极杆-飞行时间串联质谱仪(高于50 0 0 0 的全灵敏度分辨率):德国Bruker公司产品;Ult
16、imate3000液相色谱仪:美国ThermoFisher公司产品。1.2主要材料与试剂甲酸铵、甲酸:均为色谱纯,美国Sigma-Aldrich公司产品;乙腈(色谱纯):德国Merck公司产品;实验用水:由Milli-Q超纯水制备系统(美国Millipore公司产品)制得。从8 种传统卷烟样本、8 种加热卷烟样本、6种电子烟样本中提取天然烟碱。合成烟碱来源:TRC(加拿大)公司购买的R-烟碱、R,S-(土)-烟碱及6 种不同合成路径的S-烟碱,共8种。另外通过8 种烟碱的部分烟碱进行1:1混合制得17 种合成烟碱。具体为R-烟碱与6种S-烟碱混合,制得6 种烟碱;R,S-(土)-烟碱与6 种S
17、-烟碱混合,制得6 种烟碱,1号S-烟碱样本与另外5种S-烟碱样本混合,制得5种烟碱。共计2 5种合成烟碱样本。1.3实验条件1.3.1样品制备准确称取0.0 1g(精确至0.0001g)天然烟草制品,加入50 mL水,于30超声萃取2 0 min,静置过夜,取适量的萃取液过0.2 2 m水系滤膜,待测。用水将上述合成烟碱纯品稀释至2 0 mg/L,进样分析。1.3.2?色谱条件ACQUITY UPLC CSHC18 色谱柱(2.1 mmX100 mmX1.7 m),柱温40;流动相:A为含10 mmol/L甲酸铵,pH3.5的水溶液,B为纯乙腈;流速0.4mL/min,在100a质谱学报第4
18、4卷70%B条件下等度洗脱7 min;进样体积2 L。1.3.3质谱条件电喷雾(ESI)离子源,正离子模式;碰撞气体为氩气;毛细管电压一4.5kV;雾化气压强18 0 kPa;干燥气温度2 2 0;质谱内标为甲酸钠溶液,m/z50130.10;分别对烟碱m/z163.1、16 4.1进行MS/MS碎裂分析,碰撞能量(CID)10 eV。1.4数据处理使用DataAnalysis4.0软件进行数据分析,计算m/163.1、16 4.1的丰度比和峰面积比,以及烟碱m/163.1、16 4.1的二级碎片离子(m/84.1、8 5.1、130.1、131.1)丰度比。使用保留时间1.8 2.1min的
19、平均丰度和士0.5u的质量窗口,计算丰度比和峰面积比。将数据分别导入SPSS23.0和SIMCA14.0软件进行单变量和多变量分析。2结果与讨论2.1天天然烟碱与合成烟碱的结果烟碱(C1oHi4N2,相对分子质量16 2.1)在电喷雾离子源中会产生质子化离子m/163.1M+H+和m/z164.1M+H+1+。在二级质谱碎裂中,母离子m/z163.1产生m/z84.1、130.1碎片离子,mz164.1产生m/z85.1、131.1碎片离子,示于图1。本研究分别对天然烟碱与合成烟碱样本进行MS和MS/MS分析,碎片离子峰的丰度比列于表1。在MS谱图中,整理收集m/164.1与m/163.1峰的
20、丰度比(FD164.1/163.1)、面积比(MJ164.1/163.1)以及m/z164.1与总和峰的丰度比(FD164.1/(16 3.1十100b130.0521131.05925050Fig.1 MS/MS spectra of m/z 163.1(a),164.1(b)protonated nicotine parent ions5084.0733163.1059100150m/z图1质子化烟碱母离子m/z.163.1(a)、16 4.1(b)的MS/MS谱图164.109185.075720050100150m/z200第5期Table 1 Abundance ratios of
21、each fragment ion peaks of natural nicotine and synthetic nicotine samplesm/Abundance ratio164.1/163.1164.1/163.1面积比164.1/(163.1+164.1)164.1/(163.1+164.1)面积比163.185.1/84.185.1/(84.1+85.1)131.1/130.1131.1/(130.1+131.1)164.185.1/84.185.1/(84.1+85.1)131.1/130.1131.1/(130.1+131.1)付亚宁等:基于同位素模式峰的串联质谱鉴别天然烟
22、碱与合成烟碱表1天然烟碱和合成烟碱样本各碎片离子峰的丰度比天然烟碱Natural nicotine/%(n=22)丰度比平均值标准差最大值最小值平均值标准差最大值最小值PvalueMeanSD10.361.0010.220.349.380.849.270.282.730.302.650.284.910.474.680.4379.462.4344.270.76324.0325.7576.351.23717合成烟碱Synthetic nicotine/%(n=2 5)P值MaxMin6.7110.859.2210.816.299.798.449.751.822.981.792.894.055.39
23、3.895.1174.2883.1742.6245.41297.89427.7274.8781.05Mean10.9510.509.879.502.872.795.315.0576.7443.42316.6975.97SD0.070.240.060.200.100.090.120.100.970.3116.270.91Max10.7910.059.749.132.652.585.114.8674.2742.62295.0774.69Min11.0510.849.959.783.032.945.555.2678.8744.09350.7577.810.0050.0020.0060.0020.03
24、30.0340.0000.0000.0000.0000.2430.233164.1))、面积比(MJ164.1/(16 3.1+16 4.1))。在母离子为m/z163.1的MS/MS谱图中,选择m/z85.1与m/84.1峰的丰度比(16 3.1-85.1/84.1)、m/z 8 5.1与总和峰的丰度比(16 3.1-85.1/(84.1+85.1)以及m/z131.1与m/130.1峰的丰度比(16 3.1-131.1/130.1)、m/131.1与总和峰的丰度比(16 3.1-131.1/(130.1十131.1))作为考察对象。同样,在母离子为m/z164.1的MS/MS谱图中,考察了
25、m/z85.1与m/84.1峰的丰度比(16 4.1-8 5.1/8 4.1)、m/z85.1与总和峰的丰度比(16 4.1-8 5.1/(8 4.1十85.1)以及m/131.1与m/130.1峰的丰度比(16 4.1-131.1/130.1)、m/131.1与总和峰的丰度比(16 4.1-131.1/(130.1十131.1))。在上述12 个变量中,通过对2 2 种天然烟碱样本和2 5种合成烟碱样本进行单变量分析,除m/164.1在MS/MS碎裂下131.1/130.1和131.1/(130.1+131.1)无显著性差异(P0.05)外,其余10 个变量对天然烟碱与合成烟碱鉴定的影响较大
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