电喷雾质谱中β-羟基诱导偶氮裂解机理研究及在食品偶氮染料筛查鉴定中的应用

It is significant and necessary to explore and summary the fragmentation mechanism of protonated or de-protonated molecules in ESI-MS for the structural analysis of organic compounds. Azo dyes contamination is one of the major food pollutions now. The study on fragmentation mechanism of azo double bond in ESI-MS will improve and promote the identification of illegal azo dyes in foods. This research proposed a new fragmentation mechanism of azo dyes induced by β-hydroxy, namely the competitive “azo-hydrozone” tautomeric cleavage. Based on a series of sudan and sulphonated azo dyes as models, the fragmentation pathways and characteristic ions of these compounds will be explored and summarized using Q-trap MS and Orbitrap HRMS. The “azo-hydrozone” competitive cleavage model will further be witnessed by H/D exchange, D-labeling experiments, substituent effects and DFT theoretical calculation. These researches will provide a basis for developing MS-based methods of detecting or screening a class of azo dyes in foods.

食品的偶氮染料污染是当前危害人体健康的一项重要风险，裂解机理是ESI-MS鉴定有机分子结构的核心内容和研究热点，而研究偶氮裂解机理是ESI-MS分析鉴定偶氮染料污染种类，控制风险的关键步骤。本课题提出了“腙式-偶氮式”竞争性断裂的偶氮裂解机理，拟以苏丹红和偶氮磺酸类染料为模板分子，使用密度泛函理论计算、Q-trap MS和Orbitrap HRMS质谱，研究ESI-MS中β-羟基诱导偶氮裂解的质子化位点，碎片结构和键断裂位置，归纳裂解规律，验证这一新颖的裂解机理；再通过氢/氘交换、同位素标记试验，取代基效应研究和理论计算的方法，进一步阐明偶氮竞争性裂解的平衡过渡态和影响因素。本项目即丰富了偶电子离子的裂解机理和规律，加深了对离子裂解过程中基本反应推动力的认识，也为建立食品中偶氮染料的裂解模型和质谱快速检测方法奠定了理论和实验基础。

本项目以经典的分子苏丹红和偶氮磺酸类染料为模板，结合质谱检测和理论计算，计算了不同位点的质子亲和势和[M+H]+相对能量。在B3LYP泛函，6-311G基组下，验证了“腙式-偶氮式”竞争性裂解机理中涉及的过渡态和离子/中性复合物的结构，键断裂位置和碎片离子结构。项目重点研究了食品中偶氮染料在ESI-MS中裂解模型和机理，β-羟基诱导偶氮裂解的质子化位点，碎片结构和断键位置，获得了裂解规律。根据偶氮和羟基氧的质子亲和势的相对能量，判断出苏丹红Ⅰ的最可能质子化位点位于“偶氮式”苯环相连的N原子上，不在羟基O或萘环N上。根据离子/中性复合物的构成机理，在B3LYP泛函，6-311G基组下，我们对内禀反应坐标IRC下的终产物进行了几何优化，能量计算和电荷布局分析，结果表明偶氮[M+H]+离子N=N键裂解，裂解的两个碎片均生成了离子，表明该裂解反应是一个离子/中性复合物（INC）的单电子转移反应。初步阐明验证偶氮分子“腙式-偶氮式”竞争性裂解的内在机理和影响因素。针对食品中的偶氮染料污染问题，开发了质谱方法学，分别采用ESI正离子模式和正负切换模式建立偶氮染料裂解模型和质谱快速检测方法。