定量結(jié)構(gòu)—保留相關(guān)關(guān)系輔助氣相色譜—質(zhì)譜法和氣相色譜紅外光譜法定性分析香精中的醛酮酯類化合物

黃翼飛等

摘 要 構(gòu)建了簡單的醛酮酯類化合物定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)關(guān)系（Quantitative structure-retention relationship， QSRR），結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜/氣相色譜-紅外光譜（GC-MS/GC-IR）方法建立快速、準確的香精樣品中醛酮酯類化合物定性分析方法。以醛酮酯標樣保留時間tR為因變量，分子拓撲指數(shù)0Q為自變量進行多元線性回歸擬合（MLR）得到tR=0Q×A+B的QSRR模型；混合標樣預(yù)測集得到QSRR模型為tR=0.9090 0Q-5.279（醛酮）和tR=0.82360Q-7.422（酯），相關(guān)系數(shù)R2=0.997，測試集化合物預(yù)測值與實驗值的相對誤差小于5%；結(jié)合GC-MS/GC-IR分析方法檢測和譜庫檢索化合物類別，快速準確定性分析香精樣品中醛酮酯類化合物，為復(fù)雜基體中醛酮酯類同系物和同分異構(gòu)體分析提供了快速、準確的定性方法。

關(guān)鍵詞 定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)關(guān)系； 香精； 醛； 酮； 酯； 氣相色譜-質(zhì)譜； 氣相色譜-紅外光譜

1 引 言

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)結(jié)合了GC高效分離和MS定性專屬性強的優(yōu)勢，具有靈敏度高、分析速度快和鑒別能力強的特點，可同時完成待測組分的分離鑒定，適用于混合物中未知組分的定性和定量分析，在食品[1]、環(huán)境[2]、醫(yī)藥[3]、化工[4]等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但氣相色譜的色譜柱容量有限，同系物或異構(gòu)體化合物的色譜保留時間相近或一致[5]。雖然GC-MS配置的NIST數(shù)據(jù)庫中已包含超過20萬張化合物的EI質(zhì)譜圖譜，但在含有較多同系物和同分異構(gòu)體的復(fù)雜樣品分析中，有些化合物在EI（與GC常聯(lián)用的離子化方式）電離方式下不產(chǎn)生分子離子峰；利用譜庫檢索一般只能給出某個成分的可能匹配物質(zhì)，一些結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的EI質(zhì)譜圖較為相似，僅僅依靠GC-MS得到的結(jié)果對化合物進行定性并不十分充分，需要通過其它電離技術(shù)獲得分子量信息，或采用多級質(zhì)譜（MSn）技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)信息。研究者常通過與其它定性方法聯(lián)用、建立指紋圖譜[6]或化學(xué)計量學(xué)[7]的手段來彌補NIST數(shù)據(jù)庫在同系物和異構(gòu)體鑒定分析中的不足。氣相色譜-紅外光譜（GC-IR）聯(lián)用技術(shù)結(jié)合了GC良好的分離能力和IR結(jié)構(gòu)鑒定的優(yōu)勢，適合復(fù)雜未知物成分分離及其定性定量分析。另一方面，定量結(jié)構(gòu)保留相關(guān)關(guān)系（QSRR）是直接利用分子結(jié)構(gòu)信息關(guān)聯(lián)和預(yù)測有機物的色譜保留時間[8]。多元線性回歸模型是QSRR中應(yīng)用廣泛的一種經(jīng)典建模方法，它對自變量和因變量加以線性擬合得到最小二乘意義下的最佳結(jié)果，在環(huán)境、食品、化工等領(lǐng)域未知化合物的分離分析中得到廣泛應(yīng)用[9～15]。

香精香料是食品香味的主要來源之一，它們使制造食品的香味能夠與傳統(tǒng)手工制作的食品相媲美。香精香料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到食品生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，它能改善食品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、增加食品的色香味，大大提高了人民的生活質(zhì)量和品味，同時促進了食品工業(yè)的快速發(fā)展[16]。醛酮酯類化合物是重要的工業(yè)原料、藥物原料、合成中間體，也是合成香精香料的重要組成之一[17]。目前，醛酮酯類化合物的QSRR方面的相關(guān)研究已多有報道[18～24]。

本研究采用QSRR輔助GC-MS/IR方法快速定性分析飽和醛酮酯同系物及其同分異構(gòu)體。以醛酮酯標樣保留時間tR為因變量，分子拓撲指數(shù)0Q為自變量，構(gòu)建簡單醛酮酯類化合物定量結(jié)構(gòu)-保留相關(guān)關(guān)系（QSRR），采用本方法輔助GC-MS/IR方法建立快速、準確的香精樣品中醛酮酯類化合物定性分析方法。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

GC 6890N氣相色譜（美國Agilent公司）；IR 6170紅外光譜聯(lián)用儀（美國Thermo Fisher Scientific公司），另配有FID檢測器；6890/5790氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，美國Agilent公司）。

2-戊酮、3-戊酮、2-己酮、4-庚酮、5-甲基-2-己酮、3-辛酮、正己醛、1-辛醛、丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、乙酸異戊酯、丁酸丙酯、丁酸丁酯、丁酸異戊酯、丁酸正戊酯、異戊酸異戊酯、丁酸己酯、乙酸戊酯、己酸乙酯、癸酸乙酯、十二酸乙酯、十四酸乙酯、十五酸乙酯、棕櫚酸甲酯、三醋酸甘油酯（純度≥99.5%，阿拉丁試劑公司）；正己烷（色譜純，百靈威公司（上海））。香精等樣品由某企業(yè)提供。

各標準品以正己烷為溶劑，配制成1000 mg/L儲備液備用；單標使用液和混標使用液根據(jù)需要由儲備液用正己烷稀釋而成。

2.2 分析條件

2.2.1 GC-MS條件

色譜柱： Agilent HP-VOC（60 m × 0.32 mm × 1.80 μm）； 進樣口溫度： 260℃； 質(zhì)譜接口溫度270℃，離子源溫度230℃，電離方式為 EI，電子轟擊能量 70 eV；載氣為高純He，柱流速1.0 mL/min；進樣量1 μL，分流進樣，分流比為25∶1；程序升溫：以5℃/min的速率從70℃升至270℃。

2.2.2 GC-IR/FID條件 Agilent HP-VOC色譜柱 （60 m × 0.32mm × 1.80 μm）；進樣口溫度： 260℃，F(xiàn)ID檢測器溫度：250℃；載氣為高純He，柱流速1.0 mL/min；進樣量1 μL，分流進樣，分流比為5：1；程序升溫：以5℃/min的速率從70℃升至270℃；紅外光譜分辨率：16 cm1，掃描次數(shù)：8次；GC-IR接口傳輸線溫度：270℃，光管溫度：270℃。

2.3 樣品處理

在0.2 mL香精樣品中加入0.5 mL 正己烷，振蕩2 min后，用1 mL 注射器吸取上清液，重復(fù)3次，得到1 mL萃取液，備用。

2.4 分子拓撲指數(shù)0Q

3 結(jié)果與討論

3.1 GC-MS和GC-FID/IR中醛酮酯化合物的保留時間

結(jié)合GC-IR可對未知物進行官能團鑒定的特點，輔助GC-MS定性分析復(fù)雜樣品中的醛酮酯類化合物。本研究首先考察了醛酮酯類化合物在不同方法中的色譜保留時間（表1）。結(jié)果表明，采用同一方法和同型色譜柱，由于GC-IR接口構(gòu)造特殊，餾出物在氣紅接口中滯留時間較長，導(dǎo)致醛酮酯化合物在GC-MS和GC-IR/FID中保留時間不同，但色譜保留時間順序基本一致，相應(yīng)化合物的保留時間差值近似為常數(shù)，這為GC-IR輔助GC-MS用于復(fù)雜樣品中未知物的分析鑒定奠定了基礎(chǔ)。

3.2 QSRR模型建立

將17種飽和酯類化合物分為兩類，其中7種乙酯類同系物（丙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯、癸酸乙酯、十二酸乙酯、十四酸乙酯、十五酸乙酯）作為訓(xùn)練集，推測對應(yīng)關(guān)系式；剩余的不同取代基的其它酯類化合物作為預(yù)測集，用于檢驗方法準確性。飽和酯類化合物的Q值、在GC-MS方法中保留時間實驗值見表2。由表2可知，乙酯類同系物的色譜保留時間與其分子結(jié)構(gòu)參數(shù)Q值間存在良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.997。由于這些乙酯類同系物都是直鏈羧酸基乙酯，在GC中存在良好的碳數(shù)規(guī)律。因此，本對應(yīng)關(guān)系式與同系物碳數(shù)規(guī)律結(jié)果一致。此對應(yīng)關(guān)系式對其它酯類化合物的保留時間預(yù)測值也列于表2。

由于作為預(yù)測集的酯類化合物與訓(xùn)練集的乙酯類化合物的結(jié)構(gòu)存在較大差異，單獨采用保留時間碳數(shù)規(guī)律無法得到良好的預(yù)測。但經(jīng)過分子拓撲結(jié)構(gòu)處理后的結(jié)果表明，酯類化合物的保留時間與其對應(yīng)的Q值能很好地符合此線性關(guān)系，預(yù)測值與實驗值的偏差不超過5%。

對于醛酮類化合物，以2-戊酮、3-戊酮、2-己酮、4-庚酮及5-甲基-2-己酮作為訓(xùn)練集，將醛酮化合物在不同方法上的色譜保留時間（tR）與相應(yīng)化合物的0Q進行多元線性回歸分析。結(jié)果表明，tR與0Q具有良好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2=0.997。其中醛酮化合物在GC-MS方法中色譜保留時間（tR）與0Q的擬合方程為：

tR=0.9090Q-8.141（4）

以4-庚酮、3-辛酮、1-辛醛和4-壬酮為測試集，用公式（4）對測試集在GC-IR方法中的色譜保留時間進行預(yù)測，所得預(yù)測值及其與實驗值的相對偏差見表3。結(jié)果表明，測試集化合物的預(yù)測值與實驗值的相對偏差小于3.4%，表明模型預(yù)測能力較強。

3.3 QSRR輔助GC-MS/IR方法在復(fù)雜樣品醛酮酯類化合物鑒定中的應(yīng)用

3.3.1 香精樣品1#分析 采用GC-MS分析香精樣品1#的正己烷萃取液（圖1A）。通過NIST質(zhì)譜圖譜庫搜索，其中9、16、19和24號峰可能為醛酮類化合物，相應(yīng)化合物及其匹配度見表4。

由圖1A可見，3號和16號譜峰的匹配度并不高，而24號譜峰不僅質(zhì)譜匹配度低，而且給出了相似匹配度的不同化合物。本研究進一步采用GC-IR分析該樣品（圖1B），結(jié)合IR譜庫鑒定結(jié)果，可以基本確定譜峰9和19為醛酮類化合物，峰3為酯類化合物，但具體結(jié)構(gòu)無法確定。

為了準確確定這些醛酮酯類化合物的同系物結(jié)構(gòu)，采用QSRR模型進一步處理。表5給出了6～14個碳直鏈飽和醛的0Q值及其根據(jù)已知模型中擬合公式得到的色譜保留時間預(yù)測值。

為壬醛。而24號峰（十三醛和十四醛）相應(yīng)的色譜保留時間預(yù)測值與實驗值相對誤差相當大，初步判斷MS譜庫推薦的兩個可能結(jié)果均不正確。根據(jù)保留時間預(yù)測值與實際色譜保留時間判斷，24號譜峰應(yīng)為十一醛。通過標準樣品對預(yù)測結(jié)果進行核實， 3號峰為丁酸乙酯；16號峰為壬醛；24號峰為十一醛，證明采用QSRR結(jié)合GC-MS/IR能準

確判斷未知化合物的結(jié)構(gòu)。

3.3.2 香精樣品2#分析 香精樣品2#經(jīng)正己烷處理后的GC-MS分析結(jié)果見圖2，通過NIST質(zhì)譜譜庫搜索給出的相應(yīng)化合物及其匹配度見表6。

結(jié)果表明，雖然GC-MS NIST譜庫和GC-IR都顯示香精樣品2#中含有多個酯類化合物，但GC-MS對多個酯類化合物的同系物給出了匹配度相近的可能結(jié)果，單獨通過GC-MS或通過GC-IR輔助MS難以準確簡單酯類化合物同系物的結(jié)構(gòu)。為此，本研究通過NIST推薦的化合物的0Q值并結(jié)合QSRR已建立的模型進行預(yù)測。結(jié)果表明，辛酸乙酯、十二酸乙酯、癸酸異戊酯和十五酸乙酯的預(yù)測保留時間與實驗中2， 8， 9和10號峰的保留時間吻合度較好，進一步采用相應(yīng)標準樣品進行對比，最終確定預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

根據(jù)分子拓撲指數(shù)0Q和色譜保留時間關(guān)系，建立了醛酮酯類化合物的QSRR模型tR=0QA+B，該模型因變量、自變量具有較好的線性相關(guān)性，預(yù)測能力良好。采用GC-MS、GC-IR對香精樣品分離分析并進行初步定性，利用所建立的tR-0Q模型對初步定性結(jié)果輔助定性確定準確的定性結(jié)果，確立了快速、準確判定香精香氣等復(fù)雜樣品中未知化合物結(jié)構(gòu)的分析方法。本方法中氣相色譜采用的色譜柱均為HP-VOC柱，在其它色譜柱體系，本方法并不適用。另外，本方法的tR-0Q模型對脂肪族飽和醛酮酯類化合物的能夠準確定性，但對苯系物或不飽和化合物的定性誤差較大。

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