兩對頭孢菌素類抗生素異構體的質譜識別研究

朱培曦，賈 飛，陳 悅，陸靜嫻，潘芳芳，李會林，鄭金琪，蔣可志，林 瓊（.浙江省食品藥品檢驗研究院，浙江杭州 0004；.杭州師范大學有機硅重點實驗室，浙江杭州 ；.浙江工業(yè)大學化學工程與材料學院，浙江杭州 004）

兩對頭孢菌素類抗生素異構體的質譜識別研究

朱培曦1，賈 飛1，陳 悅1，陸靜嫻1，潘芳芳1，李會林1，
鄭金琪1，蔣可志2，林 瓊3
（1.浙江省食品藥品檢驗研究院，浙江杭州 310004；2.杭州師范大學有機硅重點實驗室，浙江杭州 311121；
3.浙江工業(yè)大學化學工程與材料學院，浙江杭州 310014）

采用電噴霧四極桿飛行時間質譜技術對頭孢他啶及Δ3異構體，頭孢曲松Z／E異構體進行了分析研究，并使用離子阱質譜技術對頭孢他啶的碎裂途徑進行了確認。頭孢他啶質子化離子容易丟失CO或CO2而形成碎片離子m／z440、424、396；由于雙鍵與六元環(huán)上硫原子相連，頭孢他啶Δ3異構體容易發(fā)生開環(huán)反應，產生特征碎片離子m／z313。頭孢曲松Z異構體中，酰胺鍵氮上的氫容易與肟基上的氧原子形成分子內氫鍵，所對應的碎片離子m／z324較穩(wěn)定，豐度較高；而頭孢曲松E異構體中，酰胺鍵氮上的氫卻與肟基上的N原子形成分子內氫鍵，促進其進一步發(fā)生丟失甲氧基碎裂，形成碎片離子m／z293和m／z112。上述特征碎裂可用于這兩類異構體的質譜識別，也可為類似樣品中異構體雜質的分離鑒定提供數據支持。

頭孢他啶；頭孢曲松；異構體區(qū)分；質譜識別；正離子

頭孢菌素是一類廣譜半合成抗生素，具有抗菌譜廣、抗菌活性強、療效高、耐酸、耐堿、耐β-內酰胺酶、低致敏、副作用小等優(yōu)點［1-3］。頭孢他啶和頭孢曲松為第三代頭孢菌素，在耐β-內酰胺酶、抗革蘭陰性菌及抗菌譜等方面的性能比第二代更優(yōu)越。由于在合成或保存過程中，頭孢菌素類藥物容易產生各種異構體雜質，如Δ3異構體和順反異構體等［4］，而異構體雜質與藥物主成分的結構較為接近，是藥品中雜質鑒定的難點，因此，通過對異構體雜質裂解規(guī)律的總結，可以為未知雜質結構的推導提供實驗依據。

自20世紀80年代以來，人們就一直嘗試使用質譜技術對異構體分子進行鑒定和區(qū)分［5-6］，且隨著軟電離技術的發(fā)展，出現了許多使用電噴霧質譜技術對各種異構體進行區(qū)分的報道［7-15］。頭孢菌素類藥物是廣泛使用的抗生素藥物，已有文獻對其質譜裂解行為進行了總結［16-19］，并且嘗試對鹽酸頭孢吡肟、鹽酸頭孢甲肟、頭孢泊肟酯等藥物的Z／E異構體或Δ2／Δ3異構體進行鑒定［20-22］。

頭孢丙烯和中間體7-氨基-3-丙烯基-4-頭孢烷酸（7-APRA）的裂解規(guī)律已有報道［23］。頭孢他啶的Δ2／Δ3異構體和頭孢曲松的Z／E異構體的結構式示于圖1。本工作擬采用四極桿飛行時間質譜技術對其進行區(qū)分，旨為直接使用液相色譜-質譜技術分離鑒定類似樣品中的異構體雜質提供數據支持。

圖1 頭孢他啶（a）、頭孢他啶Δ3異構體（b）、頭孢曲松（c）和頭孢曲松E異構體（d）的化學結構Fig.1 Chemical structures of ceftazidime（a），Δ3isomer（b），ceftriaxone（c）and ceftriaxone E isomer（d）

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

6538四極桿飛行時間質譜儀、6320離子阱質譜儀：美國Agilent公司產品；KDS-100-CE流動注射泵：美國KD Scientific公司產品。

頭孢他啶和頭孢曲松對照品：由中國食品

藥品檢定研究院提供；頭孢他啶Δ3異構體和頭孢曲松E異構體：美國藥典標準品；甲醇（色譜純）：美國Merck公司產品；超純水：美國Millipore公司產品。

1.2 質譜條件

1.2.1 四極桿飛行時間質譜儀 電噴霧離子源，正離子模式，毛細管電壓4 000V，毛細管溫度300℃，霧化氣壓力241.325kPa，干燥氣流速600L／h，質量掃描范圍m／z 50～1 000，碰撞氣為N2，流動泵進樣速度180μL／h。質譜數據采集模式為Extended Dynamic Range （2GHz），正離子模式下，m／z 121.050 8和m／z922.009 8作為內標離子，實時對樣品測定結果進行校正；LC／MS數據采用Mass Hunter Qualitative Analysis B.04.00軟件分析。

1.2.2 離子阱質譜儀 電噴霧離子源，正離子模式，毛細管電壓4 000V，毛細管溫度250℃，霧化氣壓力206.85kPa，干燥氣流速600L／h，質量掃描范圍m／z 50～1 000，碰撞氣為He，流動泵進樣速度500μL／h。

1.3 樣品處理

精密稱取各對照品0.010g，置于200mL

容量瓶中，用50%甲醇溶解并稀釋至刻度，經0.45μm濾膜過濾，作為測試溶液。

2 結果與討論

2.1 頭孢他啶及其Δ3異構體的質譜區(qū)分研究

正離子模式下，頭孢他啶及其Δ3異構體的二級質譜圖示于圖2。頭孢他啶經電噴霧電離容易形成質子化離子［A＋H］＋（m／z 547），其二級質譜圖示于圖2a，其中基峰離子m／z 468是由母離子［A＋H］＋失去一分子吡啶形成的。碎片離子m／z 468可進一步丟失一分子CO或CO2，形成二級碎片離子m／z 440或m／z424；碎片離子m／z 396可由二級離子m／z440丟失一分子CO2或由二級離子m／z424丟失一分子CO形成；碎片離子m／z 396可再丟失一分子NH3和一分子末端羧基基團形成碎片離子m／z 277；碎片離子m／z 167則可由碎片離子m／z396斷裂羰基與肟基相連的單鍵形成。頭孢他啶的碎裂途徑示于圖3，該斷裂方式與文獻報道的一致［24］，并采用多級質譜進行確證，示于圖4。同時，上述碎片離子的元素組成均得到高分辨質譜數據的確證，結果列于表1。

在頭孢他啶Δ3異構體的二級質譜圖中，［B＋H］＋同樣容易丟失一分子吡啶形成碎片離子m／z468（基峰），示于圖2b。與［A＋H］＋不同的是，［B＋H］＋在碎裂過程中不易產生碎片離子m／z 440、424和396，卻容易形成碎片離子m／z313，該特征碎裂可作為這對異構體的質譜識別。在［B＋H］＋結構中，六元環(huán)上的雙鍵與S原子相連，碎片離子a（m／z468）在正電荷的誘導下發(fā)生六元環(huán)的開環(huán)反應形成異構體b；由于羧基官能團上羰基氧原子親核進攻，結構b發(fā)生閉環(huán)反應形成異構體c；并繼續(xù)發(fā)生質子遷移形成結構d；由于電荷誘導，相鄰的酰胺O發(fā)生閉環(huán)反應產生結構e；由于芳構化作用，結構e發(fā)生四元環(huán)開環(huán)反應產生碎片離子m／z313。由此可見，Δ3異構體結構中的雙鍵與硫原子相連，從而引發(fā)形成碎片離子m／z 313的特征碎裂反應，其裂解途徑示于圖5。根據譜圖中特征碎裂離子的顯著差異，這對異構體的質譜識別可以實現。

圖2 四極桿飛行時間質譜儀采集的頭孢他啶（a）及其Δ3異構體（b）準分子離子的MS2質譜圖（12V）Fig.2 MS2 spectra of protonated ceftazidime（a）andΔ3isomer（b）acquired by Q-TOF MS（12V）

圖3 頭孢他啶可能的碎裂途徑Fig.3 Possible fragmentation pathways of ceftazidime

表1 頭孢他啶和頭孢曲松的高分辨質譜數據Table 1 Accurate mass measurements of ceftazidime and ceftriaxone

續(xù)表1

圖4 離子阱質譜儀采集的頭孢他啶準分子離子的MSn質譜圖Fig.4 MSn spectra of protonated ceftazidime acquired by ion trap MS

圖5 頭孢他啶Δ3異構體（m／z 313）可能的裂解途徑Fig.5 Possible fragmentation pathways of ceftazidimeΔ3isomer（m／z 313）

2.2 頭孢曲松Z／E異構體的質譜區(qū)分研究

電噴霧正離子模式下，頭孢曲松Z／E異構體的二級質譜圖示于圖6。頭孢曲松容易產生質子化離子［C＋H］＋，其二級質譜圖示于圖6a，母離子［C＋H］＋（m／z 555）容易發(fā)生C—S鍵斷裂而形成碎片離子m／z 396（基峰）。與頭孢他啶類似，頭孢曲松的碎片離子m／z 396分別丟失一分子CO或CO2，形成二級碎片離子m／z368或m／z352；而三級碎片離子m／z324則由離子m／z 368丟失一分子CO2或由離子m／z352丟失一分子CO形成，裂解途徑示于圖7a。上述碎片離子的化學式均得到高分辨質譜數據的確證，結果列于表1。

對比頭孢曲松Z／E異構體的二級質譜圖可以發(fā)現，Z異構體［C＋H］＋在碎裂過程中容易形成碎片離子m／z 324，E異構體［D＋H］＋卻容易形成碎片離子m／z 293和m／z 112，因此二者異構體可實現質譜區(qū)分，其二級質譜圖示于圖6b。其中，E異構體中的碎片離子m／z 293可以由碎片離子m／z324進一步丟失甲氧基自由基產生。在Z異構體結構中，酰胺鍵的氮原子上的H原子容易與肟基上的O原子形成較穩(wěn)定的分子內氫鍵（六元環(huán)），故碎片離子m／z324較穩(wěn)定，相對豐度較高；而在E異構體結構中，酰胺鍵的氮原子上的H原子卻與肟基上的N原子形成分子內氫鍵（五元環(huán)），故進一步促進了碎片離子m／z 324丟失甲氧基，形成相對豐度較高的碎片離子m／z 293，其裂解途徑示于圖7b。上述區(qū)分與頭孢吡肟Z／E異構體的相似［20］。

圖6 四極桿飛行時間質譜儀采集的頭孢曲松Z異構體（a）和E異構體（b）準分子離子的MS2質譜圖（10V）Fig.6 MS2 spectra of protonated ceftriaxone Z isomer（a）and E isomer（b）acquired by Q-TOF MS（10V）

圖7 頭孢曲松Z異構體（a）和E異構體（b）準分子離子可能的碎裂途徑Fig.7 Possible fragmentation pathways of protonated ceftriaxone Z isomer（a）and E isomer（b）

3 結論

本工作采用四極桿飛行時間質譜技術對頭孢他啶及其Δ3異構體，以及頭孢曲松Z／E異構體進行碎裂研究，并使用離子阱質譜技術對頭孢他啶的碎裂途徑進行驗證。由于雙鍵位置產生移動，導致了頭孢他啶及其Δ3異構體六元環(huán)穩(wěn)定性的差異，產生了各自特征的質譜碎裂模式。頭孢曲松Z／E異構體可以形成不同的分子內氫鍵，導致碎片離子的穩(wěn)定性不同，且區(qū)分較為明顯。上述結果表明，由于空間結構不同，導致頭孢菌素異構體的裂解方式或難易程度不同，從而在二級質譜圖中表現出明顯的差異。因此，可以使用質譜技術對異構體進行有效地區(qū)分，該結果也可為類似樣品中異構體雜質的分離鑒定提供實驗數據支持。

［1］ PATEL I H，KAPLAN S A.Pharmacokinetic profile of ceftriaxone in man［J］.The American Journal of Medicine，1984，77（4C）：17-25.

［2］ SOBACK S，ZIV G.Pharmacokinetics of ceftazidime given alone and combination with probenecid to unweaned calves［J］.American Journal of Veterinary Research，1989，50（9）：1 566-1 569.

［3］ 薛雨，陳宇瑛.頭孢菌素類抗生素的最新研究進展［J］.中國抗生素雜志，2011，36（2）：86-92.

XUE Yu，CHEN Yuying.New development of cephalosporin antibiotics［J］.Chinese Journal of Antibiotics，2011，36（2）：86-92（in Chinese）.

［4］ 蔣煜，張哲峰，王虹.β-內酰胺類抗生素異構體雜質研究和質控進展［J］.中國抗生素雜志，2010，35（8）：561-566.

JIANG Yu，ZHANG Zhefeng，WANG Hong.Isomeric impurity research and quality control ofβ-lactam antibiotics［J］.Chinese Journal of Antibiotics，2010，35（8）：561-566（in Chinese）.

［5］ MANDELBAUM A.Stereochemical effects in mass spectrometry［J］.Mass Spectrometry Reviews，1983，2（2）：223-284.

［6］ VAIRAMANI M，SARASWATHI M.Mass spectral study of geometrical（E）-and（Z）-isomers［J］.Mass Spectrometry Reviews，1991，2 （2）：491-517.

［7］ ZHANG X P，ZHU P X，ZHANG H R，et al.The competing radical eliminations in the tandem mass spectrometry of the OH-deprotonated benzyl vanillate［J］.Journal of Mass Spectrometry，2015，50（2）：432-436.

［8］ WU Y Q，GUO C，ZHANG N W，et al.Rapid differentiaton of ortho-，meta-，and para-isomers of halogenated phenylmethylidene hydrazinecarbodithioates by metal complexation and electrospray ionization mass spectrometry［J］.Rapid Communications in Mass Spectrometry，2014，28 （19）：2 111-2 120.

［9］ WAN D B，YANG H M，YAN C Y，et al.Differentiation of glucose-containing disaccharides isomers by fragmentation of the deprotonated non-covalent dimers using negative electrospray ionization tandem mass spectrometry［J］.Talanta，2013，115：870-875.

［10］ZHANG X P，LI F，LV H Q，et al.On the origin of the methyl radical loss from deprotonated ferulic and isoferulic acids：Electronic excitation of a transient structure［J］.Journal of American Society for Mass Spectrometry，2013，24（6）：941-948.

［11］JIANG K Z，BIAN G F，PAN Y J，et al.Recognizing ortho-，meta-or para-positional isomers of S-methyl methoxylphenylmethylenehydrazine dithiocarboxylates by ESI-MS2：The positional effect of the methoxyl substituent［J］.International Journal of Mass Spectrometry，2011，299（1）：13-19.

［12］SUN C R，ZHU P X，HU N，et al.Differentiation of lisinopril and its RSS diastereomer by liquid chromatography combined with collision-induced dissociation mass spectrometry［J］.Journal of Mass Spectrometry，2010，45（1）：89-96.

［13］MAYER-HELM B，HOFBAUER L，PANI J.Different responses of E／Z-isomers of pesticides in liquid chromatography-electrospray ionizationmass spectrometry［J］.Journal of Mass Spectrometry，2010，45（7）：715-721.

［14］RAMESH M，RAJU B，SRINIVAS R，et al.Characterization of Nα-Fmoc-protected dipeptide isomers by electrospray ionization tandem mass spectrometry（ESI-MSn）：Effect of protecting group on fragmentation of dipeptides［J］.Rapid Communications in Mass Spectrometry，2011，25 （14）：1 949-1 958.

［15］孫靖輝，吳巍，郭迎迎，等.利用ESI-Q-TOF-MS／MS區(qū)分人參皂苷Rh2和CK［J］.質譜學報，2014，35（2）：158-162.

SUN Jinghui，WU Wei，GUO Yingying，et al.Differentiation of Ginsenoside Isomer Rh2and CK using ESI-Q-TOF-MS／MS［J］.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society，2014，35（2）：158-162（in Chinese）.

［16］郭澤琴，霍佳麗，王建華，等.β-內酰胺類抗生素質譜裂解機理研究［J］.質譜學報，2014，35（1）：45-51.

GUO Zeqin，HUO Jiali，WANG Jianhua，et al.Study on the cleverage rule ofβ-lactam antibiotics by electrospray quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry［J］.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society，2014，35（1）：45-51（in Chinese）.

［17］李惠琳，邢俊鵬，劉志強，等.頭孢菌素類抗生素的電噴霧多級串聯質譜分析［J］.質譜學報，2005，26（4）：198-202.

LI Huilin，XING Junpeng，LIU Zhiqiang，et al.Analysis of cephalosporins by electrospray ionization multi-stage tandem mass spectrometry［J］.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society，2005，26（4）：198-202（in Chinese）.

［18］RABBOLINI S，VERARDO E，da COL M，et al.Negative ion electrospray ionization tandem mass spectrometry in the structural characterization of penicillins［J］.Rapid Communications in Mass Spectrometry，1998，12（22）：1 820-1 826.

［19］TENCONI S，de FILIPPO L，da COL M，et al.Electrospray mass spectrometry in the structural characterization of cephalosporins［J］.Journal of Mass Spectrometry，1999，34（4）：268-275.

［20］王少敏，鄒大鵬，張建業(yè)，等.高效液相色譜／串聯

質譜法快速鑒定Z／E鹽酸頭孢吡肟異構體［J］.分析化學，2006，34（9）：1 278-1 282.

WANG Shaomin，ZOU Dapeng，ZHANG Jianye，et al.Rapid identification of Z／E cefepime dihydrochloride by high performance liquid chromatography／tandem time of flight mass spectrometry［J］.Chinese Journal of Analytical Chemistry，2006，34（9）：1 278-1 282（in Chinese）.

［21］趙玲，郭繼芬，張愛軍，等.LC-MS／MS法快速鑒定鹽酸頭孢吡肟中的同分異構體雜質［J］.藥學學報，2005，40（4）：361-364.

ZHAO Ling，GUO Jifen，ZHANG Aijun，et al.Rapid identification of isomeric impurity in raw drugs of cefepime dihydrochloride by liquid chromatography-tandem mass spectrometry［J］.Acta Pharmaceutica Sinica，2005，40（4）：361-364（in Chinese）.

［22］WANG J，RUAN D，SHAN W G.Separation and characterization of the impurities and isomers in cefmenoxime hydrochloride by HPLC-UV MSn［J］.Journal of Liquid Chromatography ＆Related Technologies，2013，36（15）：2 125-2 141.

［23］朱培曦，蔣可志，鄭金琪，等.液質聯用法快速鑒定頭孢丙烯及7-APRA的Z／E異構體［J］.質譜學報，2014，35（3）：262-268.

ZHU Peixi，JIANG Kezhi，ZHENG Jinqi，et al.Rapid identification of cefprozil and 7-APRA Z／E isomers by HPLC-MS／MS［J］.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society，2014，35（3）：262-268（in Chinese）.

［24］CHONG X M，HU C Q.Compilation of an ESIMS library ofβ-lactam antibiotics for rapid identification of drugs［J］.Chromatographia，2008，68 （9／10）：759-766.

Differentiation of Two Pairs
of Cephalosporins Isomers by Mass Spectrometry

ZHU Pei-xi1，JIA Fei1，CHEN Yue1，LU Jing-xian1，PAN Fang-fang1，LI Hui-lin1，ZHENG Jin-qi1，JIANG Ke-zhi2，LIN Qiong3
（1.Zhejiang Institute for Food and Drug Control，Hangzhou310004，China；
2.Key Laboratory of Organosilicon Chemistry and Material Technology，Hangzhou Normal University，Hangzhou311121，China；3.College of Chemistry Engineering and Material Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou310014，China）

Two pairs of cephalosporins isomers，includingΔ2／Δ3isomer of ceftazidime and Z／E isomer of ceftriaxone，were discriminated by electrospray quadrupole-time-offlight mass spectrometry（ESI-Q-TOF MS）.In addition，the fragmentation characters of cephalosporins were identified by ion trap mass spectrometry.The protonated ceftazi-dime is found to facilely undergo fragmentation vialosing CO or CO2to afford the fragment ions at m／z440，424and 396；in contrast，fragmentation of itsΔ3isomer readily leads to the fragment ion at m／z313 viathe ring-opening reaction initiated by the positive charge on the double bond.For the protonated ceftriaxone，the amide group is facile to interact with the oxygen atom of the oxyimino group viaan intramolecular hydrogen bond in the structure of the Z isomer，thereby its fragment ion at m／z 324shows high abundance.Whereas，there is an intramolecular hydrogen bond between the amide group and the nitrogen atom of the oxyimino group in the structure of its E isomer，which facilitates the loss of methoxyl group to form the fragment ions at m／z 293and m／z112.These different fragmentation patterns can be used to discriminate the two pairs of isomers.This work can also contribute to differentiation and characterization of the potential isomeric impurities of cephalosporins.

ceftazidime；ceftriaxone；isomer differentiation；mass spectrometry；positive ions

O657.63

A

1004-2997（2015）04-0350-09

10.7538／zpxb.youxian.2015.0021

2014-09-04；

修回日期：2014-10-26

國家自然科學基金青年基金項目（21205025）；浙江省科技廳分析測試科技計劃項目（2013C37055，2014C37059）資助

朱培曦（1984—），男（漢族），浙江杭州人，主管藥師，從事化學藥品質量研究工作。E-mail：zhpx110＠126.com

蔣可志（1980—），男（漢族），浙江永嘉人，副研究員，從事有機質譜研究工作。E-mail：jiangkezhi＠hznu.edu.cn

時間：2015-05-26；

網絡出版地址：http：∥www.cnki.net／kcms／detail／11.2979.TH.20150526.0905.005.html