中南民族大学陈柯课题组Anal. Chem.：建立氘同位素标记解析污染物环境地球化学行为的理论与方法

近日，中南民族大学陈柯副教授和武汉工程大学李思悦教授在环境领域著名学术期刊 Analytical Chemistry 上发表了题为 “H/D Exchange Coupled with ² H-labeled Stable Isotope Assisted Metabolomics Discover Transformation Products of Contaminants of Emerging Concern” 的研究论文 。 中南民族大学 陈柯副教授于 2022 年建立了基于 ² H 标记的稳定同位素辅助代谢组学（ ² H-SIAM ）解析污染物环境转化产物的相关理论、算法和工作流程（ Analytical Chemistry, 2022, 94, 7255−7263 ）。应用中，有限的同位素标记污染物及其昂贵的价格，限制了 SIAM 的应用和发展。本研究通过 H/D 置换反应（ H/D Exchange ），为 SIAM 提供 ² H 标记的新污染物 6PPD （ 6PPD- d 9 ），以解析新污染物 6PPD 的环境转化产物。本研究扩展了 ² H-SIAM 的使用范围，完善了 " 氘同位素标记解析污染物环境地球化学行为 " 的相关理论、方法和体系 。

引言

环境中的有机污染物在非生物和生物因素的作用下会发生氧化、降解、代谢、结合等反应，所生成的物质可以统称为转化产物。应用高分辨质谱非靶向分析，解析污染物未知的转化产物，须从样品里数千的 features 去除其中的 “ 噪音 ” ，缩小拟研究 features 的范围，以命名可能的转化产物，进而为后续的分离、纯化和结构鉴定创造条件。稳定同位素辅助代谢组学（ Stable Isotope-Assisted Metabolomics ， SIAM ，又可称为稳定同位素辅助非靶向分析）是非靶向分析中解析污染物未知转化产物重要的技术手段。该系列方法可应用同位素标记，分析转化产物本体和同位素体之间的定量关系，以去除噪音 features ，追踪示踪元素标记的物质，解析污染物的转化产物及其转化行为 。

SIAM 被广泛应用于解析生物、医药等领域内小分子的转化行为，然而其在环境中的应用较少。主要原因在于 ¹³ C 标记化合物昂贵，且现有的基于同位素标记的非靶向分析算法普遍针对 ¹³ C 标记化合物的特性而开发，将其应用于 ² H 标记化合物时，存在一定缺陷。陈柯副教授针对此问题，前期开发了基于 ² H 标记的非靶向分析工作流程及其配套的算法 ² H-SIAM(1.0) ，并将其应用于芘的环境转化产物分析（ Analytical Chemistry, 2022, 94, 7255−7263 ），证实其可靠性和高效性。

实际应用中，可能无法采购合适的 ² H 标记污染物，或其价格昂贵，限制了 ² H-SIAM 的发展。例如， 2022 年 Science 杂质报道的新污染物 6PPD ，尚无 ¹³ C 或 ² H 标记的化合物出售，无法采用 ² H-SIAM 解析其环境转化行为。本研究拟通过 H/D 置换反应（ H/D Exchange ），合成 6PPD 的氘化物，为 ² H-SIAM 提供 ² H 标记的新污染物 6PPD- d 9 ，以解析新污染物 6PPD 的环境转化产物，探讨 H/D Exchange 和 ² H-SIAM 结合的理论依据和方法。

图文导读

一、 H/D Exchange 反应合成新污染物 6PPD 苯环选择性 2H 标记

H/D 置换反应（ H/D Exchange ）可采用不同的氘源（例如 ² H ₂ O ），在温和的催化反应条件下，通过氘源中的 ² H ，置换小分子中的 H 原子，提供廉价的 ² H 标记污染物。因 H/D 置换反应可对不同类型的化合物提供选择性或全局的 ² H 标记，且反应条件温和，适应性广，近年来获得广泛的关注。本研究采用 Pt/C 和 Pd/C 做为催化剂，重水做为氘源，在 80 ℃、氢气氛围的温和反应条件下置换 6PPD 苯环上的 H 原子，以合成苯环选择性标记 6PPD- d 9 。该一步法反应 24 小时后，获得纯度为 72.7% ，氘化位点平均氘率达到 98% ，产率为 40.2% 的 6PPD- d 9 （图 1 ） 。

二、产物杂质分析

实验室自主合成的氘化物其纯度通常低于商品化的标准品。本研究综合应用 GC-MS 和 NMR 解析 H/D 置换产物中的杂质。经分析， H/D 置换生成的杂质主要是不完全氘化生成的 6PPD- d 8 和不完全干燥保留的溶剂。这些杂质对 ² H-SIAM 工作流程并无很大影响 。

三、转化产物分析及验证

图 3 土壤 6PPD 转化产物 6PPD- 醌（ a ）和 PPPD （ b ）的命名和验证

本研究随后采用 6PPD 标准品和 H/D 置换产物 6PPD- d 9 （纯度 72.7% ），通过 ² H-SIAM 工作流程，解析了 6PPD 的土壤转化产物。根据高分辨质谱提供的精确 m/z ，天然同位素分布， ² H 标记， MS ² 谱图比对等信息，非靶向命名了 9 种 6PPD 的转化产物。其中， 6PPD- 醌和 PPPD 通过商品化的标准品进行了验证（图 3 ）。由图可见，由 6PPD 本体和其同位素体 6PPD- d 9 转化获得的转化产物（ 6PPD- 醌和 PPPD ），其本体和同位素体的 MS ² 谱图保持一致；部分裂解碎片之间保持整数位的氢、氘质量差 。