基于FT-ICR MS的溶解性有机物分子式的确定方法技术

本发明专利技术涉及基于FT‑ICR MS的溶解性有机物分子式的确定方法。测定溶解性有机物FT‑ICR MS并经内部定标后，基于质荷比m/z值范围确定CHONS五种元素变幅范围，生成分子组合网格，得到潜在待匹配分子式。根据CHONS精确分子质量换算负离子条件下各分子式对应m/z值、理论去质子化m/z值向下取整、DBE、O/C、H/C、N/C、S/C、C+1‑H/2‑O值，并对分子式中CHONS原子数分别与相应元素标称质量乘积取模，并依此进行筛选以剔除自然环境下不存在的分子式。通过实测的校正后的m/z值与筛选后剩余潜在待匹配分子式理论m/z值逐一匹配，确定实测质谱峰的分子式。本发明专利技术方法无需添加化学试剂，也不需要繁琐的指标测定和复杂计算，即可实现溶解性有机物分子式的快速确定，可操作性强，具有重要而广泛的应用价值。

Determination of molecular formula of dissolved organic compounds based on FT-ICR MS

The invention relates to a method for determining the molecular formula of dissolved organic matter based on FT \u2011 ICR Ms. After measuring the dissolved organic matter ft \u2011 ICR MS and internal calibration, based on the M / Z value range of the mass to charge ratio, the range of the five elements' amplitude was determined, and the molecular combination grid was generated to obtain the potential molecular formula to be matched. According to the M / Z value of each formula, the theoretical deprotonized M / Z value is rounded down, DBE, O / C, H / C, N / C, S / C, C + 1 \u2011 H / 2 \u2011 o value under the condition of conversing the exact molecular weight of cons to the negative ion, and the product of the atomic number of cons and the nominal mass of the corresponding element in the formula is modeled respectively, and the molecular formula that does not exist in the natural environment is screened. The molecular formula of the measured mass spectrum peak was determined by matching the corrected M / Z value with the theoretical M / Z value of the remaining potential formula to be matched one by one. The method of the invention can quickly determine the molecular formula of dissolved organic matter without adding chemical reagent, tedious index determination and complicated calculation, has strong operability and important and wide application value.

【技术实现步骤摘要】
基于FT-ICRMS的溶解性有机物分子式的确定方法
本专利技术属于环境监测
，主要用以判定溶解性有机物分子组成，具体涉及一种基于超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICRMS)的溶解性有机物分子式的确定方法。
技术介绍
地表水生态系统中广泛存在的溶解性有机物(DOM)为全球范围内最大的有机碳库，其迁移转化每个环节发生的改变均在很大程度上决定碳循环和温室气体排放，从而制约全球气候变化的走向。由于这些环节均受DOM库的组成结构及生物与光降解活性所制约，因而揭示水生态系统中DOM结构对地表碳循环提供理论支撑。DOM包括一系列腐殖酸、富里酸、脂肪族及芳香烃类物质，组成结构也十分复杂，传统的化学分析手段很难有效揭示其结构与组成信息。有色可溶性有机物(CDOM)是DOM中能强烈吸收紫外辐射及蓝光的带发色团的那部分有机物，由于CDOM光谱吸收和荧光测量相对简单，其变化常被用来表征溶解性有机物库的丰度和组成变化。CDOM由一系列分子量迥异的有机物质组成，结构相当复杂。根据CDOM能强烈吸收紫外辐射的特性，通常运用其在350nm吸收系数半定量表征其浓度。单位溶解性有机碳在紫外区吸收系数SUVA254，光谱斜率S275-295，吸收系数比值a(250):a(365)及光谱斜率比值SR，亦即S275-295/S350-400通常用以表征腐殖化程度。其中SUVA254越高，则表征腐殖化程度越高，而a(250):a(365)，S275-295及SR越高则表征腐殖化程度越低。由于CDOM中部分氨基酸、腐殖酸及芳香类物质具有荧光特性，在短波激发条件下会发出荧光。由于CDOM在相同激发波长下会发射出不同波长的荧光峰，因而荧光光谱比吸收光谱具有更高的分辨率，因而近年来大量研究结果运用荧光光谱表征CDOM组成结构的变化。传统的“寻峰法”只能获取很有限的若干个荧光峰，另外三维荧光图谱中荧光峰相互交叠，很容易造成荧光结果的误判。近年来兴起的平行因子分析法(parallelfactoranalysis,PARAFAC)能有效将错综交叠三维荧光图谱解析为相互独立的不同荧光组分，可有效定量或半定量表征CDOM各荧光组分的特征。然而值得指出的是，荧光手段仅能表征在短波激发条件下能发荧光的物质，这部分物质在DOM库中通常占比不超过10％。而且PARAFAC仅能揭示有限的荧光峰组分，该类组分的变化并不能完全定量揭示相应有机物质的来源、组成及迁移转化。超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICRMS)是截至目前最先进的高分辨率质谱，质荷比分辨率高达10-6量级，能在分子层面上有效应用于DOM组成结构的定量识别。在结合分子数据库的前提下能够检索到符合样品测定质荷比的海量分子信息。FT-ICRMS测定的质谱数据经由vanKrevelen图谱的H/C及O/C分子量比值可表征DOM的来源与组成信息。简而言之，生物分子的化学结构可由vanKrevelen分子量比值进一步细分为脂肪族、蛋白质与氨基酸、木质素、碳水化合物、不饱和烃、稠环芳烃类物质及单宁酸等几个亚类。由于木质素为陆地维管束植物降解的特有信号，因而其比重越高，陆源腐殖酸输入信号越强，而脂肪族及蛋白质为藻源性DOM信号，其比重大小与内源氨基酸新生信号息息相关。由于超高分辨率质谱FT-ICRMS检测信号灵敏、包含海量分子结构信息且测定较为简便，在揭示DOM来源、组成及迁移转化过程方面远优于上述吸收与荧光光谱测量方法，因而越来越受到相关领域国内外学者的青睐。然而值得指出的是，目前国内外关于超高分辨率质谱FT-ICRMS分子式的确定方法一直是国内外学者开展工作的拦门虎。国内外学者目前较为广泛运用的是findformula-master及Formularity软件解译结果，然而两种方法均难以低匹配解译分子量DOM，再者分子结构van-Krevelen图谱中共轭结构不明显，相对强度的分布凌乱，存在较为广泛的误译，严重干扰研究者对溶解性有机物分子结构的判读。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种新型的基于超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICRMS)的溶解性有机物分子式的确定方法。该方法适用于各类自然生态系统中溶解性有机物分子式的判读，以及来源与组成的解译，并且无需添加化学试剂，操作简单易行，所需成本很低且数据处理速度快，能很容易开发为界面软件；本专利技术基于超高分辨率质谱FT-ICRMS校正后图谱，能有效确定其分子组成并能用以快速确定溶解性有机物来源组成特征。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于FT-ICRMS的溶解性有机物分子式的确定方法，包括以下步骤：(1)测定溶解性有机物FT-ICRMS并经内部定标；(2)基于FT-ICRMS的质荷比m/z范围确定C、H、O、N、S五种元素的变幅范围，生成排列组合网格，获取潜在待匹配分子式；(3)根据五种元素精确分子质量换算负离子条件下各潜在待匹配分子式对应m/z值、理论去质子化m/z值向下取整、双键等价物(DBE)、氧碳比O/C值、氢碳比H/C值、氮碳比N/C值、硫碳比S/C值、C+1-H/2-O值，并对潜在待匹配分子式中五种元素原子数分别与相应元素标称质量乘积取模；(4)基于下述条件对潜在待匹配分子式进行筛选：①溶解性有机物实测m/z值155-1200；②双键等价物(DBE)≥0且为整数；③理论去质子化m/z值与向下取整值之差0.3-0.9；④O/C≤1；⑤0.3≤H/C≤2；⑥-10≤C+1-H/2-O≤10；⑦2≤H≤(2C+2)；⑧N/C<0.5；⑨S/C<0.2；⑩分子式中五种元素原子数与相应元素标称质量乘积取模值≠1；剔除不符合上述①～⑩定义范围的潜在待匹配分子式，亦即剔除天然水体中不存在的分子式，获取剩余潜在待匹配分子式；(5)通过校正后的实测m/z值与剩余潜在待匹配分子式的理论m/z值逐一匹配，并依此确定实测质谱峰的分子式。所述步骤(1)中，测定溶解性有机物和超纯水Milli-Q空白的FT-ICRMS原始图谱，并经DataAnalysis软件，依据SuwanneeRiverFulvicAcid(SRFA)标准品进行内部定标；FT-ICRMS的测定方法为：利用固相萃取后获得溶解性有机物样品，运用甲醇与纯水配比1:1比例稀释，之后采用15T超高分辨率质谱FT-ICRMS在负离子模式下测定溶解性有机物质谱，扣除超纯水Milli-Q空白制备的固相萃取FT-ICRMS峰，并通过DataAnalysis(version4.2)软件依据SuwanneeRiverFulvicAcid(SRFA)标准品完成内部定标。FT-ICRMS图谱经DataAnalysis进一步完成内部校正后质荷比m/z值相对误差控制在<1ppm；进一步的，FT-ICRMS质谱的测定并定标后，将精确分子质量设置为小数点后6位；在与理论值匹配过程中通过加氢并减电子质量的方式进行去离子化。所述步骤(2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FT-ICR MS的溶解性有机物分子式的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)测定溶解性有机物FT-ICR MS并经内部定标；/n(2)基于FT-ICR MS的质荷比m/z范围确定C、H、O、N、S五种元素的变幅范围，生成排列组合网格，获取潜在待匹配分子式；/n(3)根据五种元素精确分子质量换算负离子条件下各潜在待匹配分子式对应m/z值、理论去质子化m/z值向下取整、双键等价物DBE、氧碳比O/C值、氢碳比H/C值、氮碳比N/C值、硫碳比S/C值、C+1-H/2-O值，并对潜在待匹配分子式中五种元素原子数分别与相应元素标称质量乘积取模；/n(4)基于下述条件对潜在待匹配分子式进行筛选：/n①溶解性有机物实测m/z值155-1200；/n②双键等价物DBE≥0且为整数；/n③理论去质子化m/z值与向下取整值之差0.3-0.9；/n④O/C≤1；/n⑤0.3≤H/C≤2；/n⑥-10≤C+1-H/2-O≤10；/n⑦2≤H≤(2C+2)；/n⑧N/C<0.5；/n⑨S/C<0.2；/n⑩分子式中五种元素原子数与相应元素标称质量乘积取模值≠1；/n剔除不符合上述①～⑩定义范围的潜在待匹配分子式，亦即剔除天然水体中不存在的分子式，获取剩余理论潜在待匹配分子式；/n(5)通过校正后的实测m/z值与上述剩余潜在待匹配分子式的理论m/z值逐一匹配，并依此确定实测质谱峰的分子式。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于FT-ICRMS的溶解性有机物分子式的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测定溶解性有机物FT-ICRMS并经内部定标；
(2)基于FT-ICRMS的质荷比m/z范围确定C、H、O、N、S五种元素的变幅范围，生成排列组合网格，获取潜在待匹配分子式；
(3)根据五种元素精确分子质量换算负离子条件下各潜在待匹配分子式对应m/z值、理论去质子化m/z值向下取整、双键等价物DBE、氧碳比O/C值、氢碳比H/C值、氮碳比N/C值、硫碳比S/C值、C+1-H/2-O值，并对潜在待匹配分子式中五种元素原子数分别与相应元素标称质量乘积取模；
(4)基于下述条件对潜在待匹配分子式进行筛选：
①溶解性有机物实测m/z值155-1200；
②双键等价物DBE≥0且为整数；
③理论去质子化m/z值与向下取整值之差0.3-0.9；
④O/C≤1；
⑤0.3≤H/C≤2；
⑥-10≤C+1-H/2-O≤10；
⑦2≤H≤(2C+2)；
⑧N/C<0.5；
⑨S/C<0.2；
⑩分子式中五种元素原子数与相应元素标称质量乘积取模值≠1；
剔除不符合上述①～⑩定义范围的潜在待匹配分子式，亦即剔除天然水体中不存在的分子式，获取剩余理论潜在待匹配分子式；
(5)通过校正后的实测m/z值与上述剩余潜在待匹配分子式的理论m/z值逐一匹配，并依此确定实测质谱峰的分子式。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，测定溶解性有机物和超纯水Milli-Q空白样固相萃取结果的FT-ICRMS原始图谱，并经DataAnalysis软件，依据SuwanneeRiverFulvicAcid(SRFA)标准品进行内部定标。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，FT-ICRMS的测定方法为：固相萃取后获得溶解性有机物样品，运用甲醇与纯水配比1:1比例稀释，之后采用15T傅里叶变换超高分辨率质谱仪测定FT-ICRMS，并扣除超纯水Milli-Q空白质谱峰。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用负离子电喷雾化模式测定溶解性有机物质谱。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将环境变量与FT-ICRMS分子式相对丰度进行关联，确定各类水体分子组成的潜在环境驱动机制，步骤如下：
(1)以各个样点对应的环境指标作为自变量；
(2)将同一背景下所采集并完...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永强，张运林，周蕾，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32