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基于质谱的木质素混合物表征

3、环境科学 > 专题1：原子分子尺度的环境地球化学

生物质木质素(lignin)是自然界中第二丰富的有机物，氮、硫的含量低，其降解后的小分子是潜在的石油燃料替代品；同时它又具有芳香族化合物的结构，可用于替代苯酚生产大宗化工产品。木质素在自然界储量丰富，又属于可再生资源，近年来，木质素的转化和利用这一课题已经越来越受到世界各国的关注。
由于分析检测方法的局限，工业上缺乏高效的手段来鉴别、分离、提取复杂木质素化合物中有价值的成分，因此天然木质素主要被用于相对低端的制浆造纸业。质谱法，尤其是傅立叶离子回旋共振质谱仪(FTICR-MS)可以为复杂样品的表征提供重要的信息，因此被广泛应用于天然有机质的研究中。
通过FTICR-MS的研究我们发现，自然环境和实验条件都会对木质素的检测产生重大的影响，如光照/紫外线会诱使木质素发生氧化反应继而改变它的腐蚀性，图1显示了全质量扫描质谱图中，木质素样品经太阳光照射后质荷比呈现出下降的趋势，并且出现三个含氧量较高的新化合物。此外，在质谱检测中，不同的溶剂/基质系统以及离子化方式对于不同的化合物都有各自特异的选择性，这也会导致被检出的成分大相径庭，这些影响因素需要我们在设计实验时能够统筹考虑。
木质素成分复杂，我们采用了数据处理的办法来简化质谱数据，尝试在分子结构层面上把一些隐藏在质谱图中的信息通过直观的图像可视化。通过石油研究中经常用到的Kendrick mass defect(KMD)图重新排序质谱图；并且把KMD图的概念扩展为二维，用来推测复杂木质素混合物的结构信息。与此同时，van Krevelen图谱，杂原子/不饱和度分布图等均可用来辅助解析质谱数据，将混合物以特定的木质素亚基或者官能团碎片进行分类，相对快速地筛选出有价值的信息进行进一步的研究。一系列初步的成果已经发表在分析化学领域的国际期刊《‎Anal. Bioanal. Chem,》上，并且分别被选为封面文章和热点文章。