有机质谱裂解规律及智能解析方法研究

本学位论文分为四个部分，第一部分报道了用串联质谱快速分析合成药物中的微量杂质成分以及分析中药材中的化学成分。第二部分报道了通过质谱和串联质谱发现并合成新型的PdPincer 催化剂，同时对其活性进行测试。第三部分为串联质谱自动解析软件的设计及应用。第四部分概述了应用在质谱中的各种碎裂方式。 第一部分首先总结了5-溴粉防己碱及其类似物的裂解规律，并以此为根据推测出2 个微量杂质的结构。随后针对无患子（Sapindus mukurossi Gatren.）中的皂苷成分，由ESI-QTOF 得到各个皂苷成份的高分辨质量数据进而得到其分子式，然后利用ESI-IT 电喷雾串联质谱对无患子总皂苷中各皂苷成分的结构进行进一步的鉴定。进而以同样的方式，先通过ESI-QTOF 得到黄山药（Dioscoreapanthaica）总皂苷中各个组分化合物的分子式，然后对已有的薯蓣皂苷标准品做串联质谱分析，以得到该类化合物的裂解规律并给出解析该类化合物的流程图。在此利用计算化学的方法讨论了离子的丰度与裂解活化能之间的关系。然后应用APCI-MS/MS 方法探讨了四对同分异构体和几个已知的化合物，并最后用液质联用对其进行确认，同时还给出了4 个未知化合物的可能结构。 第二部分报道通过质谱和串联质谱发现并合成新型的PdPincer 催化剂，同时对其活性进行测试。钯催化的交联反应是有机合成中C-C 键形成的最有效的方法，且硫脲是一类对空气和水都稳定的化合物，因此我们设计并合成了一系列的硫脲钯催化剂并得到了很好的催化活性。我们在对其中一类环状双硫脲化合物进行质谱实验的时候，在正离子模式下发现了反常的[M.H]+，通过串联质谱进一步确定了它是一种新型的PdPincer 结构。我们将其合成出来并通过X-ray 衍射实验确定了它的结构。同时测定其催化活性并与未形成pincer 的类似物进行比较发现该类化合物具有较宽的底物适用性。 第三部分为串联质谱自动解析软件的设计及应用。通过前面两部分的启示，独立设计开发了AuMass（1.0）。其算法是：先通过查找特殊的碎片离子，中性丢失或碎片离子质量差来确定某类化合物的骨架结构，然后利用该类化合物的自动解析流程来对其周边取代基进行确认。通过它快速地对白芍中的化学成分进行解析，并对未知的化合物进行了推测。为了增加它的解析能力，我又对其它类型的化合物裂解规律进行总结，并给出了自动解析流程。实践证明该软件具有相当好的应用价值。 第四部分综述了应用在质谱上的各类母离子的碎裂技术。这里包括了碰撞诱导裂解（CID）、光诱导碎裂（LID）、电子捕获裂解/电子转移裂解（ECD/ETD）、红外多光子解离（IRMPD）、黑体辐射解离（BIRD）和PQD 裂解技术。 This dissertation consists of four chapters. The first chapter reports the rapidanalysis of trace impurities from synthetical medicine and analysis of the chemicalconstitutents from Chinese herb medicines. The second chapter elaborates the studieson the discorvery and synthesis of new type of Pd Pincer catalyst by using MS andtandem MS together with the testing of its catalyst activity. The third chapter dwellson the designation and development of automatic tandem mass spectrometry analysissoftware. The last chapter presents a review on the dissociation technique of massspectrometry. The first chapter reports the rapid analysis of trace impurities from synthesismedicine and analysis of the chemical constitutents from Chinese herb medicines. The fission mechanism of 5-bromotetrandrine was obtained by analysis of the dissociationpathways of major product, by using which the possible structure of the two traceimpurties was assumed. There are lots of saponins in Sapindus mukurossi. Except forthe good spumescence and decontamination，it possesses the bioactivity of antigenand antitch. First of all, the high resolution mass information was obtained by ESI-QTOF. Hence the possible molecular formulars were acquired too. Then weconducted the further detection of the structures of its saponins by using ESI-ITtechnology. In the same manner, first the molecular formulars of every constituentfrom Dioscorea panthaica in total saponins were obtained by ESI-QTOF, and thenacquired the fission mechanism of this type of compounds by tandem massexperiment on a series of known and available saponins. In the same time, theanalysis flowchart was concluded. Here the relationship between the ion intensity andthe corresponding dissiociation activation energy was studied by computer chemistry.Then the four pairs of isomers were differentiated by APCI-MS/MS, as well as thecharacterization of known and unknown compounds. The assumption was confirmed by HPLC-MS/MS. Among them the possible structures of four unknown saponinswas presented. The second part was discovery and synthesis of a new type of Pd pincer catalystby MS and tandem MS. The coupling reaction catalyzed by Pd is the most effectivemethod in C-C formation in organic synthesis. Apart from that, thiourea is type ofcompounds that are stable to atmosphere and moisture. Hence we designed a series ofPd thiourea catalysts. Some of them show the excellent catalyst activity. The abnormalparent ion [M.H]+ was founded in positive ESI mode when we conduct some massspectrometry experiments on the bicyclical thiourea Pd complex. The structure wasproposed by mass and tandem mass spectrometry. Because it was a new type of pincer,we want to test its catalyst activity. So the Pd pincer was synthesized and the detailstructure was obtained by x-ray experiment. It shows the more fitness in catalysis ofSuzuki reaction by comparison with the analogue. The third chapter dwells on the design and development of automatic tandemmass spectrometry analysis software. Inspired by the former two chapters, theAuMass (version 1.0) was developed. Its algorithm is: first check the diagnostic ion,diagnostic neutral loss or diagnostic ions mass intervals in database to find out whatthe analyst’s skeleton belongs to, then identify the peripheral functional group by thecorresponding analysis flowchart. The chemical constituents of Paeonia lactiflorawere identified rapidly by using AuMass. To increase the analysis ability, the othertypes of compounds from Chinese herbs was concluded. Actually, the software isproven to have the much valuable application. The last chapter presented the review on the some kinds of fission technique ofmass spectrometry. It involves the collision induced dissociation (CID), laser induceddissociation (LID), electron capture dissociation/electron transfer dissociation(ECD/ETD), infrared multiple photons dissiociation, black body irraditiondissociation and PQD fission technique from Finnigan.

Re-examination of the anion derivatives of isoflavones by radical fragmentation in negative electrospray ionization tandem mass spectrometry: experimental and computational studies

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Simultaneous determination by UPLC-ESI-MS of scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine after oral administration of Yin Chen Hao Tang preparation

A simple, sensitive, and validated method was developed for simultaneous determination of scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine by ultra-performance liquid chromatography/electrospray ionization quadruple time-of-flight mass spectrometry (UPLC-MS). The urinary samples were analyzed on an Acquity UPLC BEH C18 1.7 microm 2.1x50 mm column. Scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine were simultaneously analyzed with good separation. The lower limits of detection were 6.0, 9.0, 7.0, and 3.0 ng/mL, and the lower limits of quantification were 20.0, 33.0, 24.0, and 12.0 ng/mL for scoparone, capillarisin, rhein, and emodin, respectively. The intra- and inter-day precisions (RSD) were less than 9%. The intra- and inter-accuracies were found to be in the range of 94.14-104.54% for scoparone, 101.72-107.34% for capillarisin, 95.24-103.59% for rhein, and 101.32-107.82% for emodin at three concentration levels. The absolute recoveries for scoparone, capillarisin, rhein, and emodin were not less than 77.0%. The developed method has been applied to determine scoparone, capillarisin, rhein, and emodin in rat urine after oral administration of Yin Chen Hao Tang preparation, a traditional Chinese medicine formulation widely used in China for treatment of jaundice and liver disorders.

Development and validation of a ultra performance LC-ESI/MS method for analysis of metabolic phenotypes of healthy men in day and night urine samples

Ultra-performance LC coupled to quadrupole TOF/MS (UPLC-QTOF/MS) in positive and negative ESI was developed and validated to analyze metabolite profiles for urine from healthy men during the day and at night. Data analysis using principal components analysis (PCA) revealed differences between metabolic phenotypes of urine in healthy men during the day and at night. Positive ions with mass-to-charge ratio (m/z) 310.24 (5.35 min), 286.24 (4.74 min) and 310.24 (5.63 min) were elevated in the urine from healthy men at night compared to that during the day. Negative ions elevated in day urine samples of healthy men included m/z 167.02 (0.66 min), 263.12 (2.55 min) and 191.03 (0.73 min), whilst ions m/z 212.01 (4.77 min) were at a lower concentration in urine of healthy men during the day compared to that at night. The ions m/z 212.01 (4.77 min), 191.03 (0.73 min) and 310.24 (5.35 min) preliminarily correspond to indoxyl sulfate, citric acid and N-acetylneuraminic acid, providing further support for an involvement of phenotypic difference in urine of healthy men in day and night samples, which may be associated with notably different activities of gut microbiota, velocity of tricarboxylic acid cycle and activity of sialic acid biosynthesis in healthy men as regulated by circadian rhythm of the mammalian bioclock.

Metabolite profiling and pathway analysis of acute hepatitis rats by UPLC-ESI MS combined with pattern recognition methods

BACKGROUND & AIMS Metabolomics is comprehensive analysis of low-molecular-weight endogenous metabolites in a biological sample. It could enable mapping of perturbations of early biochemical changes in diseases and hence provide an opportunity to develop predictive biomarkers that could provide valuable insights into the mechanisms of diseases. The aim of this study was to elucidate the changes in endogenous metabolites and to phenotype the metabolic profiling of d-galactosamine (GalN)-inducing acute hepatitis in rats by UPLC-ESI MS. METHODS The systemic biochemical actions of GalN administration (ip, 400 mg/kg) have been investigated in male wistar rats using conventional clinical chemistry, liver histopathology and metabolomic analysis of UPLC- ESI MS of urine. The urine was collected predose (-24 to 0 h) and 0-24, 24-48, 48-72, 72-96 h post-dose. Mass spectrometry of the urine was analysed visually and via conjunction with multivariate data analysis. RESULTS Results demonstrated that there was a time-dependent biochemical effect of GalN dosed on the levels of a range of low-molecular-weight metabolites in urine, which was correlated with developing phase of the GalN-inducing acute hepatitis. Urinary excretion of beta-hydroxybutanoic acid and citric acid was decreased following GalN dosing, whereas that of glycocholic acid, indole-3-acetic acid, sphinganine, n-acetyl-l-phenylalanine, cholic acid and creatinine excretion was increased, which suggests that several key metabolic pathways such as energy metabolism, lipid metabolism and amino acid metabolism were perturbed by GalN. CONCLUSION This metabolomic investigation demonstrates that this robust non-invasive tool offers insight into the metabolic states of diseases.

A rapid and sensitive UPLC-ESI MS method for analysis of isofraxidin, a natural antistress compound, and its metabolites in rat plasma

Isofraxidin is one of the main bioactive constituents in the root of Acanthopanax senticosus, which has antifatigue, antistress, and immuno-accommondating effects. In this study, an ultraperformance LC (UPLC)-ESI MS method was developed for analyzing isofraxidin and its metabolites in rat plasma. The analysis was performed on a UPLC coupled with ESI MS (quadropole MS tandem TOF MS). The lower LOD (LLOD) for isofraxidin was 0.25 ng/mL, the intraday precision was less than 10%, the interday precision was less than 10%, and the extraction recovery was more than 80%. Isofraxidin and two metabolites (M1 and M2) were detected in rat plasma after oral administration of isofraxidin, and the molecular polarities of M1 and M2 were both increased compared to isofraxidin. The metabolites were identified as 5,6-dihydroxyl-7-methoxycoumarin and 5-hydroxyl-6,7-dimethoxycoumarin when subjected to parent ion spectra, product ion spectra, and extract mass and element composition analyses.

Esi-isät ja tiedonhankinta : Ennustus sukuma-nyamwezi-yhteisössä Luoteis-Tansaniassa

Tutkielmassa tarkastellaan esi-isien merkitystä sukuma-nymawezi-alueen ennustajientyössä. Työ perustuu kenttätyömateriaaliin, joka on pääasiassa kerätty neljän kylän muodostamalta hallinnolliselta alueelta, Isakasta, joka sijaitsee sukuma-nyamwczi-alueen kes-kiosissa. Sukumat ja nyamwezit ovat Tansanian suurimmat kansat ja muodostavat kulttuurisesti hyvinkin yhtenäisen alueen. Isakan alue, jossa kenttätyö on tehty, on nopeasti kasvava keskus, jonka kasvun ovat mahdollistaneet erinomaiset liikenneyhteydet, joiden vaikutuksesta alueelle on muuttanut useiden kansojen edustajia lähinnä vaurastumisen toivossa. Mm. ennustajia alueella on runsaasti juuri tästä syystä. Tutkielmassa esitellään erilaisia näkökulmia ennustukseen ja esi-isien merkitykseen Isakassa. Ennustuksen asiantuntijoiden, ennustajien, lisäksi näitä näkökulmia tarjoavat alueen perinteisten tanssirituaalien johtajat sekä länsimaisen terveydenhuollon ja valtion kulttuuriviraston edustajat. Nämä eri tahot edustavat usein jopa vastakkaisia näkemyksiä ennustuksen merkitykseen yhteisössä. Tutkielmassa tarkastellaan kuitenkin sitä, miten nämä toisistaan poikkeavat näkemykset yhdistyvät yksilöiden (isakalaisten naisten) kohdalla erilaisiksi kokonaisuuksiksi, joissa erilaiset näkemykset täydentävät toisiaan. Isakassa ennustajat selvittävät erilaisten ennustusmenetelmien avulla asiakkaittensa ongelmat ja tarvittavat hoitomuodot. Ennustuksen lisäksi he tarjoavat usein asiakkailleen myöstarvittavan hoidon. Lähes poikkeuksetta ennustus tapahtuu esi-isien tai muiden henkienavulla. Ennustuksessa voidaan käyttää henkipossessiota, jolloin henki kertoo asiakkaanongelmat ennustajan ruumiin kautta. Myös käytettäessä muita ennustusmenetelmiä kuin henkipossessiota, on esi-isien merkitys suuri, sillä ennustajan kykyjen nähdään olevannäiltä peräisin. Tutkielmassa esi-isien ja mahdollisten muiden henkien merkitystä ennus-tustyössä valotetaan henkipossessioteorioiden avulla ja tarkastellaan mm. sitä, miten esi-isät kommentoivat yhteisön jäsenten elämää "historian äänenä". Sukuma-nyamwezi-kosmologiassa esi-isät ja noituus nähdään mahdollisina sairauksien j amuiden ongelmien aiheuttajina. Erityisesti näissä tapauksissa virallisen (länsimaisen) terveydenhuollon palveluja ei nähdä riittävinä. Tutkielmassa korostetaankin sitä, miten isakalaisille ennustajien ja virallisen terveydenhuollon palvelut näyttäytyvät toisiaan täydentävi-nä vaihtoehtoina etsittäessä ratkaisuja sairauksien tai muiden ongelmien alkuperään ja tar-vittavaan hoitoon. Avainsanat: Tansania; sukuma-nyamwczi; ennustus; esi-isät ja muut henget; noituus

Visuaalis-spatiaalisten työmuistivalmiuksien yhteys (esi)matemaattisiin taitoihin ja merkitys osana matemaattisilta taidoiltaan heikkojen lasten ja nuorten kognitiivista profiilia

Tämän itsenäisistä osatutkimuksista koostuvan tutkimussarjan tavoitteena oli pyrkiä täydentämään kuvaa matemaattisilta taidoiltaan heikkojen lasten ja nuorten tiedonkäsittelyvalmiuksista selvittämällä, ovatko visuaalis-spatiaaliset työmuistivalmiudet yhteydessä matemaattiseen suoriutumiseen. Teoreettinen viitekehys rakentui Baddeleyn (1986, 1997) kolmikomponenttimallin ympärille. Työmuistikäsitys oli kuitenkin esikuvaansa laajempi sisällyttäen visuaalis-spatiaaliseen työmuistiin Cornoldin ja Vecchin (2003) termein sekä passiiviset varastotoiminnot että aktiiviset prosessointitoiminnot. Yhteyksiä työmuistin ja matemaattisten taitojen välillä tarkasteltiin viiden eri osatutkimuksen avulla. Kaksi ensimmäistä keskittyivät alle kouluikäisten lukukäsitteen hallinnan ja visuaalis-spatiaalisten työmuistivalmiuksen tutkimiseen ja kolme jälkimmäistä peruskoulun yhdeksäsluokkalaisten matemaattisten taitojen ja visuaalis-spatiaalisten työmuistitaitojen välisten yhteyksien selvittämiseen. Tutkimussarjan avulla pyrittiin selvittämään, ovatko visuaalis-spatiaaliset työmuistivalmiudet yhteydessä matemaattiseen suoriutumiseen sekä esi- että yläkouluiässä (osatutkimukset I, II, III, IV, V), onko yhteys spesifi rajoittuen tiettyjen visuaalis-spatiaalisten valmiuksien ja matemaattisen suoriutumisen välille vai onko se yleinen koskien matemaattisia taitoja ja koko visuaalis-spatiaalista työmuistia (osatutkimukset I, II, III, IV, V) tai työmuistia laajemmin (osatutkimukset II, III) sekä onko yhteys työmuistispesifi vai selitettävissä älykkyyden kaltaisella yleisellä päättelykapasiteetilla (osatutkimukset I, II, IV). Tutkimussarjan tulokset osoittavat, että kyky säilyttää ja käsitellä hetkellisesti visuaalis-spatiaalista informaatiota on yhteydessä matemaattiseen suoriutumiseen eikä yhteyttä voida selittää yksinomaan joustavalla älykkyydellä. Suoriutuminen visuaalis-spatiaalista työmuistia mittaavissa tehtävissä on yhteydessä sekä alle kouluikäisten esimatemaattisten taitojen hallintaan että peruskoulun yhdeksäsluokkalaisten matematiikan taitoihin. Matemaattisilta taidoiltaan heikkojen lasten ja nuorten visuaalis-spatiaalisten työmuistiresurssien heikkoudet vaikuttavat kuitenkin olevan sangen spesifejä rajoittuen tietyntyyppisissä muistitehtävissä vaadittaviin valmiuksiin; kaikissa visuaalis-spatiaalisen työmuistin valmiuksia mittaavissa tehtävissä suoriutuminen ei ole yhteydessä matemaattisiin taitoihin. Työmuistivalmiuksissa ilmenevät erot sekä alle kouluikäisten että kouluikäisten matemaattisilta taidoiltaan heikkojen ja normaalisuoriutujien välillä näyttävät olevan kuitenkin jossain määrin yhteydessä kielellisiin taitoihin viitaten vaikeuksien tietynlaiseen kasautumiseen; niillä matemaattisesti heikoilla, joilla on myös kielellisiä vaikeuksia, on keskimäärin laajemmat työmuistiheikkoudet. Osalla matematiikassa heikosti suoriutuvista on näin ollen selvästi keskimääräistä heikommat visuaalis-spatiaaliset työmuistivalmiudet, ja tämä heikkous saattaa olla yksi mahdollinen syy tai vaikeuksia lisäävä tekijä heikon matemaattisen suoriutumisen taustalla. Visuaalis-spatiaalisen työmuistin heikkous merkitsee konkreettisesti vähemmän mentaalista prosessointitilaa, joka rajoittaa oppimista ja suoritustilanteita. Tiedonkäsittelyvalmiuksien heikkous liittyy nimenomaan oppimisnopeuteen, ei asioiden opittavuuteen sinänsä. Mikäli oppimisympäristö ottaa huomioon valmiuksien rajallisuuden, työmuistiheikkoudet eivät todennäköisesti estä asioiden oppimista sinänsä. Avainsanat: Työmuisti, visuaalis-spatiaalinen työmuisti, matemaattiset taidot, lukukäsite, matematiikan oppimisvaikeudet

Quantitative Determination of Microcystins in Rat Plasma by LC-ESI Tandem MS

A rapid and sensitive method was developed and validated for the determination of MCYST (microcystin)-RR, -LR, and [Dha(7)] MCYST-LR in rat plasma by liquid chromatography-tandem mass spectrometry. The analytes were extracted from rat plasma by protein precipitation, followed by solid-phase extraction. Liquid chromatography with electrospray ionization mass spectrometry, operating in selected reaction monitoring (SRM) mode, was used to quantify MCYST-RR, -LR, and [Dha(7)] MCYST-LR in rat plasma. The recoveries for each analyte in rat plasma ranged from 70.8 to 88.7%. The calibration curve was linear within the range from 0.005 to 1.25 mu g mL(-1). The limit of detection were 1.4, 1.0, 0.6 ng mL(-1) for MCYST-RR, -LR, and [Dha(7)] MCYST-LR. The overall precision was determined on three different days. The values for within- and between-day precision in rat plasma were within 15%. This method was applied to the identification and quantification of microcystins in rat plasma with acute exposure of microcystins via intravenous injection.

Characterization of saccharides and phenolic acids in the Chinese herb Tanshen by ESI-FT-ICR-MS and HPLC

This study sought to determine the main components (saccharides and phenolic acids) in crude extract of the Chinese herb Tanshen by electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonant mass spectrometry (ESI-FT-ICR-MS) in negative-ion mode. Eleven compounds were identified as phenolic acids by exact mass measurement and further confirmed by sustained off-resonance irradiation (SORI) CID data. In addition, monosaccharicles and oligosaccharides (n = 2 similar to 5) and a serial of corresponding anionic adducts of saccharide were observed without adding any anions additionally to the extract solution, and the anionic components were unambiguously identified as H2O, HCl, HCOOH, HNO3, C3H6O2, H2SO4 and C5H7NO3 according to the exact mass measurement results.

Studies on the components of crude and processed Fructus Corni by ESI-MSn

The components of crude and processed Fructus Corni were investigated by means of electrospray ionization-tandem mass spectrometry(ESI-MSn) technique in the negative ion mode. Compared with those of crude Fructus Corni, the chemical components of the processed Fructus Corni were changed both in quality and in quantity. From the ESI-MS spectra of the crude and processed Fructus Corni, six peaks were selected to establish the characteristic ESI-MS peaks. Several factors in the processing procedure were examined.