申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2024-01-24

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN117953990A

主分类号：G16C20/20

分类号：G16C20/20;G16C20/10

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.05.17#实质审查的生效;2024.04.30#公开

摘要：本申请属于质谱及化学分析领域，一种基于低分辨质谱库构建大气有机污染物高分辨质谱库的集成计算方法。本申请的方法包括收集分子低分辨质谱信号；注释低分辨质谱信号为碎片离子化学式；利用注释结果计算相应高分辨质谱信号；运用高分辨质谱信号进行大气有机污染物高通量筛查。注释低分辨质谱信号为碎片离子化学式的过程，本申请综合利用同位素丰度比、不饱和度规律、相似分子类比、量子化学计算多种方法，集成为完整流程。该集成方法覆盖分子类型众多，计算量小，适用于大批量分子建库。本申请无需购买标准样品，降低了高分辨质谱库的建库成本。利用该库可有效排除高通量筛选过程中的假阳性结果，对于大气有机污染物的监测和治理具有重要意义。

主权项：1.一种基于低分辨质谱库构建大气有机污染物高分辨质谱库的集成计算方法，其特征在于，该集成计算方法包括基础数据收集、基于低分辨质谱图注释构建高分辨质谱信号库和高通量筛查；1基础数据收集1.1收集目标分子的名称、分子式、CAS码、SMILES码、低分辨质谱图，统计目标分子的低分辨质谱图中丰度大于基峰15％的特征峰的丰度和质荷比，利用以上信息构建目标分子的低分辨质谱信号库；1.2在文献、书籍或公开资料中收集各类有机分子的质谱裂解途径，将有机分子称为参考分子；当参考分子的质谱裂解机理是i断裂时，收集参考分子的名称、SMILES码、中性丢失的化学式、中性丢失单位分辨率的道尔顿质量和裂解机理；当参考分子的质谱裂解机理不是i断裂时，收集参考分子的名称、SMILES码、碎片离子的化学式、碎片离子单位分辨率的道尔顿质量和裂解机理；将收集到的信息整理为参考数据库；2基于低分辨谱图注释构建高分辨质谱信号库2.1计算候选碎片离子化学式：利用原子精确质量表，计算步骤1.1构建的低分辨质谱信号库中，各目标分子特征峰所对应的候选碎片离子化学式需满足两个条件：候选碎片离子化学式的质量与特征峰的质荷比误差小于0.5；候选碎片离子化学式中原子的种类和个数小于等于其分子；此时，各特征峰对应的候选碎片离子化学式中同时包含该特征峰真实碎片离子化学式以及错误的冗余碎片离子化学式；2.2利用同位素丰度比规律去除冗余的碎片离子化学式：对包含氯或溴原子的目标分子，根据步骤1.1中收集的低分辨质谱信号库中的特征峰丰度，判断特征峰对应碎片离子中应含有的氯或溴原子个数，删除步骤2.1所得该特征峰的候选碎片离子化学式中，氯或溴原子个数与判断不符的冗余候选碎片离子化学式；2.3利用不饱和度规律去除冗余的候选碎片离子化学式：对以下两种情况的候选碎片离子化学式进行删除：1候选碎片离子化学式不饱和度小于0；2候选碎片离子化学式不饱和度减去3.5后仍大于其对应目标分子的不饱和度；2.4利用相似分子结构类比方法选择正确碎片离子化学式：利用MACCS分子指纹与Tanimoto相似性系数结合的相似度计算方法表征分子之间的相似程度；计算步骤1.2中参考分子与步骤1.1中目标分子的相似度，当分子间相似度大于等于0.75时，利用参考分子裂解结果类比目标分子的裂解结果；具体类比方式：当参考分子的裂解机理为i断裂时，使用中性丢失类比方式；当参考分子的裂解机理不为i断裂时，使用碎片离子类比方式；2.4.1中性丢失类比方式：将步骤1.2参考数据库中，该参考分子的中性丢失化学式以及中性丢失单位分辨率的道尔顿质量作为参考数据进行类比；计算步骤1.1目标分子的低分辨质谱信号库中目标分子各特征峰相应的中性丢失单位分辨率的道尔顿质量，中性丢失单位分辨率的道尔顿质量＝目标分子单位分辨率的道尔顿质量-特征峰的质荷比，从中寻找与上述参考分子相等的中性丢失单位分辨率的道尔顿质量和其所对应的特征峰；该特征峰对应的碎片离子化学式＝目标分子式-参考中性丢失化学式；2.4.2碎片离子类比方式：将步骤1.2参考数据库中，该参考分子的碎片离子化学式以及相应单位分辨率的道尔顿质量作为参考数据进行类比；关注步骤1.1目标分子的低分辨质谱信号库中目标分子各特征峰相应的质荷比，并从中寻找与参考碎片离子单位分辨率的道尔顿质量相同的质荷比和其所对应的特征峰；该特征峰对应的碎片离子化学式＝参考碎片离子化学式；2.5利用量子化学计算方法选择正确碎片化学式2.5.1使用rdkit软件包中的子结构搜索功能将步骤1.1中的目标分子按照官能团分类；利用步骤1.1的目标分子的低分辨质谱信号库，统计在同类目标分子中出现频率较大的特征峰质荷比；选择含有此类的特征峰质荷比较多的目标分子作为计算对象；2.5.2优化构型：使用Gaussian09软件，基于密度泛函理论，在B3LYP6-31+Gd，p的水平上，对步骤2.5.1所选目标分子失去一个电子后产生的分子离子，进行几何构型全优化和频率计算，并确认优化结果无虚频；2.5.3选择正确候选碎片离子化学式：对步骤2.5.1所选的目标分子的特征峰，判断由步骤2.1计算出的候选碎片离子化学式在裂解过程中的断键位置；对某一特征峰的质荷比来说，当其对应的多个候选碎片离子断键位置一致时，计算各候选碎片离子裂解过程的反应能，选择反应能最低的碎片离子化学式作为该特征峰的注释结果；当其对应的多个候选碎片离子化学式断键位置不一致时，计算经步骤2.5.2优化后的分子离子中，各键的Wiberg键级；选择所断键的Wiberg键级综合指数最小的碎片离子化学式作为该特征峰的注释结果；为避免Wiberg键级单一参数造成的错误判断，结合其他参数进一步确证：采用步骤2.5.2方法优化目标分子构型，结合步骤2.5.2所得分子离子构型，计算目标分子成为分子离子过程中的各键长的变化，在候选碎片离子化学式中，选择所断键增长更多的碎片离子化学式作为确证结果；运用自然轨道分析方法计算目标分子失去一个电子后产生的分子离子的自旋密度，得到分子离子的自由基位置；结合质谱裂解机理判断由自由基可能会引发的断键位置，在候选碎片离子化学式中，选择断键位置与其一致的碎片离子化学式作为确证结果；计算目标分子成为分子离子过程中的电荷变化，判断化学键两端原子电荷变化差较大的键为易断键，在候选碎片离子化学式中，选择所断键与易断键一致的碎片离子化学式作为确证结果；当各参数确证结果与依据Wiberg键级选择的注释结果相同时，可进一步提高注释结果可信度；2.6将步骤2.5.3所得结论整理入步骤1.2的参考数据库中，具体操作：判断步骤2.5.3所选碎片离子化学式的裂解机理，当其是i断裂时，计算该裂解过程产生的中性丢失化学式、中性丢失单位分辨率的道尔顿质量；当其不是i断裂时，计算该裂解过程产生的碎片离子化学式单位分辨率的道尔顿质量；按照步骤1.2要求，收集步骤2.5中所计算的目标分子以及步骤2.5.3所得分子裂解途径的各类信息，加入参考数据库中；2.7计算碎片离子化学式的高分辨质荷比：经过步骤2.2-2.6处理后，当某特征峰对应的候选碎片离子化学式唯一时，利用原子精确质量表，计算该碎片离子化学式的道尔顿质量，即为该特征峰相应的高分辨率信号；2.8利用高分辨质谱信号建库入库条件：对于步骤1.1中任何一个目标分子来说，经过步骤1.2-2.7后，至少得到3个特征峰的高分辨质谱信号；将符合入库条件的目标分子的名称、CAS码、高分辨信号整理为高分辨质谱信号库；3利用自建高分辨质谱库进行高通量筛查采用GC-HRMS测样，将样品在EI模式下进行质谱全扫描，对数据进行解卷积；利用低分辨谱库中各质谱图与解卷积后的测得谱图匹配，计算匹配参数：检索得分；选择检索得分大于600的分子为备选分子；利用保留指数对备选分子进行偏差筛选；将自建高分辨信号库中的高分辨信号与解卷积后的测得谱图中的信号匹配；去除包含在库内，但信号误差大于5ppm的假阳性备选分子；进一步分析剩余备选分子，选择低分辨谱库匹配过程中检索得分较高，且符合相应大气污染特征的分子作为筛选结果。

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百度查询： 大连理工大学 一种基于低分辨质谱库构建大气有机污染物高分辨质谱库的集成计算方法

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