药品的质量安全问题不仅是各国药品监管机构和制药企业重点关注的领域,也是公众普遍关心的民生热点问题。药品的质量直接关系到临床使用时药品的不良反应,对药品中杂质的控制是保证药品质量安全的重要环节。进入新世纪以后,研究者提出了杂质谱控制的理念。杂质谱控制的理念是对药品中所有的杂质的总的描述,强调根据杂质的生理活性逐一制定质量控制限度。实现杂质谱控制的三个关键技术问题可概括为：复杂体系的分离分析、微量杂质的结构分析和杂质的毒性评价。本论文以临床上广泛应用的β-内酰胺类抗生素为研究对象,就杂质的结构分析和毒性预测与评价两方面展开研究。利用HPLC-MS分析药品中微量不稳定杂质是主流的研究方法,根据杂质的来源,分析主成分和杂质的质谱裂解规律,可较快地推断出杂质可能的结构。因此,开展杂质谱研究前,首先需深刻认识p-内酰胺类抗生素及其杂质的质谱裂解规律,寻找主成分与杂质在质谱裂解规律上的共同点和不同点。针对与主成分互为同分异构体的杂质,本论文探索用质谱、光谱学、计算化学等多种技术手段来研究它们的质谱裂解行为。杂质毒性预测与评价方面,本论文针对模式动物斑马鱼胚胎毒性评价平台提出的毒性功能基团理念,通过计算p-内酰胺类抗生素在水溶液中的最稳定构象,分析毒性功能基团的空间结构；通过计算药物分子的极性大小,预测药物分子被斑马鱼胚胎吸收的情况；进而预测药物在斑马鱼胚胎毒性实验中的毒性作用。本论文研究内容主要包括以下四个部分：1.以培南类抗生素为例,应用多级质谱和计算化学手段,研究质谱正离子模式下,p-内酰胺类抗生素共同的内酰胺环裂解机理。系统研究了培南类在质谱正离子条件下的质子化位点和离子结构,提出了四种不同的内酰胺环裂解途径。用理论计算的方法对不同裂解途径做了化学热力学研究,探讨了6个培南类化合物热力学上最有利的裂解途径。研究发现培南类抗生素7位羰基氧原子的质子亲和能决定了培南类内酰胺环裂解反应的最有利途径。2.以头孢菌素△-3异构体为例,研究正离子和负离子模式下,头孢菌素与△-3异构体杂质裂解行为的差异。研究发现,由于双键位置的差异,头孢菌素和△-3异构体杂质可通过特征性碎片离子区分开来。综合质谱、红外多光子解离光谱、计算化学的手段,重点研究了特征性碎片离子的结构和产生机理,对质谱裂解行为的差异给出了合理的解释。3.以头孢菌素反式异构体为例,研究质谱正离子模式下,头孢菌素和反式异构体杂质裂解行为的差异。对部分7位侧链含(刁-亚胺结构的头孢菌素和它们的反式异构体的质谱裂解行为的研究发现,顺反异构体的裂解行为受3位侧链的影响。当3位侧链首先发生裂解时,反式异构体更易于脱去亚胺上取代基,产生特征性碎片离子；当3位侧链不发生裂解时,顺反异构体的裂解行为基本相同。4.用理论计算的方法研究头孢菌素和部分杂质在水溶液中的空间构象和极性大小,并用斑马鱼胚胎毒性实验评价和验证毒性作用大小。结果表明,头孢菌素的母核结构毒性较小,3位侧链和7位侧链取代基是主要的毒性功能基团。侧链取代基的空间构象不仅决定了毒性功能基团的毒性大小,还影响了分子极性大小,并影响了头孢菌素被动吸收的过程。极性越小,分子越易透过胚胎生物膜,使胚胎内药物浓度升高,增加毒性反应的强度。