質(zhì)譜中氣相離子/離子反應(yīng)的研究進展

葉似劍，李 明，熊行創(chuàng)，江 游，龔曉云，劉大軍，方 向

(1.長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130000； 2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

近年來，質(zhì)譜中的氣相離子/離子反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、有機化學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。在質(zhì)譜中，氣相離子大多以單分子形式存在，反應(yīng)效率較高；另外，還可以選擇特定的離子進行反應(yīng)，特異性強。根據(jù)質(zhì)譜給出的質(zhì)荷比信息可分辨產(chǎn)物和反應(yīng)物的分子質(zhì)量信息，并通過多種轉(zhuǎn)換方式(如串聯(lián)質(zhì)譜等)分析化合物的結(jié)構(gòu)。同時，氣相離子/離子反應(yīng)在探索有機化學(xué)反應(yīng)機理、解析多肽結(jié)構(gòu)等方面也發(fā)揮著重要作用。本工作擬對氣相離子/離子反應(yīng)的動力學(xué)、反應(yīng)裝置、反應(yīng)類型及應(yīng)用等方面進行綜述。

1 離子/離子反應(yīng)動力學(xué)理論研究

相較于離子/分子反應(yīng)，離子/離子反應(yīng)中帶相反電荷的離子間庫侖引力很大，作用范圍更廣。因此，兩個離子形成的穩(wěn)定運動軌道(一般為橢圓形)的橫截面積更大，該面積的大小由反應(yīng)離子的帶電荷量、相對速度和相對質(zhì)量決定[3]：

(1)

其中，Z1和Z2是反應(yīng)離子所帶單位電荷數(shù)，e是電子電量，ε0是真空介電常數(shù)，v是相對速度，μ是折算質(zhì)量。一般情況下，兩個離子間的距離很遠而不足以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過減小相對運動速度，可以拉近兩個離子的距離，使其在相互吸引的電場中被捕獲，從而發(fā)生離子/離子反應(yīng)。有兩種反應(yīng)結(jié)果：1) 兩者形成一個相對穩(wěn)定的絡(luò)合產(chǎn)物；2) 轉(zhuǎn)移一個帶電小粒子(質(zhì)子或電子)。當發(fā)生質(zhì)子或電子轉(zhuǎn)移的距離大于發(fā)生物理碰撞(即形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物)的距離時，后一種反應(yīng)為主反應(yīng)。以質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)為例，一個質(zhì)子能躍遷的最大距離rPT可用式(2)表示[4]：

(2)

其中，Z1和Z2分別是兩個反應(yīng)離子所帶單位電荷數(shù)，ΔHPT是發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的焓變。可以看出，如果要得到相對穩(wěn)定的絡(luò)合產(chǎn)物，需選用帶電荷數(shù)較少且橫截面較大的反應(yīng)物，反之則容易發(fā)生質(zhì)子或電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

2 主要反應(yīng)裝置

1991年Ogorzalek-Loo[5]首次研制了離子/離子反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)示于圖1。不同極性的離子被分別引入到一個60°的Y形毛細管中，并在此發(fā)生離子/離子反應(yīng)，然后將反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)入四極桿質(zhì)譜儀進行檢測。這種Y型管式反應(yīng)器可以完成一些簡單的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，包括降低電荷價態(tài)和電荷倒置的反應(yīng)[6]。但是很難確定這種反應(yīng)器的實驗條件，因為在Y型管內(nèi)的離子、溶劑蒸汽和空氣狀態(tài)會隨著實驗條件(如放電電流、針口間距和入口孔徑大小等)的改變而改變。另外，四極桿質(zhì)譜儀有限的質(zhì)荷比檢測范圍也阻礙了對較大質(zhì)荷比反應(yīng)產(chǎn)物離子的檢測。

1999年，Smith等[7]報道了一種用于降低生物大分子離子價態(tài)的離子/離子反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)示于圖2。它主要由電噴霧離子源(ESI)、電荷中和槽、正交飛行時間質(zhì)量分析器3部分組成。電荷中和槽內(nèi)的α-粒子源(210Po)產(chǎn)生的單電荷離子與ESI離子源產(chǎn)生的生物大分子離子發(fā)生離子/離子反應(yīng)，可以有效降低生物大分子離子的電荷價態(tài)，從而簡化生物大分子的質(zhì)譜圖解析。通過改變α-粒子源的表面積可以調(diào)節(jié)α-粒子的流出量，或是通過改變氣體流速來增加或減少生物大分子離子在電荷中和槽內(nèi)的通過時間，據(jù)此調(diào)控離子/離子反應(yīng)效率。由于飛行時間質(zhì)譜儀具有較寬的檢測范圍，離子/離子反應(yīng)的應(yīng)用范圍也得到了相應(yīng)的拓寬[8]。

圖1 Y型管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.1 Schematic diagram of the Y-shaped capillary reactor

圖2 降低生物大分子離子價態(tài)的離子/離子反應(yīng)裝置[7]Fig.2 Schematic diagram of the ion/ion reaction device used for charge reduction of biological macromolecule ions built

上述2種反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)域都是在高真空系統(tǒng)前的離子源附近，因此很難控制離子/離子反應(yīng)的進度，而且四極桿質(zhì)譜儀和飛行時間質(zhì)譜儀不具備串聯(lián)質(zhì)譜功能，不能對反應(yīng)產(chǎn)物做進一步分析。此后，開展的離子/離子反應(yīng)研究主要集中于具有串聯(lián)質(zhì)譜功能的離子阱質(zhì)譜儀[9]。離子阱屬于動態(tài)質(zhì)譜，與四極桿有很多相似之處，但離子阱不僅靈敏度較高，而且具有離子存儲功能，可進行串聯(lián)質(zhì)譜分析，是研究氣相離子/離子反應(yīng)的理想選擇。

2004年Hunt等[10]搭建了一套全新的基于線性離子阱的離子/離子反應(yīng)裝置：通過電噴霧離子源和化學(xué)電離源(CI)分別從前后端蓋向離子阱內(nèi)注入陽離子和陰離子；通過在線性離子阱兩端蓋上加一段射頻電壓，使線性離子阱可以同時存儲不同極性的離子并完成反應(yīng)，其反應(yīng)步驟示意圖示于圖3。通過調(diào)節(jié)離子阱內(nèi)三段桿的直流偏壓值可靈活操控離子/離子反應(yīng)完成一系列復(fù)雜的反應(yīng)過程，包括離子注入、離子隔離、反應(yīng)開始和反應(yīng)終止等。該裝置可以進行電子轉(zhuǎn)移裂解反應(yīng)(ETD)，以及結(jié)合ETD與質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)(PT)的多級串聯(lián)質(zhì)譜實驗[11]。

美國McLuckey教授[12]通過對三重四極桿質(zhì)譜儀進行改裝，搭建了一種基于線性離子阱的氣相離子/離子反應(yīng)裝置，其工作過程示于圖4。當正離子進入儀器后，先在Q1篩選反應(yīng)所需的離子并儲存在Q2；在Q2兩端加一段射頻電壓，這樣Q2就被改裝成線性離子阱來儲存反應(yīng)離子；隨后經(jīng)Q1篩選的負離子進入Q2發(fā)生離子/離子反應(yīng)；最后反應(yīng)產(chǎn)物被導(dǎo)入Q3進行質(zhì)量分析。如果將Q3改為飛行時間檢測器(TOF)就可以對反應(yīng)產(chǎn)物進行高分辨分析，從而滿足對生物大分子檢測的要求[13]。

中國計量科學(xué)研究院與北京理工大學(xué)合作自主開發(fā)了一套可用于氣相離子/離子反應(yīng)的雙極性質(zhì)譜裝置[14]，其結(jié)構(gòu)示于圖5a。它由2套ESI離子源、2套離子光學(xué)系統(tǒng)、2組四極桿和1組線性離子阱組成。通過2套ESI離子源得到的正、負離子分別從兩端注入中間的線性離子阱進行反應(yīng)，利用2組四極桿的離子篩選功能選擇性地傳輸正、負離子進入離子阱中反應(yīng)。除交流電外，線性離子阱的2個彈射電極上還加了一段直流電壓，電路圖示于圖5b。可見，正、負離子可分別從兩個電極的狹縫彈出并被檢測，實現(xiàn)了通過操控兩種極性離子的分布控制和檢測離子/離子反應(yīng)的產(chǎn)物。

圖3 在線性離子阱中進行離子/離子反應(yīng)的步驟示意圖[10]Fig.3 Schematic diagram of ion/ion reaction in a linear ion trap

圖4 McLuckey實驗室搭建的離子/離子反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)圖[12]Fig.4 Structure diagram of ion/ion reaction device built in McLuckey’s laboratory

注：a.裝置結(jié)構(gòu)圖；b.線性離子阱的離子檢測路徑和電路連接關(guān)系圖5 雙極性質(zhì)譜裝置示意圖[14]Fig.5 Schematic diagram of the dual-polarity MS apparatus[14]

3 氣相離子/離子反應(yīng)主要類型及應(yīng)用

氣相離子/離子反應(yīng)可分為酸堿中和反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和共價鍵生成反應(yīng)等3類。其中，酸堿中和反應(yīng)可分為質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)、金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)和電荷倒置反應(yīng)；而氧化還原反應(yīng)常伴隨著電子的轉(zhuǎn)移，因此也稱為電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

3.1 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

近年來，電噴霧離子化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蛋白和多肽等生物大分子的離子化，經(jīng)電噴霧電離得到的蛋白質(zhì)混合物離子往往帶有多種電荷價態(tài)，如果直接進行質(zhì)譜檢測，效果并不理想。氣相離子/離子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是一種去除多余電荷價態(tài)的有效手段，可以得到更加精確的結(jié)果。例如，Stephenson等[15]將pdA40～60陰離子與質(zhì)子化苯并喹啉陽離子在離子阱中反應(yīng)，得到了21個帶單電荷的寡核苷酸陰離子。另一方面，一些多電荷蛋白離子的碰撞誘導(dǎo)解離(CID)碎裂離子也具有不同的電荷價態(tài)，通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)可以簡化離子電荷態(tài)。例如，Hogan等[16]將豬彈性蛋白酶離子的CID碎裂產(chǎn)物[M+19H]19+離子與全氟化碳陰離子反應(yīng)，得到了單電荷豬彈性蛋白酶離子[M+H]+。

在離子阱中可以選取某一種電荷態(tài)離子，限制它的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)速度，而其他離子的反應(yīng)不受影響，這樣所選取的離子就像被“駐?！痹陔x子阱中，而其他離子則繼續(xù)進行質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而富集某一種電荷價態(tài)的離子，這一過程稱之為“離子駐?！?ion parking)。這一技術(shù)有助于開展系列電荷價態(tài)的母離子的“自上而下”串聯(lián)質(zhì)譜研究[17]。

3.2 電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

1998年Zubarev等[18]發(fā)現(xiàn)多肽離子在捕獲1個熱電子后得到的碎裂離子與傳統(tǒng)的CID所獲得的離子不盡相同，這個過程被稱為電子捕獲裂解(ECD)。相比于CID，ECD可提供更豐富的序列信息，可優(yōu)先斷裂二硫鍵，也可以保護一些不穩(wěn)定的翻譯后修飾。2004年Coon等[10]發(fā)現(xiàn)了幾種可以將電子轉(zhuǎn)移給多肽陽離子的陰離子，并將這一過程稱為電子轉(zhuǎn)移裂解(ETD)。在此之后，ECD與ETD成為了碎裂多肽和蛋白質(zhì)離子的重要手段，這種氣相離子/離子反應(yīng)已經(jīng)被用于商業(yè)化儀器，為多肽、蛋白的多級質(zhì)譜分析提供了新的裂解模式。作為傳統(tǒng)CID的有效補充，ECD/ETD對糖肽類化合物裂解有著特殊的功效。使用CID時會破壞糖肽中的糖基部分，而ECD/ETD可以在保護糖基部分的情況下碎裂肽鏈，從而定位糖基化位點，為分析糖肽分子的結(jié)構(gòu)提供了更好的碎裂方式[19]。

3.3 金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

在氣相離子/離子反應(yīng)中獲得穩(wěn)定產(chǎn)物是非常重要的，而金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是一種獲得穩(wěn)定產(chǎn)物的有效方式。金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是通過含金屬(堿金屬、堿土金屬、過渡金屬)復(fù)合物陰離子與多電荷多肽陽離子反應(yīng)，使金屬離子取代多肽陽離子上的質(zhì)子，從而形成穩(wěn)定產(chǎn)物[20]，反應(yīng)過程如下：

(M+Me+nH+2L)(n-1)+→

[M+Me+(n-2)H](n-1)++2HL

(3)

這里，M和Me分別代表待測物和金屬離子，L代表單電荷配體陰離子。從式(3)可以看出，反應(yīng)中既有金屬離子轉(zhuǎn)移到多肽陽離子中，也有質(zhì)子轉(zhuǎn)移到配體陰離子上，因此單電荷金屬陽離子的轉(zhuǎn)移伴隨著兩個質(zhì)子轉(zhuǎn)移。

研究含金屬離子的生物分子有兩個目的：一是了解金屬離子在生物分子中的作用；二是將金屬離子作為陽離子化游離基團用于串聯(lián)質(zhì)譜分析。含金屬的多肽陽離子與質(zhì)子化陽離子的質(zhì)譜碎裂行為有明顯區(qū)別，例如，通過多肽離子與AuCl4-陰離子反應(yīng)，可將Au(Ⅰ)離子鍵入有二硫鍵的多肽陽離子，CID裂解后可以打開二硫鍵，而質(zhì)子化的陽離子并沒有這種特性[21]。

3.4 電荷倒置反應(yīng)

上述3種反應(yīng)都是降低多電荷分析物電荷態(tài)，而離子/離子反應(yīng)也可用于單電荷分析物與多電荷反應(yīng)物離子，導(dǎo)致分析物離子的電荷態(tài)轉(zhuǎn)變，形成電荷倒置反應(yīng)。例如，He等[22]利用電荷倒置反應(yīng)提高單電荷離子的電荷價態(tài)，具體過程如下：先用去質(zhì)子試劑(如羧基封端聚合物陰離子)將[M+H]+轉(zhuǎn)換為[M-H]-，再用質(zhì)子化試劑(如胺基封端聚合物陽離子)與[M-H]-反應(yīng)，最終形成[M+2H]2+離子。

3.5 共價鍵生成反應(yīng)

近年來，采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對多肽進行結(jié)構(gòu)表征的研究日漸增多，為了達到促進離子化、定量分析和結(jié)構(gòu)分析等目的，通常需要將多肽分子在溶液中進行衍生化。離子/離子反應(yīng)可以將氣相離子與適當?shù)挠袡C離子反應(yīng)生成共價鍵，達到對多肽進行結(jié)構(gòu)表征的目的。相比傳統(tǒng)的溶液衍生化法，氣相反應(yīng)具有更高的反應(yīng)效率和選擇性[2]。例如，Peng等[23]用酰亞胺與多肽羧基端反應(yīng)生成酰胺鍵，從而延長多肽羧基端；Alice等[24]用高碘酸根陰離子氧化及裂解多肽離子內(nèi)的二硫鍵來完成二硫鍵的定位。

4 氣相離子/離子反應(yīng)的最新研究進展

目前，氣相離子/離子反應(yīng)的研究主要集中在反應(yīng)機理研究、仿真模擬計算和多肽蛋白陽離子與不同陰離子的共價鍵生成反應(yīng)等方面。

荷蘭Oomens等[25-26]發(fā)現(xiàn)多肽陽離子與熒蒽陰離子的ETD反應(yīng)除了得到電荷價態(tài)降低的多肽陽離子外，還有中性的二氫熒蒽或氫分子以及中性熒蒽分子。通過紅外光譜和理論計算發(fā)現(xiàn)，氫分子、中性熒蒽比二氫熒蒽更穩(wěn)定，該研究首次揭示了不同結(jié)構(gòu)陰離子反應(yīng)物對反應(yīng)結(jié)果的影響。

北京理工大學(xué)的徐偉等[27-31]通過GPU仿真模擬建立了氣相離子/離子反應(yīng)速度與反應(yīng)離子的電子云密度和電荷價態(tài)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提高離子反應(yīng)速度，需要提高離子阱俘獲電壓、緩沖氣壓力，并得出不同極性的反應(yīng)離子對，其質(zhì)荷比越接近反應(yīng)越容易進行的結(jié)論。該GPU仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)百萬級(106)離子相互作用的計算和仿真，離子軌跡仿真誤差低于千分之一(100 ms內(nèi))，仿真優(yōu)化的線性離子阱具備單位分辨(FWHM)能力。

5 總結(jié)

質(zhì)譜儀不僅是一種重要的分析儀器，同時也是研究化學(xué)反應(yīng)的重要工具，在有機化學(xué)反應(yīng)機理、多肽結(jié)構(gòu)分析和氣相離子化學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。氣相離子/離子反應(yīng)可以在質(zhì)譜儀中高效快速地進行，通過轉(zhuǎn)變分析離子的狀態(tài)可以獲得更多分析物的有效信息，也可以作為一種離子化技術(shù)把多電荷態(tài)離子解離成幾種不同電荷態(tài)離子來得到目標離子更多的信息。可以預(yù)見，質(zhì)譜中氣相離子/離子反應(yīng)將在化學(xué)、生物等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。