质谱分子离子峰分子量

世界精密测量仪器的生产商TSI公司宣布了其新一代MacroIMS高分子离子迁移率谱仪的上市。 MacroIMS高分子离子迁移率谱仪3982是一款全新的可快速测量高分子的分子量和粒径的仪器，并具有非常高的分辨率。MacroIMS高分子离子迁移率谱仪系统是由来自TSI公司的纳米颗粒分析核心技术中发展而来，经过验证，该系统可用于各种生化分析，包括抗体聚合、脂蛋白、病毒、疫苗、类病毒颗粒、聚合物以及纳米颗粒胶体等。 这款新一代的产品具有许多上一代产品所不具有的独特优势，例如通过直接与LC泵和自动取样器相连，新产品能够实现自动分析；并采用了软X射线电离技术，摆脱了为实现电荷中和需要使用放射源的缺陷；而且该设备可自动发现组分；它具有更快的扫描速度，并配备了基于色谱分析的具有扩展分析工具的软件。 TSI公司高级全球产品经理Erik Willis先生说，“这款MacroIMS高分子离子迁移率谱仪的优势就在于它能够分析那些对质谱仪来说粒径过大的高分子和纳米粒子，而且具有光散监测仪所无法达到的高测量精度和分辨率。这款MacroIMS高分子离子迁移率谱仪是对液态色谱分析、场流分析、AUC分离以及质谱分析的有力补充。” 如果您想了解更多信息或寄送样品至本公司进行分析，请点击http://www.tsi.com/Products/Macromolecule-Analyzers/Other/MacroIMS-Macroion-Mobility-Spectrometer-3982.aspx。

浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心在2015年美国质谱年会(ASMS 2015)上发布了有关电喷雾离子源(ESI)带电机理，相关的论文在ASMS上作为墙报展示。由于这套理论与传统ESI带电理论有所不同，引起了强烈的反响。仪器信息网编辑将发布的内容整理，供国内感兴趣的专家学者参阅。　　当前，蛋白质组学研究中最大的技术瓶颈之一就是生物质谱的离子源技术，因为现有离子源对离子的利用效率极低。　　事实上，自从80年代中期John B. Fenn 将电喷雾离子源应用于大分子质谱分析以来，全世界成千上万的科学家涌入了这一研究领域。快30年过去了，对于电喷雾离子源机理，还是停留在两个模式：Ion Evaporation Model (IEM) 离子蒸发，与Charged Residue Model (CRM) 电荷残留机理。这两个模式所描述的都是带电液滴离开Taylor Cone 以后的单分子气相电荷的形成过程（如图1所示），至今也无法解释以下两个问题：　　1、为什么电喷雾离子源中存在多电荷离子?　　2、为什么电喷雾离子源存在离子抑制现象?图1 电喷雾离子源机理　　有些学者认为多余的电荷是来自于液滴(Droplets that contain an excess of positive and negative charge detach from its tip.)　　根据电磁场理论，介质在电场中，正负电荷是以成对的形式存在的，不可能形成正、负分离。在电极的同一端更不可能产生正、负离子分离的现象。图2 离子源机理实验图　　下面是朱一心研究团队的实验过程。首先将离子源全封闭起来。图2中，瓶子 1、2、3 可以加上不同的液体或气体，作为辅助液气，控制泰勒锥周围的离子化气氛。图3 离子源离子化室内充满空气和氮气时的离子图　　当离子源离子化室(Chamber)充满空气时，肽段离子信号如图3左所示，肽段离子信号非常强。　　将离子源离子化室(Chamber)充满氮气,并且控制其质谱仪的真空度与离子源离子化室暴露大气时一样，如图3右所示，质谱仪无法检测到肽段离子信号。　　这样我们可以直观的推断(M+H)+ 中的正氢离子并非来自于 Tip 中的液体(流动相)。图4 Air气氛状态下，咖啡因的溶剂为D2O和H2O的谱图　　还有实验也能说明氢离子不是来自于流动相。分别用水(H2O)和氘水(D2O)溶解咖啡因，在没有辅助液体的时候，离子化室充满空气时，得到如图4所示的图谱，图中可见，上下图谱完全一致，这就说明了氢离子不是来自于流动相(Solvent)。如果是自于流动相，那么在用氘水(D2O)溶解咖啡因的质谱图中的主峰应该是(M+2)=196.17，而不应该与用水(H2O)溶解样品时得到的主峰一样(M+1)=195.17。咖啡因的结构如下图，它没有OH键，所以无法产生氢氘交换,最适合我们的实验。咖啡因(Caffeine)，分 子 式：C8H10N4O2， 分 子 量：194.19　　那氢离子到底来自于哪里呢?看了下面实验就知道了。　　在上面的实验中的辅助气中加以D2O为辅助液体以后，得到了完全一致的谱图，主峰均为(M+2)=196.26如图5所示。图5 Air+D2O 气氛状态下，咖啡因的溶剂为D2O和H2O的谱图　　从咖啡因的分子式可以判断，它100%无法进行氢氘交换。所以用氘水溶解样品，咖啡因的分子式不发生变化，在高电场中被电场极化的分子式与水溶解的咖啡因一致，分子量没有发生变化，还是M，吸附上一个氢离子以后形成(M+H)+ 正离子。加以氘水(D2O)辅助蒸汽以后，在泰勒锥(Taylor Cone)周围产生氘离子(D+)，所以极化后的分子吸附一个氘离子(D+)，形成(M+D)+ 正离子。这一实验就证明了氘离子((D+)，是来自于泰勒锥以外的。　　如果用传统的电喷雾理论，在这一实验中，用水(H2O)溶解咖啡因时，是永远见不到(M+2)+ =196.26的离子峰的。　　这三个实验可以说明，电喷雾离子源使分子带电的过程其实是场致水分子电离后产生氢离子，极性分子在高电场中的极化，极化后的分子与氢离子又产生了静电吸附，从而形成多电荷分子离子。　　图6 电喷雾离子源机理　　如图6所示，电喷雾发射针处于正电压，在尖端表面形成一个稳定的Taylor Cone，因为Taylor cone 的曲率半径很小，在纳米数量级，尖端表面的电场很强，将刚刚离开Taylor Cone 的极性分子极化，形成长条形的不稳定极性分子 同时将尖端表面的水分子场蒸发，形成氢离子，氢离子被长条形的极性分子的负端吸附，从而形成了多电荷离子。　　同时可见，当两个极性分子同时出现在Taylor Cone 附近，氢离子被极性大的分子吸附，从而出现了离子抑制现象。　　美国康奈尔大学化学与化学生物学荣誉教授Fred Mclafferty(右)与朱一心先生探讨技术问题　　赛默飞世尔R&D Director Jean-Jacques(右)，与朱一心先生探讨技术问题

质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律，然后按照质量或荷质比实现分离分析的技术。早在1898年，W.维恩用电场和磁场使正离子束发生偏转时发现,电荷相同时，质量小的离子偏转得多,质量大的离子偏转得少。1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁偏转仪证实氖有两种同位素。阿斯顿于1919年制成一台能分辨一百分之一质量单位的质谱计，用以测定同位素的相对丰度，成功鉴定了多种同位素。质谱计的发展也从只用于气体分析和测定化学元素的稳定同位素到后来用于对石油馏分中的复杂烃类混合物进行分析，并证实了复杂分子能产生确定的能够重复的质谱之后,才将质谱法用于测定有机化合物的结构,开拓了有机质谱的新领域。 图1. 图左为英国物理学家J.J.汤姆孙，图右为诺贝尔化学奖获得者F.W.阿斯顿 质子传递反应质谱（Proton Transfer Reaction- Mass Spectrometry）是分析挥发性有机物（VOCs）的一种新的先进分析手段。该技术具有检测速度快、灵敏度高、无需内标定量测量等优点，特别适合挥发性有机物的实时在线监测与预警。基于多年挥发性有机物在线分析质谱研究经验，法国AlyXan公司研发的质子传递反应-傅里叶变换离子回旋共振质谱（BTrap）通过运用先进的傅里叶变换离子回旋共振质谱技术，使仪器的质量分辨率高达10000，成为质量分辨率高的质子传递反应质谱。BTrap具有高质量分辨率，高度与稳定性、低离子碎片、高灵敏度高、低检测限等诸多优势，可用于材料，环境，汽车工业，化工等多领域的气体组分在线监测分析，适应各种复杂实验气候与环境。 质子传递反应质谱一般采用质子（H3O+ ）作为电离源，该技术的原理是大多数VOCs的质子亲和能高于水而低于高聚水，可以跟质子反应而被电离。但对醇，醛与长链烷烃类化合物，该方法的应用会受到很大限制。如正丁醇在正常测试条件下，不能测到分子离子峰，只能测到脱去羟基的丁烯的峰，为正丁醇的测试带来的很大困难。针对此类问题，法国AlyXan公司研发了一种全新的前驱体——1,4-二氟苯(C6H4F2)[1]。1,4-二氟苯的质子亲合能为718.7 kJ/mol，介于691到750 kJ/mol。因此C6H5F2+可以与大多数VOCs反应，同时产生更少的碎片，可以作为更加温和的质子转移试剂。同时1,4-二氟苯分子非常稳定，生成离子只会发生质子转移反应，不会参与其他反应。分子量比质子大，具有更小的质量歧视效应。 如图2所示，以正丙醇分子为例。在1.26×10-5 mbar的压力下，(a)采用C6H5F2+作为电离源，分子离子（C3H7OH2+）强度非常高，而脱羟基产物（C3H7+）的峰浓度一直维持再非常低的浓度；（b）采用H3O+作为电离源，脱羟基产物将为主要离子，分子离子峰为次要离子。说明有大量分子离子峰发生脱羟基反应，生成C3H7+离子。(c) 在更高的压力7.34×10-5 mbar下, 采用C6H5F2+作为电离源，分子离子峰（C3H7OH2+）依然为主要离子，脱羟基产物，水合离子及高聚水离子的含量非常少；(d) 采用H3O+作为电离源, 脱羟基产物为主要离子，分子离子峰为次要离子，同时有大量水合离子及高聚水离子生成。 图2. 以正丙醇为样品，离子相对强度图 1.26×10-5 mbar压力下， （a）C6H5F2+作为电离源，（b）H3O+作为电离源 7.34×10-5mbar压力下 （c）C6H5F2+作为电离源，（d）H3O+作为电离源。 从下表数据中可以发现，在其他有机物中可以有效重复试验结果，新型前躯体产生的C6H5F2+可以与大多数VOCs反应，并产生少的碎片信号。 除此之外，很多测试实例也证实了质子传递反应-傅里叶变换离子回旋共振质谱技术的先进性和可靠性，1,4-二氟苯作为一种新型的前驱体，有效解决了醇、醛及长链脂肪烃的测定难题，为质子传递反应质谱分析提供了突破性的解决方案。参考文献：[1] Latappy, H. Lemaire, J. Heninger, M. Louarn, E. Bauchard, E. Mestdagh, H. International Journal of Mass Spectrometry 2016, 405, 13.质子传递反应质谱；1,4-二氟苯；VOCs；高分辨率；少碎片相关产品：法国Alyxan公司高分辨质子传递反应质谱（BTrap）：http://www.instrument.com.cn/netshow/C247308.htm