表面輔助激光解吸電離—飛行時(shí)間質(zhì)譜中多聚體離子產(chǎn)生規(guī)律的研究

聶龍輝+王衛(wèi)國(guó)

摘 要 表面輔助激光解吸電離質(zhì)譜（SALDIMS）已經(jīng)成為固態(tài)、液態(tài)樣品分析的重要手段，并且分析對(duì)象逐漸由生物大分子擴(kuò)展到小分子。然而，對(duì)小分子電離微觀反應(yīng)機(jī)理的研究仍處于起步階段。本研究選擇3種分子結(jié)構(gòu)相似的稠環(huán)芳烴化合物芘、六苯并苯、紅熒烯作為研究對(duì)象，考察了這3種化合物激光電離產(chǎn)物的差異，并研究了激光能量對(duì)六苯并苯產(chǎn)物離子分布的影響。結(jié)果表明，觀察到芘、六苯并苯多聚體離子產(chǎn)物，還觀測(cè)到了六苯并苯失去C2H2的碎片離子峰；而沒(méi)有觀測(cè)到明顯的紅熒烯聚合物離子產(chǎn)物，只觀測(cè)到了大量失去C6H5的碎片離子峰。最后，對(duì)3種不同化合物的激光電離微觀機(jī)理進(jìn)行了分析。由于芘、六苯并苯具有平面大π鍵，分子間的ππ鍵相互作用是產(chǎn)生多聚體離子的主要原因；而紅熒烯的空間位阻削弱了分子間相互作用，從而阻礙了多聚體離子的形成。

關(guān)鍵詞 表面輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜； 稠環(huán)芳烴； 多聚體離子； ππ鍵相互作用； 空間位阻

1 引 言

激光電離質(zhì)譜技術(shù)是可直接用于分析固體、液體樣品，樣品制備簡(jiǎn)單，避免了繁瑣的樣品前處理過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量，可以實(shí)現(xiàn)各種樣品的分析。激光電離質(zhì)譜技術(shù)是將激光光源與質(zhì)譜檢測(cè)器相結(jié)合的新型分析手段。1963年，Honig等[1]發(fā)表了第一篇關(guān)于激光電離質(zhì)譜的論文， 將激光離子源與雙聚焦質(zhì)譜儀聯(lián)用研究了不同參數(shù)下的離子產(chǎn)率。隨著激光技術(shù)的飛躍發(fā)展和質(zhì)譜檢測(cè)器性能的不斷提升，近年來(lái)， 激光電離質(zhì)譜技術(shù)在無(wú)機(jī)微量元素分析[2～5]、環(huán)境污染物分析[6]、生物大分子分析[7，8] 等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。

目前，用于固態(tài)和液態(tài)樣品分析的激光質(zhì)譜技術(shù)主要分為兩大類：基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜（MAIDIMS）[9，10]和表面輔助激光解吸電離質(zhì)譜（SALDIMS）[11～15]。MAIDIMS是可以實(shí)現(xiàn)大分子的解吸，是一種重要的生物分析技術(shù)[7]。其原理是利用一定強(qiáng)度激光照射樣品和基質(zhì)混合物時(shí)，基質(zhì)從激光中吸收能量，基質(zhì)和樣品發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生樣品離子，然后進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)。但是由于有機(jī)小分子基質(zhì)也發(fā)生電離，產(chǎn)生背景信號(hào)，會(huì)對(duì)小分子量化合物產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。而SALDIMS對(duì)材料表面輔助解吸樣品分子并用激光進(jìn)行電離，可以有效避免小分子化合物的干擾，從而將分析對(duì)象由大分子擴(kuò)展到小分子。

SALDIMS的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是瀝青質(zhì)化學(xué)[16～23]。瀝青質(zhì)多由芳香環(huán)和芳雜環(huán)構(gòu)成[16，17]，通過(guò)研究瀝青質(zhì)分子量分布可以對(duì)其形成年代和地域進(jìn)行溯源。前期研究結(jié)果顯示， 不同激光能量獲得的質(zhì)量分布差異很大，平均分子量從2000到50000不等[22，23]。目前仍存在爭(zhēng)議：AlMuhareb等采用高激光能量觀測(cè)到峰值在50000的質(zhì)量數(shù)分布，他們認(rèn)為低激光能量不足以解析大質(zhì)量數(shù)的瀝青質(zhì)[22]；Hortal等則認(rèn)為激光能量過(guò)大會(huì)引起分子聚合，在解吸電離過(guò)程中形成大質(zhì)量數(shù)團(tuán)簇離子[22，23]。因此，深入研究表面輔助激光解吸電離的微觀機(jī)理對(duì)于譜圖的準(zhǔn)確解析具有重要意義。本研究選取3種與瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的、含有苯環(huán)的高度對(duì)稱結(jié)構(gòu)化合物芘、六苯并苯、紅熒烯（如圖1所示）進(jìn)行了檢測(cè)。研究了它們?cè)诩す鈭?chǎng)中的電離產(chǎn)物差異，發(fā)現(xiàn)具有共面π鍵結(jié)構(gòu)的芘、六苯并苯觀測(cè)到了大量的團(tuán)簇離子產(chǎn)物，而紅熒烯產(chǎn)生了大量的碎片離子?？疾炝思す饽芰繉?duì)產(chǎn)物離子及其分布規(guī)律的影響，并對(duì)產(chǎn)物離子的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。本研究可為激光電離質(zhì)譜的譜圖解析和歸屬提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)采用自制的表面輔助解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜。甲苯（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；芘（分析純，百靈威科技有限公司）； 六苯并苯和紅熒烯（分析純，大連瑞凱姆石化有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

以甲苯為溶劑，分別配制2 mg/mL的芘、六苯并苯和紅熒烯的標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別滴加2和6 μL標(biāo)準(zhǔn)溶液于樣品靶臺(tái)上，待溶劑甲苯揮發(fā)10 min后，在樣品靶表面2.3 mm的圓盤上得到待測(cè)樣品。將待測(cè)樣品放入質(zhì)譜的解析/電離腔體內(nèi)，經(jīng)激光解吸和電離后，在質(zhì)譜探測(cè)器中進(jìn)行檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)所用的電離激光為波長(zhǎng)355 nm的Nd∶YAG激光器， 激光能量范圍為1000～6000 nJ，電離區(qū)光斑直徑約為0.5 mm。數(shù)據(jù)采集卡包括微通道板，高速瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集卡和前置放大器等。測(cè)量時(shí)真空度保持在104 Pa量級(jí)。正離子模式下采集質(zhì)量范圍m/z 0～20000的質(zhì)譜信號(hào)。

3 結(jié)果與討論

3.1 芘、六苯并苯、紅熒烯譜圖分析

激光能量為3000 nJ時(shí)，芘、六苯并苯、紅熒烯的SALDIMS質(zhì)譜圖見圖2，觀測(cè)到了芘、六苯并苯明顯的聚合離子峰和碎片離子峰。其中，芘的團(tuán)簇離子的聚合分子數(shù)最多達(dá)到4個(gè)；六苯并苯團(tuán)聚的團(tuán)簇離子的聚合分子數(shù)最多達(dá)到10個(gè)以上（為了能夠在圖中標(biāo)注譜峰的歸屬，顯示的范圍在m/z 0～2000，更大質(zhì)量數(shù)的未展示），且隨著結(jié)合分子數(shù)量的增加，信號(hào)強(qiáng)度近似指數(shù)形式逐漸衰減。這種差異歸結(jié)于不同分子結(jié)構(gòu)的差異，六苯并苯分子的ππ鍵作用比芘分子更強(qiáng)，而紅熒烯分子的空間位阻阻礙了分子聚合，導(dǎo)致未能觀察到聚合離子峰（詳細(xì)見討論部分）[24，25]。同時(shí)，沒(méi)有觀察到芘分子碎片離子峰，六苯并苯觀測(cè)到了失去1～3個(gè)C2H2的碎片離子峰，紅熒烯斷裂CC鍵失去1個(gè)或2個(gè)C6H5基團(tuán)的譜峰。

3.2 激光能量的影響規(guī)律

圖3給出了不同激光能量時(shí)六苯并苯的SALDIMS質(zhì)譜圖。從圖3可見，在激光能量為1000 nJ時(shí)，僅觀測(cè)到母體離子峰和少量失去一個(gè)C2H2的譜峰。隨著激光能量增加，聚合物分子離子的譜峰強(qiáng)度增大，聚合分子數(shù)增多。這是因?yàn)樵黾蛹す饽芰?，熱解吸和電離的分子數(shù)均逐漸增大，真空腔內(nèi)樣片表面附近形成高濃度的等離子體，導(dǎo)致中性分子和分子離子碰撞聚合的幾率增大，從而檢測(cè)到大量團(tuán)簇離子譜峰。M+，2M+，3M+，4M+，5M+，6M+離子（M代表六苯并苯分子）近似呈指數(shù)形式遞減，這是由于多分子碰撞結(jié)合形成大分子團(tuán)簇離子的幾率逐漸降低導(dǎo)致的結(jié)果。而且還可以觀察到，隨著激光能量增大，出現(xiàn)了明顯的（2M C2H2）+，（2M 2C2H2）+，（3M C2H2）+，（3M 2C2H2）+ 離子質(zhì)譜峰。

圖4給出了六苯并苯的不同聚合物離子隨激光能量變化趨勢(shì)，其中激光能量步長(zhǎng)為500 nJ。質(zhì)量數(shù)m/z 300，600，900，1200，1500，1800分別代表了M+，2M+，3M+，4M+，5M+，6M+離子（M代表六苯并苯分子）?？梢钥闯觯麟x子強(qiáng)度在低激光能量?jī)?nèi)隨能量的增加而增大，繼續(xù)增加激光能量，各離子峰強(qiáng)度基本保持不變。

3.3 稠環(huán)芳烴質(zhì)譜分析與討論

芘、六苯并苯、紅熒烯聚合離子峰會(huì)出現(xiàn)差異，可以歸結(jié)于ππ鍵的相互作用。在DNA的結(jié)構(gòu)中以及藥物分子同蛋白質(zhì)的相互作用，ππ鍵相互作用扮演了重要的角色。ππ鍵相互作用是具有平面結(jié)構(gòu)的芳香性分子或官能團(tuán)之間非鍵合作用，主要來(lái)源于體系的色散相互作用。前人對(duì)苯分子的理論研究[24，25]表明，這種相互作用會(huì)使苯環(huán)體堆疊的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，且平行堆疊相互作用隨苯環(huán)數(shù)目增加而增大。芘和六苯并苯同為平面結(jié)構(gòu)，六苯并苯的苯環(huán)數(shù)量比芘中的多，ππ鍵相互作用更強(qiáng)，更容易形成聚合體。這解釋了芘比六苯并苯體系觀測(cè)到離子中的聚合分子數(shù)目少的原因。

紅熒烯雖然具有更多的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，但是整個(gè)分子卻并非平面結(jié)構(gòu)。它是由一個(gè)并四苯構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)，并且由4個(gè)苯基取代并四苯的5，6，11，12號(hào)氫原子構(gòu)成的支環(huán)組成。由于四個(gè)苯基之間存在位阻效應(yīng)，使得苯基與并四苯不在同一個(gè)平面內(nèi)，而是與并四苯所形成的平面呈一定夾角[23，24]。這種空間位阻使得紅熒烯很難聚合，因此沒(méi)有觀測(cè)到明顯的聚合物離子。綜上所述，具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的平面型分子在激光電離質(zhì)譜中容易產(chǎn)生聚合物離子，這種離子可以通過(guò)質(zhì)量數(shù)之間的倍數(shù)差異進(jìn)行歸屬；另外，對(duì)于未知樣品，可以通過(guò)對(duì)聚合物離子形成及分布研究對(duì)樣品分子的立體結(jié)構(gòu)和構(gòu)成進(jìn)行分析研究。

4 結(jié) 論

利用表面輔助激光解吸電離質(zhì)譜技術(shù)研究了3種稠環(huán)芳烴化合物（芘、六苯并苯、紅熒烯）激光解吸電離產(chǎn)物的差異。結(jié)果表明，可以觀察到芘和六苯并苯多聚體離子產(chǎn)物，還觀測(cè)到了六苯并苯失去C2H2的碎片離子峰；而沒(méi)有觀測(cè)到明顯的紅熒烯聚合物離子產(chǎn)物，共觀測(cè)到了大量失去C6H5的碎片離子峰。通過(guò)對(duì)3種化合物的激光電離微觀機(jī)理的分析，得出結(jié)論：由于芘和六苯并苯平面大π鍵，這種分子間的ππ鍵相互作用導(dǎo)致了多聚體離子的形成；而紅熒烯的空間位阻削弱了分子間的相互作用，從而阻礙了多聚體離子的形成。本研究結(jié)果對(duì)于SALDIMS中產(chǎn)物離子譜圖的解析和歸屬具有重要的參考意義。

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Abstract Surfaceassisted laser desorption/ionization mass spectrometry （SALDIMS） has become an indispensable tool in macromolecule and small molecule analysis for solid and liquid samples. However， there were few studies focusing on the ionization mechanisms especially for the small molecules. In this work， the compounds of pyrene， coronene and rubrene which have similar molecular structures were used to investigate the ionization mechanism via SALDIMS. Additionally the effect of the laser power on the product ions was also investigated. It was found that strong cluster ions peaks nM+（M= pyrene， coronene） were observed for pyrene and coronene， and daughter ions of coronene by loss of C2H2 were also observed. On the contrary， no cluster ion was obtained for rubrene， only daughter ions with the losses of nC6H5 （n=1， 2， 3） were acquired. Finally， the ionization mechanisms were discussed. The formation of clusters of pyrene and coronene was attributed to the interaction of ππ bands. For rubrene， the spatial barrier weakened the interaction of ππ bands because the four phenyl groups were not on the same plane of skeleton structure， thus impeding the formation of cluster ions.

Keywords Surfaceassisted laser desorption/ionization mass spectrometry； Polycyclic aromatic； Ionization； ππ bond interaction； Spatial barrier

（Received 26 February 2017； accepted 30 March 2017）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 51572074）