基于ESI-TOF對(duì)MOC-16及其主客體作用*

王家駿，魯玉麟，潘梅，蘇成勇

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275

金屬-有機(jī)超分子籠（MOCs）是一類(lèi)具有永久空腔結(jié)構(gòu)的超分子［1-4］。離散的金屬-有機(jī)超分子籠在大多數(shù)有機(jī)溶劑中都具有良好的溶解性，使其在擁有良好性質(zhì)的同時(shí)，還可以在溶液中進(jìn)行各種研究，這是具有連續(xù)結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)框架（MOFs）和共價(jià)有機(jī)框架（COFs）所不具備的。金屬-有機(jī)籠狀化合物的內(nèi)部空腔體積使得它能容納不同的客體分子［5-7］，并在主客體識(shí)別、離子響應(yīng)、藥物傳輸、吸附分離、限域催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。因此，溶液中的主客體作用研究成為了金屬-有機(jī)超分子籠的重要手段和熱點(diǎn)課題之一。

質(zhì)譜分析作為高質(zhì)量有效的物質(zhì)研究方法，在研究金屬-有機(jī)超分子籠的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面有著至關(guān)重要的作用［8-11］。然而，由于金屬-有機(jī)超分子籠的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性相比于其他分子較弱等原因，導(dǎo)致其在質(zhì)譜測(cè)試和分析時(shí)都會(huì)有很大的困難［12-13］。在金屬-有機(jī)超分子籠的主客體研究中，更為復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)、苛刻的溶劑環(huán)境為質(zhì)譜測(cè)試進(jìn)一步增加了難度。

根據(jù)本課題組前期報(bào)道的結(jié)果，Ru-Pd 金屬-有機(jī)超分子籠MOC-16（MOC-Pd6Ru8）是由芳香性剛性有機(jī)分子以及金屬離子構(gòu)筑得到的具有疏水空腔的超分子籠［14］。因此，可以利用“疏水作用”將不溶于水的有機(jī)客體分子包裹進(jìn)籠子空腔中。其中，芘作為一個(gè)具有較大π 平面的疏水分子，預(yù)期可以作為MOC-16 進(jìn)行主客體質(zhì)譜分析的良好客體（圖1）［15］。

圖1 芘作為客體分子被包裹進(jìn)入MOC-16示意圖Fig.1 Schematic diagram of pyrene being packaged into MOC-16 as a guest molecule

基于上述考慮，本研究選擇了結(jié)構(gòu)和性質(zhì)較為穩(wěn)定的MOC-16 作為質(zhì)譜研究對(duì)象，選擇高分辨電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜和核磁共振圖譜作為研究方法，對(duì)金屬-有機(jī)超分子籠的質(zhì)譜測(cè)試條件進(jìn)行摸索，同時(shí)對(duì)MOC-16 的主客體作用進(jìn)行質(zhì)譜分析。

1 MOC-16質(zhì)譜研究

1.1 主要儀器與試劑

儀器：電噴霧-四級(jí)桿-飛行時(shí)間超高分辨液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜（ESI-Q-TOF maXis 4G），Bruker 公司產(chǎn)品；超高效液相色譜（Agilent Technologies 1260 Infinity），Agilent 公司產(chǎn)品，配有數(shù)據(jù)采集及處理軟件；Bruker AVANCE Ⅲ400（400 MHz）型超導(dǎo)核磁共振譜儀，譜圖數(shù)據(jù)用MestReNova軟件處理。

試劑：待測(cè)的MOC-16 采用參考文獻(xiàn)［14］方法制備，所用化學(xué)試劑未經(jīng)注明均為商業(yè)購(gòu)買(mǎi)AR級(jí)試劑，不經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化處理直接使用；乙腈，色譜純；甲酸，色譜純；超純水；ESI 低濃度調(diào)諧液（tunning mix），美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品。

1.2 樣品制備步驟

稱(chēng)取5 mg MOC-16 粉末，先溶解于200 μL 的DMSO 中，再加入400 μL 的水稀釋?zhuān)浞只旌虾笥脼V膜過(guò)濾，取濾液，待分析。

1.3 質(zhì)譜條件調(diào)節(jié)

1.3.1 流動(dòng)相調(diào)節(jié) 質(zhì)譜流動(dòng)相是影響質(zhì)譜圖性質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。在常規(guī)的流動(dòng)相條件下，由于籠自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在質(zhì)譜中很難獲得理想的高價(jià)峰。通過(guò)加入有機(jī)酸，從而調(diào)節(jié)流動(dòng)相pH值的方法在很多結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單分子的質(zhì)譜測(cè)試中已有廣泛應(yīng)用［16-20］。因此，本研究選擇甲酸作為電離輔助劑。在水溶液中加入甲酸，配置成φ=1‰甲酸水溶液，與純水、乙腈調(diào)節(jié)比例作為流動(dòng)相進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2 可看出，MOC-16在純水作為液相的條件下，會(huì)出現(xiàn)碎片離子峰形成的大包峰，且不會(huì)出現(xiàn)籠子的高價(jià)峰。將流動(dòng)相變?yōu)橐译婧螅\子更高價(jià)態(tài)的峰（如+11 價(jià)）無(wú)法被正確表征；隨著φ=1‰甲酸水溶液的液相比例升高，籠子的高價(jià)峰部分m/z為750 ～1 600的強(qiáng)度逐漸提升，并且重點(diǎn)的高價(jià)離子峰更為清晰可見(jiàn)。以質(zhì)譜圖中相對(duì)強(qiáng)度最高的+10 價(jià)峰為例，在純乙腈的液相條件下，質(zhì)譜峰的平均分辨率（Res.）為22 433.79，信噪比（S/N）為291.111 5；在V（乙腈）∶V（φ=1‰甲酸水溶液）= 2∶8 的液相條件下，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為29 746.18，S/N為3 475.609；在φ=1‰甲酸水溶液的液相條件下，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為31 433.79，S/N為6 353.942。因此，從圖譜性質(zhì)方面來(lái)說(shuō)，在水的流動(dòng)相中加入微量甲酸，不僅可以幫助MOC-16在水流動(dòng)相的電離，還可以優(yōu)化質(zhì)譜圖性質(zhì)。

圖2 不同流動(dòng)相條件下MOC-16質(zhì)譜圖Fig.2 The ESI-TOF total spectrum of MOC-16 under different mobile phase conditions

如圖3所示，將籠的高價(jià)峰部分放大后明顯看出，在φ=1‰甲酸水溶液作為液相時(shí)，籠的高價(jià)峰更為清晰，碎片離子峰數(shù)目及噪聲相對(duì)降低。除此之外，在純甲酸水溶液的流動(dòng)相條件下，高價(jià)峰的峰形更為符合MOC-16 的擬合數(shù)值。這說(shuō)明加入甲酸作為電離輔助試劑后，離子源的電離能力顯著增強(qiáng)，在不破壞籠結(jié)構(gòu)的情況下，可以對(duì)籠高價(jià)峰的電離起到輔助作用，并產(chǎn)生較少的離子碎片峰。

圖3 兩種流動(dòng)相條件下籠高價(jià)峰對(duì)比Fig.3 Comparison of cage high price peaks under two mobile phase conditions

1.3.2 離子源電壓調(diào)節(jié) 離子源常進(jìn)行測(cè)試調(diào)節(jié)的主要條件為兩項(xiàng)：干燥器溫度和離子源電壓。其中，在實(shí)際測(cè)試中，溫度對(duì)待測(cè)Ru-Pd 籠的影響很小。下面改變質(zhì)譜離子源電壓條件對(duì)籠MOC-16的影響進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同離子源電壓條件下MOC-16 質(zhì)譜圖Fig.4 The ESI-TOF total spectrum of MOC-16 under different ion source voltage conditions

以質(zhì)譜圖中相對(duì)強(qiáng)度最高的+10 價(jià)峰為例，在離子源電壓為2 000 V 時(shí)，質(zhì)譜中產(chǎn)生大量碎片離子峰，不會(huì)出現(xiàn)明顯高價(jià)峰；在離子源電壓為3 500 V 時(shí)，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為31 433.79，S/N為6 353.942；在離子源電壓為5 000 V 時(shí)，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為28 763.26，S/N為3 524.219。綜上所述，可以看出，在2 000 V 的離子源電壓條件下，無(wú)法得到完整的籠子高價(jià)峰。隨著離子源電壓的增強(qiáng)，高價(jià)峰的強(qiáng)度逐漸增加。在達(dá)到一定強(qiáng)度后，繼續(xù)增加離子源電壓不會(huì)對(duì)譜圖性質(zhì)有較大改善。

1.3.3 總結(jié) 通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)的比較，選擇測(cè)試的質(zhì)譜條件為：正離子模式，無(wú)需色譜柱直接進(jìn)樣，離子源干燥氣（N2）溫度為180 ℃，流速為4.00 L/min，電噴霧電壓3 500 V，流動(dòng)相為φ=1‰甲酸水溶液（圖5）。

圖5 MOC-16可用測(cè)試條件比較Fig.5 Summary conditions of ESI-TOF of MOC-16

1.4 MOC-16質(zhì)譜圖分析

在電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜圖譜中可以看出，MOC-16 的質(zhì)譜峰分布在m/z為680～1 300 的區(qū)域，可為6 組峰，每組峰的價(jià)態(tài)相同，以m/z值由大到小排列對(duì)應(yīng)為+7 到+12 價(jià)峰（圖6）。下面將對(duì)質(zhì)譜圖中的典型峰進(jìn)行軟件擬合分析。

圖6 MOC-16的電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜圖Fig.6 The ESI-TOF of MOC-16

通過(guò)軟件模擬，如圖7a 所示的+11 價(jià)峰被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++7（BF4-）］11+和［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++7（BF4-）］11+結(jié)合水的疊加峰，即組成籠子的金屬配體RuL3上的咪唑基團(tuán)NH可脫去質(zhì)子，一共脫掉10個(gè)質(zhì)子后，籠子為+18價(jià)，再加上7個(gè)四氟硼酸根后，籠子最終為+11價(jià)。

圖7 MOC-16 +11～+9價(jià)峰理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison of theoretical and experimental values of MOC-16 +11-+9 valence peak

類(lèi)似地， +10 和+9 價(jià)峰分別被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++8（BF4-）］10+和［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++8（BF4-）］10+結(jié)合水的疊加峰（圖7b），以及［（Pd6（RuL3）8-9H+）19++10（BF4-）］9+和［（Pd6（RuL3）8-9H+）19++10（BF4-）］9+結(jié)合水的疊加峰（圖7c）。上述MOC-16 分子籠的質(zhì)譜結(jié)果中，出現(xiàn)多組不同價(jià)態(tài)峰的原因是：MOC-16 中共含有8 個(gè)Ru2+以及6個(gè)Pd2+，在質(zhì)譜中結(jié)合不同數(shù)目的陰離子（BF4-）就會(huì)顯示不同的價(jià)態(tài)。每組峰內(nèi)出現(xiàn)多重峰的原因是：MOC-16 中組成籠子的金屬配體RuL3中的咪唑基團(tuán)NH 可脫去質(zhì)子，每脫去一個(gè)質(zhì)子的同時(shí)也會(huì)脫去一個(gè)BF4-，在質(zhì)譜上看就會(huì)減少一個(gè)HBF4的分子量。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在上述不同價(jià)態(tài)的分子離子峰中，MOC-16 的一個(gè)籠分子平均可以電離出9～10 個(gè)H+，即籠子24 個(gè)NH 位置中，1/3以上的NH 發(fā)生了電離。而光靠ESI 源應(yīng)該不會(huì)打掉這么多質(zhì)子，很有可能在溶液中籠子本身就產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的NH 電離，導(dǎo)致溶液中有一定濃度的H+，從而顯示酸性。這在pH 響應(yīng)性的有機(jī)催化和光催化、生物成像和光動(dòng)力學(xué)治療等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 MOC-16主客體質(zhì)譜研究

2.1 樣品制備步驟

將上一步配置好的MOC-16 溶液用移液槍吸取部分后加入微量芘，充分混合后用濾膜過(guò)濾，取濾液，待分析。通過(guò)1H HMR檢測(cè)。

2.2 MOC-16加入客體芘后1H HMR分析

將圖8a 與圖8b 相比可看出，圖8a 的峰明顯寬化，在5.5 ×10-6～7.0 ×10-6的區(qū)域出現(xiàn)2 個(gè)明顯包峰（紅色圓圈圈出）。這兩個(gè)包峰是來(lái)自被包裹進(jìn)籠子的客體分子芘的質(zhì)子信號(hào)。芘進(jìn)入了籠子空腔后，會(huì)受到較強(qiáng)的屏蔽作用使其質(zhì)子信號(hào)向高場(chǎng)移動(dòng)，而籠子本身的峰也受芘影響有了一定程度的位移，但由于寬化現(xiàn)象嚴(yán)重不能對(duì)發(fā)生位移的峰進(jìn)行歸屬。

圖8 MOC-16與引入客體芘的1H NMR圖對(duì)比Fig.8 Comparison of1H NMR chart of MOC-16 and introduced guest pyrene

2.3 質(zhì)譜條件調(diào)節(jié)

2.3.1 流動(dòng)相調(diào)節(jié) MOC-16 是由芳香性剛性有機(jī)分子以及金屬離子構(gòu)筑得到的具有疏水空腔的超分子籠，利用“疏水作用”將不溶于水的客體分子引入籠子內(nèi)部，在此過(guò)程中，溶劑體系只有DMSO 和水。因此，為更好地對(duì)MOC-16 的主客體作用進(jìn)行質(zhì)譜表征，測(cè)試時(shí)也應(yīng)盡量選擇水作為質(zhì)譜流動(dòng)相。

以質(zhì)譜圖中相對(duì)強(qiáng)度最高的+10 價(jià)峰為例，在純乙腈的液相條件下，出現(xiàn)碎片離子峰組成的大包峰，不能對(duì)質(zhì)譜產(chǎn)物進(jìn)行歸屬；在純水的液相條件下，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為28 192.43，信噪比（S/N）為186.082；在φ=1‰甲酸水溶液的液相條件下，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為28 761.96，S/N為2 047.92。因此，從圖譜性質(zhì)方面來(lái)說(shuō)，甲酸作為電離輔助試劑也可以用來(lái)改善MOC-16包裹客體芘質(zhì)譜圖的性質(zhì)。

圖9 不同流動(dòng)相條件下MOC-16包裹客體芘質(zhì)譜圖Fig.9 Mass spectra of MOC-16 encapsulated guest pyrene under different mobile phase conditions

2.3.2 離子源電壓調(diào)節(jié) 以圖10中相對(duì)強(qiáng)度最高的+10 價(jià)峰為例，在離子源為2 000 V 的測(cè)試條件下，與MOC-16 的測(cè)試結(jié)果類(lèi)似，質(zhì)譜中產(chǎn)生大量碎片離子峰，不會(huì)出現(xiàn)明顯高價(jià)峰；當(dāng)離子源電壓變?yōu)? 500 V 時(shí)，出現(xiàn)高價(jià)峰信號(hào)，質(zhì)譜峰的Res. 平均值為28 761.96，S/N為2 047.92；當(dāng)離子源電壓增加到5 000 V 時(shí)，出現(xiàn)大包峰，且不會(huì)產(chǎn)生明顯的主客體作用導(dǎo)致的質(zhì)譜峰位移。增加離子源電壓導(dǎo)致質(zhì)譜圖譜中主客體結(jié)合數(shù)目減少甚至消失，這種現(xiàn)象在文獻(xiàn)報(bào)道中普遍存在［21］。因此，在對(duì)MOC-16 主客體質(zhì)譜測(cè)試中，選擇離子源電壓為3 500 V。

圖10 不同離子源電壓條件下MOC-16包裹客體芘質(zhì)譜圖Fig.10 The ESI-TOF of MOC-16 adding guest pyrene under different ion source voltage conditions

2.4 MOC-16與芘主客體質(zhì)譜分析

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在MOC-16 測(cè)試中得到的最佳測(cè)試條件同樣適用于主客體作用的質(zhì)譜測(cè)試中。

在ESI-TOF 圖譜中可以看出，MOC-16 加入客體芘的質(zhì)譜峰分布在m/z為680～1 300 區(qū)域，可為4 組峰，每組峰的價(jià)態(tài)相同，以m/z值由大到小排列對(duì)應(yīng)為+8到+11價(jià)峰（圖11）。

圖11 MOC-16包裹客體芘質(zhì)譜圖Fig.11 The ESI-TOF of MOC-16 adding guest pyrene

將圖12a 與圖12b 對(duì)比可看出，相同價(jià)態(tài)的峰發(fā)生位移，位移相差的數(shù)值恰好為一個(gè)芘分子的質(zhì)量。通過(guò)表1可以看出，由于引入客體，質(zhì)譜測(cè)試的體系中整體純度下降，雖然經(jīng)過(guò)條件優(yōu)化，但譜圖整體性質(zhì)明顯下降。這種現(xiàn)象在金屬-有機(jī)超分子籠的主客體質(zhì)譜中十分常見(jiàn)［22］。因此，在質(zhì)譜圖中，+12 價(jià)、+8 價(jià)和+7 價(jià)峰以及結(jié)合芘分子的質(zhì)譜更多無(wú)法在質(zhì)譜上反映出來(lái)。下面將對(duì)典型峰進(jìn)行軟件擬合分析。

表1 MOC-16與MOC-16加入客體芘的+10價(jià)峰質(zhì)譜圖性質(zhì)參數(shù)對(duì)比表Table 1 The comparison of the mass spectrum property parameters of MOC-16 and MOC-16 adding+10 peak guest pyrene

圖12 MOC-16與加入客體芘后的電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜Fig.12 The ESI-TOF of MOC-16 and MOC-16 adding guest pyrene

通過(guò)軟件模擬， 該+11 價(jià)峰被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-8H+）20++9（BF4-）］11++C16H10結(jié)合水的峰，即組成籠子的金屬配體RuL3上的咪唑基團(tuán)NH可脫去質(zhì)子，一共脫掉9個(gè)質(zhì)子后，籠子為+20價(jià)，再加上9 個(gè)四氟硼酸根后，籠子最終為+11 價(jià)（圖13a）。

類(lèi)似的， +10 和+9 價(jià)峰分別被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-9H+）19++9（BF4-）］10++C16H10結(jié)合水的峰（圖13b），以及［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++9（BF4-）］9++C16H10結(jié)合水峰（圖13c）。

圖13 MOC-16加入客體芘后理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.13 Comparison between theoretical and experimental values of MOC-16 after adding guest pyrene

3 結(jié) 論

本研究采用電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜，對(duì)典型的金屬-有機(jī)超分子籠化合物MOC-16 及其加入客體芘之后的產(chǎn)物進(jìn)行了質(zhì)譜分析。通過(guò)比較不同測(cè)試條件下譜圖性質(zhì)和質(zhì)譜峰形，總結(jié)適合的測(cè)試條件，并以核磁共振圖譜佐證。較好地對(duì)MOC-16進(jìn)行了質(zhì)譜表征和分析，利用電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜證明了MOC-16 在水中會(huì)與芘發(fā)生主客體作用，為類(lèi)似的金屬-有機(jī)超分子籠的質(zhì)譜測(cè)試和主客體質(zhì)譜測(cè)試提供了幫助。