組氨酸鈷氧合配合物二聚體形態的電噴霧串聯質譜驗證研究

付 佩 符繼紅 李俊芳 岳 凡 張旭龍 王吉德

(新疆大學化學化工學院，烏魯木齊 830046)

組氨酸鈷氧合配合物二聚體形態的電噴霧串聯質譜驗證研究

付 佩 符繼紅 李俊芳 岳 凡 張旭龍 王吉德＊

(新疆大學化學化工學院，烏魯木齊 830046)

電噴霧質譜(ESI-MS)是一種軟電離質譜技術，已在配合物的結構和機理的研究中顯示了重要的作用。本文根據組氨酸鈷(CoL2)(L=組氨酸)對分子氧活性很高，極易生成雙核氧合配合物(CoL2-O2-CoL2)的特點，采用ESI-MS方法研究了組氨酸鈷氧合物(CoL2-O2-CoL2)和組氨酸配合物ML2(M=Cu、Zn)。結果發現，質譜圖中在相應于雙核氧合配合物的高質荷比端(m/z＞ML2)，CoL2出現質譜峰，而組氨酸配合物ML2(M=Cu、Zn)在質譜圖中高質荷比端沒有出現質譜峰，只有配合物ML2的相關峰；這個結果證明了文獻報道中的雙核氧合配合物(CoL2-O2-CoL2)的存在，根據所得質譜結果，初步研究了組氨酸鈷雙核氧合配合物和ML2配合物的裂解規律。結果表明，可根據質譜數據中有無二聚體形態，做出Co配合物有無吸氧性能的初步判斷，因此電噴霧質譜(ESI-MS)可做為研究Co配合物氧合反應和表征Co氧合配合物的有效分析手段。

電噴霧串聯質譜；氧載體；組氨酸；鈷配合物；二聚體氧合配合物

0 引 言

氧載體是一類可逆吸附分子氧的金屬配合物[1]。在室溫下，組氨酸鈷配合物(CoL2)(L=組氨酸)的水溶液顯示出良好的可逆吸氧性能[2-3]，在氮氣和氧氣氣氛互換過程中，循環次數可達400多次[4]。已有文獻報道在CoL2的氧合反應中，兩分子CoL2吸收一分子的O2生成氧合配合物，氧合配合物中O2以過氧或超氧的形態橋聯2個CoL2生成二聚體(CoL2-O2-CoL2)雙核配合物[1,3]，但除固體晶體結構外，目前尚無其它可直接測定溶液的方法予以證實。目前研究配合物氧合性能的測試方法主要有紫外可見分光光度法[5]、pH 電位法[6]、氧電極法[7]、量氣法[8-9]、伏安法[10]、電子自旋共振和紅外光譜法[11]等測試手段。本實驗室用電噴霧質譜法研究了配合物氧合性能[12-13]，但用電噴霧質譜法進行類似研究還鮮見文獻報道。

早在20世紀80年代，Yamashita和Fenn[14]就證明了電噴霧質譜是分析各種配合物的一項重要技術。目前，采用串聯質譜技術分析金屬配合物結構的方法已趨于成熟[15-18]，這為本文研究氧合配合物的結構解析提供了依據。本文采用紫外可見光譜法和氧電極法對CoL2、組氨酸銅(CuL2)和組氨酸鋅(ZnL2)三體系進行了吸氧性能的測試，確認了CoL2有可逆吸氧性能，而CuL2和ZnL2沒有吸氧性能。因此認為，吸氧后可生成雙核二聚體的CoL2體系與沒有吸氧性能的CuL2和ZnL2體系會有不同的質量分布，其質譜圖將顯示出明顯的特異性差異。本文采用電噴霧串聯質譜技術，對CoL2氧合配合物和CuL2、ZnL2配合物進行了比較研究，證實了雙核CoL2氧合配合物的存在。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

美國Waters公司ACQUITY UPLC system三重四級桿液相色譜質譜/質譜聯用儀；日本島津UV-2450紫外可見光譜儀；德國WTW公司Oxi 315i/SET氧電極；ELGA公司ULTRA ANMK2超純水儀。組氨酸(His)、醋酸鈷(Co(CH3COO)2·4H2O)、醋酸銅(Cu(CH3COO)2·H2O)、醋酸鋅(Zn(CH3COO)2·2H2O)、氫氧化鈉和鹽酸均為分析純，實驗用水為18.2 MΩ·cm超純水。

1.2 質譜條件

取適量樣品溶于超純水中，在正離子模式下進行檢測。毛細管電壓3.5 kV；離子源溫度120℃；脫溶劑氣溫度450℃；脫溶劑氣流量400 L·h-1；錐孔氣流量 50 L·h-1；錐孔電壓 30 V；流動相乙腈∶水(1∶1，V/V)；流速 0.2 μL·min-1；掃描范圍 50～900 amu。脫溶劑氣、霧化氣和錐孔氣為氮氣，碰撞氣為氬氣。

1.3 樣品制備

分別稱取 15.5 mg 的組氨酸、12.5 mg 的醋酸鈷Co(CH3COO)2·4H2O、10.0 mg 醋酸銅 Cu(CH3COO)2·H2O 和 11.0 mg醋酸鋅 Zn(CH3COO)2·2H2O 分別定容到25 mL容量瓶中。用移液槍各移取2.50 mL組氨酸水溶液和2.50 mL醋酸鈷水溶液，再用超純水稀釋至10.00 mL，用NaOH稀溶液調節pH=8左右，將2個水溶液緩慢混勻，充分攪拌，于室溫下充分反應。CuL2和ZnL2樣品合成方法同上。配體組氨酸也調節其pH=8左右測試。本文選取各配合物在氧氣中充分吸氧24 h后的樣品為研究對象[12]。

1.4 氧電極法[19-20]

先將 25 mL 濃度為 0.04 mol·L-1組氨酸調節pH=2 左右，再加入 25 mL 濃度為 0.02 mol·L-1醋酸鈷溶液。用環已烷覆蓋溶液的表面，使溶液與空氣隔絕，分別用NaOH和HCl調節溶液pH值 (pH=2～11)，測定體系pH值的同時，用氧電極測定CoL2溶液中的 O2含量，繪制 pH-O2/(mg·L-1)曲線。CuL2和ZnL2檢測方法同上。

1.5 紫外可見光譜法[19-20]

先將 25 mL 濃度為 0.8 mmol·L-1組氨酸調節pH=8左右，在氮氣保護下，再加入25 mL濃度為0.4 mmol·L-1醋酸鈷溶液。利用蠕動泵分別將氮氣、氧氣條件下的溶液帶到比色皿中進行檢測。通過觀察兩條曲線的吸光度值變化來考察氧合作用的可逆性。CuL2和ZnL2檢測方法同上。

2 結果與討論

2.1 紫外可見光譜法

圖1中a為CoL2在N2/O2交換下的光譜圖。曲線1是CoL2在N2下的吸收光譜，曲線2是在O2下的吸收光譜。從圖中可見，在O2氛圍中CoL2吸收了一定的O2，產生較大吸收值，表明有氧合配合物生成。再對體系充10 min N2，光譜曲線返回到1′，重新充O2后，光譜曲線迅速恢復到2′，分別與曲線1、2完全重合。結果表明CoL2氧合配合物具有良好的可逆吸氧性能。CuL2如圖1中b所示，有配合物生成，但在交換充N2/O2后光譜無變化，說明CuL2無吸氧性能。ZnL2的光譜與CuL2的光譜結果一致。

2.2 氧電極法

從圖2中a可以看出，隨pH值從2到11的增大，CoL2溶液中O2含量從pH=6起變化很大，說明O2與CoL2結合生成了氧合配合物，因此溶液中O2含量急劇下降。將pH從11減小到2，得到放氧曲線，吸氧-放氧兩條曲線完全重合，說明CoL2有良好的可逆吸氧性能。CuL2氧含量變化曲線如圖2中b所示，隨pH值變化，溶液中O2濃度沒有變化，其吸氧-放氧曲線基本成一條直線。ZnL2的實驗結論與CuL2的相同。因此，CoL2具有可逆吸氧性能，而CuL2和ZnL2沒有吸氧性能，實驗數據與紫外可見光譜法結果完全一致。

2.3 電噴霧質譜法

對不同吸氧時間(如 5 min、1、2、12、24、48 和 72 h等)的CoL2、CuL2和ZnL2分別進行了質譜測試。結果發現，CoL2在不同的吸氧時間點得到的質譜圖是呈動態變化的[12]，但在吸氧時間為1～24 h時間段得到的質譜圖變化不大，主要以氧合形態存在[4]，在質譜高質荷比端得到豐度較高的離子峰。而CuL2和ZnL2在不同吸氧時間得到的各自的譜圖基本一致，與吸氧時間的長短沒有關系，譜圖幾乎沒有變化。因此，本文選取吸氧24 h后的樣品作為研究對象。組氨酸配合物在正離子模式下的峰強度比負離子模式下的峰強度高將近一個數量級，因此，正離子模式更適合組氨酸配合物的質譜研究，具有更高的靈敏度。

2.3.1 組氨酸配體的質譜裂解

組氨酸(L)的分子量為155，圖3為組氨酸配體的化學結構式和正離子模式下的全掃描質譜圖。堿性條件下的組氨酸產生的一系列碎片離子m/z 109.77,155.82,177.85,199.86,311.07,333.09 和 377.03。相應質譜峰分別歸屬為[L+H-HCOOH]+[21]，[L+H]+，[L+Na]+，[L-H+2Na]+，[2L+H]+，[2L+Na]+和 [3L+H-HCH2CHNH2COOH]+。通過對組氨酸產生的特征碎片離子的分析可以對其結構進行合理和準確的表征，為配合物的結構研究提供了依據。

2.3.2 CoL2、CuL2和 ZnL2的質譜裂解

圖4a，4b 和 4c 分別為 CoL2、CuL2和 ZnL2的全掃描質譜圖。

從圖4a可以看出，在正離子模式下，CoL2產生了一系列碎片離子 m/z 756.83,601.73,389.75,236.72和199.69，相應質譜峰分別歸屬為[Co2((L-H)4-2O)O2+Na]+，[Co2((L-H)3-HO2)O2+Na]+，[Co(L-H)2+Na]+，[Co((LH)-OH)+H2O+Na]+和[L-H+2Na]+(表 1)。其中[Co(L-H)2+Na]+(m/z 389.75)為 CoL2的基峰，是雙配體配合物，與文獻[22]中單晶結構報道一致。而質荷比較大的m/z 756.83和601.73推測為雙核氧合配合物，是吸氧后形成的二聚體氧合形式。CoL2的結構及裂解規律如圖5所示。

從CuL2(圖4b)和ZnL2(圖4c)的全掃描質譜圖可以看出，譜圖特征與CoL2譜圖相比差異較大，在質譜圖的高質荷比端沒有出現離子峰，說明沒有雙核氧合配合物，即無二聚體生成，與CuL2和ZnL2沒有吸氧性能的實驗結果相符。組成CuL2的銅元素有同位素峰，因此，當碎片中含有一個銅元素時，會出現兩峰強度比為M/(M+2)為100%∶44.6%的同位素峰，而碎片中含有2個銅元素時，會出現三峰強度M/(M+2)/(M+4)比為 100%∶89.1%∶19.9%的同位素峰，根據同位素峰的相對強度可以很好的推測碎片離子的元素組成。由此可見圖4b中m/z 571.06，393.99，349.98和328.01碎片離子含有一個Cu元素，推測其相應結構分別為[Cu(L-H)3+2Na]+，[Cu(L-H)2+Na]+，[Cu(L-H)2-CO2+Na]+和[Cu(L-H)2-CO2+H]+(表 1)，其中Cu(L-H)2的結構形式與文獻[23]中單晶結構報道一致。實驗結果表明，CuL2氧載體的質譜裂解極易失去中性分子CO2，從而產生特征峰m/z 328.01和m/z 349.98。碎片離子m/z 155.85，177.83和199.87為組氨酸配體的離子峰，如圖3所示。譜圖中未出現含有2個Cu元素的同位素峰，即無氧合配合物的二聚體生成。

表1 正離子模式下配合物ESI-MS/MS數據Table 1 Positive ion ESI-MS/MS data for the complexes

ZnL2碎片中如含有一個鋅元素時，會出現3個峰強度較高，豐度比為100%∶57.4%∶38.6%的同位素峰M/(M+2)/(M+4)。而含有2個鋅元素時，由于鋅具有5個同位素原子，因此會出現一系列的同位素峰，可很好的根據質譜圖推測碎片中鋅元素的個數。根據同位素峰推測m/z 395.08碎片離子含有一個Zn元素，其相應結構為[Zn(L-H)2+Na]+，表明組氨酸與鋅生成了穩定的二配體化合物。Zn(L-H)2的結構形式與文獻[24]中單晶結構報道一致。碎片離子m/z 177.93，199.95和377.10為配體的離子峰(表1)。譜圖中未出現含有2個Zn元素的同位素峰，即無氧合配合物的二聚體生成。

在前期的研究中，碎片離子m/z 199.95在譜圖中表現出較高的豐度，因此引起關注。對其進行子離子掃描，得到一丟失中性碎片(M＝32)的子離子峰(m/z 167)，在初期推斷其為含O2分子的碎片峰，但后來發現其在3個配合物和配體的譜圖中都表現出較高的豐度，再結合金屬元素的同位素峰推測，初步判斷其結構為[L-H+2Na]+。

3 結 論

本文根據紫外可見光譜法和氧電極法對CoL2、CuL2和ZnL23個體系進行了吸氧性能的測試，確認了CoL2有可逆吸氧性能，而CuL2和ZnL2不具有吸氧性能，故推論三者在質譜數據上應有明顯差異。因此采用電噴霧串聯質譜技術對組氨酸鈷氧合物(CoL2-O2-CoL2)和組氨酸配合物 ML2(M＝Cu、Zn)進行了研究。結果發現，CoL2在質譜圖中相應于雙核氧合配合物的高質荷比端出現了相對豐度較高的碎片峰，證明了雙核氧合配合物(CoL2-O2-CoL2)的存在，而未有吸氧性能的組氨酸配合物ML2則未出現高質荷比的氧合物碎片峰。同時，對3種體系進行了質譜解析，提出了雙核氧合配合物和單核配合物可能的裂解過程。結果表明，電噴霧質譜(ESI-MS)可做為研究氧合反應和表征氧合配合物的有效分析手段，可成為判斷配合物有無吸氧性能的一種新方法。

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Confirmation of Dinuclear Oxygenated Cobalt-Histidine Complex by Electrospray Tandem Mass Spectrometry

FU PeiFU Ji-Hong LI Jun-Fang YUE Fan ZHANG Xu-Long WANG Ji-De＊
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)

ESI-MS is a kind of soft ionization mass spectrometric technique;it has proved to be a very important technique in the investigations on structures and mechanisms of complexes.In this paper a comparison study was conducted on the oxygenated cobalt complex of histidine (L)and copper/zinc complex of histidine in oxygen atmosphere since according to literatures among histidine complexes only histidine cobalt complex has a very high affinity to dioxygen and easily form a dinuclear oxygenated complexes (CoL2-O2-CoL2).The ESI-MS results showed that in mass spectrum,the fragment ions corresponding to the dinuclear oxygenated species in higher m/z range (m/z＞ML2)were observed for CoL2while for CuL2and ZnL2only fragment ions corresponding to ML2were observed.Theses results confirmed the dinuclear oxygenated complexes (CoL2-O2-CoL2)existed in the CoL2complex reported in literature.The possible fragmentation mechanism of CoL2was proposed.Results from this study proved that ESI-MS could be used as a method to estimate preliminarily if a Co（Ⅱ）complex have the ability of uptaking dioxygen or not,and it could be used as an effective technique to research the oxygenation and characterize oxygenated Co（Ⅱ） complexes.

electrospray tandem mass spectrometry;oxygen carrier;histidine;cobalt complex;dinuclear oxygenated complexes

O614.81+2；O629.71；O657.6

A

1001-4861(2012)07-1360-05

2011-12-20。收修改稿日期：2012-02-17。

國家自然科學基金(No.20961010，21162027)；教育部高校博士學位點專項科研基金(No.20096501110001)資助項目。

＊通訊聯系人。E-mail：awangjd@yahoo.com.cn，Tel：0991-8582807