質(zhì)譜動力學(xué)方法原理及應(yīng)用

李 明，李紅梅，熊行創(chuàng)，江 游，黃澤建，方 向

（中國計量科學(xué)研究院，北京 100013）

質(zhì)譜動力學(xué)方法原理及應(yīng)用

李 明，李紅梅，熊行創(chuàng)，江 游，黃澤建，方 向

（中國計量科學(xué)研究院，北京 100013）

質(zhì)譜動力學(xué)方法（Kinetic Method，簡稱KM法）是一種基于經(jīng)質(zhì)量選擇的簇離子競爭解離反應(yīng)速率的不同對熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行測定的方法，由于采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)，分析樣品無需純化，具有簡便、快速、靈敏等優(yōu)點。目前該方法已應(yīng)用于氣相酸堿度和質(zhì)子親合勢的測定、電子親和能的測定、電離能的測定、多電荷生物分子氣相堿度的測定、金屬離子與生物分子親和力的測定、異裂離解能的測定、離子結(jié)構(gòu)的檢測及對手性化合物對映體過量的測定等。本工作在介紹質(zhì)譜動力學(xué)方法原理的同時，列舉了其應(yīng)用實例，詳細(xì)地對質(zhì)譜動力學(xué)方法進(jìn)行了綜合述評。

動力學(xué)方法；簇離子；串聯(lián)質(zhì)譜；熱力學(xué)

1 質(zhì)譜動力學(xué)方法的原理及發(fā)展

在質(zhì)譜學(xué)中，很早就發(fā)現(xiàn)在熱力學(xué)控制下活化離子有競爭碎裂行為，Stevenson規(guī)則認(rèn)為：從同一復(fù)合物碎裂得到兩個碎片的過程中，基于電離能的不同，碎裂時兩個碎片會爭奪電荷［1］。Cooks等進(jìn)行質(zhì)量分析離子動能譜 （Mass Ana－lyzed Ion Kinetic Energy Spectrum，MIKE）的研究中發(fā)現(xiàn)，共享質(zhì)子的氨基酸二聚體經(jīng)質(zhì)量選擇后進(jìn)行亞穩(wěn)離子解離，產(chǎn)物離子的豐度比與單體的性質(zhì)有關(guān)［2］。在這一實驗結(jié)果的推動下，發(fā)展了可獲得相對熱力學(xué)信息的定量方法——質(zhì)譜動力學(xué)方法。該方法研究的是簇離子的兩個競爭解離反應(yīng)：

其中k1、k2分別為兩種反應(yīng)途徑的反應(yīng)速率常數(shù)，忽略碎裂過程的熵變，簇離子碎裂反應(yīng)的速率與兩種反應(yīng)途徑的焓變的差值相關(guān)，產(chǎn)物豐度比的自然對數(shù)與相關(guān)熱力學(xué)值的差值成線性關(guān)系：

這里，Q1＊和Q2＊指兩種解離途徑不同過渡態(tài)的配分函數(shù)，Δε0為反應(yīng)活化能的差值，R為理想氣體常數(shù)，Teff為有效溫度（在KM法中與簇離子平均內(nèi)能相關(guān)的一個參數(shù)，活化簇離子的內(nèi)能隨碰撞能量或碰撞氣體的壓力改變，Teff也隨之改變）。

質(zhì)譜動力學(xué)方法最初采用近似的形式［3］，尤其是關(guān)于內(nèi)能的分布（波爾茲曼分布）和忽略熵變的假定。方程（2）的理論推導(dǎo)過程中用到絕對速率理論，它的前提是反應(yīng)在平衡條件下進(jìn)行，簇離子裂解顯然是在非平衡條件下進(jìn)行的，內(nèi)能分布不遵循波爾茲曼分布。近年來，基于RRK（Rice－Ramsperger－Kassel）和 RRKM （Rice－Ramsperger－Kassel－Marcus）理論推導(dǎo)出相同的方程式，并未涉及到熱平衡，解決了關(guān)于體系內(nèi)能分布的問題［4－5］。

如果兩種碎裂方式過程中的熵變不能忽略，可通過改變碰撞能量進(jìn)行多次碰撞誘導(dǎo)解離（Collision Induced Dissociation，CID）來測定反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，具體做法如下［6］：

以ln（kunknown／kref）對 ΔHref作圖，曲線斜率為1／（RTeff）。采用不同的能量進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)解離，可得到不同的Teff，同時ΔGapp可通過方程（3）的曲線在橫軸上的截距求得。通過ΔGapp／Teff對1／Teff的作圖得到方程（5）所對應(yīng)的曲線，斜率為待測物解離的焓變，在y軸上的截距為競爭解離反應(yīng)熵變的差值。

2 動力學(xué)方法的應(yīng)用

KM法最大的優(yōu)點是具有很高的靈敏度，甚至可以檢測到由同位素取代引起的熱力學(xué)性質(zhì)的細(xì)微變化。Cooks等利用KM法對氘代乙腈的質(zhì)子親和勢測量結(jié)果為（186.3±1.2）kcal／mol，而乙腈的質(zhì)子親和勢為（188.2±1.2）kcal／mol［7］；另外，由于采用了串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)，待測物無需純化，同時具有快速、操作簡單等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于熱力學(xué)參數(shù)和化合物結(jié)構(gòu)的測定，并且越來越多地應(yīng)用于生物分子熱力學(xué)性質(zhì)的研究［6］。

2.1 氣相酸堿度和質(zhì)子親和勢的測定

分子的氣相堿度和質(zhì)子親和勢是氣相離子化學(xué)反應(yīng)中的兩個重要參數(shù)，它們直接給出分子Brostead酸堿性，還能提供其結(jié)構(gòu)以及活性的信息；另外，分子氣相堿度是分子本身固有的堿度，可用來闡明液相堿度順序的起因。因此研究分子的氣相堿度和質(zhì)子親和勢具有重要的理論意義和實用價值。質(zhì)譜動力學(xué)方法被廣泛地應(yīng)用于有機化合物質(zhì)子親和勢和氣相酸堿度的測量［2，8－21］。共享質(zhì)子的二聚體自發(fā)解離或碰撞誘導(dǎo)解離，產(chǎn)生兩種離子的豐度比的自然對數(shù)（ln k1／k2）與分子的氣相堿度或質(zhì)子親合勢的差值成線性關(guān)系。在質(zhì)譜動力學(xué)方法發(fā)展初期，對樣品進(jìn)行測定時使用的參考物必須與樣品具有相似結(jié)構(gòu)，使兩種解離途徑的熵變近似相等，見方程（2）。趙玉芬教授［22］測定了磷酰化丙二肽的氣相質(zhì)子親和能在957.5～965.1kJ／mol之間。后來這種限制逐漸被打破，并能夠得到反應(yīng)的熵變信息，例如Zheng等［23］對尿素的氣相堿度和質(zhì)子親合勢進(jìn)行了測定，不僅測得了氣相堿度為 （838.7±3.0）kJ／mol、質(zhì)子親 和勢 為（868.4±2.5）kJ／mol，還同時得到了尿素質(zhì)子化過程中的熵變?yōu)椋?.4±0.5）J／mol·K。Ren等［24］對半胱氨酸－多丙氨酸肽的氣相酸度進(jìn)行測量，HSCA3和HSCA4去質(zhì)子過程的焓變分別為（317.3±2.4）kcal／mol和（316.2±03.9）kcal／mol，考慮熵變后，測得的氣相酸度分別為（322.1±2.4）kcal／mol和 （320.1±3.9）kcal／mol。

2.2 電離能

電離能（Ionization Energy，簡稱IE）由分子的原子核結(jié)構(gòu)和核外電子結(jié)構(gòu)共同決定，電離能被用于有機化合物結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系和結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系的研究。通常用來測定電離能的方法有電子撞擊法、光電光譜法、電荷交換法、光電離方法等。利用正簇離子的解離，提供了一種測定IE較為簡便的方法：由一級質(zhì)譜選出的二聚體的自由基陽離子離解途徑有兩種。

產(chǎn)物自由基陽離子的豐度比與電離能差值存在以下近似關(guān)系：

負(fù)號表示離子豐度越高，電離能越低。該方法已被成功地用于芳香碳?xì)浠衔锖捅桨返碾婋x能的檢測［25－26］，其靈敏度很高，甚至可識別異構(gòu)體的電離能差值［26］。

2.3 電子親和能

原子（或分子）的電子親和能是指當(dāng)一個電子加在一個中性原子（或分子）上形成負(fù)離子的過程所釋放的能量。與電離能相反，它反映了原子（分子）得到電子的能力。然而由于實驗技術(shù)的限制，目前可供利用的有機化合物電子親和能的數(shù)據(jù)還較少。KM法則可用于電子親和能的測定。諸如芳香類碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的負(fù)電荷簇離子經(jīng)誘導(dǎo)解離產(chǎn)生自由基陰離子。

與共享質(zhì)子的二聚體相似，共享電子的二聚體解離后生成的離子豐度比與電子親和能（ΔEA）有關(guān)：

Denault等［27］利用該方法測定了環(huán)辛四烯（COT）的電子親和能為（0.58±0.10）eV，與電子轉(zhuǎn)移法測定的結(jié)果（0.55±0.02）eV基本一致，他們還同時得到了兩種反應(yīng)途徑熵變的差值為（25.6±10.0）J／mol·K。Wenthold等［28］利用該方法測定了α—和β—萘自由基的電子親和能分別為（33.0±1.4）kcal／mol和（31.4±1.0）kcal／mol，并且同時獲得了碳?xì)滏I的鍵能分別為（113.4±5.2）kcal／mol和 （115.4±4.9）kcal／mol。

將方法 1.3.1所提取到的花橋板栗淀粉配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉懸濁液，置于90 ℃熱水中加熱糊化30 min后，分別移裝于平皿（90×15 mm）中并在室溫條件下冷卻，即得相態(tài)轉(zhuǎn)變次數(shù)0次的淀粉凝膠樣品。再將剩余淀粉凝膠依次移裝密封置于-18 ℃的冰箱中進(jìn)行冷凍處理，冷凍 22 h之后，將其放入30 ℃溫水中進(jìn)行融化，融化時間為2 h。至此獲得水分子相態(tài)轉(zhuǎn)變1次后的花橋板栗淀粉凝膠。按此方法依次制備相態(tài)轉(zhuǎn)變次數(shù)為1、2、3、4、5、6、7次的淀粉凝膠樣品，備用。

2.4 多電荷生物分子氣相堿度

多電荷生物分子的氣相堿度是研究生物分子活性的一個重要參數(shù)。通過對共享質(zhì)子的肽和參考物（B）形成的二聚體碰撞誘導(dǎo)解離，可獲得多電荷肽的氣相堿度。

應(yīng)用質(zhì)譜動力學(xué)方法時，對于單電荷簇離子，可假定可逆活化能能壘為零或兩種反應(yīng)途徑可逆活化能能壘相等；然而在雙電荷簇離子的離解過程中，MH＋和BH＋的靜電斥力必然會強加一個可逆活化能能壘ε0r。因此有：

它含有庫侖斥力項δ，如果可逆活化能能壘ε0r與庫侖斥力δ相等，ΔGB的值就可從方程（11）獲得。Kaltashov等［29］應(yīng)用該方法測定了質(zhì)子化緩激肽的氣相堿度為（217.8±1.7）kcal／mol。

2.5 異裂離解能的測定

通過測定［C1AC2］＋解離產(chǎn)生的離子豐度比，可測定異裂離解能（C和A分別代表陽離子和陰離子）。與共享質(zhì)子的簇離子一樣，這些由共享陰離子的簇離子競爭解離的速率與陰離子和兩種不同陽離子的結(jié)合力有關(guān)。Wu等［30］對共享氯離子的簇離子［Rb－35Cl－Mi］＋（Mi＝Na，K，Cs）進(jìn)行解離，測得RbCl的異裂離解能為（480.8±8.5）kJ／mol，與通過熱力學(xué)循環(huán)計算的數(shù)值（482.0±8.0）kJ／mol一致。

2.6 金屬離子親和勢

金屬離子親和勢在催化體系和生物體系中的地位越來越受到重視，例如，Ca2＋與肽的親和勢已有報道［31－32］，與相應(yīng)的質(zhì)子親和勢相比，金屬離子與氨基酸的親和勢大小的順序有所不同。例如Cu＋與20種基本氨基酸的親和勢和相應(yīng)質(zhì)子親和勢的順序大不相同，半胱氨酸與Cu＋具有很高的親和勢，但具有較低的質(zhì)子親和勢，而脯氨酸卻相反，這是因為Cu＋作為一種軟酸可以與半胱氨酸中的SH形成較穩(wěn)定的化學(xué)鍵［33］。

2.7 金屬和生物分子配合物的結(jié)構(gòu)

通過多次碰撞誘導(dǎo)解離，質(zhì)譜動力學(xué)方法可用來測定反應(yīng)熵變的差值Δ（ΔS），從而可以推測出核酸堿基與金屬離子的結(jié)合機制。Cerda等［34］對共享鉀離子的嘧啶和腺嘌呤二聚體進(jìn)行研究，通過對二聚體離子碰撞誘導(dǎo)解離測得Δ（ΔS）為＋6.9J／mol·K。兩種反應(yīng)途徑熵變的差值表明腺嘌呤取代氨基參與了K＋的成鍵，鳥嘌呤和胞核嘧啶與腺嘌呤相似，而胸腺嘧啶和尿嘧啶則不同，這是因為它們沒有與鉀離子配合的合適構(gòu)型。

2.8 手性化合物對映體過量的測定

基于質(zhì)譜串聯(lián)技術(shù)的動力學(xué)方法可用來測定手性化合物的對映體過量值，而且可對復(fù)雜樣品進(jìn)行測定，不需提純，具有快速、高靈敏度、高精確度等優(yōu)點［35］。方法分別采用［MII（A）（ref＊）2－H］＋或［MII（ref＊）（A）2－H］＋作為母離子，碰撞誘導(dǎo)解離后，丟失一分子分析物（A）或一分子輔助配體（ref＊）。根據(jù)不同構(gòu)象的分析物形成子離子豐度比的不同對同分異構(gòu)體進(jìn)行區(qū)分和定量。李明等［36－37］已對質(zhì)譜動力學(xué)方法對手性化合物進(jìn)行分析的原理進(jìn)行了詳細(xì)綜述，本工作只對其最近進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和評述。Charles等［38］對3種糖的同分異構(gòu)體進(jìn)行同時區(qū)別和定量；Yong－Ill Lee等［39］采用單比法測定了甲狀腺激素的同分異構(gòu)體3，5，3－三碘甲腺原氨酸和三碘甲腺原氨酸；Karel Lemr等［40］在液相色譜分離后采用動力學(xué)方法對苯丙氨酸等分析物進(jìn)行測定；張靖云等［41］將動力學(xué)方法與常壓質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合，通過加速揮發(fā)游離方式對復(fù)雜基體樣品（如血液和尿液）進(jìn)行直接進(jìn)樣和離子化，測定了同分異構(gòu)體非對稱性二甲基精氨酸和對稱性二甲基精氨酸的氣相酸度分別為1361.6 kJ／mol和1361.2kJ／mol，并能夠?qū)ν之悩?gòu)體進(jìn)行區(qū)分和定量測量；Lemr等［42］采用電噴霧解吸技術(shù) （Desorption Electrospray Ionization，DESI）對血液樣品中藥物（如多巴、麻黃素、布洛芬等）進(jìn)行直接手性區(qū)分和定量；近期，孔祥蕾［43］發(fā)現(xiàn)了二價金屬連接的三聚體的新解離途徑，對65Cu形成的三配體簇離子進(jìn)行碰撞誘導(dǎo)解離，簇離子丟失分析物（或輔助配體）的自由基，而非完整分子，這種新的解離途徑的手性識別能力明顯優(yōu)于丟失完整分子的解離途徑；Leveque等［44］對甘油三酯區(qū)域異構(gòu)體進(jìn)行了區(qū)分和定量測定；Mohamed等［45］對寡糖的異構(gòu)體進(jìn)行了區(qū)分和定量；Berkecz等［46］利用該方法對β－3－高氨基酸進(jìn)行了手性識別。

2.9 其他應(yīng)用

Avila－Sal等［47］應(yīng)用質(zhì)譜動力學(xué)方法研究了一系列聚酰胺樹枝狀分子與萘普生等非甾體消炎藥的相互作用，這對于開發(fā)新的藥物載體有所助益。

3 結(jié) 語

采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)的動力學(xué)方法可被廣泛應(yīng)用于熱力學(xué)性質(zhì)的檢測。熱力學(xué)性質(zhì)的很小差別對反應(yīng)速率常數(shù)的影響也很大，因此該方法具有較高的靈敏度，不僅可以給出熱力學(xué)數(shù)據(jù)，而且在一定條件下可以得到離子結(jié)構(gòu)、立體效應(yīng)等。該方法可應(yīng)用于大分子質(zhì)量生物分子與金屬離子成鍵的研究；并且可用于多電荷陰離子、陽離子、有機鹽簇離子的研究及主－客體結(jié)合能、大分子電離能和電子親和能的測定。隨著常壓質(zhì)譜技術(shù)［48－51］的發(fā)展，質(zhì)譜動力學(xué)方法有望用于復(fù)雜基體樣品中目標(biāo)物熱力學(xué)性質(zhì)的直接測量以及復(fù)雜基體樣品中同分異構(gòu)體的區(qū)分和定量。

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Theory and Application of Mass Spectrometric Kinetic Method

LI Ming，LI Hong－mei，XIONG Xing－chuang，JIANG You，HUANG Ze－jian，F(xiàn)ANG Xiang
（National Institute of Metrology，Beijing100013，China）

The mass spectrometric kinetic method based on the competitive dissociations of mass－selected cluster ions has been increasingly applied to thermochemical determination mainly due to its simplicity，speediness and sensitivity.Because the kinetic method employs tandem mass spectrometry，the compounds of interest need not be available in pure form.The kinetic method has been used to estimate gas－phase acidity and basicity and proton affinity，electron affinity，ionization energy，gas－phase basicities of multiply－charged biomolecules，metal ion affinities，heterolytic bond dissociation energies，chiral recognition and quantification.In this paper the theory of kinetic method is introduced in detail and its applications are enumerated.

kinetic method；cluster ion；tandem mass spectrometry；thermochemistry

O 657.63

A

1004－2997（2012）04－0202－06

2012－04－18

2012－06－04

科技部儀器專項（2011YQ09000507）、中國計量科學(xué)研究院業(yè)務(wù)費（21－JB1251）資助

李 明（1979～），男（漢），吉林人，博士，從事質(zhì)譜學(xué)研究。E－mail：mingutah＠hotmail.com

方 向（1963～），男（漢），研究員，主要從事質(zhì)譜儀器研發(fā)工作。E－mail：fangxiang＠china.com