表面輔助激光解吸電離—飛行時間質譜中多聚體離子產生規律的研究

聶龍輝+王衛國

摘 要 表面輔助激光解吸電離質譜（SALDIMS）已經成為固態、液態樣品分析的重要手段，并且分析對象逐漸由生物大分子擴展到小分子。然而，對小分子電離微觀反應機理的研究仍處于起步階段。本研究選擇3種分子結構相似的稠環芳烴化合物芘、六苯并苯、紅熒烯作為研究對象，考察了這3種化合物激光電離產物的差異，并研究了激光能量對六苯并苯產物離子分布的影響。結果表明，觀察到芘、六苯并苯多聚體離子產物，還觀測到了六苯并苯失去C2H2的碎片離子峰；而沒有觀測到明顯的紅熒烯聚合物離子產物，只觀測到了大量失去C6H5的碎片離子峰。最后，對3種不同化合物的激光電離微觀機理進行了分析。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。

關鍵詞 表面輔助激光解吸電離飛行時間質譜； 稠環芳烴； 多聚體離子； ππ鍵相互作用； 空間位阻

1 引 言

激光電離質譜技術是可直接用于分析固體、液體樣品，樣品制備簡單，避免了繁瑣的樣品前處理過程，通過調節激光能量，可以實現各種樣品的分析。激光電離質譜技術是將激光光源與質譜檢測器相結合的新型分析手段。1963年，Honig等[1]發表了第一篇關于激光電離質譜的論文， 將激光離子源與雙聚焦質譜儀聯用研究了不同參數下的離子產率。隨著激光技術的飛躍發展和質譜檢測器性能的不斷提升，近年來， 激光電離質譜技術在無機微量元素分析[2～5]、環境污染物分析[6]、生物大分子分析[7，8] 等領域受到越來越多的關注。

目前，用于固態和液態樣品分析的激光質譜技術主要分為兩大類：基質輔助激光解吸電離質譜（MAIDIMS）[9，10]和表面輔助激光解吸電離質譜（SALDIMS）[11～15]。MAIDIMS是可以實現大分子的解吸，是一種重要的生物分析技術[7]。其原理是利用一定強度激光照射樣品和基質混合物時，基質從激光中吸收能量，基質和樣品發生電荷轉移產生樣品離子，然后進入質譜檢測。但是由于有機小分子基質也發生電離，產生背景信號，會對小分子量化合物產生強烈的干擾。而SALDIMS對材料表面輔助解吸樣品分子并用激光進行電離，可以有效避免小分子化合物的干擾，從而將分析對象由大分子擴展到小分子。

SALDIMS的一個重要應用領域是瀝青質化學[16～23]。瀝青質多由芳香環和芳雜環構成[16，17]，通過研究瀝青質分子量分布可以對其形成年代和地域進行溯源。前期研究結果顯示， 不同激光能量獲得的質量分布差異很大，平均分子量從2000到50000不等[22，23]。目前仍存在爭議：AlMuhareb等采用高激光能量觀測到峰值在50000的質量數分布，他們認為低激光能量不足以解析大質量數的瀝青質[22]；Hortal等則認為激光能量過大會引起分子聚合，在解吸電離過程中形成大質量數團簇離子[22，23]。因此，深入研究表面輔助激光解吸電離的微觀機理對于譜圖的準確解析具有重要意義。本研究選取3種與瀝青質結構相似的、含有苯環的高度對稱結構化合物芘、六苯并苯、紅熒烯（如圖1所示）進行了檢測。研究了它們在激光場中的電離產物差異，發現具有共面π鍵結構的芘、六苯并苯觀測到了大量的團簇離子產物，而紅熒烯產生了大量的碎片離子?？疾炝思す饽芰繉Ξa物離子及其分布規律的影響，并對產物離子的形成機理進行了分析。本研究可為激光電離質譜的譜圖解析和歸屬提供參考。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

實驗采用自制的表面輔助解析電離飛行時間質譜。甲苯（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）；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 實驗方法

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準溶液。分別滴加2和6 μL標準溶液于樣品靶臺上，待溶劑甲苯揮發10 min后，在樣品靶表面2.3 mm的圓盤上得到待測樣品。將待測樣品放入質譜的解析/電離腔體內，經激光解吸和電離后，在質譜探測器中進行檢測。

本實驗所用的電離激光為波長355 nm的Nd∶YAG激光器， 激光能量范圍為1000～6000 nJ，電離區光斑直徑約為0.5 mm。數據采集卡包括微通道板，高速瞬態數據采集卡和前置放大器等。測量時真空度保持在104 Pa量級。正離子模式下采集質量范圍m/z 0～20000的質譜信號。

3 結果與討論

3.1 芘、六苯并苯、紅熒烯譜圖分析

激光能量為3000 nJ時，芘、六苯并苯、紅熒烯的SALDIMS質譜圖見圖2，觀測到了芘、六苯并苯明顯的聚合離子峰和碎片離子峰。其中，芘的團簇離子的聚合分子數最多達到4個；六苯并苯團聚的團簇離子的聚合分子數最多達到10個以上（為了能夠在圖中標注譜峰的歸屬，顯示的范圍在m/z 0～2000，更大質量數的未展示），且隨著結合分子數量的增加，信號強度近似指數形式逐漸衰減。這種差異歸結于不同分子結構的差異，六苯并苯分子的ππ鍵作用比芘分子更強，而紅熒烯分子的空間位阻阻礙了分子聚合，導致未能觀察到聚合離子峰（詳細見討論部分）[24，25]。同時，沒有觀察到芘分子碎片離子峰，六苯并苯觀測到了失去1～3個C2H2的碎片離子峰，紅熒烯斷裂CC鍵失去1個或2個C6H5基團的譜峰。

3.2 激光能量的影響規律

圖3給出了不同激光能量時六苯并苯的SALDIMS質譜圖。從圖3可見，在激光能量為1000 nJ時，僅觀測到母體離子峰和少量失去一個C2H2的譜峰。隨著激光能量增加，聚合物分子離子的譜峰強度增大，聚合分子數增多。這是因為增加激光能量，熱解吸和電離的分子數均逐漸增大，真空腔內樣片表面附近形成高濃度的等離子體，導致中性分子和分子離子碰撞聚合的幾率增大，從而檢測到大量團簇離子譜峰。M+，2M+，3M+，4M+，5M+，6M+離子（M代表六苯并苯分子）近似呈指數形式遞減，這是由于多分子碰撞結合形成大分子團簇離子的幾率逐漸降低導致的結果。而且還可以觀察到，隨著激光能量增大，出現了明顯的（2M C2H2）+，（2M 2C2H2）+，（3M C2H2）+，（3M 2C2H2）+ 離子質譜峰。

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，其中激光能量步長為500 nJ。質量數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子強度在低激光能量內隨能量的增加而增大，繼續增加激光能量，各離子峰強度基本保持不變。

3.3 稠環芳烴質譜分析與討論

芘、六苯并苯、紅熒烯聚合離子峰會出現差異，可以歸結于ππ鍵的相互作用。在DNA的結構中以及藥物分子同蛋白質的相互作用，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構的芳香性分子或官能團之間非鍵合作用，主要來源于體系的色散相互作用。前人對苯分子的理論研究[24，25]表明，這種相互作用會使苯環體堆疊的最優結構，且平行堆疊相互作用隨苯環數目增加而增大。芘和六苯并苯同為平面結構，六苯并苯的苯環數量比芘中的多，ππ鍵相互作用更強，更容易形成聚合體。這解釋了芘比六苯并苯體系觀測到離子中的聚合分子數目少的原因。

紅熒烯雖然具有更多的苯環結構，但是整個分子卻并非平面結構。它是由一個并四苯構成的骨架結構，并且由4個苯基取代并四苯的5，6，11，12號氫原子構成的支環組成。由于四個苯基之間存在位阻效應，使得苯基與并四苯不在同一個平面內，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，因此沒有觀測到明顯的聚合物離子。綜上所述，具有苯環結構的平面型分子在激光電離質譜中容易產生聚合物離子，這種離子可以通過質量數之間的倍數差異進行歸屬；另外，對于未知樣品，可以通過對聚合物離子形成及分布研究對樣品分子的立體結構和構成進行分析研究。

4 結 論

利用表面輔助激光解吸電離質譜技術研究了3種稠環芳烴化合物（芘、六苯并苯、紅熒烯）激光解吸電離產物的差異。結果表明，可以觀察到芘和六苯并苯多聚體離子產物，還觀測到了六苯并苯失去C2H2的碎片離子峰；而沒有觀測到明顯的紅熒烯聚合物離子產物，共觀測到了大量失去C6H5的碎片離子峰。通過對3種化合物的激光電離微觀機理的分析，得出結論：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。本研究結果對于SALDIMS中產物離子譜圖的解析和歸屬具有重要的參考意義。

References

1 Honig R E， Woolstron J R. Appl. Phys. Lett.， 1963， 2（7）： 138-139

2 Cheng Y H， Zhang Y， Chau S L， Lai S K M， Tang H W， Ng K M. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（43）： 29668-29675

3 Popovié I A， Nei M， Vranjes M， aponjic' Z， Petkovié M. Anal. Bioanal.Chem.， 2016， 408（26）： 7481-7490

4 Juang Y M， Chien H J， Chen C J， Lai C C. Talanta， 2016， 153： 347-352

5 Fujii M， Nakashima N， Niidome Y. Opt. Mater. Express， 2016， 6（4）： 1376-1383

6 Yonezawa T， Asano T， Matsubara M. Bull Chem. Soc. JPN， 2016， 89（3）： 346-353

7 Karas M， Hillenkamp F. Anal. Chem.， 1988， 60（20）： 2299-2301

8 Vorderwülbecke S， Cleverley S， Weinberger S R， Wiesner A. Nat. Methods， 2005， 2（5）： 393-395

9 BhaisareM L， Wu B S， Wu M C， Khan M S， Tseng M H， Wu H F. Biomater. Sci.， 2016， 4（1）： 183-194

10 SONG ShaoYun， ZHOU LiHua， ZHANG ChuYing， ZHANG YiShun. Journal of Instrumental Analysis， 2013， 32（8）： 983-987

宋少云， 周麗華， 張楚英， 張以順. 分析測試學報， 2013， 32（8）： 983-987

11 Popovic' I， Milovanovic' D， Miletic' J， Neic' M， Vranje M， aponjic' Z， Petkovic M. Opt. Quantum Electron.， 2016， 48（2）： 113

12 YANG MengRui， WANG Ming， ZHOU Jian， TANG XiaoYan， MAO XueFei， WANG TongTong. Chinese J. Anal. Chem.， 2016， 44（2）： 513-518

楊夢瑞， 王 敏， 周 劍， 湯曉艷， 毛雪飛， 王彤彤. 分析化學， 2016， 44（2）： 513-518

13 LI XiangYi， FANG Xi， REN HaoWei， CHENG Lin， ZHANG Tuo， FU GuoHong， LIU Ning. Chinese J. Anal. Chem.， 2015， 43（5）： 631-636

李相怡， 方 曦， 任皓威， 程 琳， 張 拓， 付國紅， 劉 寧. 分析化學， 2015， 43（5）： 631-636

14 YANG MengRui， WANG Min， TANG XiaoYan， ZHOU Jian， MAO XueFei. Chinese J. Anal. Chem.， 2015， 43（7）： 1058-1062

楊夢瑞， 王 敏， 湯曉艷， 周 劍， 毛雪飛. 分析化學， 2015， 43（7）： 1058-1062

15 DONG MeiHua， SUN ShiMei， JIN Biao. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（9）： 1235-1239

董美花， 孫士美， 金 彪. 分析化學， 2014， 42（9）： 1235-1239

16 Hortal A R， MartínezHaya B， Lobato M D， Pedrosa J M， Lago S. J. Mass Spectrom.， 2006， 41 （7）： 960-968

17 MartinezHaya B， Hortal A R， Hurtado P， Lobato M D， Pedrosa J M. J. Mass Spectrom.， 2007， 42 （6）： 701-713

18 Hortal A R， Hurtado P， MartinezHaya B， Mullins O C. Energy Fuels， 2007， 21 （5）： 2863-2868

19 Tanaka R， Sato S， Takanohashi T， Hunt J E， Winans R E. Energy Fuels， 2004， 18 （5）： 1405-1413

20 Sheremata J M， Gray M R， Dettman H D， McCaffrey W. Energy Fuels， 2004， 18 （5）： 1377-1384

21 Murgich J， Abanero J A， Strausz O P. Energy Fuels， 1999， 13 （2）： 278-286

22 AlMuhareb E， Morgan T J， Herod A A， Kandiyoti R. Pet. Sci. Technol.， 2007， 25： 81-91

23 Hortal A R， MartínezHaya B， Lobato M D， Pedrosa J M， Lago S. J. Mass Spectrom.， 2006； 41： 960-968

24 Kfer D， Ruppel L， Witte G， Wll Ch. Phys. Rev. Lett.， 2005， 95： 166602

25 Petrenko T， Kr ylova O， Neese1 F， Sokolowski M， New J. Phys.， 2009， 11： 015001

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）