质谱负离子分子量

近期，中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与技术中心光谱质谱研究室发展的基于光电离的负离子俘获迁移谱技术，实现了对多种有机酸的检测。此项工作发表在英国《皇家化学学会进展》(RSC Advances, DOI: 10.1039/C4RA10763B)上。该项技术既为离子迁移谱仪器新增了一种非放射性离子源，也为大气压下离子化学反应的掌控提供了成功的案例。 　　离子迁移谱仪器常被用于痕量毒害危险品的现场快速检测，发展新的非放射性离子源是迁移谱技术研究的一个重要方向。以往真空紫外光常被用作离子迁移谱的电离源：在紫外光的电离作用下，待测物质分子被转化为正离子，根据正离子迁移谱的特征，可对待测物质分子进行分辨和探测。而对于离能小于紫外光能量或者光电离效率差的待测物质而言，这种方法在检测紫外光电离形成的正离子方面就显得无能为力。 　　为此，光谱质谱研究室科研人员在紫外光电离电子俘获离子迁移谱PI-EA-IMS研究基础上，发展了负离子俘获迁移谱技术：第一步，紫外光电离产生电子 第二步，电子俘获产生反应离子 第三步，反应离子俘获将待测物质分子转化为负离子 第四步，通过负离子的迁移谱特征实现对待测物质的分辨测量。利用新发展的氯离子俘获离子迁移谱技术，成功地检测了多种有机酸以及五种品牌食用醋中的乙酸。 　　在此之前，光谱质谱研究室还发明了非放射性等离子体源离子迁移谱技术，研制了离子迁移谱检测仪样机，并通过了第三方组织的高低温、高温高湿、震动冲击、电磁干扰、软件测评以及性能测试，结果表明：在探测物质种类、灵敏度、分析时间、准确性等方面，达到了国际同类产品先进水平。 　　文章详见：Hui Gao, Wenqi Niu, Yan Hong, Beibei Xu, Chengyin Shen, Chaoqun Huang, Haihe Jiang Yannan Chu, Negative photoionization chloride ion attachment ion mobility spectrometry for detection of organic acids, RSC Advances, 4(109) (2014), 63977. 离子俘获迁移谱检测混合酸以及各种品牌食用醋中乙酸的谱图

前言2021年12月8日，南开大学化学学院硕士研究生赵玲玲打开质谱仪，开展日常的实验。当天的实验内容是在微液滴表面使用吡啶（Py）捕捉空气中的二氧化碳。然而在开始收集数据的第一时间，赵玲玲就观测到了质量为79的吡啶负离子的质谱峰。她的导师张新星研究员指着电脑屏幕上最强的那个峰道：“吡啶负离子在大气里是不可能生成的，这瓶吡啶肯定是坏了。”… … 一些小分子的负离子极不稳定本科普通化学原理和物理化学教科书均指出，像苯、吡啶这样的稳定分子，所有的成键轨道均被电子占满。若要得到它们的负离子，电子必须要填入能量极高的最低未占据轨道（LUMO），即π*反键轨道。然而这个过程需要吸收很大的能量，从而使得这些分子的电子亲和能（得到电子的能力）是很大的负值（如图1所示）。即使在极低温、高真空的环境中，科学家们此前也只通过电子照射吡啶蒸汽的方式观测到瞬态存在的吡啶负离子（Py-），并且估算了它的寿命和分子发生一次振动所需要的时间数量级相仿，即瞬间的10飞秒（1秒的一百万亿分之一）。因此在大气或水中制备吡啶负离子，违反了此前教科书中的基本常识。图1：典型分子轨道能级图吡啶负离子在微液滴表面的生成使用十分简单的氮气喷雾和质谱检测的方法，南开大学张新星团队的硕士研究生赵玲玲在大气中生成了含有吡啶的微小水滴，并在质谱中观测到了极强的Py-信号（图2）。由于这个结果十分惊人，张新星起初并不相信这些信号是真实的。然而在赵玲玲上百次的尝试之后，信号仍然存在。因此，张新星致电了斯坦福大学的美国科学院院士Richard Zare教授。Zare团队的博士后学者宋肖炜博士很快地就重复出了实验。宋博士说，在重复出实验的那一刻，“已经80多岁的Zare，开心地像个孩子”。 张新星指出，根据实验室质谱仪检测离子所需要的最短时间， Py-负离子的寿命至少高达50毫秒，比之前人们认为的10飞秒提高了一万亿倍。为了进一步证明Py-的存在，赵玲玲还使用二氧化碳捕捉到了Py-，并生成了产物(Py-CO2)-。为了避免是空气中的微量污染物促成了Py-负离子的生成，张新星课题组还搭建了一套进样口在手套箱中的质谱装置，仍然得到了极高的Py-负离子信号，证明了该反应是微液滴表面自发进行的过程。图2：A，简单的氮气喷雾产生微液滴的装置。B，吡啶负离子的质谱峰。C，吡啶负离子绝对信号强度随着浓度的变化。D，吡啶负离子生成效率随着浓度的变化。E，吡啶负离子的信号强度随着载气气压（液滴大小）的变化。F，吡啶负离子的信号强度随着温度的变化。神奇的微液滴化学近几年来，斯坦福大学的Richard Zare教授和普渡大学的Graham Cooks教授发现很多原本在水溶液中难以进行的化学反应，在通过气体喷雾或者超声雾化产生的微小水滴中（如图3中我们日常所用的加湿器产生的水雾）可以自发发生，甚至可以被加速到原本的一百万倍。而且水滴的尺寸越小，这些现象越明显。Zare认为，微液滴的表面自然带有高达109 V/m的电场。相比之下，在空气中生成闪电的击穿电压仅有106 V/m。微液滴表面的电场是如此庞大，甚至可以撕裂水中的氢氧根（OH-），生成一个自由电子和一个羟基自由基（OH）。自由电子具有极高的还原性，而OH具有极高的氧化性，这看似完全矛盾的两个性质居然同时存在，使得微液滴成为了神奇的矛盾统一体（unity of opposites）。加州大学伯克利分校的Teresa Head-Gordon教授在近期发表的论文中，也从理论上证实了微液滴表面极高电场的存在。张新星和Zare认为，该实验是微液滴表面自发生成的电子还原了吡啶生成了Py-。Zare同时也猜测，吡啶分子的振动激发态很有可能也帮助了其负离子的生成。此外，如果微液滴表面的OH-真的可以被撕裂生成一个自由电子和一个羟基自由基，那么这个羟基自由基就可能进一步氧化吡啶。赵玲玲通过改变质谱极性，也确实观测到了这些氧化产物，为微液滴“神奇的矛盾统一体”提供了进一步坚实的证据。图3：家庭中常见的产生微液滴的加湿器深远影响在记者的采访中，张新星表示，化学是一门创造新物质的科学，基于教科书常见的原理，很多时候化学家们在合成出某个物质之前，就可以根据现有的、被广泛接受的物理化学和量子力学原理，以及分析装置自身可以测量的时间和空间尺度的极限去预测这个化合物是否可以存在，可以存在多久，以及即使存在但能否可以被科学家们观测到。然而，这些预测真的靠谱吗？教科书写的金科玉律就一定正确吗？原本认为即使在真空绝对零度也只能短暂存在的吡啶负离子，被发现在大气中的水滴上就可以生成，这个例子告诉我们，充分理解现存科学，但是又敢于质疑现存的科学，是推动科学认知边界的有力途径。Sprayed Water Microdroplets Containing Dissolved Pyridine Spontaneously Generate the Unstable Pyridyl Radical Anion 作者：赵玲玲, 宋肖炜, 宫矗, 张冬梅, 王瑞靖, Richard N. Zare, 张新星, PNAS, 2022, 119, e2200991119（点击了解论文）

浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心在2015年美国质谱年会(ASMS 2015)上发布了有关电喷雾离子源(ESI)带电机理，相关的论文在ASMS上作为墙报展示。由于这套理论与传统ESI带电理论有所不同，引起了强烈的反响。仪器信息网编辑将发布的内容整理，供国内感兴趣的专家学者参阅。　　当前，蛋白质组学研究中最大的技术瓶颈之一就是生物质谱的离子源技术，因为现有离子源对离子的利用效率极低。　　事实上，自从80年代中期John B. Fenn 将电喷雾离子源应用于大分子质谱分析以来，全世界成千上万的科学家涌入了这一研究领域。快30年过去了，对于电喷雾离子源机理，还是停留在两个模式：Ion Evaporation Model (IEM) 离子蒸发，与Charged Residue Model (CRM) 电荷残留机理。这两个模式所描述的都是带电液滴离开Taylor Cone 以后的单分子气相电荷的形成过程（如图1所示），至今也无法解释以下两个问题：　　1、为什么电喷雾离子源中存在多电荷离子?　　2、为什么电喷雾离子源存在离子抑制现象?图1 电喷雾离子源机理　　有些学者认为多余的电荷是来自于液滴(Droplets that contain an excess of positive and negative charge detach from its tip.)　　根据电磁场理论，介质在电场中，正负电荷是以成对的形式存在的，不可能形成正、负分离。在电极的同一端更不可能产生正、负离子分离的现象。图2 离子源机理实验图　　下面是朱一心研究团队的实验过程。首先将离子源全封闭起来。图2中，瓶子 1、2、3 可以加上不同的液体或气体，作为辅助液气，控制泰勒锥周围的离子化气氛。图3 离子源离子化室内充满空气和氮气时的离子图　　当离子源离子化室(Chamber)充满空气时，肽段离子信号如图3左所示，肽段离子信号非常强。　　将离子源离子化室(Chamber)充满氮气,并且控制其质谱仪的真空度与离子源离子化室暴露大气时一样，如图3右所示，质谱仪无法检测到肽段离子信号。　　这样我们可以直观的推断(M+H)+ 中的正氢离子并非来自于 Tip 中的液体(流动相)。图4 Air气氛状态下，咖啡因的溶剂为D2O和H2O的谱图　　还有实验也能说明氢离子不是来自于流动相。分别用水(H2O)和氘水(D2O)溶解咖啡因，在没有辅助液体的时候，离子化室充满空气时，得到如图4所示的图谱，图中可见，上下图谱完全一致，这就说明了氢离子不是来自于流动相(Solvent)。如果是自于流动相，那么在用氘水(D2O)溶解咖啡因的质谱图中的主峰应该是(M+2)=196.17，而不应该与用水(H2O)溶解样品时得到的主峰一样(M+1)=195.17。咖啡因的结构如下图，它没有OH键，所以无法产生氢氘交换,最适合我们的实验。咖啡因(Caffeine)，分 子 式：C8H10N4O2， 分 子 量：194.19　　那氢离子到底来自于哪里呢?看了下面实验就知道了。　　在上面的实验中的辅助气中加以D2O为辅助液体以后，得到了完全一致的谱图，主峰均为(M+2)=196.26如图5所示。图5 Air+D2O 气氛状态下，咖啡因的溶剂为D2O和H2O的谱图　　从咖啡因的分子式可以判断，它100%无法进行氢氘交换。所以用氘水溶解样品，咖啡因的分子式不发生变化，在高电场中被电场极化的分子式与水溶解的咖啡因一致，分子量没有发生变化，还是M，吸附上一个氢离子以后形成(M+H)+ 正离子。加以氘水(D2O)辅助蒸汽以后，在泰勒锥(Taylor Cone)周围产生氘离子(D+)，所以极化后的分子吸附一个氘离子(D+)，形成(M+D)+ 正离子。这一实验就证明了氘离子((D+)，是来自于泰勒锥以外的。　　如果用传统的电喷雾理论，在这一实验中，用水(H2O)溶解咖啡因时，是永远见不到(M+2)+ =196.26的离子峰的。　　这三个实验可以说明，电喷雾离子源使分子带电的过程其实是场致水分子电离后产生氢离子，极性分子在高电场中的极化，极化后的分子与氢离子又产生了静电吸附，从而形成多电荷分子离子。　　图6 电喷雾离子源机理　　如图6所示，电喷雾发射针处于正电压，在尖端表面形成一个稳定的Taylor Cone，因为Taylor cone 的曲率半径很小，在纳米数量级，尖端表面的电场很强，将刚刚离开Taylor Cone 的极性分子极化，形成长条形的不稳定极性分子 同时将尖端表面的水分子场蒸发，形成氢离子，氢离子被长条形的极性分子的负端吸附，从而形成了多电荷离子。　　同时可见，当两个极性分子同时出现在Taylor Cone 附近，氢离子被极性大的分子吸附，从而出现了离子抑制现象。　　美国康奈尔大学化学与化学生物学荣誉教授Fred Mclafferty(右)与朱一心先生探讨技术问题　　赛默飞世尔R&D Director Jean-Jacques(右)，与朱一心先生探讨技术问题