质谱动力学方法原理及应用

第33卷第4期质谱学报Vol 33 No 42012年7月Journal of Chinese Mass Spectrometry SocietyJul.2012质谱动力学方法原理及应用李明,李红梅,熊行创,江游,黄泽建,方向(中国计量科学研究院,北京100013)摘要:质谱动力学方法( Kinetic Method,简称KM法)是种基于经质量选择的簇离子竟争解离反应速率的不同对热力学数据进行测定的方法,由于采用串联质谱技术,分析样品无需纯化,具有简便、快速、灵敏等优点。目前该方法已应用于气相酸碱度和质子亲合势的测定、电子亲和能的测定、电离能的测定、多电荷生物分子气相碱度的测定、金属离子与生物分子亲和力的测定异裂离解能的测定离子结构的检测及对手性化合物对映体过量的测定等。本工作在介绍质谱动力学方法原理的同时,列举了其应用实例,详细地对质谱动力学方法进行了综合述评关键词:动力学方法;簇离子;串联质谱;热力学中图分类号:O657.63文献标识码:A文章编号:1004-2997(2012)04-0202-0Theory and Application of Mass Spectrometric Kinetic MethodLI Ming, LI Hong-mei, XIONG Xing-chuang, JIANG You, HUANG Ze- jian, FANG XiangNational Institute of Metrology, Beijing 100013, China)Abstract: The mass spectrometric kinetic method based on the competitive dissociations ofmass-selected cluster ions has been increasingly applied to thermochemical determinationmainly due to its simplicity, speediness and sensitivity. Because the kinetic method employstandem mass spectrometry, the compounds of interest need not be available in pure formThe 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 andquantification. In this paper the theory of kinetic method is introduced in detail and its ap-lications are enumeratedKey words: kinetic method; cluster ion; tandem mass spectrometry thermochemistry1质谱动力学方法的原理及发展从同一复合物碎裂得到两个碎片的过程中,基于在质谱学中,很早就发现在热力学控制下活电离能的不同,碎裂时两个碎片会争夺电荷1化离子有竞争碎裂行为, Stevenson规则认为Cooks等进行质量分析离子动能谱( Mass ana收稿日期:201204-18;修回日期:2012-06-04基金项目:科技部仪器专项(2011YQ09000507)、中国计量科学研究院业务费(21-JB1251)资助作者简介:李明(1979~),男(汉),吉林人,博土,从事质谱学研究。 E-mail:中国煤化工通信作者:方向(1963~),男(汉),研究员,主要从事质谱仪器研发工作。EmaCNMHG第4期李明等:质谱动力学方法原理及应用203lyzed Ion Kinetic Energy Spectrum, MIKE)Ag方程4两边同除以T得到方程5:研究中发现,共享质子的氨基酸二聚体经质量选△G/T=△ Hunk/Tm-△(△s)(5)择后进行亚稳离子解离,产物离子的丰度比与单以ln( k unknown/k)对△Ha作图,曲线斜率为体的性质有关2。在这一实验结果的推动下,发1/(RTm)。采用不同的能量进行碰撞诱导解展了可获得相对热力学信息的定量方法一质离,可得到不同的T,同时△G2可通过方程谱动力学方法。该方法研究的是簇离子的两个(3)的曲线在横轴上的截距求得。通过△G1竞争解离反应:T对1/T的作图得到方程(5)所对应的曲线斜率为待测物解离的焓变,在y轴上的截距为kB H +B竞争解离反应熵变的差值。B1--H-B2BH+B2动力学方法的应用其中k1、k2分别为两种反应途径的反应速KM法最大的优点是具有很高的灵敏度,甚率常数,忽略碎裂过程的嫡变,簇离子碎裂反应至可以检测到由同位素取代引起的热力学性质的速率与两种反应途径的焓变的差值相关,产物的细微变化。 Cooks等利用KM法对氘代乙腈丰度比的自然对数与相关热力学值的差值成线的质子亲和势测量结果为(18.3±1.2)kcal/性关系:mol,而乙腈的质子亲和势为(188.2±1.2)kcal/n(k1/k2)=ln([B1H]+/[B2H]+)≈moln;另外,由于采用了串联质谱技术,待测物ln(Q:‘/Q2)+△eoRT无需纯化,同时具有快速、操作简单等优点,因此≈△(△G)/RT≈△(△H)/RT(2)被广泛应用于热力学参数和化合物结构的测定,这里,Q和Q2指两种解离途径不同过渡并且越来越多地应用于生物分子热力学性质的态的配分函数,△e为反应活化能的差值,R为研究理想气体常数,Tm为有效温度(在KM法中与2,1气相酸碱度和质子亲和势的测定簇离子平均内能相关的一个参数,活化簇离子的分子的气相碱度和质子亲和势是气相离子内能随碰撞能量或碰撞气体的压力改变,T也化学反应中的两个重要参数,它们直接给出分子随之改变)Brostead酸碱性,还能提供其结构以及活性的信质谱动力学方法最初采用近似的形式,尤息;另外,分子气相碱度是分子本身固有的碱度,其是关于内能的分布(波尔兹曼分布)和忽略熵可用来阐明液相碱度顺序的起因。因此研究分变的假定。方程(2)的理论推导过程中用到绝对子的气相碱度和质子亲和势具有重要的理论意速率理论它的前提是反应在平衡条件下进行,义和实用价值。质谱动力学方法被广泛地应用簇离子裂解显然是在非平衡条件下进行的,内能于有机化合物质子亲和势和气相酸碱度的测分布不遵循波尔兹曼分布。近年来,基于RRK量1821。共享质子的二聚体自发解离或碰撞诱Rice-Ramsperger-Kassel) F RRKM( Rice导解离,产生两种离子的丰度比的自然对数Ramsperger-Kassel-Marcus)理论推导出相同的(lnk1/k2)与分子的气相碱度或质子亲合势的差方程式,并未涉及到热平衡解决了关于体系内值成线性关系。在质谱动力学方法发展初期,对能分布的问题45样品进行测定时使用的参考物必须与样品具有如果两种碎裂方式过程中的熵变不能忽略,相似结构,使两种解离途径的熵变近似相等,见可通过改变碰撞能量进行多次碰撞诱导解离方程(2)。赵玉芬教授[2测定了磷酰化丙二肽( Collision Induced Dissociation,CID)来测定反的气相质子亲和能在957.5~965.1k/mol之应的热力学数据,具体做法如下间。后来这种限制逐渐被打破,并能够得到反应In(unknown/krer)△(△S)/R的熵变信息,例如 Zheng等23对尿素的气相碱△(△H)/RT度和质子n中国煤化工得了气相碱=△ Hunk/RTm-△(△S)/R度为(838.CNMHG亲和势为△Hn/RT(3)(868.4±2.5)kJ/mo,还同时得到了尿素质子△G==△ Unknown-T△(△s)(4)化过程中的熵变为(9.4±0.5)J/mol·K。Ren204质谱学报第33卷等(2对半胱氨酸多丙氨酸肽的气相酸度进行Denault等2利用该方法测定了环辛四烯测量,HSCA3和HSCA4去质子过程的焓变分(COT)的电子亲和能为(0.58±0.10)eV,与电别为(317.3士2.4)kcal/mol和(316.2±03.9)子转移法测定的结果(0.55±0.02)eV基本kcal/mol,考虑熵变后,测得的气相酸度分别为致,他们还同时得到了两种反应途径熵变的差值(322.1±2.4)keal/mol和(320.1±3.9)为(25.6±10.0)J/mo·K。 Wenthold等2利kcal/ mol用该方法测定了a和β-萘自由基的电子亲和2.2电离能能分别为(33.0±1.4)kcl/mol和(31.4±1.0)电离能( Ionization Energy,简称iE)由分子kcal/mol,并且同时获得了碳氢键的键能分别为的原子核结构和核外电子结构共同决定,电离能(11.4±5.2)keal/mol和(115.4±4.9)被用于有机化合物结构与性能关系和结构与活kca/mol性关系的研究。通常用来测定电离能的方法有2.4多电荷生物分子气相碱度电子撞击法、光电光谱法、电荷交换法光电离方多电荷生物分子的气相碱度是研究生物分法等。利用正簇离子的解离,提供了一种测定子活性的一个重要参数。通过对共享质子的肽IE较为简便的方法:由一级质谱选出的二聚体和参考物(B)形成的二聚体碰撞诱导解离,可获的自由基阳离子离解途径有两种得多电荷肽的气相碱度。M,+M,MH+BM.MB--H--MHHk2应用质谐动力学方法时,对于单电荷簇离产物自由基阳离子的丰度比与电离能差值子,可假定可逆活化能能垒为零或两种反应途径存在以下近似关系:可逆活化能能垒相等;然而在双电荷簇离子的离nw,+≈AIE(7)解过程中,MH和BH+的静电斥力必然会强加个可逆活化能能垒e。因此有:负号表示离子丰度越高,电离能越低。该方[MHGB(MH+)-GB(B)+8法已被成功地用于芳香碳氢化合物和苯胺的电离能的检测2,其灵敏度很高,甚至可识别异(11)构体的电离能差值20。它含有库仑斥力项δ,如果可逆活化能能垒Eo2.3电子亲和能与库仑斥力δ相等,△GB的值就可从方程(11)原子(或分子)的电子亲和能是指当一个电获得。 Kaltashot等应用该方法测定了质子子加在一个中性原子(或分子)上形成负离子的化缓激肽的气相碱度为(21.8±1.7)keal/mol过程所释放的能量。与电离能相反,它反映了原2.5异裂离解能的测定子(分子)得到电子的能力。然而由于实验技术通过测定[C1AC2]解离产生的离子丰度的限制,目前可供利用的有机化合物电子亲和能比,可测定异裂离解能(C和A分别代表阳离子的数据还较少。KM法则可用于电子亲和能的和阴离子)。与共享质子的簇离子一样,这些由测定。诸如芳香类碳氢化合物产生的负电荷簇共享阴离子的簇离子竞争解离的速率与阴离子离子经诱导解离产生自由基阴离子和两种不同阳离子的结合力有关。Wu等对共享氯离子的簇离子[Rb-C1-M](M,=Na,K,Cs)进行解离,测得RbCl的异裂离解能为(480.8±8.5)kJ/mol,与通过热力学循环计与共享质子的二聚体相似共享电子的二聚算的数值(4820士80)kJ/mol-致体解离后生成的离子丰度比与电子亲和能26金属离中国煤化工(△EA)有关:金属离CNMHG物体系中M△EA的地位越来越受到重视,例如,Ca2+与肽的亲和(9)势已有报道3132,与相应的质子亲和势相比,金第4期李明等:质谱动力学方法原理及应用205属离子与氨基酸的亲和势大小的顺序有所不同。芬等)进行直接手性区分和定量;近期,孔祥例如Cu+与20种基本氨基酸的亲和势和相应蕾3发现了二价金属连接的三聚体的新解离途质子亲和势的顺序大不相同,半胱氨酸与Cu径,对Cu形成的三配体簇离子进行碰撞诱导具有很高的亲和势,但具有较低的质子亲和势,解离簇离子丢失分析物(或辅助配体)的自由而脯氨酸却相反,这是因为Cu作为一种软酸基,而非完整分子,这种新的解离途径的手性识可以与半胱氨酸中的SH形成较稳定的化别能力明显优于丢失完整分子的解离途径;学键(31Leveque等(1对甘油三酯区域异构体进行了区2.7金属和生物分子配合物的结构分和定量测定; Mohamed等4对寡糖的异构体通过多次碰撞诱导解离,质谱动力学方法可进行了区分和定量; Berkecz等41利用该方法对用来测定反应熵变的差值△(△S),从而可以推测3高氨基酸进行了手性识别。出核酸碱基与金属离子的结合机制。 Cerda2.9其他应用等3对共享钾离子的嘧啶和腺嘌呤二聚体进行Avila-Sal等4应用质谱动力学方法研究了研究,通过对二聚体离子碰撞诱导解离测得系列聚酰胺树枝状分子与萘普生等非甾体消△(△S)为+6.9J/mol·K。两种反应途径熵变炎药的相互作用,这对于开发新的药物载体有所的差值表明腺嘌呤取代氨基参与了K的成键,助益鸟嘌呤和胞核嘧啶与腺嘌呤相似,而胸腺嘧啶和尿嘧啶则不同,这是因为它们没有与钾离子配合3结语的合适构型。采用串联质谱技术的动力学方法可被广泛2.8手性化合物对映体过量的测定应用于热力学性质的检测。热力学性质的很小基于质谱串联技术的动力学方法可用来测差别对反应速率常数的影响也很大,因此该方法定手性化合物的对映体过量值,而且可对复杂样具有较高的灵敏度,不仅可以给出热力学数据品进行测定,不需提纯,具有快速、高灵敏度、高而且在一定条件下可以得到离子结构、立体效应精确度等优点]。方法分别采用[M(A)等。该方法可应用于大分子质量生物分子与金(ref')2-H]或[M(ref)(A)2-H]作为母属离子成键的研究;并且可用于多电荷阴离子离子碰撞诱导解离后,丢失一分子分析物(A)阳离子、有机盐簇离子的研究及主客体结合能或一分子辅助配体(ref)。根据不同构象的分大分子电离能和电子亲和能的测定。随着常压析物形成子离子丰度比的不同对同分异构体进质谱技术1的发展,质谱动力学方法有望用行区分和定量。李明等(63已对质谱动力学方于复杂基体样品中目标物热力学性质的直接测法对手性化合物进行分析的原理进行了详细综量以及复杂基体样品中同分异构体的区分和述本工作只对其最近进展进行总结和评述。定量。Charies等31对3种糖的同分异构体进行同时区别和定量; Yong-Ill Lee等.用单比法测定参考文献了甲状腺激素的同分异构体3,5,3-三碘甲腺原[1] STEVENSON D P. lonization and dissociation by氨酸和三碘甲腺原氨酸; Karel Lemr等在液electronic impact. the ionization potentials and en相色谱分离后采用动力学方法对苯丙氨酸等分ergies of formation of sec. -propyl and tert -butyl析物进行测定;张靖云等将动力学方法与常radicals. some limitations on the method [J]. 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