葉似劍，李 明，熊行創(chuàng)，江 游，龔曉云，劉大軍，方 向

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000； 2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

近年來(lái)，質(zhì)譜中的氣相離子/離子反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。在質(zhì)譜中，氣相離子大多以單分子形式存在，反應(yīng)效率較高；另外，還可以選擇特定的離子進(jìn)行反應(yīng)，特異性強(qiáng)。根據(jù)質(zhì)譜給出的質(zhì)荷比信息可分辨產(chǎn)物和反應(yīng)物的分子質(zhì)量信息，并通過(guò)多種轉(zhuǎn)換方式(如串聯(lián)質(zhì)譜等)分析化合物的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，氣相離子/離子反應(yīng)在探索有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、解析多肽結(jié)構(gòu)等方面也發(fā)揮著重要作用。本工作擬對(duì)氣相離子/離子反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)裝置、反應(yīng)類(lèi)型及應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述。

1 離子/離子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論研究

相較于離子/分子反應(yīng)，離子/離子反應(yīng)中帶相反電荷的離子間庫(kù)侖引力很大，作用范圍更廣。因此，兩個(gè)離子形成的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)軌道(一般為橢圓形)的橫截面積更大，該面積的大小由反應(yīng)離子的帶電荷量、相對(duì)速度和相對(duì)質(zhì)量決定[3]：

(1)

其中，Z1和Z2是反應(yīng)離子所帶單位電荷數(shù)，e是電子電量，ε0是真空介電常數(shù)，v是相對(duì)速度，μ是折算質(zhì)量。一般情況下，兩個(gè)離子間的距離很遠(yuǎn)而不足以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，可以拉近兩個(gè)離子的距離，使其在相互吸引的電場(chǎng)中被捕獲，從而發(fā)生離子/離子反應(yīng)。有兩種反應(yīng)結(jié)果：1) 兩者形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的絡(luò)合產(chǎn)物；2) 轉(zhuǎn)移一個(gè)帶電小粒子(質(zhì)子或電子)。當(dāng)發(fā)生質(zhì)子或電子轉(zhuǎn)移的距離大于發(fā)生物理碰撞(即形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物)的距離時(shí)，后一種反應(yīng)為主反應(yīng)。以質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)為例，一個(gè)質(zhì)子能躍遷的最大距離rPT可用式(2)表示[4]：

(2)

其中，Z1和Z2分別是兩個(gè)反應(yīng)離子所帶單位電荷數(shù)，ΔHPT是發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的焓變?？梢钥闯觯绻玫较鄬?duì)穩(wěn)定的絡(luò)合產(chǎn)物，需選用帶電荷數(shù)較少且橫截面較大的反應(yīng)物，反之則容易發(fā)生質(zhì)子或電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

2 主要反應(yīng)裝置

1991年Ogorzalek-Loo[5]首次研制了離子/離子反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)示于圖1。不同極性的離子被分別引入到一個(gè)60°的Y形毛細(xì)管中，并在此發(fā)生離子/離子反應(yīng)，然后將反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)入四極桿質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)。這種Y型管式反應(yīng)器可以完成一些簡(jiǎn)單的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，包括降低電荷價(jià)態(tài)和電荷倒置的反應(yīng)[6]。但是很難確定這種反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)條件，因?yàn)樵赮型管內(nèi)的離子、溶劑蒸汽和空氣狀態(tài)會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)條件(如放電電流、針口間距和入口孔徑大小等)的改變而改變。另外，四極桿質(zhì)譜儀有限的質(zhì)荷比檢測(cè)范圍也阻礙了對(duì)較大質(zhì)荷比反應(yīng)產(chǎn)物離子的檢測(cè)。

1999年，Smith等[7]報(bào)道了一種用于降低生物大分子離子價(jià)態(tài)的離子/離子反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)示于圖2。它主要由電噴霧離子源(ESI)、電荷中和槽、正交飛行時(shí)間質(zhì)量分析器3部分組成。電荷中和槽內(nèi)的α-粒子源(210Po)產(chǎn)生的單電荷離子與ESI離子源產(chǎn)生的生物大分子離子發(fā)生離子/離子反應(yīng)，可以有效降低生物大分子離子的電荷價(jià)態(tài)，從而簡(jiǎn)化生物大分子的質(zhì)譜圖解析。通過(guò)改變?chǔ)?粒子源的表面積可以調(diào)節(jié)α-粒子的流出量，或是通過(guò)改變氣體流速來(lái)增加或減少生物大分子離子在電荷中和槽內(nèi)的通過(guò)時(shí)間，據(jù)此調(diào)控離子/離子反應(yīng)效率。由于飛行時(shí)間質(zhì)譜儀具有較寬的檢測(cè)范圍，離子/離子反應(yīng)的應(yīng)用范圍也得到了相應(yīng)的拓寬[8]。

圖1 Y型管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.1 Schematic diagram of the Y-shaped capillary reactor

圖2 降低生物大分子離子價(jià)態(tài)的離子/離子反應(yīng)裝置[7]Fig.2 Schematic diagram of the ion/ion reaction device used for charge reduction of biological macromolecule ions built

上述2種反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)域都是在高真空系統(tǒng)前的離子源附近，因此很難控制離子/離子反應(yīng)的進(jìn)度，而且四極桿質(zhì)譜儀和飛行時(shí)間質(zhì)譜儀不具備串聯(lián)質(zhì)譜功能，不能對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物做進(jìn)一步分析。此后，開(kāi)展的離子/離子反應(yīng)研究主要集中于具有串聯(lián)質(zhì)譜功能的離子阱質(zhì)譜儀[9]。離子阱屬于動(dòng)態(tài)質(zhì)譜，與四極桿有很多相似之處，但離子阱不僅靈敏度較高，而且具有離子存儲(chǔ)功能，可進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析，是研究氣相離子/離子反應(yīng)的理想選擇。

2004年Hunt等[10]搭建了一套全新的基于線(xiàn)性離子阱的離子/離子反應(yīng)裝置：通過(guò)電噴霧離子源和化學(xué)電離源(CI)分別從前后端蓋向離子阱內(nèi)注入陽(yáng)離子和陰離子；通過(guò)在線(xiàn)性離子阱兩端蓋上加一段射頻電壓，使線(xiàn)性離子阱可以同時(shí)存儲(chǔ)不同極性的離子并完成反應(yīng)，其反應(yīng)步驟示意圖示于圖3。通過(guò)調(diào)節(jié)離子阱內(nèi)三段桿的直流偏壓值可靈活操控離子/離子反應(yīng)完成一系列復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，包括離子注入、離子隔離、反應(yīng)開(kāi)始和反應(yīng)終止等。該裝置可以進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移裂解反應(yīng)(ETD)，以及結(jié)合ETD與質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)(PT)的多級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)[11]。

美國(guó)McLuckey教授[12]通過(guò)對(duì)三重四極桿質(zhì)譜儀進(jìn)行改裝，搭建了一種基于線(xiàn)性離子阱的氣相離子/離子反應(yīng)裝置，其工作過(guò)程示于圖4。當(dāng)正離子進(jìn)入儀器后，先在Q1篩選反應(yīng)所需的離子并儲(chǔ)存在Q2；在Q2兩端加一段射頻電壓，這樣Q2就被改裝成線(xiàn)性離子阱來(lái)儲(chǔ)存反應(yīng)離子；隨后經(jīng)Q1篩選的負(fù)離子進(jìn)入Q2發(fā)生離子/離子反應(yīng)；最后反應(yīng)產(chǎn)物被導(dǎo)入Q3進(jìn)行質(zhì)量分析。如果將Q3改為飛行時(shí)間檢測(cè)器(TOF)就可以對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行高分辨分析，從而滿(mǎn)足對(duì)生物大分子檢測(cè)的要求[13]。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與北京理工大學(xué)合作自主開(kāi)發(fā)了一套可用于氣相離子/離子反應(yīng)的雙極性質(zhì)譜裝置[14]，其結(jié)構(gòu)示于圖5a。它由2套ESI離子源、2套離子光學(xué)系統(tǒng)、2組四極桿和1組線(xiàn)性離子阱組成。通過(guò)2套ESI離子源得到的正、負(fù)離子分別從兩端注入中間的線(xiàn)性離子阱進(jìn)行反應(yīng)，利用2組四極桿的離子篩選功能選擇性地傳輸正、負(fù)離子進(jìn)入離子阱中反應(yīng)。除交流電外，線(xiàn)性離子阱的2個(gè)彈射電極上還加了一段直流電壓，電路圖示于圖5b?？梢?jiàn)，正、負(fù)離子可分別從兩個(gè)電極的狹縫彈出并被檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)操控兩種極性離子的分布控制和檢測(cè)離子/離子反應(yīng)的產(chǎn)物。

圖3 在線(xiàn)性離子阱中進(jìn)行離子/離子反應(yīng)的步驟示意圖[10]Fig.3 Schematic diagram of ion/ion reaction in a linear ion trap

圖4 McLuckey實(shí)驗(yàn)室搭建的離子/離子反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)圖[12]Fig.4 Structure diagram of ion/ion reaction device built in McLuckey’s laboratory

注：a.裝置結(jié)構(gòu)圖；b.線(xiàn)性離子阱的離子檢測(cè)路徑和電路連接關(guān)系圖5 雙極性質(zhì)譜裝置示意圖[14]Fig.5 Schematic diagram of the dual-polarity MS apparatus[14]

3 氣相離子/離子反應(yīng)主要類(lèi)型及應(yīng)用

氣相離子/離子反應(yīng)可分為酸堿中和反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和共價(jià)鍵生成反應(yīng)等3類(lèi)。其中，酸堿中和反應(yīng)可分為質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)、金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)和電荷倒置反應(yīng)；而氧化還原反應(yīng)常伴隨著電子的轉(zhuǎn)移，因此也稱(chēng)為電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

3.1 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

近年來(lái)，電噴霧離子化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蛋白和多肽等生物大分子的離子化，經(jīng)電噴霧電離得到的蛋白質(zhì)混合物離子往往帶有多種電荷價(jià)態(tài)，如果直接進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè)，效果并不理想。氣相離子/離子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是一種去除多余電荷價(jià)態(tài)的有效手段，可以得到更加精確的結(jié)果。例如，Stephenson等[15]將pdA40～60陰離子與質(zhì)子化苯并喹啉陽(yáng)離子在離子阱中反應(yīng)，得到了21個(gè)帶單電荷的寡核苷酸陰離子。另一方面，一些多電荷蛋白離子的碰撞誘導(dǎo)解離(CID)碎裂離子也具有不同的電荷價(jià)態(tài)，通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)可以簡(jiǎn)化離子電荷態(tài)。例如，Hogan等[16]將豬彈性蛋白酶離子的CID碎裂產(chǎn)物[M+19H]19+離子與全氟化碳陰離子反應(yīng)，得到了單電荷豬彈性蛋白酶離子[M+H]+。

在離子阱中可以選取某一種電荷態(tài)離子，限制它的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)速度，而其他離子的反應(yīng)不受影響，這樣所選取的離子就像被“駐?！痹陔x子阱中，而其他離子則繼續(xù)進(jìn)行質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而富集某一種電荷價(jià)態(tài)的離子，這一過(guò)程稱(chēng)之為“離子駐?！?ion parking)。這一技術(shù)有助于開(kāi)展系列電荷價(jià)態(tài)的母離子的“自上而下”串聯(lián)質(zhì)譜研究[17]。

3.2 電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

1998年Zubarev等[18]發(fā)現(xiàn)多肽離子在捕獲1個(gè)熱電子后得到的碎裂離子與傳統(tǒng)的CID所獲得的離子不盡相同，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為電子捕獲裂解(ECD)。相比于CID，ECD可提供更豐富的序列信息，可優(yōu)先斷裂二硫鍵，也可以保護(hù)一些不穩(wěn)定的翻譯后修飾。2004年Coon等[10]發(fā)現(xiàn)了幾種可以將電子轉(zhuǎn)移給多肽陽(yáng)離子的陰離子，并將這一過(guò)程稱(chēng)為電子轉(zhuǎn)移裂解(ETD)。在此之后，ECD與ETD成為了碎裂多肽和蛋白質(zhì)離子的重要手段，這種氣相離子/離子反應(yīng)已經(jīng)被用于商業(yè)化儀器，為多肽、蛋白的多級(jí)質(zhì)譜分析提供了新的裂解模式。作為傳統(tǒng)CID的有效補(bǔ)充，ECD/ETD對(duì)糖肽類(lèi)化合物裂解有著特殊的功效。使用CID時(shí)會(huì)破壞糖肽中的糖基部分，而ECD/ETD可以在保護(hù)糖基部分的情況下碎裂肽鏈，從而定位糖基化位點(diǎn)，為分析糖肽分子的結(jié)構(gòu)提供了更好的碎裂方式[19]。

3.3 金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)

在氣相離子/離子反應(yīng)中獲得穩(wěn)定產(chǎn)物是非常重要的，而金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是一種獲得穩(wěn)定產(chǎn)物的有效方式。金屬離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是通過(guò)含金屬(堿金屬、堿土金屬、過(guò)渡金屬)復(fù)合物陰離子與多電荷多肽陽(yáng)離子反應(yīng)，使金屬離子取代多肽陽(yáng)離子上的質(zhì)子，從而形成穩(wěn)定產(chǎn)物[20]，反應(yīng)過(guò)程如下：

(M+Me+nH+2L)(n-1)+→

[M+Me+(n-2)H](n-1)++2HL

(3)

這里，M和Me分別代表待測(cè)物和金屬離子，L代表單電荷配體陰離子。從式(3)可以看出，反應(yīng)中既有金屬離子轉(zhuǎn)移到多肽陽(yáng)離子中，也有質(zhì)子轉(zhuǎn)移到配體陰離子上，因此單電荷金屬陽(yáng)離子的轉(zhuǎn)移伴隨著兩個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)移。

研究含金屬離子的生物分子有兩個(gè)目的：一是了解金屬離子在生物分子中的作用；二是將金屬離子作為陽(yáng)離子化游離基團(tuán)用于串聯(lián)質(zhì)譜分析。含金屬的多肽陽(yáng)離子與質(zhì)子化陽(yáng)離子的質(zhì)譜碎裂行為有明顯區(qū)別，例如，通過(guò)多肽離子與AuCl4-陰離子反應(yīng)，可將Au(Ⅰ)離子鍵入有二硫鍵的多肽陽(yáng)離子，CID裂解后可以打開(kāi)二硫鍵，而質(zhì)子化的陽(yáng)離子并沒(méi)有這種特性[21]。

3.4 電荷倒置反應(yīng)

上述3種反應(yīng)都是降低多電荷分析物電荷態(tài)，而離子/離子反應(yīng)也可用于單電荷分析物與多電荷反應(yīng)物離子，導(dǎo)致分析物離子的電荷態(tài)轉(zhuǎn)變，形成電荷倒置反應(yīng)。例如，He等[22]利用電荷倒置反應(yīng)提高單電荷離子的電荷價(jià)態(tài)，具體過(guò)程如下：先用去質(zhì)子試劑(如羧基封端聚合物陰離子)將[M+H]+轉(zhuǎn)換為[M-H]-，再用質(zhì)子化試劑(如胺基封端聚合物陽(yáng)離子)與[M-H]-反應(yīng)，最終形成[M+2H]2+離子。

3.5 共價(jià)鍵生成反應(yīng)

近年來(lái)，采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對(duì)多肽進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征的研究日漸增多，為了達(dá)到促進(jìn)離子化、定量分析和結(jié)構(gòu)分析等目的，通常需要將多肽分子在溶液中進(jìn)行衍生化。離子/離子反應(yīng)可以將氣相離子與適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)離子反應(yīng)生成共價(jià)鍵，達(dá)到對(duì)多肽進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征的目的。相比傳統(tǒng)的溶液衍生化法，氣相反應(yīng)具有更高的反應(yīng)效率和選擇性[2]。例如，Peng等[23]用酰亞胺與多肽羧基端反應(yīng)生成酰胺鍵，從而延長(zhǎng)多肽羧基端；Alice等[24]用高碘酸根陰離子氧化及裂解多肽離子內(nèi)的二硫鍵來(lái)完成二硫鍵的定位。

4 氣相離子/離子反應(yīng)的最新研究進(jìn)展

目前，氣相離子/離子反應(yīng)的研究主要集中在反應(yīng)機(jī)理研究、仿真模擬計(jì)算和多肽蛋白陽(yáng)離子與不同陰離子的共價(jià)鍵生成反應(yīng)等方面。

荷蘭Oomens等[25-26]發(fā)現(xiàn)多肽陽(yáng)離子與熒蒽陰離子的ETD反應(yīng)除了得到電荷價(jià)態(tài)降低的多肽陽(yáng)離子外，還有中性的二氫熒蒽或氫分子以及中性熒蒽分子。通過(guò)紅外光譜和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氫分子、中性熒蒽比二氫熒蒽更穩(wěn)定，該研究首次揭示了不同結(jié)構(gòu)陰離子反應(yīng)物對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。

北京理工大學(xué)的徐偉等[27-31]通過(guò)GPU仿真模擬建立了氣相離子/離子反應(yīng)速度與反應(yīng)離子的電子云密度和電荷價(jià)態(tài)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提高離子反應(yīng)速度，需要提高離子阱俘獲電壓、緩沖氣壓力，并得出不同極性的反應(yīng)離子對(duì)，其質(zhì)荷比越接近反應(yīng)越容易進(jìn)行的結(jié)論。該GPU仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)級(jí)(106)離子相互作用的計(jì)算和仿真，離子軌跡仿真誤差低于千分之一(100 ms內(nèi))，仿真優(yōu)化的線(xiàn)性離子阱具備單位分辨(FWHM)能力。

5 總結(jié)

質(zhì)譜儀不僅是一種重要的分析儀器，同時(shí)也是研究化學(xué)反應(yīng)的重要工具，在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、多肽結(jié)構(gòu)分析和氣相離子化學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。氣相離子/離子反應(yīng)可以在質(zhì)譜儀中高效快速地進(jìn)行，通過(guò)轉(zhuǎn)變分析離子的狀態(tài)可以獲得更多分析物的有效信息，也可以作為一種離子化技術(shù)把多電荷態(tài)離子解離成幾種不同電荷態(tài)離子來(lái)得到目標(biāo)離子更多的信息?？梢灶A(yù)見(jiàn)，質(zhì)譜中氣相離子/離子反應(yīng)將在化學(xué)、生物等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。