辉光放电 - 电喷雾离子源 (GD-ESI) 的研发及应用 1 2 3 Tel:010-62554495 Email:wang_82713@iccas.ac.cn ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 常压敞开式电离源由于其操作的方便性, 现已成为近些年质谱离子源研发 的热点方向之一 到目前为止, 已研发出来的各种常压敞开式电离源, 包括 APCI ESI DART EESI 等, 在有机化合物鉴定 蛋白质分析 农残兽残分 析 药物研发等领域有着广泛的应用 但这些离子源主要不足在于广谱通用性 差, 分析不同类物质时需要切换离子源, 比较繁琐, 限制了测试样品的能力 为了解决现有常压敞开式离子源存在的这些问题, 我们将辉光放电电离及电喷 雾电离二者结合, 构造了 辉光放电 - 电喷雾离子源 (GD-ESI), 两种电离方 式相互弥补, 极大地扩展了现有离子源的测试样品能力 1 GD-ESI 离子源的设计与制造 GD-ESI 离子源示意图见图 1-1 只有 B 电极接正或负高压, 该离子源为辉光 放电电离离子源 ; 只有 C 处毛细管连接正或负高压, 该离子源为电喷雾电离离 子源 由此可见, 新型离子源可以通过简单转换实现辉光放电与电喷雾两种分 析方式之间的转换 分析时, 样品由处于中心处的石英毛细管导入, 简单方 便
A B C 图 1-1 GD-ESI 离子源结构示意图 当使用辉光放电电离离子源时, 通过大量实验发现氩气在通过 GD-ESI 离子源前端会被 GD-ESI 离子源辉光电离产生大量离子 这些氩气离子与从中央石英毛细管喷出的样品溶液中的气态样品分子反应, 产生样品分子离子或准分子离子, 从而实现辉光放电电离, 电离过程如下 : Ar 辉光放电 Ar + Ar + +M Ar+[M] + 2 GD-ESI 离子源的应用 2.1 GD-ESI 源分析炸药类样品常见检测爆炸物的质谱检测方法是 GCMS 检测法, 但是这种方法存在样品前处理复杂, 灵敏度不高, 检测时间长等缺点 为了解决这些问题, 我们考察了 GD-ESI 离子源分析爆炸物类样品的性能 图 2-1 是 RDX 使用 GD-ESI 离子源 GD 负离子模式分析做出的高分辨质谱图 质谱图中,284.0185 为 RDX 样品分子吸附上一个硝酸根 [ 3] - 离子后得到的准分子离子峰即 [M+ 3] -
图 2-1 RDX 样品高分辨质谱图 2.2 GD-ESI 离子源分析饱和直链烷烃类样品现在市售的质谱仪离子源中唯有 EI 源质谱仪可以检测烷烃类化合物, 但是 EI 质谱仪检测烷烃类化合物存在一个先天缺陷, 由于 EI 离子源的电离能太高把烷烃分子全部电离成碎片离子看不到分子离子峰不能确定样品的分子量 而且把烷烃样品全部电离成彼此相差 14Da 的碎片离子, 即便分子量相差很多的烷烃样品, 最终做出的 EI 源质谱图也是非常相似的, 例如 : 八碳饱和直链烷烃和十六碳饱和直链烷烃标准 EI 源质谱图非常相似, 见图 2-2( 摘自 IST 14 版标准谱图库 ) Inten.(x10,000) 1.00 43 0.75 0.50 0.25 0.00 41 57 29 85 71 84 114 15 53 63 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0 110.0 m/z
1.00 Inten.(x10,000) 57 0.75 0.50 43 71 85 0.25 0.00 29 55 99 113 18 127 141 155 169 183 197 226 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 m/z 图 2-2 八碳饱和直链烷烃和十六碳饱和直链烷烃的标准 EI 源质谱图 我们考察了利用 GD-ESI 离子源 GD 正离子模式分析烷烃类样品的性能 使用 的直链饱和正构烷烃标准品见表 2-2 表 2-2 直链饱和正构烷烃标准品 序号样品名称分子式 分子量 (Da) 结构式 1 戊烷 C 5H 12 72 2 己烷 C 6H 14 86 3 庚烷 C 7H 16 100 4 辛烷 C 8H 18 114 5 癸烷 C 10H 22 142 6 12 碳正构烷烃 C 12H 26 170 7 14 碳正构烷烃 C 14H 30 198 8 16 碳正构烷烃 C 16H 34 226 9 18 碳正构烷烃 C 18H 38 254 10 19 碳正构烷烃 C 19H 40 268 11 石蜡 (CH 2)n 500 (CH 2)n 用分析纯的正戊烷作溶剂将样品稀释 10 倍, 癸烷 GD-ESI 离子源辉光放电电 离正离子模式低分辨 (LTQ MS) 质谱图见图 2-3
n-c10h22-ar 173 MS2-20eV_+ #82 RT: 0.39 AV: 1 L: 4.25E6 T: ITMS + p ESI Full ms [50.00-200.00] 100 154.92 90 80 Relative Abundance 70 60 50 40 30 172.83 20 170.92 10 0 84.83 156.92 168.83 173.92 190.92 98.83 102.83 119.83 134.92 142.92 151.92 56.83 66.83 70.83 82.83 86.83 112.83 126.92 162.92 186.83 194.83 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 m/z 图 2-3 癸烷 GD-ESI 离子源正离子模式低分辨质谱图 从图 2-3 中可以清晰的看到 155Da 和 173Da 两个丰度最高的离子峰 这两个 峰的质量数与癸烷的分子量分别相差 13Da 和 31Da 利用经典质谱碎裂原理并结 合实际样品的电离环境推断 155Da 离子峰是癸烷被氧化成醛并失去一个氢负离 子产生的准分子离子反应式为 : R CH 3 3 R 放电 3 2 2 3 H -H - R 173Da 离子应为癸烷被氧化成醛以后进一步被氧化成羧酸并加上一个氢质 子产生的准分子离子反应式为 : R CH 3 3 R 放电 3 2 2 3 H 3 H + R R 为了进一步验证推论正确性, 把 GD-ESI 离子源与 FT-ICR MS 高分辨质谱仪 相连 对 155 和 173 两个峰进行高分辨分析确定其元素组成, 数据见图 2-3 通 过高分辨质谱分析计算得出 155Da 离子的元素组成为 C 10H 19 173 离子的元素组 成为成 C 10H 210 2, 与推测的结果吻合 为了进一步确保结果准确, 再利用固相微萃 取针对 GD-ESI 离子源 GD 正离子模式喷出的样品直接收集, 然后把固相微萃取针 迅速扎入 GCMS 气相色谱质谱联用仪进行分析 通过 GCMS 分析得出 158Da 离子峰 对应的物质是癸烷被氧化后产生的十碳醛, 而 173Da 离子则是在醛的基础上进 一步被氧化而产生的十碳羧酸 发现这个规律后再分别去分析其他的烷烃质谱 H H H
图, 发现每张图中都有 [M+13] + 和 [M+31] + 的准分子离子峰, 而且这些峰都是图中 的基峰分辨率也非常高, 从而可以得出结论 : 利用 GD-ESI 离子源 GD 正离子模式 分析饱和烷烃类化合物可以得到非常强的准分子离子峰, 直接确定烷烃样品的 分子量 图 2-4 癸烷高分辨质谱图 2.3 对中等极性样品的检测利用 GD-ESI 离子源 GD 负离子模式分析中等极性化合物, 首先选用长链羧酸类物质作为实验样品见表 2-3 表 2-3 长链羧酸类样品序号样品名称分子式分子量 (Da) 结构式 1 癸酸 C 10H 20 2 172 H 2 油酸 C 18H 34 2 282 H 3 软脂酸 C 16H 32 2 256 4 硬脂酸 C 18H 36 2 284 H H
把 GD-ESI 离子源与 FT-ICR MS 质谱仪相连 用甲醇 水 (1/1,V/V) 混合 溶剂把样品稀释 100 倍进行实验 实验发现当 GD-ESI 离子源为 ESI 负离子模式 时可以检测到各种脂肪酸的 [M-H] - 和 [2M-H] - 准分子离子峰, 见图 2-5 图 2-5 硬脂酸 GD-ESI 离子源 ESI 负离子模式质谱图 为了提高检测灵敏度向样品溶液中加入各种离子化试剂, 结果发现在 ESI 负离子模式下用质子海绵作离子化试剂仪器检测到样品的 [M-H] - 离子峰信号强度最强, 其次是在 ESI 正离子模式下氨水做离子化试剂的效果, 仪器可以检测到 [M+H 4] + 的准分子离子峰 向油酸样品溶液中加入 10%(V/V) 的氯仿时, 在 ESI 负离子模式下可以检测到 [M+] - 准分子离子峰 把 GD-ESI 离子源设置成 GD 负离子模式, 氩气作反应气 可以检测到脂肪酸的 [M-H] - 峰, 见图 2-6 图 2-6 油酸 GD-ESI 离子源 GD 负离子模式质谱图
2.4 GD-ESI 离子源对醇 酚 醛 酮 酯 聚乙二醇 (PEG) 及含杂原子的有机小分子化合物的分析为了进一步验证 GD-ESI 离子源分析有机小分子化合物的能力, 选用醇 酚 醛 酮 酯 PEG 和含有杂原子的有机小分子化合物样品对 GD 离子源进行实验, 实验样品见表 2-4 表 2-4 实验所用各种有机小分子 序号样品名称分子式 分子量 (Da) 结构式 1 甲醇 CH 4 32 H 2 乙二醇 C 2H 6 2 62 H H 3 甘油 C 3H 8 3 92 H H H H 4 硝基苄醇 C 7H 7 2 153 5 六氟异丙醇 C 3H 2F 168 6 苯酚 C 6H 6 94 F 3 C 2 H CF 3 H 7 PEG600 (C 2H 4)n 600 (C 2H 4)n 8 丙酮 C 3H 60 58 9 戊二醛 C 5H 8 100 HC CH 10 乙酸乙酯 C 4H 8 2 88 11 三乙胺 C 6H 15 101 12 氨基吡啉 C 13H 17 3 231 C 4 H 9 13 C 16H 28 4 284 C 4 H 9 C 4 H 9 C 4 H 9
H 2 14 C 10H 10 2 158 H 2 H 2 H 2 15 C 13H 11 3 209 3 3 H 2 CH 16 C 7H 6 155 H 2 CH Bu BuH 2 H 2 17 C 25H 27 341 18 C 15H 21Br 427 Br Br 2 2 19 C 8H 8 4 4 426 H H H H 用色谱纯丙酮将各种样品溶解成浓度约 1mg/ml 的溶液待测 首先将 GD-ESI 源与 LTQ MS 质谱仪相连接分析待测样品 使用 LTQ MS 质谱 仪检测样品得到的质谱图见图 2-7 discharge-peg_1 #14 RT: 0.03 AV: 1 L: 8.55E5 T: ITMS + p ESI Full ms [50.00-1000.00] 100 95 371.92 PEG600 90 415.92 85 80 327.92 75 70 65 283.92 60 Relative Abundance 55 50 45 299.92 343.92 387.92 431.92 459.92 40 239.83 35 30 25 20 15 255.83 195.83 487.92 211.92 10 151.83 531.83 101.92 123.83 547.92 5 563.83 591.75 79.92 636.00 706.58 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 80 m/z
HCH2-PH-2-+H3H2 #435 RT: 1.18 AV: 1 L: 1.41E5 T: ITMS - c ESI Full ms [50.00-1000.00] 152.89 100 90 硝基苄醇 80 304.92 Relative Abundance 70 60 50 40 184.64 30 20 76.80 195.89 10 0 457.72 211.97 370.05 93.88 281.13 433.69 490.08 545.07 578.13 606.24 649.98 708.11 764.16 795.14 830.85 887.99 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 m/z ESI-C10H102_1 #35 RT: 0.07 AV: 1 L: 3.90E4 T: ITMS + p ESI Full ms [50.00-500.00] 100 316.67 H 2 90 80 H 2 70 Relative Abundance 60 50 40 30 20 158.92 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 m/z 442.50 473.92 176.83 259.92 274.17 302.25 330.67 346.25 379.00 400.17 429.17 470.17 488.25 DISCHARGE-C16H284_1 #775 RT: 1.30 AV: 1 L: 1.67E6 T: ITMS + p ESI Full ms [50.00-500.00] 100 95 90 85 80 284.92 C 4 H 9 C 4 H 9 75 70 65 60 Relative Abundance 55 50 45 40 35 30 25 154.83 316.00 20 15 210.83 301.83 10 5 0 113.83 327.83 126.92 80.83 397.67 88.83 278.92 57.83 172.83 345.92 238.92 195.92 228.92 357.75 140.83 431.92 458.83 487.92 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 m/z 图 2-7 GD-ESI 离子源分析的部分含杂原子小分子化合物质谱图 由上面所列出的质谱图可以看出 GD-ESI 离子源可以检测的小分子化合物范 围非常广泛 而且, 检测灵敏度和准确性都很高 2.5 GD-ESI 离子源对肽类生物小分子化合物的分析
GD-ESI 离子源也能分析氨基酸 多肽类样品 使用 GD-ESI 离子源在 ESI 正离子模式下分析胸腺五肽纯净样品测试 GD-ESI 离子源的检测能力 将 GD-ESI 离子源与 FT-ICR MS 质谱仪相连, 把 GD-ESI 离子源调整为 ESI 正离子模式 所检测到的样品质谱图见图 2-8 图 2-8 GD-ESI 离子源 ESI 正离子模式分析胸腺五肽质谱图 从图 2-8 中可以明显看到只有 340 643 和 680 三个质谱峰, 在这三个峰中 680 质谱峰的丰度是其他三个峰的 10 倍多, 而 680 这个峰就是胸腺五肽的 [M+H] + 准分子离子峰 GD-ESI 离子源的 ESI 正离子模式对肽类化合物有非常好的分析效果 3 小结 GD-ESI 离子源因结合辉光放电电离与电喷雾电离, 具有非常普适的电离能力 GD-ESI 离子源对炸药类样品有很高的检测灵敏度 GD-ESI 离子源与传统商品化的离子源相比最大的优势在于分析饱和直链类样品时, 不但能检测到碎片峰还能看到准分子离子峰, 能够直接确定样品的分子量 GD-ESI 离子源对含有杂原子的样品同样具有很强的电离能力 GD-ESI 离子源不但具有 GD 分析功能还有 ESI 分析功能, 当分析肽类样品时可以把 GD-ESI 离子源转换为 ESI 电离模式, 这样就可以轻松分析肽类样品