有机质谱新技术在现代科研中的应用

　　【摘要】 　　报导了采用电子轰击电离(EI)，化学电离(CI)，快原子轰击(FAB)，基质辅助激光解吸电离与飞行时间质谱联用(MALDI-TOF MS)，大气压电离(API)技术方法在现代科研中的应用及研究成果。这些电离方法从不同角度、在不同程度上解决了大分子量、难挥发、强极性及热不稳定性有机化合物的电离问题。

　　【关键词】 有机质谱 新技术 应用

　　Application of New Technology of Organic Mass Spectrometry　in Modern Scientific Research

　　Liu Fang，et al

　　Heilongjiang University of TCM(Harbin，150040)

　　Abstract：In this paper，We reported the application and research of EI，CI，FAB，MALDI-TOF MS，API，technical methods in modern scientific research.These ionization methods solved the organic compound ionized problems of big molecular weight，involatile molecular，strong polarity and thermal instability from different angles and different extent.

　　Key words：Organic Mass Spectrometry;New Technology;Application

　　在过去30多年的时间里，质谱技术的发展使其成为科学研究的重要工具。80年代以来，有机质谱技术不断获得突破性进展，相继出现了EI、CI、FAB、MALDI-TOF MS、API等有机质谱新技术，从而使有机质谱被广泛应用于药学、生命科学及其它领域。

　　1 电子轰击电离(EI)

　　它是目前有机质谱常用的电离方式，其电离原理是：M+e->M+。+2e M为样品分子，M+。为分子离子。其优点是灵敏度高，稳定性好，又有较丰富的标准谱库，但EI源使用的电子能量较大，国际质谱界统一规定：“70eV的电子能量轰击下得到的质谱图，作为标准有机化合物的质谱图。”但其剩余能量容易使分子离子进一步碎裂，许多不大稳定和分子量较大的化合物得不到分子离子峰，或分子离子峰微弱。因此，我们将这种经高能量电子轰击从而获得分子离子的方式称为“硬”电离。它只适用于易挥发，对热稳定的样品，而其它热不稳定或难挥发化合物的应用受到限制，这也预示着将有一种新的“软”电离方式即将出现。

　　应用举例[1]：

　　质谱条件：EI电离方式;电子能量70eV;离子源温度：180℃;离子流：200 Al扫描质量范围m/z 50～500。质谱数据库：NIST M ass Data Base(1994)。

　　厚朴酚(图1)与和厚朴酚(图2)的质谱中，其分子离子峰m/z 266 都为基峰。碎片峰 m/z 237、184、165、91、77都相一致。厚朴酚的特征碎片峰m/z 247表明了联苯酚结构单元中两个与羟基相连的苯环由相邻近的对称位(2，2 位)相连接。这样的分子结构有利于形成厚朴酚中碎片峰m /z 247的大7c共轭体系。而和厚朴酚却没有出现质谱特征峰 m/z 247，说明分子中联苯酚结构单元两个与羟基相连的苯环相连接的不在相邻近的对称位。质谱碎片峰 m/z 247是区别厚朴酚与和厚朴酚化学结构的质谱典型特征。

　　2 化学电离(CI)

　　是由Muson和Field[2]于1966年提出的一种质谱软电离技术，其原理是分子-离子反应。[3-4]在电子轰击电离源内引入大量的反应气，反应气与样品的浓度比约为10000：1。反应气被电子轰击电离，产生反应气分子离子，它进一步与没有被电离的反应气分子反应，生成活性反应离子，这些离子再与样品分子反应，形成质子化分子或去氢离子。

　　在化学电离条件下，常常可以得到丰度很强的准分子离子峰，没有或很少碎片离子，能准确提供相对分子质量信息。有报道2，2-二羟甲基丙二酸二乙酯(DBM)是化工和药物合成中的一个重要中间体，以丙二酸二乙酯经过与甲醛的加成反应，合成了该中间体，并用化学电离质谱技术，探讨了不同电离条件及谱图的变化规律，显示了这种CI谱图在有机化合物结构分子上具有的明显优越性，是一种有应用价值的质谱分析方法。

　　CI谱与EI谱的区别

　　样品的EI谱(图3)与CI谱(图4)中[5]碎片离子峰有明显的区别。图3是DBM的EI谱，谱图几乎找不到分子离子峰，碎片离子基峰是m/z 127，离子的质量数和强度较大的离子是m/z 99、l43、189。CI谱(图4)的离子峰主要是由质子化电荷中心诱导产生，相比之下EI谱碎片离子产生的途径更多，谱图的碎片离子也更多。

　　3 快原子轰击质谱(FAB)

　　是一种发展中的新软电离方法，1981年开始在有机质谱研究中应用，它特别适用于大分子量、难挥发、强极性和热不稳定性有机物的分析，与其他电离方法相比有明显的特点。其工作原理是用具有一定动能的中性原子束(Ar，Xe)或离子束(Cs)去轰击溶于粘稠底物的样品，从而把大量能量传递给样品分子而达到电离。目前，已有近百篇论文发表，涉及最多的是多肽，低聚糖，多聚核苷酸，卟啉，抗生素，有机金属化合物，磺酸型染料等的分析。

　　(1)多肽分析：快原子轰击质谱法应用较为广泛的就是多肽的分析。可以分析出30个氨基酸多肽，如牛胰岛素的B链(分子量3493)[6]，而场解析法最多只能分析到10个氨基酸(分子量约为1200)。

　　(2)生物分子分析：如腺苷三磷酸(ATP)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的钠盐[7-8]，除了能得到准分子离子峰外，还能得到重要的结构信息。

　　(3)糖的分析[9]：能得到相当强的(M+1)+或(M+1+G)+的准分子离子峰。G为甘油。

　　(4)抗生素的分析：青霉素[10]、二性霉素、制菌霉素[11]均可用快原子轰击质谱法进行分析。

　　(5)极性化合物的分析：如磺酸型染料用场解析法只能分析一磺酸和极少数的二磺酸化合物，而用快原子轰击质谱法竟能分析三磺酸化合物，得到的质谱图也易解析[12]。

　　(6)薄层色谱层析点的分析[13]：以往电子轰击质谱法分析薄层层析点是以溶剂洗下所需的点，蒸去溶剂后将样品转移到进样杆的探头上进行分析，FAB是先用少量溶剂，如二氯甲烷(或甲醇)和甘油润湿吸附剂，再把快原子轰击探头按在层析板所要分析的点上，把粘有吸附剂的探头进入质谱仪进行分析。显然是方便多了。

　　4 基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)

　　它是近年来发展起来的一种新型软电离有机质谱，通过引入基质分子，使待测分子不产生碎片，解决了非挥发性和热稳定性生物大分子解析离子化问题，是分析难挥发性有机物质的重要手段之一。它的工作原理是：样品和基质在靶盘上形成共结晶，脉冲激光照射晶体后，基质分子吸收能量与样品解吸附并使其电离，样品离子在加速电场下获得相同的动能，经高压加速聚集后进入飞行时间检测器进行质量分析，离子的质荷比(m|z)与飞行时间的平方成正比，通过飞行时间确定离子的质荷比，从而对样品进行定量和定性分析[14-15]。

　　(1)引领分子诊断时代：“血清质谱多肽谱”是指通过生物质谱快速分析血清中多肽组精确质量数标示的多肽组，可进一步通过串联质谱分析获得多肽序列，从而鉴定前体蛋白质及其生物来源。已有多项资料表明，血清质谱多肽谱已在恶性肿瘤早期诊断中显示了良好的前景。

　　(2)细菌的检测与鉴定：它能完成细菌多种成分的分析，包括蛋白质、脂类、脂寡糖和脂多糖，DNA，多肽及其它能被离子化的分子。细菌含有一些成分，能给出唯一的质荷比，作为生物标志分子特异鉴定细菌。Demirev等对蛋白质进行分析，在4-15KD范围内利用数据库检索，成功鉴定了枯草芽孢杆菌和大肠杆菌[16]。1998年，Easterling等利用MALDI监测全菌中重组蛋白的表达，不需要纯化，浓缩和提取，准确，快速，分辨率好，但是抑制效应会限制不同成分的定量，影响选择性[17]。Arnold用它检测大肠杆菌核糖体蛋白和翻译后修饰产物，根据核糖体蛋白的改变或丢失能给出结构，遗传和功能的信息[18]。

　　(3)病毒的检测与鉴定：在对病毒的构成和结构的研究以及对完整病毒的检测方面，质谱技术也逐渐得到应用。Yao等将完整病毒颗粒的胰蛋白酶酶解片段不经处理直接进行MALDI-TOF MS分析，成功鉴定了新德毕斯病毒AR339[19]。最近，Colquhoun等采用质谱技术，使用NRV的病毒颗粒对NRV的包膜蛋白进行了完整包膜蛋白病毒扫描，胰蛋白酶消化后的蛋白质量图谱和蛋白肽序列的分析，实现了对NRV的鉴定。这一研究成果，是质谱技术在快速鉴定人体标本或环境中病毒的应用方面又迈进了重要的一步[20]。

　　5 大气压电离(API)

　　包括电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)。通常认为ESI分析生物大分子及其它极性大的化合物，而APCI适合分析极性小的化合物，应用不及ESI广泛。这里主要介绍电喷雾电离(ESI)。ESI是一种常压电离技术，不需要真空，减少了许多设备，使用方便，而且是软电离方式，能分析许多样品，尤其有利于分析生物大分子及其它极性大的化合物。ESI的电离原理是：a、样品溶液从带有几千伏(通常4.5kV-5.0kV)毛细管流出时，在电场及辅助气流的作用下，雾化成带电的液滴;b、通过溶剂蒸发和雾滴分裂，使带电雾滴变小，反复进行这一过程，直至生成很小的带电雾滴;c、由很小的带电雾滴产生气相离子。

　　ESI的特点及适用范围：

　　(1)软电离技术，因而获得样品碎片少;

　　(2)既可分析小分子又可分析大分子化合物，对于分子量在1000Da以下的小分子，会产生[M+H]+ 或[M-H]- 离子。生物大分子在ESI环境下能生成一系列多质子化分子(多电荷离子)，因此特别适合分析蛋白质，多肽类的生物分子。

　　(3)可以直接与液相分离技术相连接，已成为目前应用最广泛的质谱技术。

　　应用举例：利用ESI离子源分析芒果苷原料药微量杂质结构[21]

　　质谱条件：ESI离子源，采用负离子检测方式，源电压：4.5kV;雾化器：105Pa;干燥气(N2)温度：200 oC;干燥气流量：3.0L/min;

　　以上测定结果显示，杂质和芒果苷的结构应非常相似，因为杂质的一系列碎片离子m/z435、345、315刚好分别为：[421+CH2]-、[331+CH2]- 、[301+CH2]-。

　　综上所述，现代有机质谱技术在当今社会各领域科研中已是一种十分有力的分析工具，对推动和促进天然产物化学、药物化学、生物有机化学和微生物学等的发展，都起着不可代替的作用，甚至在临床诊断、食品、环境监测与军事领域都取得了较为满意的成果。因此，我们有理由相信，在未来的科学发展进程中，现代有机质谱技术必将开辟一个新的应用时代!

　　【参考文献】

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