激光质谱在环状齐聚物中的应用

季怡萍，张红明

（中国科学院长春应用化学研究所，吉林 长春 130022）

1 引 言

结构表征对于合成化学研究过程来说是一个重要的环节，一种能快速、准确地确定化合物结构的研究方法以及测试技术是至关重要的。环状齐聚物具有特定的结构，既不同于小分子有机化合物，也有别于大分子聚合物，是由一系列聚合度不同的结构固定的环状同系物组成，具有一定得组分分布。环状齐聚物与相应的线性聚合物具有相同的结构单元，仅仅是环状齐聚物不存在端基。因而，其结构表征不仅需要环、线低分子的结果表征，还需要对组分分布进行分析，使得环状齐聚物表征较为复杂。随着环状齐聚物的不断发展，相应的分析方法也在不断改进，迄今为止，高效液相色谱、快原子轰击质谱、核磁、红外等方法都已经用到环状齐聚物的结构分析中。尽管表征方法比较多，但是表征步骤繁琐，速度较慢，难以满足快速确定化合物结构的要求。

近年来随着软离子技术的不断发展，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（以下简称激光质谱）已经在化合物的结构表征中起到了越来越重要的作用。其具有样品用量少、分析速度快、灵敏度高、分辨率高、检测质量范围宽、分离和鉴定可以同时进行、能够给出化合物许多方面的信息等优点。1995年加拿大McGill大学的Hay等人首次将激光质谱技术引入到环状聚芳醚酮的结构分析中，不同结构的芳香环状聚醚[1-3]以及聚酰胺[4]的激光质谱表征相继报道。目前，该方法已经成功地应用在多肽[5-7]、蛋白质[8-10]、糖类[11-15]以及高分子聚合物[16-20]中。激光质谱技术逐渐成为一种表征芳香环状齐聚物的重要分析手段。

2 激光质谱对环状齐聚物表征

2.1 激光质谱工作原理

激光质谱仪器主要由激光解吸电离离子源和飞行时间质量分析器两部分组成。其原理是样品分子分散在基质分子中在待测试探头上形成共结晶，在激光照射下，基质从激光中吸收能量并传递给样品分子使其瞬间汽化，将质子转移到样品分子使其离子化，形成的气相离子在一高场作用下加速，进入一无电场的漂移区，离子的飞行速度正比于（m/z）1/2（m/z为质荷比）。在此区域中不同质荷比的离子形成一系列离散的、独立的离子束，然后进入飞行时间质量分析器产生信号，根据它们各自的质荷比（m/z）进行检测质量不同的离子。

2.2 基质的影响

在激光质谱表征化合物过程中，基质的种类和性质对化合物的测试结果具有重要影响，能否找到一种适宜的基质是确认化合物结构的关键。目前文献中报道的用于芳香环状齐聚物结构的表征的基质主要有以下几种，分别是2，5-二羟基苯甲酸、1，8，9-蒽三酚以及视黄酸。在激光质谱分析中，基质的作用原理为吸收激光能量并把能量传递给被分析样品形成分子离子。另外，隔离被分析物分子以避免分子间的缔合，通过质子分子的光离子化作用把质子转移给被分析物，促进其分子的解离。

张红明等[21]在表征芳香环状聚磷酸酯齐聚物时，经过选择不同的基质多次实验，结果发现用视黄酸作为基质可以检测到环状二聚体到环状十二聚体的齐聚物的质子化分子离子峰。选用1，8，9-蒽三酚作基质时，可以观测到二聚体到七聚体范围内的环状齐聚物。而选用2，5-二羟基苯甲酸作为基质，仅仅可以观测到环状二聚体到环状五聚体的齐聚物。很显然，视黄酸是这种环状齐聚物适宜的基质，不仅检测范围宽，而且峰强度增大。郭庆中[22]在表征芳香环状聚酯时，认为用1，8，9-蒽三酚作基质得到的谱图清晰、信噪比好，可以观察到环状二聚体到环状十聚体的齐聚物。因而，1，8，9-蒽三酚作为这种环状齐聚物的适宜基质。

姜洪炎[23]在表征聚芳醚酮环状齐聚物时，选用2，5-二羟基苯甲酸可以得到满意的结果，其谱图如图1所示。从质谱图中可以检测到环状二聚体到环状七聚体低聚物的存在，谱图清晰，信噪比好。季怡萍[24]也在表征聚芳醚酮环状齐聚物时，通过三种不同基质 1，8，9-蒽三酚、2，5-二羟基苯甲酸以及 3β-吲哚丙烯酸的筛选，对四种不同结构的环状聚芳醚酮进行了表征，最终确认2，5-二羟基苯甲酸为适宜基质。

2.3 阳离子添加剂的影响

阳离子添加剂的加入在有些情况下也是至关重要的一步，因为加入的金属离子可以促进芳香环状齐聚物的离子化过程。适宜金属盐的加入有助于得到清晰、干净的激光质谱图，得到更多的样品的信息，更准确地归属谱图，确认被分析物的结构，提高测试能力。

季怡萍等[25]在表征芳香环状聚硫醚醚砜齐聚物时，选用1，8，9-蒽三酚为基质，未添加三氟乙酸银阳离子剂可以观测到聚合度n=2～8的芳香环状低聚物与氢离子的加和物的质子化的分子离子峰，如图2所示。而加入三氟乙酸银的金属盐后，从谱图中可以看到芳香环状齐聚物与银离子加和物的谱峰，并且可以观测到聚合度n=11的环状齐聚物。与未添加金属盐相比，检测范围明显拓宽有效地改善了谱峰的强度。由此可见加入阳离子添加剂后，给出被分析物的信息增多，对准确的分析结果提供了很大帮助。

齐颖华等[26]在表征6氟双酚A芳香环状聚醚砜时，发现以1，8，9-蒽三酚作为基质时，未添加任何阳离子添加剂时在谱图上可以观察到环状二聚体到环状十聚体的齐聚物。相对强度较小的一系列谱峰（以AB组合标志）则对应于端基为砜端基的线性聚合物，见图3。从谱图中可以看出，峰强较大的一组谱峰与相应的峰强较小的谱峰的质量数仅仅相差2Da，此数值在误差范围之内，因而难以确定哪一组谱峰为芳香环状齐聚物的谱峰。为了进一步确定齐聚物的组成，添加了阳离子添加剂进行进一步确认。当添加三氟醋酸应阳离子添加剂后，仍可以观测到聚合度n=2～10的齐聚物，如图4所示。与未添加阳离子剂相比，信噪比明显提高，每个聚合度组分的质谱都是由两个谱峰组成，其中峰强较强的谱峰正好对应与环状齐聚物与银离子的加和物峰，而较弱的一组峰与图3中的未知谱峰相同，仅仅是峰强明显减弱。如上所述，图3中的未知谱峰可能是环状齐聚物的钠离子加合物的分子离子峰，也可能是线性低聚物质子化的分子离子峰。如果这组峰代表线性低聚物，那么图4中相应会出现线性物与钠离子或银离子的加合物的谱峰，但在质谱图中未观测到相应信号。并且图4中环状齐聚物银离子加合物的谱峰强度很高，而未知峰的强度明显减弱，说明这两组谱峰的信号来自于同一种化合物，即环状齐聚物。由此可以断定这组未知峰不是线性低聚物的信号，而是由环状齐聚物与钠离子形成的加合物的分子离子所引起。因而，阳离子添加剂不但可以显示出更多的信息，同时也可以进一步确认齐聚物的组成和结构。

激光质谱对芳香聚磷酸酯齐聚物[21]结构进行表征时，实验中发现未添加任何阳离子剂，得到的激光质谱图中仅仅可以观测到环状二聚体到五聚体的存在。而添加了三氟醋酸银阳离子剂后，仍然仅能检测到环状五聚体，检测范围没有变大。但是，当添加氯化锂阳离子剂后，检测范围变宽，可以明显观测到环状六聚体的存在，并且谱峰强度大幅度提高。

综上所述，在齐聚物的激光质谱检测中，离子化是一个至关重要的过程，其中添加金属盐则是一个重要的离子化途径。然而，对于特定的化合物来说，它与不同的金属离子显示不同的亲和性。不同结构的环状齐聚物对应不同的阳离子添加剂，其选择原则可以通过Llenes和O’Malley提出的软硬酸碱理论来实现[27]。

3 结束语

激光质谱为表征环状齐聚物分子结构信息提供了一种新方法，可以快速准确地获得分子质量信息。对于一种新的环状齐聚物来说，选择适宜的基质、样品制备方法以及阳离子添加剂是得到理想谱图的关键。随着激光质谱技术的不断发展，对环状齐聚物分子量测定的范围将更广，结构测定将更准确，为环状齐聚物的研究提供了更加丰富的信息。

然而，对于带有-NO2，-COOH等强极性基团的环状齐聚物时，由于强的极性使得环状齐聚物在激发的过程中容易形成分子聚集体，不容易被解吸，这样，激光质谱方法得到的谱峰杂乱不能准确地反映环状齐聚物的结构和分布。对于这类有强极性的环状齐聚物的结构确认已经通过电喷雾质谱方法得到了很好的表征。但是，电喷雾的不足之处在于容易使样品形成多电荷离子，造成谱峰归属上的困难。因而，随着环状齐聚物的不断发展，表征方法需要不断完善，能够与激光质谱方法互补的方法的引入是发展趋势，激光质谱与其他测试技术的联用能够适应未来不断更新的环状齐聚物体系。

[1] Wang Y F，Paventi M，Chan K P.Synthesis characterization and ring-opening polymerization ofnovelhigh tg macrocyclic oligomers based on 1，2-dihydro-4-（4-hydroxyphenyl）（2H）-phthalazin-1-one [J].J.Polym.Sci.，Part A：Polym.Chem.，1996（34）：2135-2148.

[2] Jiang H Y，Chen T L，Bo S Q，et al.Novel macrocyclic precursors of phenolphthalein poly（arylene ether ketone）and Poly （arylene ether sulfone）：Synthesis and Polymerization[J].Macromolecules，1997（30）：7345-7347.

[3] Ding Y， Hay A S. Cyclic （arylene ether） oligomers containing the phenylphosphine oxide moiety [J].J.Polym.Sci.，Part A：Polym.Chem.，1998（36）：519-526.

[4] Kim Y H， Calabrese J，McEwen C.CaCl3-or Ca2Cl4complexingcyclicaromaticamidetemplateeffecton cyclization[J].J.Am.Chem.，1996（118）：1545-1546.

[5] 季怡萍，张红明，朱文彬.马鹿茸多肽的提取分离及基质辅助激光解吸飞行时间质谱分析 [J].质谱学报，2004（25）：79-80.

[6]苏智广，张思仲.质谱法检测单核苷酸多肽性[J].生命的化学，2000，20（5）：154-167.

[7] Fu D J.Sequencing exons 5 to 8 of the P53 gene by MALDI-TOF mass spectrometry[J].Nature Biotechnol，1998（16）：381-384.

[8] Karas M.Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry[J].Mass Spectrom Rev，1991（10）：335-357.

[9]赵善楷，钟 峰，张晓红.基体辅助激光解吸质谱法（MALDI－MS）在生物化学中的应用 [J].质谱学报，1996，17（2）：1-7.

[10]季怡萍，张红明.应用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱法测定牛甲状腺球蛋白的分子量 [J].分析测试技术与仪器，2007，13（3）：187-189.

[11]Karas M，Bachmann D，Bahr U，et al.Matrix-assisted ultraviolet laser desorption of non-volatile compounds[J].Int J.Mass Spectrom Ion Processes，1987，78（1）：53-68.

[12]Stahl B，Linos A，Karas M，et al.Analysis of fructans from hiher plants by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry [J]. Anal. Biochem，1997，246（2）：195-204.

[13]Daas P J H，Arisz P W，Schols H A，et al.Analysis of partially methyl-esterified galacturonic acid oligomers by high-performance anion-exchange chromatography and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry [J].Anal.Biochem，1998，257（2）：195-202.

[14]Yamagaki T，Mitsuishi Y，Nakanishi H.Determination of structuralisomersofxyloglucan octasaccharidesusing post-source decay fragment analysis in MALDI-TOF mass spectrometry[J].Tetrahedron Letts，1998，39（35）：4051-4054.

[15]Erra-Balsells R，Kolender A A，Matrlewicz M C，et al.Matrix-assisted ultravioletlaserdesorption-ionization time-of-flight mass spectrometry of sulfated mannose from the red seaweed nothogenia fastigiata[J].Carbohydr Res.，2000，329（1）：157-167.

[16]Chen H，He M Y，Pei J，et al.End-group analysis of blue light-emitting polymers using matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry[J].Anal.Chem.，2002，74（24）：6252-6258.

[17]Miyakoshi R，Yokoyama A，Yokoza-wa T.Catalysttransferpolycondensation:mechanism ofni-catalyzed chain-growth polymerization leading to well-defined poly（3-hexylthiophene）[J].J.Am.Chem.，2005，127（49）：17542-17547.

[18]Montaudo G，Montaudo M S，Puglisi C，et al.Characterization ofpolymersbymatrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry end group determination and molecular weight estimates in poly（ethylene glycols）[J].Macromolecules，1995（28）：4562-4569.

[19]Chaudhary A K，Cirtchley G，Diaf A，et al.Characterization of synthetic polymers using matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry[J].Macromolecules，1996（29）：2213-2221.

[20]Bahr U，Deppe A，Karas M，et al.Mass spectrometry ofsynthetic polymers by UV-matrix-assisted laser desorption/ionization[J].Anal.Chem.，1992，6（4）：2 866-2868.

[21]张红明，季怡萍，陈天禄.芳香环状聚膦酸酯齐聚物的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析 [J].分析化学，2001，29（11）：1303-1306.

[22]郭庆中.Friedel-crafts反应合成芳香环状齐聚物与开环聚合[D].长春：中国科学院长春应用化学研究所，2004.

[23]姜洪焱，陈天禄，齐颖华，等.MALD I-TOF质谱表征聚芳醚酮环状低聚物及其组分分布[J].高等学校化学学报，1998，19（4）：652-655.

[24]季怡萍，张红明.含酚酞结构的聚芳醚酮环状齐聚物的激光质谱表征[J].分析实验室，2003，22（3）：41-43.

[25]季怡萍，张红明，齐颖华，等.应用激光解吸电离飞行时间质谱法研究芳香聚硫醚醚砜环状低聚物 [J].分析科学学报，2004，20（2）：184-186.

[26]齐颖华，季怡萍，陈天禄，等.基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱表征6氟双酚A芳香环状聚醚酮（砜）[J].分析化学，1999，27（7）：749-753.

[27]Thomson B，Suddaby K，Rudin A，et al.Characterization of low molecular weight polymers using matrix assisted laser desorption time-of-flight mass spectrometry[J].Eur.Polym.，1996，32（2）：239-256.