使用冷进样系统和电子轰击质谱法分析挥发性和氧化敏感性化合物

摘要

本视频介绍了一种利用电子轰击电离对挥发性和氧化敏感化合物进行质谱分析的方案。该技术特别适用于无机化学家，尤其是那些在惰性条件下（如施伦克技术）操作金属有机化合物、硅烷或膦烷的研究人员。

摘要

本视频介绍了一种利用电子轰击电离技术对挥发性和氧化敏感性化合物进行质谱分析的实验方案。由于现有最先进的质谱分析方法均至少需要一个样品前处理步骤，因此对挥发性和氧化敏感性化合物的质谱分析难以实现， 例如，分析物的溶解与稀释（电喷雾电离）、分析物与基质化合物共结晶（基质辅助激光解吸/电离），或在常压条件下将制备好的样品转移至质谱仪的电离源。本文介绍一种样品进样系统，可实现利用配备电子轰击电离源的扇形磁场质谱仪对挥发性金属有机化合物、硅烷和膦烷进行分析。所有样品制备步骤及样品引入质谱仪电离源的过程均在无空气条件或真空条件下进行，从而能够分析极易被氧化的化合物。该技术特别适用于从事金属有机化合物、硅烷或膦烷研究的无机化学工作者，这些物质必须在惰性气氛条件下操作，例如采用施兰克（Schlenk）技术。本视频将展示该技术的工作原理。

引言

对金属有机化合物、硅烷或膦类等化合物进行质谱分析并不总是可行的。已知其中许多化合物在接触空气时会迅速分解。因此，在测定质谱时最关键的步骤是在无氧条件下完成样品制备、分析物转移至质谱仪以及离子生成。本方案中，我们介绍一种满足上述要求的策略，并展示一种进样系统，该系统使得对以往因操作困难且在常温常压下易快速分解而无法通过质谱分析的挥发性化合物进行质谱检测成为可能。由此，现在可借助质谱技术对易受氧化或水解影响的新型或已知挥发性金属有机化合物、硅烷和膦类进行明确鉴定。要分析易发生氧化或水解的化合物，必须满足两个条件：在惰性气氛下进行样品制备和离子化。后一条件可通过使用在真空条件下运行的离子源的质谱仪轻松实现。大多数基质辅助激光解吸/电离（MALDI）质谱仪以及所有电子轰击电离（EI）质谱仪均具备此条件。^1,2电喷雾离子化（ESI）不适用于易发生氧化或水解的化合物分析，因为其离子化过程在常温常压条件下进行。³然而，对于某些与氧气或水反应不剧烈的化合物，大多数电喷雾电离（ESI）源所使用的干燥气和雾化气已足以满足质谱分析的要求。⁴电喷雾电离（ESI）类似的电离策略也是如此。 例如低温电喷雾电离、低温常压电离和低温液体二次离子质谱^5-7相比之下，在惰性条件下进行样品制备并转移至离子源更具挑战性。已有多例将基质辅助激光解吸电离（MALDI）和电喷雾电离（ESI）仪器与手套箱联用，以实现在惰性气氛中对易发生氧化和/或水解的化合物进行样品制备。^4,8质谱仪通过传输毛细管（ESI）或直接连接的方式与手套箱相连（MALDI）。通过传输毛细管将手套箱与质谱仪耦合，也可采用其他电离策略，例如液相进样场致解吸/电离（LIFDI），已有文献报道该方法可用于敏感化合物的分析。^9,10.

此外，MALDI 和 LIFDI 不适用于高挥发性化合物的分析。MALDI 需要分析物与基质共结晶，而 LIFDI 需要将分析物从溶液中沉积到发射极上。在这两种电离方法中，分析物都极有可能随溶剂一同挥发。与 MALDI 仪器不同，电子轰击电离（EI）质谱仪通常提供多种将样品引入离子源的方法：直接进样探针（将少量固体、油状物或蜡状物置于铝坩埚中，并通过推杆引入）、隔膜进样口（适用于液体）或与气相色谱仪联用。同样，至少部分样品转移过程是在常压条件下进行的，难以在惰性气氛下完成。

20世纪60年代，人们提出了一种可在真空条件下将样品引入电子轰击（EI）仪器离子源的进样系统——全玻璃加热进样系统（AGHIS）^11,12。该系统中，样品置于一段密封的玻璃毛细管内，再将毛细管插入AGHIS中。随后对AGHIS抽真空，并击破盛有样品的玻璃容器，再通过加热使样品蒸发，经由漏孔进入EI质谱仪的离子源。若在手套箱内制备含样品的玻璃毛细管，则可实现样品在无空气接触的条件下引入质谱仪。然而，AGHIS是一种非商业化的装置，即使对于经验丰富的玻璃吹制车间也难以组装。由于其体积较大，使用推杆进行直接进样与AGHIS之间的切换操作并不简便。

在我们的质谱实验室中，我们开发了一种类似于AGHIS的进样系统。然而，由于该进样系统无法加热，分析物必须具备一定的挥发性，才能进入质谱仪的离子源。分析物的挥发性必须足够高，以便在液氮温度下的真空环境中通过沸腾或升华将化合物转移至离子源。该定制的进样系统由一块不锈钢板组成，该钢板安装在直接进样系统上，配有一根带针阀的不锈钢管和一个法兰，样品可置于可锁的试管中并连接至该法兰。冷进样系统的安装无需对质谱仪（Autospec X，Vacuum Generators，现为Waters Corp.，英国曼彻斯特）进行任何改装——通过推杆在冷进样系统与直接进样系统之间切换可在数秒内轻松完成。

所介绍的进样系统在分析易被氧化或水解的金属有机化合物、硅烷或膦类物质时尤为适用。这些化合物通常采用核磁共振（NMR）波谱法进行分析，或 红外（IR）光谱法。遗憾的是，这些方法并不总能实现对化合物的明确鉴定，因为它们提供的信息不完整， 例如，当分子中含有氯或溴等元素时。而气体电子衍射则能够提供关于分析物的详细信息，然而该方法耗时极长，样品制备困难，且仅有少数研究团队能够开展此类分析^13,14此处，冷进样系统对于易被氧化或水解的金属有机化合物、硅烷或膦烷的电子轰击质谱分析极为有用，可为有机和无机化学研究人员提供分子质量及特征碎片离子信息，从而实现对新化合物的明确鉴定。物质进行质谱分析的唯一前提是其在减压条件下具有一定的挥发性。

方案

1. 样品制备

1. 使用带有法兰的定制可锁试管（图1）用于样品向质谱仪的运输和转移。在装入样品前，将可锁试管连接至多通路Schlenk线进行抽真空，并用热风枪加热以去除残留水分。用干燥氩气吹洗试管，同时加热，随后再次抽真空。
2. 将可锁试管浸入装有液氮的冷阱中（注意：操作液氮时需格外小心）。通过连接在Schlenk线多通路上的样品容器，将样品冷凝至试管中，随后关闭试管顶部的锁紧装置以及多通路阀门，并将已锁紧的试管从液氮浴中取出。由于质谱分析极为灵敏，仅需少量样品即可。在分析过程中，大部分分析物将保留在可锁试管中，测量完成后仍可用于后续实验。

图1. 用于样品转移的可锁紧试管。A) 用于连接冷进样系统的法兰，(B) 试管上的聚四氟乙烯（Teflon）活塞，可在无空气条件下转移化合物，(C) 用于操作聚四氟乙烯活塞的螺钉。

2. 质谱的测量

1. 在样品检测之前，根据质谱仪制造商提供的说明对仪器进行调谐和校准（本实验使用 Autospec X（Vacuum Generators，现为 Waters Corp.，Manchester，UK））。采用全氟煤油（perflourokerosene，PFK）作为标准品，将质谱仪调谐至分辨率约为 2,800 m/z 119，10% 谷值定义）。从离子源上拆下直接进样杆的推杆，并安装用于试管的外接口（图2为防止推杆尖端过热，应在质谱仪控制软件中将进样方式设置为“septum”。
2. 将装有样品的可锁紧试管的法兰连接至外接口。打开外接口的针阀，对进样口抽真空。抽真空完成后，小心打开通向离子源的球阀，完成抽真空步骤。关闭外接口的针阀。注意：此步骤中必须关闭试管的聚四氟乙烯旋塞。
3. 在质谱仪软件中开始质量测量。保持针阀关闭，短暂打开试管的聚四氟乙烯旋塞，使分析物的气相分子进入接口的外侧部分。随后再次关闭聚四氟乙烯旋塞。
   注意：接口的外侧部分以及聚四氟乙烯旋塞与可锁试管法兰之间的间隙（参见 图1 和 2B) 在分析过程中作为分析气体的储气室。
4. 小心打开针阀，同时观察离子源的真空计。此步骤允许分析物分子进入质谱仪的离子源。真空度不应低于10^-5 测量期间的毫巴（mbar）
   注意：根据分析物的挥发性，约在10处可获得质量良好的质谱图^-6 毫巴。此时记录样品的质谱。通常情况下，通过针阀泄漏进入仪器的样品量足以连续记录数分钟的质谱信号。若离子强度下降，可略微开大针阀以延长采集时间。如果在70 eV下记录的质谱质量不理想，可采用较低的电子动能来记录质谱。 例如，20 eV。

图 2. 安装了可锁空试管的冷进样系统，该试管连接至 VG Autospec X 的离子源。A) 可锁试管，(B) 试管与冷进样系统之间的法兰连接，(C) 针阀，(D) 带密封圈的不锈钢板，用于连接离子源，(E) 直接进样接口，可见推杆的陶瓷尖端。

3. 测量后处理

1. 关闭外接口的针阀。关闭通往离子源的球阀。在软件中停止质谱的采集。
2. 抽空进样系统的同时完全打开针阀。在球阀和针阀关闭的情况下对接口进行通气。再次抽空接口，并在此过程中打开针阀，以清除接口中残留的样品蒸气。此步骤至少重复 3 次。
3. 从接口中取出可锁紧的样品管。继续下一个样品，或从离子源法兰上取下外接口，并更换为推杆。

结果

三（三氟甲基）膦的电子电离质谱图见图3，该化合物在接触空气时会迅速分解（图4）。所介绍的接口可直接、简便地测量这类化合物的质谱。该新型接口操作简便、快速，在使用推杆进行常规的直进式进样操作时不会造成任何障碍。

图 3. 三（三氟甲基）膦的质谱图。 请点击此处查看该图的高清版...

讨论

本方案介绍了对在标准样品制备条件下易分解的化合物进行质谱采集的方法。该技术专为分析对氧化和/或水解高度敏感的金属有机化合物、硅烷和膦类化合物而设计，因此尤其适用于无机化学研究者。为获得最佳结果，整个分析过程必须始终保持真空或无氧条件，因此应严格遵循本方案操作。若因进样系统泄漏或操作不当导致分析物接触空气，可能引发严重后果，具体取决于待分析化合物的性质，例如样品容器发生爆炸（图 4）。样品制备仅可由熟悉施兰克线（Schlenk line）操作的专业人员进行，因为在真空条件下，若玻璃器皿制造不良，可能发生内爆。若因操作不当导致空气进入施兰克线，活性化合物与空气接触可能引发爆炸。还应警惕冷阱中因惰性气体杂质冻结析出的液氧所带来的危险。任何有机或无机化合物与液氧接触均可能引发剧烈反应，导致施兰克线爆炸。在分析过程中，应密切监测质谱仪离子源内的压力，因离子源压力过高可能导致仪器损坏。

与易挥发的金属有机化合物一样，极易被氧化和/或水解 硅烷和膦烷类化合物通常难以或无法使用配备ESI或MALDI离子源的现代质谱仪进行分析，因为这些方法的样品...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
VG Autospec X	Micromass Co. UK Ltd (现为 Waters)		其他使用推杆直接进样的电子轰击电离质谱仪也应适用于本技术
带法兰的可锁紧试管			定制，应使用聚四氟乙烯旋塞以锁紧试管
可锁紧试管的接口			定制，接口由不锈钢制成，设计中必须包含针阀
施兰克线（Schlenk line）			定制，必须配备真空泵以抽空试管，以及装有液氮的冷阱以捕获样品