基于ESI-TOF對MOC-16及其主客體作用*

王家駿，魯玉麟，潘梅，蘇成勇

中山大學化學學院，廣東 廣州 510275

金屬-有機超分子籠（MOCs）是一類具有永久空腔結構的超分子［1-4］。離散的金屬-有機超分子籠在大多數有機溶劑中都具有良好的溶解性，使其在擁有良好性質的同時，還可以在溶液中進行各種研究，這是具有連續結構的金屬-有機框架（MOFs）和共價有機框架（COFs）所不具備的。金屬-有機籠狀化合物的內部空腔體積使得它能容納不同的客體分子［5-7］，并在主客體識別、離子響應、藥物傳輸、吸附分離、限域催化等領域展現出巨大的應用前景。因此，溶液中的主客體作用研究成為了金屬-有機超分子籠的重要手段和熱點課題之一。

質譜分析作為高質量有效的物質研究方法，在研究金屬-有機超分子籠的性質、結構等方面有著至關重要的作用［8-11］。然而，由于金屬-有機超分子籠的結構復雜、穩定性相比于其他分子較弱等原因，導致其在質譜測試和分析時都會有很大的困難［12-13］。在金屬-有機超分子籠的主客體研究中，更為復雜的分子結構、苛刻的溶劑環境為質譜測試進一步增加了難度。

根據本課題組前期報道的結果，Ru-Pd 金屬-有機超分子籠MOC-16（MOC-Pd6Ru8）是由芳香性剛性有機分子以及金屬離子構筑得到的具有疏水空腔的超分子籠［14］。因此，可以利用“疏水作用”將不溶于水的有機客體分子包裹進籠子空腔中。其中，芘作為一個具有較大π 平面的疏水分子，預期可以作為MOC-16 進行主客體質譜分析的良好客體（圖1）［15］。

圖1 芘作為客體分子被包裹進入MOC-16示意圖Fig.1 Schematic diagram of pyrene being packaged into MOC-16 as a guest molecule

基于上述考慮，本研究選擇了結構和性質較為穩定的MOC-16 作為質譜研究對象，選擇高分辨電噴霧飛行時間質譜和核磁共振圖譜作為研究方法，對金屬-有機超分子籠的質譜測試條件進行摸索，同時對MOC-16 的主客體作用進行質譜分析。

1 MOC-16質譜研究

1.1 主要儀器與試劑

儀器：電噴霧-四級桿-飛行時間超高分辨液質聯用質譜（ESI-Q-TOF maXis 4G），Bruker 公司產品；超高效液相色譜（Agilent Technologies 1260 Infinity），Agilent 公司產品，配有數據采集及處理軟件；Bruker AVANCE Ⅲ400（400 MHz）型超導核磁共振譜儀，譜圖數據用MestReNova軟件處理。

試劑：待測的MOC-16 采用參考文獻［14］方法制備，所用化學試劑未經注明均為商業購買AR級試劑，不經過進一步純化處理直接使用；乙腈，色譜純；甲酸，色譜純；超純水；ESI 低濃度調諧液（tunning mix），美國Agilent公司產品。

1.2 樣品制備步驟

稱取5 mg MOC-16 粉末，先溶解于200 μL 的DMSO 中，再加入400 μL 的水稀釋，充分混合后用濾膜過濾，取濾液，待分析。

1.3 質譜條件調節

1.3.1 流動相調節 質譜流動相是影響質譜圖性質的關鍵因素之一。在常規的流動相條件下，由于籠自身結構的復雜性，在質譜中很難獲得理想的高價峰。通過加入有機酸，從而調節流動相pH值的方法在很多結構較為簡單分子的質譜測試中已有廣泛應用［16-20］。因此，本研究選擇甲酸作為電離輔助劑。在水溶液中加入甲酸，配置成φ=1‰甲酸水溶液，與純水、乙腈調節比例作為流動相進行測試，結果見圖2。從圖2 可看出，MOC-16在純水作為液相的條件下，會出現碎片離子峰形成的大包峰，且不會出現籠子的高價峰。將流動相變為乙腈后，籠子更高價態的峰（如+11 價）無法被正確表征；隨著φ=1‰甲酸水溶液的液相比例升高，籠子的高價峰部分m/z為750 ～1 600的強度逐漸提升，并且重點的高價離子峰更為清晰可見。以質譜圖中相對強度最高的+10 價峰為例，在純乙腈的液相條件下，質譜峰的平均分辨率（Res.）為22 433.79，信噪比（S/N）為291.111 5；在V（乙腈）∶V（φ=1‰甲酸水溶液）= 2∶8 的液相條件下，質譜峰的Res. 平均值為29 746.18，S/N為3 475.609；在φ=1‰甲酸水溶液的液相條件下，質譜峰的Res. 平均值為31 433.79，S/N為6 353.942。因此，從圖譜性質方面來說，在水的流動相中加入微量甲酸，不僅可以幫助MOC-16在水流動相的電離，還可以優化質譜圖性質。

圖2 不同流動相條件下MOC-16質譜圖Fig.2 The ESI-TOF total spectrum of MOC-16 under different mobile phase conditions

如圖3所示，將籠的高價峰部分放大后明顯看出，在φ=1‰甲酸水溶液作為液相時，籠的高價峰更為清晰，碎片離子峰數目及噪聲相對降低。除此之外，在純甲酸水溶液的流動相條件下，高價峰的峰形更為符合MOC-16 的擬合數值。這說明加入甲酸作為電離輔助試劑后，離子源的電離能力顯著增強，在不破壞籠結構的情況下，可以對籠高價峰的電離起到輔助作用，并產生較少的離子碎片峰。

圖3 兩種流動相條件下籠高價峰對比Fig.3 Comparison of cage high price peaks under two mobile phase conditions

1.3.2 離子源電壓調節 離子源常進行測試調節的主要條件為兩項：干燥器溫度和離子源電壓。其中，在實際測試中，溫度對待測Ru-Pd 籠的影響很小。下面改變質譜離子源電壓條件對籠MOC-16的影響進行測試，結果見圖4。

圖4 不同離子源電壓條件下MOC-16 質譜圖Fig.4 The ESI-TOF total spectrum of MOC-16 under different ion source voltage conditions

以質譜圖中相對強度最高的+10 價峰為例，在離子源電壓為2 000 V 時，質譜中產生大量碎片離子峰，不會出現明顯高價峰；在離子源電壓為3 500 V 時，質譜峰的Res. 平均值為31 433.79，S/N為6 353.942；在離子源電壓為5 000 V 時，質譜峰的Res. 平均值為28 763.26，S/N為3 524.219。綜上所述，可以看出，在2 000 V 的離子源電壓條件下，無法得到完整的籠子高價峰。隨著離子源電壓的增強，高價峰的強度逐漸增加。在達到一定強度后，繼續增加離子源電壓不會對譜圖性質有較大改善。

1.3.3 總結 通過以上實驗結論數據的比較，選擇測試的質譜條件為：正離子模式，無需色譜柱直接進樣，離子源干燥氣（N2）溫度為180 ℃，流速為4.00 L/min，電噴霧電壓3 500 V，流動相為φ=1‰甲酸水溶液（圖5）。

圖5 MOC-16可用測試條件比較Fig.5 Summary conditions of ESI-TOF of MOC-16

1.4 MOC-16質譜圖分析

在電噴霧飛行時間質譜圖譜中可以看出，MOC-16 的質譜峰分布在m/z為680～1 300 的區域，可為6 組峰，每組峰的價態相同，以m/z值由大到小排列對應為+7 到+12 價峰（圖6）。下面將對質譜圖中的典型峰進行軟件擬合分析。

圖6 MOC-16的電噴霧飛行時間質譜圖Fig.6 The ESI-TOF of MOC-16

通過軟件模擬，如圖7a 所示的+11 價峰被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++7（BF4-）］11+和［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++7（BF4-）］11+結合水的疊加峰，即組成籠子的金屬配體RuL3上的咪唑基團NH可脫去質子，一共脫掉10個質子后，籠子為+18價，再加上7個四氟硼酸根后，籠子最終為+11價。

圖7 MOC-16 +11～+9價峰理論值與實驗值對比Fig.7 Comparison of theoretical and experimental values of MOC-16 +11-+9 valence peak

類似地， +10 和+9 價峰分別被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++8（BF4-）］10+和［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++8（BF4-）］10+結合水的疊加峰（圖7b），以及［（Pd6（RuL3）8-9H+）19++10（BF4-）］9+和［（Pd6（RuL3）8-9H+）19++10（BF4-）］9+結合水的疊加峰（圖7c）。上述MOC-16 分子籠的質譜結果中，出現多組不同價態峰的原因是：MOC-16 中共含有8 個Ru2+以及6個Pd2+，在質譜中結合不同數目的陰離子（BF4-）就會顯示不同的價態。每組峰內出現多重峰的原因是：MOC-16 中組成籠子的金屬配體RuL3中的咪唑基團NH 可脫去質子，每脫去一個質子的同時也會脫去一個BF4-，在質譜上看就會減少一個HBF4的分子量。同時，我們發現在上述不同價態的分子離子峰中，MOC-16 的一個籠分子平均可以電離出9～10 個H+，即籠子24 個NH 位置中，1/3以上的NH 發生了電離。而光靠ESI 源應該不會打掉這么多質子，很有可能在溶液中籠子本身就產生了相當可觀的NH 電離，導致溶液中有一定濃度的H+，從而顯示酸性。這在pH 響應性的有機催化和光催化、生物成像和光動力學治療等領域都具有重要的應用價值。

2 MOC-16主客體質譜研究

2.1 樣品制備步驟

將上一步配置好的MOC-16 溶液用移液槍吸取部分后加入微量芘，充分混合后用濾膜過濾，取濾液，待分析。通過1H HMR檢測。

2.2 MOC-16加入客體芘后1H HMR分析

將圖8a 與圖8b 相比可看出，圖8a 的峰明顯寬化，在5.5 ×10-6～7.0 ×10-6的區域出現2 個明顯包峰（紅色圓圈圈出）。這兩個包峰是來自被包裹進籠子的客體分子芘的質子信號。芘進入了籠子空腔后，會受到較強的屏蔽作用使其質子信號向高場移動，而籠子本身的峰也受芘影響有了一定程度的位移，但由于寬化現象嚴重不能對發生位移的峰進行歸屬。

圖8 MOC-16與引入客體芘的1H NMR圖對比Fig.8 Comparison of1H NMR chart of MOC-16 and introduced guest pyrene

2.3 質譜條件調節

2.3.1 流動相調節 MOC-16 是由芳香性剛性有機分子以及金屬離子構筑得到的具有疏水空腔的超分子籠，利用“疏水作用”將不溶于水的客體分子引入籠子內部，在此過程中，溶劑體系只有DMSO 和水。因此，為更好地對MOC-16 的主客體作用進行質譜表征，測試時也應盡量選擇水作為質譜流動相。

以質譜圖中相對強度最高的+10 價峰為例，在純乙腈的液相條件下，出現碎片離子峰組成的大包峰，不能對質譜產物進行歸屬；在純水的液相條件下，質譜峰的Res. 平均值為28 192.43，信噪比（S/N）為186.082；在φ=1‰甲酸水溶液的液相條件下，質譜峰的Res. 平均值為28 761.96，S/N為2 047.92。因此，從圖譜性質方面來說，甲酸作為電離輔助試劑也可以用來改善MOC-16包裹客體芘質譜圖的性質。

圖9 不同流動相條件下MOC-16包裹客體芘質譜圖Fig.9 Mass spectra of MOC-16 encapsulated guest pyrene under different mobile phase conditions

2.3.2 離子源電壓調節 以圖10中相對強度最高的+10 價峰為例，在離子源為2 000 V 的測試條件下，與MOC-16 的測試結果類似，質譜中產生大量碎片離子峰，不會出現明顯高價峰；當離子源電壓變為3 500 V 時，出現高價峰信號，質譜峰的Res. 平均值為28 761.96，S/N為2 047.92；當離子源電壓增加到5 000 V 時，出現大包峰，且不會產生明顯的主客體作用導致的質譜峰位移。增加離子源電壓導致質譜圖譜中主客體結合數目減少甚至消失，這種現象在文獻報道中普遍存在［21］。因此，在對MOC-16 主客體質譜測試中，選擇離子源電壓為3 500 V。

圖10 不同離子源電壓條件下MOC-16包裹客體芘質譜圖Fig.10 The ESI-TOF of MOC-16 adding guest pyrene under different ion source voltage conditions

2.4 MOC-16與芘主客體質譜分析

通過以上實驗結論，在MOC-16 測試中得到的最佳測試條件同樣適用于主客體作用的質譜測試中。

在ESI-TOF 圖譜中可以看出，MOC-16 加入客體芘的質譜峰分布在m/z為680～1 300 區域，可為4 組峰，每組峰的價態相同，以m/z值由大到小排列對應為+8到+11價峰（圖11）。

圖11 MOC-16包裹客體芘質譜圖Fig.11 The ESI-TOF of MOC-16 adding guest pyrene

將圖12a 與圖12b 對比可看出，相同價態的峰發生位移，位移相差的數值恰好為一個芘分子的質量。通過表1可以看出，由于引入客體，質譜測試的體系中整體純度下降，雖然經過條件優化，但譜圖整體性質明顯下降。這種現象在金屬-有機超分子籠的主客體質譜中十分常見［22］。因此，在質譜圖中，+12 價、+8 價和+7 價峰以及結合芘分子的質譜更多無法在質譜上反映出來。下面將對典型峰進行軟件擬合分析。

表1 MOC-16與MOC-16加入客體芘的+10價峰質譜圖性質參數對比表Table 1 The comparison of the mass spectrum property parameters of MOC-16 and MOC-16 adding+10 peak guest pyrene

圖12 MOC-16與加入客體芘后的電噴霧飛行時間質譜Fig.12 The ESI-TOF of MOC-16 and MOC-16 adding guest pyrene

通過軟件模擬， 該+11 價峰被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-8H+）20++9（BF4-）］11++C16H10結合水的峰，即組成籠子的金屬配體RuL3上的咪唑基團NH可脫去質子，一共脫掉9個質子后，籠子為+20價，再加上9 個四氟硼酸根后，籠子最終為+11 價（圖13a）。

類似的， +10 和+9 價峰分別被歸屬為［（Pd6（RuL3）8-9H+）19++9（BF4-）］10++C16H10結合水的峰（圖13b），以及［（Pd6（RuL3）8-10H+）18++9（BF4-）］9++C16H10結合水峰（圖13c）。

圖13 MOC-16加入客體芘后理論值與實驗值對比Fig.13 Comparison between theoretical and experimental values of MOC-16 after adding guest pyrene

3 結 論

本研究采用電噴霧飛行時間質譜，對典型的金屬-有機超分子籠化合物MOC-16 及其加入客體芘之后的產物進行了質譜分析。通過比較不同測試條件下譜圖性質和質譜峰形，總結適合的測試條件，并以核磁共振圖譜佐證。較好地對MOC-16進行了質譜表征和分析，利用電噴霧飛行時間質譜證明了MOC-16 在水中會與芘發生主客體作用，為類似的金屬-有機超分子籠的質譜測試和主客體質譜測試提供了幫助。