張凱林, 周 敏, 石瑩瑩, 李樹奇, 馬利福, 張先燚*, 汪 曣, 孔祥蕾, 4*

1. 天津大學精密儀器與光電子工程學院, 天津 300072 2. 南開大學化學學院，元素有機化學國家重點實驗室，天津 300071 3.安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000 4.南開大學化學科學與工程創(chuàng)新中心，天津 300071

引 言

隨著質(zhì)譜技術和激光技術的發(fā)展，“Action Spectroscopy”(“行動光譜”)的方法已經(jīng)成為氣相離子化學研究中最有優(yōu)勢的方法之一[1-6]。在這類實驗中，光譜數(shù)據(jù)是通過對逐一改變激光波長所記錄的質(zhì)譜信號變化來進行推導得到的，這也使目標離子的濃度不再是離子光譜獲取的關鍵因素。一方面，該方法的研究對象具有超強的延拓性，從小分子以及其相關的團簇分子延伸到生物分子及其相關化合物分子； 另一方面新的儀器和方法也可以及時被引入，如目前可使用的不同類型可調(diào)諧激光器，其波長范圍可從紫外波段覆蓋到紅外波段。而裝備了不同類型離子源和質(zhì)量分析儀的質(zhì)譜儀也在不停地發(fā)展和更新中[1-2, 7-8]。

隨著高分辨質(zhì)譜分析和光解離光譜分析等方法的快速發(fā)展，也出現(xiàn)了一些問題亟待解決。例如，在針對離子的光解離光譜實驗中，隨著激光的可調(diào)諧范圍變得越來越寬，越來越多的質(zhì)譜和光譜數(shù)據(jù)需要進行采集和分析，會急劇增加工作量和時間。為了解決這一問題，不同課題組采用了不同的方法。如FELIX自由電子激光實驗室使用自編的控制軟件通過Bruker TrapControl程序自帶的XML腳本接口以及質(zhì)譜儀的硬件控制輔助接口實現(xiàn)對激光及質(zhì)譜儀的控制[9]； 有研究使用Labview通過激光器以及質(zhì)譜儀的輔助接口實現(xiàn)光解離光譜的獲取[7]； 有研究使用Bruker公司的Amazon SL離子阱質(zhì)譜儀，借助商業(yè)軟件預留的SpectraScan LabView接口實現(xiàn)光解離光譜的掃描[10]?？紤]到不同研究小組的研究平臺和儀器有著非常大的差別，同時向儀器制造商定制非標準軟件產(chǎn)品在很多情況下都不現(xiàn)實，所以非自動化采集數(shù)據(jù)的做法依然廣泛地存在于眾多實驗室中。這些數(shù)據(jù)的采集工作不僅耗費人力和時間，還會在實驗中不可避免地產(chǎn)生人為錯誤，降低了數(shù)據(jù)的可靠性和可比性。

另一方面，收集的大量實驗數(shù)據(jù)中也包含很多相關的結構信息，以及所研究體系的光譜與動力學信息，但這些信息通常很難直接得到體現(xiàn)。即使一些用于質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析的商業(yè)軟件可供選擇，但受數(shù)據(jù)格式轉換、 分析模型、 分析目標以及其價格等多方面因素的制約，這些軟件也很難直接應用到實際研究之中。同時在數(shù)據(jù)分析和處理方法中存在很多新的科學問題，因而急需開發(fā)出針對用戶實際需要的數(shù)據(jù)分析方法和相應的軟件是急需的。

本研究開發(fā)了用于光解離光譜分析的軟件程序，并與本實驗室近期搭建的光解離光譜實驗平臺進行了集成，其中包括一臺FT-ICR質(zhì)譜儀以及兩臺由不同廠商制造的可調(diào)諧OPO激光器。目的在于實現(xiàn)光解離質(zhì)譜數(shù)據(jù)的自動采集，并實現(xiàn)光解離光譜實驗數(shù)據(jù)的自動分析。該軟件的可行性已經(jīng)在實際應用中得到了展示，其中數(shù)據(jù)分析的過程也極大地提高了實驗效率。

1 實驗部分

1.1 樣品

Tetraphenylporphyrin(TPP)在艾覽(上海)化工科技有限公司購買，tetra(4-carboxypheyl)porphyrin(TCPP)在北京伊諾凱科技有限公司購買，tetra(4-aminophenyl)porphyrin(TAPP)在天津希恩思生化科技有限公司購買。這些分子的結構如圖1所示。所有樣品沒有經(jīng)過任何前處理。為在串聯(lián)質(zhì)譜實驗中得到穩(wěn)定的離子信號，對不同樣品的溶液配比及濃度進行了優(yōu)化。TPP以10 μmol·mL-1的濃度溶解在配比為二氯甲烷∶乙酸=98∶2的溶液中； TCPP以5 μmol·mL-1的濃度溶解在配比為甲醇∶乙酸=98∶2的溶液中TAPP以1 μmol·mL-1的濃度溶解在配比為二氯甲烷∶甲醇∶乙酸=49∶49∶2的溶液中。

圖1 三種不同取代基的卟啉類化合物(a)： 4苯基卟啉； (b)： 四對羧基苯基卟啉；(c)： 四對氨基苯基卟啉Fig.1 Three species porphyrins compoundswith different substituents(a)： TPP； (b)： TCPP； (c)： TAPP

1.2 裝置

所使用的裝置已在之前的工作中做出過較詳細的說明[2, 11-12]，在此只做簡單說明。如圖2所示，光解離光譜使用一臺7.0 T傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR)質(zhì)譜儀結合兩臺可調(diào)諧激光器獲得。電噴霧離子源(ESI)的探針電壓設置在2.8 kV用于將樣品電離。2臺可調(diào)諧激光器被集成在系統(tǒng)之中： 第一臺為桌面式可調(diào)諧OPO(EKSPLA, NT-342C, 立陶宛)，其輸出的激光可調(diào)諧范圍為192～2 600 nm； 另一臺可調(diào)諧激光器為可產(chǎn)生2 600～3 700 nm紅外激光的桌面式OPO(Msquared Firefly-IR，英國)。目標離子使用“Stored Waveform Inverse Fourior Transform” (SWIFT)的方法進行選擇。紫外-可見激光(單脈沖能量約為1～1.5 mJ，實驗在210～700 nm波段內(nèi)進行掃描)的光路與ICR分析池同軸，穿過一個CaF2窗口法蘭被引入到ICR分析池中用以光解離實驗。兩臺激光器的光路可通過改變光學真空腔內(nèi)其所對應反射鏡的位置進行切換[11]。激光照射時間為2 s使用一個機械快門(Sigma-Koki, 日本)進行控制，其控制信號由FT-ICR質(zhì)譜儀的內(nèi)部時序提供。實驗數(shù)據(jù)全部通過自主開發(fā)的程序進行控制而獲得。

圖2 實驗裝置Fig.2 A Picture of the experimental setup

2 結果與討論

2.1 AutoMS程序設計

AutoMS程序由彼此獨立的兩個部分所組成。第一部分AutoSpecMS用于自動數(shù)據(jù)采集； 第二部分AutoDataMS用于自動數(shù)據(jù)分析。兩部分程序可以彼此獨立運行。

AutoSpecMS使用Python語言進行編寫，是一種面向?qū)ο缶幾g的腳本語言。其所需要解決的關鍵問題是在Windows操作系統(tǒng)下將三臺產(chǎn)自不同廠商的商業(yè)儀器有序地集成在一起，并自動地獲取光解離質(zhì)譜與光譜數(shù)據(jù)。三臺商業(yè)儀器分別為7.0 T IonSpec FT-ICR質(zhì)譜儀、 EKSPLA NT-342C 可調(diào)諧OPO(激光覆蓋范圍192～2 600 nm)以及Msquared Firefly可調(diào)諧OPO(激光覆蓋范圍2 500～3 700 nm)。為解決上述問題，兩臺激光器和一臺質(zhì)譜儀分別抽象化成類(class)對象OPO_NT，OPO_Firefly和FT_MS。當在主程序中調(diào)用它們時，分別進行實例化，從而實現(xiàn)控制。在與商業(yè)儀器進行通訊的過程中，主要采用Python語言的pywin32擴展庫及selenium擴展庫，分別實現(xiàn)NT-342C激光器控制軟件，傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀控制軟件及Firefly-IR激光器網(wǎng)頁控制軟件的通訊。

AutoSpecMS程序的流程圖如圖3(a)所示，在此做以簡要說明：

(1) 用戶設置采集光譜的波長范圍(a1,a2)，并初始化變量i的值為a1;

(2) 判斷i的值是否小于a2，若小于a2，則執(zhí)行步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(9)；

(3) 與激光器建立通訊，并實現(xiàn)控制；

(4) 設置激光器波長的值為inm;

(5) 與7.0 TFT ICR MS 建立通訊，并實現(xiàn)控制；

(6) 采集波長inm下的光解離碎片離子質(zhì)譜圖；

(7) 以特定的文件名稱自動保存步驟(6)中采集的質(zhì)譜圖至用戶指定的文件夾；

(8) 更改i的值，令i=i+1，并執(zhí)行步驟(2)；

(9) 關閉激光器，結束數(shù)據(jù)采集。

圖3 程序流程圖(a)： AutoSpecMS； (b)： AutoDataMSFig.3 Software design flow charts(a)： AutoSpecMS； (b)： AutoDataMS

AutoSpecMS程序可以根據(jù)用戶的需要自動采集大量串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)。例如，如果需要獲取某些分子在211～710 nm波段，掃描步長為1 nm的紫外-可見光解離光譜，需要采集總共500張高分辨質(zhì)譜。如果實驗需要在每個波長下重復3次以獲得實驗的誤差閾值，那么總共的質(zhì)譜采集數(shù)據(jù)則為1 500張。不同于其他質(zhì)譜儀，F(xiàn)TICR質(zhì)譜儀的數(shù)據(jù)量大，計算機處理速度是比較慢的。而這樣大量的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)的分析需要耗費巨大的人力。同時在長時間的重復實驗當中，人為引入的錯誤很難被發(fā)現(xiàn)。因此對數(shù)據(jù)進行自動化分析是不可或缺的。程序的第二部分AutoDataMS就是為了達到此目的而設計的，這部分程序使用MATLAB進行編寫，其程序流程如圖3(b)所示，主要的步驟為：

(1) 用戶設置源文件路徑，光譜強度數(shù)據(jù)保存的路徑及文件名，信噪比，采集光譜的波長范圍(a1,a2)，并初始化變量i的值為a1;

(2) 判斷i的值是否小于a2，若小于a2，則執(zhí)行步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(9)；

(3) 對inm的時域質(zhì)譜信號數(shù)據(jù)進行快速傅里葉(FFT)變換，得到質(zhì)荷比對應強度信息的質(zhì)譜圖；

(4) 對步驟(3)得到的質(zhì)譜圖進行噪聲信號的評定;

(5) 獲取inm質(zhì)譜圖中滿足信噪比要求的碎片離子強度值；

(6) 根據(jù)式(1)算出inm目標離子的光譜強度值

(1)

式(1)中If表示碎片離子的強度值，Ip表示母體離子的強度值；

(7) 保存inm質(zhì)譜圖中的碎片離子強度值以及光譜強度值；

(8) 更改i的值，令i=i+1并執(zhí)行步驟(2)；

(9) 繪制光譜圖，結束數(shù)據(jù)處理。

為了使用戶便于操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析過程的可視化，本研究使用MATLAB的GUI編程語言進行了人機交互界面的編寫。如圖4所示，人機交互界面被分為參數(shù)設置區(qū)、 功能區(qū)和結果顯示區(qū)。圖中左側部分為參數(shù)設置模塊，包括源文件名稱、 質(zhì)荷比范圍、 激光掃描范圍、 掃描步長、 信噪比閾值、 母離子質(zhì)荷比、 質(zhì)譜儀采樣頻率以及輸出文件名等。圖中右側區(qū)域為用于結果的展示模塊，將數(shù)據(jù)可視化的展現(xiàn)給用戶，方便用戶瀏覽實驗結果。圖中以一個3D光譜為例，作為展示結果，實驗波長掃描范圍為210～700nm，質(zhì)荷比范圍為m/z400～630。其中所有的質(zhì)譜和光解離光譜數(shù)據(jù)都可以被保存成為常規(guī)數(shù)據(jù)文件，方便使用其他分析軟件進行下一步處理，比如Origin或Excel。

圖4 AutoDataMS程序界面Fig.4 The interface of the AutoDataMS program

2.2 實驗結果

為證明上述軟件程序的可行性，選取了幾種卟啉衍生物分子，開展了光解離質(zhì)譜和光譜實驗。作為一類大共軛體系的分子，卟啉類分子在集光、 能量、 電子轉移反應和催化等方面有著非常重要的作用，并受到廣泛關注。卟啉及其衍生物分子具有很強的光吸收和光致發(fā)光性質(zhì)，其分子結構及化學性質(zhì)也被眾多專家、 學者所研究[13]。例如，Seo等利用離子遷移質(zhì)譜儀結合紅外多光子解離光譜的方法研究了Protoporphyrin IX早期聚合物的結構等性質(zhì)[14]。Chen等使用177 nm純固態(tài)深紫外激光發(fā)現(xiàn)TPPs的電離能可達7.0 eV[15]。J?ger等使用一臺商業(yè)FT-ICR質(zhì)譜儀(Bruker Apex Ⅱ)結合一臺納秒脈沖OPO，研究了不同種類M(Ⅱ)-meso-tetra-(4-sulfonatophenyl)-porphyrin (M=Pd, Cu和Zn)化合物在410～650 nm波段內(nèi)的“action”光譜[16]。

實驗中，波長掃描范圍為210～700 nm，掃描步長為2 nm。利用AutoSpecMS實現(xiàn)了質(zhì)譜數(shù)據(jù)的自動獲取和保存。在FT-ICR質(zhì)譜上采集每張光解離質(zhì)譜圖所需要的時間大概為13s，每種化合物的光解離光譜實驗在無人為干預的情況下可在1 h內(nèi)完成。

圖5展示了質(zhì)子化的TPP，TCPP和TAPP紫外-可見波段的光解離光譜。三種化合物的離子在420～460 nm波段內(nèi)都出現(xiàn)了較明顯的吸收。TCPP的吸收在紫外波段內(nèi)的吸收最強，且吸收帶也是最寬的，其余兩種化合物在此波段內(nèi)的吸收與TCPP相比較弱。在500～650 nm波段內(nèi)，TPP和TCPP都有很強的吸收，但是TCPP的吸收帶要明顯窄于TPP，然而TAPP與另外兩種化合物相比在此波段內(nèi)只可觀察到很弱的吸收。由實驗光譜可得出結論，卟啉類分子的紫外-可見光譜可因其取代基不同而進行區(qū)分。

圖5 三種不同離子的紫外-可見光譜(a)： 質(zhì)子化TPP； (b)： 質(zhì)子化TCPP; (c)： 質(zhì)子化TAPP

圖6 三種離子在不同波長激光照射下的光解離質(zhì)譜(a)，(b)和(c)分別為質(zhì)子化TPP，TCPP和TAPP在433 nm激光照射下采集； (d)，(e)和(f)為別為三者在550 nm激光照射下采集Fig.6 Photodissociation mass spectra of selected ions obtained at different wavelengths(a), (b) and (c) are the mass spectra of protonated TPP，TCPP and TAPP obtained with laser irradiation at 433 nm, while (d), (e) and (f) are ones obtained with laser at 550 nm, respectively

進一步觀察三種化合物在433和550 nm處的光解離質(zhì)譜[如圖6(a—f)所示]，發(fā)現(xiàn)三種化合物在這兩個波長的激光照射下都有很多不同的光解離通道。需要說明的是，以圖6(a)為例，圖中可看到解離峰都是由一簇峰組成，每簇離子峰由其同位素峰以及-H峰及-2H峰組成。由于圖中的空間有限，其他圖中的離子峰簇僅指認出最強的離子峰。每個被指認出的碎片離子峰使用其對應的符號及其所對應的質(zhì)荷比進行標識。圖6(a)和(d)分別為TPP在433和550 nm激光照射下的光解離質(zhì)譜。為使所展示出的質(zhì)譜圖易于解讀，不同的解離碎片使用不同的圖形符號來代替，其注釋被標注在圖6的頂端。圖中兩個波長下的光解離質(zhì)譜，可以明顯地顯示出其光譜中所對應的強吸收，這些碎片離子包括很多自由基離子。圖6(b)和(e)為TCPP的光解離質(zhì)譜，可以明顯看出其在433 nm處的光解離碎片從離子強度和種類，數(shù)量上皆大于TPP。而對于質(zhì)子化的TAPP，在433 nm處可觀察到很強的碎片離子且強度較大，但當激光調(diào)諧到550 nm時，只可觀察到較弱的碎片離子。

本文所述的軟件程序不僅可獲得目標離子的光解離光譜，同時也可以獲得單通道的光解離碎片離子產(chǎn)率譜。碎片離子產(chǎn)率譜既反映了單個光解離碎片離子隨激光波長變化的強度變化，又反映了相應的解離通道對總光譜的貢獻。圖7顯示了這三種化合物的某些光碎片離子的單通道光譜。

除此之外，如圖4所示的3D紫外-可見光譜也能以2D的形式展現(xiàn)出來。圖8為所涉及的三種卟啉衍生物分子的2D光譜，可以直接地展示出光碎片的質(zhì)荷比以及對應的激光波長。由于在紫外-可見光解離實驗中，母離子的強度始終高于其他光碎片離子，因此一條對應母離子強度的較明顯的黃色帶始終可被觀察到。對于圖8(a)中所示的m/z538碎片離子，其對應于母體離子在250～350及400～450 nm兩個波段內(nèi)的弱吸收，在550～650 nm波段內(nèi)對應的強吸收也可以被反映出來。對于TCPP和TAPP，也可輕易的看出各個光碎片的貢獻以及其紫外-可見光譜的不同[圖8(b, c)]。

圖7 三種不同質(zhì)子化離子光解離碎片產(chǎn)率光譜

圖8 質(zhì)子化離子2D光解離質(zhì)譜圖(a)： TPP； (b)： TCPP； (c)： TAPPFig.8 2D photodissociation mass spectra of protonated(a)： TPP； (b)： TCPP； (c)： TAPP

另一方面，AutoDataMS程序還可以非常方便地實現(xiàn)功能的擴展，以離子相關度分析為例加以說明。相關度分析可以使研究者得知兩個或多個變量之間的變化趨勢。之前的一些工作中曾表明，質(zhì)譜的相關度分析可提供質(zhì)譜定量分析、 離子化以及解離機理等方面信息[17]。以圖9所示的結果為例，列出了TPP(m/z615)在500～650 nm波段內(nèi)光解離后的一些主要碎片離子以及母離子的相關度分析結果?？梢钥闯?，母離子與光解離碎片離子的相關度為負，這是由于碎片離子的產(chǎn)生同時會伴隨著母離子的消耗。

3 結 論

開發(fā)了用于光解離質(zhì)譜-光譜分析研究的數(shù)據(jù)自動采集與分析軟件程序AutoMS。該程序基于本實驗室自主搭建的研究平臺設計。實驗平臺由一臺商業(yè)FT-ICR質(zhì)譜儀與兩臺商業(yè)OPO激光器組成，其光譜掃描范圍為210～3 700 nm。通過設置諸如掃描范圍、 掃描步長等重要參數(shù)之后，程序可使三臺商業(yè)儀器協(xié)同自動運行，無需人工干預采集光解離質(zhì)譜數(shù)據(jù)。該程序同時為高分辨FT-ICR質(zhì)譜及紫外-可見-紅外光解離光譜提供了豐富的數(shù)據(jù)分析手段。目標離子的光解離光譜及碎片離子的產(chǎn)率光譜皆可通過程序獲得。2D或3D光解離質(zhì)譜-光譜的獲取也可使譜圖的分析與比較更加直觀。數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析兩個模塊彼此相互獨立，程序也具有較好的可移植性與擴展性。利用本程序，在210～700 nm波段內(nèi)采集并分析了TPP，TCPP與TAPP三種化合物的紫外-可見光譜。全部光譜掃描實驗完成的時間不超過3 h。實驗結果為相關分子在光解離質(zhì)譜和光譜研究方面提供了豐富的信息。三種化合物的光解離質(zhì)譜由于其不同的碎片通道和對激光照射的不同響應而有所差異。結果展現(xiàn)出有機化合物的不同取代基對其光譜特征及光解離質(zhì)譜所產(chǎn)生的影響。因此認為這一程序的應用可以幫助研究者高效率地采集光解離質(zhì)譜及光譜數(shù)據(jù)，用于相關體系的結構及動力學研究，也可為復雜樣品的分析提供有力的技術支持。

圖9 TPP光解離碎片相關度系數(shù)表Fig.9 Correlation coefficient diagram ofTPP photodissociation fragments