针对金属配合物的软电离源质谱仪器的研制

This project aims at building a cold sonic spray with vacuum photoionization-octopole linear ion trap-TOF MS for the analysis of coordination compounds.The ion source of the instrument is combined by cold supersonic spray with vacuum UV photoionization in order to prevent the fragmentation of coordination compounds, thus molecular ion peaks can be observed in mass spectra. The mass analyzer of the instrument will be a high-resolution time-of-flight analyzer, which has a mass upper limit no less than 10E4Th, and has a mass resolution higher than 10E4. The instrument will present important evidence for the identification of the composition of a complex via the determination the molecular weight of the complex. The precise mass spectra data are essential support for X-ray single crystal structural analysis when it is difficult to differentiate the identities of atoms with close atomic numbers or structural disorders exist. MS analysis can also be a tool to present information about whether a complex retains its solid state structure in solution, to monitor synthetic reactions so as to investigate reaction processes and formation mechanisms. The building and application of this instrument will make a new type of mass spectrometer available, promote effectively the development of coordination chemistry and related disciplines, and assure China an advantageous position in the international competition in related research fields.

本项目拟研制一种针对金属配合物分析的低温声速喷雾-真空光电离-八级线性离子阱串联飞行时间质谱仪器。该仪器离子源将低温超声喷雾和真空光电离相结合，使配合物离子基本不发生解离，从而可以在质谱中观察到明确的分子离子峰。仪器的质量分析器拟采用高分辨率飞行时间质谱仪，质量检测范围宽(M/z不低于10E4Th)，质量分辨率优于10E4。该仪器将可以确定配合物的分子量，为确定其组成提供重要的证据，成为X射线单晶结构分析的重要的补充。仪器提供的质谱分析还可以用于明确金属配合物的固态结构在溶液中是否发生变化，并可监测合成反应，研究和认识配合物的形成过程和机理。该仪器的研制和应用，可以弥补此类质谱仪器的空白，有力地推动配位化学及相关学科的发展，使我国化学界在国际相关研究领域的竞争中处于有利的地位，并进一步通过其商品化，为我国质谱仪器跻占国内外市场迈出重要的一步。

本项目旨在为配位化学研究提供质谱研究手段。配位化学是国内近年发展最为迅猛的化学学科之一，但是对配位化合物的表征基本上依赖于X射线单晶衍射方法。与X射线衍射方法相比，质谱分析可以明确无误地确定所观察到的离子（包括其同位素）的质荷比，由此推测其组成，而且可以分析溶液中的各种成分，因此可以弥补上述X射线衍射方法的不足，在许多情况下，能够成为X射线单晶衍射方法的重要的、必不可少的补充。更重要的是，质谱可以跟踪反应的产物和过程，这是其他表征方法难以实现和替代的。. 然而，目前国际上已有的质谱仪器分别着眼于有机化合物（包括生物大分子）或无机化合物的分析测试，却没有一种质谱仪是针对分析金属配合物这类无机—有机杂化体系所设计的。有机化合物由共价键组成，无机化合物则由共价键、离子键或金属键组成（而且分析时只需确定其组成原子或离子），而金属配合物则包含了共价键、离子键、配位键等三种化学键（其中金属原子簇配合物很可能包含金属键），其中配位键等相对较弱。因此，它们在电离的过程中极易发生解离而不能得到所需要的分子离子峰。另一方面，金属配合物中的金属部分在分析过程中容易沉积在质谱仪内，造成信号污染并降低仪器的性能，因此绝大多数商用质谱仪器均不宜应用。. 经过本项目四年的努力，以实现金属配合物的软电离为研究目标，选择了合适的离子源包括相应的方法和条件，改进和优化了离子的传输过程，选择了合适的质量分析器并且优化了其质量分辨能力，在此基础上研制了三台各具特色、适合分析和研究不同形态的金属配合物的质谱仪器。在研制的质谱仪器上，通过对一系列金属配合物的质谱分析，明确了金属配合物的电离方式，研究并确定了各种分析条件对金属配合物稳定性的影响，认识了影响金属配合物稳定性的机理，实现了各种金属配合物的软电离，基本上都能产生分子离子峰，并在此基础上开展了金属配合物、特别是金属原子簇配合物的分析和研究，研究了它们的组成分布、结构和反应，取得了仪器应用研究的初步成果。