研 究 报 告

    多孔硅表面的激光解吸离子化质谱

    张清春 邹汉法3

    张 强 郭 忠 姜泓海 倪坚毅 陈小明 (中国科学院大连化学物理研究所国家色谱研究分析中心 ,大连 116011)

    摘 要 多孔硅表面的解吸离子化质谱是一种新的生物质谱分析方法。克服了 MALDI 2TOF 2MS中的基体干

    扰 ,适合进行小分子分析。提出了新的样品制备方法 ,可以扩大测定范围 ,消除吸附杂质的干扰。发现该方法

    与多孔硅的光致发光特性及表面疏水性无关。具有纳米结构的多孔硅作为该方法中能量的接收器。利用

    DIOS方法分析了氨基酸、肽、蛋白、糖等样品。此方法用于环糊精合成产物的分析 ,也得到了较好的结果。

    关键词 多孔硅 ,解吸离子化质谱 ,小分子分析

    2001201208收稿;2001207216接受

    本文系国家杰出青年基金资助项目(No. 29725512)

    1 引 言

    近10年来 ,多孔硅表面的解吸离子化飞行时间质谱(matrix2assisted laser desorptionP ionization time2 of2

    flight mass spectrometry , MALDI 2TOF2MS)在生物化学和分析化学领域已获得了广泛的关注和应用。它的

    成功之处在于采用有机基体。在激光照射下 ,基体吸收能量而被气化 ,携带完整的待测物分子进入气

    相 ,然后根据待测物飞行时间的不同而被检测。在基体引入之前 ,对于生物分子 ,激光的能量足以使它

    们分解。显然 ,基体的存在对于能量传递以及保持分子的完整性有极其重要的作用〔 1～3〕。但是基体的

    引入导致了两方面问题:其一 ,基体的存在不可避免地导致了低分子量处基体相关峰引起的背景干扰 ,限制了该方法在小分子分析中的应用〔 4〕;其二 ,样品制备的复杂化。基体种类的选择 ,基体浓度的大小 ,以及基体与分析物浓度的配比 ,都会影响信号强度和分辨率。对实际样品来说 ,其组成一般都很复杂 ,不能给出低分子量端的信息 ,无疑限制了 MALDI 2TOF2MS的应用范围。用MALDI 2TOF2MS技术进行低

    分子量化合物的分析受到了人们越来越多的关注〔 4～7〕。

    1990年 Canham〔 8〕首次报道了室温下多孔硅在可见光区的强光致发光现象以来 ,多孔硅已经成为国

    内外半导体领域、纳米材料领域的研究热点之一。多孔硅是由大量晶体结构的柱状或球状硅组成的 ,并

    呈现一种有序结构。人们普遍认为多孔硅的有效发光源于多孔硅生成过程中形成的纳米结构 ———硅量

    子或量子点。因为多孔硅是由含非常大的表面与容积比的微小结构组成 ,氧化速度快且内部表面活性

    大 ,结构上的奇特性使它在越来越多的领域得到了应用。

    多孔硅表面的解吸离子化质谱〔 9〕(desorption2ionization mass spectrometry on porous silicon , DIOS) ,是由

    Buriak等于1999年提出的一种新的生物质谱分析方法。这种方法利用多孔硅的特殊结构来吸收和传

    递能量 ,在分析样品时不需要加入基体 ,只需将样品直接点在多孔硅表面即可 ,消除了基体引入的背景

    干扰。相对于其它表面的直接解吸离子化技术〔 10 ,11〕,该方法避免了激光直接照射下分子的快速降解。

    因此 ,该方法在克服基体干扰 ,维持生物分子的稳定性 ,以及简化样品制备等方面都显示了很大的优势。

    此外 ,多孔硅的表面可以进行多种衍生化处理〔 12～14〕,使该方法有更大的应用潜力。当前多数 MALDI 2

    TOF2MS仪器都可以通过修饰MALDI样品靶来进行 DIOS分析。本文所述工作对Buriak 提出的多孔硅

    表面点样方法进行了改进 ,扩大了分子量测定范围 ,消除吸附杂质的干扰。并用此方法进行了分子量

    89～12000Da的氨基酸、肽、蛋白、糖、聚合物的分析。所制多孔硅的孔隙率约为 95 %。将这种方法

    用于环糊精合成产物的分析 ,也得到了满意的结果。我们同时考察了多孔硅的疏水性、光致发光性对

    第29卷

    2001年12月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究报告

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第12期

    1365～1369DIOS分析的影响情况 ,并探讨了可能的机理。

    2 实验部分

    2. 1 仪器、试剂与材料

    Biflex

    TM

    Ⅱ型MALDI 2TOF2MS质谱仪(德国Bruker公司) ,仪器采用N2 激光器 ,波长为337 nm ,激光脉

    冲宽度为3 ns。激光能量可在150～200μ L 范围内调节。超声波发生器(北京天鹏电子新技术有限公

    司) 。胰岛素B、蜂毒素(购自美国Sigma 公司) ;肽(购自Serva 公司) 。其它国产有机试剂均为色谱纯 ,无

    机试剂为分析纯。所有实验用水均经过Milli2Q水处理系统处理。n 型(100)硅晶体的电阻率是(1～2)

    × 10

    - 2

    Ω· cm ,厚度为0. 381 ± 0. 115 mm(购自北京有色金属研究总院) 。

    2. 2 实验方法

    多孔硅制备采用自制的电解装置(图略) ,铂丝作为阴极 ,硅片作为阳极 ,电解液采用 49 %的氢氟酸

    和无水乙醇的等体积混合溶液。由于氢氟酸的腐蚀性 ,电解池采用聚四氟乙烯材料。硅片后面置一铝

    片用来增加硅的导电性。将硅片切成约1. 2 cm2

    的正方形 ,置于铝片上 ,硅片和电解池相连处用封口膜

    来防止渗漏 ,缓冲压力。加入电解液 ,接通电源后 ,用300 W碘钨灯照射 ,通过滑线变阻器控制恒定电流

    为95 mA ,反应45 min后 ,分别用水和无水乙醇冲洗 ,氮气吹干 ,置于真空干燥器保存。

    3 结果与讨论

    3. 1 多孔硅制备方法

    多孔硅的制备方法〔 15～17〕目前主要有化学腐蚀、阳极电化学腐蚀、火花腐蚀和水热腐蚀 4 种。化学

    腐蚀法〔 12 ,18～21〕是将硅片直接放入腐蚀液中反应30 s到10 min。电化学腐蚀法〔 13 ,14〕是利用阳极恒电流氧

    化获得多孔硅。依据文献分别考察了5种化学腐蚀方法获得的多孔硅。这5种方法所用的腐蚀液分别

    是49 %HF∶ 70 %HNO3∶ H2O = 1∶ 5∶ 10 ; 2 g NaNO2 加入 100 mL HF ; 0. 2 g Cr2O3 加入 100 mL HF 中;

    HF∶ HNO3∶ CH3COOH∶ H2O = 1∶ 2∶ 1∶ 4 ; HF∶ HNO3∶ H2O = 1∶ 3∶ 5。实验结果发现 ,第一种和第二种方法所获

    得的多孔硅用于DIOS分析可得到相对较好的谱图。但是化学腐蚀方法所得多孔硅表面很不均匀 ,只有

    一些斑点位置被腐蚀。利用其进行样品分析时 ,出峰几率较低。目前 ,多孔硅的制备多采用阳极恒电流

    电化学腐蚀方法。该方法所得到的多孔硅呈均匀的深黄色 ,用于质谱分析可以得到理想的谱图。文中

    谱图所用多孔硅均系电化学腐蚀法制备。

    3. 2 DIOS法用于氨基酸、肽等的分析

    由于DIOS法可以克服MALDI 2TOF中低分子量物质测定时的基体干扰 ,所以 ,用此方法进行了氨基

    酸和小分子肽的分析。对十余种氨基酸 Ala ,Val ,Phe ,Thr ,Leu ,Ser ,His ,Trp ,Gly ,Glu ,Asp 等进行了质谱

    分析 ,均得到了较好谱图 ......