ForMileS：一个用于生成串联质谱碎片离子分子结构的Python开源程序

《ACS Omega》：ForMileS: A Python Open-Source Program to Generate Molecular Structures for Tandem Mass Spectrometry Fragment Ions

ForMileS是一种基于分支与边界算法的Python开源工具，用于根据MS2数据生成符合分子式、电荷状态和精确质量约束的碎片离子结构。其核心是通过预定义的分子骨架（BMS）减少组合爆炸，但计算效率较低，仅适用于小分子（如C6O3H19）。结构生成后需结合能量计算验证合理性，并强调BMS选择对结果的影响。

　　本文讨论了一种新的分子结构生成工具——ForMileS，它旨在为质谱分析中的碎片离子生成合理的结构模型。质谱技术，特别是串联质谱（MS2），在化学研究中扮演着重要角色，但其碎片化机制仍不完全明确。生成合理的碎片离子结构是解析这些机制的关键挑战之一，因为实验数据通常不直接提供碎片离子的结构信息，而是给出精确质量、电荷状态和碰撞能量等参数。ForMileS通过结合分子式、电荷状态、精确质量以及前体离子的结构特征，采用了一种简化版的分支限界（branch-and-bound, B&B）算法，以生成符合实验数据的碎片离子结构集合。

在质谱分析中，分子离子（即前体离子）通常通过不同的方法进行碎片化，其中最常见的就是碰撞诱导解离（CID）。这一过程生成的碎片离子集合被记录在质谱图中，用于进一步的化学分析。然而，为了理解这些碎片化过程的反应路径和能量壁垒，需要知道碎片离子的结构信息。现有的理论方法，如过渡态理论和Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus（RRKM）理论，都依赖于前体和碎片离子的结构信息来进行建模。因此，生成碎片离子的可能结构对于理论研究至关重要。

ForMileS的设计初衷是为了解决这一问题，通过结合分子式、电荷状态、精确质量以及前体离子的结构信息，生成一组可能的碎片离子结构。程序使用B&B算法，从用户提供的SMILES格式的模板开始，逐步构建分子图。该模板代表了前体离子的一个基本结构，称为基础分子支架（Base Molecular Scaffold, BMS）。通过这种方式，ForMileS确保生成的结构保留了前体离子的关键特征，从而提高了结构预测的准确性。

程序的输入包括分子式、BMS、电荷状态、精确质量以及相关的参数，如允许的双键和三键数量、环状结构的生成等。通过这些输入，ForMileS可以生成符合实验数据的分子结构，并利用RDKit工具进行结构的验证和去重。生成的结构可以以SMILES格式、PNG/SVG图像、MOL/XYZ坐标文件等形式输出，便于后续的计算化学分析和可视化。

在实现过程中，ForMileS采用了Python语言，因其代码简洁、可读性强，且拥有丰富的科学计算库，使得化学家能够更方便地使用和修改程序。与传统的编译语言（如C、Java或Fortran）相比，Python的使用提高了程序的可访问性和灵活性，尤其适合那些缺乏深厚编程背景的实验化学家。此外，程序利用了RDKit的强大功能，如读取和处理化学数据、生成SMILES字符串、进行几何优化和频率计算等，从而增强了其在计算化学领域的适用性。

ForMileS的主要贡献在于将B&B算法与质谱分析的特定参数相结合，以生成更符合实验条件的分子结构。程序通过递归地构建分子图，并在每一步中应用严格的约束条件，如原子价、键的类型和环的生成等，确保生成的结构在化学上是合理的。然而，尽管ForMileS能够成功生成合理的结构，但其在处理大规模分子时仍面临性能瓶颈。程序中的完全组合电荷生成步骤和未优化的B&B方法限制了其适用范围，使其更适合小分子结构的分析。

在实际应用中，ForMileS被用于分析聚丙二醇八聚体（PPG8）和二丙二醇二甲醚（DGDE）的碎片离子结构。PPG8的三个主要碎片被选为案例研究，以展示BMS在生成结构中的重要性。结果显示，BMS的选择对最终结构集的大小和生成时间有显著影响。此外，通过相对能量计算（如密度泛函理论，DFT），验证了生成结构的合理性，表明某些结构在气相中更为稳定。

对于DGDE的最小碎片F1+，ForMileS揭示了只有线性双键结构或环状结构才可能符合其分子式和精确质量。其中，线性双键结构在能量上更为有利。尽管程序能够生成这些结构，但其性能仍受限于完全组合的电荷生成步骤和未优化的B&B方法。因此，作者建议未来通过引入启发式方法和能量过滤机制来优化程序的性能，以提高其在更大分子中的适用性。

综上所述，ForMileS为质谱分析中的碎片离子结构生成提供了一种新的工具，结合了B&B算法和质谱数据的特定参数。尽管其在处理小分子时表现良好，但在处理复杂分子时仍需进一步优化。程序的开放源代码特性使其易于修改和扩展，适合化学研究者在特定的质谱分析背景下进行探索和应用。通过合理选择BMS和应用额外的过滤条件，ForMileS有望在未来成为一种更高效、更准确的分子结构生成工具。