液質(zhì)聯(lián)用中的質(zhì)譜——離子源篇
質(zhì)譜主要測(cè)定的是帶電離子的質(zhì)量，即質(zhì)荷比（m/z）。質(zhì)譜主要由幾大部分構(gòu)成：樣品入口，離子源，質(zhì)量分析器，檢測(cè)器，數(shù)據(jù)系統(tǒng)，質(zhì)量分析器和檢測(cè)器（許多質(zhì)譜的離子源）均在真空中，由真空泵來提供所需10-3-10-10 Torr的真空度。在液質(zhì)聯(lián)用中，樣品入口即液相色譜的流出端接入離子源，在離子源和質(zhì)量分析器之間的離子傳輸也挺重要，下面我們分別介紹幾大主要部分。
質(zhì)譜結(jié)構(gòu)示意圖
第1節(jié)、離子源
質(zhì)譜離子化方法的發(fā)展時(shí)間與發(fā)明者
上圖是質(zhì)譜離子化方法發(fā)展的歷史，離子源將樣品轉(zhuǎn)化為氣態(tài)離子。對(duì)于近代的LC-MS來說，主要看大氣壓離子化的發(fā)展。1968年，Dole最早發(fā)表了電噴霧電離（Electrospray Ionization，ESI）法，但尚無(wú)法分析大分子。1975年Carroll等以電暈放電（Corona Discharge）裝置取代GC-MS化學(xué)電離法中所用燈絲，在常壓下將液態(tài)樣品離子化，被稱為大氣壓化學(xué)電離（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）。John Fenn等于1988年將ESI成功用于生物大分子分析并于2002年獲得Nobel獎(jiǎng)。Robb等于2000年推出能分析低極性物質(zhì)的大氣壓光致電離（Atmospheric Pressure Photoionization，APPI）。上述類似方法被統(tǒng)稱為大氣壓電離（Atmospheric Pressure Ionization）。近年來離子化技術(shù)又非常活躍，即讓離子源能夠分析自然原始狀態(tài)（Native State）的樣品。2004年Cooks開發(fā)出解吸電噴霧電離（Desorption Electrospray Ionization，DESI）法，2005年Cody團(tuán)隊(duì)開發(fā)出實(shí)時(shí)直接分析（Direct Analysis in Real Time，DART）法。此后，人們提出許多類似的，可在大氣環(huán)境下直接分析樣品且?guī)缀醪恍枰獦悠非疤幚淼碾x子化方法（注意，這里不再使用液相色譜），被統(tǒng)稱為常壓敞開式離子化（Ambient Ionization）法。
電噴霧電離（ESI）
電噴霧離子源能夠?qū)⑷芤褐械膸щ婋x子在大氣壓下，經(jīng)由電噴霧過程轉(zhuǎn)換為氣相離子，再導(dǎo)入質(zhì)譜儀分析。John B.Fenn提出該設(shè)計(jì)，利用物理學(xué)家已知許多年的電噴霧現(xiàn)象結(jié)合質(zhì)譜儀，來精確測(cè)量蛋白質(zhì)分子量，并于1989年發(fā)表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。除了大分子的分析，電噴霧也適用于分析極性小分子，并具有極高的靈敏度，同時(shí)非常容易與HPLC在線聯(lián)用，因此是LC-MS的最主要離子源接口。
電噴霧離子化示意圖
電噴霧（ESI）的主要構(gòu)造為：主體是一支金屬毛細(xì)管噴針，內(nèi)徑約為數(shù)微米至數(shù)百微米，外層有套管，添加輔助液體和輔助氣體。于噴嘴出口1~2cm處放置一片對(duì)電極，金屬毛細(xì)管和對(duì)電極間用高壓電源制造3~6 kV的電位差，樣品會(huì)因電場(chǎng)的牽引噴霧成帶有電荷的微液滴。
通常認(rèn)為，ESI生成氣相離子的過程與機(jī)理（以ESI+舉例）為：（1）整個(gè)過程分為液滴生成、液滴縮小、氣相離子生成三個(gè)階段。（2）在強(qiáng)電場(chǎng)下，樣品溶液會(huì)形成泰勒錐（Talor cone）釋放出帶有正電荷的微液滴。（3）微液滴上的溶劑蒸發(fā)造成液滴體積縮小、表面電荷密度過大，達(dá)到雷利極限（Rayleigh limit）從而產(chǎn)生庫(kù)侖爆裂（Coulombic explosion），液滴分裂成更小的液滴。（4）爆裂后的微液滴重復(fù)多次上述分裂過程，最后產(chǎn)生不含溶劑分子的氣態(tài)被分析物離子，順著壓力差與電位差進(jìn)入質(zhì)量分析器。（5）文獻(xiàn)中曾提出“離子蒸發(fā)”和“電荷殘基”兩種模型解釋氣相離子的產(chǎn)生。
商品化的ESI離子源做了很多改良，主要包括：（1）通入氣流加速去溶劑化；（2）加熱氣流或加熱整體離子源腔體加速去溶劑化；（3）調(diào)整噴嘴與質(zhì)量分析器入口的角度（如60度或90度），用氣簾或反吹氣體，降低中性粒子的干擾。各公司商品化的儀器都會(huì)介紹各自的技術(shù)，總體而言都是加速去溶劑化，提高離子化效率，并降低中性粒子的干擾。
納噴霧電離（Nanospray Ionization）
研究發(fā)現(xiàn)，ESI離子源所產(chǎn)生的質(zhì)譜信號(hào)與被分析物在溶液中的濃度成正比相關(guān)，但與溶液的流速無(wú)關(guān)，即ESI離子源具有濃度敏感性。早期的ESI離子源噴嘴內(nèi)徑>100μm，噴霧流速約每分鐘數(shù)微升至數(shù)百微升。1994年，Wilm與Mann利用石英毛細(xì)管制成內(nèi)徑約1μm的噴嘴，可在25nL/min極低流速下穩(wěn)定電噴霧。這種稱為納噴霧離子源（Nanoelectrospray Ion Source）。這時(shí)的噴針和入口方向是平行甚至直對(duì)質(zhì)譜入口，而且能承受溶液中較高濃度鹽類污染物的影響，基質(zhì)效應(yīng)較不明顯。納噴霧離子源廣泛地用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究中，而且近年來出現(xiàn)了很多納升流速的液相色譜儀，從而使LC-MS稱為微量分析的利器。
大氣壓化學(xué)電離（APCI）
大氣壓化學(xué)電離（APCI）是將原GC-MS上使用的CI化學(xué)電離方法擴(kuò)展到大氣壓下進(jìn)行，基本原理是離子/分子反應(yīng)，但APCI借助電暈放電（Corona Discharge）產(chǎn)生試劑離子。此方法利用高電壓（5~6kV）金屬針放電產(chǎn)生等離子體區(qū)域（Plasma Region），通常以氮?dú)庾鳛樵噭怏w，經(jīng)由電暈放電產(chǎn)生一次離子，再與汽化的溶劑反應(yīng)，產(chǎn)生二次反應(yīng)氣體粒子，再與溶質(zhì)進(jìn)行離子/分子反應(yīng)，如發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而使被分析物離子化。APCI更適用于弱極性/中等極性的小分子，其在僅有電場(chǎng)作用的ESI下難以離子化。
大氣壓光致電離（APPI）
大氣壓光致電離（APPI）利用光能激發(fā)氣態(tài)被分析物分子，使其離子化為自由基離子（Radical Ion），或進(jìn)一步將被分析物質(zhì)子化生成離子。光能激發(fā)可使用各種元素?zé)簦鐨澹ˋr）燈、氪（Ke）燈、氙（Xe）燈燈，它們的光能不同。一般情況下以光能10.20eV的氪燈作光源，它能離子化大多數(shù)被分析物（離子化能7~10 eV），而不離子化溶劑、空氣分子。APPI有時(shí)也使用摻雜劑如甲苯、丙酮來幫助被分析物離子化。APPI具有分析極低極性或非極性物質(zhì)的能力。
常壓敞開式電離
2004年Cooks團(tuán)隊(duì)開發(fā)出解吸電噴霧電離（Desorption Electrospray Ioniztion，DESI）；2005年Cody團(tuán)隊(duì)開發(fā)出實(shí)時(shí)直接分析（Direct Analysis in Real Time，DART），共同特點(diǎn)是離子源能夠直接分析自然原始狀態(tài)的樣品。此后質(zhì)譜學(xué)家們已相繼開發(fā)出40余種離子化技術(shù)，統(tǒng)稱為常壓敞開式離子化（Ambient Ionization）。
DESI主要運(yùn)用電噴霧裝置以及氣動(dòng)霧化器，將溶劑霧化為帶電荷的微液滴。
DESI（解吸電噴霧電離）基本結(jié)構(gòu)
當(dāng)氣體束以入射角α撞擊樣品時(shí)，樣品表面的被分析物將溶解于微液滴內(nèi)，并于液態(tài)下進(jìn)行離子/分子反應(yīng)，產(chǎn)生被分析物離子。該過程中，氣體束的動(dòng)能必須得以釋放，所以會(huì)以β反射角將被分析物離子的微液滴濺射出去，然后飛入質(zhì)量分析器，飛行過程中會(huì)發(fā)生去溶劑和庫(kù)侖爆裂等類似ESI的機(jī)理。相比ESI，DESI的效果受到更多因素的影響，比如噴嘴及質(zhì)譜入口和樣品的距離，入射角，溶劑溶解樣品的溶解度等。
DART的電離基于激發(fā)態(tài)的原子、分子與大氣中的氣體和樣品的相互作用，氦氣被導(dǎo)入DART，在針狀電極放電后會(huì)產(chǎn)生等離子體，其中包括離子、電子和處于激發(fā)態(tài)(亞穩(wěn)態(tài))的原子及分子；等離子體中的大部分帶電粒子被接地電極去除，只有處于激發(fā)態(tài)的中性氣體分子才會(huì)被釋放到大氣中。根據(jù)需要可用加熱器加熱，以促進(jìn)樣品的汽化以及材料表面的熱解吸。正離子機(jī)理：當(dāng)激發(fā)態(tài)的氦原子與大氣中的水反應(yīng)，生成質(zhì)子化水團(tuán)簇，這些質(zhì)子化水團(tuán)族與分析物(M)發(fā)生反應(yīng)，生成質(zhì)子化陽(yáng)離子。負(fù)離子機(jī)理：激發(fā)態(tài)的原子與出口柵極、大氣中的中性粒子(N)相互作用，發(fā)生潘寧電離產(chǎn)生電子，這些電子與大氣中(G)的氣體碰童并迅速減速，又與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氧負(fù)離子。
DART原理示意圖
常壓敞開式離子化法適合分析存在于物體表面的物質(zhì)，可在現(xiàn)場(chǎng)分析，分析速度快，在環(huán)境檢測(cè)、食品安全、犯罪物證鑒定、臨床標(biāo)志物檢測(cè)等需要快速現(xiàn)場(chǎng)分析的領(lǐng)域具有前景；在近年來高熱度的質(zhì)譜成像、空間定位組學(xué)等領(lǐng)域發(fā)表了許多前沿成果。
但敞開式設(shè)計(jì)受到周圍環(huán)境干擾較大，許多商品化儀器改為了“非敞開式”，只應(yīng)用其直接分析物體表面物質(zhì)、分析速度快的特點(diǎn)，比如目前商品化的DESI等類似技術(shù)。另外一種聲波激發(fā)的新型電離（ACOUSTIC DROPLET EJECTION，ADE）方式，將樣品放在96或384孔板上，然后用聲表面波（SAW）驅(qū)動(dòng)微流體直接進(jìn)行電離分析，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)樣品/秒的高通量分析，在新藥篩選領(lǐng)域已顯示出較大的應(yīng)用價(jià)值。
接下來請(qǐng)見下篇：液質(zhì)聯(lián)用中的質(zhì)譜：離子傳輸
目錄：
前言：液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）簡(jiǎn)述
Chapter1、液質(zhì)聯(lián)用中的液相色譜
Chapter2、液質(zhì)聯(lián)用中的質(zhì)譜
2.1離子源
2.2離子傳輸
2.3 質(zhì)量分析器
2.4串聯(lián)質(zhì)譜（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）
2.5 檢測(cè)器
2.6 真空系統(tǒng)
Chapter3、液質(zhì)聯(lián)用中的數(shù)據(jù)采集和分析
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綜述
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綜述
