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質譜離子源的這些事兒(2)——液質聯用的ESI和APCI源

珀金埃爾默

2019.6.20

許群

我們在上文《質譜離子源的這些事兒(1)》中，討論了與氣相色譜質譜聯用相關的EI源和CI源。今天，我們聊聊最常用于液相色譜質譜聯用的電噴霧電離源（ESI）和大氣壓化學電離源（APCI）。

電噴霧電離源（ESI）

ESI屬于大氣壓電離源（API），既是液相色譜和質譜儀之間的接口裝置，又是電離裝置。主要部件是一個多層套管組成的電噴霧噴嘴，最內層是液相色譜流動相，將被分析物分子通過毛細管帶入離子源；外層是噴射氣，常采用大流量的氮氣，使從毛細管噴出的液體高度霧化，在3–5KV的強靜電場中形成帶有電荷的高度霧狀細微液滴。此外，在噴嘴的斜前方還有一個補助氣噴嘴，其作用是使細微液滴溶劑快速蒸發。在蒸發過程中細微液滴表面電荷密度逐漸增大到某個臨界值時，離子就可以從表面蒸發出來，產生離子。單一分子形式的霧態分子可以有幾種電荷形態，經歷離子分子間碰撞后，產生多重質子化離子，也就是通常觀察到的多電荷離子，這是ESI源的最大特點。基于此，ESI源非常適合檢測帶有大量電荷的分子量巨大的蛋白質。隨后，產生的離子借助噴嘴與取樣錐錐孔之間的電壓，穿過錐孔進入質量分析器。需要注意的是，如果電噴霧噴嘴正對取樣錐孔，容易堵塞錐孔，因而常見的設計是使兩者錯開一定角度，噴霧不是正對錐孔，以減少堵塞。加到噴嘴上的電壓可正可負，得到正或負離子的質譜。ESI源原理如圖1所示。

圖1. 電噴霧電離源（ESI）原理示意圖

ESI是一種比較溫和的電離方式，亦稱“軟電離”，其優點為：

液相中的被檢測分子變成氣相離子時沒有經受外部能量的激發，因而不會發生裂解，故沒有碎片峰，稱為無碎片質譜；

可以通過碰撞誘導裂解（CID）產生碎片，從而提供分子的結構信息。由于ESI具有產生多電荷離子、對某些極性合物電離的高效率（對蛋白質接近100%）、以及軟電離等特性，使得質譜在分析極性化合物（包括溶液中的離子），熱不穩定和高分子量化合物方面成為最有效的工具之一，在諸如測定多肽、蛋白質化合物的分子量、氨基酸單位結構等生命科學、醫藥和臨床論斷等方面的研究中有重要意義。

?大氣壓化學電離源（APCI）

APCI源亦屬于大氣壓電離源（API），其結構與ESI源基本相同，主要部件也是一個多層套管組成的電噴霧噴嘴，不同之處是APCI噴嘴下游的加熱管末端放置了一個針狀放電電極（電暈針）。處于多層套管最內層的液相色譜流動相在流經毛細管后進入離子源，被套管外層的氮氣流霧化后，經過加熱管時被氣化。隨后，被霧化的流動相中的溶劑在加熱管末端被電暈針電離。這些被電離的溶劑分子與空氣中某些弱極性、中性分子電離后產生的H3O+，N2+，O2+和O+等一起充當反應氣，與霧化流動相中的被分析物氣態分子發生碰撞（碰撞反應過程包括由質子轉移和電荷交換產生正離子，質子脫離和電子捕獲產生負離子等），使被分析物分子離子化，形成離子束，隨后經過錐孔被轉移至質量分析器中進行分析。APCI源原理如圖2所示。

圖2. 大氣壓化學電離源（APCI）原理示意圖

APCI源適用于弱極性到中等極性的化合物的分析，用這種電離源得到的質譜很少有碎片離子，主要是準分子離子。APCI主要產生的是單電荷離子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。有些分析物由于結構和極性方面的原因，用ESI不能產生足夠強的離子，可以采用APCI方式增加離子產率。因此可以認為APCI源是ESI源的有效補充。

LC-MSMS在食品和中藥材中的農藥殘留檢測中應用廣泛，但經常受到以下幾個問題的困擾：

在多農殘檢測中，由于氯化農藥不含H（質子），且具有極低的質子親和力，無法使用ESI源有效電離，需使用APCI源進行電離，但更多的農藥殘留適合ESI源離子化。這樣，就需要能夠真正實現ESI源和APCI源即時切換同時使用的功能；

能否實現在ESI源和APCI源上的正、負極不同的離子化模式下同時采集數據的功能；

食品和中藥的基質復雜，即使經過嚴格的樣品前處理，仍舊會有相當數量的雜質隨同被測物進入質譜檢測系統，影響檢測靈敏度和準確性，造成離子源污染，使得離子源清洗頻次大大增加，嚴重降低工作效率；

由于農藥殘留的數量和種類日益增多，使得液相分離所用的流動相日趨復雜，對離子源的影響同樣會造成質譜檢測準確性和工作效率的下降。

為解決上述問題，人們在離子源系統中開發出了多種設計。其中，珀金埃爾默的QSight 三重四極桿液質聯用儀的雙離子源設計令人印象深刻。QSight 的離子源系統是由兩個完全獨立的離子源組成，可以采用ESI源和APCI源模式，或者任意雙源組合，并可以同時在雙源模式下進行正、負極采集模式即時切換。這套離子源系統具備自清潔功能：利用加熱誘導去溶劑專利接口技術（HSID）進一步促進離子化，提高離子傳輸效率，消除基質、溶劑等對離子源的污染；裝備有主動廢氣排放系統，有效防止交叉污染，進一步降低基質、溶劑等對離子源的污染。另外，QSight的離子源更換可以不用任何工具和斷開任何線路，僅旋轉并輕拉，輕而易舉地取出，幾秒鐘即可輕松完成源更換！并且因為離子源是從前端進行拆除，無需泄真空，并未暴露四極桿分析器，將污染風險降至最低，確保數據可靠性和工作效率。