电喷雾电离源（ESI源）.doc

电喷雾电离源（ESI源）原理：电喷雾电离源（ESI）作为一种常用的大气压电离源，是基于采用静电场来产生带电液滴，然后通过离子蒸发将被测物离子送入质谱分析的机理，实现被测样品分析的目的。通过采用强静电场（3-4KV），形成高密度荷电雾状小液滴，在逆向N2气流的作用下，液滴溶剂蒸发，表面积缩小，液滴表面的电荷密度不断增加，直至产生的库伦斥力与液滴本身的表面张力达到瑞利限度（Rayleigh light），液滴裂解形成更小的带电液滴，经过多次的溶剂挥发-雾状液滴裂解后，产生单个的样品气相离子，并以单电荷或多电荷的离子形式经离子光学传输系统聚焦传输后进入质量分析器。作为一种软电离技术，ESI源能直接分析溶液样品，而不需要像电子轰击、化学电离等常规电离技术存在着对分析样品的加热气化过程，适用于难挥发或热不稳定的化合物。在过去的几十年间，ESI源已经发展成为一种通用的质谱技术，涵盖的分析应用领域极其广泛，可以分析不挥发和热不稳定的化合物、分子质量范围从10u的小分子到分子量超过106u的生物大分子。结构：ESI源结构简单，主要由大气压离子化室和离子聚焦透镜构成。雾化口由双层同心管组成，外层通氮气作为喷雾气体，内层输送流动相机样品溶液，管的材质通常为不锈钢。雾化口与相距约1cm左右的接地电极之间施加3-4KV的高压，被分析样品溶液从毛细管流出时在高电场及雾化气体的作用下形成高密度电荷的雾状小液滴，在加热氮气的作用下，液滴中的溶剂快速蒸发，直到表面电荷增大到库伦斥力大于表面张力后，小液滴裂解形成更小的子液滴，子液滴中溶剂继续蒸发并再次裂解，此过程循环往复，直至将分析物离子也液态变化成气相状态，在高电场及真空梯度的作用下经传输毛细管进入聚焦传输装置聚焦传输后进入质量分析器分析检测。但是在其发展的过程中出现过多种接口，代表着发展的各个阶段及技术上的各自特点。电喷雾电离：在雾化口（喷口）与相距约1cm左右的接地电极之间施加3-4KV的高电压形成强的静电场，此高电压是起关键的离子化条件，ESI接口也因此而得名，早期的接口仅靠此高电压产生喷雾液滴，并进一步分散完成离子化过程，没有使用辅助气体。后期随着发展，引入辅助气体（喷雾气体和干燥气体）设计，也就是目前大家所说的nano-ESI接口:此离子源以其进样速度为10-100nl/min，进样量少而得名，适用于蛋白质、肽类的多电荷离子测定。Z-喷雾（Z-spray）：这是一种带有加热干燥气体的接口，干燥气体在逆流方向或垂直方向设置，喷雾为双正交Z型喷雾方式ESI源离子形成机理：ESI源离子化过程可以分成三个阶段：喷雾液滴的形成（creation of an electrically charged spray）；液滴的体积变小（dramatic reduction of the droplets size）；气态离子的形成（liberation of fully desolated ions）。以正离子模式为例，电喷雾雾化口相对于真空取样孔保持高电位，在半月型的液体表面聚集着大量的正电荷离子，液体表面的正电荷离子间相互排斥，并从雾化口尖端处的液体表面扩展出去，当静电场与液体表面张力保持平衡时，液体表面锥体的半顶角为49.3o，称之为泰勒锥，随着液滴的变小，过剩的正电荷克服液体表面的张力作用裂变成更小的小液滴，从泰勒锥的尖端溅射出来。在某种程度上可以认为电喷雾过程是一种电泳过程。形成形形成喷雾的小液滴随着溶剂挥发，液滴的体积变小，液滴表面的电荷浓度增加，当液滴表面静电库伦斥力大于液滴表面张力时，液滴会进行再次的裂变形成更小的小液滴。大量的研究表面，小液滴不会无限制的裂变下去，当液滴处于微米级别时，微液滴不在进行裂解，而是在微液滴末端溅射形成一系列的更小的液滴（这也可以解释在液滴裂变过程形成的小液滴并不是完美的球形）。根据尖端效应，电荷在液滴表面的分布也不均匀，在曲率大表面，电荷分布也多。这些在微液滴末端溅射形成的更小液滴，带走母液滴1-2%的质量，却带走了10-18%的母液滴的电荷量。这也就是所谓的液滴溅射裂解（droplet jet fission）。这一理论不仅在理论上成立，而且已经通过闪光显微镜片得到证实。根据微滴溅射理论，微液滴最终会生成簇离子和多电荷溶剂离子，无法形成单一气相离子。单一气相离子的形成机理目前主要有两种解释机理，即电荷残基机理（charged-residue model-CRM ）和离子蒸发机理(ion evaporation model-IEM)，其中CRM机理适用于大分子离子化过程分析，IEM机理可以更好的解释小分子的离子化过程。对于CRM机理，经强电场形成的带电雾滴，在电场的作用下运动，经一系列的脱溶剂裂解及微滴溅射裂解后，在溅射裂解的末端形成仅含有一个分析物分子的droplet，通过电荷转移反应，把该droplet上剩余电荷转移给分析物分子，使分析物分子电离生成分子离子。对于IEM理论，脱溶的样品离子直接从多电荷的液滴表面蒸发出来，形成气态的离子。一般离子的溶剂化能在3到6ev，在300K温度条件下，热能提供给离子逃逸溶液的能量约0.03ev，在离子蒸发的过程中，需要电场提供能量，经分析，满足离子蒸发的电场强度在109V/m，随着溶剂的挥发，最后的droplet直径尺寸在10nm左右，满足离子蒸发所需要的电场强度要求。IEM机理可以很好的表征样品分子的带电量，在溶剂脱溶的过程中，样品分子数和液滴的总电荷量保持不变，随着表面积的变小，液滴表面的电荷浓度增大，样品分子也较容易带更多的电荷。一般来讲，IEM机理是主要的电喷雾过程，但是对于大分子量的化合物，CRM机理也起到相当重要的作用，目前这两种机理都被广泛认可。而且已经有证据证明了小分子离子是通过IEM途径产生的，而多电荷的球蛋白等大分子的电离符合CRM机理。ESI源的影响因素：ESI源的离子形成除了和被分析化合物的种类有关外，还与实际的实验过程有关，诸如溶液的样品浓度、PH值、流速、表面张力；干燥气体的流量和温度；雾化气体的流量与温度；加热脱溶毛细管的温度；雾化口毛细管的内径大小及静电场的强度等都对ESI产生影响。其中PH对被测物是否能够电离有重要的影响，有的大分子对PH值的要求比较宽松，而有的生物大分子在生成多电荷离子时对溶液的PH值要求比较苛刻,PH范围比较窄，在实验的分析过程中要特别注意。PH值对离子的形成类型也有一定的影响，当检测模式在正离子模式下，被测物质形成正离子时，在较低的PH值条件下，阳离子可以通过质子化而形成带单离子，增加溶液的PH值时，检测灵敏度下降，同时分子的平均带电荷量将减少。在负离子模式下，提高PH值有助于去质子化，从而使分子的碱性集团暴露出来，提高检测的灵敏度。ESI源的应用：离子型化合物及在溶液中可以离子化（质子化化、去质子化、阳离子或者阴离子吸附）的化合物均可以用ESI源进行分析。适用于中等极性到离子型化合物的分析，可从检测分子量为10u的小分子到106u的大分子，但是对于不能离子化的中性分子则无法检测。ESI源分析过程中的样品消耗量取决于被分析物的浓度和样品的进样流速，当今的设备在满足分析要求的同时，允许更少的样品量消耗。适用于ESI源的溶剂可以是挥发性（volatile）、非极性（nonpolar）、非质子（aprotic）、半挥发性（moderately volatile）、高极性（highly polar）或者是质子化溶剂（protic）。常用的溶剂有乙醚、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、异丙醇、甲醇、乙腈、水及其混合物。根据被分析物的极性、溶剂特征及是溶液中是否存在碱金属离子，ESI源电离产生的离子类型也不相同，常见的离子类型如下表所示，但是一般不会生成激发态的离子。ESI源可以和各种质量分析器耦合利用，在实际的工作中，可以根据分析样品的