液质联用中的质谱——离子源篇

　　质谱主要测定的是带电离子的质量，即质荷比（m/z）。质谱主要由几大部分构成：样品入口，离子源，质量分析器，检测器，数据系统，质量分析器和检测器（许多质谱的离子源）均在真空中，由真空泵来提供所需10^-3-10^-10 Torr的真空度。在液质联用中，样品入口即液相色谱的流出端接入离子源，在离子源和质量分析器之间的离子传输也挺重要，下面我们分别介绍几大主要部分。

质谱结构示意图

　　第1节、离子源

质谱离子化方法的发展时间与发明者

　　上图是质谱离子化方法发展的历史，离子源将样品转化为气态离子。对于近代的LC-MS来说，主要看大气压离子化的发展。1968年，Dole最早发表了电喷雾电离（Electrospray Ionization，ESI）法，但尚无法分析大分子。1975年Carroll等以电晕放电（Corona Discharge）装置取代GC-MS化学电离法中所用灯丝，在常压下将液态样品离子化，被称为大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）。John Fenn等于1988年将ESI成功用于生物大分子分析并于2002年获得Nobel奖。Robb等于2000年推出能分析低极性物质的大气压光致电离（Atmospheric Pressure Photoionization，APPI）。上述类似方法被统称为大气压电离（Atmospheric Pressure Ionization）。近年来离子化技术又非常活跃，即让离子源能够分析自然原始状态（Native State）的样品。2004年Cooks开发出解吸电喷雾电离（Desorption Electrospray Ionization，DESI）法，2005年Cody团队开发出实时直接分析（Direct Analysis in Real Time，DART）法。此后，人们提出许多类似的，可在大气环境下直接分析样品且几乎不需要样品前处理的离子化方法（注意，这里不再使用液相色谱），被统称为常压敞开式离子化（Ambient Ionization）法。

　　电喷雾电离（ESI）

　　电喷雾离子源能够将溶液中的带电离子在大气压下，经由电喷雾过程转换为气相离子，再导入质谱仪分析。John B.Fenn提出该设计，利用物理学家已知许多年的电喷雾现象结合质谱仪，来精确测量蛋白质分子量，并于1989年发表实验数据。除了大分子的分析，电喷雾也适用于分析极性小分子，并具有极高的灵敏度，同时非常容易与HPLC在线联用，因此是LC-MS的最主要离子源接口。

电喷雾离子化示意图

　　电喷雾（ESI）的主要构造为：主体是一支金属毛细管喷针，内径约为数微米至数百微米，外层有套管，添加辅助液体和辅助气体。于喷嘴出口1~2cm处放置一片对电极，金属毛细管和对电极间用高压电源制造3~6 kV的电位差，样品会因电场的牵引喷雾成带有电荷的微液滴。

　　通常认为，ESI生成气相离子的过程与机理（以ESI+举例）为：（1）整个过程分为液滴生成、液滴缩小、气相离子生成三个阶段。（2）在强电场下，样品溶液会形成泰勒锥（Talor cone）释放出带有正电荷的微液滴。（3）微液滴上的溶剂蒸发造成液滴体积缩小、表面电荷密度过大，达到雷利极限（Rayleigh limit）从而产生库仑爆裂（Coulombic explosion），液滴分裂成更小的液滴。（4）爆裂后的微液滴重复多次上述分裂过程，最后产生不含溶剂分子的气态被分析物离子，顺着压力差与电位差进入质量分析器。（5）文献中曾提出“离子蒸发”和“电荷残基”两种模型解释气相离子的产生。

　　商品化的ESI离子源做了很多改良，主要包括：（1）通入气流加速去溶剂化；（2）加热气流或加热整体离子源腔体加速去溶剂化；（3）调整喷嘴与质量分析器入口的角度（如60度或90度），用气帘或反吹气体，降低中性粒子的干扰。各公司商品化的仪器都会介绍各自的技术，总体而言都是加速去溶剂化，提高离子化效率，并降低中性粒子的干扰。

　　纳喷雾电离（Nanospray Ionization）

　　研究发现，ESI离子源所产生的质谱信号与被分析物在溶液中的浓度成正比相关，但与溶液的流速无关，即ESI离子源具有浓度敏感性。早期的ESI离子源喷嘴内径>100µm，喷雾流速约每分钟数微升至数百微升。1994年，Wilm与Mann利用石英毛细管制成内径约1µm的喷嘴，可在25nL/min极低流速下稳定电喷雾。这种称为纳喷雾离子源（Nanoelectrospray Ion Source）。这时的喷针和入口方向是平行甚至直对质谱入口，而且能承受溶液中较高浓度盐类污染物的影响，基质效应较不明显。纳喷雾离子源广泛地用于蛋白质组学研究中，而且近年来出现了很多纳升流速的液相色谱仪，从而使LC-MS称为微量分析的利器。

　　大气压化学电离（APCI）

　　大气压化学电离（APCI）是将原GC-MS上使用的CI化学电离方法扩展到大气压下进行，基本原理是离子/分子反应，但APCI借助电晕放电（Corona Discharge）产生试剂离子。此方法利用高电压（5~6kV）金属针放电产生等离子体区域（Plasma Region），通常以氮气作为试剂气体，经由电晕放电产生一次离子，再与汽化的溶剂反应，产生二次反应气体粒子，再与溶质进行离子/分子反应，如发生质子转移反应，从而使被分析物离子化。APCI更适用于弱极性/中等极性的小分子，其在仅有电场作用的ESI下难以离子化。

　　大气压光致电离（APPI）

　　大气压光致电离（APPI）利用光能激发气态被分析物分子，使其离子化为自由基离子（Radical Ion），或进一步将被分析物质子化生成离子。光能激发可使用各种元素灯，如氩（Ar）灯、氪（Ke）灯、氙（Xe）灯灯，它们的光能不同。一般情况下以光能10.20eV的氪灯作光源，它能离子化大多数被分析物（离子化能7~10 eV），而不离子化溶剂、空气分子。APPI有时也使用掺杂剂如甲苯、丙酮来帮助被分析物离子化。APPI具有分析极低极性或非极性物质的能力。

　　常压敞开式电离

　　2004年Cooks团队开发出解吸电喷雾电离（Desorption Electrospray Ioniztion，DESI）；2005年Cody团队开发出实时直接分析（Direct Analysis in Real Time，DART），共同特点是离子源能够直接分析自然原始状态的样品。此后质谱学家们已相继开发出40余种离子化技术，统称为常压敞开式离子化（Ambient Ionization）。

　　DESI主要运用电喷雾装置以及气动雾化器，将溶剂雾化为带电荷的微液滴。

DESI（解吸电喷雾电离）基本结构

　　当气体束以入射角α撞击样品时，样品表面的被分析物将溶解于微液滴内，并于液态下进行离子/分子反应，产生被分析物离子。该过程中，气体束的动能必须得以释放，所以会以β反射角将被分析物离子的微液滴溅射出去，然后飞入质量分析器，飞行过程中会发生去溶剂和库仑爆裂等类似ESI的机理。相比ESI，DESI的效果受到更多因素的影响，比如喷嘴及质谱入口和样品的距离，入射角，溶剂溶解样品的溶解度等。

　　DART的电离基于激发态的原子、分子与大气中的气体和样品的相互作用，氦气被导入DART，在针状电极放电后会产生等离子体，其中包括离子、电子和处于激发态(亚稳态)的原子及分子；等离子体中的大部分带电粒子被接地电极去除，只有处于激发态的中性气体分子才会被释放到大气中。根据需要可用加热器加热，以促进样品的汽化以及材料表面的热解吸。正离子机理：当激发态的氦原子与大气中的水反应，生成质子化水团簇，这些质子化水团族与分析物(M)发生反应，生成质子化阳离子。负离子机理：激发态的原子与出口栅极、大气中的中性粒子(N)相互作用，发生潘宁电离产生电子，这些电子与大气中(G)的气体碰童并迅速减速，又与空气中的氧气发生反应产生氧负离子。

DART原理示意图

　　常压敞开式离子化法适合分析存在于物体表面的物质，可在现场分析，分析速度快，在环境检测、食品安全、犯罪物证鉴定、临床标志物检测等需要快速现场分析的领域具有前景；在近年来高热度的质谱成像、空间定位组学等领域发表了许多前沿成果。

　　但敞开式设计受到周围环境干扰较大，许多商品化仪器改为了“非敞开式”，只应用其直接分析物体表面物质、分析速度快的特点，比如目前商品化的DESI等类似技术。另外一种声波激发的新型电离（ACOUSTIC DROPLET EJECTION，ADE）方式，将样品放在96或384孔板上，然后用声表面波（SAW）驱动微流体直接进行电离分析，可实现3个样品/秒的高通量分析，在新药筛选领域已显示出较大的应用价值。

接下来请见下篇：液质联用中的质谱：离子传输

目录：

前言：液质联用（LC-MS）简述

Chapter1、液质联用中的液相色谱

Chapter2、液质联用中的质谱

2.1离子源

2.2离子传输

2.3 质量分析器

2.4串联质谱（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）

2.5 检测器

2.6 真空系统

Chapter3、液质联用中的数据采集和分析