电喷雾质谱基础知识分享

happy爱米粒

2011/08/02

私聊

液质联用（LCMS）

ESI离子源的组成

ESI电离源实际上是由两个外部独立、内部关联的组件组成。大气压区域包括有ESI喷雾毛细管和辅助硬件，而真空接口负责将离子传输到质谱仪内部。

ESI电离源大气压部分的常见组成包括：

1、带有高电压的电喷雾毛细管

2、电喷雾毛细管与连通高真空区的取样孔之间的电位差

3、还有一些去溶剂装置

真空接口的常见组成包括

1、引入喷雾离子的小孔或毛细管

2、一组溶剂分离器和真空泵系统

3、射频离子引导装置

电喷雾电离的基本过程可简述如下：在管内含有极性溶剂的毛细管末端加上高电压，可以产生微小液滴的气溶胶喷雾，在喷雾过程中还常被辅以雾化气或超声雾化装置。为了克服液体膨胀吸热而产生的簇离子，还常常同时使用干燥的浴气或加热去除溶剂等方法，通过取样小孔或气液分离器将小液滴引入真空系统，真空接口还包括差级真空系统和离子聚焦系统，保证最大的离子传输率。真空系统中的碰撞诱导解离，一方面可以克服溶剂簇离子，另一方面可以提供具有结构特征的碎片离子信息。

从仪器的角度来看，很容易将使用原理分成三个部分：电喷雾过程、真空接口、各种各样的辅助技术。

电喷雾过程：

电喷雾过程实质上是电泳过程，也就是说，通过高压电场可以分离溶液中的正离子和负离子，例如在正离子模式下，电喷雾电离针相对真空取样小孔保持很高的正电位，负电荷离子被吸引到针的另一端，在半月形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之间相互排斥，并从针尖处得液体表面扩展出去，当静电场力与液体表面张力保持平衡时，液体表面形成taylor锥体，随着液滴的变小，电场强度逐渐加强，过剩的正电荷克服表面张力形成小液滴，最终从taylor锥体的尖端溅射出来。

有趣的是喷雾电压并不需要直接施加于喷雾针上，可以加到带有雾化气装置的金属套管上，使用带有金属端头的玻璃毛细管，允许喷雾针的电压接地，而在毛细管接口的入口处施加了一个负高压，这样做可以避免电流通过LC或注射泵的导电溶液引发漏电问题，但它并不减小针尖放电的可能性。

真空接口

连接大气压区域和真空区域的最小接口是取样小孔或毛细管，他们起着限制流量的作用。溶剂分离器和多级真空泵系统的作用是逐级降低压力，离子透镜组可以聚焦离子束并有效地将离子传输到质谱仪，真空接口还具有裂解溶剂簇离子的重要用途，并通过碰撞诱导解离产生碎片离子。调节真空接口内的电压可提高溶剂化离子的动能，使之在较高的压力环境下能够发生诱导碰撞解离。在温和的条件下，溶剂簇离子可以被打掉从而完成去溶剂过程，如果动能继续增加，就会产生碎片离子。选择合适的接口电压对于得到成功的ESI实验十分重要。

各种各样的辅助技术

1、喷气辅助雾化和去除溶剂

纳升喷雾时静电喷雾效果最好，但是流速变大时就很难发生电喷雾，并且很难保持稳定。为了引发电喷雾必须严格的界定电场及其相关参数，诸如电离高压、喷雾针的直径及位置等。喷气辅助雾化即熟知的离子喷雾就是通过使用反吹喷雾气流雾化小液滴从而形成气溶胶的，即使在相对较高流速下以及无电场的条件下也能发生喷雾，当然，还需要一个高压电场去引发电荷分离为前提。喷气辅助雾化还可以结合加热装置或气动喷雾装置从而设计出更加稳定和耐用ESI电离源。为了有助于液滴干燥，加热的气体可采用逆向或横向交叉的流动方向。

2、加热去除溶剂及热裂解现象

加热金属毛细管接口，含有高效的和简便更换的玻璃毛细管以及加热的氮气气帘装置，加热可以帮助小液滴脱除溶剂，无反相吹扫气的ESI离子源会引发化合物热裂解。

3、其他电离源的设计（垂直喷雾等）

为了减少对离子源的污染和使用不挥发性的缓冲盐溶液，使用专门的机械装置以阻止中性液流直接流入真空接口，在离子通过加热脱除溶剂区域时，采用复杂的飞行轨迹。如，agilent公司开发出了垂直喷雾接口，micromass公司开发出了Z形喷雾离子源。虽然这些技术减少和降低了质谱仪的污染，但是不能使用不挥发性缓冲溶液的问题依然没有完全解决。这个问题的存在主要因为过多的盐或其他污染物会抑制离子的生成。将盐和不挥发性的缓冲物保留在质谱仪的外面，可以避免堵塞以及保持ESI离子源和接口的清洁，但他不解决由于过度加合物的生成而引起样品信号抑制和峰行展宽等问题。

溶剂和缓冲溶液

通常反相HPLC使用的溶剂，比如水、甲醇和乙腈，都十分适合于ESI电离。其它适合的溶剂还包括：二氯甲烷、二氯甲烷-甲醇混合物、二甲基亚砜、分子较大的醇类，比如异丙醇和丁醇，四氢呋喃，丙酮以及二甲基甲酰胺。不适合ESI的溶剂有：烃类（如正己烷）、芳香族化合物（如苯）以及其他非极性溶剂（如四氯化碳）。甲苯自身也不适合ESI，但是他也可以被用来做某些方面的研究。

溶剂的纯度和样品中的杂质

溶剂的纯度非常重要，ESI离子源的感官并不很聪明，源内的所有分析物都会产生大量的离子。ESI-MS对污染物非常灵敏，溶剂最好能消除各种盐或者杂质，以避免化学噪声和电离抑制。例如，有些市场上销售的标有液相色谱纯的纯水，虽然没有紫外吸收，不干扰传统HPLC检测器，但是由于内部含有大量的盐，如NaCl,就会使那些非共价键化合物的ESI质谱图的结果变得非常糟糕。避免使用被盐污染的纯水方式有两种：用离子交换法除盐或购买市场上标有电导率不小于18兆欧/cm³的纯水。

要想从溶剂和溶剂输送系统中将痕量的盐完全除去几乎不太可能，这也是不合理的苛求。在ESI的电离过程中，存有少量的电解质也可以发挥其正面的作用，有时还需要借助痕量的阳离子去帮助生成检测的离子，像聚醚类和寡糖类化合物就容易生成加钠的准分子离子。有时候即使不添加钠离子，也总可以观察到加钠峰，这也许是因为使用了盛溶剂的玻璃瓶，或其他玻璃器皿，或许是在ESI源内的传输管线等因素导入了钠离子。

有机溶剂中还存在另外一些杂质，质谱经常能观察到的污染物就是增塑剂二邻苯二甲酸酯，它表现为m/z为391的【M+H】⁺离子或m/z为413的【M+Na】⁺离子。这种化合物无处不在，以至于可以用它们作为参考峰去优化和调节质谱和ESI电离源的各种参数。

在被分析的样品中也会存在杂质，碱金属阳离子像钠离子和钾离子的存在，也会对有些类型化合物的ESI-MS分析造成困难，特别是寡核苷酸。蛋白质中存在的硫酸盐或磷酸盐杂质，可导致生成一个98u的加和离子，利用沉淀法可以消除这种现象，即在ESI-MS实验之前先除去硫酸盐和磷酸盐。在蛋白质样品中如果存有常见表面活性剂，如十二烷基磺酸钠或Triton X，就会完全掩盖住蛋白质的信号。通过样品的纯化技术，比如微透析法，或使用样品的分离技术，比如LC或CE法，就可以有效的消除或降低杂质的影响。另外还有一个简单的方法，在微量吸管中填入少量的C18色谱柱填料，可以纯化出少量的蛋白质溶液，用于ESI-MS分析。

缓冲盐和添加剂

液相色谱经常使用缓冲盐和添加剂来控制PH值，以保证可靠的分离度。虽然目前很多种ESI源已经采用非直喷式的设计，能够更大程度的容忍污染物和不挥发性的缓冲盐，但是还没有一个真正的LC/MS接口可以完全兼容不挥发性的缓冲盐。对于ESI-MS而言，应该避免使用磷酸盐和硫酸盐，因为缓冲盐会污染离子源并干扰样品离子的生成。所以，在LC/MS分析中，我们常常使用挥发性的缓冲盐来控制PH值，比如乙酸、甲酸、醋酸铵、氨水及三氟乙酸，它们的浓度一般都控制在0.1%-1%之间。

强离子对溶剂三氟乙酸会降低样品的ESI信号强度，原因是样品离子和三氟乙酸可以生成离子对，导致带电离子的中性化。通过柱后修饰方法，在色谱柱后面加入沸点高于三氟乙酸的弱酸，就可以减少对信号的抑制。如果液相色谱流动相中含有0.1%的三氟乙酸，一般可通过在柱后加入含50%丙酸的异丙醇溶液，显著的提高灵敏度。

虽然在通常情况下有必要出去多余的Na⁺、K⁺,但偶尔有时还需要加入一些阳离子，以便帮助样品生成加钠峰和加钾峰，浓度为10-50μmol/L的钠、钾和醋酸铵溶液是常用的添加剂。醋酸铵也是APCI电离源的常用添加剂，因为它可以帮助样品直接生成加铵峰，方便APCI质谱图的解析。ESI源还有一个常用的添加剂是LiCF₃SO₂，用它可以增强源内的电化学反应。

ESI-MS中观察到的各种离子

1、单电荷离子

小分子化合物在ESI质谱上观察到的离子与其他常见的“软电离”技术看到的结果很相似，通过形成质子加和物【M+H】⁺,或阳离子加合物【M+Na】⁺、【M+K】⁺或【M+NH4】⁺，极性小分子或碱性分子常常看到的是正离子的质谱图。已经是离子型的化合物，如季铵盐类，得到的就是M+。化合物失去一个质子可形成带负电的【M-H】-。在合适的条件下，稠环芳烃和紫菜碱等化合物，还可以通过电化学反应产生自由基。

提高样品浓度会增加产生二聚离子的概率，如【2M+H】⁺或【2M+Na】⁺，这是所有软电离方式所遇到的共同问题，对谱图解析会带来一些困难，稀释样品浓度，可以减少二聚的可能性。

电喷雾电离得到的是内能相对较低的离子，在ESI质谱中不易观察到碎片离子。然而，API源中用于解离溶剂的簇离子的碰撞诱导解离功能，若将此能量加大到一定程度后就会产生碎片离子。

2、多电荷离子

ESI质谱极具魅力的特点之一就是能够形成多电荷离子，如【M+nH】ⁿ⁺、【M+nNa】ⁿ⁺、【M-nH】^n-，并且所带的电荷数目随着分子量的增加而增加。

以上内容全部摘自《电喷雾质谱应用技术》（Birendra N. Pramanik,A.K.Ganguly主编）

分
该帖子已被版主-新窦加12积分，加2经验;加分理由:感谢分享