常見(jiàn)的電離方法了解

電子離子化[EI]

電子電離（EI）為很多人所熟知。（在較早的時(shí)候稱為"電子撞擊"，但是從技術(shù)上來(lái)說(shuō)不準(zhǔn)確。）EI，通常將樣品暴露在70eV的電子下，被稱為"硬"技術(shù)。電子與目標(biāo)分子互作用的能量，通常要比分子的化學(xué)鍵要強(qiáng)的多，因此分子發(fā)生電離。過(guò)量的能量按照特定方式打開(kāi)化學(xué)鍵。結(jié)果產(chǎn)生能夠預(yù)見(jiàn)的、可鑒別的碎片，通過(guò)這些碎片，我們能夠推測(cè)出分子結(jié)構(gòu)。這些能量可將單個(gè)電子激發(fā)，從分子外層逸出，形f成正離子自由基，得到豐富的碎片波譜。不同于"較軟"的大氣壓電離技術(shù)，波譜響應(yīng)會(huì)受到離子源設(shè)計(jì)特征的影響，EI技術(shù)完全獨(dú)立于離子源的設(shè)計(jì)。同一化合物在一臺(tái)EI質(zhì)譜儀產(chǎn)生的圖譜與另一臺(tái)EI質(zhì)譜儀得到的圖譜非常相似，基于這一原理，可建立圖譜庫(kù)，將未知化合物的譜圖與參照譜圖比較。

化學(xué)電離[CI]

分子過(guò)度裂解的稱為"軟"技術(shù)。化學(xué)電離（CI）通過(guò)一較溫和的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程生成離子，有利于分子離子的生成。將樣品暴露到大量的溶劑氣體，如甲烷形成質(zhì)子化的分子離子（M+H）。反向過(guò)程將形成負(fù)離子。在一些情況下，質(zhì)子被轉(zhuǎn)移到氣體分子上，形成負(fù)離子（M-H）。采用EI分析時(shí)，碎片豐富的化合物，有時(shí)可采用CI分析，以增加分子離子的豐度。類似于EI，樣品必須具有熱穩(wěn)定性，因?yàn)樵陔x子源里，被測(cè)物需要加熱氣化。對(duì)起始電離步驟，CI的電離機(jī)理依賴于EI，但是在離子源里是有高壓化學(xué)反應(yīng)氣體，比如甲烷、異丁烷或氨。比被測(cè)物（R）的濃度高很多反應(yīng)氣體通過(guò)電子電離作用，發(fā)生電離，起初產(chǎn)生R+t，溶劑離子。R+離子與中性R分子發(fā)生碰撞，形成穩(wěn)定的次級(jí)離子，其具有反應(yīng)性，然后通過(guò)離子分子反應(yīng)，使被分析物分子（A）離子化.

負(fù)離子化學(xué)電離[NCI]

對(duì)含捕獲電子基團(tuán)（例如，氟原子或硝基芐基）的被測(cè)物，能形成負(fù)離子化學(xué)電離（NCI）。比EI的靈敏度提高了很多倍（據(jù)報(bào)道，在某種情況下可提高100到1000倍以上）。NCI廣泛應(yīng)用于各種小分子，這些小分子通過(guò)或能夠被化學(xué)修飾，促進(jìn)電子捕獲。在負(fù)離子中，有兩類主要的負(fù)離子形成機(jī)制：電子捕獲和反應(yīng)物離子化學(xué)離子化。在CI條件下，電負(fù)分子能夠捕獲熱電子，產(chǎn)生負(fù)離子。實(shí)際上的負(fù)離子化學(xué)電離，通過(guò)被測(cè)化合物（AH）與帶負(fù)電的反應(yīng)離子（R-或R-）之間反應(yīng)引起電離。可能存在幾類離子分子反應(yīng)的類型，最常見(jiàn)的是脫質(zhì)子反應(yīng)。

氣相色譜[GC]

可能對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，第一次接觸質(zhì)譜是將其作為氣相色譜的檢測(cè)器。GC/MS聯(lián)用儀類型的范圍已大大擴(kuò)展，超越早期儀器設(shè)計(jì)的范圍，在使用中滿足日漸嚴(yán)格的法規(guī)要求，像環(huán)境分析、食品安全篩查、代謝組學(xué)，以及包括法醫(yī)學(xué)、毒理學(xué)和藥物篩查的臨床應(yīng)用。在過(guò)去，兩種類型的質(zhì)譜主導(dǎo)著GC/MS分析：扇形磁場(chǎng)和單四極桿質(zhì)譜儀。對(duì)于前者，可提供高分辨率和準(zhǔn)確的質(zhì)量分析，用于有極高靈敏度要求的分析中。后者適合目標(biāo)化合物的常規(guī)分析。

[ 液相色譜]

扇形磁場(chǎng)質(zhì)譜儀，具有最具挑戰(zhàn)的GC/MS分析能力：環(huán)境或工業(yè)樣品中的二英，或競(jìng)技比賽中非法使用興奮劑的篩查。在扇形質(zhì)譜儀上能夠以飛克（fg）檢測(cè)水平進(jìn)行高分辨率或選擇性的分析。四極桿GC/MS系統(tǒng)推出不久，在目標(biāo)分析應(yīng)用中就已取得認(rèn)可。美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（USEPA）要求對(duì)大量環(huán)境污染物樣品采用四極桿GC/MS質(zhì)譜儀分析。因?yàn)檫@些分析應(yīng)用的檢測(cè)極別僅在皮克到納克之間，相對(duì)于扇形磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，四極桿磁場(chǎng)的靈敏度較低，但四極桿并沒(méi)因此受到限制，相反，采用四極桿可大大降低成本，方便使用，并且便于攜帶。

液相色譜[LC]

這是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，為大約80%不能采用GC分析的化學(xué)物質(zhì)提供了分析途徑，在近幾十年來(lái)促進(jìn)了質(zhì)譜技術(shù)的顯著提高。少數(shù)幾個(gè)模型被挑出來(lái)，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)MS與LC聯(lián)用。可以說(shuō)LCMS聯(lián)用開(kāi)始于1970年代，在1990年代早期，我們今天所熟知的LCMS技術(shù)成熟起來(lái)。很多現(xiàn)在我們使用的裝置和技術(shù)都直接來(lái)自那個(gè)時(shí)候。在1900年代早期，俄國(guó)植物學(xué)家Mikhail S.Tswett定義了液相色譜技術(shù)。他的研究工作主要是分離從植物萃取的葉色素，在他的研究中，他用溶劑沖洗裝填微粒的柱子。這是液相色譜最簡(jiǎn)單的形式，被測(cè)物溶解的溶液（流動(dòng)相或濃縮相）與溶液流過(guò)的裝填顆粒的床體（固定相）之間存在競(jìng)爭(zhēng)作用，液相色譜就是依靠這種可預(yù)測(cè)、不斷再現(xiàn)且具有很高精確性的相互作用實(shí)現(xiàn)分離。近年來(lái)，在色譜柱中裝填各種功能性組分，以及能夠準(zhǔn)確傳送流動(dòng)相的溶劑輸送系統(tǒng)的發(fā)展，使得LC成為很多分析行業(yè)的支柱。首字母縮略詞HPLC是由Csaba Horváth在1970年提出，表明對(duì)液相色譜填充柱需要施加高壓，以引起液體流動(dòng)。從那以后，液相色譜的效能不斷提高，較小顆粒的填料和較高的選擇性上都取得了發(fā)展，將首字母縮略詞改為高效液相色譜。

[ 電噴霧電離]

在2004年，色譜儀和柱技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，提高了液相色譜的分離度、分離速度和靈敏度。使用較小顆粒填料的色譜柱（1.7微米）、以15000psi（1000巴）的壓力輸送流動(dòng)相的特殊設(shè)計(jì)色譜儀被稱為超高效液相色譜（UPLC^®技術(shù)）。在1970年代，John Knox等研究人員已經(jīng)預(yù)測(cè)了UPLC所包含的很多技術(shù)特征。Knox預(yù)測(cè)最佳顆粒直徑是1-2μm，并且色譜對(duì)摩擦熱熱靈敏。在UPLC技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須解決如何制作抗干擾、均一的小顆粒填料的技術(shù)。HPLC和UPLC的基本入門手冊(cè)，可在www.waters.com/primers上找到。

電噴霧電離[ESI]

"大氣壓電離"（API）的最重要的技術(shù)是ESI，ESI為各相關(guān)技術(shù)提供了基礎(chǔ)，這些相關(guān)技術(shù)能在大氣壓，而不是在真空（托）下形成離子。樣品溶解在極性溶劑中（一般比GC上使用的溶劑更難揮發(fā)），然后泵入不銹鋼毛細(xì)管，不銹鋼上施加2000到4000V的電壓。當(dāng)液體在大氣壓下，從毛細(xì)管流出時(shí)，液體被霧化，被霧化的液滴進(jìn)一步去溶劑，釋放出離子進(jìn)入質(zhì)譜儀。在靜電吸引和真空聯(lián)合效應(yīng)下，誘導(dǎo)電離生成這些氣態(tài)離子。

圖 4：位于前端的ESI探針簡(jiǎn)易圖，與MS離子入口垂直。當(dāng)溶劑進(jìn)入分析器的稀薄真空區(qū)域時(shí)，錐體或逆流氣通常輔助液滴去溶劑化。

電勢(shì)從液體轉(zhuǎn)移到被分析物從而形成離子的機(jī)制仍然是個(gè)爭(zhēng)論的主題。在1968年，Malcolm Dole提出電荷殘留機(jī)制，在該機(jī)制中，他假定當(dāng)液滴揮發(fā)時(shí)，液滴的電荷仍保持不變。液滴表面張力最終不能平衡電荷斥力，將小液滴炸裂成很多更小的液滴。持續(xù)發(fā)生這樣的庫(kù)侖力爆破，直到小液滴只含單一的被測(cè)物離子。當(dāng)溶劑從最后形成的小液滴中揮發(fā)掉，即形成氣態(tài)離子。在1976年，Iribarne和T homson提出了一個(gè)不同的模型，即離子揮發(fā)機(jī)制，在該機(jī)制中，通過(guò)庫(kù)侖裂解形成小液滴，這類似于Dole模型的形成方式。但是，按照離子揮發(fā)理論，在液滴表面的電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)高，使溶劑化離子逸出液滴表面，并直接將其轉(zhuǎn)移進(jìn)入氣相，形成氣態(tài)離子。實(shí)際上，這兩種機(jī)制可能協(xié)同起作用：對(duì)于大于3000Da的物質(zhì)，電荷殘留機(jī)制起主導(dǎo)作用，而對(duì)于較低質(zhì)量的分子，離子揮發(fā)機(jī)制起主導(dǎo)作用（參見(jiàn)R.Cole，"關(guān)于電噴霧電離質(zhì)譜的一些原則"，質(zhì)譜雜志，35，763-772[2000]）。

液相色譜的流出物，以電荷平衡狀態(tài)進(jìn)入ESI探針。因此當(dāng)溶劑離開(kāi)ESI探針，溶劑需攜帶有凈電荷。為了確保ESI具有連續(xù)性，必須通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)給溶液充電，將電子轉(zhuǎn)移到電極表面。在其它的效應(yīng)中，該過(guò)程可能引起溶液pH值的變化。據(jù)推測(cè)，在陽(yáng)離子模式時(shí)，帶正電液滴離開(kāi)噴霧器，電極（氧化作用）必定要吸收電子。（在陰離子模式下，則相反。）電活性電極的表面面積、電流大小和化學(xué)品種類及其電極電勢(shì)的特性都將產(chǎn)生影應(yīng)。

總的來(lái)說(shuō)，ESI是一高效過(guò)程。不過(guò)，反應(yīng)的活化量和能量差異對(duì)不同的物種是不同的。溶液流速和使用的電流對(duì)每個(gè)液滴形成也有限制。分子間的競(jìng)爭(zhēng)以及目標(biāo)被測(cè)物抑制效應(yīng)也較為常見(jiàn)。

圖 5：離子形成之后，離子被"拖"過(guò)電勢(shì)梯度（電場(chǎng)），到達(dá)計(jì)數(shù)板。

擴(kuò)展ESI的基本理論，比如將液體的體積極端的減小，例如在納噴霧時(shí)，液體體積流速減少到30nL/min，這已經(jīng)證實(shí)可提高效率，尤其在蛋白質(zhì)和氨基酸這種樣品非常寶貴、稀少的研究中。

大氣壓化學(xué)電離[APCI]

雖然大氣壓化學(xué)電離（APCI）技術(shù)與ESI同時(shí)發(fā)布，但是在1985年Fenn的研究成果發(fā)布，ESI很快商業(yè)化，而直到此時(shí)，APCI也沒(méi)有廣泛被采用。在1973年，Horning首次提出APCI，采用包括HPLC在內(nèi)的各種導(dǎo)入技術(shù)，分析揮發(fā)性組分。APCI的附加功能是，將ESI難以轉(zhuǎn)化為氣相離子的被測(cè)物，即那些極性很小且易揮發(fā)的被測(cè)物經(jīng)濃縮相（或液體）導(dǎo)入質(zhì)譜儀。不同于ESI，APCI通過(guò)在熱的氣流中蒸發(fā)引導(dǎo)液，將中性被測(cè)物轉(zhuǎn)化為氣相。化學(xué)電離依賴于電荷在反應(yīng)離子和目標(biāo)分子之間的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生可被分析的目標(biāo)離子。大多數(shù)情況下，以陽(yáng)離子模式在目標(biāo)分子與小的H+離子之間形成加合物，雖然與鹽的加合物也比較常見(jiàn)。

生物分子電離方法
用于生物大分子鑒定的電離技術(shù)已經(jīng)成熟，這類技術(shù)電離方式比較溫和，不會(huì)將生物分子打碎。在生物分子分析和蛋白組學(xué)中公認(rèn)有兩個(gè)"能量沉積"過(guò)程，分別是電子捕獲解離(ECD)2和電子轉(zhuǎn)移解離(ETD)3。兩種電離法都可以斷裂鄰近電子捕獲位點(diǎn)的化學(xué)家鍵，不同于其它裂解過(guò)程，比如碰撞誘導(dǎo)解離(CID)，斷裂的鍵在分子內(nèi)不是最不穩(wěn)定的。實(shí)測(cè)的斷裂對(duì)肽序列的依賴性較低，因此在肽骨架中，大多數(shù)氨基酸之間的斷裂往往不依賴于分子大小。在肽的ECD和ETD中，最主導(dǎo)的裂解形成c和z離子。ECD已證實(shí)，對(duì)不穩(wěn)定的翻譯后修飾分析有效，比如磷酸化作用和O-糖基化，以及完整蛋白的裂解分析。當(dāng)結(jié)合酰胺氫/氘交換分析時(shí)，已表明ESI質(zhì)譜法能進(jìn)一步輔助闡明溶液中蛋白的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。使用較少量樣品，由電荷狀況分布和ESI在蛋白質(zhì)上形成的一系列多電荷離子，可以得到較大蛋白的溶液組成信息，而通過(guò)其它技術(shù)，比如紫外圓二色光譜(CD)和色氨酸熒光不容易實(shí)現(xiàn)(但是通常將這些和其它相關(guān)技術(shù)，比如核磁共振，聯(lián)合使用)。其它技術(shù)只能測(cè)定溶液大量蛋白的平均屬性，而采用MS的另外一個(gè)好處是能提供瞬間或折疊中間體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

其他電離方式

其他電離方式

純凈化合物可置于進(jìn)樣棒或固體探針的頂端，導(dǎo)入離子源。隨著加熱，樣品升華或蒸發(fā)，進(jìn)入氣相。在大多數(shù)情況下，按此法接著發(fā)生電離。但是在一些情況下，電離與升華或蒸發(fā)同時(shí)發(fā)生。

大氣壓光電離(APPI)
- 被測(cè)物直接或摻雜劑輔助光量子電離，電離電勢(shì)低于10eV(主要由氪氣燈的光量子能量輸出)。LC通常使用的溶劑電離電勢(shì)大于10eV。在實(shí)驗(yàn)室中，APPI是主要的API替代方法之一，因?yàn)锳PPI擴(kuò)展了非極性被測(cè)物的電離范圍，可以電離那些ESI和APCI有效電離的化合物。

基質(zhì)輔助激光解吸(MALDI)
- 是一種軟電離技術(shù)，用于完整蛋白、肽和大多數(shù)其它生物分子(寡核苷酸、碳水化合物、天然產(chǎn)物和脂)，以及異質(zhì)樣品的分析(復(fù)雜生物樣品的分析，比如蛋白水解消化物)。
- 高能的光量子與混入有機(jī)基質(zhì)的樣品之間的相互作用，通常具有低于皮克摩爾的靈敏度。
- 在1988年，由Tanaka，Karas和Hillenkamp第一次推出的技術(shù)。

快原子轟擊(FAB)
- 軟電離的早期方式，使用銫離子流，從溶解在甘油或類似基質(zhì)的樣品噴射出離子。解吸附
- 等離子體解吸附(PD)：核裂解片段與沉積在金屬箔上的固體樣品的相互作用。
- 次級(jí)離子MS(SIMS)：高速離子撞擊沉積在金屬板上薄層樣品，或包含在液體基質(zhì)的薄層樣品(液體SIMS)。
- 場(chǎng)解吸：對(duì)沉積在支撐物上的樣品，施加高梯度場(chǎng)。
- 解吸附電噴霧電離(DESI)：像實(shí)時(shí)直接分析(DART )、大氣壓固體分析探針(ASAP)等緊密相關(guān)的技術(shù)，以及其它近來(lái)進(jìn)入市場(chǎng)的技術(shù)，這些技術(shù)往往通過(guò)在一個(gè)表面的二次相互作用得到離子。在DESI中，帶能液體流對(duì)準(zhǔn)沉積在平面上的樣品，在大氣壓下引起二次電離。