质谱电离

质谱的电离技术是什么?

质谱(MS)在我们生活的许多方面都发挥着至关重要的作用，从诊断疾病和检测食品污染物到打击欺诈。然而，为了使样品能被质谱分析，它必须首先被电离。根据样品类型、目标分析物和所需的工作流程，有许多实现样品电离的方法。这些方法包括气相方法(电子电离(EI)、化学电离(CI)、实时直接分析(DART)和电感耦合等离子体(ICP))、解吸方法(基质辅助激光解吸电离(MALDI)、快速原子轰击(FAB)、热电离源、等离子体电离源和液态金属离子源(LMIS))和喷雾方法(电喷雾电离(ESI)和解吸电喷雾电离(DESI))。在这篇文章中，我们考虑了一些常见的电离技术和最适合它们的样品类型。

离子源-气相法

下面描述了许多用于电离的最常用技术。更多细节可在Siuzdak的评论中获得。¹

电子电离(EI)

EI最早是由Dempster在1918年发明的²可以被认为是一种相当苛刻的分子分裂和电离方法。在EI中，分析物的分子必须处于气相，以允许与真空中由加热灯丝(很像白炽灯)产生的高能电子有效相互作用。离子源产生的电子通常有70电子伏特的动能。如果分子只吸收了10- 12ev的能量，它就会使分子处于一种状态，在这种状态下，它的能量大大超过了它的电离势，从而导致电子的弹射(图1)。这使分子处于一种带有净正电荷的电离状态。然而，它可能仍有多余的能量需要消耗。实现这一目的的一种方法是通过分解化学键来产生更稳定的离子。因此，有了有机和物理化学的知识，也有可能通过这些碎片化过程推导出有关分子化合物结构的信息。

图1: 电子电离离子源示意图。来源:Thilini Ukwaththage，转载于Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0国际许可．

当样品相对挥发性和分子量较低时，最常使用EI。它们经常以a的流出物的形式被引入电离源气相色谱法(GC)系统或通过加热固体样品挥发原位在电离室里。^3.

化学电离(CI)

与EI相比，CI是一种非常软的电离技术，不会导致分析物分子的广泛碎片化。事实上，一些分子种类(例如，醇，醚，胺，氨基酸)在EI下经历如此多的碎片，以至于在完整分子的质谱中没有观察到峰。对于这些类型的分子，CI可能是首选的电离方法。

在CI中，气体(通常是甲烷、氨或异丁烷)以高于分析物的浓度被引入EI电离室。载气与电子的相互作用会产生几个分子离子，这些分子离子随后会与多余的载气进一步反应，形成不同的分子离子(图2)。这些离子随后会通过几种不同的机制与被分析物分子反应，形成被分析物分子离子。⁴

图2: 质谱中的化学电离示意图。资料来源:OviniW，转载于Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0国际许可．

由于这种低能电离机制导致碎片显著减少，因此所得到的质谱通常更容易解释，峰值更少。此外，它通常会显示一个强大的，容易识别的质子化分析物分子离子峰，允许容易地确定分子质量。然而，缺乏碎片限制了可以确定关于分析物分子的结构信息的数量。

直接实时分析(DART)

DART源于2003年开发，并于2005年完全商业化。⁵它的优势在于它能够分析不同形状和尺寸的材料，而不需要事先准备样品。

在DART源(图3)中，氮或氦的等离子体首先产生，产生离子、电子和激发态物种。气体从等离子体室流向第二个室，在那里离子从气体中除去。然后气体进入源的第三部分，如果需要的话，可以在那里加热，这有助于一些材料的解吸。^5，6气体通过栅极离开源，栅极具有增强信号的多种用途，可以指向位于质谱仪入口前面的液体、固体或气相样品。激发态物种的相互作用是分析物分子电离的原因。发生这种情况的机制是复杂的，取决于多种因素。⁷

图3: DART源示意图。资料来源:Rbcody，在Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0国际许可．

DART源由于其灵活性和在大气环境中分析的能力而得到广泛应用。常见的用途包括检测非法药物和法医，以及分析食物。^8，9

电感耦合等离子体(ICP)

ICP通常用于液体样品(可能是固体物质的酸消化)。在最简单的形式中，ICP采用预先准备好的含有分析物的液体，并将其泵入雾化器，以产生气溶胶，并将其引入氩气等离子体。当液滴进入高温等离子体(~ 5500-6500 K)时，它们被转化为气态。在吸收更多能量后，它们最终会释放一个电子，形成一个带正电的离子(图4)。

图4: ICP源示意图。

ICP几乎能电离所有元素，包括那些具有最高电离势的元素。这种方法也非常适合于使用其他分离技术的废水，如液相色谱法，GC，毛细管电泳(CE)和凝胶电泳(GE)，所有这些都可以分离感兴趣的元素，并将其转发到ICP系统进行电离和最终的质谱检测。更多关于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的细节可以找到在这里．

离子源-解吸方法

基质辅助激光解吸电离(MALDI)

MALDI方法于1985年首次提出¹⁰它特别适用于分析大分子或不稳定分子，如蛋白质、多肽、寡核苷酸、聚合物和脂类。

该技术使用了一个“矩阵”，该“矩阵”被添加到待分析的样品中(图5)。该矩阵需要以下属性:

• 必须能与分析物共结晶形成固溶体
• 能够从分析物中转移或接受质子
• 化学惰性
• 真空下稳定，溶于溶剂

图5: MALDI源的示意图。信贷:Mikaye，在创作共用协议下复制同源共享3.0未移植，2.5通用，2.0通用而且1.0通用许可证。

常用的基质包括2,5-二羟基苯甲酸、辛皮酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸和吡啶甲酸等。¹¹所选择的基质将由要检测的分子类型决定。

一旦基质被应用，样品就会被激光照射。这不仅将能量转移到基质中，使分析物分子蒸发，几乎没有碎片或分解，而且还提供了电离机制，以产生带正电或负电的离子。

快速原子轰击

FAB是另一种软电离机制，其中一束加速原子，通常是惰性气体，如氩气或氙气，被聚焦到待分析的样品上。^12，13为了产生“快速”光束，原子必须首先被电离，这样它们就可以通过应用高电场来加速，并使用静电透镜聚焦。通过将离子束引导到含有相同惰性气体的碰撞电池中，电荷交换反应将发生，中和惰性气体离子。

图6: FAB电离原理图。资料来源:Kkmurray，转载于Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0国际许可．

与MALDI类似，使用的是基质，通常是甘油。在FAB的情况下，这是为了减少可能由原子束引起的样品损伤，以防止分析物分子的聚集，并(如MALDI)促进被喷射的分析物分子的电离。此外，与MALDI类似，电离法通过质子化产生正离子，通过脱质子化产生负离子。

热电离源

在MS中遇到的最常见类型的热电离源是Cs⁺一次离子源，常用于二次离子质谱实验。它是一种相对简单的来源，包含两个主要成分:储层，其中包含Cs源，以及电离器，这是一种处于高温(> 1000°C)提供热能使Cs原子电离。储层中含有碳酸盐碳酸盐颗粒(也使用了铬酸盐)，加热后使材料升华，产生碳酸盐原子蒸汽。当这些原子到达热熔块时，它们被电离为正离子，可以用静电离子光学元件提取和聚焦。旧的系统使用液态c作为源材料，但由于在源变化期间处理这种材料的固有危险，它在实践中已不再普遍使用。

等离子体电离源

双等离子体也常用于产生MS的气体离子束，特别是氧^-和O₂⁺．在十二指肠等离子体中，阴极灯丝发射电子，将纯氧注入其中至~10的压力⁵托。气体通过与腔内的电子和气体分子相互作用而电离，形成等离子体(图7)。然后等离子体通过一系列至少两个高度带电的栅格加速，形成氧离子的主束。然而，许多不同的氧离子种类将会存在，所以这种类型的源通常使用维恩过滤器来产生一个纯的O^-和O₂⁺．

图7: 十二指肠浆管示意图。来源:埃文·梅森，转载于Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0国际许可。

液态金属离子源(LMIS)

LMIS产生的离子束具有光斑尺寸最小和亮度最高的特点。它们在需要高空间分辨率的MS成像中特别有优势——光束的光斑大小可以降至5纳米，这与扫描离子质谱仪的空间分辨率非常接近。这些源的要求是低熔点金属，而Ga是迄今为止最常用的。这个源本身在电子显微镜下看起来非常像钨丝，但含有一个额外的Ga储层。当加热时，Ga将沿着灯丝表面流向尖端，在那里，由高提取电压产生的高电场和灯丝的小尖端半径导致Ga从一个非常小的点源(尖端)发生场电离。

离子源-喷雾法

电喷雾电离(ESI)

ESI是另一种适用于大分子和大分子分析的软电离技术。^14，15样品被输送到高电压(几千伏)的毛细管中。这就产生了具有相同极性的带电液滴的雾。通过使用干燥气体或升高的温度，带电液滴通过源移动，并通过溶剂的蒸发逐渐减小尺寸，导致表面电荷密度增加。在某一点上，液滴内部的电场强度将大到足以使液滴表面的离子喷射到气相中(见图8)。

图8: ESI源原理图及电离机理描述。

解吸电喷雾电离(DESI)

顾名思义，DESI与ESI非常相似，只是现在将ESI源中最初形成的带电液滴用作源，并定向到环境压力下的样品(这与DART相当相似)。从样品中反射或“飞溅”的液滴携带解吸和电离的分析物，随后可以将其定向到质谱仪中(图9)。电离机制可能很复杂。¹⁶

图9:设计源原理图。来源:Anzhela016，转载于创作共用署名相似共享3.0未移植许可．

您可以通过以下链接阅读更多关于质谱分析仪和离子探测器的文章，了解质谱过程的下一步。

参考文献

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