常見的電離方法了解

電子離子化[EI]

電子電離（EI）為很多人所熟知。（在較早的時候稱為"電子撞擊"，但是從技術上來說不準確。）EI，通常將樣品暴露在70eV的電子下，被稱為"硬"技術。電子與目標分子互作用的能量，通常要比分子的化學鍵要強的多，因此分子發(fā)生電離。過量的能量按照特定方式打開化學鍵。結果產(chǎn)生能夠預見的、可鑒別的碎片，通過這些碎片，我們能夠推測出分子結構。這些能量可將單個電子激發(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，波譜響應會受到離子源設計特征的影響，EI技術完全獨立于離子源的設計。同一化合物在一臺EI質譜儀產(chǎn)生的圖譜與另一臺EI質譜儀得到的圖譜非常相似，基于這一原理，可建立圖譜庫，將未知化合物的譜圖與參照譜圖比較。

化學電離[CI]

分子過度裂解的稱為"軟"技術。化學電離（CI）通過一較溫和的質子轉移過程生成離子，有利于分子離子的生成。將樣品暴露到大量的溶劑氣體，如甲烷形成質子化的分子離子（M+H）。反向過程將形成負離子。在一些情況下，質子被轉移到氣體分子上，形成負離子（M-H）。采用EI分析時，碎片豐富的化合物，有時可采用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，因為在離子源里，被測物需要加熱氣化。對起始電離步驟，CI的電離機理依賴于EI，但是在離子源里是有高壓化學反應氣體，比如甲烷、異丁烷或氨。比被測物（R）的濃度高很多反應氣體通過電子電離作用，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)定的次級離子，其具有反應性，然后通過離子分子反應，使被分析物分子（A）離子化.

負離子化學電離[NCI]

對含捕獲電子基團（例如，氟原子或硝基芐基）的被測物，能形成負離子化學電離（NCI）。比EI的靈敏度提高了很多倍（據(jù)報道，在某種情況下可提高100到1000倍以上）。NCI廣泛應用于各種小分子，這些小分子通過或能夠被化學修飾，促進電子捕獲。在負離子中，有兩類主要的負離子形成機制：電子捕獲和反應物離子化學離子化。在CI條件下，電負分子能夠捕獲熱電子，產(chǎn)生負離子。實際上的負離子化學電離，通過被測化合物（AH）與帶負電的反應離子（R-或R-）之間反應引起電離。可能存在幾類離子分子反應的類型，最常見的是脫質子反應。

氣相色譜[GC]

可能對很多人來說，第一次接觸質譜是將其作為氣相色譜的檢測器。GC/MS聯(lián)用儀類型的范圍已大大擴展，超越早期儀器設計的范圍，在使用中滿足日漸嚴格的法規(guī)要求，像環(huán)境分析、食品安全篩查、代謝組學，以及包括法醫(yī)學、毒理學和藥物篩查的臨床應用。在過去，兩種類型的質譜主導著GC/MS分析：扇形磁場和單四極桿質譜儀。對于前者，可提供高分辨率和準確的質量分析，用于有極高靈敏度要求的分析中。后者適合目標化合物的常規(guī)分析。

[ 液相色譜]

扇形磁場質譜儀，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，或競技比賽中非法使用興奮劑的篩查。在扇形質譜儀上能夠以飛克（fg）檢測水平進行高分辨率或選擇性的分析。四極桿GC/MS系統(tǒng)推出不久，在目標分析應用中就已取得認可。美國環(huán)境保護局（USEPA）要求對大量環(huán)境污染物樣品采用四極桿GC/MS質譜儀分析。因為這些分析應用的檢測極別僅在皮克到納克之間，相對于扇形磁場來說，四極桿磁場的靈敏度較低，但四極桿并沒因此受到限制，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]

這是一項革命性的技術，為大約80%不能采用GC分析的化學物質提供了分析途徑，在近幾十年來促進了質譜技術的顯著提高。少數(shù)幾個模型被挑出來，開始實現(xiàn)MS與LC聯(lián)用。可以說LCMS聯(lián)用開始于1970年代，在1990年代早期，我們今天所熟知的LCMS技術成熟起來。很多現(xiàn)在我們使用的裝置和技術都直接來自那個時候。在1900年代早期，俄國植物學家Mikhail S.Tswett定義了液相色譜技術。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。這是液相色譜最簡單的形式，被測物溶解的溶液（流動相或濃縮相）與溶液流過的裝填顆粒的床體（固定相）之間存在競爭作用，液相色譜就是依靠這種可預測、不斷再現(xiàn)且具有很高精確性的相互作用實現(xiàn)分離。近年來，在色譜柱中裝填各種功能性組分，以及能夠準確傳送流動相的溶劑輸送系統(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，表明對液相色譜填充柱需要施加高壓，以引起液體流動。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，色譜儀和柱技術得到進一步的發(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）的壓力輸送流動相的特殊設計色譜儀被稱為超高效液相色譜（UPLC^®技術）。在1970年代，John Knox等研究人員已經(jīng)預測了UPLC所包含的很多技術特征。Knox預測最佳顆粒直徑是1-2μm，并且色譜對摩擦熱熱靈敏。在UPLC技術開發(fā)過程中，必須解決如何制作抗干擾、均一的小顆粒填料的技術。HPLC和UPLC的基本入門手冊，可在www.waters.com/primers上找到。

電噴霧電離[ESI]

"大氣壓電離"（API）的最重要的技術是ESI，ESI為各相關技術提供了基礎，這些相關技術能在大氣壓，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管，不銹鋼上施加2000到4000V的電壓。當液體在大氣壓下，從毛細管流出時，液體被霧化，被霧化的液滴進一步去溶劑，釋放出離子進入質譜儀。在靜電吸引和真空聯(lián)合效應下，誘導電離生成這些氣態(tài)離子。

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

電勢從液體轉移到被分析物從而形成離子的機制仍然是個爭論的主題。在1968年，Malcolm Dole提出電荷殘留機制，在該機制中，他假定當液滴揮發(fā)時，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)生這樣的庫侖力爆破，直到小液滴只含單一的被測物離子。當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提出了一個不同的模型，即離子揮發(fā)機制，在該機制中，通過庫侖裂解形成小液滴，這類似于Dole模型的形成方式。但是，按照離子揮發(fā)理論，在液滴表面的電場強度相當高，使溶劑化離子逸出液滴表面，并直接將其轉移進入氣相，形成氣態(tài)離子。實際上，這兩種機制可能協(xié)同起作用：對于大于3000Da的物質，電荷殘留機制起主導作用，而對于較低質量的分子，離子揮發(fā)機制起主導作用（參見R.Cole，"關于電噴霧電離質譜的一些原則"，質譜雜志，35，763-772[2000]）。

液相色譜的流出物，以電荷平衡狀態(tài)進入ESI探針。因此當溶劑離開ESI探針，溶劑需攜帶有凈電荷。為了確保ESI具有連續(xù)性，必須通過電化學反應給溶液充電，將電子轉移到電極表面。在其它的效應中，該過程可能引起溶液pH值的變化。據(jù)推測，在陽離子模式時，帶正電液滴離開噴霧器，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、電流大小和化學品種類及其電極電勢的特性都將產(chǎn)生影應。

總的來說，ESI是一高效過程。不過，反應的活化量和能量差異對不同的物種是不同的。溶液流速和使用的電流對每個液滴形成也有限制。分子間的競爭以及目標被測物抑制效應也較為常見。

圖 5：離子形成之后，離子被"拖"過電勢梯度（電場），到達計數(shù)板。

擴展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，液體體積流速減少到30nL/min，這已經(jīng)證實可提高效率，尤其在蛋白質和氨基酸這種樣品非常寶貴、稀少的研究中。

大氣壓化學電離[APCI]

雖然大氣壓化學電離（APCI）技術與ESI同時發(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，APCI也沒有廣泛被采用。在1973年，Horning首次提出APCI，采用包括HPLC在內(nèi)的各種導入技術，分析揮發(fā)性組分。APCI的附加功能是，將ESI難以轉化為氣相離子的被測物，即那些極性很小且易揮發(fā)的被測物經(jīng)濃縮相（或液體）導入質譜儀。不同于ESI，APCI通過在熱的氣流中蒸發(fā)引導液，將中性被測物轉化為氣相。化學電離依賴于電荷在反應離子和目標分子之間的轉移，產(chǎn)生可被分析的目標離子。大多數(shù)情況下，以陽離子模式在目標分子與小的H+離子之間形成加合物，雖然與鹽的加合物也比較常見。

生物分子電離方法
用于生物大分子鑒定的電離技術已經(jīng)成熟，這類技術電離方式比較溫和，不會將生物分子打碎。在生物分子分析和蛋白組學中公認有兩個"能量沉積"過程，分別是電子捕獲解離(ECD)2和電子轉移解離(ETD)3。兩種電離法都可以斷裂鄰近電子捕獲位點的化學家鍵，不同于其它裂解過程，比如碰撞誘導解離(CID)，斷裂的鍵在分子內(nèi)不是最不穩(wěn)定的。實測的斷裂對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，最主導的裂解形成c和z離子。ECD已證實，對不穩(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。當結合酰胺氫/氘交換分析時，已表明ESI質譜法能進一步輔助闡明溶液中蛋白的結構細節(jié)。使用較少量樣品，由電荷狀況分布和ESI在蛋白質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，而通過其它技術，比如紫外圓二色光譜(CD)和色氨酸熒光不容易實現(xiàn)(但是通常將這些和其它相關技術，比如核磁共振，聯(lián)合使用)。其它技術只能測定溶液大量蛋白的平均屬性，而采用MS的另外一個好處是能提供瞬間或折疊中間體的結構細節(jié)。

其他電離方式

其他電離方式

純凈化合物可置于進樣棒或固體探針的頂端，導入離子源。隨著加熱，樣品升華或蒸發(fā)，進入氣相。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)同時發(fā)生。

大氣壓光電離(APPI)
- 被測物直接或摻雜劑輔助光量子電離，電離電勢低于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大于10eV。在實驗室中，APPI是主要的API替代方法之一，因為APPI擴展了非極性被測物的電離范圍，可以電離那些ESI和APCI有效電離的化合物。

基質輔助激光解吸(MALDI)
- 是一種軟電離技術，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)，以及異質樣品的分析(復雜生物樣品的分析，比如蛋白水解消化物)。
- 高能的光量子與混入有機基質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。

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，或包含在液體基質的薄層樣品(液體SIMS)。
- 場解吸：對沉積在支撐物上的樣品，施加高梯度場。
- 解吸附電噴霧電離(DESI)：像實時直接分析(DART )、大氣壓固體分析探針(ASAP)等緊密相關的技術，以及其它近來進入市場的技術，這些技術往往通過在一個表面的二次相互作用得到離子。在DESI中，帶能液體流對準沉積在平面上的樣品，在大氣壓下引起二次電離。