【色质谱实验室：陈银娟博士 撰文】

【仪器设备：各类质谱及色质联用仪器】

【地点：4号楼219室 色质谱实验室】

质谱（Mass Spectrometry）是测量离子质荷比的仪器。质谱仪器主要由进样系统、离子源、离子光学系统、质量分析器、检测器、数据采集系统以及真空系统组成。离子源是质谱仪的关键部件之一，离子源的作用是将分子或原子电离成离子供后续质量分析器分析，它不仅为质谱仪提供可分析的离子，而且与质谱的应用密切相关。自1886年，气体放电离子源作为质谱仪的首个离子源至今，各种电离技术层出不穷。本文以电子轰击电离(Electron Impact, EI)、电喷雾电离(Electro-Spray Ionization, ESI)、基质辅助激光脱附离子源(Matrix Assisted Laser Deportation Ionization, MALDI)离子源为例，简要阐述质谱为什么需要不同的离子源以及不同离子源的应用范围。

电子轰击离子源(Electron Impact, EI) 按照产生离子的稳定性，离子源可以分为硬电离离子源(hard ionization)和软电离离子源(soft ionization)两种。前者产生的离子仍具有较高的能量，离子结构不稳定导致化学键进一步断裂产生碎片离子。也就是说，硬电离产生大量的碎片离子，质荷比小于样品分子离子的质荷比。软电离产生的分子离子能量较低、稳定，几乎不产生碎片离子。EI源是典型的硬电离技术。如图1，气体样品从轴向样品入口引入到离子源腔体内，径向上加热灯丝产生电子束，与样品分子发生碰撞，高能电子与分子碰撞后，导致分子丢失电子产生正的自由基离子；如果样品分子的电子亲和势较高，则吸附电子产生负离子。在两端磁场的作用下，电子束以螺旋方式运动，提高了电子-分子的碰撞几率。当电子束的能量为70 eV时，电离效果最佳，可产生丰富的碎片离子，提供大量分子结构信息，有利于对样品进行定性分析。EI源中分子离子的碎裂程度可以通过降低电子束的能量进行控制。EI源电离得到的质谱图与质谱仪种类无关，重现性好，所以有大量的EI源质谱图数据库用于化合物的定性分析。EI源是气相色谱-质谱联用仪器的常见接口，用于分析气体样品或是低沸点稳定性好的液体样品；通常结合NIST谱库，实现样品的定性、定量分析。

图 1 电子轰击电离示意图。

电喷雾离子源(Electro-Spray Ionization, ESI) 1968年美国物理学家Dole首次通过ESI产生聚合物离子；1984年美国化学家John Fenn和日本科学家Yamashita将ESI用作质谱离子源，并进行改进，成功用作LC/MS接口。ESI的过程如图2：首先，样品溶于极性可挥发性溶剂中，溶液以一定流速(ul/min)经过一段石英毛细管；然后在毛细管尖端施加高的正电压(1 kV-4 kV)或负电压，在高电场作用下毛细管尖端会电离产生带电小液滴；最后，带电小液滴经过扫吹气或加热等辅助去溶剂化作用，产生离子。

图 2 ESI源内的电荷分离以及小液滴分裂过程。

电喷雾电离在正离子模式下可通过两种方式产生离子：一种方式是结合质子H⁺，产生 [M+H]⁺离子；另一种方式则是结合其它的阳离子，如钠离子形成[M+Na]⁺。在负离子模式下，分子丢失氢质子产生[M-H]^-负离子或者结合其他的阴离子。Keberle等人认为电喷雾过程的实质类似于电泳过程，在高压场的作用下溶液中的正离子和负离子会发生分离。在正离子模式下，电喷雾毛细管相对真空取样小孔具有很高的正电位，负离子被吸引到毛细管另一端，在半月形的液体表面富集了大量的正离子。由于正离子相互排斥作用会导致毛细管尖端的液体表面扩展出去，形成泰勒锥体(Taylor cone)。ESI电离过程中出现的富集正电荷(或负电荷)的泰勒锥体(图2)，由于溶剂挥发，小液滴逐渐变小，电场强度逐渐增加，当“库仑力”大于溶剂表面张力时，小液滴则从泰勒锥体的尖端溅射出来形成更小的带电喷雾小液滴束来降低“库仑力”。随着溶剂的不断挥发，小液滴束的电场强度继续增加，于是进一步分裂成更细小的小液滴喷雾，这个不断分裂的过程称之为“不均匀裂解”或“小液滴喷射裂解”。最后在加热氮气流或加热毛细管的作用下，小液滴去溶剂化最终电离成离子。

溶剂组成对ESI电离条件及电离效果有直接的影响。ESI一般使用易挥发的有机溶剂，如甲醇、乙腈等。一方面是由于有机溶剂可以降低电喷雾电离所需的高压，避免毛细管尖端放电；另一方面则是为了加速去溶剂化过程。电喷雾离子源是离子源发展史上的一次飞跃，并于2002年获得了诺尔贝化学奖。首先，ESI直接从溶液中电离出离子，且在大气压环境进行电离，无疑为LC/MS提供了最佳接口；其次，电喷雾电离可以产生多电荷离子，意味着可以在不改变质谱仪质量范围的前提下能实现蛋白质、核酸类生物大分子的分析，极大扩展了质谱的分析领域和应用范围；此外，电喷雾电离是一种软电离技术，使ESI-MS在蛋白质-配体、蛋白-蛋白等多种非共价复合物研究方面得到广泛应用。需要提及的是，ESI分析的溶液样品，通常产生质子化离子或去质子化离子，因此用于极性化合物分析。

基质辅助激光脱附离子源(Matrix Assisted Laser Deportation Ionization, MALDI) 根据产生离子的连续性，可以将离子源分为连续型离子源(continuous source)和脉冲式离子源(pulsed source)。大部分的离子源均属于连续型离子源，如上文提到的EI源和ESI源等；而脉冲式离子源产生的离子不连续，其中MALDI源最具有代表性。MALDI电离过程可分为三步(图3)：首先，将样品和基质混合并滴加到金属样品板上。基质一般是能显著吸收紫外光或红外光的小分子，如2,5-二羟基苯甲酸、吡啶羧酸、3,5-二甲氧基-4-羟基肉桂酸等，基质的选择与待测样品质量大小有关。第二步，脉冲激光束照射样品板，基质分子吸收激光能量发生电离并导致样品分子和基质从样品板上脱附出来。脱附出来的气体成分极为复杂，含有基质离子、基质分子、样品分子等。最后，基质离子与脱附出来的样品分子相互作用，使样品分子电离成离子，如图3所示。MALDI是飞行时间质谱仪常用的离子源，具有良好的抗基质性能，不受盐、缓冲液等其它基质的影响，这一特征使MALDI源常用于分析血清、脑脊髓、血液、组织、细胞等生物样品，并且MALDI成像技术也得到广泛的应用和发展。

图 3 基质辅助激光解析电离源示意图。

目前，离子化技术经过一百多年的发展，已经有上百种离子源出现，尤其是2004年普渡大学R.G. Cooks教授课题组报道的电喷雾脱附电离(Desorption Electro-Spray Ionization, DESI)，在质谱领域引发了新的革命，各种常压离子源(Ambient Ionization)应运而生，可用于样品无预处理、实时在线快速检测等。表1列出了目前一些常见的离子源种类、离子类型和应用领域。在进行质谱分析之前，我们需要根据自己的测试目的和样品种类来选择合适的离子源。

表1 常见离子源的电离及应用类型