电喷雾电离技术

-55-LC-MS应用技术培训专业质谱培训机构王光辉中国科学院化学研究所质谱中心(科技部、科学院、教育部共建)E-Mail:[e-mail]1讲课内容-56-专业质谱培训机构离子源包括两部分：1.离子化系统(将溶液中样品转化为气相离子雾化、蒸发、脱溶剂、离子化)2.离子传输系统(将气相离子由大气压下传送到处于高真空的质量分析器)ESI离子源2专业质谱培训机构(1917)首次介绍电喷雾J.B.Fennetal.,Science,246,64(1989)首次提出ESI3-57-专业质谱培训机构电喷雾电离(Electro-sprayIonizationESI)原理：(1)在高压电场作用下，样品溶液由毛细管中喷出，形成带电雾滴(2)雾滴中溶剂蒸发,雾滴变小，库仑力增大，发生分裂(3)过程(2)多次重复，带电雾滴的尺寸达到nm，液中离子转变为气相离子4专业质谱培训机构稳定喷雾的条件•(1)应有足够强的电场(喷雾、电荷分离)•(2)毛细管中溶液应有一定的线速度•(3)溶液中要含有一定量的电介质(离子)++++++++++++++++++++++++++++++++++++++-----Taylorcone毛细管，半径rC(~50m)雾滴气相离子锥孔距离(d)(~2mm)高压电源(VC)(~3kV)质量分析器电子5-58-专业质谱培训机构电场强度：EC=2VC/[rCln(4d/rC)]•发生喷雾的临界电场强度：EC≈106V/m•流体表面张力愈大要求EC愈高电场强度++++++++++++++++++++++++++++++++++++++-----Taylorcone毛细管，半径rC(~50m)雾滴气相离子锥孔距离(d)(~2mm)高压电源(VC)(~3kV)质量分析器电子6专业质谱培训机构临界电场强度(发生稳定电喷雾所需电压)D.P.H.SmithVon0.2(r)1/2ln[4000d/r]Von(kV):发生稳定电喷雾所需电压r(m):电喷雾针的半径(N/m):溶剂的表面张力d(mm):电喷雾针和反向电极的距离甲醇为溶剂:=0.0226N/mr=50md=5mmVon=1.27kV水为溶剂:Von=2.29kV表面张力H2O0.073N/mCH3OH0.023N/mCH3CN0.030N/m7-59-专业质谱培训机构=雾滴半径q=雾滴电荷=溶剂的表面张力=溶剂的介电常数0=真空中介电常数K=溶液的电导率E=毛细管尖端电场强度Vf=流量(体积/时间)雾滴电荷：q=0.5[8(0R3)1/2]雾滴半径：2/7ΚΕVR43f8专业质谱培训机构临界线速度、电解质发生稳定电喷雾所需线速度—临界线速度与溶液的粘度有关纯H2O1000mm/minH2O:CH3OH=1:1(v/v)400mm/min电解质溶剂中必须有少量的电解质溶剂太纯会导致喷雾不稳定例如纯化CH3OH电导率由10-6Ω-1cm-1降到10-7Ω-1cm-1喷雾不稳定常用电解质乙酸、甲酸~1-2%9-60-专业质谱培训机构喷雾毛细管中发生电荷分离(有利形成带电雾滴)2.喷雾3.电化学反应阳离子随雾滴喷出毛细管留在毛细管中的阴离子与相连的金属管壁发生氧化反应：4OH-(aq)O2+2H2O(产生气泡)10专业质谱培训机构(液滴稳定的极限)qRy=8(R3)1/2qRy:液滴所带电量:真空中介电常数:液滴的表面张力R:液滴的半径非均匀分裂++++++++++++++++++++++++Rd~80nmR~8nm11-61-专业质谱培训机构溶液中离子转变为气相离子气相离子形成机理(TheoryforIonFormation)(1)离子蒸发机理(IonEvaporation)雾滴半径~10nm时，离子由溶液蒸发到气相(2)带电的残渣机理(ChargedResidue)12专业质谱培训机构溶剂：水、甲醇、乙氰、各种比例混合液(常用)乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、二氯甲烷/甲醇混合液四氢呋喃、丙酮、DMSO*、DMF*(*沸点较高,不高于10％)甲苯(用于富勒烯)水的纯度：电导率18M/cm3(多肽、蛋白质、PMF分析，不希望有钠、钾加合离子)缓冲试剂：(含量0.5~1%)甲酸、乙酸、乙酸铵、氢氧化铵、甲铵、三乙铵钠盐、钾盐(10~15M)溶剂、缓冲试剂13-62-专业质谱培训机构ΚΕVR43f雾滴半径：液滴稳定的极限qRy=8(R3)1/214专业质谱培训机构~5cmid5~50mod1~2mm导电镀层V+-导电镀层：1.真空镀金2.沾粘金粉3.铅笔涂抹导电层：沾粘金粉导电层：真空镀金NewObjectiveInc15-63-专业质谱培训机构纳升喷雾接口NanoSprayInterfaceLCflowlineSheathflowlinePEEKferruleID180μmStainlessSteelLiner2~3mmID25μmFusedSilicaCapillary电路必须与溶液连通1.毛细管加金属外套(样品稀释)2.分段毛细管(死体积)17-64-专业质谱培训机构纳升喷雾接口NanoSprayInterface19-65-专业质谱培训机构（1）AngiotensinIII(2)Octreotide(3)ElastinChemotactic毛细管电泳－nanoESI-FTMS连用20专业质谱培训机构样品：来自大肠杆菌的一种蛋白质，经胰蛋白酶消化后的混合多肽仪器：Q-TOF,石英毛细管，50m(i.d.)，365m(o.d.)，100cm(a)CE-ESIMS的TIC图，(b)N-端被修饰的肽段的质谱图确定：N-端His被修饰,N-连接葡萄糖A有些糖蛋白用micro-Spray得不到信号，用nano-Spray得到满意结果因为雾滴更小，有利于脱溶剂CE–ESIMS分析蛋白质22专业质谱培训机构，流量在100~1000L。为适应LC流量，必需使用雾化气，才能实现溶液的雾化。需考虑的问题：(1)雾滴半径较大，必须使用热的干燥气，否则灵敏度会下降。干燥气：加速溶剂蒸发、去溶剂化(Desolvation)(2)较大的流量，容易造成离子源的污染。(3)灵敏度显著底于纳升喷雾。雾滴半径：Vf=流量(体积/时间)=溶剂的表面张力2/7ΚΕVR43f23-67-专业质谱培训机构离子源(使用雾化气)(老结构)用锥孔隔开大气压和真空室ESI用毛细管隔开大气压和真空室24专业质谱培训机构干燥气温度、流量4.源内CID电压5.电透镜参数API离子源(使用雾化气)(新结构)~10mm~4mm垂直喷雾减少污染提高灵敏度25-68-专业质谱培训机构离子源大气压化学电离(APCI)APCI电晕放电电极大气压雾化气LC鞘气加热丝干燥气27-69-专业质谱培训机构→He(23S)电子激发态19.8eVHe(23S)+nH2O→[(H2O)n-1H+]+OH-+He(11S)API离子源大气压化学电离(APCI)[(H2O)n-1H+]+M(样品分子)→MH+28聚四氟乙烯不锈钢管金属圆筒玻璃管-V+23kV电阻1MHe气加热器样品玻璃瓶(H2O)H+)(H2O)H+)(H2O)H+)样品分子样品分子M+H+MS辉光放电2mA专业质谱培训机构质子转移反应:He(23S)+nH2O→[(H2O)n-1H+]+OH-+He(11S)[(H2O)n-1H+]+M(样品分子)→MH+Penning电离:He+e→He+He++He→He(23S)电子激发态19.8eVHe(23S)+M(样品分子)→M+·+He(11S)[(H2O)n-1H+]N2+e→N2+N2+(15.6eV)+H2O(12.6eV)→H2O++N2N2++2N2→N4++N2N4++H2O(12.6eV)→H2O++2N2H2O++nH2O→[(H2O)n-1H+]+OH-[(H2O)n-1H+]+M(样品分子)→MH+离子化机理PA(kJ/mol)CH4543H2O691C4H880229-70-专业质谱培训机构第一级涡轮泵760Torr1Torr1.6x10-3Torr2.0x10-5Torr第二级涡轮泵旋转泵Quadrupole(400VppRf-6.5Voffset)TubeLens(135V)Octopole(400VppRf-8.5Voffs