ESI-MS及其原理

ESI/MS及其原理ESI是一种离子化技术，ESI将溶液中的离子转变为气相离子，进而进行MS分析。离子从溶液中转移至气相是强吸热过程，需要较高的能量，因为溶液中的离子是溶剂化的。将Na+从水溶液中转移至气相需要的能量为：—△G0sol=98kcal/mol（1）—△H0sol=106kcal/mol（2）一气相离子产生的基本过程1.ESI将溶液中的离子转变为气相离子包括三个步骤：①在喷雾毛细管尖端产生带电雾滴；②通过溶剂蒸发和雾滴分裂使带电雾滴变小，这一过程反复进行，直至生成很小的带电雾滴；③由很小带电雾滴产生气相离子。带电雾滴的产生（图1）2.电泳机制毛细管中的溶液由极性溶剂组成，其中含有电解质溶质，例如溶剂为甲醇/水，NaCl或BHCl（B为有机碱）为溶质，浓度10-5～10-3mol/L，以下以正离子模式进行讲述。当电场作用于毛细管，Ec将穿透毛细管尖端的溶液，在电场作用下，溶液中的正、负离子将移动，直至电荷分布产生的对外加电场的反作用导致在溶液中产生无场条件为止。如毛细管为正电极，正离子移向毛细管尖端处的弯月面，负离子以相反方向移动，由于液体表面正离子之间的斥力，克服液体的表面张力，因此毛细管尖端的液面扩张，使正电荷和液体进一步前移，形成一锥体，称Taylor锥。如电场足够高，细的喷口从锥体尖端形成并破裂为细的雾滴。（见图2）锥体—喷口模型（图2）(a)锥体尖端延伸为液体喷口，RJ为喷口半径，RD为雾滴直径。对ESI/MS常用的低粘度液体，RD/RJ约1.9。当电压由a→b→c增加，可观察到多喷口模型。带电雾滴产生—电泳机制雾滴带正电是由于在锥体及其喷口表面有过量的正离子。如果在溶液中的电解质是NaCl，在表面过量的正离子是Na+离子,这种带电模式取决于在电场作用下，正、负离子向相反方向迁移，称为电泳机制。由锥体喷雾产生的带电雾滴经空气向反电极方向漂移，随着溶剂蒸发，带电雾滴收缩，雾滴表面电荷密度增加。当雾滴缩小至一定的半径，电荷间的斥力克服了表面张力，雾滴发生分裂，这个过程重复发生（溶剂蒸发与雾滴分裂），直至生成气相离子。3.ESI是特殊的电解池——电解机制假定电荷的分离是电泳机制，在稳定的ESI操作下，带正电的雾滴将连续带走正离子，在这样的连续电流的装置中，必须实现电荷平衡，同时，只有电子能通过金属导线，因而推测ESI必定包括电化学过程，将移向电极的离子转换为电子。换言之，ESI装置是一种特殊的电解池。其特殊之处在于部分的离子迁移是通过气相，由带电雾滴和其后产生的气相离子携带的，而常规电解池中，离子的迁移是在连续的溶液中进行的。按照电化学反应，氧化反应发生在阳极，在上述ESI中，应发生在溶液/金属毛细管介面。这一反应将金属中的原子转变为金属离子进入溶液，以补充溶液中的正离子。或者通过氧化反应移走溶液中的负离子，对于水溶液反应如下：M(表面)→M2+(水)+2e-(金属)4OH-(水)→O2(气体)+2H2O+4e-(金属)可以预期最低氧化电位的反应首先发生，这取决于金属电极材料、溶液中的离子和溶剂的性质。用不锈钢毛细管在溶液中产生Fe2+。用Zn毛细管尖端，溶液中产生Zn+2且单位时间释放至溶液中的Zn+2的量转换为每秒的库仑数，等于测得的电喷雾电流I。这些定量的结果，充分证明了电解机制。4.ESI的起始电位以牛顿/米和rc以米为单位得Von为伏特。此处，rc=0.1mm和d=40mm。不同表面张力的溶剂的起始电位Von（表1）溶剂CH3OHCH3CN（CH3）2SOH2O(N/m)0.02260.0300.0430.073Von（kV）2.22.53.04.0水的表面张力最高，最难于形成Taylor锥及喷雾，故起始电位Von最高。为了稳定喷雾，必须加以较Von高数百伏的电位。用水作溶剂，易于导致毛细管尖端放电，尤其是当毛细管为负电位时（负离子方式）。虽然ESI起始电位对正或负离子方式是相同，但毛细管尖端的放电起始电位当毛细管处于负电位时较低。放电使毛细管电流I增加，电流在10-5A以上，通常是由于有放电现象。在正离子方式，检测到质子化的溶剂簇，H3O+(H2O)n（水）或CH3OH2+(CH3OH)n（甲醇）说明发生了放电。放电使ESI/MS性能降低，待测离子强度大为下降，放电产生的离子具高强度，这可能是放电使毛细管尖端电位下降，影响了带电雾滴的形成。5.带电雾滴产生的电流带电雾滴离开毛细管的电流是易于测量的，这个电流相当于离开毛细管的过量正离子的总数。式中,对于介电常数/0≥40的液体,f(/0)≈18。这些关系是对于溶液的电导率K大于10-4Sm-1得到的。用极性溶剂,如水及甲醇和基本上完全解离的电解质，溶液的浓度约为10-5mol/L(这是ESI/MS通常的浓度)，流速为1L/min(这是常规ESI/MS的低限)。02/10VKfIf毛细管电流和待测离子强度与溶液流速的关系（图3）（a）毛细管电流I与溶液流速Vf的关系，实线盐酸可卡因10-5mol/L甲醇溶液，(b)质谱测得的BH+（质子化的可卡因）强度与流速的关系。图3b表示质谱分析所得的有机碱的BH+离子流与流速的关系。[BH+]=10-5mol/L，甲醇溶液，分析时浓度恒定。比较图a和b，气相离子流并不与雾滴电流相关，随流速的增加，BH+强度保持恒定，在高流速区，甚至下降。随着流速的变化，雾滴电流和离子强度缺乏相关性，这提示需要进一步了解从雾滴中产生气相离子的过程。由上两式预示雾滴半径随流速增加而增加。实验观察到，随流速增加，气相离子流降低（图3b），这与雾滴大小相关联，即随着雾滴的增大，从带电雾滴中产生气相离子的数目下降。上两式也预示R随电导度K的增加而变小。因而，降低流速和增加电导是产生细雾滴的有效方法。KEVRf2/102/1437/2KVfR2/16.雾滴电流与电导率和溶液中离子浓度的关系雾滴电流与溶液电导率K的关系之所以得到关注，是因为电导率比例于溶液中离子的浓度：K=λ0,mC上式只有在低浓度（C10-1mol/L）时才有效。电解质的等分子电导（equivalentmolarconductivity）λ0,m取决于电解质离子的特定性质，决定λ0,m大小的重要性质是淌度，即溶液中正或负离子在电场作用下的迁移速度。上式是对单一电解质而言的，当溶液中有几种电解质时，K为各电解质电导率之和：K=∑λ0,mCi组成离子的分子电导率为：λ0,m(MX)=l0,m(M+)+l0,m(X-)。λ0,m和l0,m以Ω为单位。25℃，某些电解质在甲醇中的分子电导率（表2）溶质λ0,m离子l0,mHCl190H+146HClO4214Li+40HNO3203Na+45LiCl91K+52NaCl97Cl-52KCl104Br-56实验测定电流I与溶液电导K（HCl和NaCl在60%水和40%甲醇的混合溶液中）的关系：I∝Kn=(λ0,mC)nn≈0.22如果待测物质离子在溶液中的浓度最高，则质谱测得的待测物质离子强度约与雾滴电流I成正比，而气相离子强度取决于溶液中的浓度。但是，通常的实验条件下，除了待测物质以外，还有其它电解质存在于溶液中，这就使情况变得复杂，将在下面中进一步讨论。7.带电雾滴中溶剂的蒸发导致雾滴缩小和库仑分裂电喷雾产生的带电雾滴随着溶剂的蒸发而缩小，但电荷保持恒定，溶剂蒸发的能量由环境气体提供。雾滴半径R变小而雾滴电荷q不变导致表面上电荷斥力的增加，直至达到Rayleigh稳定限：Rayleigh方程指出当雾滴半径R和电荷q满足上式时，静电斥力等于表面张力γ，雾滴不再稳定，发生裂解，称之为库仑分裂（coulumbicfission）或库仑爆炸（coulumbicexplosion）。这种分裂不同于细胞分裂，不是一分为两，而是形成细小的喷口喷出许多小的雾滴，如下图所示。RqRy302/18母和子雾滴示意图（图4）左上角的雾滴是在室温下由毛细管电喷雾产生的雾滴，溶剂蒸发，电荷恒定，导致电荷斥力增加，通过喷雾释放子雾滴，右上角的插图是实验观察到的雾滴喷雾分裂（jetfission）。N为雾滴上的电荷数，R为雾滴半径（m）。△t值代表蒸发缩小雾滴至开始分裂的尺寸时所需时间。二、气相离子形成的机制生成气相离子有两种机制：离子蒸发（ionevaporation）带电残渣模型（chargedresiduemode）1.离子蒸发的Iribarne-Thomson方程Iribarne-Thomson方式基于过渡态理论从带电雾滴中发射离子的速率常数kI为：式中，kB是Boltzman常数，T是雾滴温度，h是Plank常数，活化自由能△G≠由图5的模型估算ehTkkkTGBI/Iribarne—Thomson模型（图5）过渡态和起始态表示在雾滴表面有过量的N单电荷正离子，雾滴半径R。溶剂化的离子具溶剂外壳，离子加溶剂壳的半径为d。在过渡态中，某一带溶剂壳的离子已移出雾滴达Xm距离。通常，对水溶液Xm=0.6nm，R=8nm，N=70。在Iribarne-Thomson过渡态中，能量屏障（势垒，barrier）是由于相反的静电力，即雾滴中遗留电荷对逸出离子的斥力和雾滴极化后产生的对逸出离子的吸力。△G≠取决于四个参数，其中主要是N和R（雾滴中的电荷数和雾滴半径）。这些参数决定了雾滴表面的电场E并产生对逸出离子的斥力，电场的值由Coulomb方程确定：由上式预示的速率常数kI随N的增加和R的变小而增加。其它两个参数代表发射的离子的性质，最低△G≠的逸出离子不是裸露的电解质离子M+,而是溶剂化的离子M+（Sl）m。如式（1）所示裸露的Na+从水溶液中转移至气相需要较高的能量98kcal/mol，但转移Na+(H2O)7只需要56kcal/mol表3列出了裸露的碱金属离子M+和水合的M+（H2O）m从气相至溶液的移迁自由能△G0sol。RNeRqE202044用于评价Iribarne-Thomson速率常数的数据和实验比较（表3）M+Li+Na+K+Cs+NH4+(CH3)4N+(C2H5)4N+-△G0sol（M+）12298.280.667.581(54)(49)-△G0o,m（M+）74.456.436.523.5———m7765～6—～0△G0sol〔M+(H2O)m〕61.256.555.85455.6(54)(49)-RIon(hydrated)=d3.823.583.33.293.3—（2）△G≠13.19.39.77.99.5—7.9kI×10-5S-10.029.84.9946.8—98kI2×10-40.10.051.00.07—1.4k1.61.61.01.01.3—～5kI（Iribarne）3.51.251.51.0———Iribarne-Thomson模型（图6）实验测得的相对系数k（表4）Mor=morphine,Her=heroine,Coc=cocaine,Tpy=tripyridyl,Bu=n=buty1,Et=ethyl,pr=n-propyl,Pen=n-penyl,C7=n-C7H15，C11=n-C11H23离子k离子kICs+1CocH+10Li+1.6Ni2+(Tpy)25Na+1.6Et4N+2K+1.0Pr4N+5NH4+1.3Bu4N+8MorH+3Pen4N+14CodH+5C7NH3+10HerH+6C11NH3+10通常，在ESIMS文献中，可观察到巨大的疏水性基因的单电荷离子具较高的实验灵敏度，因这些离子有低的溶剂化能（如表4中，Pen4N+和C11H23NH3+有相对高的k值）。这样的定性结果对离子蒸发理论较电荷残渣模型更有利。2.带电残渣模型Dole等在研究聚苯乙烯分子量测定时提出，如果雾滴中只有一个聚苯乙烯分子，这将生成加合物离子（如MNa+），生成的这种准分子离子可能用质谱法检出。对于表面活性的认识,也为电荷残渣理论所考虑。在雾滴表面富集的离子将优先转移至小雾滴