液质联用技术是目前chang常用的一种分析检测仪器,今天小编通过问答形式,详细介绍一下液质联用中的ESI离子源技术,透过原理,解答您在分析过程中的常见的疑惑。
01 ESI电喷雾离子源的基本原理是什么?
图1. 三重串联四极杆质谱构造图
我们通过分解的方式来窥探一下ESI产生离子化的基本过程
•液相色谱作为进样系统和分离系统:
待分析物通过液相色谱系统在色谱柱上得到分离,被流动相带入电喷雾针。
图2. ESI电喷雾离子源构造图
•电喷雾针:
电喷雾针为套管式结构,中空管道,如上图,中间为流动相通道,两侧翼为雾化气通道,电喷雾针中的喷雾气,形成喷雾压力,流动相液体随喷雾气,被压入大气压气化腔室(见图1)形成喷雾。
•电场梯度:
在喷雾针、和离子锥孔处的反电极之间形成电场梯度,液滴在此处形成正离子或负离子,正负离子形成与化合物的性质相关。
•脱溶剂气:
被加热的逆向的反吹气,与液滴发生热量交换,使得带电液滴脱溶剂化,库伦爆炸在此过程中反复进行,终形成裸露的气相离子,通过离子传输组件,进入四极杆质量过滤器中。
•加热鞘气(辅助脱溶剂化):
加热的鞘气,在喷针的两端,和喷针平行处,其作用,一个是热量交换,使得带电液滴气化,另外一个目的是实现离子聚焦,防止离子的逃逸。
02 质谱中的各种“气”和各种“电压”,您了解吗?
•反吹气(又名气帘气或者脱溶剂气):
反吹气,和气帘气,脱溶剂气其实是不同的名称,从锥孔(或者毛细管)出来的加热气,运动轨迹和离子运行轨迹相反,所以有的叫它”反吹气”,又因为这种加热的气体,对于进入离子通道前的带电液滴,与之进行热量交换,起到了脱溶剂化的效果,又被称为“脱溶剂气”,在与离子传输相反的道路上,它形成了一道像窗帘一样,阻隔了中性分子进入离子通道的路线,降低了本底干扰,所以也被称为”气帘气”。
•喷雾气:
我们可以看到,雾化气在喷雾针平行的方向上,其主要作用在于形成喷雾压力,使得经过喷针的液流,形成细小的雾滴(此过程带电和雾化同时进行)。
•碰撞气:
(基于3Q质谱来说明),则是在质谱的碰撞池中,将来自于第yi个四级杆筛选过滤后传输来的离子,与之发生碰撞,离子被撞碎后,送到第三个四极杆,由于为了防止产生碎片的复杂性,碰撞气只传递动量,不参与反应,所以一般采用高纯的惰性气体。
•电喷雾电压:
这个施加在喷雾针上的电压,主要是用来将经过色谱柱后的流动相,到达喷雾针处形成的液滴,使之带上电荷,改变电压的正负性,其可使得液滴带上正电荷或者负电荷,这个喷雾电压,实际上使得在喷雾针到反电极之间形成电场梯度,带电机理可以看作一种电泳机制。
•锥孔电压或者毛细管电压:
经过脱溶剂的裸露的气相离子,在经过取样锥孔时候,会在锥孔处(有的传输口,里面是一根毛细管),在这个地方施加一个锥孔电压(或者称为毛细管电压),起到导入传输离子的作用,这个电压就是锥孔电压或毛细管电压,不同仪器厂家将不同的地方称为毛细管,需要区分。
•去簇电压:
簇离子的形成过程:
(1)离子源和离子传输单元间的真空差异,导致离子流发生超音速膨胀;
(2)离子流的膨胀导致冷凝
(3)冷凝吸附溶剂分子,形成簇离子
在离子形成过程中,极性分子容易和离子簇合,降低了离子化效率,在这个过程(AB质谱)中加入去簇电压,可以使得极性溶剂分子产生极化,并且给予离子共振能量,可以阻止溶剂分子的吸附,防止成簇的形成,这个就是去簇电压的作用,但当去簇电压过大,离子共振的能量过大,容易导致键断裂,从而导致源内裂解。
03 ESI中关键的库仑爆炸是怎么回事?
带电液滴,表面积聚了相同的电荷,在向离子传输的过程中,遇到热的反吹气和鞘气,交换了热能,使得包裹离子的溶剂气化,液滴内径减少,表面的电荷更加集中,由于库仑力与半径方成反比,因而,库仑力在不断增大,束缚液滴的是其表面张力(让液滴收缩的力);当达到一定的极限,库仑力大于表面张力,液滴就爆炸了,变成更小的液滴,这个过程就是库仑爆炸,库伦爆炸使得离子由液相液滴转化为气相离子。
04 ESI为什么可以使得化合物带上多电荷?
多电荷的产生,主要和离子形成机制以及化合物本身的性质有关,对于分子量小于1000Da的化合物,一般形成单电荷,少部分低分子量化合物会形成双电荷离子;对于大分子如聚合物、蛋白质、多肽等容易形成一些列的多电荷离子;由于生物大分子如蛋白质,多肽,核酸不止一个活性位点,其在ESI中的会产生一系列的多电荷质谱峰,并且所带电荷会随着分子量的增大而增大,多电荷导致了同位素峰的分离变得困难。
05 反相分离和离子化效率怎么取舍?
我们知道反相色谱和质谱联用,是chang见的物质分析方式,而水、甲醇、乙腈为常见的溶剂,粘度大小为:水>甲醇>乙腈,溶剂的粘度大,引起反压较高,溶剂的洗脱能力则刚好相反,水的表面张力较大,因而在水含量高情形下,形成Taylor锥和稳定的喷雾所需要的电压也高,但因此容易引起放电(尤其在负离子模式中),另外水含量较高不利于液滴雾化和脱溶剂化,但是水的存在,又影响着溶剂的介电常数、电导率,这些似乎又说明了水在离子化过程中的*,雾滴的半径大小,带电情况也和水含量比例相关,而在反相色谱中,有机相的比率、溶剂强度等又影响色谱分离度和峰的宽窄(谱带展宽),通常在水相和有机相比率中既要兼顾反相分离效果,又要考虑离子化的效率,ESI属于浓度敏感型离子源,为了兼顾良好分离效果和离子化效率,我们一般采取折中化措施,在50%的水-有机相比例基础上来测试调整,找到合适的平衡点,有时候在需要水相比例足够高的情形下,会通过降低流速,增大脱溶剂化气流和温度,来获得较好的离子化效率。