ESI-MS及其原理課件

ESI/MS及其原理1

ESI是一種離子化技術(shù)，ESI將溶液中的離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嚯x子，進(jìn)而進(jìn)行MS分析。離子從溶液中轉(zhuǎn)移至氣相是強(qiáng)吸熱過(guò)程，需要較高的能量，因?yàn)槿芤褐械碾x子是溶劑化的。將Na+從水溶液中轉(zhuǎn)移至氣相需要的能量為：

—△G0sol=98kcal/mol（1）

—△H0sol=106kcal/mol（2）2一氣相離子產(chǎn)生的基本過(guò)程

1.ESI將溶液中的離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嚯x子包括三個(gè)步驟：①在噴霧毛細(xì)管尖端產(chǎn)生帶電霧滴；②通過(guò)溶劑蒸發(fā)和霧滴分裂使帶電霧滴變小，這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直至生成很小的帶電霧滴；③由很小帶電霧滴產(chǎn)生氣相離子。

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帶電霧滴的產(chǎn)生（圖1）42.電泳機(jī)制

毛細(xì)管中的溶液由極性溶劑組成，其中含有電解質(zhì)溶質(zhì)，例如溶劑為甲醇/水，NaCl或BHCl（B為有機(jī)堿）為溶質(zhì)，濃度10-5～

10-3mol/L，以下以正離子模式進(jìn)行講述。

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當(dāng)電場(chǎng)作用于毛細(xì)管，Ec將穿透毛細(xì)管尖端的溶液，在電場(chǎng)作用下，溶液中的正、負(fù)離子將移動(dòng)，直至電荷分布產(chǎn)生的對(duì)外加電場(chǎng)的反作用導(dǎo)致在溶液中產(chǎn)生無(wú)場(chǎng)條件為止。如毛細(xì)管為正電極，正離子移向毛細(xì)管尖端處的彎月面，負(fù)離子以相反方向移動(dòng)，由于液體表面正離子之間的斥力，克服液體的表面張力，因此毛細(xì)管尖端的液面擴(kuò)張，使正電荷和液體進(jìn)一步前移，形成一錐體，稱Taylor錐。如電場(chǎng)足夠高，細(xì)的噴口從錐體尖端形成并破裂為細(xì)的霧滴。（見(jiàn)圖2）6錐體—噴口模型（圖2）(a)錐體尖端延伸為液體噴口，RJ為噴口半徑，RD為霧滴直徑。對(duì)ESI/MS常用的低粘度液體，RD/RJ約1.9。當(dāng)電壓由a→b→c增加，可觀察到多噴口模型。7帶電霧滴產(chǎn)生—電泳機(jī)制

霧滴帶正電是由于在錐體及其噴口表面有過(guò)量的正離子。如果在溶液中的電解質(zhì)是NaCl，在表面過(guò)量的正離子是Na+離子,這種帶電模式取決于在電場(chǎng)作用下，正、負(fù)離子向相反方向遷移，稱為電泳機(jī)制。由錐體噴霧產(chǎn)生的帶電霧滴經(jīng)空氣向反電極方向漂移，隨著溶劑蒸發(fā)，帶電霧滴收縮，霧滴表面電荷密度增加。當(dāng)霧滴縮小至一定的半徑，電荷間的斥力克服了表面張力，霧滴發(fā)生分裂，這個(gè)過(guò)程重復(fù)發(fā)生（溶劑蒸發(fā)與霧滴分裂），直至生成氣相離子。

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3.ESI是特殊的電解池——電解機(jī)制

假定電荷的分離是電泳機(jī)制，在穩(wěn)定的ESI操作下，帶正電的霧滴將連續(xù)帶走正離子，在這樣的連續(xù)電流的裝置中，必須實(shí)現(xiàn)電荷平衡，同時(shí)，只有電子能通過(guò)金屬導(dǎo)線，因而推測(cè)ESI必定包括電化學(xué)過(guò)程，將移向電極的離子轉(zhuǎn)換為電子。換言之，ESI裝置是一種特殊的電解池。其特殊之處在于部分的離子遷移是通過(guò)氣相，由帶電霧滴和其后產(chǎn)生的氣相離子攜帶的，而常規(guī)電解池中，離子的遷移是在連續(xù)的溶液中進(jìn)行的。9

按照電化學(xué)反應(yīng)，氧化反應(yīng)發(fā)生在陽(yáng)極，在上述ESI中，應(yīng)發(fā)生在溶液/金屬毛細(xì)管介面。這一反應(yīng)將金屬中的原子轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匐x子進(jìn)入溶液，以補(bǔ)充溶液中的正離子?；蛘咄ㄟ^(guò)氧化反應(yīng)移走溶液中的負(fù)離子，對(duì)于水溶液反應(yīng)如下：

M(表面)→M2+(水)+2e-(金屬)4OH-(水)→O2(氣體)+2H2O+4e-(金屬)10

可以預(yù)期最低氧化電位的反應(yīng)首先發(fā)生，這取決于金屬電極材料、溶液中的離子和溶劑的性質(zhì)。用不銹鋼毛細(xì)管在溶液中產(chǎn)生Fe2+。用Zn毛細(xì)管尖端，溶液中產(chǎn)生Zn+2且單位時(shí)間釋放至溶液中的Zn+2的量轉(zhuǎn)換為每秒的庫(kù)侖數(shù)，等于測(cè)得的電噴霧電流I。這些定量的結(jié)果，充分證明了電解機(jī)制。114.ESI的起始電位

以牛頓/米和rc以米為單位得Von為伏特。此處，rc=0.1mm和d=40mm。12不同表面張力

的溶劑的起始電位Von（表1）溶劑CH3OHCH3CN（CH3）2SOH2O

(N/m)0.02260.0300.0430.073Von（kV）2.22.53.04.013

水的表面張力最高，最難于形成Taylor錐及噴霧，故起始電位Von最高。為了穩(wěn)定噴霧，必須加以較Von高數(shù)百伏的電位。用水作溶劑，易于導(dǎo)致毛細(xì)管尖端放電，尤其是當(dāng)毛細(xì)管為負(fù)電位時(shí)（負(fù)離子方式）。雖然ESI起始電位對(duì)正或負(fù)離子方式是相同，但毛細(xì)管尖端的放電起始電位當(dāng)毛細(xì)管處于負(fù)電位時(shí)較低。放電使毛細(xì)管電流I增加，電流在10-5A以上，通常是由于有放電現(xiàn)象。在正離子方式，檢測(cè)到質(zhì)子化的溶劑簇，H3O+(H2O)n（水）或CH3OH2+(CH3OH)n（甲醇）說(shuō)明發(fā)生了放電。放電使ESI/MS性能降低，待測(cè)離子強(qiáng)度大為下降，放電產(chǎn)生的離子具高強(qiáng)度，這可能是放電使毛細(xì)管尖端電位下降，影響了帶電霧滴的形成。14

5.帶電霧滴產(chǎn)生的電流

帶電霧滴離開(kāi)毛細(xì)管的電流是易于測(cè)量的，這個(gè)電流相當(dāng)于離開(kāi)毛細(xì)管的過(guò)量正離子的總數(shù)。

式中,對(duì)于介電常數(shù)

/

0≥40的液體,f(

/

0)≈18。這些關(guān)系是對(duì)于溶液的電導(dǎo)率K大于10-4Sm-1得到的。用極性溶劑,如水及甲醇和基本上完全解離的電解質(zhì)，溶液的濃度約為10-5mol/L(這是ESI/MS通常的濃度)，流速為1

L/min(這是常規(guī)ESI/MS的低限)。

15毛細(xì)管電流和待測(cè)離子強(qiáng)度與溶液流速的關(guān)系（圖3）（a）毛細(xì)管電流I與溶液流速V

f的關(guān)系，實(shí)線鹽酸可卡因10-5mol/L甲醇溶液，(b)質(zhì)譜測(cè)得的BH+（質(zhì)子化的可卡因）強(qiáng)度與流速的關(guān)系。

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圖3b表示質(zhì)譜分析所得的有機(jī)堿的BH+離子流與流速的關(guān)系。[BH+]=10-5mol/L，甲醇溶液，分析時(shí)濃度恒定。比較圖a和b，氣相離子流并不與霧滴電流相關(guān)，隨流速的增加，BH+強(qiáng)度保持恒定，在高流速區(qū)，甚至下降。隨著流速的變化，霧滴電流和離子強(qiáng)度缺乏相關(guān)性，這提示需要進(jìn)一步了解從霧滴中產(chǎn)生氣相離子的過(guò)程。17

由上兩式預(yù)示霧滴半徑隨流速增加而增加。實(shí)驗(yàn)觀察到，隨流速增加，氣相離子流降低（圖3b），這與霧滴大小相關(guān)聯(lián)，即隨著霧滴的增大，從帶電霧滴中產(chǎn)生氣相離子的數(shù)目下降。上兩式也預(yù)示R隨電導(dǎo)度K的增加而變小。因而，降低流速和增加電導(dǎo)是產(chǎn)生細(xì)霧滴的有效方法。186.霧滴電流與電導(dǎo)率和溶液中離子濃度的關(guān)系

霧滴電流與溶液電導(dǎo)率K的關(guān)系之所以得到關(guān)注，是因?yàn)殡妼?dǎo)率比例于溶液中離子的濃度：

K=λ0,mC

上式只有在低濃度（C<10-1mol/L）時(shí)才有效。電解質(zhì)的等分子電導(dǎo)（equivalentmolarconductivity）λ0,m取決于電解質(zhì)離子的特定性質(zhì)，決定λ0,m大小的重要性質(zhì)是淌度，即溶液中正或負(fù)離子在電場(chǎng)作用下的遷移速度。上式是對(duì)單一電解質(zhì)而言的，當(dāng)溶液中有幾種電解質(zhì)時(shí)，K為各電解質(zhì)電導(dǎo)率之和：

K=∑λ0,mCi19組成離子的分子電導(dǎo)率為：λ0,m(MX)=l0,m(M+)+l0,m(X-)。

λ0,m和l0,m以Ω為單位。

25℃，某些電解質(zhì)在甲醇中的分子電導(dǎo)率（表2）溶質(zhì)λ0,m離子l0,mHCl190H+146HClO4214Li+40HNO3203Na+45LiCl91K+52NaCl97Cl-52KCl104Br-5620

實(shí)驗(yàn)測(cè)定電流I與溶液電導(dǎo)K（HCl和NaCl在

60%水和40%甲醇的混合溶液中）的關(guān)系：I∝Kn=(λ0,mC)nn≈0.22

如果待測(cè)物質(zhì)離子在溶液中的濃度最高，則質(zhì)譜測(cè)得的待測(cè)物質(zhì)離子強(qiáng)度約與霧滴電流I成正比，而氣相離子強(qiáng)度取決于溶液中的濃度。但是，通常的實(shí)驗(yàn)條件下，除了待測(cè)物質(zhì)以外，還有其它電解質(zhì)存在于溶液中，這就使情況變得復(fù)雜，將在下面中進(jìn)一步討論。21

7.帶電霧滴中溶劑的蒸發(fā)導(dǎo)致霧滴縮小和庫(kù)侖分裂

電噴霧產(chǎn)生的帶電霧滴隨著溶劑的蒸發(fā)而縮小，但電荷保持恒定，溶劑蒸發(fā)的能量由環(huán)境氣體提供。

霧滴半徑R變小而霧滴電荷q不變導(dǎo)致

表面上電荷斥力的增加，直至達(dá)到Rayleigh穩(wěn)定限：

Rayleigh方程指出當(dāng)霧滴半徑R和電荷q滿足上式時(shí)，靜電斥力等于表面張力γ，霧滴不再穩(wěn)定，發(fā)生裂解，稱之為庫(kù)侖分裂（coulumbicfission）或庫(kù)侖爆炸（coulumbicexplosion）。這種分裂不同于細(xì)胞分裂，不是一分為兩，而是形成細(xì)小的噴口噴出許多小的霧滴，如下圖所示。

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母和子霧滴示意圖（圖4）左上角的霧滴是在室溫下由毛細(xì)管電噴霧產(chǎn)生的霧

滴，溶劑蒸發(fā)，電荷恒定，導(dǎo)致電荷斥力增加，通過(guò)噴霧釋放子霧滴，右上角的插圖是實(shí)驗(yàn)觀察到的霧滴噴霧分裂（jetfission）。

N為霧滴上的電荷數(shù)，

R為霧滴半徑（

m）?！鱰值代表蒸發(fā)縮小霧滴至開(kāi)始分裂的尺寸時(shí)所需時(shí)間。23二、氣相離子形成的機(jī)制生成氣相離子有兩種機(jī)制：離子蒸發(fā)（ionevaporation）帶電殘?jiān)Ｐ停╟hargedresiduemode）241.離子蒸發(fā)的Iribarne-Thomson方程

Iribarne-Thomson方式基于過(guò)渡態(tài)理論從帶電霧滴中發(fā)射離子的速率常數(shù)kI為：

式中，kB是Boltzman常數(shù)，T是霧滴溫度，h是

Plank常數(shù)，活化自由能△G≠由圖5的模型估算

25Iribarne—Thomson

模型（圖5）

過(guò)渡態(tài)和起始態(tài)表示在霧滴表面有過(guò)量的N單電荷正離子，霧滴半徑R。溶劑化的離子具溶劑外殼，離子加溶劑殼的半徑為d。在過(guò)渡態(tài)中，某一帶溶劑殼的離子已移出霧滴達(dá)Xm距離。通常，對(duì)水溶液Xm=0.6nm，R=8nm，N=70。26

在Iribarne-Thomson過(guò)渡態(tài)中，能量屏障（勢(shì)壘，barrier）是由于相反的靜電力，即霧滴中遺留電荷對(duì)逸出離子的斥力和霧滴極化后產(chǎn)生的對(duì)逸出離子的吸力。

△G≠取決于四個(gè)參數(shù)，其中主要是N和R（霧滴中的電荷數(shù)和霧滴半徑）。這些參數(shù)決定了霧滴表面的電場(chǎng)E并產(chǎn)生對(duì)逸出離子的斥力，電場(chǎng)的值由Coulomb方程確定：27

由上式預(yù)示的速率常數(shù)kI隨N的增加和R的變小而增加。其它兩個(gè)參數(shù)代表發(fā)射的離子的性質(zhì)，最低△G≠的逸出離子不是裸露的電解質(zhì)離子M+,而是溶劑化的離子M+（Sl）m。如式（1）所示裸露的

Na+從水溶液中轉(zhuǎn)移至氣相需要較高的能量98kcal/mol，但轉(zhuǎn)移Na+(H2O)7只需要56kcal/mol表3列出了裸露的堿金屬離子M+和水合的M+（H2O）m從氣相至溶液的移遷自由能△G0sol。28用于評(píng)價(jià)Iribarne-Thomson速率常數(shù)的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)比較（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———29Iribarne-Thomson模型（圖6）

30實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相對(duì)系數(shù)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離子k離子kICs+1CocH+10Li+1.6Ni2+(Tpy)25Na+1.6Et4N+2K+1.0Pr4N+5NH4+1.3Bu4N+8MorH+3Pen4N+14CodH+5C7NH3+10HerH+6C11NH3+1031

通常，在ESIMS文獻(xiàn)中，可觀察到巨大的疏水性基因的單電荷離子具較高的實(shí)驗(yàn)靈敏度，因這些離子有低的溶劑化能（如表4中，Pen4N+和C11H23NH3+有相對(duì)高的k值）。這樣的定性結(jié)果對(duì)離子蒸發(fā)理論較電荷殘?jiān)Ｐ透欣?/p>

322.帶電殘?jiān)Ｐ?/p>

Dole等在研究聚苯乙烯分子量測(cè)定時(shí)提出，如果霧滴中只有一個(gè)聚苯乙烯分子，這將生成加合物離子（如MNa+），生成的這種準(zhǔn)分子離子可能用質(zhì)譜法檢出。33

對(duì)于表面活性的認(rèn)識(shí),也為電荷殘?jiān)碚撍紤]。在霧滴表面富集的離子將優(yōu)先轉(zhuǎn)移至小霧滴的表面，因?yàn)樾§F滴表面的離子來(lái)源于母霧滴表面的電荷。相同的過(guò)程代代相傳，可以預(yù)期最后的霧滴只含一個(gè)過(guò)量的離子，這必將是表面活性離子優(yōu)先。因?yàn)闆](méi)有其它離子存在，故不存在將這一離子推向表面的驅(qū)動(dòng)力，離子不再處在表面。以此為基礎(chǔ)，為帶電殘?jiān)碚摮闪ⅰ?4三質(zhì)譜測(cè)得的待測(cè)物質(zhì)離子信號(hào)強(qiáng)度與電噴霧滴液中待測(cè)物質(zhì)離子和其它電解質(zhì)濃度的關(guān)系（圖6）

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質(zhì)譜中單一待測(cè)物質(zhì)離子強(qiáng)度對(duì)待測(cè)物質(zhì)濃度系列的變化見(jiàn)圖。用對(duì)數(shù)圖是為了容納寬的離子強(qiáng)度和濃度范圍。在低濃度區(qū)至約10-6mol/L是線性部分，斜率約為1，隨后是信號(hào)飽和區(qū)，在最高濃度時(shí)，甚至強(qiáng)度略有下降。

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理解整個(gè)曲線的關(guān)鍵是必須理解電噴霧的溶液并非單一電解質(zhì)體系。所用的溶劑，除非專門(mén)去離子，常含電解質(zhì)雜質(zhì)。試劑級(jí)甲醇中的雜質(zhì)主要是銨和鈉鹽，總濃度約10-5mol/L。在待測(cè)物質(zhì)A的低濃度區(qū)，毛細(xì)管電流主要由雜質(zhì)B攜帶，B的濃度是恒定的，因而在此區(qū)域內(nèi)，I也是恒定的（圖上部）。質(zhì)譜測(cè)得的總離子強(qiáng)度，Itotal≈IA+IB，也是恒定的，因?yàn)殡s質(zhì)B是主要的。待測(cè)物質(zhì)A的濃度為10-5mol/L左右時(shí)，待測(cè)物質(zhì)開(kāi)始成為主體，總電解質(zhì)濃度開(kāi)始增加。37

Itotol的形狀與毛細(xì)管電流I相似。在這一區(qū)域，這兩個(gè)電流基本上成比例。當(dāng)待測(cè)物質(zhì)濃度在10-5mol/L以上時(shí),雜質(zhì)離子B+的強(qiáng)度IB下降，電流I與濃度C弱相關(guān)。這是因?yàn)檫@一電流與總的霧滴電荷成正比，而A的增加幾乎不增加霧滴電荷，但是在氣相離子轉(zhuǎn)換過(guò)程中，霧滴中的A+競(jìng)爭(zhēng)B+，這樣增加[A+]將導(dǎo)致氣相離子的B+的降低，因而IB降低。38基于上述考慮，提出了雙電解質(zhì)和三電解質(zhì)體系的兩個(gè)方程：上兩式表示溶液內(nèi)部離子進(jìn)入氣相的競(jìng)爭(zhēng)，強(qiáng)度IA只取決于kA/kB的比率，而并不取決于個(gè)別的kA和kB。比率kA/kB代表氣相離子A+和B+的產(chǎn)率比(相對(duì)于溶液本體中的濃度)。39圖7NH4Cl對(duì)質(zhì)譜測(cè)定的待測(cè)物質(zhì)A+的影響[A+]=10-5mol/L（a）總毛細(xì)管電流I的變化。（b）由于加入NH4+競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，待測(cè)物質(zhì)A+強(qiáng)度下降。

40離子從帶電霧滴轉(zhuǎn)移至氣相時(shí)電荷和

結(jié)構(gòu)的改變

質(zhì)子化的堿和去質(zhì)子的酸分別是產(chǎn)生正和負(fù)離子的兩類重要物質(zhì)，這樣的體系可能涉及非預(yù)期的質(zhì)子轉(zhuǎn)移化學(xué)，發(fā)生在離子從霧滴至氣相的非常規(guī)條件的過(guò)程中，因?yàn)閷?duì)離子而言溶液和氣相是兩種完全不同的環(huán)境。41五ESI實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化1.待測(cè)物質(zhì)在溶液中的狀態(tài)

ESI過(guò)程是將離子從溶液中轉(zhuǎn)移至氣相，所以，對(duì)可接受質(zhì)子的待測(cè)物質(zhì)，如有機(jī)堿B，用極性溶劑并加甲酸或醋酸使呈呈酸性，pH2左右使成BH+，用正離子方式測(cè)定。

B+RCOOH

BH++RCOO-

對(duì)于可解離質(zhì)子的待測(cè)物質(zhì),如有機(jī)酸HA，在溶液中加氨水使堿化，pH9左右，使成(A-H)-，用負(fù)離子方式測(cè)定。

HA+NH3

A-+NH4+

422.溶劑的表面張力

如用純水作溶劑，因其表面張力高，故形成Taylor錐和穩(wěn)定噴霧所需電壓高，可能導(dǎo)致放電（尤其是負(fù)離子方式），所以，常用水/甲醇(50:50)溶劑，同時(shí)，水與甲醇混合式，粘度也下降，這也有利于霧化。433.溶液的流速與電導(dǎo)率

電噴霧所得霧滴的半徑與許多因素有關(guān)，如溶液的表面張力、介電常