液質聯用中的質譜——離子源篇
質譜主要測定的是帶電離子的質量，即質荷比（m/z）。質譜主要由幾大部分構成：樣品入口，離子源，質量分析器，檢測器，數據系統，質量分析器和檢測器（許多質譜的離子源）均在真空中，由真空泵來提供所需10-3-10-10 Torr的真空度。在液質聯用中，樣品入口即液相色譜的流出端接入離子源，在離子源和質量分析器之間的離子傳輸也挺重要，下面我們分別介紹幾大主要部分。
質譜結構示意圖
第1節、離子源
質譜離子化方法的發展時間與發明者
上圖是質譜離子化方法發展的歷史，離子源將樣品轉化為氣態離子。對于近代的LC-MS來說，主要看大氣壓離子化的發展。1968年，Dole最早發表了電噴霧電離（Electrospray Ionization，ESI）法，但尚無法分析大分子。1975年Carroll等以電暈放電（Corona Discharge）裝置取代GC-MS化學電離法中所用燈絲，在常壓下將液態樣品離子化，被稱為大氣壓化學電離（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）。John Fenn等于1988年將ESI成功用于生物大分子分析并于2002年獲得Nobel獎。Robb等于2000年推出能分析低極性物質的大氣壓光致電離（Atmospheric Pressure Photoionization，APPI）。上述類似方法被統稱為大氣壓電離（Atmospheric Pressure Ionization）。近年來離子化技術又非常活躍，即讓離子源能夠分析自然原始狀態（Native State）的樣品。2004年Cooks開發出解吸電噴霧電離（Desorption Electrospray Ionization，DESI）法，2005年Cody團隊開發出實時直接分析（Direct Analysis in Real Time，DART）法。此后，人們提出許多類似的，可在大氣環境下直接分析樣品且幾乎不需要樣品前處理的離子化方法（注意，這里不再使用液相色譜），被統稱為常壓敞開式離子化（Ambient Ionization）法。
電噴霧電離（ESI）
電噴霧離子源能夠將溶液中的帶電離子在大氣壓下，經由電噴霧過程轉換為氣相離子，再導入質譜儀分析。John B.Fenn提出該設計，利用物理學家已知許多年的電噴霧現象結合質譜儀，來精確測量蛋白質分子量，并于1989年發表實驗數據。除了大分子的分析，電噴霧也適用于分析極性小分子，并具有極高的靈敏度，同時非常容易與HPLC在線聯用，因此是LC-MS的最主要離子源接口。
電噴霧離子化示意圖
電噴霧（ESI）的主要構造為：主體是一支金屬毛細管噴針，內徑約為數微米至數百微米，外層有套管，添加輔助液體和輔助氣體。于噴嘴出口1~2cm處放置一片對電極，金屬毛細管和對電極間用高壓電源制造3~6 kV的電位差，樣品會因電場的牽引噴霧成帶有電荷的微液滴。
通常認為，ESI生成氣相離子的過程與機理（以ESI+舉例）為：（1）整個過程分為液滴生成、液滴縮小、氣相離子生成三個階段。（2）在強電場下，樣品溶液會形成泰勒錐（Talor cone）釋放出帶有正電荷的微液滴。（3）微液滴上的溶劑蒸發造成液滴體積縮小、表面電荷密度過大，達到雷利極限（Rayleigh limit）從而產生庫侖爆裂（Coulombic explosion），液滴分裂成更小的液滴。（4）爆裂后的微液滴重復多次上述分裂過程，最后產生不含溶劑分子的氣態被分析物離子，順著壓力差與電位差進入質量分析器。（5）文獻中曾提出“離子蒸發”和“電荷殘基”兩種模型解釋氣相離子的產生。
商品化的ESI離子源做了很多改良，主要包括：（1）通入氣流加速去溶劑化；（2）加熱氣流或加熱整體離子源腔體加速去溶劑化；（3）調整噴嘴與質量分析器入口的角度（如60度或90度），用氣簾或反吹氣體，降低中性粒子的干擾。各公司商品化的儀器都會介紹各自的技術，總體而言都是加速去溶劑化，提高離子化效率，并降低中性粒子的干擾。
納噴霧電離（Nanospray Ionization）
研究發現，ESI離子源所產生的質譜信號與被分析物在溶液中的濃度成正比相關，但與溶液的流速無關，即ESI離子源具有濃度敏感性。早期的ESI離子源噴嘴內徑>100μm，噴霧流速約每分鐘數微升至數百微升。1994年，Wilm與Mann利用石英毛細管制成內徑約1μm的噴嘴，可在25nL/min極低流速下穩定電噴霧。這種稱為納噴霧離子源（Nanoelectrospray Ion Source）。這時的噴針和入口方向是平行甚至直對質譜入口，而且能承受溶液中較高濃度鹽類污染物的影響，基質效應較不明顯。納噴霧離子源廣泛地用于蛋白質組學研究中，而且近年來出現了很多納升流速的液相色譜儀，從而使LC-MS稱為微量分析的利器。
大氣壓化學電離（APCI）
大氣壓化學電離（APCI）是將原GC-MS上使用的CI化學電離方法擴展到大氣壓下進行，基本原理是離子/分子反應，但APCI借助電暈放電（Corona Discharge）產生試劑離子。此方法利用高電壓（5~6kV）金屬針放電產生等離子體區域（Plasma Region），通常以氮氣作為試劑氣體，經由電暈放電產生一次離子，再與汽化的溶劑反應，產生二次反應氣體粒子，再與溶質進行離子/分子反應，如發生質子轉移反應，從而使被分析物離子化。APCI更適用于弱極性/中等極性的小分子，其在僅有電場作用的ESI下難以離子化。
大氣壓光致電離（APPI）
大氣壓光致電離（APPI）利用光能激發氣態被分析物分子，使其離子化為自由基離子（Radical Ion），或進一步將被分析物質子化生成離子。光能激發可使用各種元素燈，如氬（Ar）燈、氪（Ke）燈、氙（Xe）燈燈，它們的光能不同。一般情況下以光能10.20eV的氪燈作光源，它能離子化大多數被分析物（離子化能7~10 eV），而不離子化溶劑、空氣分子。APPI有時也使用摻雜劑如甲苯、丙酮來幫助被分析物離子化。APPI具有分析極低極性或非極性物質的能力。
常壓敞開式電離
2004年Cooks團隊開發出解吸電噴霧電離（Desorption Electrospray Ioniztion，DESI）；2005年Cody團隊開發出實時直接分析（Direct Analysis in Real Time，DART），共同特點是離子源能夠直接分析自然原始狀態的樣品。此后質譜學家們已相繼開發出40余種離子化技術，統稱為常壓敞開式離子化（Ambient Ionization）。
DESI主要運用電噴霧裝置以及氣動霧化器，將溶劑霧化為帶電荷的微液滴。
DESI（解吸電噴霧電離）基本結構
當氣體束以入射角α撞擊樣品時，樣品表面的被分析物將溶解于微液滴內，并于液態下進行離子/分子反應，產生被分析物離子。該過程中，氣體束的動能必須得以釋放，所以會以β反射角將被分析物離子的微液滴濺射出去，然后飛入質量分析器，飛行過程中會發生去溶劑和庫侖爆裂等類似ESI的機理。相比ESI，DESI的效果受到更多因素的影響，比如噴嘴及質譜入口和樣品的距離，入射角，溶劑溶解樣品的溶解度等。
DART的電離基于激發態的原子、分子與大氣中的氣體和樣品的相互作用，氦氣被導入DART，在針狀電極放電后會產生等離子體，其中包括離子、電子和處于激發態(亞穩態)的原子及分子；等離子體中的大部分帶電粒子被接地電極去除，只有處于激發態的中性氣體分子才會被釋放到大氣中。根據需要可用加熱器加熱，以促進樣品的汽化以及材料表面的熱解吸。正離子機理：當激發態的氦原子與大氣中的水反應，生成質子化水團簇，這些質子化水團族與分析物(M)發生反應，生成質子化陽離子。負離子機理：激發態的原子與出口柵極、大氣中的中性粒子(N)相互作用，發生潘寧電離產生電子，這些電子與大氣中(G)的氣體碰童并迅速減速，又與空氣中的氧氣發生反應產生氧負離子。
DART原理示意圖
常壓敞開式離子化法適合分析存在于物體表面的物質，可在現場分析，分析速度快，在環境檢測、食品安全、犯罪物證鑒定、臨床標志物檢測等需要快速現場分析的領域具有前景；在近年來高熱度的質譜成像、空間定位組學等領域發表了許多前沿成果。
但敞開式設計受到周圍環境干擾較大，許多商品化儀器改為了“非敞開式”，只應用其直接分析物體表面物質、分析速度快的特點，比如目前商品化的DESI等類似技術。另外一種聲波激發的新型電離（ACOUSTIC DROPLET EJECTION，ADE）方式，將樣品放在96或384孔板上，然后用聲表面波（SAW）驅動微流體直接進行電離分析，可實現3個樣品/秒的高通量分析，在新藥篩選領域已顯示出較大的應用價值。
接下來請見下篇：液質聯用中的質譜：離子傳輸
目錄：
前言：液質聯用（LC-MS）簡述
Chapter1、液質聯用中的液相色譜
Chapter2、液質聯用中的質譜
2.1離子源
2.2離子傳輸
2.3 質量分析器
2.4串聯質譜（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）
2.5 檢測器
2.6 真空系統
Chapter3、液質聯用中的數據采集和分析
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綜述
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綜述
