电喷雾离子源原理与研究进展-高方园

中国科学:化学2014年第44卷第7期:1181~1194SCIENTIASINICAChimica评述电喷雾离子源原理与研究进展高方园①,张维冰①②*,关亚风②,张玉奎②*①上海市功能性材料化学重点实验室;华东理工大学,上海200237②中国科学院大连化学物理研究所,大连116011*通讯作者:E-mail:[e-mail];[e-mail]收稿日期:2013-07-22;接受日期:2013-09-04;网络版发表日期:2014-05-04doi:10.1360/10.1360/N032013-00018摘要电喷雾离子源(ESI)是蛋白质组学研究采用的LC-MS/MS中最常用的接口之一,其作为一种软电离技术,具有可直接测定热不稳定化合物、形成多电荷离子等特征,在蛋白质组学研究中具有独特优势.本文介绍了电喷雾离子源(ESI)的工作原理与研究进展,并对各种新型离子化方法与应用进行了系统评述.关键词电喷雾离子源离子化机理LC-MS1引言电喷雾离子源(ESI)是目前液相色谱-质谱(LC-MS)联用最常用的接口,属软电离方式,可用于研究热不稳定和极性较大的化合物.由于可产生带多电荷的分子离子,电喷雾离子源也可用于研究蛋白质等生物大分子.Fenn等最早证明了ESI在生成生物分子离子方面的适用性,直到20世纪60年代,Dole等[1]生产出第一台基于电喷雾的质谱仪.之后,Fenn等[2]使用ESI串联四级杆检测器对分子束进行检测,意识到Dole离子源存在缺陷,并对结果进行解释,修正了离子源喷针和端板之间的距离,从而降低了喷针电压.Fenn所设计的离子源后来演变成Fenn-Whitehouse设计[3].该设计使用玻璃毛细管将离子从大气环境输送进第一真空室,可根据需求选择不同内径毛细管.1987年,Bruins等[4]将气动辅助喷雾器引入电喷雾接口.雾化气体有助于稳定电喷雾,保持流速接近0.2mL/min,适用于液相串联ESI-MS.允许喷嘴和对电极之间有较大的距离,减少了电晕放电的发生.同时,降低了喷雾过程对喷嘴位置的依赖,若离轴放置喷嘴,可以获得更高的灵敏度.此后,电喷雾离子源结构设计经过了一系列改进,对其工作原理也有了越来越深刻的认识.2电喷雾离子源机理2.1工作原理电喷雾离子源(ESI)利用电场产生带电液滴,经过去溶剂化过程最终产生被测物离子,进入质谱分析.此过程包括带电液滴的形成、液滴收缩及产生气相离子3个阶段.ESI-MS中,样品溶液以低流速(0.1~10L/min)通过毛细管.毛细管上通入高电压(2~5kV),该电压的正负取决于待测物的性质.电压提供液体表面电荷分离所需要的电场梯度.在电场的作用下,液体从毛细管在尖端形成“泰勒锥”(图1)[5].泰勒锥形成的机理目前尚未明确,但已经证明,在一定的条件下,锥体的形态取决于毛细管电压,并且与毛细管内流体的脉动有关[6].当泰勒锥尖端的溶液到达瑞利极限(Rayleighlimit)[7],即表面电荷的库仑斥力与溶液表面张力相当的临界点时,锥尖将产生含有大量电荷的液滴.随着溶剂蒸发,液滴收缩,液滴内电荷间排斥力增大,当到达并超越瑞利极限,液滴会发生库仑爆炸,除去液滴表面的过量电荷,生成更小的带电小高方园等:电喷雾离子源原理与研究进展1182图1电喷雾离子化过程示意图[5]液滴[8].生成的带电小液滴进一步发生新一轮爆炸,往复循环,最终得到气相离子.由极小的液滴产生气相离子的机理尚未明确,目前有3种解释(图2)[9]:(1)最早由Iribarne和Thomson[10]提出的离子蒸发机理(ionevaporationmodel,IEM);(2)由Dole等[1,11]提出的带电残基机理(chargedresiduemodel,CRM);(3)由Konermann等[12,13]提出的新理论,即链弹射理论(chainejectionmodel,CEM).一般认为,小分子物质向气相转移的过程遵循IEM.这类分析物在溶液中有机酸的协助下经质子化过程带电,当加在带电液滴上电场足够大时,在表面离子电势作用下蒸发,单个携带有电荷、溶剂化的分析物进入气相.CRM适用于大的球状物质,如天然折叠蛋白.在中性水溶液中,大部分蛋白呈现紧凑的球状,电荷及极性基团在球体外部,以达到最大的亲水效果.非极性部分在球体内侧,形成不与溶剂接触的疏水内芯.Konermann等[13]认为,这种外部亲水、内部疏水的球状蛋白遵循CRM.该理论认为经过连续库仑裂变,最终形成只含有单个分析物的液滴,当溶剂层蒸发完后,液滴的电荷转移到分析物分子进而形成气相离子.分子动力学模型表明,非折叠的蛋白在电喷雾离子化过程中遵循另一种不同的机理,被称为CEM[12,13].溶液中蛋白质结构由酸性流动相等条件引发而展开,形成高度无序的构象.之前被隔离在内图2ESI的3种机理示意图[9].(a)IEM:小离子自带电微液滴表面喷出;(b)CRM:球蛋白释放进入气相;(c)CEM:未折叠蛋白的喷射部的非极性基团暴露在溶剂中,蛋白由紧凑亲水变为松散疏水.高度展开的蛋白质疏水特性使其不适宜驻留在液滴内部,从而迁移至液滴表面,链的末端被排入气相.紧接着,蛋白质剩余部分按照顺序逐步排出直至与液滴分离.显而易见,CEM与IEM有相似之处,而完全不同于CRM机理.CEM适用于无序、中国科学:化学2014年第44卷第7期1183部分疏水、可容纳过量电荷载体的链状聚合物[14].了解分析物特性,对于成功应用ESI、决定其ESI响应起到了至关重要的作用.下面将探讨影响ESI响应的分析物特性,同时总结增强弱响应物质ESI信号强度的方法.2.2离子化方式Enke等[5]对电喷雾离子源离子化方式进行了系统归纳,将其概括为以下四种:电荷分离、形成加合物、气相反应和电化学氧化还原反应.(1)通过电荷分离实现离子.在电喷雾离子源中,电荷分离是无机物、有酸性或碱性基团的生物分子、含胺、磷、羰基的物质、有多种氨基酸残基或易于通过质子化作用形成离子的蛋白质等物质离子化的主要途径.(2)加合物的形成.添加适当浓度的盐可帮助没有酸碱基团的极性化合物形成加合物,使不易离子化或离子化后不稳定物质离子化,溶液中加合物的形成发生在电荷分离过程之前,用于产生正/负离子[15~17].(3)通过气相反应生成离子.离开带电液滴进入气相的带电分析物受到气相中其他离子,如溶剂分子离子等的互相作用,发生质子转移反应带电,质子向具有更高质子亲和能的分析物中转移[18~20].(4)通过电化学氧化还原反应离子化.电化学反应可以将不带电的分析物转换成离子形式,某些情况下可以用作电喷雾离子化的方法[21].但是,某些电化学反应会起到消极作用,使分析物带有过量的电荷、氧化接触到的金属、改变电化学反应[22].2.3影响ESI响应的因素分析物本身特性直接影响电喷雾离子源中离子化效率,从而影响信号响应.此外,背景噪声会干扰响应.Iribarne等[23]最早提出,表面亲和力强的非极性分析物具有更高的ESI响应;Kebarle等[24,25]和Apffel等[26]基于离子蒸发理论,认为ESI响应与自ESI液滴表面蒸发速率有关.Enke[27]认为,不考虑离子蒸发速率,只有能形成ESI液滴表面过量电荷的分析物才会对ESI有响应,因此,分析物成为表面过量电荷一部分的可能性越大,在ESI响应越高.2.3.1分析物本身特性对ESI响应的影响电喷雾离子化过程中母液滴表面倾向于形成锥形进而产生子液滴,由此猜想,具有表面活性的分析物更易获得电荷.Tang等[28]利用荧光物质作样品,拍摄到在ESI喷雾外围较小的子液滴富集了表面活性剂,而非表面活性物质则均匀分布在ESI喷雾中,从而证明了上述理论.除了表面活性外,与性质相关的许多参数也可用来预测分析物是否适合ESI.例如,ESI响应与多肽非极性表面面积呈线性关系[29],Enke等[30]证明,多肽侧链非极性(疏水性)最强的多肽质谱响应最高.Zhou等[31]也证明了这一理论,含有非极性氨基酸的苯基丙氨酸与有极性基团的丝氨酸相比,响应有显著增强.此外,ESI响应还与从非极性到极性溶液中转移的吉布斯自由能有关.具有较高吉布斯自由能的分析物(非极性较强的分析物)具有较高的响应[30].对于简单、带单电荷的分析物,HPLC保留时间和ESI响应之间存在联系[31].响应较高的非极性分析物在反向模式的HPLC中保留较强.对于大的、带多电荷的多肽和蛋白质,ESI响应和HPLC保留时间之间的联系还有待探讨.但是,已经有证据表明,有大量非极性基团的多肽比极性基团多的多肽ESI响应强.2.3.2通过衍生提高ESI响应对电喷雾离子源,可以通过衍生反应,提高色谱分离效果,提高离子化效率和检测信号[33].其中,提高电喷雾离子源对分析物的响应是通过使分析物更易带电[34~39]或增强分析物表面活性[32,40,41]实现.大部分衍生反应是在中性分子上引入带电基团,通过形成钠加合物或增强质子化作用促进离子的形成.另一种衍生的方法是在分子结构内引入电化学反应基团[21],通过衍生物电化学氧化还原反应实现离子化.也可以在无响应的分析物上加非极性基团,增强液滴表面活性,从而增强ESI信号[29].如今,通过衍生修饰增强小体积分析物ESI信号引起越来越多的关注.可在有机小分析物上修饰大分子,如多肽[32].由于多肽具有多重电荷,具有许多非极性氨基酸,对ESI响应极高,因此可显著增强有机小分子的响应.而且,加合物使得分析物的分子量显著提高,可避免一些背景小分子的干扰,从而起到提高信噪比的效果.高方园等:电喷雾离子源原理与研究进展11842.3.3其他影响ESI响应的参数化学噪声是ESI质谱仪背景干扰的主要来源[42].化学噪声属于本底噪声,由于质谱仪是对带电物质而非特定分析物的测定,化学噪声表现在特定的质核比位置.背景干扰可能来自于离子、电喷雾溶液中盐分、发生电化学反应的物质或ESI喷雾周围来自大气压环境中、在气相环境中经质子转移带电的中性物质.质子化物质或钠、铵离子团聚物在ESI质谱仪中普遍存在,是低质量范围中干扰的来源.由于溶剂比ESI分析物更易挥发,因此,可通过加热电喷雾液滴降低溶剂团聚物在质谱仪中的响应.加热还可降低溶剂与分析物团聚,从而简化质谱图.加热过程可通过加热毛细管或热氮气浴实现[43].除背景干扰外,在质谱仪中还普遍存在随机噪声,其特征是在每个m/z值均存在.对于随机噪声的来源,目前并无确切说法.推测可能是ESI产生的一部分离子未经质量分析即达检测器,由于这些离子到达检测器的时间不固定,与质量分析的m/z设定无关.对于这些离子,质谱仪的响应不是某一特定的m/z值.但这种说法的机理尚不明确,所造成的干扰可能会因所使用的质量分析器不同而异.2.3.4背景噪声的产生化学噪声是ESI质谱仪背景干扰的主要来源[42].化学噪声属于本底噪声,由于质谱仪是对带电物质而非特定分析物的测定,化学噪声表现在特定的质核比位置.背景干扰可能来自于离子、电喷雾溶液中盐分、发生电化学反应的物质或是ESI喷雾周围来自大气压环境中、在气相环境中经质子转移带电的中性物质.质子化物质或钠、铵离子团聚物在ESI质谱仪中普遍存在,是低质量范围中干扰的来源.由于溶剂比ESI分析物更易挥发,因此,可通过加热电喷雾液滴降低溶剂团聚物在质谱仪中的响应.加热还可降低溶剂与分析物团聚,从而简化质谱图.加热过程可通过加热毛细管或热氮气浴实现[43].除背景干扰外,在质谱仪中还普遍存在随机噪声,其特征是在每个m/z值均存在.对于随机噪声的来源,目前并无确切说法,推测可能是ESI产生的一部分离子未经质量分析即达检测器.由于这些离子到达检测器的时间不固定,与质量分析的m/z设定无关.对于这些离子,质谱仪的响应不是某一特定的m/z值.但这种说法的机理尚不明确,所造成的干扰可能会因所使用的质量分析器不