Question

解释什么是电喷雾电离

Answer 1

电喷雾（ESI）是近年来新发展起来的一种产生气相离子的软电离技术。

尽管相对而言生物大分子很大，但它们在我们看来是非常小的，比如人体内运送氧气的血红蛋白仅有千亿亿分之一克，怎么测定单个生物大分子的质量呢？科学家在传统的质谱分析法基础上发明了一种新方法：首先将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子，并将其电离，使之悬浮在真空中，然后让它们在电场的作用下运动。不同质量的分子通过指定距离的时间不同，质量小的分子速度快些，质量大的分子速度慢些，通过测量不同分子通过指定距离的时间，就可计算出分子的质量。

这种方法的难点在于生物大分子比较脆弱，在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的结构和成分很容易被破坏。为了打掉这只“拦路虎”，美国科学家约翰·芬恩与日本科学家田中耕一发明了殊途同归的两种方法。约翰·芬恩对成团的生物大分子施加强电场，田中耕一则用激光轰击成团的生物大分子。这两种方法都成功地使生物大分子相互完整地分离，同时也被电离。它们的发明奠定了科学家对生物大分子进行进一步分析的基础。

约翰·芬恩对成团的生物大分子施加强电场 的方法 即是 电喷雾电离（electrospray ionization,ESI）

电喷雾电离的机理目前尚无统一的认识，获得广泛支持的时Iribarne和Thomson等提出的“离子蒸发模型”和Dole等提出的“荷电残余物模型”。

离子蒸发模型

离子蒸发模型认为在高电场梯度和包层气的作用下，溶液在电喷雾针出口端形成细小的荷电液滴，液滴表面上的电荷密度随液滴中的溶剂挥发而增加。当电荷密度增加到Rayleigh稳定极限时，液滴受静电排斥而分裂成更小的液滴，这个过程反复进行，直至发生场助离子政法为止。样品中挥发度高的离子在液滴表面的浓度较高。当离子间的静电排斥力大到一定程度时，挥发度高的离子优先从液滴表面射出进入气相，而它的平衡离子留在液滴中，最后成为固体残留物，这就是离子蒸发模型。

荷电残余物模型

荷电残余物模型认为当含有单个样品分子的液滴中最后一部分溶剂挥发后，部分电荷就残留在样品分子上，而成为离子。

尽管ESI的电离机理还不很清楚，但其已是一种十分有用的研究手段。

ESI过程中大致可以分为液滴的形成，去溶剂化，气相离子的形成3个阶段

液滴的形成和雾化

样品溶液通过雾化器进入喷雾室，这时雾化气体通过围绕喷雾针的同轴套管进入喷雾室， 由于雾化气体强的剪切力及喷雾室上筛网电极与端板上的强电压( 2~6 kV) ，将样品溶液拉出，并将其碎裂成小液滴。随着小液滴的分散，由于静电引力的作用，一种极性的离子倾向于移到液滴表面，结果样品被载运并分散成带电荷的更微小液滴。如果有液滴进入真空系统时，会引起噪声，因此，雾化器要以“正交”的方式喷雾进入真空的入口，能避免这种影响。

去溶剂化和离子的形成

进入喷雾室内的液滴，由于加热的干燥气-氮气的逆流使溶剂不断蒸发，液滴的直径随之变小，并形成一个“突出”使表面电荷密度增加。当达到Rayleigh( 雷利) 极限时，电荷间的库仑排斥力足以抵消液滴表面张力时, 液滴发生爆裂，即库仑爆炸，产生了更细小的带电液滴。

气相离子的形成

随着溶剂的继续蒸发，重复这一过程， 当液滴表面的电场强达到108 V/ cm3 时，裸离子从液滴表面发射出来， 即转变为气体离子。

电喷雾电离技术优点

电喷雾可以提供一个相对简单的方式使非挥发性溶液相离子（具有高的离子化效率，对蛋白质而言接近100%）转入到气相(主要用来产生分子离子)，从而质谱仪便可提供一个灵敏的直接检测。

电喷雾质谱不但可以用于无机物( 如元素周期表中的大部分元素) 的检测分析，还可以用来分析有机金属离子复合物以及生物大分子的检测分析。

最显著的优点( 这是仅电喷雾质谱才具有的优点)是在电喷雾质谱中，高分子量的分子通常会带有多个电荷，电荷状态的分布可以精确对分子量定量，可以同时提供精确的分子质量和结构信息。

快速，可在数分钟内完成测试。

多种离子化模式供选择: 正离子模式ESI( + ) , 负离子模式ESI( - ) 。

可以使大多数分析离子进入质谱仪检测范围，这样，价格便宜的质谱分析器如四极杆质谱过滤器就可以被使用。

能有效地与各种色谱联用, 用于复杂体系分析。

仪器专用化学站的开发使得仪器在调试、操作HPLC-MS 联机控制、故障诊断等方面都变得简单可靠。

电喷雾电离技术缺点

每一个电喷雾的变量( 如真空度、电势、溶剂的挥发性、溶液的导电性、电解质的浓度、样品液的各种物理特性等) 都有一个应用的限制范围，同时，实验参数或技术条件必须根据需要解决的问题去仔细选择。

另一个限制因素是溶剂的选择范围和可以使用的溶液范围也有限制，尤其是当遇到使用纯水或高导电性溶液时，这个问题就很难解决，很多是凭经验的。同时, 质谱检测器对不同复合物的响应变化范围较大( 如, 与蛋白质相比, 电喷雾质谱对糖的灵敏度就低)，这将妨碍准确的定量分析。

由于溶液参数控制喷雾过程，因此，即使在良好的条件下也存在离子信号的波动。

应用

电喷雾应用范围广，可分析的物质包括：合成有机化合物、药物及其代谢产物、天然产物、违禁药物、蛋白质、糖类、核苷酸与DNA、类脂、聚合物、无机物及金属有机化合物、富勒烯、表面活性剂甚至是自组装膜与胶束等。以电喷雾为电离源的质谱还可以兼容多种样品引入方式，如液相色谱、毛细管电泳、超临界色谱、凝胶色谱及更多的其他进样方式。随着技术进步和理论研究的深入，电喷雾技术将在化学、材料科学、新药研发以及生命科学领域等发挥更加重要的作用。