大氣壓離子化技術(shù)(API)是一類軟離子化方式,它的出現(xiàn),成功地解決了二手LC-MS液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用的接口問題,使二手LC-MS液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用逐漸發(fā)展成為成熟的技術(shù)。API主要包括電噴霧離子化(ESI)、離子噴霧離子化(ISI)和大氣壓化學(xué)離子化(APCI)3種模式。它們的共同點(diǎn)是樣品的離子化在處于大氣壓下的離子化室完成,離子化效率高,大大增強(qiáng)了分析的靈敏度和穩(wěn)定性。ESI,ISI和APCI,3種電離方式同時(shí)可作為二手LC-MS的接口。
二手LC-MS液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用
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電噴霧電離ESI
ESI過程中大致可以分為液滴的形成,去溶劑化,氣相離子的形成3個(gè)階段。
液滴的形成和霧化:樣品溶液通過霧化器進(jìn)入噴霧室,這時(shí)霧化氣體通過圍繞噴霧針的同軸,套管進(jìn)入噴霧室, 由于霧化氣體強(qiáng)的剪切力及噴霧室上篩網(wǎng)電極與端板上的強(qiáng)電壓( 2~6 kV) ,將樣品溶液拉出,并將其碎裂成小液滴。隨著小液滴的分散,由于靜電引力的作用,一種極性的離子傾向于移到液滴表面,結(jié)果樣品被載運(yùn)并分散成帶電荷的更微小液滴。如果有液滴進(jìn)入真空系統(tǒng)時(shí),會(huì)引起噪聲,因此,霧化器要以“正交”的方式噴霧進(jìn)入真空的入口,能避免這種影響。
去溶劑化和離子的形成:進(jìn)入噴霧室內(nèi)的液滴,由于加熱的干燥氣-氮?dú)獾哪媪魇谷軇┎粩嗾舭l(fā),液滴的直徑隨之變小,并形成一個(gè)“突出”使表面電荷密度增加。當(dāng)達(dá)到Rayleigh( 雷利) 極限時(shí),電荷間的庫侖排斥力足以抵消液滴表面張力時(shí), 液滴發(fā)生爆裂,即庫侖爆炸,產(chǎn)生了更細(xì)小的帶電液滴。
氣相離子的形成:隨著溶劑的繼續(xù)蒸發(fā),重復(fù)這一過程, 當(dāng)液滴表面的電場強(qiáng)達(dá)到108 V/ cm3 時(shí),裸離子從液滴表面發(fā)射出來, 即轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w離子。
在ESI中,離子的形成是被測分子在帶電液滴的不斷收縮過程中噴射出來的,即離子化是在液態(tài)下完成的。經(jīng)二手液相色譜分離的樣品溶液流入離子源。在N2流下汽化后進(jìn)入強(qiáng)電場區(qū)域,強(qiáng)電場形成的庫侖力使小液滴樣品離子化,借助于逆流加熱N2分子離子顆粒表面液體進(jìn)一步蒸發(fā),使分子離子相互排斥形成微小分子離子顆粒。這些離子可能是單電荷或多電荷,這取決于所得的帶有正、負(fù)電荷的分子中酸性或堿性基團(tuán)的體積和數(shù)量。多電荷離子峰的形成使質(zhì)量范圍為3000u的四極桿濾過器質(zhì)譜儀也能檢測到生物大分子的準(zhǔn)確分子量。
在電噴霧過程中,溶液中一種極性離子(比如正離子)隨著噴出的霧滴而離去,相反極性的離子(比如負(fù)離子)則留在毛細(xì)管的溶液中,如果毛細(xì)管為金屬材料并與高壓電源(Ve)的一極相連,那么留在毛細(xì)管中的這些離子會(huì)在金屬管壁上發(fā)生氧化或還原反應(yīng),通過這些電化學(xué)反應(yīng)使溶液中電荷消失,從而維持連續(xù)地噴霧,例如OH-在金屬管壁上發(fā)生以下電化學(xué)反應(yīng):伴隨電化學(xué)反應(yīng)會(huì)有氣體產(chǎn)生,因此在電路的連接上應(yīng)考慮此因素,否則在毛細(xì)管中會(huì)出現(xiàn)氣泡,影響電噴霧的穩(wěn)定性。
二手LC-MS
液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用
要發(fā)生穩(wěn)定的噴霧,需要滿足3個(gè)條件。
1)毛細(xì)管末端要有足夠強(qiáng)的電場(Ee)。
①把溶液中正、負(fù)離子分開并使一種極性離子聚集在毛細(xì)管末端,因而噴出的霧滴主要是攜帶一種極性電荷,進(jìn)而引起樣品分子離子化。
②強(qiáng)的電場與聚集在毛細(xì)管末端離子的相互作用使溶液發(fā)生電噴霧。
2)毛細(xì)管中液體要有一定的流動(dòng)線速度(臨界線速度),保持穩(wěn)定的電噴霧。
3)毛細(xì)管中溶液要含有一定量的電介質(zhì)(離子)。在ESIMS中通常是在溶液中加入大約0.5%-1%(體積)乙酸,由于乙酸是揮發(fā)性的,不會(huì)引起堵塞,而且有利于被分析物形成質(zhì)子化離子。
電噴霧電離ESI的特征之一是可生成高度帶電的離子而不發(fā)生碎裂,這樣可將質(zhì)荷比降低到各種不同類型的質(zhì)量分析儀都能檢測的程度。通過檢測帶電狀態(tài),可計(jì)算離子的真實(shí)分子量。同時(shí),解析分子離子的同位素峰也可確定帶電數(shù)和分子量,因同位素峰間的質(zhì)荷比差與帶電數(shù)相對應(yīng)。盡管ESI容許使用少量緩沖液和鹽,但這些物質(zhì)可能與待測物形成加合物,導(dǎo)致產(chǎn)生難以指認(rèn)的分子量或抑制待測物離子的形成。當(dāng)樣品中不含鹽類和緩沖液時(shí)檢測情況較好。ESI的一大優(yōu)勢是可方便地與分離技術(shù)聯(lián)用,例如在使用ESI離子化前使用HPLC和毛細(xì)管電泳(CE)可方便地除去待測物中的雜質(zhì)。
二手LC-MS液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用
電噴霧電離ESI的特點(diǎn):
1)高的離子化效率對蛋白質(zhì)而言接近100%。
2)多種離子化模式供選擇ESI(+),ESI(-),APCI(+),APCI(-)
3)對蛋白質(zhì)和核酸等分子可產(chǎn)生穩(wěn)定的多電荷離子,降低了質(zhì)荷比值,從而使大于104Da的分子由于生成了多電荷離子,能在一般的四極桿質(zhì)譜儀上檢測出來。蛋白質(zhì)分子量測定范圍可高達(dá)105u甚至上106u。
4)“軟”離子化方式提供了一種對大分子靈敏度高,沒有熱降解的質(zhì)譜測定方法,使熱不穩(wěn)定化合物得以分析并產(chǎn)生高豐度的準(zhǔn)分子離子峰。
5)氣動(dòng)輔助電噴霧技術(shù)在接口中采用使得接口可與大流量(約1ml/min)的HPLC聯(lián)機(jī)使用。
6)儀器專用化學(xué)站的開發(fā)使得儀器在調(diào)試、操作、HPLC-MS聯(lián)機(jī)控制、故障自診斷等各方面都變得簡單可靠。
7)ESI調(diào)節(jié)離子源(源內(nèi)CID)電壓可以控制離子的斷裂,給出結(jié)構(gòu)信息。
ESI的主要缺點(diǎn)是它只能接受非常小的液體流量(1-10μl/min),這一缺點(diǎn)已被1987年研制出來的離子噴霧接口(ISP)所克服(離子噴霧接口是一種借助氣動(dòng)的電噴霧接口,它可適應(yīng)較高的流速)。ISP接口是將電噴霧器霧化和氣動(dòng)霧化結(jié)合在一起,因此也常被稱為氣動(dòng)協(xié)助或高流速電噴霧。離子噴霧使用干氣簾,流速可達(dá)2ml/min。ISP接口能夠處理具有高水含量的流動(dòng)相,并且可用梯度洗脫系統(tǒng)進(jìn)行工作。
電噴霧應(yīng)用范圍廣,可分析的物質(zhì)包括:合成有機(jī)化合物、藥物及其代謝產(chǎn)物、天然產(chǎn)物、違禁藥物、蛋白質(zhì)、糖類、核苷酸與DNA、類脂、聚合物、無機(jī)物及金屬有機(jī)化合物、富勒烯、表面活性劑甚至是自組裝膜與膠束等。以電噴霧為電離源的二手質(zhì)譜還可以兼容多種樣品引入方式,如二手液相色譜、毛細(xì)管電泳、超臨界色譜、凝膠色譜及更多的其他進(jìn)樣方式。隨著技術(shù)進(jìn)步和理論研究的深入,電噴霧技術(shù)將在化學(xué)、材料科學(xué)、新藥研發(fā)以及生命科學(xué)領(lǐng)域等發(fā)揮更加重要的作用。