电喷雾电离技术

需考虑的问题：
(1) 雾滴半径较大，必须使用热的干燥气，否则灵敏度会下降。 干燥气：加速溶剂蒸发、去溶剂化(Desolvation)
(2) 较大的流量，容易造成离子源的污染。 (3) 灵敏度显著底于纳升喷雾。
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雾滴半径：
R


3Vf 4ΚΕ

Vf = 流量 (体积/时间) = 溶剂的表面张力
有些糖蛋白用 micro-Spray 得不到信号，用 nano-Spray 得到满意结果 因为雾滴更小，有利于脱溶剂
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用雾化气辅助的 ESI
常规的 LC，流量在 100 ~ 1000 L。 为适应 LC 流量，必需使用雾化气，才能实现溶液的雾化。
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临界电场强度 (发生稳定电喷雾所需电压)
D.P.H. Smith
Von 0.2 (r)1/2 ln[ 4000d/r]
Von(kV): 发生稳定电喷雾所需电压 r(m) : 电喷雾针的半径
(N/m) : 溶剂的表面张力
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API 离子源 (使用雾化气) (老结构)
ESI
用锥孔隔开 大气压和真空室
用毛细管隔开
大气压和真空室
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API 离子源 (使用雾化气) (新结构)
LC-MS应用技术培训
讲课内容
电喷雾 电离技术 Electro-spray Ionization ESI
王光辉
中国科学院 化学研究所 质谱中心 (科技部、科学院、教育部共建)
E-Mail: ms@
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d(mm) : 电喷雾针和反向电极的距离
甲醇为溶剂: = 0.0226 N/m r = 50 m d = 5mm Von = 1.27 kV
水为溶剂: Von = 2.29 kV
表面张力
H2O CH3OH CH3CN
0.073 N/m 0.023 N/m 0.030 N/m
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雾滴 半径 及 电荷
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雾滴半径：
R


3Vf 4ΚΕ

雾滴电荷：q = 0.5[8(0R3)1/2]
R = 雾滴半径 q = 雾滴电荷 = 溶剂的表面张力 = 溶剂的介电常数 0 = 真空中介电常数 K = 溶液的电导率 E = 毛细管尖端电场强度
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J. A. Loo 实验室自制的 微-电喷雾源
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CE – ESI MS 分析蛋白质
样品：来自大肠杆菌的一种蛋白质，经胰蛋白酶消化后的混合多肽 仪器： Q-TOF, 石英毛细管，50m(i.d.) ， 365 m(o.d.) ， 100cm (a) CE-ESIMS 的 TIC 图， (b) N-端被修饰的肽段的质谱图 确定：N-端 His 被修饰,N-连接葡萄糖A
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雾滴分裂
Rayleigh Limit (液滴稳定的极限)
qRy = 8(R3)1/2
qRy
: :
液滴所带电量 真空中介电常数
: 液滴的表面张力
R: 液滴的半径
非均匀分裂
+ ++
+++++++
+ +
+
+ + +
+ +
+
+
Rd ~ 80 nm
+ ++ +
R ~ 8 nm
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电路必须与溶液连通
1. 毛细管加金属外套 (样品稀释)
2. 分段毛细管 (死体积)
Sheath flow line
2~3 mm
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纳升喷雾接口 Nano Spray Interface
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API 离子源 大气压化学电离 (APCI)
He+ + He → He(23S) 电子激发态 19.8 eV
He(23S) + nH2O → [(H2O)n-1H+] + OH- + He(11S) [(H2O)n-1H+] + M(样品分子) → MH+
不锈钢管
玻璃管
聚四氟乙烯
金属圆筒
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溶液中离子 转变为 气相离子
气相离子形成机理
(Theory for Ion Formation)
(1) 离子蒸发机理 (Ion Evaporation)
雾滴半径 ~ 10 nm 时，离子由溶液蒸发到气相
(2) 带电的残渣机理 (Charged Residue )
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导电镀层
溶液扩散到尖端表面 与导电镀层导通
v
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纳升喷雾接口 Nano Spray Interface
PEEK ferrule
ID 180 μm Stainless Steel Liner
LC flow line
ID 25 μm Fused Silica Capillary
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纳升喷雾接口 Nano Spray Interface
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19பைடு நூலகம்
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毛细管电泳－nano ESI-FTMS 连用
（1） Angiotensin III
(2) Octreotide (3) Elastin Chemotactic


3V f 4 ΚΕ



液滴稳定的极限
qRy = 8(R3)1/2
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纳升喷雾接口 Nano Spray Interface
尖嘴石英或玻璃毛细管 尖嘴处有导电镀层
4 ~ 5 cm
New Objective Inc
• (1) 应有足够强的电场 ( 喷雾、电荷分离 ) • (2) 毛细管中溶液应有一定的线速度 • (3) 溶液中要含有一定量的电介质 ( 离子 )
毛细管，半径 rC (~ 50 m) 雾滴
气相离子
锥孔
-+ - -+ + - -+
+++
+ ++
+++
+ ++
+++
+ ++
+
+ +
++
+
+
+
+ +
+ +
电解质
溶剂中必须有少量的电解质 溶剂太纯会导致喷雾不稳定 例如纯化 CH3OH 电导率由 10-6 Ω-1cm-1 降到 10-7 Ω-1cm-1
喷雾不稳定
常用电解质 乙酸 、甲酸 ~ 1-2 %
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电场的作用
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溶剂 、 缓冲试剂
溶剂：
水、甲醇、乙氰、各种比例混合液 (常用) 乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、 二氯甲烷/甲醇混合液 四氢呋喃、丙酮、DMSO*、DMF* (* 沸点较高,不高于 10 ％) 甲苯(用于富勒烯)
水的纯度：
电导率 18 M/cm3 (多肽、蛋白质、PMF 分析，不希望有钠、钾加合离子)
He 气
2 mA
电阻 1M
辉光放电
-V+
23 kV
(H2O)H+)
样品 分子
(H2O)H+)
样品 分子
(H2O)H+)
M+H+
玻璃瓶
样品
MS
加热器
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离子化机理
Penning 电离: He + e → He+ He+ + He → He(23S) 电子激发态 19.8 eV He(23S) + M(样品分子) → M+· + He(11S)
雾滴
气相离子 锥孔
-+ - -+ + - -+
+++
+ ++
+++
+ ++
++ +
+ ++
+
+ +
++ +
+
+
+
+ +
+
++ +
Taylor cone
距离 (d)
电
(~ 2 mm)
子
质量分析器
+ 高压电源 (VC) (~ 3 kV)
•发生喷雾的临界电场强度： EC ≈ 106 V/m •流体表面张力愈大要求 EC 愈高
Vf = 流量 (体积/时间)
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临界线速度、电解质
发生稳定电喷雾所需线速度—临界线速度
与溶液的粘度有关
纯 H2O 1000 mm / min H2O : CH3OH = 1 : 1 (v / v) 400 mm / min
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ESI 离子源
ESI 离子源包括两部分：
1. 离子化系统
(将溶液中样品转化为气相离子 雾化、蒸发、脱溶剂、离子化)
2. 离子传输系统
(将气相离子由大气压下 传送到处于高真空的质量分析器)
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1917年第一张电喷雾照片
在电场作用下发生以下过程
1. 喷雾毛细管中发生电荷分离
(有利形成带电雾滴)
2. 喷雾 3. 电化学反应
阳离子随雾滴喷出毛细管 留在毛细管中的阴离子与相连的金属管壁 发生氧化反应： 4OH-(aq) O2 + 2H2O
(产生气泡)
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缓冲试剂：(含量 0.5~1%)
甲酸、乙酸、乙酸铵、氢氧化铵、甲铵、三乙铵 钠盐、钾盐 (10 ~ 15 M )
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溶液 表面张力 对灵敏度影响 Penicillin G
H2O
CH3CN
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雾滴半径：R
加
加
热
速
干
溶
燥
剂
气
蒸
发
及
去
溶
剂
化
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API 离子源 大气压化学电离 (APCI)
APCI
干燥气
加热丝
鞘气
LC
雾化气
大气压
电晕放电电极
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垂直喷雾
减少污染 提高灵敏度
~ 4 mm
~10 mm
影响灵敏度的仪器因素 1. 喷嘴距离 2. 喷嘴角度 3. 干燥气温度、流量 4. 源内 CID 电压 5. 电透镜参数
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用雾化气辅助的 ESI
CJ. Zelene, Phys. Rev., 10, 1-6 (1917) 首次介绍电喷雾
J.B. Fenn et al., Science, 246, 64 (1989) 首次提出 ESI
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电喷雾电离 (Electro-spray Ionization ESI)
+ +
+
Taylor cone
距离 (d)
电
(~ 2 mm)
子
质量分析器
+
高压电源 (VC) (~ 3 kV)
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电场强度
电场强度：EC = 2 VC / [rC ln (4 d / rC)]
毛细管，半径 rC (~ 50 m)
原理：
(1)在高压电场作用下， 样品溶液由毛细管中喷出， 形成带电雾滴
(2)雾滴中溶剂蒸发, 雾滴变小，库仑力增大， 发生分裂
(3)过程(2)多次重复， 带电雾滴的尺寸达到 nm， 液中离子转变为 气相离子
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稳定喷雾的条件
导电层：真空镀金
id 5 ~ 50 m od 1 ~ 2 mm
+V -
导电镀层
导电镀层：
1. 真空镀金 2. 沾粘金粉 3. 铅笔涂抹
导电层：沾粘金粉
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纳升喷雾接口 Nano Spray Interface