质谱仪APCI和ESI的原理
2012-08-09 10:40阅读：
液相色谱-质谱法(liquid
chromatography/ mass
spectrometry，
LC/MS)是将应用范围很广的分离方法--液相色谱与灵敏、专属、能提供分子量和结构信息的质谱法结合起来的一种现代分离分析技术。
液相色谱后于气相色谱-质谱法发展是有他特殊原因存在的。液相色谱是液体的分离技术，而MS却是在真空条件下工作的方法。将两者匹配器起来的困难导致了液质联用迟迟的没能发展起来。
而大气压离子化技术发展之后，立马解决了液相色谱与质谱真空系统匹配的问题。可以将液质联用使用到了常规的应用分析之中了。
如今生物、医药、化工、农业和环境等各个领域，LC/MS都得到了充分而广泛的应用。在新学科领域如组合化学、蛋白质组学和代谢组学的研究工作中，他们也是最重要的研究方法之一。
质谱基础入门知识的第一季将主打介绍液相质谱联用技术。首先开始就从介绍解决了液相色谱与质谱联用大障碍的大气压电力技术。大气压离子化
(atmospheric pressure
ionization，API)是指在大企业条件下的质谱离子化技术总称，包括电喷雾离子化(electrospray ionization，ESI)和大气压化学离子化(atmospheric
chemical ionization，
APCI)等技术。
液质联用中质谱硬件与原理之ESIMS
第一章 ESIMS硬件
![质谱仪APCI和ESI的原理]( "质谱仪APCI和ESI的原理")
ESIMS硬件包括：1)大气压腔，为雾化、去溶剂和离子化区;2)真空接口和离子传输区，将离子从大企业传送至出于高真空的质量分析器中;3)质量分析器，常用的包括四级杆，离子阱，飞行时间，扇形磁场和傅立叶变换离子回旋共振分析器。
ESI在高静电梯度下(3kv/cm)，使样品溶液发生静电喷雾，在近大气压下的干燥气流中形成带电雾滴。随着溶剂蒸发，通过离子蒸发等机制，形成气态离子，进入质谱分析。
单纯静电场发生的静电喷雾，通常只能在1-5
ul/min 或更低的流速下进行。而常规HPLC的流速都是大于这个数值的。因此借助气流或超声雾化等技术，可以维持高流速状态下的雾化进质谱的分析工作。也因此解决了HPLC与MS在流速上的一个匹配问题。
第二章 ESIMS原理
ESIMS是一种很软的电离技术。正常将离子从溶液中转移至气相是一个强吸热过程。需要较高的能量，快原子轰击FAB，和等离子解析PD都是在很短的时间内给予很高的能量达到这个离子相转移目的，同时还产生裂解。ESI则是在较低的温度下，逐步去溶剂化，因此是很软的一个质谱离子化技术。
ESI将离子从液相转化到气相的基本过程如下：
1，在喷雾毛细管尖端产生带电雾滴;
2，通过溶剂蒸发和雾滴分裂使带电雾滴变小，反复进行直到很小的带电雾滴。
3，由很小的带电雾滴产生气象离子。
第一 喷雾毛细管尖端产生带电雾滴---电泳机制
外径通常为0.2mm，内径为0.1mm的金属毛细管上加油约2-4kV的电压，距离发电极约2cm。在ESIMS中反电极可以为一具有小孔的金属板，或者为固定在板上的取样毛细管，作为离子取样及传输系统的一部分。由于毛细管尖端很细，故在大气压环境下，电场很高，约为10E6
V/m。
毛细管中的溶液有极性溶剂组成，含有电解质溶质。在电场作用下，溶液中正、负离子移动至其反电场与外电场可抗衡。液体在毛细管尖端扩张形成一锥体，称Taylor锥。在电场足够高的情况下，细的喷口从椎体尖端形成并破裂为细的雾滴。雾滴的电性取决于我们所采用的正、负离子模式。如果锥体及喷口表面有过量的正离子，雾滴就带正电。
这种形成雾滴的机制由于在电场下正、负离子向相反方向迁移，故称为电泳机制。由锥体喷雾产生的带电雾滴经空气向反电极方向飘逸，随着溶剂蒸发，带电雾滴收缩，雾滴表面电荷密度增加。电荷间斥力克服表面张力使雾滴发生分裂。
第二 ESI是特殊的电解池---电解机制
假定电荷分离是电泳机制，在稳定的ESI操作下，带正点的雾滴将连续带走正离子，在这样的连续电流的装置中，必须实现电荷平衡，同时只有电子能通过金属导线，因而推测ESI必定包括电化学过程，将移向电极的离子转换为电子。所以ESI是一种特殊的电解池，部分的离子迁移是通过气相，由带电雾滴和其后产生的气相离子携带的。与常规的电解反应相比，ESI的电解反应发生在溶液-金属毛细管界面。这一反应将金属中的原子转变为金属离子进入溶液，以补充溶液中的正离子。或者，通过氧化反应移走溶液中的负离子。
第三章 ESI实验条件优化
在ESIMS的使用过程中，要注意一下几个方面条件的设定。
1. 待测物质在溶液中的状态
ESI过程是将离子从溶液中转移到气相使待测成分在供试品溶液中成为离子状态，可提高生成气相离子的效率，以提高检验灵敏度。这可利用溶液化学原理，及对可接受质子的待测物，用极性溶剂并加甲酸或乙酸呈酸性。
对于可解离质子的待测物，如有机酸，在溶液中加氨水是碱化，采用负离子方式测定。
2. 溶剂的表面张力
如用纯水做溶剂，因其表面张力高，故形成Taylor锥和稳定喷雾所需电压高，可能导致放电(尤其是负离子模式)。所以常用水-甲醇体系做流动相。减少张力，降低粘度，利于雾化。
3. 溶液的流速
电喷雾所得雾滴的半径与许多因素有关，如溶液的表面张力、介电常数、电导率、流速及加在毛细管尖端的电场等。改变流速是最方便的。简单而言，低流速产生细雾滴，有利于产生气相离子，提高信号强度。在高流速范围，需采用高速同轴气流辅助雾化。
4. 雾滴的蒸发速率
气相离子是从最终的非常细小的雾滴中产生的。如其实雾滴小，采用挥发性溶剂(甲醇、乙腈及其与水的混合物)，溶液表面能较低，则溶剂迅速蒸发，容易发生库伦分裂，产生更小的雾滴，最终产生气相离子。
为提高溶剂蒸发速率，可提高“干燥气”的温度和流速，也可用加热
金属毛细管是带电雾滴蒸发，但要注意高温可能造成对热不稳定的待测成分分解及不挥发成分堵塞毛细管。
水的热容量高，故溶剂中含水量高时，蒸发温度应予提高。
5. 气相离子的产生
表面活性高(具有低溶剂化能)的离子将优先转移至雾滴表面，最终转变成为气相离子，故有较高的实验灵敏度---竞争机制。根据此项原理
A. 应采用表面活性低的缓冲剂
B. 采用低浓度的挥发性酸、碱及缓冲盐
C. 用高纯度的溶剂、试剂
D. 样品应做预处理，除去干扰物及盐
液质联用中质谱硬件与原理之APCI
APCI是Horning等人创导的。最初是称API，首次实现了与HPLC的连接。样品的离子化是在处于大气压下的离子化室内完成。由Ni63放射源或放电电极长生的低能电子使试剂气(N2、O2、H2O等)离子化，经复杂的一系列反应是样品产生正或负离子。
APCI的特点是检测限低，易于与GC或LC连接。样品分子在EI中的绝对离子化效率为0.01%-0.1%，而APCI 的其实离子化效率几乎是100%。与CI 相比较，APCI的离子-分子或电子-分子反应在大气压下进行，样品分子与试剂离子可得到充分有效的碰撞，在短时间内即达到热平衡。离子的损失，主要是扩散至器壁，重新结合及传输的过程中引起的。而CI的真空度约为1
Torr，达到热平衡的时间较长，通常处在非平衡的状态下，样品仅仅一小部分被离子化，且产生的离子处在激发态，未能经碰撞使之稳定，股易于碎裂。
第一 APCI结构
![质谱仪APCI和ESI的原理]( "质谱仪APCI和ESI的原理")
APCI的离子源结构如上图所示。在大气压条件下。离子-分子反应取决与离子源中特定的气体或气相试剂。以氨气在放电点击电晕放电作用下为例，会发生如下反应。
![质谱仪APCI和ESI的原理]( "质谱仪APCI和ESI的原理")
其他离子如N+.;N3+.也有生成。如果有氧存在，还有O2+.;
NO+; NO+(H2O)n，和NO2+。
第二 APCI
原理及讨论
如果将溶剂或HPLC流出物注入APCI源，溶剂(B)成为气相试剂，可形成各种各样正反应剂离子或负反应剂离子。如BH+; B+.。具体生成什么取决于溶剂的性质。
而待测物，供试样品(A)的离子化则是通过质子化或是电荷转移进行的。
(A)+
(BH+)生成 (AH+) + (B)
(A)+(B+.)生成(A+.)+B
此外，还有去质子(供试样品为酸)、电子捕获(卤素、芳香化合物)及加合物，如[M+(Na+)]; [M+(NH4+)]; [M+(Ac-)];
[M+(Cl-)]等的形成。
在APCI中，样品溶液是借助于雾化器的作用，喷入高温(500度)蒸发器，此时溶剂和溶质均成为蒸汽。然后如上所述，气化的样品分子经化学离子化生成气相离子。因此，热不稳定的或难于气化的机型化合物适合用ESI分析。在ESI中，如样品聚酸、碱性，则样品分子在溶液中可去质子生成阴离子或接受质子成为阳离子，或者与Na+形成加合物离子。APCI适用于小分子极性较低的化合物，如醇和醚类。他们的质子亲和力低，不宜在溶液中形成质子化的离子或去质子化生成阴离子。因此，ESI和APCI是互补的。由于APCI不像ESI那样涉及溶液化学等，故操作容易。
此外，正相色谱通常易于与APCI
连接。非极性溶剂及溶液易于蒸发，烷烃溶剂生成的试剂离子是强气相酸，易于将质子转移至样品分子。
转自仪器交易网
