国产离子源技术新进展在美国质谱年会受到关注

　　浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心在2015年美国质谱年会(ASMS 2015)上发布了有关电喷雾离子源(ESI)带电机理，相关的论文在ASMS上作为墙报展示。由于这套理论与传统ESI带电理论有所不同，引起了强烈的反响。仪器信息网编辑将发布的内容整理，供国内感兴趣的专家学者参阅。

　　当前，蛋白质组学研究中最大的技术瓶颈之一就是生物质谱的离子源技术，因为现有离子源对离子的利用效率极低。

　　事实上，自从80年代中期John B. Fenn 将电喷雾离子源应用于大分子质谱分析以来，全世界成千上万的科学家涌入了这一研究领域。快30年过去了，对于电喷雾离子源机理，还是停留在两个模式：Ion Evaporation Model (IEM) 离子蒸发，与Charged Residue Model (CRM) 电荷残留机理。这两个模式所描述的都是带电液滴离开Taylor Cone 以后的单分子气相电荷的形成过程（如图1所示），至今也无法解释以下两个问题：

　　1、为什么电喷雾离子源中存在多电荷离子?

　　2、为什么电喷雾离子源存在离子抑制现象?

图1 电喷雾离子源机理

　　有些学者认为多余的电荷是来自于液滴(Droplets that contain an excess of positive and negative charge detach from its tip.)

　　根据电磁场理论，介质在电场中，正负电荷是以成对的形式存在的，不可能形成正、负分离。在电极的同一端更不可能产生正、负离子分离的现象。

图2 离子源机理实验图

　　下面是朱一心研究团队的实验过程。首先将离子源全封闭起来。图2中，瓶子 1、2、3 可以加上不同的液体或气体，作为辅助液气，控制泰勒锥周围的离子化气氛。

图3 离子源离子化室内充满空气和氮气时的离子图

　　当离子源离子化室(Chamber)充满空气时，肽段离子信号如图3左所示，肽段离子信号非常强。

　　将离子源离子化室(Chamber)充满氮气,并且控制其质谱仪的真空度与离子源离子化室暴露大气时一样，如图3右所示，质谱仪无法检测到肽段离子信号。

　　这样我们可以直观的推断(M+H)⁺ 中的正氢离子并非来自于 Tip 中的液体(流动相)。

图4 Air气氛状态下，咖啡因的溶剂为D₂O和H₂O的谱图

　　还有实验也能说明氢离子不是来自于流动相。分别用水(H₂O)和氘水(D₂O)溶解咖啡因，在没有辅助液体的时候，离子化室充满空气时，得到如图4所示的图谱，图中可见，上下图谱完全一致，这就说明了氢离子不是来自于流动相(Solvent)。如果是自于流动相，那么在用氘水(D₂O)溶解咖啡因的质谱图中的主峰应该是(M+2)=196.17，而不应该与用水(H₂O)溶解样品时得到的主峰一样(M+1)=195.17。咖啡因的结构如下图，它没有OH键，所以无法产生氢氘交换,最适合我们的实验。

咖啡因(Caffeine)，分 子 式：C8H10N4O2， 分 子 量：194.19

　　那氢离子到底来自于哪里呢?看了下面实验就知道了。

　　在上面的实验中的辅助气中加以D₂O为辅助液体以后，得到了完全一致的谱图，主峰均为(M+2)=196.26如图5所示。

图5 Air+D₂O 气氛状态下，咖啡因的溶剂为D₂O和H₂O的谱图

　　从咖啡因的分子式可以判断，它100%无法进行氢氘交换。所以用氘水溶解样品，咖啡因的分子式不发生变化，在高电场中被电场极化的分子式与水溶解的咖啡因一致，分子量没有发生变化，还是M，吸附上一个氢离子以后形成(M+H)⁺正离子。加以氘水(D₂O)辅助蒸汽以后，在泰勒锥(Taylor Cone)周围产生氘离子(D⁺)，所以极化后的分子吸附一个氘离子(D⁺)，形成(M+D)⁺ 正离子。这一实验就证明了氘离子((D⁺)，是来自于泰勒锥以外的。

　　如果用传统的电喷雾理论，在这一实验中，用水(H₂O)溶解咖啡因时，是永远见不到(M+2)⁺ =196.26的离子峰的。

　　这三个实验可以说明，电喷雾离子源使分子带电的过程其实是场致水分子电离后产生氢离子，极性分子在高电场中的极化，极化后的分子与氢离子又产生了静电吸附，从而形成多电荷分子离子。

　　图6 电喷雾离子源机理

　　如图6所示，电喷雾发射针处于正电压，在尖端表面形成一个稳定的Taylor Cone，因为Taylor cone 的曲率半径很小，在纳米数量级，尖端表面的电场很强，将刚刚离开Taylor Cone 的极性分子极化，形成长条形的不稳定极性分子;同时将尖端表面的水分子场蒸发，形成氢离子，氢离子被长条形的极性分子的负端吸附，从而形成了多电荷离子。

　　同时可见，当两个极性分子同时出现在Taylor Cone 附近，氢离子被极性大的分子吸附，从而出现了离子抑制现象。

　　美国康奈尔大学化学与化学生物学荣誉教授Fred Mclafferty(右)与朱一心先生探讨技术问题

　　赛默飞世尔R&D Director Jean-Jacques(右)，与朱一心先生探讨技术问题