离子阱电喷雾质谱

电喷雾电离质谱及其在蛋白质化学研究中的应用 桑志红综述 杨松成审校 （国家生物医学分析中心 北京 100850） 摘要 本文综述了电喷雾电离质谱及其在蛋白质化学研究中的应用。由于电喷雾电离质谱可产生多电荷峰，因此大大扩大了检测的分子质量范围，同时灵敏度高，另外它可与HPLC及高效毛细管电泳分离技术联用，扩大了质谱在蛋白质化学研究中的应用。关键词 电喷雾电离；质谱；蛋白质化学 在有机化合物结构的鉴定中，质谱、核磁、红外及紫外等分析手段，从不同的侧面提供了化合物的结构信息。质谱以质量分析为基础，灵敏度高，可提供化合物的分子量、分子式（高分辨质谱）以及一些有关的结构信息。经典的有机质谱要求待测物能气化，有一定纯度，热稳定性好等条件，因此，极性高，不易气化，热不稳定以及不纯的化合物难以用经典质谱测定。近年来随着有机质谱在质谱硬件、软件、电离技术的发展，以及与各种分离方法相联（如色质联用技术）的接口的不断完善，扩大了化合物的检测范围，在分子量测定方面，已从化学小分子扩展到生物大分子，可测定的分子量达到几十万道尔顿。质谱有多种电离方法，包括场解吸、等离子体解吸、激光解吸、快速粒子轰击、热喷雾电离和大气压电离等。每一种电离方法都有一定的分子量检测范围，一般认为热喷雾的分子量检测最大范围约8ku，快原子轰击为25ku。但是随着分子质量的增加，所有分析方法的灵敏度均有所下降。电喷雾电离质谱（ESI-MS）由于可以产生多电荷峰，与传统的质谱相比扩大了检测的分子质量范围，同时提高了灵敏度，使一种M/Z限制在一定范围的四极质谱，就可以分析分子质量超过200ku的蛋白质[1]。另外ESI-MS方法产生一系列的多电荷峰，可以得到准确的分子量，它还可与HPLC和高效毛细管电泳（CE）分离方法相连接,扩大了质谱在生物领域的应用。电喷雾现象的出现可以追溯到两个世纪之前，但真正把电喷雾作为一种电离方法的创新性的研究是由Dole等在大约30前开始的，他们研究的目的是用电喷雾来产生气态大离子。1984年Yamashita等把大气压电喷雾电离技术与四极质谱结合起来，同年，Alexandror把它和磁质谱结合起来。1988年Fenn研究小组报道了用ESI-MS得到了带有45个正电荷分子量为40ku的蛋白质，随后ESI-MS在生物大分子的研究领域进入了一个全新的发展阶段。到目前为止，该法已经能够分析质量范围大约在200ku的蛋白质。1．电喷雾电离过程[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2006/08/200608250906_24655_1237095_3.jpg[/img]附图 电喷雾质谱的电离接口示意图 如附图所示，在毛细管管口加一高电压，作用于经喷雾头进入离子化室的溶液，再将3~6kV的电压加到毛细管和相对的电极之间，电压导致毛细管末端的液滴表面的电荷增强，高电压导致液体表面分裂和多电荷液滴的形成，与毛细管子相对的电极携带的正或负电荷以产生正或负电荷液滴。对于电喷雾的整体而言，带电液滴的形成是整个电喷雾过程的第一步，而接下来的离子化是进行电喷雾分析的关键。而带电液滴形成分子离子的机制还不清楚。Iribane和Thomson提出场辅助离子蒸发假设。在这种模型中，处于液滴表面的离子是由于带电液滴的溶剂在空气中蒸发，当场力在液滴表面达到临界点时由液相直接进入[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]完成离子化的过程。而Rollgen等提出了不同的假设机理，他认为当液滴在大气压下蒸发时，随着溶剂的蒸发，由于液滴直径变小，液滴表面电荷密度增加，当液滴表面电荷达到雷利极限（Raleigh limit），液滴进一步裂变，再次达到雷利极限，再一次“爆炸”，如此循环，当溶剂从小液滴中完全蒸发后形成分子离子。Abbas和Latham的实验证实了从液滴生成分子离子的这一假设。 对于大分子化合物离子化过程的形成可用带电残渣模型理论加以解释，该理论认为大分子[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]离子的形成是基于溶剂蒸发，由库仑爆裂辅助及较小液滴的相互排斥而导致液滴形成仅含有一个分子离子的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]离子，此过程所需能量很低，不会导致分子裂解。但是通过离子源内离子传输区的碰撞诱导解离（CID）电压设置可得到一些有效的碎片离子，但这只对一些不稳定结构有效，并且ESI-MS的CID质谱与电子轰击质谱（EI）及快原子轰击质谱（FAB）有一定的不同，可能是由于前者的开裂环境比EI及FAB源更为复杂，因此在对化合物结构的获得上有一定的制约。随着现代技术的发展，电喷雾与串联质谱（MS-MS）相连，即能为化合物提供很多结构信息。 2．电喷雾电离质谱的分子质量的检测 由于ESI-MS的分子离子状态不是由于裂解（除非在高能量下发生碰撞诱导解离进入真空系统）而得到，因此对于生物大分子的分子量测定变得比较容易。ESI-MS得到的是一簇多电荷的质谱峰群，它的分子质量的测定可从以下假设中得出：（1）两相邻峰相差一个电荷；（2）电荷是由于分子离子质子化形成的。任何两个峰都可有效地测定分子质量。方程式（1），（2）描述了分子质量Mr和多电荷离子（P1，P2）以及它们各自所带电荷（Z1，Z2）之间的关系。P1Z1=Mr+MaZ1=Mr+1.0079Z1 (1) P2Z2=Mr+1.0079Z2 （2）当P2P1时解（1）、（2）方程，得 Z1=J（P2-1.0079）/（P2-P1） （3）通过Z1可得到准确的分子质量。于是可将一簇多电荷峰的质谱图转化成化合物[M+H]+或[M+H]-的质谱图。

【作者】 刘亚男； 王跃飞； 韩立峰； 潘桂湘； 王虹；【Author】 LIU Ya′nan,WANG Yuefei,HAN Lifeng,PAN Guixiang,WANG Hong(Engineering Research Center of Modern Chinese Medicine Discovery and Preparation Technique Traditional Chinese MedicineResearch Centre of Tianjin University of Traditional Chinese Medicine,Tianjin 300193,China)【机构】 天津中医药大学中医药研究院现代中药发现与制剂技术教育部工程研究中心；【摘要】 目的:建立补骨脂药材中化学成分的高效液相色谱-电喷雾质谱分析方法。方法:采用DiamonsilTMC18(4.6 mm×250 mm,5μm)色谱柱;流动相0.05%甲酸水溶液-乙腈,梯度洗脱;流速1 mL.min-1;柱温30℃;DAD扫描范围190~400nm;检测波长246 nm。Finnigan电喷雾离子阱多级质谱仪;正离子检测模式;ESI喷雾电压4 500 V;鞘气(N2)流速60个单位;辅助气(N2)流速20个单位;毛细管温度350℃;毛细管电压19 V,扫描范围m/z90~800。结果:补骨脂中化学成分获得了较好的分离和检测,共鉴定出2个香豆素苷,3个香豆素,8个黄酮和1个单萜酚类成分。结论:该方法灵敏度高、分离度好,适用于补骨脂药材中化学成分的快速定性鉴定。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/07/201207301609_380605_2379123_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/07/201207301609_380606_2379123_3.jpg

基于密度泛函理论研究四环素的电喷雾质谱裂解机理摘要： 基于密度泛函理论(Densityfunctional theory,DFT)方法，考察四环素的优势构像极其在电喷雾正离子模式下准分子离子峰处于基态的最优构型，结合构形参数及质谱测定对准分子离子的最优构型进行了确认，并通过全几何结构优化，对四环素的优势构像及其在电喷雾质谱（LC-ESI-Q-Orbitrap-MS）正离子模式下准分子离子的二级谱中碎片离子的最优构型进行研究。结合高分辨率质谱数据对其质谱裂解机理进行解释。该研究可以为进一步探索四环素类化合物及其衍生物ESI-MS正离子模式下的质谱裂解规律提供参考和理论指导依据。关键词：密度泛函理论(DFT)；静电轨道离子阱(Orbitrap)；四环素(Tetracycline)1 实验部分1.1 仪器与试剂Thermo Scientific：Q Exactive Orbitrap ，Merck：CH3OH，Standard: Tetracycline（上海士锋生物科技有限公司）1.2 分析条件质谱（Mass Spectrometry）:Ion Source:ESI, MS Type:MS2,Ion Mode:Positive(+)，Fragmentation Mode:HCD，Collsion Energy:30ev色谱（Chromatography）:Column Name:WatersXBridge TM（Waters，C18）3.5um，2.1*50mmFlow Gradient:90A(0min)-50A(5min)-5A(25min)-90A(30min)，FlowRate:200ul/minSolvent A：H2O+0.1%Acid，Solvent B：CH3OH+0.1%Acid1.3 量子化学计算 使用密度泛函的B3LYP方法，以6-311+G*为基组，对反应势能面上的各驻点的构型进行了全几何参数优化，并由频率分析确认了稳定点的正确性，为了得到更精确的能量信息，又在B3LYP//6-311++G(3df,3pd)水平上计算了各驻点的单点能，所有计算采用Gaussian 03程序包完成。前言 四环素类(Tetracyclines,TCs)是由链霉菌产生的一类广谱抗生素（1）,在化学结构上都属于多环并四苯羧基酰胺母核的衍生物。四环素类可分为天然品和半合成品两大类。天然品为从放线菌金色链丛菌的培养液等分离出来的抗菌物质，四环素类药物为广谱抗生素,广泛用于临床治疗,并常被用做动物促生长剂,但耐药性的出现限制了该类药物的使用。目前关于四环素类抗生素的分析大多采用液相色谱质谱联用技术分析（2-9），并多数是采用电喷雾离子源。随着串联质谱技术的不断发展，采用量子化学方法及理论计算从分子水平研究化合物的质谱裂解规律及机理受到广泛而长期的关注。采用量子化学理论在质谱的裂解机理计算中，准分子离子几何构型的可靠性直接影响后续更加深层次的分析，而确定准分子离子最可能的最优构型是解析谱裂解机理的首要解决问题，本研究采用量子化学计算方法，依据密度泛函理论，并借助高斯软件Gaussian 03计算分析，计算了四环素正离子模式下准分子离子的最优构型，并且结合高分辨率质谱静电轨道离子阱质谱(Q-Orbitrap-MS)给出的可靠数据，对特征离子的裂解做以归属，为此类化合的鉴定解析提供理论依据。四环素的结构及其空间三维立体模型见图1http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509221738_567179_2359621_3.bmp图1 Tetracycline结构及其空间立体构型2 结果分析2.1 量子化学计算各质子化位点的质子亲和势能 由于化合物结构有多个质子化位点，所以需通过计算确定其最稳定构型及最大可能质子化位点，质子化反应方程为：RX+H+→RH+分子的气相碱性由其质子化方程的焓变ΔrH来确定，即质子亲和能EPA=-ΔrH，质子亲和能较大的化合物，其气相碱性较强，按照分子轨道理论，质子化方程的气相质子亲和能WPA与分子RX的最高占据道HOMO和质子H+的最低未占据轨道LUMO的差值有关，由于H+的LUMO是一个定值，所以可以认定WPA只与RX的HOMO相关并呈线性关系，原则上RX分子的HOMO能级值可以由量子计算得到。在B3LYP/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311++G(d,p),B3LYP/6-311++G(3df,2p)//B3LYP/6-311++G(3df,2p)和B3P86/6-311++G(3df,2p)//B3P86/6-311++G(3df,2p)基础下，计算了各质子化位点的平衡几何构型，优化得到的分子平衡几何构型都经频率计算证明是势能面上的极小点（无虚频），获得各质子化位点的质子亲和能(E)，各质子结合位点的质子亲和能计算结果见表1http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509221752_567196_2359621_3.bmp表1 四环素各质子结合位点的质子亲和能EPATabel 1 Protonaffinity for proton binding sites of Tetracycline(EPA)通过表1可以看出质子结合位点位于氨基上具有较高的质子亲和能，表明N上孤对电子可能占据HOMO轨道，所以质子化位点极可能位于氨基上。2.2 四环素在LC-ESI-Q-Orbitrap-MS下的质谱裂解途分析通过以上计算，以质子化位点位于氨基上为起点，并结合高分辨率质谱数据对其质谱裂解途径和机理进行分析，使用(LC-Q-Orbitrap-MS)获得准分子离子峰m/z 445.1594的二级谱，质谱碎片离子及相对丰度见表2http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/09/201509221750_567191_2359621_3.bmp表2 四环素电喷雾离子源下准分子离子（MS2）的碎片离子及其相对丰度Tabel 2 Relative abundancesof characteristic ions in the ESI(MS2) mass spectra of Tetracycline依据表1计算结果，对比质子亲和能，质子最可能的结合位点为氨基上氮原子，氮原子的一对未成键电子最可能占据HOMO轨道，所以以质子结合到氨基上所形成的准分子离子峰为起始点（备注：只是最可能概率最大的，但是不排除其他小概率的质子结合位点所引发的裂解），对其可能的质谱裂解途径做以下分析。准分子离子峰失去H2O中性分子后得到碎片离子m/z427.1500，与理论误差为-2.61ppm。而失去H2O中性分子可能有多个不同位点，1.2-消除脱水和-2.4消除脱水，从空间立体构型中可以看到氢和羟基均位于一侧，所以有利于发生1.2-消除和2.4-消除，如此就有了三种可能的脱水方式，所以通过计算得到不同三种方式下脱水后生成离子的稳定构型及其能量，见表3。由表3可以看出第一种模式下生成的离子能量最低，表明此方式为主要途径，更容易进行。准分子离子通过正电荷转移失去NH3可以生成离子m/z 428.1340，与理论误差为0.02ppm，β为的氢重排到侧链氮原子上可以脱去侧链CH3NHCH3得到碎片离子m/z 383.0761，与理论值误差为1.01ppm。该离子进一步通过1.2-消除脱H2O后生成离子m/z 365.0656，与理论值误差为0.19ppm。后通过2.4-消除脱水生成离子m/z 347.0550，与理论值误差为-1.91ppm。，由于2.4-消除相比1.2-消除难所以生成的离子丰度相对较低，离子m/z

自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，质谱离子源作为质谱仪器的核心技术之一近年来得到了专家和仪器公司的重视，各大仪器公司也纷纷投入资金改进或者研发，如AB SCIEX的Trubo V、沃特世的ZSpray等2012年1月9日，受浙江好创生物技术有限公司最新研发成功的“封闭可调气氛电喷雾离子化源”通过了技术成果鉴定。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/05/201205091006_365765_2439370_3.jpg封闭可调气氛电喷雾离子源外观照片作为“封闭可调气氛电喷雾离子源”的领军人，朱一心先生如何看待离子源的技术现状及未来发展趋势？封闭可调气氛电喷雾离子源有什么样的技术优势？应用前景及产业化进程如何?浙江好创在离子源及质谱的研发道路上又有什么样的发展规划？基于此，仪器信息网编辑采访了该项技术的持有者——浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生。据朱一心先生介绍说：“通过离子源研究得到的启发，我认为国内的质谱要发展就得找一些“歪门邪道”，在成熟的理论中寻找“偏门”，找专家没想到的领域，这是我的中心思想。我们只做他们不想做或者没有做过的事情，再就是专家已经做过，但没有达到理想结果的项目”。你如何看待离子源的技术现状及发展趋势？质谱仪器的关键技术有哪些？对中国质谱的发展您有什么样的建议？更多精彩内容见专访：朱一心谈离子源技术发展及其最新研制成果——访浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生http://www.instrument.com.cn/news/20120508/077764.shtml

[align=center][b][font=黑体]电喷雾离子源原理与离子迁移搬运机理的应用探讨[/font][/b][/align][align=center][font=宋体]罗杰鸿[/font][sup]1*[/sup][/align][align=center](1.[font=宋体]广东安纳检测技术有限公司，[/font][font=宋体]广东[/font][font=宋体]广州[/font]510000)[/align][b][font=宋体]摘要[/font]: [/b][font=宋体]自从[/font][font=宋体]电喷雾现象被发现，对于以[/font]ESI[font=宋体]为代表的软电离现象中，物质如何带电荷依然存在着争论。科学家们从不同的角度描述了这一个过程，但现今的理论依然无法完全解释众多的实验现象。同时，由于理论的不成熟，制约了软电离在技术方面的应用，比较直接地表现为，理论的缓慢发展，制约了离子源的设计与研制工作，使得离子源从实验室走向商业化遇上了不少的瓶颈。本文通过简述现有的离子源原理，并对离子迁移搬运机理的应用进行了探讨和展望。[/font][b][font=宋体]关键词[/font]:[/b] [font=宋体]电喷雾现象；[/font][font=宋体]离子源理论；离子源的设计；商业化；[/font][b][font='Times New Roman',serif]The principle of ionspray ion source -- Application of ion migrate and transport mechanism[/font][/b][align=center]Luo Jiehong[sup]1*[/sup][/align][align=center](1.Guangdong Anna testing co, ltd[font=宋体]，[/font] Guangzhou510000[font=宋体]，[/font] China)[/align][b]Abstract:[/b]Since the discovery ofelectrospray spray phenomenon, there is still a debate about how to chargesubstances in the soft ionization phenomenon represented by ESI. Scientistshave described this process from different perspectives, but the current theorystill cannot fully explain many experimental phenomena. At the same time, dueto the immaturity of the theory, the application of soft ionization intechnology is restricted, which is directly reflected in the slow developmentof the theory, which restricts the design and development of the ion source,and makes the ion source meet many bottlenecks from the laboratory tocommercialization. In this paper, the principle of existing ion sources isbriefly described, and the application of ion migration and transportationmechanism is discussed and prospected.[b]Key words[/b]: electric spray phenomenon Ion source theory Design of ionsource Commercialization 1913[font=宋体]年，著名英国物理学家汤姆逊采用一台简陋的抛物线装置研究[/font] “[font=宋体]正电[/font]”[font=宋体]射线，非有意之中诞生了质谱学。[/font]1917[font=宋体]年，电喷雾物理现象被发现（一个伟大的发现，可是当时并非为了在质谱仪器上使用），人们使用静电喷雾法进行喷漆、燃料物化、静电乳化等。区别于[/font]EI[font=宋体]等高能量碰撞使得物质带电的硬电离模式，电喷雾带电等模式被称为软电离模式。[/font][font=宋体]自从学者们发明电喷雾离子源[/font]ESI[font=宋体]以来，其气相离子形成的机理一直争论了很长一段时间[/font][1-9][font=宋体]。其中，离子蒸发机理[/font](IEM )[font=宋体]、带电残基机理[/font](CRM)[font=宋体]、链弹射理论[/font](CEM)[font=宋体]是比较常见的气相离子形成机理。最近，基于相关实验结果，笔者等提出[/font]“[font=宋体]离子迁移搬运[/font]”[font=宋体]的机理[/font][10][font=宋体]。本文对近年来关于离子源原理的研究工作进行简述，并对离子迁移搬运机理的应用进行探讨和展望。[/font][b]1 [font=宋体]电喷雾离子源的基本原理[/font][/b][font=宋体]电喷雾离子源[/font]ESI[font=宋体]利用电场产生带电液滴，经过各种作用最终实现待测物质的分子离子化。待测物质能够成功地实现电喷雾离子化，一般经过几个步骤[/font][11][font=宋体]：形成带电液滴、液滴变小、最后形成气相离子。带电液滴形成过程、带电液滴变小过程已经得到相关实验的验证，但怎样形成气相离子，受限于缺乏精密仪器，依然存在着争论。对于最后步骤，学者们从不同的角度去说明这个过程[/font][11-12][font=宋体]，[/font]IEM[font=宋体]，[/font]CRM[font=宋体]，[/font]CEM[font=宋体]等三个理论，有一定的适用范围，也能应用于解释一些的实验现象，但依然存在许多实验现象无法应用这些理论来解释。[/font][b]1.1 [font=宋体]朱一心的实验与理论[/font] [/b]IEM[font=宋体]，[/font]CRM[font=宋体]，[/font]CEM[font=宋体]是比较常见的几种观点，许多论文已经详细讲述这些原理[/font][1-9][font=宋体]。[/font]IEM[font=宋体]，[/font]CRM[font=宋体]，[/font]CEM[font=宋体]等理论，至今也无法解释以下两个问题：[/font]1[font=宋体]、为什么电喷雾离子源中存在多电荷现象，尤其是蛋白质电荷分布近似于高斯分布[/font]? 2[font=宋体]、为什么电喷雾离子源存在离子抑制现象[/font]? [font=宋体]而且，在解释热裂解测定，负离子模式测定等常见的实验现象中，也存在着一定的困难。[/font][font=宋体]朱一心等认为，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，不可能形成正负离子分离，在电极的同一端更不可能产生正、负离子分离的现象，因此并不认为多余的电荷是来自于液滴[/font][13,14][font=宋体]。通过其研制的一款新型离子源[/font](Coanda Effect ESI Source)[font=宋体]进行实验分析，朱一心等[/font][14][font=宋体]提出并证明：电喷雾离子化过程中的质子来自于[/font]Taylor Cone[font=宋体]外的气氛，离子化室的氛围是影响电喷雾离子化过程的重要因素，通过有效控制离子化室的氛围，可以提高分析物分子离子化的效率。[/font][b]1.2 “[font=宋体]离子迁移搬运[/font]”[font=宋体]的机理[/font][/b][font=宋体]朱一心等认为质子来源于泰勒锥外的空气中，而实际上，我们常用离子加合进行待测物测定[/font][15][font=宋体]，离子加合，例如铵根离子加合，其中的铵根离子，来源于通过在流动相添加乙酸铵，可以看出，大部分情况下，质子等加合离子是来源于流动相的。常见的钠离子、钾离子等正离子加合，空气中一般不存在钠离子、钾离子等，离子源的负离子模式测定或者热裂解测定，更是不需要任何的质子来源。[/font][font=宋体]笔者长期从事离子加合测定和热裂解测定，结合笔者的相关研究内容[/font] [16-18][font=宋体]，笔者等提出[/font]“[font=宋体]离子迁移搬运[/font]”[font=宋体]的机理。新机理表述归纳为三点。[/font][font=宋体]首先，在离子源里，通过各种脱溶剂作用，在毛细管尖端周围空间迅速形成存在大量的[/font]H[sup]+[/sup][font=宋体]、[/font]NH[sub]4[/sub][sup]+[/sup][font=宋体]、[/font]Ac[sup]-[/sup][font=宋体]、[/font]Cl[sup]-[/sup][font=宋体]（加三氯甲烷等）、[/font]NO[sub]2[/sub][sup]-[/sup][font=宋体]（添加含[/font]NO[sub]2[/sub][sup]-[/sup][font=宋体]离子的物质）、[/font]Na[sup]+[/sup][font=宋体]等加合离子[/font][font=宋体]的流动相蒸气[/font]-[font=宋体]氮气辅助气氛围。这些条件，为离子在空气中的迁移提供了电泳条件。假设当毛细管电压为正时，检测器电压看作负，加合离子在这样含有流动相蒸汽的脱溶剂气氛围中发生迁移。[/font][font=宋体]而此时流动相里的待测物在相似的脱溶剂条件下形成裸露的分子。在一定温度下，这些裸露的分子有可能进一步裂解成离子，发生迁移后被测定，如灭菌丹[/font][10][font=宋体]。热裂解测定需要离子源达到一定的温度，对离子源有一定的要求。[/font][font=宋体]最后，[/font]H[sup]+[/sup][font=宋体]、[/font]NH[sub]4[/sub][sup]+[/sup][font=宋体]等加合离子，与不带电荷的裸露小分子通过氢键、范德华力、离子键等作用力结合在一起，发生迁移而到达质谱检测器。加合离子和裂解产生的离子（包括热裂解产生的离子，负离子模式产生的离子）是迁移的主体，是实际上产生迁移物质，它们充当着[/font]“[font=宋体]搬运工[/font]”[font=宋体]的角色，通过作用力，它们能够把蛋白质等待测物质迁移到质谱。示意图如图[/font]1[font=宋体]所示。[/font][font=宋体]离子迁移搬运机理可以简述为：假设当毛细管为正，而质谱检测器为负时，由流动相、脱溶剂气或者空气等提供电泳条件。此时，[/font]H[sup]+[/sup][font=宋体]、[/font]NH[sup]4+[/sup][font=宋体]等加合离子发生迁移，当它们迁移的时候，通过作用力，把裸露的小分子或者蛋白质搬运到质谱检测器。搬运的对象可以是裸露的小分子或者蛋白质，也可以是团簇小溶剂，也可以是空气中的小分子物质。[/font][font=宋体]迄今为止，软电离技术关于物质如何带电这个现象的解释，强调的是物质是如何带电荷，但离子迁移搬运理论指出，并不是物质带电荷，而是电荷带物质，迁移的中心是电荷，而不是待测物质，电荷才是真正迁移的主体。同时[color=black]我们认为[/color][/font][font=宋体][color=black]，[/color][/font][font=宋体]电荷带物质的[/font][font=宋体][color=black]原理同样适用于与[/color][/font][color=black]ESI[/color][font=宋体][color=black]类似的化学电离[/color][/font][color=black](Chemical ionization, CI)[/color][font=宋体][color=black]。[/color][/font][align=center][img=,639,181]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/12/202212151536523466_4523_3237657_3.png!w690x196.jpg[/img][/align][align=center][font=宋体]图[/font]1 “[font=宋体]离子迁移搬运[/font]”[font=宋体]机理示意图[/font][/align][align=center]Fig. 1 Schematic diagram of "ion migrate andtransport" mechanism [/align][b][color=black]2[/color][font=宋体]多电荷现象、离子抑制现象的初步解释[/font][/b][font=宋体]利用[/font]“[font=宋体]离子迁移搬运[/font]”[font=宋体]机理对离子源的某些实验现象，例如多电荷现象、离子抑制现象等等，进行初步的解释。蛋白质在结构紧凑时，内部形成内核，加合离子只能结合在其外部的位点，而当蛋白质结构展开时，加合离子能够结合其链条上的位点，从而产生不同的多电荷现象。[/font]“[font=宋体]离子迁移搬运[/font]”[font=宋体]机理可以对多电荷的电荷分布现象进行初步解释，当迁移一定的距离时，对于一定分子量的大分子，需要一定量的加合离子，通过其相互作用力，使得其实现向离子源的迁移，但当加合离子数量过多的时候，相互之间的排斥力增大，因此，蛋白质的多电荷呈现中间高，两端低的类似于高斯分布现象。从原理进行推论，能够检测到的蛋白质的电荷分布，与接口到检测器之间的距离有关，与形成的加合离子数目有关（加合离子数目与接口的氧化还原反应等因素有关，与流动相添加的物质有关），与蛋白质的结构有关。辅助气氛围中含有一定数量的加合离子，不同分析物会竞争结合这些加合离子，从而出现离子抑制现象。[/font][b][color=black]3 [/color][font=宋体][color=black]离子源设计思路的探讨[/color][/font][/b][color=black] [/color][font=宋体][color=black]上世纪[/color][/font][color=black]60[/color][font=宋体][color=black]年代，[/color][/font][color=black]Dole[/color][font=宋体][color=black]等研制了第一台采用电喷雾现象的质谱仪，并用于分析了聚苯乙烯大分子，但仍然不能测定蛋白质[/color][/font][color=black][5][/color][font=宋体][color=black]。之后[/color][/font][color=black], Fenn[/color][font=宋体][color=black]等[/color][/font][color=black][21][/color][font=宋体][color=black]发现了[/color][/font][color=black] Dole[/color][font=宋体][color=black]所设计的离子源存在的问题，修正了离子源喷针和端板之间的距离[/color][/font][color=black], [/color][font=宋体][color=black]从而降低了喷针电压。自从[/color][/font][color=black]1917[/color][font=宋体][color=black]年以来，软电离模式（主要为电喷雾，[/color][/font][color=black]CI[/color][font=宋体][color=black]）中物质如何带电成为了一个争论不休的领域，其一定程度上制约了科学家们研制新的离子源。[/color][/font][font=宋体][color=black]待测物质能够被检测，一般情况下采用三种方式。[/color][/font][color=black]1. [/color][font=宋体][color=black]电场、热、光等物理因素直接裂解待测物质，产生离子，例如灭菌丹测定[/color][/font][20][font=宋体][color=black]。[/color][/font][color=black]2.[/color][font=宋体][color=black]电场、热、光等物理因素通过各种反应，产生待测物质的单电子离子。[/color][/font][color=black]3.[/color][font=宋体][color=black]通过不同的方式产生加合离子，再与待测物质结合后，产生迁移而被测定。现今主流离子源设计一般采用以上三种方式。[/color][/font][color=black] “[/color][font=宋体][color=black]离子迁移搬运[/color][/font][color=black]”[/color][font=宋体][color=black]机理指出，以质子为代表的加合离子是否来源于流动相并不是最重要的，关键的问题是怎样形成含有加合离子的电泳条件，对于辅助气氛围是否含有流动相及其对灵敏度的影响，有待进一步研究。提高离子源的分子离子化率，怎样使得待测物质分子离子化率的效率更高，响应值更高，依然是现今离子源研制的一项重要工作，也是蛋白质组学最大的技术瓶颈之一[/color][/font][color=black][22][/color][font=宋体][color=black]。[/color][/font][color=black] [/color][b][color=black]4 [/color][font=宋体][color=black]质谱仪等其它部件研制思路的探讨[/color][/font][color=black] [/color][/b][color=black] [/color][font=宋体]从原理进行推论，[color=black]我们认为，待测物质在加上加合离子后，加合离子与待测物质之间存在[/color]一定的作用力，而待测物质在被搬运的过程中，经过质谱仪等各个核心部件时，如果作用力不够强或者受到的外力过大，可能导致加合离子与待测物质分离。因此，[/font][color=black]“[/color][font=宋体][color=black]离子迁移搬运[/color][/font][color=black]”[/color][font=宋体][color=black]机理有望应用于液相质谱的其它部件的研制上。[/color][/font][b]5 [font=宋体]总结与展望[/font] [/b][font=宋体]本文提出，软电离技术的基本原理并不是物质带电荷，而是电荷带物质，迁移的中心是电荷，而不是待测物质，电荷才是真正迁移的主体。[/font][font=宋体]离子源原理的研究，对于离子源的设计与研制有着重要的作用，理论的发展，为解决当前离子源设计上的问题提供了良好的发展基础。当前离子源的设计与研制，在某些问题的解决上发展缓慢[/font][23-25][font=宋体]。离子源理论发展的缓慢，制约了离子源的设计与研制工作，使得离子源从实验室走向商业化遇上了不少的瓶颈。因此，发展离子源的理论具有重要意义，将是未来研究的重要方向。[/font][b][font=宋体]参考文献：[/font][/b][1] [font=宋体]赵霞[/font],[font=宋体]步芬[/font],[font=宋体]邹丽敏[/font],[font=宋体]李博[/font].[font=宋体]电喷雾解吸质谱及其应用[/font][J]. [font=宋体]价值工程[/font], 2012, 31(02): 326-328.[2] [font=宋体]张维冰，高方园，关亚风，张玉奎[/font]. [font=宋体]电喷雾离子源中样品离子化能量转移理论的初探[/font][J]. [font=宋体]色谱，[/font]2014[font=宋体]，[/font]32(04): 395-401.[align=left][3] Cech N B,Enke C G. Practicalimplications of some recent studies in electrospray ionization fundamentals.[J].Mass spectrometry reviews,2001,20(6).362-387.[/align][align=left][4] Iribarne J V[font=宋体]，[/font]Thomson B A[font=宋体]．[/font]On the evaporation ofsmall ions from charged droplets[J]. The Journal of Chemical Physics[font=宋体]，[/font]1976[font=宋体]，[/font]64(6):2287-2294.[/align][align=left][color=black][back=white][5] [/back][/color][color=black][back=white]Dole[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]，[/back][/color][/font][color=black][back=white]Malcolm. Molecular Beams of Macroions[J]. Journal of ChemicalPhysics[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]，[/back][/color][/font][color=black][back=white]1968[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]，[/back][/color][/font][color=black][back=white]49(5):2240.[/back][/color][/align][align=left][6] Iavarone A T,Williams E R.Mechanism of charging and supercharging molecules in electrosprayionization.[J]. Journal of the American Chemical Society[font=宋体]，[/font]2003[font=宋体]，[/font]125(8)[font=宋体]，[/font]2319-2327.[/align][align=left][7] Ahadi E[font=宋体]，[/font]Konermann L.Modelingthe behavior of coarse-grained polymer chains in charged water droplets: implications for the mechanism ofelectrospray ionization[J]. J Phys Chem B[font=宋体]，[/font]2011[font=宋体]，[/font]116: 104-112[color=black][back=white].[/back][/color][/align][align=left][8] Konermann L[font=宋体]，[/font]Rodriguez A D[font=宋体]，[/font]Liu J . On the Formationof Highly Charged Gaseous Ions from Unfolded Proteins by ElectrosprayIonization[J]. 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