样品导入与离子源-仪器分析

1.样品导入系统

有机质谱仪的样品导入系统有直接进样和色谱联用导入进样两类。直接进样系统，用直接进样杆的尖端装上少许样品，进入离子源，快速加热使之挥发为气体，适用于单组分、挥发性较低的样品分析，相对分子质量在2000以下均可测定。

色谱联用导入样品，适用于对多组分色谱分离后的纯组分分析。通过色谱分离系统将多组分分离后，在色谱柱出口通过一个接口与质谱仪相连接，这个接口部件是将流动相分子除去，而将分离后纯组分导入质谱仪的装置。现在常用于气相色谱-质谱联用仪、高效液相色谱-质谱联用仪、毛细管电泳-质谱联用仪等。

2.离子源类型及选择

样品经过导入系统进入质谱仪的第一个单元就是离子源。它是将引入的气态物质电离为离子的部件。质谱仪的电离源有多种类型，常见的有电子轰击源（EI）、化学电离源（CI）、电喷雾电离源（ESI）、大气压化学电离源（APCI）和快原子轰击电离源（FAB）等。

根据对物质电离方式不同，电离源分为硬电离和软电离两类。硬电离源离子化能量高，易使分子化学键断裂而产生丰富的碎片离子。软电离源产生的碎片离子数量少、峰少，质谱相对简单，易产生相对丰度大的分子离子和拟分子离子（也称准分子离子），包括分子离子和质子、分子离子或其它离子相互作用形成的离子，如分子离子质子化（[M+H]+）或去质子化（或[M-H]－），以及加合分子离子（如[M+NH4]+、[M+Na]+）等。

电子轰击源（EI）　其结构如图6-2所示。样品分子在一定温度下被气化为气态分子，导入离子源后受到直热式阴极发射的电子束轰击。若轰击电子的能量大于分子的电离能，分子则有可能失去电子而发生电离，通常失去一个电子，即

图6-2电子轰击源示意图

式中，M表示分子；M+·为失去一个电子后的分子离子，也称自由基阳离子。

如果轰击电子的能量足够大，则可打断分子的各种化学键，产生各种碎片，主要是阳离子碎片和中性碎片，偶尔还有少量阴离子和离子-分子复合物等。阳离子在推斥极作用下进入加速区，被加速和聚焦成离子束，引入质量分析器，而阴离子和中性碎片则被真空泵抽走。

EI属于硬电离源，其轰击电子能量约为70eV，获得的离子流稳定、碎片离子丰富，有利于结构分析。EI适用于气体和易挥发的试样分析，对于相对分子质量大或稳定性差的样品分析比较困难，有时不易获得分子离子。

化学电离源（CI）　其结构与EI相似，差别是在CI中需要引入小分子反应气，轰击电子首先使小分子电离成离子，然后小分子离子与样品分子碰撞而发生离子-分子反应和能量交换，产生样品离子。常用的小分子反应气有甲烷和氨气。以甲烷的电离机理为例，在电子束轰击下，甲烷分子先被电离：

多数碳正离子与剩余甲烷分子迅速反应生成加合离子（①②），加合离子再与试样分子作用，实现质子或氢化物的转移（③④⑤）。

以上质子转移离子为质子化的准分子离子[M+H]+，据此可获得被测分子的相对分子质量。

CI为软电离源，适用于稳定性差而不易得到分子离子化合物的分析，易得到准分子离子，碎片离子较少，图谱简单，有利于测定化合物相对分子质量，不利于化合物结构分析。(www.xing528.com)

电喷雾电离源（ESI）　ESI主要应用于液相色谱-质谱联用仪，兼有接口和电离的功能。它的主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷嘴。最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气，喷射气常采用大流量的氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。另外，在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷嘴，补助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。离子产生后，借助于喷嘴与锥孔之间的电压，穿过取样孔进入分析器，原理过程如图6-3所示。

图6-3　电喷雾电离源原理

加到喷嘴上的电压可以是正，也可以是负。通过调节极性，可以得到正或负离子的质谱。电喷雾喷与取样孔在同一直线上时取样孔易堵塞。所以设计喷嘴喷射方向与取样孔错开一定角度，溶剂雾滴不直接喷到取样孔上，使取样孔不易堵塞。产生的离子蒸气靠电场的作用引入取样孔，进入分析器。

电喷雾电离源是一种软电离方式，即便是分子量大，稳定性差的化合物，也不会在电离过程中发生分解，它适合于分析极性强的大分子有机化合物，如蛋白质、肽、糖等。电喷雾电离源的最大特点是容易形成多电荷离子。这样，一个分子量为10 000Da的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000，进入了一般质谱仪可以分析的范围之内。采用电喷雾电离，可以测量分子量在300 000Da以上的蛋白质。

大气压化学电离源（APCI）　其结构见图6-4，与电喷雾源大致相同，不同之处是APCI喷嘴下游放置了一个针状放电电极，通过它的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+、和O+等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与分析物分子进行离子-分子反应，使分析物分子离子化，这些反应过程包括由质子转移、电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等。

图6-4　大气压化学电离接口示意图

大气压化学电离源主要用来分析中等极性的化合物。有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率，可以认为APCI是ESI的补充。APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。

以上两种电离源主要用于液相色谱-质谱联用仪。

快原子轰击电离源（FAB）　FAB的原理是由电场中的高速电子轰击惰性气体（如氩气或氙气），使其电离并加速成快速离子，再直接通过充有氩或者氙气的电荷交换室，产生电荷交换得到快原子流，打在样品上产生样品离子。

FAB源（图6-5）主要用于磁式双聚焦质谱仪，特别适用于极性强、分子量大的样品分析。

图6-5　快原子轰击源示意图

样品置于涂有底物（如甘油）的铜质靶材上。原子氩打在样品上使其电离后进入真空，并在电场作用下进入分析器。电离过程中不必加热气化，因此适合于分析大分子量、难气化、热稳定性差的样品。例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等。FAB源得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它与EI源得到的质谱图很不相同。其一是它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是[M+H]+或[M+Na]+等准分子离子峰；其二是碎片峰比EI谱要少。

激光解吸源（LD）　LD是利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离的一种电离方式。被分析的样品置于涂有基质的样品靶上，激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。激光电离源需要有合适的基质才能得到较好的离子产率。因此，这种电离源通常称为基质辅助激光解吸电离（MALDI），它特别适合于飞行时间质谱仪（TOF），组成MALDI-TOF。MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。MALDI常用的基质有2,5-二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。

离子源的选择　除了考虑离子源可测定的相对分子质量范围，还要考虑样品的理化性质和稳定性。在实践中还经常通过降低EI的轰击电子能量或化学衍生化技术，来提高样品分子的挥发度和稳定性，以获得分子离子峰信息。