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如何选择质谱离子源?
2018.04.13   点击459次

随着科研工作的不断深入,科研工作者对于检测手段的要求也越来越高,在科研工作中质谱的应用已经越来越普及。我们在处理样品时会用到质谱仪中的一个重要组成部分—离子源,该怎么选择离子源呢?下面就详细分析离子源的分类、工作原理和优缺点,希望能对你选择离子源有所帮助。

气相质谱(GC/MS)离子源

对于气相质谱(GS/MS)来说,主要有电子轰击电离源(EI)、化学电离源(CI)、场致电离源(FI)及场解吸电离源(FD)。我们一起来了解一下:

1、电子轰击离子源(EI)

EI源主要由电离室(离子盒)、灯丝、离子聚焦透镜和一对磁极组成。灯丝发射电子,经聚焦并在磁场作用下穿过离子余弦定理到达收集极。此时进入离子化室的样品分子在一定能量电子的作用下发生电离,离子被聚焦、加速聚焦成离子束进入质量分析器。

EI的优点:

非选择性电离,只要样品能气化都能够离子化;离子化效率高,灵敏度高;EI谱白日做提供丰富的结构信息,是化合物的“指纹谱”;有庞大的标准谱库供检索,谱图是在70eV条件下获得的,谱图重复性好,被称作经典的EI谱(是指谱图中同位素峰的比例能反映构成该离子的天然同位素丰度分布规律。

EI的缺点:

样品必须能气化,不适于难挥发,热不稳定的样品;有的化合物在EI方式下分子离子不稳定易碎裂,得不到分子量信息,谱图复杂解释有一定困难;EI方式只能检测正离子,不检测负离子。

2、化学电离源(CI)

CI和EI一样,灯丝发射的电子使中性分子电离,不同的是样品和反应试剂一起进入离子化室,反应所浓度高于样品浓度,首先电离的是反应试剂中性分子,由于压力较高,发生离子-分子反应,产生各种活性反应离子,这些离子与样品分子再发生离子-分子反应,实现样品分子电离。常用的反应气试剂有甲烷、异丁烷、氨气等.

CI的优点:

CI不仅是获得分子量信息的重要手段,还可通过控制反应,根据离子亲和力和电负性选择不同的反应试剂,用于不同化合物的选择性检测。

CI的缺点:

和EI一样要样品必须能气化,不适于难挥发,热不稳定的样品;而且CI谱图重现性不如EI,没有标准谱库。另外反应试剂易形成较高本低,影响检测限。反应试剂的压力需要摸索。

3、场致电离源/场解电离源(FI/FD)

由一个电极和一组聚焦透镜组成,电压高达几千伏的电极形成一强电场,气态的样品被导入离子区,在强电场作用下使气态分子的电子被拉出电离,形成的离子不会有过剩的能量,因此电子几乎不再进一步裂解FD源,将样品涂在长晶须的电极上,通过电流加热使样品吸解并在强电场作用下发生电离.

FI/FD的优点:

只有分子离子几乎没有碎片离子,而且没有反应试剂形成的本底,谱图比EI图更为简洁。适合于聚合物和同系物的分子量测定,尤其是烃类混合物中各类烃分子量测定。结合高分辨质谱能给出元素组成,从而获得分子式,对化合物鉴定非常有利。

FI/FD的缺点:

和EI、CI一样要样品必须能气化,不适于难挥发,热不稳定的样品。FD虽然可解决样品不易气化和热不稳定问题,但FD源的发射丝需要活化成本较高,重现性较差;灵敏度差,别外高电压易发生放电效应,操作难。同时四极杆和离子阱质谱是不能配置FI源。

电离方式电离媒介样品状态分子离子碎片离子
EI电子蒸汽M+
CI气相离子蒸汽{M+H}+; {M-H}+; {M+NH4}+很少
FI/FD电场蒸汽、溶液M+; {M+H}+; {M+Na}+无或很少

液相质谱(LC/MS)离子源

液相色谱质谱联用仪,简称液质联用仪(LC/MS或LC/MS/MS),常用离子源从大的分类来说,主要有大气压离子源(以下简称API)、基质辅助激光解析电离源(以下简称MALDI)和快原子轰击源(以下简称FAB)三种电离方式。下面咱们逐一来了解一下:

1、大气压离子源(API)

包括大气压电喷雾电离ESI、大气压化学电离APCI、大气压光电离APPI

在ESI中,离子的形成是被测分子在带电液滴的不断收缩过程中喷射出来的,即离子化是在液态下完成的。经液相色谱分离的样品溶液流入离子源。在N2流下汽化后进入强电场区域,强电场形成的库仑力使小液滴样品离子化,借助于逆流加热N2分子离子颗粒表面液体进一步蒸发,使分子离子相互排斥形成微小分子离子颗粒如图所示。这些离子可能是单电荷或多电荷,这取决于所得的带有正、负电荷的分子中酸性或碱性基团的体积和数量。多电荷离子峰的形成使质量范围为3000u的四极杆滤过器质谱仪也能检测到生物大分子的准确分子量。

APCI技术与传统的化学电离接口不同,它并不采用诸如甲烷一类的反应气体,而是借助电晕放电启动一系列气相反应以完成离子化过程,就其原理,它也可被称为放电电离或等离子电离。从液相色谱流出的样品溶液进入一具有雾化气套管的毛细管,被氮气流雾化,通过加热管时被气化。在加热管端进行电晕尖端放电,溶剂分子被电离,充当反应气,与样品气态分子碰撞,经过复杂的反应过程,样品分子生成准分子离子:

R + e- → R+ + 2e-
R+ + R → RH+ + R-
RH+ + M → RMH+

上式表示一种正离子模式的化学电离过程。R代表溶剂,M代表样品分子,MH+为生成的准分子离子。如果溶剂比样品碱性弱,则生成MRH+,都属于准分子离子。准分子离子也能以负离子模式生成准分子离子,主要应用于具有强的电子亲和力的化合物。样品分子的准分子离子经筛选狭缝,进入质谱计。

APPI是一种被分析物在气相中吸收由真空-紫外发出的电子(10eV或10.6eV)后放出电子而离子化的过程,APPI使用较少。APPI是直接将待测物电离,比较适合非极性或弱极性化合物的分析。

ESI的优点:

可生成高度带电的离子而不发生碎裂,这样可将质荷比降低到各种不同类型的质量分析仪都能检测的程度。通过检测带电状态,可计算离子的真实分子量。同时,解析分子离子的同位素峰也可确定带电数和分子量,因同位素峰间的质荷比差与带电数相对应。最大优势是可方便地与分离技术联用。

ESI的缺点:

ESI的主要缺点是它只能接受非常小的液体流量(1-10μl/min),这一缺点已被1987年研制出来的离子喷雾接口(ISP)所克服(离子喷雾接口是一种借助气动的电喷雾接口,它可适应较高的流速)。

APCI&APPI的优点:

适用于低极性化合物离子化;宽度动态范围(4-5个数量级);质量敏感,可耐受高缓冲液浓度

APCI&APPI的缺点:

化合物热稳定性低(最高130-150℃),易挥发,需要掺杂剂

2、基质辅助激光解析电离源(MALDI)

在一个微小的区域内,在极短的时间间隔 (ns数量级 )中,激光对靶上待分析物质提供高强度脉冲式能量,使其在瞬间完成解吸和电离,且不产生热分解。MALDI是一种直接气化并离子化非挥发性样品的质谱离子化方式,但是其离子化机理尚不清楚,存在两种可能性:离子在固态时已形成,激光照射时只是简单的释出;或是由激光引发的离子 -分子反应产生的。

MALDI的优点:

可电离一些较难电离的样品 (特别是生物大分子 ) ,得到完整的电离产物,且无明显碎片;单电荷分子离子峰占多数,质谱图较简单,适合多组分样品的分析;适用范围广,能耐受一定程度的盐和缓冲液;对样品处理的要求不严格,甚至可以直接分析未处理过的生物样品,从而简化繁琐的制样过程;灵敏度高。

MALDI的缺点:

然而在有机小分子、烟草烟气化学成分定性定量分析方面则应用较少。

3、快原子轰击源(FAB)

用加速的中性原子(快原子)撞击以甘油(底物)调和后涂在金属表面的有机化合物(“靶面”),导致这些有机化合物电离的方法称之为快原子轰击(FAB)。以电子轰击气压约为100Pa的中性气体(氩或氦),产生的惰性气体离子经聚焦和加速后撞击靶面导致分析物的离子化称作离子轰击作用。在此基础上将氩离子还原为中性原子,再以加速的中性原子撞击“靶面”即为快原子轰击。分析物经中性原子的撞击获取足够的动能以离子或中性分子的形式由靶面逸出,进入气相。产生的离子一般是准分子离子。

FAB的优点:

对热不稳定、难以汽化的化合物的分析有独到的长处。尤其是它对肽类和蛋白质分析的有效性,在电喷雾接口出现前是其他接口无法相比的。FAB在肽类和蛋白质分析方面有大量的报道和成功的蛋白质分析实例,显示出在此领域内很强的实用性。

FAB的缺点:

只能在低流量下工作(<5μl/min),严重限制了液相柱的分离效果。流动相中含有的1%-5%的甘油会使离子源很快变脏。液体通过石英毛细管时容易造成堵塞。此外,由于它的特殊的制样方法,FAB的一个很大的问题是混合物样品中共存物质的干扰,它们常常会抑制分析物的离子化,造成灵敏度下降甚至根本没有信号产生。

本文来自:实验与分析
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