ESI-MS及其原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ESI/MS及其原理,ESI是一种离子化技术，ESI将溶液中的离子转变为气相离子，进而进展MS分析。,离子从溶液中转移至气相是强吸热过程，需要较高的能量，由于溶液中的离子是溶剂化的。将Na+从水溶液中转移至气相需要的能量为：,G0sol=98 kcal/mol 1,H0sol=106 kcal/mol 2,一 气相离子产生的根本过程,1.ESI将溶液中的离子转变为气相离子包括三,个步骤：,在喷雾毛细管尖端产生带电雾滴；,通过溶剂蒸发和雾滴分裂使带电雾滴变小，这一过程反复进展，直至生成很小的带电雾滴；,由很小带电雾滴产生气相离子。,带电雾滴的产生图1,2.电泳机制,毛细管中的溶液由极性溶剂组成，其中含有电解质溶质，例如溶剂为甲醇/水，NaCl或BHClB为有机碱为溶质，浓度10-5,10-3mol/L，以下以正离子模式进展表达。,当电场作用于毛细管，Ec将穿透毛细管尖端,的溶液，在电场作用下，溶液中的正、负离子将,移动，直至电荷分布产生的对外加电场的反作用,导致在溶液中产生无场条件为止。如毛细管为正,电极，正离子移向毛细管尖端处的弯月面，负离,子以相反方向移动，由于液体外表正离子之间的,斥力，抑制液体的外表张力，因此毛细管尖端的,液面扩张，使正电荷和液体进一步前移，形成一,锥体，称Taylor 锥。如电场足够高，细的喷口,从锥体尖端形成并裂开为细的雾滴。见图2,锥体喷口模型图2,(a)锥体尖端延长为液体喷口，RJ为喷口半径，RD为雾滴,直径。对ESI/MS常用的低粘度液体，RD/RJ约1.9。当电,压由abc增加，可观看到多喷口模型。,带电雾滴产生电泳机制,雾滴带正电是由于在锥体及其喷口外表有过,量的正离子。假设在溶液中的电解质是NaCl，在,外表过量的正离子是Na+离子,这种带电模式取决,于在电场作用下，正、负离子向相反方向迁移，,称为电泳机制。由锥体喷雾产生的带电雾滴经空,气向反电极方向漂移，随着溶剂蒸发，带电雾滴,收缩，雾滴外表电荷密度增加。当雾滴缩小至一,定的半径，电荷间的斥力抑制了外表张力，雾滴,发生分裂，这个过程重复发生溶剂蒸发与雾滴,分裂，直至生成气相离子。,3.ESI是特殊的电解池电解机制,假定电荷的分别是电泳机制，在稳定的ESI操作下，带正电的雾滴将连续带走正离子，在这样的连续电流的装置中，必需实现电荷平衡，同时，只有电子能通过金属导线，因而推想ESI必定包括电化学过程，将移向电极的离子转换为电子。换言之，ESI装置是一种特殊的电解池。其特殊之处在于局部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，而常规电解池中，离子的迁移是在连续的溶液中进展的。,依据电化学反响，氧化反响发生在阳极，,在上述ESI中，应发生在溶液/金属毛细管介,面。这一反响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,通过氧化反响移走溶液中的负离子，对于水,溶液反响如下：,M(外表)M2+(水)+2e-(金属),4OH-(水)O2(气体)+2H2O+4e-(金属),可以预期最低氧化电位的反响首先发生，,这取决于金属电极材料、溶液中的离子和溶剂,的性质。用不锈钢毛细管在溶液中产生Fe2+。,用Zn毛细管尖端，溶液中产生Zn+2且单位时,间释放至溶液中的Zn+2的量转换为每秒的库仑,数，等于测得的电喷雾电流I。这些定量的结,果，充分证明白电解机制。,4.ESI的起始电位,以牛顿/米和,r,c,以米为单位得,V,on,为伏特。,此处，,r,c,=0.1mm,和,d=40mm,。,不同外表张力 的溶剂的起始电位Von表1,溶剂,CH,3,OH,CH,3,CN,（CH,3,）,2,SO,H,2,O,(N/m),0.0226,0.030,0.043,0.073,V,on,（kV）,2.2,2.5,3.0,4.0,水的外表张力最高，最难于形成Taylor锥及喷雾，,故起始电位Von最高。为了稳定喷雾，必需加以较Von高,数百伏的电位。用水作溶剂，易于导致毛细管尖端放电，,尤其是当毛细管为负电位时负离子方式。虽然ESI起,始电位对正或负离子方式是一样，但毛细管尖端的放电,起始电位当毛细管处于负电位时较低。放电使毛细管电,流I增加，电流在10-5A以上，通常是由于有放电现象。,在正离子方式，检测到质子化的溶剂簇，H3O+(H2O)n,水或CH3OH2+(CH3OH)n甲醇说明发生了放电。,放电使ESI/MS性能降低，待测离子强度大为下降，放电,产生的离子具高强度，这可能是放电使毛细管尖端电位,下降，影响了带电雾滴的形成。,5.带电雾滴产生的电流,带电雾滴离开毛细管的电流是易于测量的，这个电流相当于离开毛细管的过量正离子的总数。,式中,对于介电常数/040的液体,f(/0)18。,这些关系是对于溶液的电导率K大于10-4Sm-1得到,的。用极性溶剂,如水及甲醇和根本上完全解离,的电解质，溶液的浓度约为10-5mol/L(这是,ESI/MS通常的浓度)，流速为1L/min(这是常,规ESI/MS的低限)。,毛细管电流和待测离子强度与溶液流速的关系图3,a毛细管电流I与溶液流速Vf的关系，实线盐酸可,卡因10-5mol/L甲醇溶液，(b)质谱测得的BH+质子,化的可卡因强度与流速的关系。,图3b表示质谱分析所得的有机碱的BH+离子流与流速的关系。BH+=10-5mol/L，甲醇溶液，分析时浓度恒定。比较图a和b，气相离子流并不与雾滴电流相关，随流速的增加，BH+强度保持恒定，在高流速区，甚至下降。随着流速的变化，雾滴电流和离子强度缺乏相关性，这提示需要进一步了解从雾滴中产生气相离子的过程。,由上两式预示雾滴半径随流速增加而增加。试验观看,到，随流速增加，气相离子流降低图3b，这与雾,滴大小相关联，即随着雾滴的增大，从带电雾滴中产,生气相离子的数目下降。上两式也预示R随电导度K的,增加而变小。因而，降低流速和增加电导是产生细雾,滴的有效方法。,6.雾滴电流与电导率和溶液中离子浓度的关系,雾滴电流与溶液电导率K的关系之所以得到关,注，是由于电导率比例于溶液中离子的浓度：,K=0,mC,上式只有在低浓度C10-1mol/L时才有效。,电解质的等分子电导equivalent molar conductivity,0,m 取决于电解质离子的特定性质，准备0,m大小,的重要性质是淌度，即溶液中正或负离子在电场作,用下的迁移速度。上式是对单一电解质而言的，当,溶液中有几种电解质时，K为各电解质电导率之和：,K=0,mCi,组成离子的分子电导率为：,0,m,(MX)=l,0,m(M,+,),+l,0,m(X,-,),。,0,m,和l,0,m,以为单位。,25，某些电解质在甲醇中的分子电导率表2,溶质,0,m,离子,l,0,m,HCl,190,H,+,146,HClO,4,214,Li,+,40,HNO,3,203,Na,+,45,LiCl,91,K,+,52,NaCl,97,Cl,-,52,KCl,104,Br,-,56,试验测定电流I与溶液电导KHCl和NaCl在,60%水和40%甲醇的混合溶液中的关系：,I Kn=(0,mC)n n0.22,假设待测物质离子在溶液中的浓度最高，则质,谱测得的待测物质离子强度约与雾滴电流I成正比，,而气相离子强度取决于溶液中的浓度。但是，通常,的试验条件下，除了待测物质以外，还有其它电解,质存在于溶液中，这就使状况变得简洁，将在下面,中进一步争论。,7.带电雾滴中溶剂的蒸发导致雾滴缩小和库仑分裂 电喷雾产生的带电雾滴随着溶剂的蒸发而缩小，但电荷保持恒定，溶剂蒸发的能量由环境气体供给。雾滴半径R变小而雾滴电荷q不变导致外表上电荷斥力的增加，直至到达 Rayleigh稳定限：,Rayleigh方程指出当雾滴半径R和电荷q满足上式时，静电斥,力等于外表张力，雾滴不再稳定，发生裂解，称之为库仑分,裂coulumbic fission或库仑爆炸coulumbic explosion。这,种分裂不同于细胞分裂，不是一分为两，而是形成细小的喷口,喷出很多小的雾滴，如以以下图所示。,母和子雾滴示意图图4,左上角的雾滴是在室温下由毛细管电喷雾产生的雾 滴，溶剂,蒸发，电荷恒定，导致电荷斥力增加，通过喷雾释放子雾滴，,右上角的插图是试验观看到的雾滴喷雾分裂jet fission。,N为雾滴上的电荷数，R为雾滴半径m。t值代表蒸发,缩小雾滴至开头分裂的尺寸时所需时间。,二、气相离子形成的机制,生成气相离子有两种机制：,离子蒸发ion evaporation,带电残渣模型charged residue mode,1.离子蒸发的Iribarne-Thomson方程 Iribarne-Thomson方式基于过渡态理论 从带电雾滴中放射离子的速率常数kI为：,式中，k,B,是Boltzman常数，T是雾滴温度，h是,Plank常数，活化自由能G,由图5的模型估算,IribarneThomson模型图5,过渡态和起始态表示在雾滴外表有过量的N单,电荷正离子，雾滴半径R。溶剂化的离子具溶剂外,壳，离子加溶剂壳的半径为d。在过渡态中，某一,带溶剂壳的离子已移出雾滴达Xm距离。通常，对,水溶液Xm=0.6nm，R=8nm，N=70。,在Iribarne-Thomson过渡态中，能量屏障势垒，barrier 是由于相反的静电力，即雾滴中遗留电荷对逸出离子的斥力和雾滴极化后产生的对逸出离子的吸力。G取决于四个参数，其中主要是N和R雾滴中的电荷数和雾滴半径。这些参数准备了雾滴外表的电场E并产生对逸出离子的斥力，电场的值由 Coulomb方程确定：,由上式预示的速率常数kI随N的增加和R的变小,而增加。其它两个参数代表放射的离子的性质，最,低G的逸出离子不是暴露的电解质离子M+,而是,溶剂化的离子M+Slm。如式1所示暴露的Na+,从水溶液中转移至气相需要较高的能量98kcal/mol，,但转移Na+(H2O)7只需要56kcal/mol表3列出了暴露的,碱金属离子M+和水合的M+H2Om 从气相至溶液的,移迁自由能G0sol。,用于评价Iribarne-Thomson速率常数的数据和试验比较表3,M,+,Li,+,Na,+,K,+,Cs,+,NH,4,+,(CH,3,),4,N,+,(C,2,H,5,),4,N,+,-,G,0,sol,（,M,+,）,122,98.2,80.6,67.5,81,(54),(49),-,G,0,o,m,（,M,+,）,74.4,56.4,36.5,23.5,m,7,7,6,5,6,0,G,0,sol,M,+,(H,2,O),m,61.2,56.5,55.8,54,55.6,(54),(49),-R,Ion,(hydrated)=d,3.82,3.58,3.3,3.29,3.3,（,2,）,G,13.1,9.3,9.7,7.9,9.5,7.9,k,I,10,-5,S,-1,0.02,9.8,4.9,94,6.8,98,k,I,2,10,-4,0.1,0.05,1.0,0.07,1.4,k,1.6,1.6,1.0,1.0,1.3,5,k,I,（,Iribarne,）,3.5,1.25,1.5,1.0,Iribarne-Thomson模型图6,试验测得的相对系数k表4,Mor=morphine,Her=heroine,Coc=cocaine,Tpy=tripyridyl,Bu=n=buty1,Et=ethyl,pr=n-propyl,Pen=n-penyl,C,7,=n-C,7,H,15,，C,11,=n-C,11,H,23,离子,k,离子,kI,Cs,+,1,CocH,+,10,Li,+,1.6,Ni,2+,(T,py,),2,5,Na,+,1.6,Et,4,N,+,2,K,+,1.0,Pr,4,N,+,5,NH,4,+,1.3,Bu,4,N,+,8,MorH,+,3,Pen,4,N,+,14,CodH,+,5,C,7,N