电喷雾电离技术

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1、-55- LC-MS应用技术培训LC-MS应用技术培训专业质谱培训机构 http:/电喷雾 电离技术电喷雾 电离技术 Electro-spray Ionization ESI王光辉王光辉中国科学院 化学研究所 质谱中心中国科学院 化学研究所 质谱中心 (科技部、科学院、教育部共建科技部、科学院、教育部共建)E-Mail: 1讲课内容讲课内容-56- 专业质谱培训机构 http:/ESI 离子源包括两部分：离子源包括两部分：1. 离子化系统离子化系统 (将将溶液中样品溶液中样品转化为转化为气相离子气相离子 雾化、蒸发、脱溶剂、离子化雾化、蒸发、脱溶剂、离子化)2. 离子传输系统离子传输系统 (将

2、将气相离子气相离子由由大气压下大气压下 传送到处于传送到处于高真空的高真空的质量分析器质量分析器)ESI 离子源离子源2专业质谱培训机构 http:/1917年第一张电喷雾照片年第一张电喷雾照片CJ. Zelene, Phys. Rev., 10, 1-6 (1917) 首次介绍电喷雾首次介绍电喷雾 J.B. Fenn et al., Science, 246, 64 (1989) 首次提出首次提出 ESI 3-57- 专业质谱培训机构http:/电喷雾电离电喷雾电离(Electro-spray Ionization ESI)原理：原理：(1)在高压电场作用下，在高压电场作用下， 样品溶液由毛

3、细管中喷出，样品溶液由毛细管中喷出， 形成形成带电带电雾滴雾滴(2)雾滴中溶剂蒸发,雾滴中溶剂蒸发, 雾滴变小，库仑力增大，雾滴变小，库仑力增大， 发生分裂发生分裂(3)过程过程(2)多次重复，多次重复， 带电雾滴的尺寸达到 nm， 液中离子转变为带电雾滴的尺寸达到 nm， 液中离子转变为 气相离子气相离子4专业质谱培训机构 http:/稳定喷雾的条件稳定喷雾的条件 (1) 应有足够强的电场应有足够强的电场 ( 喷雾、电荷分离喷雾、电荷分离 ) (2) 毛细管中溶液应有一定的线速度毛细管中溶液应有一定的线速度 (3) 溶液中要含有一定量的电介质溶液中要含有一定量的电介质 ( 离子离子 )+ +

4、 + + + + + + + + + + - -Taylor cone毛细管，毛细管，半径半径 rC( 50 m)雾滴气相离子锥孔雾滴气相离子锥孔距离距离 (d) ( 2 mm)高压电源高压电源 (VC) ( 3 kV)质量分析器质量分析器电 子电 子5-58- 专业质谱培训机构 http:/电场强度：电场强度：EC= 2 VC/ rCln (4 d /rC)发生喷雾的临界电场强度：发生喷雾的临界电场强度： EC 106V/m 流体表面张力愈大要求流体表面张力愈大要求 EC愈高愈高电场强度电场强度+ + + + + + + + + + + - - -Taylor cone毛细管，半径毛细管，半

5、径 rC( 50 m)雾滴气相离子锥孔距离雾滴气相离子锥孔距离 (d) ( 2 mm)高压电源高压电源 (VC) ( 3 kV)质量分析器质量分析器电 子电 子6专业质谱培训机构 http:/临界电场强度临界电场强度 (发生稳定电喷雾所需电压发生稳定电喷雾所需电压)D.P.H. Smith Von 0.2 (r )1/2ln 4000d/rVon(kV): 发生稳定电喷雾所需电压: 发生稳定电喷雾所需电压 r( m) : 电喷雾针的半径: 电喷雾针的半径 (N/m) : 溶剂的表面张力: 溶剂的表面张力 d(mm) : 电喷雾针和反向电极的距离: 电喷雾针和反向电极的距离甲醇为溶剂: 甲醇为溶

6、剂: = 0.0226 N/m r = 50 m d = 5mm Von = 1.27 kV水为溶剂:水为溶剂:Von = 2.29 kV表面张力表面张力H2O 0.073 N/m CH3OH 0.023 N/m CH3CN 0.030 N/m7-59- 专业质谱培训机构 http:/雾滴雾滴半径半径及及电荷电荷R = 雾滴半径雾滴半径 q = 雾滴电荷雾滴电荷 = 溶剂的表面张力溶剂的表面张力 = 溶剂的介电常数溶剂的介电常数 0 = 真空中介电常数真空中介电常数 K = 溶液的电导率溶液的电导率 E = 毛细管尖端电场强度毛细管尖端电场强度 Vf= 流量 (体积/时间)流量 (体积/时间)

7、雾滴雾滴电荷：电荷：q = 0.58( 0 R3)1/2雾滴雾滴半径：半径：2/7 2/7 VR43f8专业质谱培训机构 http:/临界线速度、电解质临界线速度、电解质发生稳定电喷雾所需线速度发生稳定电喷雾所需线速度临界线速度临界线速度 与溶液的粘度有关与溶液的粘度有关 纯纯 H2O 1000 mm / min H2O : CH3OH = 1 : 1 (v / v) 400 mm / min电解质电解质溶剂中必须有少量的电解质 溶剂溶剂中必须有少量的电解质 溶剂太纯太纯会导致会导致喷雾不稳定喷雾不稳定 例如例如纯化纯化 CH3OH 电导率电导率由由 10-6-1cm-1降到降到 10-7 -

8、1cm-1 喷雾不稳定喷雾不稳定常用电解质常用电解质 乙酸 、甲酸乙酸 、甲酸 1-2 %9-60- 专业质谱培训机构 http:/电场的作用电场的作用在电场作用下发生以下过程在电场作用下发生以下过程1. 喷雾毛细管中喷雾毛细管中发生电荷分离发生电荷分离 (有利形成有利形成带电带电雾滴雾滴) 2. 喷雾喷雾 3. 电化学反应电化学反应 阳离子随雾滴喷出毛细管阳离子随雾滴喷出毛细管 留在毛细管中的阴离子与相连的金属管壁 发生氧化反应：留在毛细管中的阴离子与相连的金属管壁 发生氧化反应： 4OH-(aq) O2+ 2H2O (产生气泡产生气泡)10专业质谱培训机构 http:/雾滴分裂雾滴分裂Ra

9、yleigh Limit (液滴稳定的极限液滴稳定的极限) qRy= 8 (R3)1/2 qRy: 液滴所带电量液滴所带电量 : 真空中介电常数真空中介电常数 : 液滴的表面张力液滴的表面张力 R: 液滴的半径液滴的半径非均匀分裂非均匀分裂+ + + + +Rd 80 nmR 8 nm11-61- 专业质谱培训机构 http:/溶液中离子溶液中离子转变为转变为气相离子气相离子气相离子气相离子形成机理形成机理 (Theory for Ion Formation)(1) 离子蒸发离子蒸发机理机理 (Ion Evaporation) 雾滴半径雾滴半径10 nm 时，离子由溶液蒸发到气相时，离子由溶液

10、蒸发到气相(2) 带电的残渣带电的残渣机理机理 (Charged Residue )12专业质谱培训机构http:/溶剂溶剂： 水、甲醇、乙氰、各种比例混合液 (常用)水、甲醇、乙氰、各种比例混合液 (常用)乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、 二氯甲烷/甲醇混合液乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、 二氯甲烷/甲醇混合液四氢呋喃、丙酮、四氢呋喃、丙酮、DMSO*、DMF* (* 沸点较高,不高于 10 沸点较高,不高于 10 )甲苯(用于富勒烯)甲苯(用于富勒烯)水的纯度水的纯度：电导率 18 电导率 18 M /cm3 (多肽、蛋白质、多肽、蛋白质、PMF分析，不希望有钠、钾加合离子分析，不希望有钠、

11、钾加合离子)缓冲试剂缓冲试剂：(含量含量 0.51%)甲酸、乙酸、乙酸铵、氢氧化铵、甲铵、三乙铵甲酸、乙酸、乙酸铵、氢氧化铵、甲铵、三乙铵 钠盐、钾盐 (10 钠盐、钾盐 (10 15 M ) 15 M ) 溶剂 、 缓冲试剂溶剂 、 缓冲试剂13-62- 专业质谱培训机构 http:/溶液 表面张力 对灵敏度影响溶液 表面张力 对灵敏度影响H2OCH3CNPenicillin G2/7 2/7 VR43f雾滴雾滴半径：半径：液滴稳定的极限液滴稳定的极限 qRy= 8 (R3)1/214专业质谱培训机构 http:/纳升喷雾接口纳升喷雾接口Nano Spray Interface尖嘴石英或玻璃

12、毛细管尖嘴石英或玻璃毛细管 尖嘴处有导电镀层尖嘴处有导电镀层 4 5 cmid 5 50 m od 1 2 mm导电镀层导电镀层V+-导电镀层：导电镀层： 1. 真空镀金真空镀金 2. 沾粘金粉沾粘金粉 3. 铅笔涂抹铅笔涂抹导电层：沾粘金粉导电层：沾粘金粉导电层：真空镀金导电层：真空镀金New Objective Inc15-63- 专业质谱培训机构 http:/纳升喷雾接口纳升喷雾接口Nano Spray Interfacev导电镀层导电镀层溶液扩散到尖端表面溶液扩散到尖端表面 与导电镀层导通与导电镀层导通16专业质谱培训机构 http:/纳升喷雾接口纳升喷雾接口 Nano Spray I

13、nterfaceLC flow lineSheath flow linePEEK ferruleID 180 m Stainless Steel Liner23 mmID 25 m Fused Silica Capillary电路必须与溶液连通电路必须与溶液连通1. 毛细管加金属外套1. 毛细管加金属外套 (样品稀释)(样品稀释) 2. 2. 分段毛细管分段毛细管 (死体积)(死体积)17-64- 专业质谱培训机构 http:/纳升喷雾接口纳升喷雾接口 Nano Spray Interface18专业质谱培训机构 http:/纳升喷雾接口纳升喷雾接口 Nano Spray Interface19-65- 专业质谱培训机构 http:/（1）Angiotensin III(2) Octreotide(3) Elastin Chemotactic毛细管电泳毛细管电泳nano ESI-FTMS 连用连用20专业质谱培训机构 http:/J. A. Loo实验室自制的实验室自制的微-电喷雾源微-电喷雾源21-66- 专业质谱培训机构 http:/样品：来自大肠杆菌的一种蛋白质，经胰蛋白酶消化后的混合多肽