质谱入门指南：电离技术类型

病理医师

质谱分析是一个多步骤的过程，包括以下几个关键阶段：电离、通过质谱分析器进行离子分离、检测、偏转和数据处理。



在整个质谱分析过程中，对不同的电离方法有深入的理解至关重要，因为它们决定了离子的生成方式和可能的碎片化程度，进而影响最终的分析结果。不同的电离技术适用于不同类型的样品和分析目标，选择合适的电离方法对于获取高质量数据至关重要。
质谱中的电离是什么？What is Ionization in Mass Spectrometry?

电离过程是将中性分子转化为带电的离子，这一步骤对于后续分析至关重要。原始样品可以是固态、液态或气态形式。对于那些以固态或液态形式存在的样品，必须首先将其转化为气态，然后才能通过离子源中进行电离。电离涉及分子失去电子，从而形成带正电的阳离子。为了有效进行电离，电离室需在真空环境中操作，以避免或最小化与空气分子的非期望相互作用。在这一过程中，带正电的金属板发挥着关键作用，它协助将样品引导至质谱仪的下一环节。
质谱仪能够以正离子模式或负离子模式运行，选择最合适的模式对于确保数据分析的准确性至关重要。电离方法对于解读质谱图具有决定性的影响，不同的电离技术能够提供关于分子结构和组成的不同信息。因此，选择合适的电离技术是实现精确质谱分析的关键第一步。

理解质谱电离方法Understanding Mass Spectrometry Ionization Methods

电离方法可以分为两大类:硬电离和软电离。


有各种各样的电离技术可供选择，所用技术取决于实验目标和样品特性。要了解电离源如何影响质谱的解释,请阅读质谱中的常见助离子和碎片离子。
硬电离技术

硬电离技术在电离过程中向样品施加过量能量，导致样品断裂。在这个过程中,分子失去一个电子(被电离)并高度激发。当它们松弛时,会发生广泛的断裂,形成许多不同质量小于分子离子质量的正离子。
电子轰击源(Electron Ionization,EI)

EI是最早开发的质谱技术之一。它是一种常用的硬电离方法，其中高能电子与固态或气态的原子或分子发生作用，产生离子。由于它利用高能量生成离子，因此会产生大量的离子碎片，这有助于确定未知化合物的结构。当EI与其他分离技术结合使用时，它能够检测固态、液态和气态中的其他热稳定且易挥发的化合物。电子轰击源具有高电离效率和灵敏度，并且能够提供大量的结构信息。
分析范围：适用于分子量在600 Da以下的有机化合物
检测范围：电子轰击源只能检测正离子
应用范围：电子轰击源在多个领域有广泛的应用，包括但不限于环境分析、考古分析、法医分析以及药物分析。

感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)

ICP是一种硬电离技术，用于在大气压力下测量生物液体中痕量水平的元素。ICP通过感应耦合等离子体（通常是氩等离子体）与感应线圈耦合的能量来电离样品。样品必须是气体或蒸汽形式，然后分解为其元素，这些元素随后被转化为离子。这些离子可以根据其质量被检测和存储。
分析范围：适用于检测液体样品中金属和非金属的痕量水平
检测范围：低浓度的液体样品中的金属和非金属以及同一元素的不同同位素
应用范围：临床实验室中的微量元素分析，以及环境、制药和地球化学分析。

软电离技术

软电离技术在电离样品时施加较少的能量，导致碎片化最小化。在这种情况下，谱图主要包含最丰富的分子离子峰。
大气压化学电离(Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI)

APCI是一种软电离技术，它利用大气压力下的气相离子-分子反应，在溶剂喷雾上产生初级离子。它通常与高效液相色谱（HPLC）联用。APCI产生单电荷的产物，虽然这避免了信号重叠，但由于产生的碎片离子较少，它提供的结构信息有限。
分析范围：分子量小于1500 Da
检测范围：极性和热稳定的非极性化合物
应用范围：药物、农药、各种有机化合物和非极性脂质的分析

大气压光电离(Atmospheric Pressure Photo Ionization，APPI)

APPI是一种软电离技术，通常与液相色谱（LC）联用。它利用光化学作用在气相中电离样品。液相色谱中的溶剂和样品形成气态分析物，然后在大气压力下被电离，与光源发射的光子相互作用。APPI的光源可以是氩灯，但更常用的是氙灯。随后，这些离子被引入质谱仪进行分析。APPI能够同时电离极性和非极性小分子，因此可以在单次分析中检测更多化合物。
分析范围：气相样品
检测范围：弱极性和非极性化合物
应用范围：APPI用于分析缺乏极性官能团的农药、类固醇和药物代谢物。它在安全领域的爆炸物检测中得到了广泛应用。

电喷雾电离(Electrospray Ionization，ESI)

电喷雾电离（ESI）是一种使用电喷雾施加高电压于液体以产生气溶胶的软电离方法，生成多电荷离子。使用ESI，你可以选择正离子模式或负离子模式。在ESI中，高分子量分子倾向于携带多个电荷，电荷状态的分布准确量化了分子量，从而得到精确的分子质量和结构信息。实验参数和溶剂的选择必须谨慎。
电喷雾电离过程包括三个阶段：

• 液滴形成：样品溶液从毛细管喷出，在高电压电场中形成带电液滴。
  
• 去溶剂化：液滴进入喷雾室，被加热干燥气体的逆流蒸发，液滴直径变小，表面电荷密度增加。当电荷之间的排斥力足以抵消液滴的表面张力时，液滴将分裂成更小的带电液滴。
  
• 气相离子形成：在这里，带电液滴的尺寸减小，离子转变为气相离子。
  

将ESI与串联质谱（ESI-MS/MS）联用有助于克服从简单的ESI质谱图中获取极少结构信息的障碍。ESI也可以与高效液相色谱（HPLC）联用，用于分析小分子和大分子。与其他质谱技术相比，ESI具有提高的灵敏度和准确性，允许在蛋白质领域有更广泛的应用。
分析范围：各种极性的小分子和大分子以及更复杂的生物样品
检测范围：大型非挥发性分子、无机物质、有机金属离子复合物和生物大分子的分析
应用范围：肽、蛋白质和核苷酸的分析。

化学电离(Chemical Ionization,CI)

CI是一种软电离技术,它通过气相中的离子-分子反应使用试剂气体来电离样品分子。待分析的样品必须是蒸汽形式或在引入离子源之前被蒸发。第一步是试剂气体经历电子电离，生成分子离子。然后，这个分子离子在与其他试剂气体分子和离子反应时会断裂，形成分析物离子。选择最合适的试剂离子非常重要，因为它可以增加CI的选择性和响应时间。
由于离子几乎没有多余的能量，发生的碎片化很少，因此获得的结构信息也很少。由于形成的碎片很少，产物通常是分析物的离子，这使得能够得到分析物的确切分子量。
分析范围：适用于复杂生物样品中各种极性的小分子和大分子
检测范围：在电子电离（EI）条件下通常会大量碎裂的分子
应用范围：有机化合物的识别、结构阐明和定量,以及一些生化分析的应用

基质辅助激光解吸/电离(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization,MALDI)

MALDI是一种质谱软电离技术，MALDI使用激光能量吸收基质以最小碎片化的方式从大分子中产生离子。在质谱分析之前，样品与基质混合并进行电离处理。
MALDI方法由3个步骤组成:

• 将大量合适的基质材料与样品混合并涂布在金属板上。基质必须与样品共存，并确保样品分子之间的相互作用最小化。选择基质是MALDI分析中最关键的步骤。理想的基质应具有在所用激光波长下的强电子吸收能力、较低的蒸气压、在真空中更好的稳定性，并且能与固体分析物混合。基质通常是固态有机物质，但它们可能产生背景峰，这些峰可能干扰样品化合物的特征。已被证明能减少背景干扰的化合物包括无机物质、多孔硅和抑制表面活性剂的基质。
  
• 脉冲激光（通常是氮激光）对样品/基质材料混合物施加高强度能量，使其能够从金属板上解吸并最小化碎片化。基质吸收紫外光并将其转化为热能。分析物/基质的一小部分将迅速加热并蒸发。基质吸收紫外光以保护分析物不受损害，并将能量传递给样品以蒸发和电离样品。
  
• 分析物分子通过质子化或去质子化，形成离子，然后可以通过质谱仪进行分析。这种质子转移是一种更温和、破坏性更小的技术。
  

它产生单一的质谱图，有助于分析多组分样品。它可以与傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR-MS）联用，进一步提高分辨率。通常，MALDI与飞行时间质谱仪（TOF-MS）联用，其中离子在通过仪器长度时根据其各自的质量和电荷分离。一旦到达质谱仪的末端，它们就可以被检测到，并收集数据。
分析范围：极性、非挥发性和热不稳定样品
检测范围：分析生物分子(DNA、蛋白质、肽、碳水化合物)和有机分子,这些分子往往更脆弱，更可能在其他电离方法电离时发生碎片化
应用范围：病理学中的一种分析工具,用于识别和定量蛋白质、肽、药物和代谢产物
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