电喷雾离子源中样品离子化能量转移理论的初探
张维冰;高方园;关亚风;张玉奎
【摘 要】电喷雾离子源（electrospray ionization，ESI）不仅可以用于小分子的检测，也能够用于蛋白质、多肽等大分子的研究。本文通过对离子化过程的系统分析，提出了基于能量最低原理的离子化过程能量转移理论。样品分子在由液相转移到气相形成离子化气体的过程中受到静电力、分子间的范德华力等多种力的作用。样品的离子化是多种力共同作用的结果，在不同的离子化阶段，不同形式的力的作用也不尽相同。电荷在样品表面蒸发和多电荷离子的形成之间存在竞争。对不同结构的分子，分子形态、构象改变导致的两相间转移 Gibbs 自由能变化不同，可能导致离子蒸发、大分子形成多电荷离子、产生链弹射等行为。离子化能量转移理论不仅能够对已有的3种理论加以简化统一，也可以说明溶剂、电解质离子等在离子化过程中的作用，为优化不同结构与形态样品的质谱检测、了解离子化的真实过程提供了一种可能的依据。%Electrospray ionization source(ESI)can be used not only for the detection of small molecules,but also for large molecules such as proteins and peptides. This article proposes energy transfer theory based on the lowest energy principle by systematically analyzing ioniza-tion processes. The transference of the analyte from liquid phase to gas phase can be influenced by multiple forces during the ionization and vaporization processes,such as electrostatics force and van der Waals’force. The ionization of samples is the result of the interactions among mul-tiple forces. During different stages of the ionization process,different forces lead to different effects. There are competition between evaporation and formation of multi-charge ions for char-ges. For molecules with different structures,Gibbs free energy between two phases from the changes of molecule shape or conformation may lead to ion evaporation,multiply charged mac-romolecule and chain ejection,etc. The energy transfer theory can simplify the three existing theories,as well as explain the solvent effect and electrolyte ion effect during ionization process. The proposed theory provides foundation to optimize the detection condition for differ-ent samples and to understand the real process of ionization.
美国总统辩论【期刊名称】《谱》
【年(卷),期】2014(000)004
金纳米粒子【总页数】7页(P395-401)
【关键词】电喷雾离子源;电荷转移能;能量最低原理;样品离子化
【作 者】弹性蛋白酶张维冰;高方园;关亚风;张玉奎
【作者单位】华东理工大学，上海 200237; 中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023;华东理工大学，上海 200237;中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023;中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023
【正文语种】中 文
【中图分类】O658
电喷雾离子源(ESI)是目前液相谱-质谱联用最常用的接口，作为一种软电离方式，可直接测定热不稳定的极性化合物、形成多电荷离子，在蛋白质组研究中具有独特的优势。由于可产生带多电荷的分子离子，电喷雾离子源适于研究蛋白质等生物大分子。在生物［1－3］、医疗［4，5］、食品［6－8］、药物［9－11］、环境监测［12，13］等研究领域已得到广泛的应用。
液滴中的电荷来自于不同分子的带电形态，在电喷雾电离中往往形成多电荷离子。关于从带电液滴形成气相离子的过程，目前已有多种理论从不同的角度说明样品的离子化行为。其中有最早由Iribarne和 Thomson［14］提出的离子蒸发机理(ion evaporation model，IEM)，由 Dole 等［15］和 Iavarone等［16］提出的带电残基机理(charged residue model，CRM)以及近几年由 Konermann 等［17，18］提出的一项新理论——链弹射理论(chain ejection model，CEM)。 一般认为小分子物质由液相向气相转移的过程遵循离子蒸发机理。这类分析物在溶液中有机酸的协助下，经质子化过程带电，当加在带电液滴上的电场足够大时，表面电荷的静电斥力大于溶剂对离子的引力，分析物离子离开液滴表面。
带电残基理论适用于大的球状物质，例如天然折叠蛋白。在中性水溶液中，大部分蛋白呈现紧凑的球状，电荷及极性基团在球体外部以达到最大的亲水效果。非极性部分在球体内侧，形成不与溶剂接触的疏水内芯。Konermann等［17］认为，经过连续库仑爆炸，最终形成只含有单个分析物的液滴，当溶剂层蒸发殆尽，液滴的电荷转移到分析物分子进而形成气相离子。经过该机理产生的带电离子的电荷量与同等体积带电液滴在瑞利极限状态下的电荷量相等。
外来妹
变性的蛋白构象高度无序，在电喷雾离子化过程中遵循另一种不同的机理，被称为链弹射理论［17，18］。蛋白变性后，被隔离在内部的非极性基团暴露在溶剂中，分子构型由紧凑亲水变为松散疏水。高度展开的蛋白质疏水的特性使得它不再适宜驻留在液滴内部，迁移至液滴表面，链的末端进入气相。紧接着蛋白质剩余部分按照顺序逐步排出直至与液滴分离。
本文通过对各种分子离子化过程进行分析，基于能量最低原理，提出了离子化能量转移理论，将已有的3种理论加以简化分析，为了解离子化的真实过程，从而选择合适的质谱条件，提高不同样品在质谱中的响应提供了一种可能的参考依据。
1 液滴库仑爆炸过程
一般认为在电喷雾离子源中，样品溶液经过电喷雾离子源离子化的过程包括:(a)在毛细管尖端形成带电液滴;(b)通过连续溶剂蒸发和库仑爆炸，形成极小、高度带电的液滴;(c)气相离子的形成。在毛细管处通上若干千伏的电压，在电场作用下，液体在毛细管管口呈锥形(被称为泰勒锥)［19］。锥尖液体受到库仑斥力作用不稳定，很快破碎成带电液滴;液滴进一步破裂，形成更小的液滴，最终形成气相离子。在整个喷雾与分裂过程中，喷雾室内的环
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境维持稳定，假设周围电导率一致，对应于其中的某一点的热力学性质不变。从热力学角度对液滴库仑爆炸和形成气相离子的过程进行能量分析。
假设泰勒锥产生的液滴半径为R，de la Mora等［20］提出电喷雾产生的液滴半径与液滴密度ρ、流速Vf、溶剂表面张力γ有关，即:
随着液滴溶剂的蒸发，如果没有表面电荷的作用，液滴将进一步变小，直到全部蒸发。实际上，在液滴表面，为达到最低的静电能，电荷均匀分布。对于带电球形液滴，能承受的最大电荷量为瑞利极限时的电荷量(QR)。
式中ε0为真空介电常数。
由于变形或者电荷极化，液滴在实际稳定状态下所带的电荷量Q可能低于瑞利极限，则球形液滴总能量E可表示为:
式(3)的右侧第一项为液滴表面能，第二项为静电能［21］。显然，随着液滴半径的变小，静电能不断增大。液滴变小，导致表面能减小，但同时静电能增大。两条曲线的交点为液滴可能存在的最大半径。小于这一半径，液滴蒸发引起的表面收缩将不能够减少整个液滴
体系的能量，此时液滴将发生库仑爆炸。
液滴发生库仑爆炸的过程与机理经过了一系列的理论和实验研究。
Ryce和Wayman［22］观测到带电水滴在石蜡油中分裂成不对称的两个液滴。而基于核裂变的液滴理论大部分认为液滴库仑爆炸产生均匀的子液滴。
那么经过库仑爆炸，母液滴究竟是分散成若干个均匀的子液滴，还是两个半径不同的子液滴呢?Ryce和Patriarche［21］从能量的角度对库仑爆炸过程进行了详细的探究。假定:爆炸前后无电荷损失;电荷再分配时间极短，可以忽略;周围环境介电常数均一;那么，液滴在两种情况下可能达到不稳定状态:(1)由于电荷极化使液滴变形，导致液滴所带电荷量低于Q时不稳定;(2)液滴充电迅速，电荷量超出Q。对比产生多个均匀的子液滴和两个不对称的子液滴两种情况下库仑爆炸前后的能量变化，根据能量最低原理，当处于高瑞利带电状态时，倾向于产生多个均匀的子液滴;而处于低瑞利带电状态时，更倾向于产生两个不均匀的子液滴(见图1)。
图1 产生2、3、4个均匀液滴和产生两个能量最小、不对称的液滴爆炸前后的能量比Ef/Eisci收录
对y(y=Q2/16πγR3)的关系［21］Fig.1 R elationship of the ratio of final to initial energy(Ef/Ei)as a function of y(y=Q2/16πγR3)when dividing sample droplet into two，three，and four symmetric droplets and into two minimum-energy asymmetric droplet［21］
1994 年，Gomez 和 Tang［23］首次利用闪光影像技术成功拍摄到电喷雾离子源中液滴爆炸的过程，同时利用相位多普勒测速技术(PDA)得到爆炸过程中液滴尺寸的分布。最初发生库仑爆炸时液滴所带电荷数Q0≈10－14C，半径为1.5 mm。母液滴产生库仑爆炸前发生变形，形成一个锥突喷射子液滴。实验结果表明，在发生库仑爆炸时，液滴表面电荷量未达到QR，爆炸后子液滴大小相同，直径约为母液滴的1/10。由于瑞利模型是基于以下假设提出的，即表面电荷可移动，因而导致液滴表面电势能均一［24］。因此，由于电荷极化效应或其他原因导致的母液滴严重变形，可能是发生库仑爆炸时液滴表面电荷量未达到QR的原因［25］。
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