張維冰， 高方園， 關(guān)亞風(fēng)， 張玉奎

(1.華東理工大學(xué)，上海200237;2.中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧大連116023)

電噴霧離子源(ESI)是目前液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用最常用的接口，作為一種軟電離方式，可直接測(cè)定熱不穩(wěn)定的極性化合物、形成多電荷離子，在蛋白質(zhì)組研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于可產(chǎn)生帶多電荷的分子離子，電噴霧離子源適于研究蛋白質(zhì)等生物大分子。在生物［1－3］、醫(yī)療［4，5］、食品［6－8］、藥物［9－11］、環(huán)境監(jiān)測(cè)［12，13］等研究領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

液滴中的電荷來(lái)自于不同分子的帶電形態(tài)，在電噴霧電離中往往形成多電荷離子。關(guān)于從帶電液滴形成氣相離子的過(guò)程，目前已有多種理論從不同的角度說(shuō)明樣品的離子化行為。其中有最早由Iribarne和 Thomson［14］提出的離子蒸發(fā)機(jī)理(ion evaporation model，IEM)，由 Dole 等［15］和 Iavarone等［16］提出的帶電殘基機(jī)理(charged residue model，CRM)以及近幾年由 Konermann 等［17，18］提出的一項(xiàng)新理論——鏈彈射理論(chain ejection model，CEM)。

一般認(rèn)為小分子物質(zhì)由液相向氣相轉(zhuǎn)移的過(guò)程遵循離子蒸發(fā)機(jī)理。這類分析物在溶液中有機(jī)酸的協(xié)助下，經(jīng)質(zhì)子化過(guò)程帶電，當(dāng)加在帶電液滴上的電場(chǎng)足夠大時(shí)，表面電荷的靜電斥力大于溶劑對(duì)離子的引力，分析物離子離開液滴表面。

帶電殘基理論適用于大的球狀物質(zhì)，例如天然折疊蛋白。在中性水溶液中，大部分蛋白呈現(xiàn)緊湊的球狀，電荷及極性基團(tuán)在球體外部以達(dá)到最大的親水效果。非極性部分在球體內(nèi)側(cè)，形成不與溶劑接觸的疏水內(nèi)芯。Konermann等［17］認(rèn)為，經(jīng)過(guò)連續(xù)庫(kù)侖爆炸，最終形成只含有單個(gè)分析物的液滴，當(dāng)溶劑層蒸發(fā)殆盡，液滴的電荷轉(zhuǎn)移到分析物分子進(jìn)而形成氣相離子。經(jīng)過(guò)該機(jī)理產(chǎn)生的帶電離子的電荷量與同等體積帶電液滴在瑞利極限狀態(tài)下的電荷量相等。

變性的蛋白構(gòu)象高度無(wú)序，在電噴霧離子化過(guò)程中遵循另一種不同的機(jī)理，被稱為鏈彈射理論［17，18］。蛋白變性后，被隔離在內(nèi)部的非極性基團(tuán)暴露在溶劑中，分子構(gòu)型由緊湊親水變?yōu)樗缮⑹杷８叨日归_的蛋白質(zhì)疏水的特性使得它不再適宜駐留在液滴內(nèi)部，遷移至液滴表面，鏈的末端進(jìn)入氣相。緊接著蛋白質(zhì)剩余部分按照順序逐步排出直至與液滴分離。

本文通過(guò)對(duì)各種分子離子化過(guò)程進(jìn)行分析，基于能量最低原理，提出了離子化能量轉(zhuǎn)移理論，將已有的3種理論加以簡(jiǎn)化分析，為了解離子化的真實(shí)過(guò)程，從而選擇合適的質(zhì)譜條件，提高不同樣品在質(zhì)譜中的響應(yīng)提供了一種可能的參考依據(jù)。

1 液滴庫(kù)侖爆炸過(guò)程

一般認(rèn)為在電噴霧離子源中，樣品溶液經(jīng)過(guò)電噴霧離子源離子化的過(guò)程包括:(a)在毛細(xì)管尖端形成帶電液滴;(b)通過(guò)連續(xù)溶劑蒸發(fā)和庫(kù)侖爆炸，形成極小、高度帶電的液滴;(c)氣相離子的形成。在毛細(xì)管處通上若干千伏的電壓，在電場(chǎng)作用下，液體在毛細(xì)管管口呈錐形(被稱為泰勒錐)［19］。錐尖液體受到庫(kù)侖斥力作用不穩(wěn)定，很快破碎成帶電液滴;液滴進(jìn)一步破裂，形成更小的液滴，最終形成氣相離子。在整個(gè)噴霧與分裂過(guò)程中，噴霧室內(nèi)的環(huán)境維持穩(wěn)定，假設(shè)周圍電導(dǎo)率一致，對(duì)應(yīng)于其中的某一點(diǎn)的熱力學(xué)性質(zhì)不變。從熱力學(xué)角度對(duì)液滴庫(kù)侖爆炸和形成氣相離子的過(guò)程進(jìn)行能量分析。

假設(shè)泰勒錐產(chǎn)生的液滴半徑為R，de la Mora等［20］提出電噴霧產(chǎn)生的液滴半徑與液滴密度ρ、流速Vf、溶劑表面張力γ有關(guān)，即:

隨著液滴溶劑的蒸發(fā)，如果沒(méi)有表面電荷的作用，液滴將進(jìn)一步變小，直到全部蒸發(fā)。實(shí)際上，在液滴表面，為達(dá)到最低的靜電能，電荷均勻分布。對(duì)于帶電球形液滴，能承受的最大電荷量為瑞利極限時(shí)的電荷量(QR)。

式中ε0為真空介電常數(shù)。

由于變形或者電荷極化，液滴在實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)下所帶的電荷量Q可能低于瑞利極限，則球形液滴總能量E可表示為:

式(3)的右側(cè)第一項(xiàng)為液滴表面能，第二項(xiàng)為靜電能［21］。顯然，隨著液滴半徑的變小，靜電能不斷增大。液滴變小，導(dǎo)致表面能減小，但同時(shí)靜電能增大。兩條曲線的交點(diǎn)為液滴可能存在的最大半徑。小于這一半徑，液滴蒸發(fā)引起的表面收縮將不能夠減少整個(gè)液滴體系的能量，此時(shí)液滴將發(fā)生庫(kù)侖爆炸。

液滴發(fā)生庫(kù)侖爆炸的過(guò)程與機(jī)理經(jīng)過(guò)了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

Ryce和Wayman［22］觀測(cè)到帶電水滴在石蠟油中分裂成不對(duì)稱的兩個(gè)液滴。而基于核裂變的液滴理論大部分認(rèn)為液滴庫(kù)侖爆炸產(chǎn)生均勻的子液滴。

那么經(jīng)過(guò)庫(kù)侖爆炸，母液滴究竟是分散成若干個(gè)均勻的子液滴，還是兩個(gè)半徑不同的子液滴呢?Ryce和Patriarche［21］從能量的角度對(duì)庫(kù)侖爆炸過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的探究。假定:爆炸前后無(wú)電荷損失;電荷再分配時(shí)間極短，可以忽略;周圍環(huán)境介電常數(shù)均一;那么，液滴在兩種情況下可能達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài):(1)由于電荷極化使液滴變形，導(dǎo)致液滴所帶電荷量低于Q時(shí)不穩(wěn)定;(2)液滴充電迅速，電荷量超出Q。對(duì)比產(chǎn)生多個(gè)均勻的子液滴和兩個(gè)不對(duì)稱的子液滴兩種情況下庫(kù)侖爆炸前后的能量變化，根據(jù)能量最低原理，當(dāng)處于高瑞利帶電狀態(tài)時(shí)，傾向于產(chǎn)生多個(gè)均勻的子液滴;而處于低瑞利帶電狀態(tài)時(shí)，更傾向于產(chǎn)生兩個(gè)不均勻的子液滴(見(jiàn)圖1)。

圖1 產(chǎn)生2、3、4個(gè)均勻液滴和產(chǎn)生兩個(gè)能量最小、不對(duì)稱的液滴爆炸前后的能量比Ef/Ei對(duì)y(y=Q2/16πγR3)的關(guān)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］首次利用閃光影像技術(shù)成功拍攝到電噴霧離子源中液滴爆炸的過(guò)程，同時(shí)利用相位多普勒測(cè)速技術(shù)(PDA)得到爆炸過(guò)程中液滴尺寸的分布。最初發(fā)生庫(kù)侖爆炸時(shí)液滴所帶電荷數(shù)Q0≈10－14C，半徑為1.5 mm。母液滴產(chǎn)生庫(kù)侖爆炸前發(fā)生變形，形成一個(gè)錐突噴射子液滴。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)生庫(kù)侖爆炸時(shí)，液滴表面電荷量未達(dá)到QR，爆炸后子液滴大小相同，直徑約為母液滴的1/10。由于瑞利模型是基于以下假設(shè)提出的，即表面電荷可移動(dòng)，因而導(dǎo)致液滴表面電勢(shì)能均一［24］。因此，由于電荷極化效應(yīng)或其他原因?qū)е碌哪敢旱螄?yán)重變形，可能是發(fā)生庫(kù)侖爆炸時(shí)液滴表面電荷量未達(dá)到QR的原因［25］。

圖2 帶電液滴庫(kù)侖爆炸過(guò)程示意圖［26］Fig.2 Schematic of Coulomb fission of charged droplets［26］The number beside the droplets give radius R(μm)and number of elementary charges N on droplets，Δt corresponds to the time required for fission occurs［23］.

此外，Taflin等［25］的研究結(jié)果顯示實(shí)際液滴爆炸過(guò)程伴隨質(zhì)量損失(1.0%～2.3%)和電荷損失(10%～18%)。隨著庫(kù)侖爆炸的進(jìn)行，液滴越來(lái)越小，溶劑蒸發(fā)速率越來(lái)越快，爆炸過(guò)程越來(lái)越短，導(dǎo)致多普勒測(cè)速儀難以拍攝到更小液滴的形成過(guò)程。另外，由于缺乏同步光源，無(wú)法觀測(cè)到瞬時(shí)現(xiàn)象，因此更小液滴的爆炸過(guò)程無(wú)法確定是對(duì)稱爆炸(由一個(gè)液滴爆炸為兩個(gè)相等大小的子液滴)，還是像圖2所示的那樣始終發(fā)生非對(duì)稱爆炸。但無(wú)論是對(duì)稱爆炸，還是由于電場(chǎng)作用造成液滴的扭曲產(chǎn)生不對(duì)稱爆炸，其過(guò)程皆是多種力競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。當(dāng)液滴較大時(shí)，扭曲可能非常明顯，通過(guò)扭曲來(lái)降低整個(gè)液滴的能量;但是當(dāng)液滴足夠小時(shí)，表面的曲率半徑已經(jīng)很小，甚至為微尺度，扭曲過(guò)程中在增加局域電荷密度的同時(shí)，表面積也會(huì)相對(duì)增加，因此更大的可能為產(chǎn)生對(duì)稱爆炸。使用更高分辨的拍攝技術(shù)，借鑒Vertes等［27］使用染料溶液的熒光發(fā)射光作光源，也許可以得到納米級(jí)微液滴的爆炸行為，證實(shí)所提出的理論。

根據(jù)現(xiàn)有結(jié)論，在各種分析物形成氣相離子的過(guò)程中，均伴隨小分子離子或溶質(zhì)離子等蒸發(fā)的過(guò)程。除此之外，大分子氣相離子的形成過(guò)程中還存在電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。把不同種類分析物及不同流動(dòng)相組成情況下的霧滴爆炸及離子化行為看作不同能量競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，分析不同電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的能量變化和轉(zhuǎn)移。通過(guò)研究不同離子的蒸發(fā)能、相同或不同離子間的電荷交換能量的變化，以及高能氣體分子的碰撞及能量轉(zhuǎn)移對(duì)液滴的爆炸及離子蒸發(fā)產(chǎn)生的影響，探討不同電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的能量變化和轉(zhuǎn)移特征。為簡(jiǎn)化模型，現(xiàn)做出如下基本假設(shè):

(1)在整個(gè)噴霧與分裂過(guò)程中，噴霧室內(nèi)的環(huán)境維持穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)于其中的某一點(diǎn)的熱力學(xué)性質(zhì)不變。

(2)帶電粒子或者溶質(zhì)的濃度很小，在液滴不是很小的情況下，不會(huì)影響到溶劑的蒸發(fā)過(guò)程。

2 小分子蒸發(fā)的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程

母液滴經(jīng)過(guò)一系列的庫(kù)侖爆炸逐漸生成極小的液滴。液滴中的帶電小分子離子主要受到(1)溶劑極性相當(dāng)于電荷把離子拉回液滴和(2)液滴表面電荷形成的電場(chǎng)對(duì)帶電離子的庫(kù)侖斥力將離子推離液滴兩種作用力。在短距離內(nèi)引力大，隨著距離的增加，引力比斥力遞減的快。Iribarne等［14］提出離子蒸發(fā)的過(guò)程可以用過(guò)渡態(tài)理論來(lái)表示:

式中:－ΔG*為自由活化能壘的高度，kB為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，T為溫度。

現(xiàn)以Na+、K+、NH+4等帶單電荷的離子為例，從能量的角度對(duì)小分子離子蒸發(fā)的過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1 小分子離子蒸發(fā)的開始

假設(shè)庫(kù)侖爆炸階段液滴產(chǎn)生n個(gè)子液滴(n=R3/r3，其中R為母液滴的半徑，r為子液滴的半徑，n=2，3，……)。庫(kù)侖爆炸前系統(tǒng)能量E見(jiàn)式(3)，爆炸后系統(tǒng)最終能量 E'見(jiàn)式(5)［21］。

由于離子蒸發(fā)產(chǎn)生的氣相離子極小，不具有宏觀狀態(tài)下的表面勢(shì)能及靜電能，離子蒸發(fā)基本不影響液滴體積，因此發(fā)生離子蒸發(fā)后系統(tǒng)的最終能量EIEM為:

式中e表示元電荷。

一般認(rèn)為當(dāng)液滴尺寸小于20 nm［14］時(shí)，小分子離子開始蒸發(fā)成為氣相離子。從能量最低的角度考慮，如圖3a所示過(guò)程，當(dāng)液滴較大時(shí)，應(yīng)存在E'＜EIEM，此時(shí)帶電液滴發(fā)生庫(kù)侖爆炸生成子液滴;隨著液滴半徑的減小，兩種情況的能量差值減小;直至R≤20 nm時(shí)，EIEM≤E'，開始發(fā)生離子蒸發(fā)。

2.2 小分子離子蒸發(fā)的過(guò)程

離子蒸發(fā)的過(guò)程是離子蒸發(fā)能與靜電能競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。離子蒸發(fā)能G包括兩部分［28］:與液滴表面電勢(shì)有關(guān)的ΔG(φ)和溶劑化自由能－Δ，即:

式中 ΔG(φ)是關(guān)于液滴表面電勢(shì) φ 的函數(shù)［14］，ΔG(φ)≌Ne2/R。根據(jù)庫(kù)侖定律:

其中:R為液滴半徑，N為液滴表面元電荷個(gè)數(shù)。

假設(shè)液滴半徑為R，對(duì)于即將離開液滴表面的小分子離子，比如 Li+、Na+、K+等，首先是表面電荷中的一員。若不發(fā)生離子蒸發(fā)，隨著溶劑的蒸發(fā)，液滴表面的電荷密度增加，離子受到的靜電能增大。此時(shí)液滴表面電荷量不變，半徑變小為r，蒸發(fā)前后靜電能差為:

如圖3b過(guò)程所示，隨著溶劑蒸發(fā)，液滴逐漸變小，靜電能差逐漸增大。當(dāng)離子蒸發(fā)能大于靜電能差，即G＞ΔW，根據(jù)能量最低原理，此時(shí)發(fā)生溶劑蒸發(fā);隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，液滴半徑減小，ΔW 逐漸增大，當(dāng)液滴半徑減小到某一值時(shí)，將出現(xiàn)ΔW ＞G，此時(shí)離子將從液滴表面蒸發(fā)。這是離子蒸發(fā)理論描述的過(guò)程。

圖3 離子蒸發(fā)機(jī)理示意圖Fig.3 Schematic of energy transfer during ion evaporation processa.When R≤20 nm，the ion begins to evaporate.b.When ΔW＞G，the ion prefers to evaporate.

3 多電荷離子的形成

Konermann 等［17，18］從分子動(dòng)力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)角度均驗(yàn)證了CRM和CEM兩種機(jī)理(見(jiàn)圖4)。選用肌紅蛋白為樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)?shù)鞍孜醋冃?，結(jié)構(gòu)緊湊，離子化過(guò)程遵循CRM 理論;而當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在酸性條件下變性后，結(jié)構(gòu)展開，離子化過(guò)程遵循CEM理論。

現(xiàn)從能量的角度，以未變性的蛋白大分子為例，對(duì)球狀大分子的離子化過(guò)程進(jìn)行分析。對(duì)于未變性的蛋白質(zhì)，電荷暴露在外層形成親水外殼，非極性基團(tuán)埋在內(nèi)部，形成疏水內(nèi)核［17］。由于分子外層呈現(xiàn)親水性，溶劑完全蒸干前分析物分子都包覆于液滴內(nèi)部。帶電液滴首先發(fā)生庫(kù)侖爆炸，直至液滴內(nèi)只含有一個(gè)生物大分子。

圖4 不同大分子在ESI中離子化機(jī)理示意圖［17］Fig.4 Illustration of ionization mechanisms in ESI for different macromolecules［17］a and b.ESI mass spectra of myoglobin recorded at pH 7 and pH 2，respectively.c and d.the formation of a gas phase macromolecule via CRM and CEM，respectively.

3.1 大分子離子形成過(guò)程中的離子蒸發(fā)

考慮到蛋白質(zhì)的半徑普遍小于20 nm［29］，因此在大分子離子化過(guò)程中很有可能伴隨表面電解質(zhì)離子的離子蒸發(fā)過(guò)程。如圖5a過(guò)程所示，即當(dāng)溶劑蒸發(fā)至蒸發(fā)前后靜電能差大于離子蒸發(fā)能(ΔW＞G)時(shí)，小分子離子離開液滴進(jìn)入氣相。此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直至分子表面僅存極薄的溶劑包裹，此時(shí)表面離子與分析物分子距離極小。

3.2 多電荷離子的形成

實(shí)驗(yàn)［16］證明，在形成氣相分析物離子的最終階段，液滴表面的電荷可轉(zhuǎn)移至分析物分子上，形成多電荷離子。因此認(rèn)為，在此階段表面離子不僅存在靜電能差ΔW和離子蒸發(fā)自由能G，還存在電荷轉(zhuǎn)移能Qtrans，3種能量共同影響離子的行為。所提出的電荷轉(zhuǎn)移能Qtrans指電荷由小分子離子轉(zhuǎn)移至液滴內(nèi)大分子上所需的能量，在電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生前，由于高斯定理，位于液滴內(nèi)部的分子呈現(xiàn)電中性。

通過(guò)比較3種能量，根據(jù)能量最低原理，即可得知電荷的去向。如果G ＜ΔW，G＜Qtrans，則表面離子蒸發(fā)進(jìn)入氣相;若ΔW ＜G，ΔW ＜Qtrans，則液滴溶劑繼續(xù)蒸發(fā);如果Qtrans＜G，并且Qtrans＜ΔW，根據(jù)能量最低原理，表面離子的電荷將轉(zhuǎn)移至分析物分子，形成多電荷離子。這就是帶電殘基理論描述的過(guò)程(見(jiàn)圖5b)。

de la Mora［29］證明通過(guò)帶電殘基理論形成的多電荷離子，所帶電荷量與相同體積下帶電液滴瑞利極限時(shí)的電荷量相等。因此可認(rèn)為，當(dāng)表面電荷與分析物分子之間距離相對(duì)較大時(shí)，Qtrans與ΔW 和G有數(shù)量級(jí)之差，因此不會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移;而在僅剩極薄溶劑包裹分析物分子時(shí)，表面電荷與分析物表面之間的距離很小，此時(shí)普遍存在Qtrans＜ΔW 和Qtrans＜G，表面離子不再蒸發(fā)，電荷完全轉(zhuǎn)移至分析物分子。分析物與表面電荷之間的距離可以極大地影響電荷轉(zhuǎn)移能。

圖5 球狀生物大分子離子化過(guò)程中多電荷離子的形成機(jī)理Fig.5 Formation of multi-charged globular macromolecule during ionization processa.When ΔW ＞G，ion on the surface evaporates.b.When ΔW ＜G and ΔW ＜Qtrans，solvent evaporates;when Qtrans＜G and Qtrans＜ΔW，charges transfer to analyte forming multiple charged ion.

4 鏈狀大分子的鏈彈射行為

對(duì)于大分子鏈狀結(jié)構(gòu)分析物，其支鏈可分為帶電和不帶電兩種。帶電荷的部分可看作離子，不帶電的部分類似折疊狀態(tài)的生物大分子。對(duì)鏈狀大分子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，Konermann等［17］提出了如下分子模型“+000+0000+000x0+00000+0000+”(+表示帶正電荷的側(cè)鏈，0表示不帶電荷，x表示若干個(gè)不帶電的支鏈)，現(xiàn)在采用該模型來(lái)描述我們的能量轉(zhuǎn)移理論。由于化合物帶有非極性基團(tuán)，具有疏水特性，因此分析物首先向液滴表面移動(dòng)。

4.1 鏈端的翹起

由于鏈端帶電，這部分的熱力學(xué)研究可按照離子蒸發(fā)理論處理。在離子化過(guò)程中，首先鏈端的離子進(jìn)入表面，成為表面電荷的一部分;隨著溶劑的蒸發(fā)，靜電能增大，當(dāng)靜電能差ΔW ＞離子蒸發(fā)能G時(shí)，離子將從液滴表面蒸發(fā)，端基自液滴表面翹起(如圖6a所示)。

4.2 長(zhǎng)鏈連續(xù)排出液滴的過(guò)程

隨后支鏈接近表面電荷，若該支鏈不帶電，則其受到3種能量的共同作用:電荷轉(zhuǎn)移能Qtrans、離子蒸發(fā)能G和靜電能ΔW。當(dāng)Qtrans＜ΔW 和Qtrans＜G時(shí)，表面電荷將轉(zhuǎn)移至支鏈上，使支鏈帶電，溶劑繼續(xù)蒸發(fā)。當(dāng)該段支鏈的離子蒸發(fā)能G＜ΔW和G＜Qtrans時(shí)，支鏈從液滴表面蒸發(fā)，離開液滴。如果該段支鏈的Qtrans＞ΔW 和Qtrans＞G時(shí)，無(wú)法發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，該支鏈位于液滴表面，占據(jù)了液滴表面一定的面積;又由于該鏈不帶電，因此該支鏈所占據(jù)的表面無(wú)電荷，液滴表面原有的電荷均勻分布于未被覆蓋的液滴表面;與帶等量電荷的液滴相比，其電荷密度稍大。假設(shè)液滴表面電荷量為Q，半徑為R，液滴表面積為4πR2，該支鏈占據(jù)的表面積為 Schain。則表面被疏水鏈占據(jù)前后液滴表面的電勢(shì)為E1=靜電能為由此明顯看出 W＞2W1。為了追求系統(tǒng)的能量最低，表面電荷傾向于將不帶電的支鏈排出液滴表面(如圖6b所示)。

而如果支鏈帶電，類似過(guò)程如圖6a。當(dāng)帶電支鏈靜電能差ΔW＞離子蒸發(fā)能G時(shí)，從液滴表面蒸發(fā);不帶電支鏈或發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移后靜電能大于離子蒸發(fā)能，支鏈從液滴表面蒸發(fā)，或受到表面電荷的作用，被排斥離開液滴。長(zhǎng)鏈離子逐步離開液滴，直至整個(gè)鏈狀分子離子進(jìn)入氣相(如圖6c所示)。

圖6 鏈狀大分子離子化過(guò)程機(jī)理示意圖Fig.6 Schematic of the ionization process of a chainlike macromoleculea.The end part:when ΔW ＞ G，side chain evaporates.b.The side chain in the middle part:if the branched chain is charged，the ionization process happened as in Fig.6a.For uncharged side chain:when Qtrans＜ΔW and Qtrans＜G，the charges transfer to the side chain，then the ionization happens as in Fig.6a;when Qtrans＞ΔW and Qtrans＞G，the side chain is excluded by charges from the droplet.c.The analyte is gradually excluded out of the droplets after a series of steps a and b in Fig.6.

5 溶劑、電解質(zhì)離子的綜合作用

根據(jù)文獻(xiàn)描述，除儀器本身的影響外，樣品本身的性質(zhì)可以影響電荷轉(zhuǎn)移能:分子構(gòu)型能夠顯著影響表面電荷的分布，松散的結(jié)構(gòu)往往具有更高的帶電狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)緊湊的物質(zhì)帶電較少。Ahadi和Konermann［17］比較了 pH=2和 pH=7時(shí)肌紅蛋白在ESI-MS中的信號(hào)強(qiáng)度。X-射線結(jié)果表明，pH=7時(shí)分子結(jié)構(gòu)緊湊，疏水基團(tuán)包裹在內(nèi)部，電荷位于外層;而pH=2時(shí)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，整體呈現(xiàn)疏水性。ESI-MS結(jié)果顯示:pH=7時(shí)信號(hào)極低，而pH=2時(shí)信號(hào)強(qiáng)度有了顯著增強(qiáng)(增大一個(gè)數(shù)量級(jí))。另外，分析物的大小同樣能影響表面電荷的轉(zhuǎn)移。不只是蛋白質(zhì)、多肽等生物大分子，實(shí)驗(yàn)證明，能產(chǎn)生通過(guò)帶電殘基理論形成多電荷離子的有機(jī)物最小的相對(duì)分子質(zhì)量為100。此外，溶劑和電解質(zhì)同樣可以影響電荷轉(zhuǎn)移能。

溶劑的pH、表面張力等性質(zhì)在決定多肽、蛋白質(zhì)等生物分子的帶電狀態(tài)中起到了至關(guān)重要的作用。Le Blanc等［30］證明pH可影響電噴霧中多肽的帶電情況。Chalt等［31］也證實(shí)不同pH下蛋白質(zhì)帶電狀態(tài)不同，不同負(fù)離子條件下蛋白質(zhì)和多肽帶電情況也不相同。另外，具有較高表面張力的液滴能夠容納更多的電荷;表面電荷密度越大，轉(zhuǎn)移給分析物的電荷就越多［21］。實(shí)驗(yàn)證明，在加入某些特定的改性溶劑，比如甘油、3-硝基苯甲醇后，蛋白質(zhì)和多肽能夠取得較高的帶電狀態(tài)，帶電量的增加可能是由于液滴表面張力的增加而引起的。

Konermann等［32］提出使用不同的電解質(zhì)會(huì)造成質(zhì)譜信噪比的差異。當(dāng)除H+外，還存在Na+等金屬離子為電荷載體時(shí)，CRM產(chǎn)物為［M+(ZR－i)H+iNa］ZR+(i=0，1，…，ZR;ZR為電荷數(shù))，M為蛋白質(zhì)分子，H表示因質(zhì)子化所帶電荷。由于Na+與蛋白質(zhì)結(jié)合度不均勻，從而降低了分析物的信噪比。而采用作為電荷載體時(shí)，由于最后階段可變?yōu)镹H3揮發(fā)，因此不會(huì)影響信噪比;而且甚至可以替換結(jié)合的金屬離子，從而提高信號(hào)響應(yīng)。

6 結(jié)論

電噴霧離子源質(zhì)譜是生物分子常用的分析方法，特別適合于分析生物大分子。有關(guān)離子化過(guò)程，目前得到普遍認(rèn)可的有3種機(jī)理。電荷轉(zhuǎn)移能的提出將3種機(jī)理結(jié)合，不僅能夠解釋多電荷的形成、溶劑效應(yīng)等問(wèn)題，對(duì)于明確電噴霧離子化機(jī)理、提高分析物離子化效率、增強(qiáng)響應(yīng)值均有重大意義。

［1］ Eberlin L S，F(xiàn)erreira C R，Dill A L，et al.Biochim Biophys Acta，2011，1811(11):946

［2］ Yew J Y，Cody R B，Kravitz E A.Proc Natl Acad Sci USA，2008，105(20):7135

［3］ Chen L C，Nishidate K，Saito Y，et al.Rapid Commun Mass Spectrom，2008，22(15):2366

［4］ Cooks R G，Manicke N E，Dill A L，et al.Faraday Discuss，2011，149:247

［5］ Girod M，Shi Y，Cheng J X，et al.Anal Chem，2011，83(1):207

［6］ Zhang L Y，Wang Z C，Zhang W B.Chinese Journal of Chromatography(張凌怡，王智聰，張維冰.色譜)，2013，31(2):122

［7］ Zhang Z，Ren F，Zhang P.Chinese Journal of Chromatography(張忠，任飛，張盼.色譜)，2012，30(11):1108

［8］ Cao P，Mou Y，Gao F，et al.Chinese Journal of Chromatography(曹鵬，牟妍，高飛，等.色譜)，2013，31(9):862

［9］ Lanekoff I，Thomas M，Carson J P，et al.Anal Chem，2013，85(2):882

［10］ Zhou Z，Zhang J，Zhang W，et al.Analyst，2011，136:2613

［11］ Chen Y，Zhu J，Yu Z S，et al.Chinese Journal of Chromatography(陳躍，朱軍，于忠山，等.色譜)，2012，30(11):1148

［12］ Gu H，Xu N，Chen H.Anal Bioanal Chem，2012，403(8):2145

［13］ Zhang X，Wang N，Zhou Y，et al.Anal Methods，2013，5(2):311

［14］ Iribarne J V，Thomson B A.J Chem Phys，1976，64(6):2287

［15］ Dole M，Mack L L，Hines R L，et al.J Chem Phys，1968，49(5):2240

［16］ Iavarone A T，Williams E R.J Am Chem Soc，2003，125(8):2319

［17］ Ahadi E，Konermann L.J Phys Chem B，2011，116(1):104

［18］ Konermann L，Rodriguez A D，Liu J.Anal Chem，2012，84(15):6798

［19］ Taylor G.Proc R Sot Lond A，1964，280(1382):383

［20］ de la Mora J F，Navascues J，F(xiàn)ernandez F，et al.J Aerosol Sci，1990，21(1):S673

［21］ Ryce S A，Patriarche D A.Can J Phys，1965，43(12):2193

［22］ Ryce S A，Wyman R R.Can J Phys，1964，42(11):2185

［23］ Gomez A，Tang K.Phys Fluids，1994，6(1):404

［24］ Chung J K，Consta S.J Phys Chem B，2012，116(19):5777

［25］ Taflin D C，Ward T L，Davis E J.Langmuir，1989，5(2):376

［26］ Kebarle P，Tang L.Anal Chem，1993，65(22):972

［27］ Nemes P，Marginean I，Vertes A.Anal Chem，2007，79(8):3105

［28］ Kebarle P.J Mass Spectrom，2000，35(7):804

［29］ de la Mora J F.Anal Chim Acta，2000，406(1):93

［30］ Le Blanc J C Y，Wang J，Guevremont R，et al.Org Mass Spectrom，1994，29(11):419

［31］ Mirza U A，Chait B T.Anal Chem，1994，66(18):2898

［32］ Konermann L，Ahadi E，Rodriguez A D，et al.Anal Chem，2013，85(1):2