质谱中的电离过程分析

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电离过程在质谱分析中扮演着原动力的角色，它负责将中性、不带电的样品分子转化为能够在电场和磁场中**控的气相带电离子。这个过程是质谱能够进行质量分析的根本前提，因为没有电荷，质量就无法被有效分离和检测。电离的核心原理在于向样品分子提供足够的能量，以克服其电离势并使其释放或捕获一个电子，或者通过质子转移等方式带电。

以电子轰击为例，其原理可深入阐述如下。在真空电离室内，由钨或铼丝制成的灯丝被加热至高温并发射出热电子。这些电子在加速电压作用下形成高能电子束，能量通常设定在70电子伏特。当气态的样品分子穿过此电子束时，会发生相互作用。一个高能电子可能与分子发生非弹性碰撞，将其部分能量传递给分子，并将分子的一个电子击出。这个过程可以表示为：M + e⁻ (高速) → M⁺• + 2e⁻。这里的 M⁺• 便是分子离子，它是整个分子失去一个电子后形成的。值得注意的是，70电子伏特的能量远高于大多数有机化合物化学键的键能（通常在3-10 eV之间）。这种显著的能量过剩是导致分子离子进一步碎裂，产生丰富碎片离子谱的根本原因。尽管这使得谱图解析变得复杂，但正是这些碎片离子提供了分子内部官能团和结构骨架的直接证据。然而，正是由于能量过高，EI电离被认为是一种"硬"电离方式，容易导致不稳定的分子离子完全碎裂，从而在谱图上观测不到分子离子峰，这限制了其在生物大分子分析中的应用。
为了弥补硬电离的不足，一系列软电离技术得以发展，它们能够以更温和的方式使分子电离，最大限度地保留其完整性。
电喷雾电离的原理则涉及物理化学过程。样品溶液在高压（通常为3-5 kV）作用下，从细金属毛细管尖端喷出，形成带电的液滴雾。随后，在干燥气或加热毛细管的作用下，液滴中的溶剂不断蒸发，液滴体积迅速减小。随着液滴体积缩小，其表面的电荷密度急剧增大。当电荷间的库仑排斥力超过液滴的表面张力时，液滴会发生库仑**，分裂成更小的子液滴。此过程循环往复，直至溶剂完全去除，样品分子以带电离子的形式被释放出来。对于蛋白质这样的生物大分子，其表面含有多个潜在的质子化位点，因此一个分子可以同时结合多个质子，形成如 [M+nH]ⁿ⁺ 的多电荷离子。这正是电喷雾电离技术的精髓所在，它通过形成多电荷离子，使得使用质量检测范围有限的常规质谱仪分析数十万分子量的蛋白质成为可能，因为质荷比 m/z 会大幅降低。
另一个重要的软电离技术，基质辅助激光解吸电离，则采用了一种不同的策略。在此方法中，样品分子与一种能够强烈吸收激光的小分子基质混合并共结晶。当脉冲激光（通常是紫外激光）照射到晶体上时，基质会迅速吸收能量、汽化，并将部分能量通过碰撞转移给样品分子，从而辅助其软电离。MALDI 通常产生单电荷离子，它与飞行时间质量分析器相结合，成为分析生物大分子混合物的强大工具。
电离方式的选择直接影响分析结果。例如，在制药行业的质量控制实验室，当需要快速筛查一批原料药中是否含有预期分子时，ESI 是一个理想的选择。例如，在对硫酸氢氯吡格雷原料药进行快速鉴别时，通过流动注射将样品直接注入质谱仪，ESI源会产生该药物分子的准分子离子峰，例如 [M+H]⁺，其质荷比与分子量高度相关。此外，这些软电离技术产生的离子通常较为稳定，不易进一步碎裂，因此需要通过碰撞诱导解离等技术来主动获取碎片信息。
此外，诸如大气压化学电离等技术也各有其适用场景。APCI 涉及的气相化学过程与ESI的液相过程不同，它更适用于分析中等极性和热稳定性的小分子。
综上所述，电离过程是质谱分析的奠基环节。它将化学信息编码为物理上可测量的离子信号，为后续的所有分离与检测铺平了道路。