质谱离子源的这些事儿(2)——液质联用的ESI和APCI源

许群

我们在上文《质谱离子源的这些事儿(1)》中，讨论了与气相色谱质谱联用相关的EI源和CI源。今天，我们聊聊最常用于液相色谱质谱联用的电喷雾电离源（ESI）和大气压化学电离源（APCI）。

ESI属于大气压电离源（API），既是液相色谱和质谱仪之间的接口装置，又是电离装置。主要部件是一个多层套管组成的电喷雾喷嘴，最内层是液相色谱流动相，将被分析物分子通过毛细管带入离子源；外层是喷射气，常采用大流量的氮气，使从毛细管喷出的液体高度雾化，在3–5KV的强静电场中形成带有电荷的高度雾状细微液滴。此外，在喷嘴的斜前方还有一个补助气喷嘴，其作用是使细微液滴溶剂快速蒸发。在蒸发过程中细微液滴表面电荷密度逐渐增大到某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来，产生离子。单一分子形式的雾态分子可以有几种电荷形态，经历离子分子间碰撞后，产生多重质子化离子，也就是通常观察到的多电荷离子，这是ESI源的最大特点。基于此，ESI源非常适合检测带有大量电荷的分子量巨大的蛋白质。随后，产生的离子借助喷嘴与取样锥锥孔之间的电压，穿过锥孔进入质量分析器。需要注意的是，如果电喷雾喷嘴正对取样锥孔，容易堵塞锥孔，因而常见的设计是使两者错开一定角度，喷雾不是正对锥孔，以减少堵塞。加到喷嘴上的电压可正可负，得到正或负离子的质谱。ESI源原理如图1所示。

图1. 电喷雾电离源（ESI）原理示意图

ESI是一种比较温和的电离方式，亦称“软电离”，其优点为：

1. 液相中的被检测分子变成气相离子时没有经受外部能量的激发，因而不会发生裂解，故没有碎片峰，称为无碎片质谱；

2. 可以通过碰撞诱导裂解（CID）产生碎片，从而提供分子的结构信息。由于ESI具有产生多电荷离子、对某些极性合物电离的高效率（对蛋白质接近100%）、以及软电离等特性，使得质谱在分析极性化合物（包括溶液中的离子），热不稳定和高分子量化合物方面成为最有效的工具之一，在诸如测定多肽、蛋白质化合物的分子量、氨基酸单位结构等生命科学、医药和临床论断等方面的研究中有重要意义。

APCI源亦属于大气压电离源（API），其结构与ESI源基本相同，主要部件也是一个多层套管组成的电喷雾喷嘴，不同之处是APCI喷嘴下游的加热管末端放置了一个针状放电电极（电晕针）。处于多层套管最内层的液相色谱流动相在流经毛细管后进入离子源，被套管外层的氮气流雾化后，经过加热管时被气化。随后，被雾化的流动相中的溶剂在加热管末端被电晕针电离。这些被电离的溶剂分子与空气中某些弱极性、中性分子电离后产生的H3O+，N2+，O2+和O+等一起充当反应气，与雾化流动相中的被分析物气态分子发生碰撞（碰撞反应过程包括由质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱离和电子捕获产生负离子等），使被分析物分子离子化，形成离子束，随后经过锥孔被转移至质量分析器中进行分析。APCI源原理如图2所示。

图2. 大气压化学电离源（APCI）原理示意图

APCI源适用于弱极性到中等极性的化合物的分析，用这种电离源得到的质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子。APCI主要产生的是单电荷离子，所以分析的化合物分子量一般小于1000Da。有些分析物由于结构和极性方面的原因，用ESI不能产生足够强的离子，可以采用APCI方式增加离子产率。因此可以认为APCI源是ESI源的有效补充。

LC-MSMS在食品和中药材中的农药残留检测中应用广泛，但经常受到以下几个问题的困扰：

1. 在多农残检测中，由于氯化农药不含H（质子），且具有极低的质子亲和力，无法使用ESI源有效电离，需使用APCI源进行电离，但更多的农药残留适合ESI源离子化。这样，就需要能够真正实现ESI源和APCI源即时切换同时使用的功能；

2. 能否实现在ESI源和APCI源上的正、负极不同的离子化模式下同时采集数据的功能；

3. 食品和中药的基质复杂，即使经过严格的样品前处理，仍旧会有相当数量的杂质随同被测物进入质谱检测系统，影响检测灵敏度和准确性，造成离子源污染，使得离子源清洗频次大大增加，严重降低工作效率；

4. 由于农药残留的数量和种类日益增多，使得液相分离所用的流动相日趋复杂，对离子源的影响同样会造成质谱检测准确性和工作效率的下降。

为解决上述问题，人们在离子源系统中开发出了多种设计。其中，珀金埃尔默的QSight 三重四极杆液质联用仪的双离子源设计令人印象深刻。QSight 的离子源系统是由两个完全独立的离子源组成，可以采用ESI源和APCI源模式，或者任意双源组合，并可以同时在双源模式下进行正、负极采集模式即时切换。这套离子源系统具备自清洁功能：利用加热诱导去溶剂专利接口技术（HSID）进一步促进离子化，提高离子传输效率，消除基质、溶剂等对离子源的污染；装备有主动废气排放系统，有效防止交叉污染，进一步降低基质、溶剂等对离子源的污染。另外，QSight的离子源更换可以不用任何工具和断开任何线路，仅旋转并轻拉，轻而易举地取出，几秒钟即可轻松完成源更换！并且因为离子源是从前端进行拆除，无需泄真空，并未暴露四极杆分析器，将污染风险降至最低，确保数据可靠性和工作效率。