What are the ionization techniques for mass spectrometry?

质谱法（MS）plays a vital role in many aspects of our lives, from diagnosing illness and detecting food contaminants to fighting fraud. In order for a sample to be analyzed by MS, it must however, first be ionized. There are a number of ways of achieving sample ionization depending on the sample type, target analyte and desired workflow. These include gas phase methods (electron ionization (EI), chemical ionization (CI), direct analysis in real time (DART) and inductively coupled plasma (ICP)), desorption methods (matrix assisted laser desorption ionization (MALDI), fast atom bombardment (FAB), thermal ionization sources, plasma ionization sources and liquid metal ion sources (LMIS)) and spray methods (electrospray ionization (ESI) and desorption electrospray ionization (DESI)). In this article, we consider some common ionization techniques and sample types for which they are best suited.

离子源 - 气相方法

Many of the most common techniques used for ionization are described below. Further details are available in the review by Siuzdak.¹

电子电离（EI）

EI是由Dempster于1918年首次开发的²并且可以被认为是分子破碎和电离的相当苛刻的方法。在EI中，分析物的分子必须处于蒸气相，以使其与加热丝（与白炽灯泡）在真空中产生的能量电子有效相互作用。离子源产生的电子通常具有70 eV的动能。如果只有该能量的10-12 eV被该分子吸收，则将该分子处于其具有大于其电离电位的显着能量的状态，从而导致电子的射精（图1）。这使分子处于离子化状态，并具有净正电荷。但是，它可能仍然有多余的能量消散。它可以实现这一目标的一种方法是分裂化学键以产生更稳定的离子。因此，借助有机和物理化学的知识，也有可能通过这些破碎过程推断出有关分子化合物的结构的信息。

图1： 电子电离离子源的示意图。学分：Thilini ukwaththage，根据Creative Commons归因共享4.0国际许可证。

当样品相对挥发性且分子量低时，EI最常用。它们通常以从A的流出形式引入电离源gas chromatography（GC）系统或通过加热固体样品挥发in situ在电离室内。³

化学电离（CI）

与EI相反，CI是一种非常软的电离技术，不会导致分析物分子的广泛碎片化。实际上，某些分子物种（例如醇，醚，胺，氨基酸）在EI下经历了太多的破碎，以至于在完整分子的结果质谱中未观察到峰值。对于这些类型的分子，CI可能是首选电离法。

In CI, a gas (commonly methane, ammonia or isobutane) is introduced into an EI ionization chamber at a concentration higher than that of the analyte. The interaction of the carrier gas with the electrons will produce several molecular ions, which will subsequently react further with the excess carrier gas and form different molecular ions (Figure 2). These ions will then react with the analyte molecules to form analyte molecular ions through several different mechanisms.⁴

图2： 质谱法化学电离的示意图。学分：Oviniw，在Creative Commons归因共享4.0国际许可证。

由于这种低能电离机制导致碎片化明显较小，因此所产生的质谱通常更简单地以较少的峰进行解释。此外，它通常会显示出强，易于鉴定的质子化分析物分子离子峰，从而易于确定分子质量。但是，缺乏碎片限制了可以确定分析物分子的结构信息的量。

Direct analysis in real time (DART)

飞镖来源于2003年开发，并于2005年全面商业化。⁵它的强度在于它可以分析不同形状和大小的材料而无需先前样品准备的能力。

在飞镖源（图3）中，首先创建了来自氮或氦气的血浆，产生离子，电子和激发态物种。气体从等离子体室流向第二个腔室，从气体中除去离子。然后，气体传递到源的第三部分，如果需要，可以加热它，这有助于解吸某些材料。^{5，，，，6}The gas exits the source through a grid electrode which serves several purposes to enhance signal and can be directed towards a liquid, solid or vapor phase sample located in front of an inlet to the mass spectrometer. The interaction of the excited state species is responsible for the ionization of the analyte molecule. The mechanisms by which this occurs are complex and depend on a variety of factors.⁷

图3： Schematic diagram of a DART source.信用：RBCODY，根据Creative Commons归因共享4.0国际许可证。

DART来源发现了由于其灵活性和在环境大气中分析的能力而广泛应用。常见用途包括对非法药物和取证的测试以及食物分析。^{8，，，，9}

电感耦合等离子体（ICP）

ICP通常用于液体样品（可能是固体材料的酸消化）。以最简单的形式，ICP采用了装备有分析物的预先准备的液体，并通过雾化器将其泵送，以创建被引入氩气血浆中的气溶胶。当液滴进入高温血浆（〜5500-6500 K）时，它们被转换为气态状态。吸收更多的能量后，他们最终将释放一个电子形成一个带正电荷的离子（图4）。

图4： ICP源的示意图。

ICP具有电离几乎所有元素的能力，包括电离电位最高的元素。这种方法还很好地适合使用其他分离技术的废水，例如液相色谱（LC），，，，GC，毛细管电泳（CE）和凝胶电泳（GE），所有这些都可以将感兴趣的元素隔离，并将其转发到ICP系统，以进行电离和最终的质谱检测。可以找到有关电感耦合等离子体质量光谱法（ICP-MS）的更多详细信息这里。

离子源 - 解吸方法

基质辅助激光解吸电离（MALDI）

MALDI方法于1985年首次开发¹⁰和has since become one of the major “soft” ionization methods used in MS. It is particularly useful for the analysis of large or labile molecules, such as proteins, peptides, oligonucleotides, polymers and lipids.

该技术采用了“矩阵”，该矩阵已添加到要分析的样品中（图5）。矩阵需要以下属性：

• 必须能够与分析物共结晶以形成实体溶液
• 能够转移或接受分析物的质子
• 化学惰性
• 在真空下稳定并溶于溶剂

Figure 5: Schematic diagram of a MALDI source.学分：Mikayé，，，，在创意共享下复制归因共享3.0未竞争，，，，2.5通用，，，，2.0通用和1.0通用许可证。

常用的基质包括2,5-二羟基苯甲酸，辛酸酸，α-甲氧酸-4-羟基霉素酸和picolinic酸，仅举几例。¹¹选择的基质将由要检测到的分子类型决定。

Once the matrix has been applied, the sample is then irradiated by a laser. This not only transfers energy to the matrix and vaporizes the analyte molecules with little to no fragmentation or decomposition, but also provides the ionization mechanism to produce a positively or negatively charged ion.

Fast atom bombardment (FAB)

FAB是另一种软电离机制，该机制通常将加速原子（通常是氩气或氙气）聚焦在要分析的样品上。^{12，，，，13}为了创建“快速”梁，原子必须首先要被电离，以使它们可以通过高电场的应用加速并使用静电镜来加速。通过将这种离子束引导到包含相同惰性气体的碰撞电池中，将发生电荷交换反应，中和惰性气体离子。

图6： FAB电离的示意图。学分：Kkmurray，在Creative Commons归因共享4.0国际许可证。

与Maldi类似，使用基质，通常为甘油。就FAB而言，这是为了减少原子束可能引起的样品的损害，以防止分析物分子的聚集以及（如在MALDI中）促进被喷出的分析物分子的电离。同样，与Maldi相似，电离方法通过质子化和去质子化产生阳性离子。

热电离源

MS中遇到的热电离源的最常见类型是CS⁺初级离子源，定期用于次级离子MS实验。它是一个相对简单的来源，包含两个主要组成部分：储层，其中包含CS的来源和电离器，这是一个在高温下保持的多孔钨液（> 1000）°c）提供热能以电离CS原子。该储层中含有CS碳酸盐（也已经使用了Chromate）的颗粒，该沉淀被温暖以升华材料以产生CS原子的蒸气。当这些原子到达热液时，它们会被电离为阳性离子，并且可以用静电离子光学元件提取并聚焦。旧系统使用液体CS作为原始材料，但是由于在源更改过程中处理此材料的固有危险，它不再在实践中使用。

等离子体电离来源

双质质子也通常用于生产MS的气体离子束，尤其是氧气o^-和o₂⁺。在双质质体中，阴极灯丝排放电子，将纯氧气浸入〜10的压力中^-5托尔。气体通过与腔室内的电子和气体分子的相互作用形成血浆（图7）。然后，通过一系列至少两个高电荷的网格加速了等离子体，从而导致氧气的一束束。但是，将存在许多不同的氧离子物种，因此这种类型的来源通常使用Wien滤波器产生O的纯束^-和o₂⁺。

图7： 双质质体的示意图。图片来源：埃文·梅森（Evan Mason），在Creative Commons归因共享4.0国际许可证。

液态金属离子源（LMI）

Ion beams produced by LMIS are characterized by the smallest spot sizes and highest brightness. They are particularly advantageous in MS imaging where high spatial resolution is required – the spot size of the beams can go down to 5 nm which would equate closely to the spatial resolution in a scanning ion mass spectrometer. A requirement for these sources is a low melting point metal, and Ga is by far the most commonly used. The source itself looks very much like a tungsten filament for an electron microscope but contains an additional reservoir of Ga. When heated, the Ga will flow down the surface of the filament to the tip where the high electric field resulting from the high applied extraction voltages and the small tip radius of the filament lead to field ionization of the Ga from a very small point source (the tip).

离子源 - 喷涂方法

电喷雾电离（ESI）

ESI是另一种适合分析大分子和大分子的软电离技术。^{14，，，，15}样品被输送到高压（几kV）的毛细管中。这会产生相同极性的带电液滴的雾。通过使用干燥气体或升高温度，带电的液滴通过源流动，并通过蒸发溶剂逐渐降低尺寸，从而导致表面电荷密度增加。在某个点，液滴内的电场强度将足够大，足以使液滴表面的离子弹出气相（见图8）。

Figure 8: ESI源的示意图和电离机制的描述。

解吸电动电离（DESI）

顾名思义，DESI与ESI非常相似，除了现在最初在ESI源中形成的带电液滴被用作源，并将其定向到以环境压力下的样品（与DART相当相似）。样品中反射或“溅出”的液滴携带解吸和电离分析物，可以将其引导到质谱仪中（图9）。电离机制可能很复杂。¹⁶

Figure 9:desi离子源的示意图。学分：Anzhela016，在Creative Commons归因共享3.0未竞争许可证。

您可以通过按照以下链接与大规模分析仪和离子检测器的文章链接来了解有关MS过程中的下一步的更多信息。

参考

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