當(dāng)前，蛋白質(zhì)組學(xué)研究中最大的技術(shù)瓶頸之一就是生物質(zhì)譜的離子源技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)有離子源對(duì)離子的利用效率極低。

　　事實(shí)上，自從80年代中期John B. Fenn 將電噴霧離子源應(yīng)用于大分子質(zhì)譜分析以來(lái)，全世界成千上萬(wàn)的科學(xué)家涌入了這一研究領(lǐng)域?？?0年過(guò)去了，對(duì)于電噴霧離子源機(jī)理，還是停留在兩個(gè)模式：Ion Evaporation Model (IEM) 離子蒸發(fā)，與Charged Residue Model (CRM) 電荷殘留機(jī)理。這兩個(gè)模式所描述的都是帶電液滴離開(kāi)Taylor Cone 以后的單分子氣相電荷的形成過(guò)程（如圖1所示），至今也無(wú)法解釋以下兩個(gè)問(wèn)題：

　　1、為什么電噴霧離子源中存在多電荷離子?

　　2、為什么電噴霧離子源存在離子抑制現(xiàn)象?

圖1 電噴霧離子源機(jī)理

　　有些學(xué)者認(rèn)為多余的電荷是來(lái)自于液滴(Droplets that contain an excess of positive and negative charge detach from its tip.)

　　根據(jù)電磁場(chǎng)理論，介質(zhì)在電場(chǎng)中，正負(fù)電荷是以成對(duì)的形式存在的，不可能形成正、負(fù)分離。在電極的同一端更不可能產(chǎn)生正、負(fù)離子分離的現(xiàn)象。

圖2 離子源機(jī)理實(shí)驗(yàn)圖

　　下面是朱一心研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。首先將離子源全封閉起來(lái)。圖2中，瓶子 1、2、3 可以加上不同的液體或氣體，作為輔助液氣，控制泰勒錐周?chē)碾x子化氣氛。

圖3 離子源離子化室內(nèi)充滿(mǎn)空氣和氮?dú)鈺r(shí)的離子圖

　　當(dāng)離子源離子化室(Chamber)充滿(mǎn)空氣時(shí)，肽段離子信號(hào)如圖3左所示，肽段離子信號(hào)非常強(qiáng)。

　　將離子源離子化室(Chamber)充滿(mǎn)氮?dú)?并且控制其質(zhì)譜儀的真空度與離子源離子化室暴露大氣時(shí)一樣，如圖3右所示，質(zhì)譜儀無(wú)法檢測(cè)到肽段離子信號(hào)。

　　這樣我們可以直觀的推斷(M+H)⁺ 中的正氫離子并非來(lái)自于 Tip 中的液體(流動(dòng)相)。

圖4 Air氣氛狀態(tài)下，咖啡因的溶劑為D₂O和H₂O的譜圖

　　還有實(shí)驗(yàn)也能說(shuō)明氫離子不是來(lái)自于流動(dòng)相。分別用水(H₂O)和氘水(D₂O)溶解咖啡因，在沒(méi)有輔助液體的時(shí)候，離子化室充滿(mǎn)空氣時(shí)，得到如圖4所示的圖譜，圖中可見(jiàn)，上下圖譜完全一致，這就說(shuō)明了氫離子不是來(lái)自于流動(dòng)相(Solvent)。如果是自于流動(dòng)相，那么在用氘水(D₂O)溶解咖啡因的質(zhì)譜圖中的主峰應(yīng)該是(M+2)=196.17，而不應(yīng)該與用水(H₂O)溶解樣品時(shí)得到的主峰一樣(M+1)=195.17?？Х纫虻慕Y(jié)構(gòu)如下圖，它沒(méi)有OH鍵，所以無(wú)法產(chǎn)生氫氘交換,最適合我們的實(shí)驗(yàn)。

咖啡因(Caffeine)，分 子 式：C8H10N4O2， 分 子 量：194.19

　　那氫離子到底來(lái)自于哪里呢?看了下面實(shí)驗(yàn)就知道了。

　　在上面的實(shí)驗(yàn)中的輔助氣中加以D₂O為輔助液體以后，得到了完全一致的譜圖，主峰均為(M+2)=196.26如圖5所示。

圖5 Air+D₂O 氣氛狀態(tài)下，咖啡因的溶劑為D₂O和H₂O的譜圖

　　從咖啡因的分子式可以判斷，它100%無(wú)法進(jìn)行氫氘交換。所以用氘水溶解樣品，咖啡因的分子式不發(fā)生變化，在高電場(chǎng)中被電場(chǎng)極化的分子式與水溶解的咖啡因一致，分子量沒(méi)有發(fā)生變化，還是M，吸附上一個(gè)氫離子以后形成(M+H)⁺ 正離子。加以氘水(D₂O)輔助蒸汽以后，在泰勒錐(Taylor Cone)周?chē)a(chǎn)生氘離子(D⁺)，所以極化后的分子吸附一個(gè)氘離子(D⁺)，形成(M+D)⁺ 正離子。這一實(shí)驗(yàn)就證明了氘離子((D⁺)，是來(lái)自于泰勒錐以外的。

　　如果用傳統(tǒng)的電噴霧理論，在這一實(shí)驗(yàn)中，用水(H₂O)溶解咖啡因時(shí)，是永遠(yuǎn)見(jiàn)不到(M+2)⁺ =196.26的離子峰的。

　　這三個(gè)實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明，電噴霧離子源使分子帶電的過(guò)程其實(shí)是場(chǎng)致水分子電離后產(chǎn)生氫離子，極性分子在高電場(chǎng)中的極化，極化后的分子與氫離子又產(chǎn)生了靜電吸附，從而形成多電荷分子離子。

　　圖6 電噴霧離子源機(jī)理

　　如圖6所示，電噴霧發(fā)射針處于正電壓，在尖端表面形成一個(gè)穩(wěn)定的Taylor Cone，因?yàn)門(mén)aylor cone 的曲率半徑很小，在納米數(shù)量級(jí)，尖端表面的電場(chǎng)很強(qiáng)，將剛剛離開(kāi)Taylor Cone 的極性分子極化，形成長(zhǎng)條形的不穩(wěn)定極性分子;同時(shí)將尖端表面的水分子場(chǎng)蒸發(fā)，形成氫離子，氫離子被長(zhǎng)條形的極性分子的負(fù)端吸附，從而形成了多電荷離子。

　　同時(shí)可見(jiàn)，當(dāng)兩個(gè)極性分子同時(shí)出現(xiàn)在Taylor Cone 附近，氫離子被極性大的分子吸附，從而出現(xiàn)了離子抑制現(xiàn)象。

　　美國(guó)康奈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)榮譽(yù)教授Fred Mclafferty(右)與朱一心先生探討技術(shù)問(wèn)題

　　賽默飛世爾R&D Director Jean-Jacques(右)，與朱一心先生探討技術(shù)問(wèn)題