離子淌度質譜及其理論研究進展

　　[摘要] 離子淌度質譜是離子淌度分離與質譜聯用的一種新型二維質譜分析技術，離子淌度分離原理是基于離子在飄移管中與緩沖氣體碰撞時的碰撞截面不同，離子可按大小和形狀進行分離。經過30多年的發展，離子淌度質譜已配有多種最新的離子源及質量分析器，理論研究也日漸成熟，并在蛋白質、多肽及復雜化合物異構體分析方面越發顯示出獨特的優勢，正在發展成為一種新型的重要分析工具。

　　[關鍵詞] 離子淌度;質譜;碰撞截面;理論進展

　　20世紀80年代后，由于各種軟電離技術相繼問世，質譜(mass spectrometry，MS)的應用拓展到對高極性、難揮發和熱不穩定的生物大分子的分析研究，發展成為生物質譜，并迅速成為現代分析化學最前沿的領域之一 。離子淌度質譜(ion mobility mass spectrometry，IMMS)是離子淌度光譜(ion mobility spectrometry，IMS)技術與質譜的聯用。是一種新型的二維分離質譜技術。IMS技術出現于20世紀70年代，由于其具有多樣性的分析能力、良好的檢測限及實時的檢測能力，在當時受到人們廣泛關注，但由于IMS分辨率較低且不能給出離子質量信息，加之當時人們對離子組成的重要性缺乏理解，因此在1976年以后，有關離子淌度的研究逐漸減少。直到20世紀80年代末，特別是以MALDI和ESI 為代表的各種軟電離方法應用以來，IMS在化合物異構體分離方面具有的獨到優勢才又引起了人們的關注，相繼推出了配備各種新型離子源的IMS—MS聯用技術，精確的離子幾何形狀和淌度計算方法得到飛速發展，IMMS技術有了實質性進展。目前，IMMS已經用來檢測化學戰劑、爆炸物 、環境污染 、麻醉劑 、半導體及生物大分子(如肽和蛋白質類)，并顯示出其強大的分析能力。

　　1 原理與儀器組成

　　1.1 IMMS基本原理

　　離子淌度(ion mobility，IM)，又稱離子遷移率，是指在電場強度為1 V/m或電場力為1N時正離子或負離子的運動速度，單位為m /V。在IMS中，離子受電場力加速的作用向前運動，運動中又與飄移區緩沖氣體分子發生碰撞產生阻力使速度降低。碰撞過程中離子失去的動能可轉化為內能使離子溫度升高，再次的碰撞又可將升高的內能傳遞給氣體分子，回復到系統溫度 。因此，離子在運動過程中溫度和速度并不保持恒定。離子之間、離子與緩沖氣體之間也可能存在著靜電引力與庫侖斥力，決定了離子在飄移區的運動過程是極其復雜的，只能由其平均速度(即離子淌度 )或離子通過飄移區的時間td來計量。這種分離過程與色譜的分離過程類似，因此IMS在早期又被稱為等離子體色譜 (plasmachromatography，Pc)。為了使不同實驗條件下的測量值能夠相互比較，在實際應用中通常將離子淌度轉換為折合離子淌度 (reduced ionmobility， )，即在溫度為273 K，壓力為760 Tort的條件下的離子淌度，離子的大小和形狀可用離子與緩沖氣體發生碰撞時的平均可用截面即碰撞截面(collision Cross section，n)來衡量。由上述可知，離子淌度分離主要是基于離子的形狀和大小。因此，對于用常規質譜方法不能區分的異構體或復合物等分析，這種分離手段具有獨特優勢。離子按淌度預分離后，再通過每一組分質荷比求得質量數，便可獲得離子淌度質譜二維圖譜或三維圖譜。

　　1.2 儀器組成

　　離子淌度質譜儀與常規質譜儀的主要區別在于前者在離子源和質量分析器之間增加了一個離子飄移管。離子飄移管通常由不導電的高純度氧化鋁制成，中間鑲嵌若干不銹鋼環，不銹鋼環之間以高溫電阻相連，兩端不銹鋼環之間施加驅動離子前進的電場。質量分析器可采用四極質量分析器或飛行時間質量分析器，由于四極分析器掃描離子費時較長，現在IMMS分析器多為飛行時間質譜(TOF—MS)。儀器中飄移管部分通以緩沖氣體，質量分析器部分采用高真空，二者之間配以由錐體和離子透鏡組成的接口。典型的離子淌度質譜的組成見圖2。由于離子在飄移管中通過的時間為毫秒級，在飛行管中通過時間為微秒級，在下一組分到來前有充足的時間求得離子的質量數，因此對每一組分可在一次實驗中同時求得淌度和質量數，整個實驗可在1 min內完成。

　　有時為了獲得更多的離子信息，可在飄移管前和(或)后串聯使用幾種質量分析器，如離子阱或四極濾質器等。

　　2 離子淌度理論的研究進展

　　2.1 緩沖氣體對碰撞截面的影響

　　IMS區分離子是通過與緩沖氣體分子碰撞過程而實現的，緩沖氣體的種類直接影響分離過程。氮氣和氦氣是最常用的兩種氣體，氮氣一般用于常規分析，氦氣常用于結構分析。其他氣體還有二氧化碳、六氟化硫、氨 和四氟化碳 。使用不同緩沖氣體的理論研究在1975年之后便很少，即使是現在也還沒有引起人們足夠的重視，但在實際應用中，使用不同的氣體對獲得良好的分辨率和檢測靈敏度相當重要。

　　離子的碰撞截面不僅與緩沖氣體的質量數有關，而且取決于緩沖氣體極化率的大小 。Matz等 研究6種苯丙胺(安非他明)衍生物在氦氣、氬氣、氮氣與二氧化碳4種不同緩沖氣體下的碰撞截面，結果顯示碰撞截面隨緩沖氣體質量數的上升而上升，但并無嚴格的線性關系。而極化率與碰撞截面之間有良好的線性關系，碰撞截面隨極化率的上升而上升，這也說明碰撞截面更依賴于緩沖氣體的極化率而不是質量數。Els 等 研究了不同濃度的氮氣/二氧化碳混合氣體作為緩沖氣體在l0 水平分離5種氯代和溴代乙酸的情況，使用100% 氮氣，2種組分淹沒在其他峰中，若在緩沖氣體中加入3%二氧化碳，則能達到完全分離，表明載氣的組成明顯影響峰形的檢出。