脱附型电喷洒游离法

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脱附型电喷洒游离法 (desorption electrospray ionization，DESI) 是一种利用常态游离法的技术，与质谱 (MS) 串联，在大气条件下对样品进行化学分析。耦合游离源-质谱系统在化学分析中十分普遍，由于各种游离源的独立功能可以和不同的 MS 系统相结合，对样本进行化学测定。DESI 利用和样本表面成一定角度的高速带电溶剂流，从表面萃取出分析物并将次级离子推向质量分析器中进行分析。此技术可应用于法医分析、药物分析、植物组织结构分析、水果结构分析、完整的生物组织结构分析、酶-基质复合物分析、代谢物分析和聚合物分析。因此，DESI-MS可广泛应用于食品和药物管理、制药、环境监测和生物技术等领域。

## 历史

DESI自2004年由被美国普渡大学Graham Cooks小组的Zoltan Takáts、 Justin Wiseman 和 Bogdan Gologan 广泛研究，目的是为了找到不需要样本在真空条件下的方法。DESI 和即时性直接分析法 (DART) 在很大的程度上促成了常态游离法的发展，如今研发出了 80多种新技术。这些方法使用复杂系统执行分析且可以在分析前不进行样本制备，同时输出量可高达每分钟45个样本。DESI 是集合了新兴技术，像是：电喷洒游离法和表面脱附技术。Malcolm Dole在1968 年报导电喷洒游离法结合质谱，但John Bennett Fenn在 1980年代后期因开发ESI-MS获得诺贝尔化学奖。在 1999 年，文献中阐述开放表面与和自由基质的脱附实验，称为硅上的脱附/游离的实验。这两项进步技术的结合引入了DESI和DART作为主要的常态游离法，也衍生出多种不同的技术。特别是针对DESI的优化之研究，如：奈米级脱附性电喷洒游离法。在这个技术中，分析物会被脱附而进入两根毛细管与分析表面所形成的桥中。

## 运作原理

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DESI 是电喷洒游离法(ESI)与脱附 (DI) 游离法组合而成。透过带电的喷雾引导几毫米外的样本表面进行游离。电喷洒雾以气体驱动的方式带动样本，而喷洒的液滴则是携带游离的分析物。游离后，离子借由空气进入与质谱仪相连的大气压接口。DESI是一种在大气压力之下就可以对于微量样本进行常态游离法的技术，几乎不需要进行样本制备。DESI可被用于研究原位次级代谢物空间与时间的分布。

### 游离机制

在DESI中有两种游离机制，分别是适用于低分子量分子和高分子量分子。高分子量分子，像是：蛋白质或是胜肽，表现出类似电喷洒的图谱，其中观察到多种带电离子。这说明分析物的脱附，液滴中的多个电荷可以很容易地转移到分析物上。带电液滴撞击样本，扩散到大于原始直径的直径使蛋白质溶解并反弹。液滴移动到质谱入口并进一步去除溶剂，而通常电喷洒所使用的溶剂为甲醇和水的混合物。

针对低分子量的分子，则是透过电荷转移发生游离，像是：电子或质子。电荷转移可能有三种可能性，首先：溶剂离子与样本表面的分析物之间的电荷转移。第二，气相离子与样本表面的分析物之间的电荷转移；在这样的条件下，溶剂离子到达样品表面前就已经蒸发掉了，这在当喷雾与样本表面距离很大时很容易发生。第三，气相离子和气相分析物分子之间的电荷转移，当样本具有高蒸气压特性时容易发生。溶剂离子与样本表面的分析物之间的电荷转移气相离子与样本表面的分析物之间的电荷转移气相离子和气相分析物分子之间的电荷转移

DESI中低分子量分子的游离机制类似于DART的游离机制，因为都会在气象中发生电荷转移的情形。

## 游离效率

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DESI的游离效率很复杂，牵涉很多参数，例如：表面效应、电喷洒参数、化学参数以及几何参数等。表面效应包含化学成分、温度与施加电压。电喷洒参数包含电喷洒气压、气体与液体流速。化学参数包含喷洒溶液组成，像是：氯化钠的添加量。几何参数则是由α、β、d 1和d 2 构成（如图中表格所示）。

此外，α 和 d 1影响游离效率，而 β 和 d 2影响收集效率。对多种分子进行测试可以确定最佳的α 和 d 1的结果表现，有两组设定：高分子量（蛋白质、胜肽、寡糖等）和低分子量（重氮染料、立体化合物、咖啡因、硝基芳香烃等）。高分子量基团最佳条件是高 α 入射角(70-90°) 和短 d 1距离(1-3 毫米）。低分子量基团最佳条件是低 α 入射角(35-50°) 和长 d 1距离(7-10 毫米）

喷雾器尖端和表面支架连结到3D移动平台，平台中可以选择四个参数的特定值：α、β、d 1和 d 2。

## 应用

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### 激光剥离电喷洒游离

激光剥离电喷洒游离(LAESI) 质谱法是一种常态游离法，适用于动植物组织成像、活细胞成像以及最近的即时细胞成像。此技术使用中红外激光使样本部分剥离，产生一团中性分子，再用电喷洒从上喷洒喷雾撞击中性分子云进行游离，剥离带电离子才能够进入质谱仪进行分析。这个方法也适用于应用中的影像成像，分析物不需要基质下可以透过脉冲激光激发而剥离，适合有机小分子和较大的生物分子。

#### 基质辅助激光脱附电洒游离法

另一种对生物分子分析有利的方法是基质辅助激光脱附电洒游离法(MALDI-ESI)。在这项技术中，他利用红外线激光工激发样本分子使之游离，而脱附的离子以利后续的质谱分析。离子源的几何形状与ESI和基质之间的距离会对样本化合物的游离效率产生影响。此技术可应用于液态样本，液滴可放置在激光光的焦点处，或将液滴干燥形成固体，同时平面样本不需进行样本制备。

### 离子迁移质谱

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离子迁移质谱(IMS) 是一种在气相中进行离子分离的技术，利用施加电场时离子迁移率的差异，再进行质谱分析前分离。引入DESI作为离子迁移质谱的离子源，IMS 的应用从仅能分析具有挥发性的气相样本已扩展到具有完整结构的样本或是液态样本。IMS和飞行时间质谱耦合时，也可以分析蛋白质。这些技术结合可以研究离子进行游离后的离子形状与反应性，它具有在进行质谱分析之前分离由DESI所生成的离子分布之特性。

### 傅立叶转换离子回旋共振

如前所述，DESI可以直接研究样本，不须进行样本制备与层析分离。但由于不须进行样本制备，所形成的光谱可能会非常复杂，因此，可以将傅立叶转换离子回旋共振耦合到 DESI，获得更高的分离率。DESI可由六个线性移动台和一个旋转台组成。这可以包含一个用于样品的3D线性平台和立一个用于喷雾支架的旋转平台。FT-ICR 与 DESI 的耦合可以将质量精度提高到百万分之三以下。这可以在液态与固态样本上达成。

### 液相层析

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DESI 可以使用 LC 冲提分离策略的超快速液相色谱相结合。这是一种通过 LC 毛细管上的小孔的策略。此方法不需考虑系统内管线体积(dead volume)和背压，可实现接近即时的质谱检测和快速冲提和纯化。这种耦合可用于离子化范围广泛的分子，从小型有机物到高质量蛋白质，与 ESI 的不同之处在于它可用于直接分析含盐类的样品溶液，而无需将“补充”溶剂/酸加入于样品中。这种设置允许高流速而不分裂。通过逆相 HPLC实现的高分辨率可以与该步骤结合，以产生天然产物的高通量筛选。电化学成分的加入有助于通过电化学转换提高电离效率。事实证明，这种方法比 ESI 更好，因为不必分开在 DESI 中施加到电池的小电位与喷雾上的电位。DESI 还显示出对无机盐电解质更好的耐受性，可以使用电解中使用的传统溶剂。

## 仪器配置

在 DESI 中，有一个高速气动辅助电喷雾喷流，它指向探头表面。喷流在样品上形成微米级的溶剂薄膜，可以将其脱附。样本被传入的喷流驱散，使颗粒在含有次级离子滴的分析物的喷射锥中脱落。许多研究仍在探讨 DESI 的原理，但仍有些已知的事情。DESI 形成的喷雾点的侵蚀直径与空间分辨率直接相关，表面的化学成分和纹理也会影响电离过程，最常用的雾化气体是氮气，典型压力为 160 psi。溶剂是甲醇和水的混合物，有时与 0.5%乙酸配置，流速为 10 μL/min。表面可以安装两种不同的方式，一种方式包括一个表面支架，可以承载 1 x 5 厘米大的一次性表面载物片，位于不锈钢表面。不锈钢表面施加电压以提供适当的表面电位。可以施加的表面电压与喷雾器可以设置的表面电压相同。第二个表面由带有内置加热器的铝块制成，这允许温度控制高达 300 °C 具有内置 CCD 和光源的更新阶段。它们的光谱与 ESI 相似。它们具有多电荷离子碱金属加合物和源自样品/溶剂相互作用的凝聚相的非共价络合物。DESI 具有更温和的电离条件，导致金属加合物形成的趋势更明显，次级液滴的比电荷更低。

## 更多资讯

- 次级离子质谱
- 基质辅助激光脱附游离
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- 电喷洒游离法
- 次级电喷洒游离法

## 相关阅读

- Method and System for Desorption Electrospray Ionization - US application 20,050,230,635
- Method and System for Desorption Electrospray Ionization - WO 2005094389, Takats, Zoltan; Gologan, Bogdan & Wiseman, Justin Michael et al., "Method and system for desorption electrospray ionization", published 2005-10-13, assigned to Purdue Research Foundation
- Ionization by droplet impact - US application 20,060,108,539

## 外部链接

- Purdue Aston Lab - DESI
- Professor Zoltan Takáts personal page - Imperial College London

## 基本资料

- 日语原文：脱附型电喷洒游离法(Desorption Electrospray Ionization, DESI)
- 英文缩写：DESI
- 分类：质谱仪
- 分析对象：有机分子s、生物分子s
- 其它技术：电喷洒游离法、大气压力化学游离法