第二章 文獻回顧
2.5 電噴灑游離法與融合液滴電噴灑游離法
於質譜儀悠久的發展歷史上，其游離源的改變很大。早期最常 使用的游離方式為電子撞擊法(electron impact，EI)，利用高能量電子 束撞擊分析物產生分子離子。這種游離方式撞擊能量過大，使得分析 物過於破碎，無法得到完整的分子離子峰訊號，而不易推導分析物的 分子量。化學游離法(chemical ionization，CI)則是導入反應氣體與電 子撞擊後游離，游離後的反應氣體再和分析物進行離子-分子反應
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(ion-molecule reaction) 游離分析物。此方法可以改善 EI 的缺點而較 容易得到分析物的分子量。但由於 EI 與 CI 分析物皆需要以高溫氣化 後才可以進行游離，因此分析物必頇具有揮發性以及加熱不易裂解等 特性。
1980 年 代 Fenn 等 人 35 發 表 的 電 噴 灑 游 離 法 (electrospray ionization，ESI)和田中耕一提出的介質輔助雷射脫附游離法(MALDI) 等軟性游離法，不但不會破壞樣品而且可偵測的分子量高達 500000 Dalton 以上，其中電噴灑游離法為本研究將採用的游離方式。電噴灑 游離法為一種大氣游離法，容易與 HPLC 連接使用成為 LC/MS 系統。
近三十年來，LC/MS 已被普遍應用於醫藥、化學、生化等各種領域 上。
電噴灑游離法使用時外加高電壓於一隻內部有溶液通過的金屬 毛細管(圖 2-1)，使管內液體在毛細管尖端形成泰勒錐(Taylor cone)，
當泰勒錐尖端的液體其庫倫斥力大於表面張力時，液體則會噴灑出形 荷成帶電微小液滴。這些帶電荷微小液滴受電場吸引而朝向質譜儀入 口飛去，微小液滴中的溶劑在飛行中不斷的揮發，造成液滴表面電荷 密度過高，於表面電荷庫倫斥力大於表面張力時，帶電荷微小液滴再 爆裂成更微小的液滴，這些過程不斷重複，直到溶劑完全揮發剩下帶 電分析物為止。
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圖 2-1 電噴灑游離法(ESI)游離過程示意圖36
分析物在電噴灑游離源中如何形成離子，目前有兩種理論(A)單 一離子理論 37 (single ion droplet theory， SIDT)和(B)離子揮發理論
38(ion evaporation theory，IET)。單一離子理論為 Dole 於 1968 年提出，
認為電噴灑產生的液滴經過反覆爆裂後，溶劑會完全的揮發而液滴的 電荷將轉移至分析物上形成帶電荷的氣相離子[圖 2-2(a)]。
圖 2-2 兩種電噴灑游離機制: (A)單一離子；(B)離子揮發。36
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Iribarne 和 Thromson 則於 1976 年提出離子揮發理論，認為分析 物形成氣相離子時不一定要等到溶劑完全揮發。他們認為電噴灑液滴 飛行過程中，液滴經過多次的爆裂而縮小到一個大小後，原本在液滴 內的分析物離子會受到表面電場影響，而由液滴中脫附出來並帶走部 分電荷。這種過程不斷重覆，最後產生帶電荷的分析物離子 [圖 2-2(b)]。
使用
傳統電噴灑游離法時，分析物的訊號常會被溶液中的鹽類 干擾而受到壓抑。為了克服這項缺點，Shiea 等人於 2001 年開發了融 合液滴電噴灑游離法(fused-droplet electrospray ionization，FD-ESI)。39 融合液滴電噴灑游離法與傳統電噴灑游離法最大的不同點，在於樣 品氣化與游離過程是在兩個不同階段進行
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圖 2-3 融合液滴電噴灑游離源的俯瞰圖(a)與側面圖(b)40
(圖 2-3)，而電噴灑游離法則是同步化進行。使用融合液滴電噴灑游 離法時，霧化器將含有分析物的樣品液霧化後，以氮氣將霧化液滴帶 入電噴灑游離源的腔室中。同時另一方面，電噴灑游離裝置則只用來 產生溶劑帶電液滴，當含分析物的霧化液滴與溶劑帶電液滴在游離源 腔室相互碰撞時，藉由融合反應分析物會從霧化液滴進入溶劑帶電液 滴，而遵循傳統的電噴灑游離機制形成離子(圖 2-4)。原先與分析物
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圖 2-4 融合液滴電噴灑游離機制41
共存於霧化液滴中的鹽類，由於其介電常數或者極性與電噴灑溶劑帶 電液滴不相容，不會進入溶劑帶電液滴中進行電噴灑游離，而可以達 到去鹽的效果。融合液滴電噴灑游離法大大改善了傳統電噴灑游離法 受鹽類干擾物抑制訊號的缺點 7，除了有去鹽效果以外，藉由選擇只 有分析物可溶的特定溶劑做為融合液滴電噴灑游離法中的電噴灑溶 劑，將可用來偵測樣品液中僅含少量，或使用傳統電噴灑游離法時游 離競爭能力較差的分析物，達到降低偵測極限的效果。
2002 年 Shiea7 等 人 利 用 FD-ESI 偵 測 Lys-bradykinin 與 cytochrome c 等蛋白質並選用 MeOH 做為噴灑液，藉由分析物蛋白質 可溶於甲醇而鹽類化合物無法的差異以融合液滴的概念順利分離蛋 白質與鹽類化合物。由於只有蛋白質可融合進入甲醇溶劑的液滴，所 以融合後產生的新液滴藉由傳統電噴灑游離後儘管分析樣品裡有高
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濃度的鹽類化合物還是可以達到去鹽的效果。此外，2005 年，Shiea40 等人發表利用 APCI probe 取代超音波霧化器(如圖 2-3 a)，藉由 APCI probe 同心圓的裝置使得樣品由注射幫浦傳送過程中藉由同心圓外圍 的氮氣吹送形成液滴。作者表示由 APCI probe 取代原有的超音波霧 化器可節省更多樣品耗量，並由實驗結果成功地證明藉由融合概念可 去除 tris buffer 及界面活性劑 SDS 對樣品分析時造成的干擾；但作者 也提及由於另一種工業界常見的界面活性劑 PEG 溶解度與蛋白質相 近，所以無法利用融合概念於分析時去除 PEG 對分析物造成的干擾。
此外，Renato42等人於 2007 年發展了萃取式電噴灑游離法(extractive electrospray ionization，EESI)，實驗裝置一樣是將氣化與游離分成兩 步驟進行。藉由氮氣吹送氣體分析物進入質譜儀，調控噴灑液種類以 偵測分析物。譬如觀察不同條件下人體呼吸時所產生的氣體42或是皮 膚散溢出來的氣體43等，以質譜圖的差異性可對人體進行即時的偵測 與觀察。作者並於 2009 年提出以 EESI 對圓底燒瓶內的有機反應進行 即時觀測44，以氮氣吹送圓底燒瓶內的離子液體形成液滴後通過加熱 管幫助氣化，再藉由噴灑液提供帶電荷液滴進行電噴灑游離。作者表 示 EESI 可成功地對複雜液體樣品進行快速偵測，未來更可應用於偵
測高黏性的溶液，如高分子、膠體或生化材料等。
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