发明人解密：Nobel获奖技术ESI和AxION新质谱
基于ESI的离子化技术发展
机理之争：液滴爆炸后，ESI最终如何产生离子？
关于“ESI技术未来还有什么值得探索的领域？”的问题，沈博士表示：“还有很多。”但话锋一转，他首先介绍了ESI理论由来已久的两派之争，“虽然ESI拿Nobel奖了，现在全世界都在用，但ESI产生离子的理论至今实际上有两派。一派是Residue，还有一种是ion lifting/evaporation。
区别是什么呢？ESI开始时大家都知道是带电液滴，这个液滴在飞行过程中，由于drying gas干燥气体的作用，溶剂在蒸发、体积在缩小，液滴内的电荷密度在增加。增加到一定程度，当库仑排斥力大于表面张力时（即到达雷利极限Rayleigh limit），就要爆炸（称为库仑爆炸Coulomb fission），这个过程一步步下去，到某一个环节就完了。最终要有离子出来进入质谱。但这个最后的过程是什么理论呢？
第一种机理：离子蒸发Ion Evaporation Model (IEM)认为，当液滴到达一定直径时（溶剂并没有完全蒸发），由于液滴表面的电荷密度太高，电场力足够大、从而解吸出离子。
第二种机理：电荷残留Charge Residue Model (CRM)认为，溶剂全部蒸发完了，剩下的分析物（溶质）和电荷最后形成了气相离子。
实际上，两派理论都有自己的实验来证实。为什么这两派还争论不休呢？因为各有各的背景，还各有各的实验来支撑它。
我的看法是，这两派讲的是两种不同的情况。比如大分子形成ESI离子多为Residue机理，我记得当初我那位日本同事Nohmi做PEG大分子量时，开始怎么也做不出来，后来他把溶剂稀释、再稀释，就做出来了。因为浓度太高时，一个液滴里面有好多个分子，形不成离子。直到一个液滴里只有1－2个分子，浓度减少时，才能形成离子。”
ESI离子化技术的发展
适应大流速、nanospray、提高灵敏度
“后来，学术界对ESI离子化技术发展做了很多扩展。比如，当初我们在耶鲁大学做电喷雾的时候，开始用小流量（几个微升/min）时很容易成功。但后来流量加大后就难成功了，因为来不及干燥了或是根本不形成带电液滴。这个时候学术界发明了很多方法，我就曾申请过美国自然基金会的基金、用超声的办法来雾化；虽然也做出来了，但是远不及现在流行的气体雾化的办法。因为气体雾化简单、便宜、可靠；而超声的办法对流量还是有限制，而且太复杂、也贵，所以就被淘汰了。
电喷雾在每分钟几个微升的流量是最佳的，流量大了不行、太小了也不行，所以又出现新的技术叫做nanospray（纳升级喷雾），专门适用于几十个nL/min的流速。这个就是我的另一位同学（Matthias mann）做的工作，他和我同天毕业(我俩论文答辩一个在上午一个在下午)，都是John Fenn先生的关门弟子。他现在在蛋白质组学领域做得很不错。Nanospray也是ESI，只是它能保证纳升流速下工作稳定并且灵敏度很好，理论上很简单，但做起来技术上还是有难度的，它的喷针是用玻璃管做的，这样可以把玻璃管的开口开得很小很小（约1μm），所以流量很小但随之而来的是导电的问题要解决。Nanospray的物理过程和正常流速的ESI也不一样。正常情况下的ESI，是后面有个液相泵在推它，流速由它来决定。而做nanospray，没有泵，完全由电场来控制，电压降得多一点，流速就大一点；电压降得少一点，流速就小一点，需要想办法控制到nano-liter级别。
另外，ESI的灵敏度还有提高的空间，形成离子的过程虽没有浪费，液滴中的溶剂慢慢走掉，剩下溶质和电荷，溶质一点没有浪费；但只有不到百分之一的气化离子进入了质谱，大家都在想办法，目前都没有特别好的效果。”
无需样品制备的离子源
沈博士接下来谈了离子化技术这几年的新发展，主要是有关实现样品无需处理或分离，直接进行离子化的技术。
前面说过，电喷雾的实现条件，主要是液流和电场，形成包含样品和溶剂在内的带电液滴，然后液滴不断去溶剂、爆炸后形成样品的气态离子。普渡大学的Graham Cooks发明了DESI（Desorption electrospray ionization，最早文献：Science 15 October 2004，Vol. 306 no. 5695 pp. 471-473）技术；台湾的谢建台教授发明了ELDI（电喷雾辅助激光脱附离子化，electrospray-assisted laser desorption ionization，最早文献：Rapid Commun Mass Spectrom. 2005, 19, 3701-3704 ）。两者基本上借用电喷雾的原理，加上一些辅助的手段。DESI和ESI类似，但喷射出的只有溶剂，打在表面的样品上，吸附一些样品，再形成ESI过程。LESI电喷雾也是只喷出溶剂，激光打到样品上，样品蒸发起来，气体样品分子和电喷雾的分子作用，变成离子，原理还是电喷雾。
最近，普渡大学的欧阳正在今年ASMS上发表了Paper Spray（纸喷雾），把过滤纸剪成一个尖角，滴些液体，加几千伏高压形成电场后，也能在尖端形成电喷雾。（https://engineering.purdue.edu/BioMS/ionization.htm）
“在APCI基础上，我们发明了DSA离子源”。沈博士说。
APCI和ESI不同的是，APCI喷针不带电，喷出来的中性的气溶胶通过电阻丝加热器去掉溶剂，变成中性的气态分子。通过一个针尖进行辉光放电，产生很多离子。这些离子和气态的溶质中性分子起反应，从而离子化。所以，APCI是在气相发生的离子化，而ESI是在液相发生的离子化。
今年我们新推出的Field-Free DSA，可直接分析固体、液体和气体样品，而无需进行样品前处理。垂直配置时可进行气体和固体分析；水平配置时可以分析液体样品。“灵敏度好得令我自己也吃惊。”沈博士说。
沈博士在今年BCEIA学术会议的质谱分会上，详细介绍了DSA的原理和应用，包括：分析气体、液体、固体样品；正离子和负离子化；灵敏度和检测限考察；定量能力考察；加入NH4+后的影响等。报告中非常有意思的一个应用是测定美元纸钞上的可卡因。选择市场上流通的美元纸钞，直接用DSA（质谱用AXION 2 TOF）测定是否有可卡因，下图每个样本采样10秒钟，发现小值纸币（1、5、20美元）上都有可卡因，100美元上没有；而20美元的浓度比5美元的高19倍。后了解后得知，100美元纸币美国联邦要跟踪，毒贩不敢直接用做交易；20美元的面值最为合适，大量用于街头交易，故浓度最高。应考虑到，这是随机取样的货币，用DSA测试的结果却是完全一致地符合上述规律。
安装在AXION 2 TOF MS上的DSA源
DSA直接分析离子源垂直配置示意图 DSA直接分析离子源水平配置示意图
用DSA测定美元纸钞是否含可卡因，纸钞面值分别为：1、5、20、100美元，每个样品测定10秒钟。100美元中未含可卡因，20美元中含量最高，比5美元的可卡因含量高19倍
沈博士也谈到了另一种直接分析技术DART，DART是用亚稳态的原子（如He）释放能量给中性分子的样品，使其电离。
小公司生存之道
AoB是个神奇的小公司，几十年生存得很好。当笔者问到其生存之道，沈博士谈到几点：
（1）有很多创新的ZL；
（2）保持很好的财务。“美国很重视ZL，我们的财政很好。事实上，AoB从创建开始的22年来，没有用任何投资、也没有任何外债，且每年都有红利。”
（3）不跟大公司竞争。“虽然我们也是质谱公司，但我们恰没有marketing people或salesmen，我们重点做customize 及OEM。”
从实验室到产品：漫长的过程
“过程非常漫长。”沈博士如此作答。
“真正把实验室里的东西成功地变成产品，过程非常漫长，有ZL后，首先要生产prototype（原型），也就是把想法变成东西了把实验装置变成工业产品。然后这个东西要改进，什么地方不合适要改，改得差不多了，定下来，这个阶段叫做Preproduction（生产前），下一步就是在β site测试仪器，即找一些有代表性的的大学、实验室，请他们来试用，然后再反馈回来，再改仪器，然后变成Production（产品）。这个周期很长，当然这个周期还需考虑：设计的产品要容易操作、容易维修、控制成本、设计要合理，软件要非常友好等。所以这个周期一般都很长，最后才能正式向市场发布产品。
有些公司因为缺资金，到Preproduction就开始卖了，卖了后怨声载道，这个实际上是很致命的，再起来就很难了。新的东西，人家一试不好，就会传得很快！大家传来传去，你就永远也翻不了身了。
所以，美国人在这方面做得很稳重。AoB这方面是得天独厚的，我们资金没问题；所以我们步伐放慢，精益求精。我在这个公司已经23年，一直这样做，就算小到很小的一个离子源，也要精益求精。因为新产品要有体验时间，目标就是：只要一出厂，就一定是过硬的。比如AxION，我们已积累了20年的技术，但从接受雅培订单到成形，也用了两年半到三年的时间。”
对中国质谱研发说几句话
“一定要国家投资、大力扶持！”沈博士如是说。
“质谱看起来不起眼，但技术很复杂，包括精密机械、真空、电子、检测技术、数码处理技术等，加上软件要求非常全面。
民营企业在做，但企业的目的是赚钱不可能耗资费时地打持久战。结果上马二年就出产品，势必是重复性的低档产品。对于质谱这样复杂的技术，花精力、投资、建立团队，掌握最前沿的新技术是要有相当长的时间的。我认为国家应该拿出一笔钱来，组织一个团队，固定一批人，一环一环地专门做，直至在各个领域里都和人家不相上下，才能制造出高端精品的质谱。”
【编后语】听沈世达博士一席话，收获很多，回来却消化了很长时间，以尽力保证尊重沈博士的原意、ESI和质谱发展的历史。PerkinElmer奉献给业界的两款质谱，看似简单，但却是AoB公司几十年精益求精的结果。
如果您想更好地解决TOF内标校正的问题；更好地提高灵敏度、尤其是TOF低分子量的灵敏度；获得更快的采集结果；更好地解析源内CID的结果；直接分析样品并获得高灵敏度，希望沈博士亲手打造的LC/MS可以帮上您的忙……
人物简介：
沈世达，毕业于中国科技大学，获化学物理学士学位；在耶鲁大学化学工程系获得博士学位，师从Nobel化学奖获得者John Fenn教授，并随后加入Analytica of Branford,Inc.(AoB)公司。1989－2009年，在AoB公司（Analytica of Branford, Inc.），曾任高级科学家，首席研究员，项目经理和远东地区的总经理。2009年至今，在PerkinElmer质谱研发中心（Center of Excellence for Mass Spectrometry, PerkinElmer, Inc.）任高级科学家，项目领导人。发表超过30篇文献，拥有5项美国ZL。他拥有多项质谱离子源及相关技术的发明ZL，是华人中从事质谱研发的代表人物。担任的社会职务有：美国质谱学会会员；在美国华人质谱学会中担任2004－2007年的会长，2007年至今担任董事局副主席。任浙江大学的兼职教授。在PerkinElmer收购AoB后，沈博士领导了AxION 2 TOF MS的研发和制造，和最新的DSA直接分析离子源。
相关产品： AxION 2 TOF MS飞行时间液质联用仪
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