高灵敏ESI源基础理论研究及在低丰度蛋白分析中的应用

By theoretical study and numerical simulation of Tailor cone ionization flow field distribution at ESI spout and gas flow field in the ion source chamber, with consideration of perturbation of fog drop explosion, rapid endothermic behavior and solvent evaporation during ionization procedure, the project aim to optimize the structure of ESI spout, introduction mode of auxiliary gas, structure of ionization chamber and temperature field distribution, in order to generate a stable flow field along axis. The spout located in this stable field can improve the stability of ionization and reduce the noise of Mass Spectrometer (MS) substantially, resulting increase of signal-to-noise ratio about 2-6 times. .Study of transfer behavior of charge and energy during ionization process, and explore the addition of small amount of supplementary gas for possible increase of ionization efficiency, expecting further improve detection sensitivity. .Based on the theoretical study, a new designed prototype ESI source with higher stability and longer life time will be develop, and installed onto commercial MS to replace the commercial ESI source. The ESI source will be evaluated by analyzing low abundance of peptides by micro-LC-MS.

通过理论研究和数值模拟电喷雾喷口泰勒锥雾化流场分布和离子源雾化室中的气体流场分布，考虑液体雾化过程的快速吸热效应、爆裂及溶剂蒸发行为对流场的微扰，优化设计电喷雾喷口结构、辅助气引入方式、雾化室结构，温度场分布，使得流场出现轴向稳定域。将喷口置于这个稳定域内，提高雾化的稳定性，使质谱的噪音降低2至6倍，提高质谱检测信噪比2至6倍。.在此基础上，进一步研究离子化过程的能量与电荷转移行为，探索添加少量助反应气体，增强能量转移效率，提高离子化效率，以期进一步提高质谱的检测灵敏度。.在上述理论研究的基础上，研制出稳定性更高、喷口寿命更长的电喷雾离子源装置，并安装在商品质谱仪上替代原有的商品离子源。将micro-LC与之联用，分析低丰度肽类作为研究成果的验证。

本项目针对目前电喷雾离子源稳定性差、雾滴混返流等问题，建立了ESI源中流体的输运模型，并用于模拟泰勒锥的形成及带电液滴的产生、碎裂等过程，说明了不同雾化室结构及不同的辅助气体引入方式昌盛的产生的雾化室中的气体流场分布，也描述了毛细管电压、离子源温度、溶液表面张力等对液滴碎裂的影响。基于能量最小化原理，建立了ESI源中的样品离子化能量转移理论，为优化不同结构与形态样品的质谱检测，了解离子化的真实过程提供了一种可能的依据，说明了不同辅助气对样品质谱信号强度的影响规律。在理论指导的基础上，研制了3种新型电喷雾离子源，包括可用于Thermo-Fisher公司的UF-ESI-TM、用于AB公司UF-ESI-ABS以及介质阻挡放电增敏纳喷离子源（DBD-nanoESI）；将其用于蛋白质组学定性和定量研究中，同商品化离子源相比，研制的新型电喷雾离子源具有更高的喷雾稳定性和更高的检测灵敏度，对标准肽段的检测灵敏度可提高10倍以上；蛋白质的鉴定数量可提高20%以上，可重复且定量到的肽段数目提高了60%。另外核酸样品能够与多肽以及组蛋白混合样品同时分析且互不干扰，为核酸以及核酸-蛋白复合物的生物学功能研究提供一条有用的新方法。相关工作发表SCI论文46篇，申请发明专利19项，授权专利3项，培养研究生11名。