FlexESI：一种自动蒸汽切换接口，用于提升电喷雾离子化的灵活性和灵敏度

《ACS Measurement Science Au》：FlexESI: An Automated Vapor-Switching Interface for Enhanced Flexibility and Sensitivity in Electrospray Ionization

本文提出FlexESI自动化系统，可在纳米电喷雾电离质谱中动态切换多种气相添加剂（如酸和溶剂蒸气），优化离子信号。通过梯度引入酸性或溶剂性蒸气，系统实现了蛋白质构象变化的高灵敏度检测。该技术兼容液相色谱，显著提升复杂样本中低丰度成分的分析灵敏度和检测范围，并降低传统溶剂添加法的干扰。

　　在现代分析化学中，电喷雾电离（Electrospray Ionization, ESI）质谱（Mass Spectrometry, MS）技术因其高灵敏度和对复杂样品的兼容性，成为研究生物分子如蛋白质、多肽和小分子化合物的重要工具。然而，提高ESI-MS的检测性能和灵敏度一直是研究的热点。传统的改进方法通常是通过在样品溶液中添加化学试剂来增强离子化效率，例如加入酸或碱以促进分子的质子化或去质子化。然而，这些方法往往只能引入一种添加剂，限制了其在多组分样品分析中的应用。为了克服这一局限，本文提出了一种灵活的自动化系统——FlexESI，能够动态切换多种气相添加剂，从而显著提升分析的灵活性和灵敏度。

FlexESI的核心设计在于其能够通过气相方式引入多种化学添加剂，如酸和溶剂的蒸气，以实现对不同分析物的针对性增强。该系统通过一系列阀门控制，可以按需切换不同添加剂的引入路径，并在短时间内交替使用。这种动态控制机制使得研究人员可以在同一分析过程中测试多种添加剂的效果，而无需重复进行多次实验。同时，该系统还支持对添加剂浓度的精确调控，允许在不同浓度下进行实验，以优化信号强度和检测范围。相比传统的固定浓度方法，FlexESI的可变浓度引入策略不仅提高了分析的精准度，还避免了因固定浓度导致的信号损失问题。

在实验设计方面，本文采用了两种主要的气相添加剂引入方式：顺序引入（sequential delivery）和梯度引入（gradient delivery）。顺序引入方式下，每种添加剂依次被引入到电喷雾源中，研究人员可以观察不同添加剂对特定分析物的影响。例如，在对氨基酸和多肽的分析中，研究发现不同的气相添加剂对信号增强的效果存在显著差异。其中，丙酸（propanoic acid, PA）蒸气对氨基酸和多肽的信号增强效果最为显著，其增强因子（enhancement factor, EF）范围在3到15之间，表明其对多种分析物具有普遍的增强作用。相比之下，乙腈（acetonitrile, MeCN）蒸气则对大多数分析物产生了抑制作用，表明其在某些情况下可能并不适合用于信号增强。这一发现提示我们，在选择气相添加剂时，需考虑其与分析物之间的相互作用，包括化学性质、极性以及电离机制等。

梯度引入方式则允许在实验过程中逐步增加特定添加剂的浓度，从而实现对分析物的连续调控。这种策略在蛋白质分析中尤为重要，因为蛋白质的构象变化对电离条件高度敏感。通过逐步增加酸性蒸气（如丙酸、醋酸和富马酸）的浓度，研究人员能够实时监测蛋白质的电荷状态分布（Charge State Distribution, CSD）变化，从而推断其构象状态。例如，在对泛素（ubiquitin）和细胞色素c（cytochrome c）的分析中，随着酸性蒸气浓度的增加，蛋白质的CSD逐渐改变，表明其结构在不同浓度下发生了不同程度的展开。这一过程不仅提高了蛋白质的检测灵敏度，还为研究蛋白质的动态行为提供了新的视角。同时，梯度引入方式还适用于溶剂蒸气，如乙醇（ethanol, EtOH）和异丙醇（isopropanol, IPA），这些溶剂蒸气的引入可以影响蛋白质的电离过程，从而改变其CSD和信号强度。然而，乙腈蒸气对蛋白质的构象影响较小，且可能抑制某些分析物的信号，因此在蛋白质研究中需谨慎使用。

为了验证FlexESI的实用性，本文还将其与液相色谱（Liquid Chromatography, LC）结合，用于复杂样品的分析。在实际样品如蜂蜜的检测中，研究人员发现气相添加剂的引入显著提高了信号的检测范围和灵敏度。例如，在对蜂蜜样品进行分析时，仅暴露于气相添加剂的样品检测到了更多的化合物，且信号强度有所提升。这表明FlexESI不仅适用于纯样品的分析，还能有效应对复杂基质中的分析物，提高检测的全面性和准确性。此外，该系统还能够通过编程实现对不同时间点引入不同添加剂的控制，使得研究人员能够在不同分离阶段优化分析条件，从而实现对特定分析物的针对性增强。

FlexESI系统的构建依赖于一系列精密的电子控制组件，包括微控制器、继电器模块、直流-直流转换器以及多个 pinch 阀。这些组件协同工作，确保气相添加剂的精确引入和控制。例如，通过调节氮气压力，研究人员能够控制不同添加剂的流量，从而实现对气相浓度的精确调控。此外，系统还配备了专门的清洗步骤，以确保在每次实验前，所有通道均被彻底清洗，避免残留物对后续实验的影响。这种自动化清洗机制不仅提高了实验的重复性和可操作性，还减少了人为操作的误差，使得实验结果更加可靠。

在实际应用中，FlexESI系统展现出显著的优势。首先，它能够显著提升信号强度，特别是在检测低丰度化合物时，其增强效果尤为明显。其次，该系统通过动态切换添加剂，拓宽了检测范围，使得研究人员能够在同一实验中分析多种化合物。第三，FlexESI的自动化特性使得实验流程更加高效，减少了手动操作的时间和精力。最后，该系统与液相色谱的兼容性为复杂样品的分析提供了更多可能性，使得研究人员能够在不同分离阶段优化电离条件，从而获得更高质量的质谱数据。

FlexESI系统的成功应用表明，气相添加剂的动态调控在提升ESI-MS性能方面具有巨大潜力。通过灵活切换不同添加剂的类型和浓度，研究人员可以针对不同的分析需求，优化实验条件，从而提高检测的灵敏度和准确性。此外，该系统的自动化特性不仅简化了实验操作，还提高了实验的可重复性和数据的一致性。在蛋白质分析中，梯度引入酸性或溶剂性蒸气，使得研究人员能够实时监测蛋白质的构象变化，为蛋白质结构研究提供了新的工具。在小分子分析中，顺序引入不同添加剂，使得研究人员能够系统评估不同添加剂对信号增强的效果，从而选择最适合特定分析物的添加剂。

综上所述，FlexESI系统通过引入动态气相添加剂调控策略，显著提升了ESI-MS的检测性能和分析灵活性。其设计不仅考虑了化学添加剂的种类和浓度，还结合了自动化控制技术，使得实验过程更加高效和可靠。该系统的成功应用不仅为蛋白质结构研究提供了新的方法，还拓展了ESI-MS在复杂样品分析中的应用范围。随着该技术的进一步发展，预计将在生物医学、药物分析和环境监测等领域发挥更大的作用。