声波聚焦调控电喷雾羽流：提升质谱检测灵敏度的新策略

为解决电喷雾电离(ESI)质谱分析中离子传输效率低的问题，台湾清华大学研究人员创新性地利用会聚声波束调控电喷雾羽流。通过高速成像证实低频声波可选择性偏转不同尺寸微滴，在线质谱实验显示该方法能显著增强多肽和蛋白质信号强度（最高增强3.59倍）。该研究为发展新型ESI-MS接口技术提供了重要思路，在生物分子检测和材料科学领域具有应用潜力。

　　

在当代分析化学领域，电喷雾电离(ESI)技术已成为质谱(MS)分析不可或缺的离子化手段。这项技术虽然能够高效地将液态样品转化为气相离子，但其实际应用却面临着一个长期存在的瓶颈问题——离子传输效率低下。研究表明，传统ESI系统中仅有不到0.1%的样品分子最终能被质谱检测到，这意味着绝大部分分析物在传输过程中"消失"了。造成这种惊人损耗的主要原因包括：电喷雾过程中产生的微滴空间分布分散，不同尺寸微滴的动力学行为差异，以及质谱进样口的狭窄几何限制。更令人困扰的是，不同化学性质的化合物在电喷雾过程中还会表现出明显的"歧视效应"，这进一步加剧了定量分析的挑战。

针对这些棘手问题，台湾清华大学的研究团队独辟蹊径，将声学调控的概念引入电喷雾质谱系统。研究人员设想：如果能用声波精确操控电喷雾羽流中微滴的运动轨迹，就可能实现两个关键突破——一方面通过聚焦羽流提高离子传输效率，另一方面利用声波对不同尺寸微滴的选择性作用来改善分析性能。这项创新研究以"Shaping electrospray plume with convergent sound beams"为题发表在《iScience》杂志上，为质谱技术发展提供了全新思路。

研究团队采用了多学科交叉的技术路线，主要关键技术包括：1）搭建可产生20-500 Hz低频声波的电子控制系统（含大功率扬声器和多扬声器阵列）；2）开发高速显微成像系统（10,000帧/秒）实时追踪微滴运动；3）构建在线ESI-MS分析平台，系统评估声波对多肽、蛋白质和聚合物等不同分析物的信号影响；4）使用法拉第盘测量离子电流变化，定量表征声波作用效果。

在"High-speed imaging of charged microdroplets deflected by sound"部分，研究人员通过高速成像首次直观揭示了声波对电喷雾微滴的调控规律。当施加100 Hz低频声波（振幅1 V）时，直径50μm的微滴可产生800μm的明显偏转，而75μm的微滴偏转幅度则小得多（<500μm）。这种尺寸选择性效应在声波振幅增至5 V时更为显著，此时小尺寸微滴的偏转距离可达1 mm。有趣的是，当频率超过200 Hz后，微滴偏转现象几乎消失，这表明低频声波对微滴运动具有特殊调控优势。

"On-line MS analyses using single woofer and four woofers"章节展示了声波调控对质谱信号的显著影响。使用单个大扬声器时，20-80 Hz低频声波可使三肽信号增强，但在100-400 Hz区间却导致信号下降。研究人员认为这是因为低频声场既能通过微滴振荡运动提高传输效率，又会因强声压和气流导致部分微滴损失。相比之下，四扬声器阵列在20-200 Hz范围内展现出更稳定的信号增强效果（增强因子1.5-3倍），这得益于对称声场的会聚作用使电喷雾羽流更加准直。特别值得注意的是，对于含有10个重复单元的HPF多肽(HPF₁₀)，其信号在35 Hz声波作用下增强了3.59倍，且日间精密度达到18.7%，展现出良好的分析重现性。

在"Further verification of analyte partitioning to droplets of different sizes"验证实验中，研究团队通过巧妙的空间偏移实验证实了分析物在电喷雾羽流中的分区现象。疏水性较强的苯丙氨酸和IPI三肽倾向于分布在羽流外围区域，而亲水性氨基酸（如赖氨酸）和GGG三肽则集中在羽流中心。这一发现为理解声波选择性调控机制提供了重要依据——不同化学性质的分析物会富集在不同尺寸的微滴中，而声波可对这些微滴产生差异化作用。

研究结论部分指出，这项工作从物理化学角度深入阐释了声波-微滴-分析物的多重相互作用机制。低频声波（20-200 Hz）通过两种独特方式改善ESI-MS性能：1）单扬声器产生的单向声场可选择性去除小尺寸微滴，减少空间电荷效应，提高大分子传输效率；2）多扬声器阵列产生的会聚声场能准直电喷雾羽流，使更多分析物进入质谱进样口。这些发现不仅为发展新型离子源技术奠定了理论基础，也为解决质谱分析中的基质干扰问题提供了新思路。研究人员特别强调，虽然声波调控会带来约75 dB的环境噪声，但通过简单的隔音措施即可解决，这使该技术具有较好的实用前景。

这项研究的创新价值在于首次将声学聚焦概念系统应用于电喷雾质谱系统，突破了传统电场调控的思维局限。未来，通过优化扬声器阵列排布和声场参数，还可能进一步发展出具有分子量选择性的新型离子源，为复杂样品分析开辟新途径。从更广阔的视角看，这种声波调控策略也可望拓展至纳米材料制备、药物递送等电喷雾相关领域，展现出跨学科研究的强大生命力。