泰勒锥尖端的库仑大爆炸:芬恩与高压电喷雾电离源(ESI)
1989 年 10月6日 · 3-5 kV 高压金属喷雾毛细管针头、加热脱溶剂不锈钢气帘管(Curtain Gas Assembly)与锥孔接地板
你知道吗?
给沉重的分子大象背上数十颗质子的羽翼,在瑞利极限崩塌的刹那引爆一场微观库仑雷暴;质荷比的除法魔术,把庞然巨物轻巧地送上了质谱的苍穹。
质谱仪的根本原理是让带电离子在电磁场中发生偏转,其测量的核心物理量是质荷比()。在20世纪80年代以前,四极杆质谱仪的检测上限通常只有可怜的 2000 到 4000 Da,而动辄几万到几十万道尔顿的完整大蛋白质在传统化学电离下只会带上一两个电荷,根本无法飞过四极杆。
耶鲁大学的老教授约翰·芬恩(John B. Fenn)用一套典雅的流体静电物理彻底撕碎了这道天花板。在电喷雾离子源(ESI)中,含微量甲酸的蛋白质溶液被推入施加了三千伏高压的不锈钢毛细管。在强静电拉扯下,针尖液滴被拽成圆锥形——著名的“泰勒锥(Taylor Cone)”。
泰勒锥尖端不断甩出携带过剩正电荷的亚微米微滴;微滴在干燥加热氮气帘的迎面吹拂下快速挥发,体积缩小导致表面电荷密度急剧飙升,最终突破表面张力抵抗静电斥力的“瑞利极限(Rayleigh Limit)”,引爆连锁剧烈的“库仑爆炸(Coulomb Fission)”!
大分子在溶剂脱除瞬间从液滴表面掠夺数十个质子,形成带有数十个电荷的多电荷离子群()。