化学游离法

化学游离是一种用于质谱分析的电离技术。并于1966 年首次被Burnaby Munson 和 Frank H. Field提出 。化学游离法属于分子化学中气态离子的应用之一。反应的气体分子(例如：甲烷或氨气)经由电离形成反应离子，用于质谱分析。化学电离法的常见应用包含以下：阴性化学游离(NCI)、电荷交换化学电离、大气压力化学游离(APCI)和大气压力光学游离(APPI)。而化学电离法普遍应用在有机化合物的鉴定、结构的定性与定量以及应用于生化分析中。其中，待分析样本必须是蒸气的形式，如果是在液态或固态的情况下，须在样本进入分析前先进行气化。

操作原理

相较于电子撞击游离(EI) ，化学电离过程通常赋予分析物分子更少的能量，因此产生更少的碎片以及更简单的光谱。 借由选择适当的试剂，可以在一定程度上控制碎片的数量。过程中所产生的结构信息量，除了一些特征性碎片离子峰外，化学电离所产生的光谱通常具有可识别的质子化分子离子峰 [M+1]⁺，借此确定分子量。因此，如果在 电子撞击游离法中产生过度碎裂的分析物导致分子离子峰变弱或完全不存在的情况下，可以化学电离法作为替代技术。

仪器

化学电离法中的游离源设计与电子撞击游离法的十分相似。为了使离子与分子之间能充分反应，腔室内会保持相对气密，使压力保持在约1torr下。加热源是透过加热钨、铼制成的金属灯丝，在电子通过加热源之后，使其拥有高能量能在腔室中传播更远的距离。同时，化学电离法不需要磁铁与电子捕捉阱，因为电子束并不会传播至腔室的尾端。此外，腔室内的压力会保持在小于10^-4torr。

机制

化学电离法通常利用气相酸碱反应，离子通过分析物与离子源中的反应气体离子碰撞而产生，通常反应器气体的量会远大于分析物。常见的反应气体包含：甲烷、氨、水和异丁烷。当能量约为 200-500 eV进入游离源之后便优先经过电离反应出气体，待离子与分子反应形成更稳定的试剂离子之后，再与其他试剂分子碰撞产生离子体。分析物的正、负离子便是透过这样的过程形成的。

以下使用甲烷作为反应气体发生以下反应：

初级离子形成

${\ce {CH4{}+e^{-}->CH4^{+\bullet }{}+2e^{-}}}$

次级试剂离子生成

${\ce {CH4{}+CH4^{+\bullet }->CH5+{}+CH3^{\bullet }}}$

${\ce {CH4 + CH3^+ -> C2H5+ + H2}}$

产物离子生成

${\ce {M + CH5+ -> CH4 + [M + H]+}}$   (质子化)

${\ce {AH + CH3+ -> CH4 + A+}}$    (${\ce {H^-}}$ 抽象化)

${\ce {M + C2H5+ -> [M + C2H5]+}}$    (加成物形成)

${\ce {A + CH4+ -> CH4 + A+}}$    (电荷交换)

如果使用氨作为反应气体，则会发生以下反应：

${\ce {NH3{}+e^{-}->NH3^{+\bullet }{}+2e^{-}}}$

${\ce {NH3{}+NH3^{+\bullet }->NH4+{}+NH2}}$

${\ce {M + NH4^+ -> MH+ + NH3}}$

异丁烷作为反应气体，则发生以下反应：

${\ce {C4H10{}+e^{-}->C4H10^{+\bullet }{}+2e^{-}}}({\ce {+C3H7+}}{\text{and other ions}})$

${\ce {C3H7^{+}{}+C4H10^{+\bullet }->C4H9^{+}{}+C3H8}}$

${\ce {M + C4H9^+ -> MH^+ + C4H8}}$

如果试剂离子是分析物的电离形式，则可能发生自化学电离。

优势与限制

当电子产生高能离子透过碰撞其他分子离子将能量传递给中性分子。利用控制反应气体来使得分析物的碎片更少，借此来确定未知分析物的分子量。CI与其他电离法相较之下，他的光谱更为简单且灵敏。另外，化学电离法可以与色谱分离技术结合，进而提高化合物定性的实用性。然而这种方法仅适合于挥发性化合物。且因为碎片较少，能获得的信息量也会较少。

应用

常用作有机化合物结构定性。因为透过[M+1]⁺ 的形成，消除了一个稳定的分子，该分子可用于猜测官能基。除此之外，化学电离法因为碎片较少有助于检测分子离子峰。将化学电离与气相色谱 (GC)、高效液相色谱 (HPLC) 和毛细管电泳 (CE)做结合，化学电离还可用于定性与定量样本中的分析物，有利于混合物中选取电离分析物从而取得更为准确的结果。

变因

阴性化学游离

气相分析的化学电离可以是阳性与阴性。 大部分的中性分析物都可以通过上述反应形成阳离子。

为了看到阴性化学电离（NCI，也称为 NICI）的反应，分析物必须能够产生负离子（稳定负电荷），例如通过电子捕获电离。由于并非所有分析物都能做到这一点，因此使用阴性化学电离可提供一定程度的选择性，这也是其他电离技术（EI、PCI）所不具备的。另外，阴性化学电离可用于分析含有酸性基团或阴性元素（尤其是卤素）的化合物。同时， 阴性化学电离更对氧化剂和烷化剂具有更高的灵敏度。

由于卤素原子的高负电性，阴性化学电离是分析上常见的选择。这包括多组化合物，例如多氯联苯、杀虫剂和阻燃剂。这些化合物中的大多数是环境污染物，因此大部分的阴性化学电离分析是在一般环境分析下进行的。在需要非常低的检测限的情况下，经常使用与气相色谱仪耦合的电子捕获检测器来分析环境有毒物质，例如卤化物质、氧化剂和烷化剂。

负离子经由热能电子的共振、低能电子的解离以及质子转移、电荷转移和氢化物转移电浆-分子相互作用形成。与其他阴离子分析技术相比，阴性化学电离可以在没有溶剂的情况下监测阴离子的反应性，且电子亲和力和低价的物质也可以通过这种技术来定性。

电荷交换化学电离

这也与阴性化学电离相似，不同之处在于产生具有奇数电子的自由基阳离子。 反应气分子被高能电子撞击，产物反应气态离子从分析物中提取电子以形成自由基阳离子。 常见于此反应的气体包含以下：甲苯、苯、一氧化氮、氙、氩和氦。

选择适当的反应气体，并考虑反应气体的自由基阳离子的共振能量与分析物的电离能之间的差异，可应用于控制碎片。

电荷交换化学电离的反应如下：

大气压力化学游离

大气压化学电离 (APCI)，通常使用水作为反应气体。游离源由液相色谱出口、淋洗液雾化、加热蒸发管、电晕放电针和 10⁻³ torr真空的针孔入口组成。分析物是气体或液体喷雾，电离是使用大气压力下的电晕放电完成的。这种电离方法通常与高效液相色谱法相结合，其中含有冲提分析物的移动相高流速的氮气或氦气喷洒，气溶胶喷雾经电晕放电以产生离子。它适用于极性相对较小且热稳定性较差的化合物大气压化学电离 和 化学电离的差异在于 大气压化学电离 是在大气压下进行的，因此，碰撞频率更高，可以提高灵敏度和电离效率。

参考资料

1. Fales HM, Milne GW, Pisano JJ, Brewer HB Jr, Blum MS, MacConnell JG, Brand J, Law N. Biological applications of electron ionization and chemical ionization mass spectrometry. Recent Prog Horm Res. 1972;28:591-626. PMID 4569234.[1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

2. Frank H. Field Chemical ionization mass spectrometry 1968 1 (2), 42-49 DOI: 10.1021/ar50002a002 （页面存档备份，存于互联网档案馆）

3.Alex. G. Harrison (15 June 1992). Chemical Ionization Mass Spectrometry, Second Edition. CRC Press. pp. 1–. ISBN 978-0-8493 （页面存档备份，存于互联网档案馆）-4254-7.

4."Mass Spectrometry Facility | CI". www.chm.bris.ac.uk. Retrieved 2022-04-30.[2] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

5. Hunt, Donald F.; McEwen, Charles N.; Harvey, T. Michael. (2002). "Positive and negative chemical ionization mass spectrometry using a Townsend discharge ion source". Analytical Chemistry. 47 (11): 1730–1734. doi:10.1021/ac60361a011.[3] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

6.de Hoffmann, Edmond; Vincent Stroobant (2003). Mass Spectrometry: Principles and Applications (Second ed.). Toronto: John Wiley & Sons, Ltd. p. 14. ISBN 978-0-471-48566-7.[4] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

7.Dass, Chhabil (2007). Fundamentals of contemporary mass spectrometry ([Online-Ausg.]. ed.). Hoboken, N.J.: Wiley-Interscience. ISBN 9780470118498.[5] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

8.Sahba Ghaderi; P. S. Kulkarni; Edward B. Ledford; Charles L. Wilkins; Michael L. Gross (1981). "Chemical ionization in Fourier transform mass spectrometry". Analytical Chemistry. 53 (3): 428–437. doi:10.1021/ac00226a011.[6] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

9.Byrdwell, William Craig (2001-04-01). "Atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry for analysis of lipids". Lipids. 36 (4): 327–346. doi:10.1007/s11745-001-0725-5. ISSN 0024-4201. PMID 11383683.[7]

10.Dougherty R.C. (1981). "Negative chemical ionization mass spectrometry: applications in environmental analytical chemistry". Biomed. Mass Spectrom. 8 (7): 283–292. doi:10.1002/bms.1200080702. PMID 7025931.[8] （页面存档备份，存于互联网档案馆）

11.Dougherty, Ralph C. (2002). "Negative chemical ionization mass spectrometry". Analytical Chemistry. 53 (4): 625–636. doi:10.1021/ac00227a003.[9] （页面存档备份，存于互联网档案馆）