电子轰击电离(Electron Impact Ionization)源,又称电子电离(Electron Ionization, EI)源,是质谱仪器早期发展的一种重要的气相电离源。其原理是在高真空条件下,对灯丝(如: 钨丝)施加高压,使灯丝被加热并向外发射电子,经过加速电场的作用,电子会向接收电极加速运动。在此过程中,部分电子与待测物样品分子发生碰撞,当电子能量高于待测物样品分子的电离能时,待测物样品分子会被电离形成待测物样品离子。EI 使用的电子能量为 70 eV,待测物样品在电离过程中会被严重碎片化。EI 采用70 eV 来源于三方面原因:
(1)所有原子和分子的电离能均不超过 70 eV。因此,具有 70 eV 能量的电子可以电离所有原子和分子。由 70 eV 的 EI 源产生的离子种类繁多,包括分子离子、碎片离子、多电荷离子、重排离子以及亚稳态离子等多种形式;
(2)EI 的电离截面在电子能量为 70 eV 时达到最大,这意味着最大的电离效率,并且电子能量在 70 eV附近时,电离截面变化不大,所以电子能量小范围的波动对 EI 的影响可以忽略不计,实际上,EI 在 60-80 eV 时都可以正常工作;(3)当电子能量为 70 eV 时,EI 谱图的重现性较好,有利于建立各种化合物的标准 EI 谱图库(如: NIST 库和 Wiley 库)。通过将收集到的谱图与这些标准库进行比对,可以利用未知化合物的碎片进行基于统计的分子识别,从而便于获取未知化合物的分子信息,这一优势使得 GC-EI-MS 成为一种广泛应用的检测方法。
然而对于在线检测的直接质谱分析中,EI 存在以下缺点:
(1)不稳定化合物的分子量信息缺失是 EI 的一个严重缺点,不利于未知物的定性识别。对于复杂的有机混合物,EI-MS 需要 GC 等预分离方法,否则重叠的碎片峰很难识别出单个化合物的质谱信息。
(2)由于 EI 的电离能量较高,大气中的无机成分,如 N2、O2和 CO2均可被电离,在低质量端会有较高的噪声。
(3)由于不同分子的电离截面差别较大,单个化合物的定量也较为复杂。EI 源的分子离子产率低,大多为碎片离子,在分析复杂基质的样品时,造成碎片离子相互重叠,加大谱图的解析难度。为了避免过多的碎片离子使谱图复杂化,
Maccoll 和 Ludanyi 等人对 12-15 eV 的低能 EI 进行研究,低能 EI 的电子
能够将大多数气体分子电离,由于其碰撞能量稍高于气体分子的电离能,因此
不会产生大量碎片离子,质谱图较为简单,有利于质谱的在线直接解析。但是,12-15 eV 低能 EI 源的电离截面非常小,会造成灵敏度的大幅降低。此外,传统 EI 源采用加热的灯丝作为电子束源,为了保护灯丝免受氧化损害,电离源腔体必须维持较高的真空度,这限制了仪器的检测灵敏度。尽管如此,在质谱仪器最初的几十年里,低能 EI 源仍然是降低碎片化的唯一途径。