近日，我所仪器分析化学研究室质谱与快速检测研究中心（102组群）花磊研究员和李海洋研究员团队利用自主研发的光电离飞行时间质谱，发现了气压驱动的光电子电离与光电子彭宁电离的切换新现象，提出了一种通过射频电场的耦合和气压、载气的调节，拓宽电离范围和提升灵敏度的新方法。
为了提高电离效率并拓宽可检测分析物的范围，团队一直致力于开发基于真空紫外灯的电离源，在光电离机制研究（J. Phys. Chem. Lett.，2023；Anal.Chem.，2023；Anal.Chem.，2024）、新型复合光电离源技术开发（Anal.Chem.，2019；Sens. Actuator-B. Chem.，2021；Anal.Chem.，2023），以及光电离质谱在能源催化、生命健康、环境监测和食品安全等真实场景应用（Anal.Chem.，2021；Anal.Chem.，2023；Food Chem.，2023）等方面取得了系列进展。
本研究发现，在耦合射频电场的光电离源中，当气压从50Pa升高到500Pa时，随着电子能量逐渐降低，光电子的贡献从碰撞电离（PEI）产生反应物离子，引发离子-分子反应（即化学电离（CI）），逐渐过渡到碰撞激发（PEE）产生亚稳态原子/分子，进而引发彭宁电离（PenI）。彭宁电离可以灵敏地将电离能（IE）高于光子能量（10.6eV）的分析物电离，例如三氯甲烷（IE = 11.37eV）和二氧化碳（IE = 13.78eV）等，灵敏度与单光子电离相当；对于电离能低于光子能量的分析物，例如甲苯（IE = 8.83eV）等，灵敏度在单光子电离的基础上提升超过5倍。团队进一步研究了不同电离能分析物和不同激发能背景气的混合气体，揭示了亚稳态原子/分子对电离增强过程的贡献，建立了电场和气流场中的电子动能平衡方程，探究了电子能量分布与气压的关系，揭示了光电子电离与光电子彭宁电离切换的物理机制。本研究为开发新的高选择性和高灵敏的光电离源，以及理解其他放电电离源的电离机制提供了新思路。
相关研究以“Pressure-Driven Switching of Photoelectron Impact Ionization-Chemical Ionization/Penning Ionization in Vacuum Ultraviolet Photoionization Mass Spectrometry”为题，于近日发表在《分析化学》（Analytical Chemistry）上。该工作的第一作者是我所博士研究生于艺。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院科研仪器设备研制项目和我所创新基金等项目的支持。（文/图 于艺）
