轉(zhuǎn)載“質(zhì)譜簡論”

1、轉(zhuǎn)載質(zhì)譜簡論轉(zhuǎn)載質(zhì)譜簡論”2010年07月28日質(zhì)譜（又叫質(zhì)譜法）是一種與光譜并列的譜學(xué)方法，通常意義上是指 廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域中通過制備、分離、檢測氣相離子來鑒定化合物的一 種專門技術(shù)。質(zhì)譜法在一次分析中可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，將分離技術(shù)與質(zhì)譜 法相結(jié)合是分離科學(xué)方法中的一項突破性進(jìn)展。在眾多的分析測試方法中，質(zhì) 譜學(xué)方法被認(rèn)為是一種同時具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛應(yīng)用的普適 性方法。質(zhì)譜儀器一般由樣品導(dǎo)入系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測器、數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)等部分組成。質(zhì)譜-發(fā)展史早在19世紀(jì)末，E.Goldstein在低壓放電實驗中觀察到正電荷粒子， 隨后W.Wein發(fā)現(xiàn)正電荷粒子束在

2、磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這些觀察結(jié)果為質(zhì)譜的誕生 提供了準(zhǔn)備。世界上第一臺質(zhì)譜儀于1912年由英國物理學(xué)家Joseph John Thomson（1906年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、英國劍橋大學(xué)教授）研制成功；到 20世紀(jì) 20年代，質(zhì)譜逐漸成為一種分析手段，被化學(xué)家采用；從 40年代開始，質(zhì)譜 廣泛用于有機(jī)物質(zhì)分析；1966年，MSB, Munson和F.H. Field 報道了化學(xué)電 離源（Chemical lonization，CI），質(zhì)譜第一次可以檢測熱不穩(wěn)定的生物分子；到了 80年代左右，隨著快原子轟擊（FAB、電噴霧（ESI）和基質(zhì)輔助激光解 析（MALDJ等新“軟電離”技術(shù)的出現(xiàn)，質(zhì)譜能用于

3、分析高極性、難揮發(fā)和熱 不穩(wěn)定樣品后，生物質(zhì)譜飛速發(fā)展，已成為現(xiàn)代科學(xué)前沿的熱點之一。由于具 有迅速、靈敏、準(zhǔn)確的優(yōu)點，并能進(jìn)行蛋白質(zhì)序列分析和翻譯后修飾分析，生 物質(zhì)譜已經(jīng)無可爭議地成為蛋白質(zhì)組學(xué)中分析與鑒定肽和蛋白質(zhì)的最重要的手 段。質(zhì)譜法在一次分析中可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，將分離技術(shù)與質(zhì)譜法相 結(jié)合是分離科學(xué)方法中的一項突破性進(jìn)展。如用質(zhì)譜法作為氣相色譜（GC的檢測器已成為一項標(biāo)準(zhǔn)化GC技術(shù)被廣泛使用。由于GC-MS不能分離不穩(wěn)定和 不揮發(fā)性物質(zhì)，所以發(fā)展了液相色譜（LC）與質(zhì)譜法的聯(lián)用技術(shù)。LC-MS可以 同時檢測糖肽的位置并且提供結(jié)構(gòu)信息。1987年首次報道了毛細(xì)管電泳（CE 與質(zhì)譜的

4、聯(lián)用技術(shù)。CE-MS在一次分析中可以同時得到遷移時間、分子量和碎 片信息，因此它是LC-MS的補充。在眾多的分析測試方法中，質(zhì)譜學(xué)方法被認(rèn)為是一種同時具備高特異 性和高靈敏度且得到了廣泛應(yīng)用的普適性方法。質(zhì)譜的發(fā)展對基礎(chǔ)科學(xué)研究、 國防、航天以及其它工業(yè)、民用等諸多領(lǐng)域均有重要意義。質(zhì)譜-軟電離技術(shù)質(zhì)譜隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)80年代以來，有4種軟電離技術(shù) 產(chǎn)生，分別為等離子體解吸（PD-MS、快原子轟擊（FAB ）、電噴霧（ESI） 和基質(zhì)輔助激光解吸/電離（MALDJ。等離子體解吸的原理是：采用放射性同位素的核裂變碎片作為初級粒 子轟擊樣品使其電離，樣品以適當(dāng)溶劑溶解后涂布于0.5-

5、1卩m厚的鋁或鎳箔上,核裂變碎片從背面穿過金屬箔，把大量能量傳遞給樣品分子，使其解吸電離。在制備樣品時，采用硝化纖維素作為底物使得PD-MS可用以分析分子量高達(dá)14000的多肽和蛋白質(zhì)樣品。快原子轟擊的原理是，一束高能粒子，如氬、氙原子，射向存在于液 態(tài)基質(zhì)中的樣品分子而得到樣品離子，這樣可以得到提供分子量信息的準(zhǔn)分子 離子峰和提供化合物結(jié)構(gòu)信息的碎片峰?？煸愚Z擊操作方便、靈敏度高、能 在較長時間里獲得穩(wěn)定離子流。當(dāng)用于絕大多數(shù)生物體中寡糖及其衍生物的分 析時，可測分子量達(dá)6000。而且在該質(zhì)量范圍內(nèi)，其靈敏度遠(yuǎn)高于在15000范圍內(nèi)新一代全加速儀器的靈敏度。此外，Camim等采用FAB-M

6、S分析從Hafniaalvei中得到的四個寡糖組分，檢測到了 NMR不能觀測到的寡糖、并揭示了寡 糖結(jié)構(gòu)的非均一性。電噴霧電離的原理是：噴霧器頂端施加一個電場給微滴提供凈電荷； 在高電場下，液滴表面產(chǎn)生高的電應(yīng)力，使表面被破壞產(chǎn)生微滴；荷電微滴中 溶劑的蒸發(fā)；微滴表面的離子“蒸發(fā)”至V氣相中，進(jìn)入質(zhì)譜儀。為了降低微滴 的表面能，加熱至200250C，可使噴霧效率提高。FAB-MS可以顯示碎片離 子，但只能產(chǎn)生單電荷離子，因此不適用于分析分子量超過分析器質(zhì)量范圍的 分子。ESI可以產(chǎn)生多電荷離子，每一個都有準(zhǔn)確的小m/z值。此外還可以產(chǎn)生多電荷母離子的子離子，這樣就可以產(chǎn)生比單電荷離子的子離子更

7、多的結(jié)構(gòu) 信息。而且，ESI-MS可以補充或增強由FAB獲得的信息，即使是小分子也是 如此。質(zhì)譜儀基質(zhì)輔助激光解吸離子化質(zhì)譜(Matrix-assisted laser desorpti on ionization mass spectrometry，MALDI-MS)是 19 世紀(jì) 80 年代末問世并迅速發(fā)展起來的質(zhì)譜分析技術(shù)。這種離子化方式產(chǎn)生的離子常用飛行時間(time offlight ，TOF臉測器檢測，因此MALDI常與TOF 起稱為基質(zhì)輔助激光解吸離 子化飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS) MALDI-TOF-M技術(shù)，使傳統(tǒng)的主要用于小 分子物質(zhì)研究的質(zhì)譜技術(shù)發(fā)生了革命性的

8、變革，從此邁入生物質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展新 時代。該技術(shù)的特點是采用被稱為“軟電離”方式，一般產(chǎn)生穩(wěn)定分子離子， 因而是測定生物大分子分子量的有效方法，廣泛地運用于生物化學(xué)，尤其對蛋 白質(zhì)、核酸的分析研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。MALDI-MS在糖研究中的應(yīng)用，也顯示出一定的潛力和應(yīng)用前景。另外在高分子化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、金屬有機(jī)化 學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域也顯示出獨特的潛力和應(yīng)用前景，已經(jīng)成為廣大科技工作者研 究于分析大分子分子質(zhì)量、純度、結(jié)構(gòu)的理想工具。其廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)領(lǐng) 域，質(zhì)譜-樣品導(dǎo)入質(zhì)譜方法的一個重要特點就是它對各種物理狀態(tài)的樣品都具有非常高 的靈敏度，而且在一定程度上與待測物分子量的大小無關(guān)。但是，因

9、為質(zhì)譜儀 的質(zhì)量分析器安裝在真空腔里，分析樣品只有通過特定的方法和途徑才能被引 入到離子源，并被離子化，然后被引入質(zhì)量分析器進(jìn)行質(zhì)量分析。一般把所有用于完成這種樣品引入任務(wù)的部件統(tǒng)稱為樣品引入系統(tǒng)。而樣品引入方式則可 分為直接引入法和間接引入法。間接引入法又可細(xì)分為色譜引入、膜進(jìn)樣等。質(zhì)譜分析原理直接引入法是將低揮發(fā)性樣品直接裝在探針上，將探針?biāo)腿胝婵涨粌?nèi)， 然后給探針通大電流加熱，使探針的溫度急劇上升至數(shù)百度（一般不超過 400 C）,樣品分子受熱后揮發(fā)形成蒸氣，該蒸氣受真空腔內(nèi)真空梯度的作用 被直接引入到離子源中離子化。由于溫度對樣品的揮發(fā)度影響較大，需精確控 制溫度，但這也使固體選擇性進(jìn)

10、樣成為可能。這種方法主要適合于較低揮發(fā)性、 熱穩(wěn)定性好的樣品。而對于難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定樣品，主要采用解吸電離（DI）的辦法。色譜法是質(zhì)譜中應(yīng)用最多的樣品間接引入法，這種進(jìn)樣系統(tǒng)的研究熱 點之一就是質(zhì)譜和色譜之間的接口技術(shù)。GC的樣品可通過毛細(xì)管直接導(dǎo)入到質(zhì)譜的離子源。如果GC的載氣流量較大，可在離子源前面加一級真空或者采用噴 射式分離器來分流載氣（如 He等小分子氣體）和富集待測物。LC-MS常采用 電噴霧技術(shù)從色譜流出物中提取樣品同時進(jìn)行樣品的引入，該方法的優(yōu)點在于 它不需對儀器進(jìn)行復(fù)雜的維護(hù)和調(diào)試，而且具有很高的靈敏度和極快的響應(yīng)速 度。除了經(jīng)典的GC LC被用于質(zhì)譜樣品引入外，超臨界流體色

11、譜（SFC和毛 細(xì)管電泳（CE也可與質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用，大大擴(kuò)大了樣品引入的靈活性。如果采 用DI技術(shù)，則薄層色譜、紙色譜等都可用到質(zhì)譜分析中來，在效率允許的情況 下，可大大降低成本。質(zhì)譜儀近年來，隨著質(zhì)譜在環(huán)境分析中的普及，膜進(jìn)樣技術(shù)逐漸得到重視。 在常見的膜進(jìn)樣系統(tǒng)中，大多采用硅聚合物制作半透膜，這種半透膜能夠讓某 些小分子有機(jī)物通過膜壁進(jìn)入真空系統(tǒng)，而樣品中大量的基體、溶劑則不能透 過，因此，膜進(jìn)樣技術(shù)（Ml）特別適宜于對低含量待測物的連續(xù)在線監(jiān)測，如 MI-MS,可望在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等方面獲得良好的應(yīng)用。在質(zhì)譜儀器的校正和有機(jī)物結(jié)構(gòu)鑒定中經(jīng)常用到爐式或池式進(jìn)樣，絕 大多數(shù)的商品儀器都配備

12、了這種進(jìn)樣系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠長時間提供穩(wěn)定的樣品濃度，方便對儀器進(jìn)行校正和對待測物進(jìn)行慢速掃描，從而獲得精確的信號。 當(dāng)然，這種方法要求樣品具有較低揮發(fā)性和較好的熱穩(wěn)定性，此外，使用該方 法樣品耗量較大質(zhì)譜-離子源在早期的質(zhì)譜研究中，涉及的樣品一般為無機(jī)物，檢測目的包括測定 原子量、同位素豐度、確定元素組成等。針對這些要求，需要采用的離子源主 要包括電感耦合等離子體（ICP）、微波等離子體炬（MPT和其他微波誘導(dǎo)等 離子體（MIP）、電弧、火花、輝光放電等，幾乎能夠用于原子發(fā)射光譜的激發(fā) 源都可用。目前質(zhì)譜的檢測對象主要是有機(jī)物和生命活性物質(zhì)，需要用到一些比 較特殊（相對于AES激發(fā)源）的電離源

13、。這些電離源可分為 4類，即電子轟 擊電離（EI）、化學(xué)電離（CI）、解吸電離（DI）、噴霧電離（SI），如下表 所示。除EI夕卜，每種電離源都能夠同時得到大量的正離子和負(fù)離子，而且分 子離子的種類跟離子化過程中的媒介（medium）或基體（matrix ）有關(guān)。比如,CI能夠產(chǎn)生（M H） 、（ M NH4、（ M Ag 、（ M Cl）-等離子作為分子離 子，也能夠產(chǎn)生類似的碎片離子。常見的用于有機(jī)物分析的質(zhì)譜電離源表電離源離子化試劑適宜樣品 電子電離（EI）電子氣態(tài)樣品化學(xué)電離（CI）氣體離子 氣態(tài)樣品解吸電離（DI）光子，高能粒子 固態(tài)樣品噴霧電離（SI）高能電場 熱溶液電離源產(chǎn)生的不

14、同離子之間能夠互相反應(yīng)，使得電離的結(jié)果更加豐富 而復(fù)雜。比如在EI的作用下能夠產(chǎn)生大量的離子，內(nèi)能較大的離子在與中性分 子（如He碰撞時能夠自發(fā)裂解產(chǎn)生更多的碎片離子。這種離子-分子反應(yīng)一般很難進(jìn)行完全，往往在得到許多碎片離子的同時還保留著部分母體離子，不 過，通過增加離子內(nèi)能（如調(diào)節(jié)碰撞時間，EI能量和中性粒子數(shù)量等），可以促使這種離子-分子的反應(yīng)進(jìn)行完全；反之，如果降低離子內(nèi)能，則可能得到穩(wěn) 定的該離子而不是該離子的碎片。相對 EI而言，CI，DI和SI都是軟電離源 借助激光和基體輔助，DI甚至能夠?qū)Τ练e在某個表面的難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的固 體化合物進(jìn)行瞬間離子化，得到比較完整的分子離子。SI

15、的出現(xiàn)解決了生物大分子的進(jìn)樣問題，給質(zhì)譜法在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是大分子生命活性物 質(zhì)如蛋白質(zhì)、DNA等的測定提供了非常便捷有效的手段，其作用也因其創(chuàng)立者 獲得2002年的諾貝爾化學(xué)獎而分外受到世人矚目?？疾祀婋x源的性能，一般需要用到的參數(shù)有信號強度、背景信號強度、電離效率、內(nèi)能控制能力。質(zhì)譜-質(zhì)量分析器氣相離子能夠被適當(dāng)?shù)碾妶龌虼艌鲈诳臻g或時間上按照質(zhì)荷比的大小 進(jìn)行分離。廣義地說，能夠?qū)鈶B(tài)離子進(jìn)行分離分辨的器件就是質(zhì)量分析器。 在質(zhì)譜儀器中，也使用或研究過多種多樣的質(zhì)量分析器，此處只介紹在商品儀 器中廣泛使用的質(zhì)量分析器，即扇形磁場、飛行時間質(zhì)量分析器、四極桿質(zhì)量 分析器、四極桿離子

16、阱和離子回旋共振質(zhì)量分析器。氮質(zhì)譜檢漏儀1扇形磁場扇形磁場是歷史上最早出現(xiàn)的質(zhì)量分析器，除了在質(zhì)譜學(xué)發(fā)展史上具 有重要意義外，還具有很多優(yōu)點，如重現(xiàn)性好、分辨率與質(zhì)量大小無關(guān)、能夠 較快地進(jìn)行掃描（每秒10個質(zhì)荷比單位）。但在目前出現(xiàn)的小型化質(zhì)量分析 器中，扇形磁場所占的比重不大，因為如果把磁場體積和重量降低將極大地影 響磁場的強度，從而大大削弱其分析性能。但是，隨著新材料和新技術(shù)的不斷 出現(xiàn)，這種局面可望在將來得到改觀。2飛行時間質(zhì)量分析器與其他質(zhì)量分析器相比，飛行時間質(zhì)量分析器（即 TOF）具有結(jié)構(gòu)簡 單、靈敏度高和質(zhì)量范圍寬等優(yōu)點（因為大分子離子的速度慢，更易于測量）， 尤其是與MALD

17、I技術(shù)聯(lián)用時更是如此。歷史上對質(zhì)荷比大于 10的4次方的分 子的質(zhì)譜分析就是用TOF來實現(xiàn)的，目前，這種質(zhì)量分析器能夠測量的質(zhì)荷比 已接近10的6次方。但相對其它質(zhì)量分析器（如ICR）而言，TOF的分辨率和 動態(tài)線性范圍不夠理想，比如對于分子量超過 5000的有機(jī)物，同位素的峰就 分辨的不好。但是，對大分子的質(zhì)量測量精度則可達(dá)到0.01%，比傳統(tǒng)生物化學(xué)方法（如離心、電泳、尺寸篩析色譜等）的精度好的多。在TOF中，不同質(zhì)荷比的離子必須在同一時間點以相同的初動能進(jìn)入 漂移管，這樣才能保證漂移時間與質(zhì)量的平方根成反比。為保證不同質(zhì)荷比的 離子在同一時間點以相同初動能進(jìn)入漂移管，常采用脈沖式離子源（

18、如采用脈 沖激光輻射的MALDI離子源），這樣基本上可保證時間的一致性；但采用這種 方法產(chǎn)生的離子初速度仍具有很大差異，為減少這種差異，往往需對離子進(jìn)行 冷卻，冷卻時間一般為幾十毫秒，經(jīng)冷卻的離子再引入電場進(jìn)行加速，就能夠 基本消除速度上的差異。但在精確測量時，離子被加速后還需對其時間和空間 分布進(jìn)行校正，即通常所說的時間聚焦和空間聚焦。這種校正增加了TOF測量的精確度，但同時也增加了儀器的復(fù)雜性。3四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)就是在相互垂直的兩個平面上平行放置四根 金屬圓柱。如果把水平方向定義為 x方向，垂直方向為y方向，與金屬圓柱 平行的方向為z方向，在x與y兩支電極上分別施加（

19、 UV cos31）的高 頻電壓（V為電壓幅值，U為直流分量，3為圓頻率，t為時間），則在四個 金屬圓柱之間的空間形成一個形如馬鞍的交變電場。四極桿質(zhì)量分析器能夠通 過電場的調(diào)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量掃描或質(zhì)量選擇，質(zhì)量分析器的尺寸能夠做到很小，掃 描速度快，無論是操作還是機(jī)械構(gòu)造，均相對簡單。但這種儀器的分辨率不高； 桿體易被污染；維護(hù)和裝調(diào)難度較大。在線質(zhì)譜系統(tǒng)4離子阱離子阱和四極桿質(zhì)量分析器有很多相似之處，如果將四極桿質(zhì)量分析 器的兩端加上適當(dāng)?shù)碾妶鰧⑵浞馍?，則四極桿內(nèi)的離子將受x, y，z三個方向電場力的共同作用，使得離子能夠在這三個力的共同作用下比較長時間地呆在 穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，就象一個電場勢阱，因此這樣的器件被稱為離子阱。所以，在很 多時候都認(rèn)為四極桿質(zhì)量分析器與離子阱的區(qū)別就是前者是二維的，而后者是 三維的。離子阱內(nèi)部的離子總是在做復(fù)雜的運動，在這種