離子源與質(zhì)譜儀作用機(jī)理

1、離子源與質(zhì)譜儀作用機(jī)理 質(zhì)譜離子源及質(zhì)量分析器的種類及作 用機(jī)理 課程名稱 摻偽摻雜食品鑒別與檢驗(yàn)技術(shù) 學(xué) 院專 業(yè)姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)老師 二一四年七月 質(zhì)譜離子源及質(zhì)量分析器的種類及作用機(jī)理 質(zhì)譜分析是一種測量離子荷質(zhì)比（電荷-質(zhì)量比）的分析方法，可用來分析同位素成分、有機(jī)物構(gòu)造及元素成分等。其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷的離子，經(jīng)加速電場的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場和磁場使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。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(shí)具備高特異性和高靈敏度且得到了廣泛

2、應(yīng)用的普適性方法。與色譜分析技術(shù)同為現(xiàn)代摻偽摻雜技術(shù)的支撐，色譜是一種分離的手段，而質(zhì)譜是一種鑒定手段，檢驗(yàn)過程中通常采用質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。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)譜分析作為一種新型的現(xiàn)代儀器分析手段，因其高靈敏性、高準(zhǔn)確性、高選擇性、分析檢測范圍寬以及其定性、定量方面的強(qiáng)大功能等特點(diǎn)，在食品添加劑、激素、抗生素，農(nóng)獸藥殘留等食品分析檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面主要介紹幾種主要：質(zhì)譜離子源及質(zhì)量分析器的種類及作用機(jī)理。 1 離子源類型“接口”技術(shù) 離子源是使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置。它是各種類型的質(zhì)譜儀不可缺少的部件

3、。離子源的性能決定了離子化效率，很大程度上決定了質(zhì)譜儀的靈敏度。常見的離子化方式有兩種：一種是樣品在離子源中以氣體的形式被離子化，另一種為從固體表面或溶液中濺射出帶電離子。在很多情況下進(jìn)樣和離子化同時(shí)進(jìn)行。常用的離子源有以下幾種。 1.1快原子轟擊源(Fast Atomic bombardment，F(xiàn)AB) FAB是一種常用的離子源，由Barber研究小組于1981年研發(fā)成功并使用，適合于分析離子化能力強(qiáng)，極性強(qiáng)，分子量大、難氣化、熱穩(wěn)定性差的樣品，例如肽類、低聚糖、天然抗生素、有機(jī)金屬絡(luò)合物等，但對(duì)非極性樣品靈敏度下降、低質(zhì)量區(qū)以下產(chǎn)生較多干擾峰。FAB得到的質(zhì)譜不僅有較強(qiáng)的準(zhǔn)分子離子峰，而

4、且有較豐富的結(jié)構(gòu)信息。但是，它的分子量信息不是分子離子峰M，而往往是(M+H)+或(M+Na)+等準(zhǔn)分子離子峰。FAB主要用于磁式雙聚焦質(zhì)譜儀。 1.2電噴霧電離源(Electrospray ionization，ESI) 樣品溶液經(jīng)色譜柱分離，流經(jīng)色譜管，到達(dá)噴霧針，針上加有35kV的電壓，在強(qiáng)電場和霧化氣的作用下，溶液迅速霧化產(chǎn)生高電荷液滴，并形成扇狀噴霧。在加熱輔助氣及高溫條件下，溶劑迅速蒸發(fā)，帶電液滴的表面積不斷縮小，表面電荷密度逐漸增大。當(dāng)密度達(dá)到“Rayleigh極限”時(shí)，帶電霧滴中的樣品就會(huì)由于霧滴發(fā)生“庫倫爆裂”而分離出來，形成樣品離子。帶電的碎片離子就在電場的作用下進(jìn)入質(zhì)譜的

5、質(zhì)量分析器進(jìn)行分析。ESI是一種軟電離方式，常用來分析對(duì)熱不穩(wěn)定的極性化合物。 1.3大氣壓化學(xué)電離源(Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI) APCI源是在大氣壓下利用電暈放電來使氣相樣品與流動(dòng)相電離的一種離子化技術(shù)。經(jīng)色譜柱分離的樣品溶液隨流動(dòng)相一起到達(dá)源內(nèi)的石英管，經(jīng)加熱并在霧化氣和輔助加熱氣的共同作用下，溶液氣化。位于石英加熱管和Orifice之間的帶有冠狀尖端的放電電極使霧化氣或者空氣電離，產(chǎn)生初級(jí)離子N2+、O2+，初級(jí)離子迅速與氣化的溶劑分子反應(yīng)，生成反應(yīng)離子，反應(yīng)離子以質(zhì)子轉(zhuǎn)移的方式使待測樣品分子帶電，并在電場的作用下進(jìn)入質(zhì)

6、譜的真空系統(tǒng)。以上為APCI源的三步電離過程。 APCI源適用于非極性或低、中等極性且對(duì)熱穩(wěn)定的化合物，能適應(yīng)0.22Ml/min的寬流量變化范圍。由于極少形成多電荷離子，分析的分子量范圍<1300amu。APCI源的主要缺陷是容易產(chǎn)生大量的溶劑離子與樣品離子一起進(jìn)入質(zhì)譜儀，造成較高的化學(xué)噪音。 1.4大氣壓光電離源(Atmospheric Pressure Photo Ionization，APPI) APPI源與APCI源的電離機(jī)制基本相似，只是用紫外燈取代APCI源的電暈放電，是利用光化學(xué)作用將氣相中的樣品電離的離子化技術(shù)。APPI源適用于分析非極性化合物。大氣壓電噴霧源(ESI)

7、，大氣壓化學(xué)電離源(APCI)和大氣壓光電離源(APPI)是大氣壓電離源(API)的3種不同形式，由于大氣壓電離源獨(dú)立于高真空狀態(tài)的質(zhì)量分析器之外，故不同大氣壓電離源之間可隨意切換。 1.5基質(zhì)輔助激光解析電離源(Matrix assisted Laser Desorption Ionization，MALDI) 將溶于適當(dāng)基質(zhì)中的樣品涂布于金屬靶上，用高強(qiáng)度的紫外或紅外脈沖激光照射可實(shí)現(xiàn)樣品的離子化。此方式主要用于可達(dá)100000Da質(zhì)量的大分子分析，且僅限于作為飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的離子源使用。 2 質(zhì)譜質(zhì)量分析器的種類 質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀的核心，是確保儀器具有高靈敏性、高準(zhǔn)確性、高選擇性、

8、分析檢測范圍寬等強(qiáng)大功能的重要部分。經(jīng)色譜分離、離子源離子化的大量離子進(jìn)入高真空的質(zhì)譜體系，并進(jìn)行一級(jí)碎裂、二級(jí)碎裂甚至多級(jí)碎裂，實(shí)現(xiàn)MS1、MS2以至MSn。的功能，從而使質(zhì)譜能夠分析質(zhì)荷比從幾個(gè)到幾萬個(gè)道爾頓不等的質(zhì)量碎片，更好地滿足了科研及殘留檢測的需要。 質(zhì)量分析器將帶電離子根據(jù)其質(zhì)荷比加以分離，用于紀(jì)錄各種離子的質(zhì)量數(shù)和豐度。質(zhì)量分析器的兩個(gè)主要技術(shù)參數(shù)是所能測定的質(zhì)荷比(質(zhì)量數(shù))的范圍和分辨率。依據(jù)設(shè)計(jì)原理的不同，分為以下幾種。 2.1扇形磁場分析器 離子源中生成的離子通過扇形磁場和狹縫聚焦形成離子束。離子離開離子源后，進(jìn)入垂直于其前進(jìn)方向的磁場。不同質(zhì)荷比的離子在磁場的作用下，前

9、進(jìn)方向產(chǎn)生不同的偏轉(zhuǎn)，從而使離子束發(fā)散。由于不同質(zhì)荷比的離子在扇形磁場中有特有的運(yùn)動(dòng)曲率半徑，通過改變磁場強(qiáng)度，檢測依次通過狹縫出口的離子，而實(shí)現(xiàn)離子的空間分離，形成質(zhì)譜。扇形磁場分析器具有重現(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(gè)質(zhì)荷比單位）等優(yōu)點(diǎn)。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?yàn)槿绻汛艌鲶w積和重量降低將極大地影響磁場的強(qiáng)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。 2.2四極桿分析器 因其由4根嚴(yán)格平行的棒狀電極組成而得名。離子束在與棒狀電極平行的軸上聚焦，一個(gè)直流固定電壓(DC)和一個(gè)

10、射頻電壓(RF)作用在棒狀電極上，兩對(duì)電極之間的電位相反。對(duì)于給定的直流和射頻電壓，特定質(zhì)荷比的離子在軸向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，其他質(zhì)荷比的離子則與電極碰撞湮滅。將DC和RF以固定的斜率變化， 可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜掃描功能。四極桿分析器對(duì)選擇離子分析具有較高的靈敏度，且能夠通過電場的調(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(duì)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。 2.3離子阱分析器 由兩個(gè)端蓋電極和位于它們之間的類似四極桿的環(huán)電極構(gòu)成。端蓋電極施加直流電壓或接地，環(huán)電極施加射頻電壓(RF)，通過施加適當(dāng)電壓就可以形成一個(gè)勢能阱(離

11、子阱)。根據(jù)RF電壓的大小，離子阱就可捕獲某一質(zhì)量范圍的離子。離子阱可以儲(chǔ)存離子，待離子累積到一定數(shù)量后，升高環(huán)電極上的RF電壓，離子按質(zhì)量從高到低的次序依次離開離子阱，被電子倍增監(jiān)測器檢測。目前離子阱分析器已發(fā)展到可以分析質(zhì)荷比高達(dá)數(shù)千的離子。離子阱有全掃描和選擇離子掃描功能，同時(shí)利用離子儲(chǔ)存技術(shù)，可以選擇任一質(zhì)量離子進(jìn)行碰撞解離，實(shí)現(xiàn)二級(jí)或多級(jí)MSn分析功能。但離子阱的全掃描和選擇離子掃描的靈敏度是相似的。離子阱在全掃描模式下仍然具有較高靈敏度，而且單個(gè)離子阱通過時(shí)間序列的設(shè)定就可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)質(zhì)譜(MSn)的功能。廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)和藥物代謝分析。 離子阱內(nèi)部的離子總是在做復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，在這

12、種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中，包含了與質(zhì)量相關(guān)的特征信息。以這種特征信息為基礎(chǔ)，發(fā)展了許多離子阱操作的新模式，大大拓寬了離子阱質(zhì)量分析器的質(zhì)量范圍，改善了質(zhì)量分辨率。雖然離子阱內(nèi)離子的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，但就離子阱質(zhì)量分析器本身而言，它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要是能夠方便地進(jìn)行級(jí)聯(lián)質(zhì)譜測量，能夠承受較高壓力（如 0.1 Pa），此外，這種質(zhì)量分析器價(jià)格相對(duì)低廉，體積較小，被廣泛用做色譜檢測器。在質(zhì)譜儀器的小型化中，離子阱的小型化取得了十分注目的成果。普度（Purdue）大學(xué) Cooks 教授研究組的工作顯得尤為突出，發(fā)展出來的圓柱型離子阱和矩形離子阱等不但克服了離子阱難以加工的缺點(diǎn)，而且進(jìn)一步降低了成本、簡化了操作，

13、顯著減輕了重量，縮小了體積，甚至可做成質(zhì)量傳感器（mass sensor），有望在現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測、國防、刑偵、安檢、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域發(fā)揮作用。 2.4飛行時(shí)間分析器（TOF） 具有相同動(dòng)能、不同質(zhì)量的離子，因其飛行速度不同而分離。如果固定離子飛行距離，則不同質(zhì)量離子的飛行時(shí)間不同，質(zhì)量小的離子由于飛行時(shí)間短而首 先到達(dá)檢測器。各種離子的飛行時(shí)間與質(zhì)荷比的平方根成正比。離子以離散包的形式引入質(zhì)譜儀，這樣可以統(tǒng)一飛行的起點(diǎn)，依次測量飛行的時(shí)間。離子包通過一個(gè)脈沖或者一個(gè)柵系統(tǒng)連續(xù)產(chǎn)生，但只在一個(gè)特定的時(shí)間引入飛行管。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器（TOF）具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高和質(zhì)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)（因?yàn)榇蠓肿与x

14、子的速度慢，更易于測量），尤其是與 MALDI 技術(shù)聯(lián)用時(shí)更是如此。TOF理論上不存在質(zhì)量上限，新發(fā)展的飛行時(shí)間分析器具有大的質(zhì)量分析范圍和較高的質(zhì)量分辨率，尤其適合蛋白等生物大分子分析，目前主要應(yīng)用在生物質(zhì)譜領(lǐng)域。 2.5傅里葉變換分析器 又稱傅里葉離子回旋共振質(zhì)量分析器。其原理為在一定強(qiáng)度的磁場中，離子做圓周運(yùn)動(dòng)，離子運(yùn)行軌道受共振變換電場限制。當(dāng)變換電場頻率和回旋頻率相同時(shí)，離子穩(wěn)定加速，運(yùn)動(dòng)軌道半徑越來越大，動(dòng)能也越來越大。當(dāng)電場消失時(shí)，沿軌道飛行的離子在電極上產(chǎn)生交變電流。對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行分析可得出離子質(zhì)量，將時(shí)間與相應(yīng)的頻率譜利用計(jì)算機(jī)經(jīng)過傅里葉變換形成質(zhì)譜。其優(yōu)點(diǎn)為分辨率很高，質(zhì)荷

15、比可以精確到0.1%道爾頓。 3 質(zhì)譜儀的應(yīng)用 3.1質(zhì)譜法對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)的定性研究 3.1.1 肽質(zhì)量指紋法 基質(zhì)輔助激光解吸電離-飛行時(shí)間質(zhì)譜測量法，以多肽質(zhì)量/電荷比為依據(jù)同數(shù)據(jù)庫資料進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定，此法通常被稱為肽質(zhì)量指紋法。肽質(zhì)量指紋法是在測定前進(jìn)行透析，有效去除了鹽分，可得到滿意的樣品峰。依靠可靠的數(shù)據(jù)庫檢索，僅用少量的肽片段即可鑒定蛋白質(zhì)。基質(zhì)輔助激光解吸電離能夠耐受少量雜質(zhì)的存在，對(duì)于純度不是很高的樣品也能得到理想的結(jié)果。因此，肽質(zhì)量指紋法被認(rèn)為是鑒定蛋白質(zhì)最常用、最快速、最有效的方法。肽質(zhì)量指紋法的關(guān)鍵是相對(duì)分子質(zhì)量的精確度，但蛋白質(zhì)翻譯的多種可能性易導(dǎo)致錯(cuò)誤鑒

16、定，所以該法通常只能適用于已完成測序、數(shù)據(jù)庫注釋詳盡的小基因組的生物。但隨著搜索數(shù)據(jù)庫算法的增強(qiáng)，肽質(zhì)量指紋法得到進(jìn)一步的發(fā)展，可以快速選擇候選評(píng)分復(fù)雜蛋白質(zhì)，使鑒定精度大為提高。 2.1.2 色譜與質(zhì)譜連用 將色譜技術(shù)與新型質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合，可有效地克服雙向凝膠電泳/質(zhì)譜的不足，確保了分析的準(zhǔn)確性。色譜和質(zhì)譜連用鑒定蛋白質(zhì)組技術(shù)是由Yates的實(shí)驗(yàn)室首先介紹的，先對(duì)蛋白質(zhì)混合物進(jìn)行酶切得到混合肽段，然后通過強(qiáng)離子交換反相色譜柱進(jìn)行多次分離，并連用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析肽段，而且通過核素標(biāo)記肽段的技術(shù)實(shí)現(xiàn)蛋白定量分析。分離后的產(chǎn)品離子得到完好地掃描，連用分析肽段，可以區(qū)分待測蛋白質(zhì)和其他類似物。

17、色譜、質(zhì)譜連用技術(shù)發(fā)展迅速，但是由于蛋白質(zhì)不易完全分離，導(dǎo)致質(zhì)譜峰重疊，降低了鑒定的準(zhǔn)確性。另外，由于蛋白質(zhì)翻譯后修飾，源于相同基因的蛋白質(zhì)可能遷移至不同位置，也會(huì)對(duì)鑒定造成困難。一些新的聯(lián)用方式，如反相色譜與二維凝膠電泳與質(zhì)譜的聯(lián)用，強(qiáng)陽離子交換色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用，以及高效液相色譜與傅立葉變換質(zhì)量分析器的聯(lián)用，使情況大為改觀。 2.1.3 串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù) 蛋白質(zhì)串聯(lián)質(zhì)譜鑒定是利用了肽段氨基酸序列的特異性，其鑒定蛋白質(zhì)的特異性更高，僅一條肽段就可鑒定蛋白質(zhì)，可用于蛋白質(zhì)混和物的鑒定。適當(dāng)調(diào)整后，可鑒定蛋白質(zhì)翻譯后修飾，它是目前鑒定蛋白質(zhì)常用的方法。大致分為空間串聯(lián)質(zhì)譜和時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜。離子阱質(zhì)量分析

18、器耦合時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜，可在同一個(gè)質(zhì)量分析器上完成母離子選擇、存儲(chǔ)、分裂和檢測工作。單一運(yùn)用空間串聯(lián)質(zhì)譜完成同類工作需要幾個(gè)分析器。相對(duì)地，離子阱質(zhì)量分析器耦合時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜，可有效地去除其他碎片離子的干擾，適應(yīng)在復(fù)雜背景下分析，具有高離子通量和高效的優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)要求樣品純化，難于自動(dòng)化，費(fèi)時(shí)，儀器昂貴，難以操作和維護(hù)，所以未能普及至常規(guī)實(shí)驗(yàn)室。將色譜與串聯(lián)質(zhì)譜連用是近年來研究蛋白質(zhì)組的新方法。 2.2 質(zhì)譜法對(duì)蛋白質(zhì)組學(xué)的定量研究 2.2.1 內(nèi)源標(biāo)定與液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合 內(nèi)源標(biāo)定技術(shù)分為穩(wěn)定核素標(biāo)記法和核素編碼親和標(biāo)簽法。穩(wěn)定核素標(biāo)記法與液相色譜2串聯(lián)質(zhì)譜連用量化準(zhǔn)確性較高，回收率高，檢測線低。選用特別標(biāo)記的肽為內(nèi)標(biāo)，克服分離后的錯(cuò)誤信息。一般用化學(xué)方法、酶切法或代謝法引入肽或蛋白質(zhì)。在分析前，標(biāo)記含有氨基酸的特定功能體，減少樣品復(fù)雜性。如需要進(jìn)一步降低復(fù)雜樣品，可在質(zhì)譜分析前用多維解離。穩(wěn)定核素標(biāo)記法也可在細(xì) 胞培養(yǎng)過程中進(jìn)行。從培養(yǎng)的細(xì)胞庫中提取其中蛋白質(zhì)，分離