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质谱法

2021-02-26 12:10:38

质谱(英语:mass spectrometry,缩写:MS)是一种电离化学物质并根据其质荷比质量-电荷比)对其进行排序的分析技术。简单来说,质谱测量样品内的质量。 质谱法被用于许多不同领域,并被用于纯样品和复杂混合物。

质谱是离子讯号作为质荷比的函数的曲线图。这些频谱被用于确定样品的元素或同位素,颗粒和分子的质量,并阐明分子的化学结构,如和其他化合物。

在典型的质谱法中,可以是固体,液体或气体的样品被电离,例如用电子轰击它。 这可能导致一些样品的分子破碎成带电的碎片。 然后,这些离子根据其质荷比被分离,通常通过加速它们并使其经受电场磁场:相同质荷比离子将经历相同数量的偏转。离子通过能够探测带电粒子的机制被探测到,例如一个电子倍增管。 结果被显示为作为质荷比的函数的已经探测离子的相对丰度的频谱。 样品中的原子或分子可以通过将已知质量与鉴定的质量相关联或通过特征分解模式来鉴定。

历史

资料专题:质谱法历史

原理

用来测量质谱的仪器称为质谱仪,可以分成三个部分:离子化器(离子化源)质量分析器侦测器。其基本原理是使试样中的成分在离子化器中发生电离,生成不同荷质比的带正电荷离子,经加速电场的作用,形成离子束,进入质量分析器。在质量分析器中,再利用电场磁场使不同荷质比的离子在空间上或时间上分离,或是通过过滤的方式,将它们分别聚焦到侦测器而得到质谱图,从而获得质量与浓度(或分压)相关的图谱。

质谱仪由工作原理的不同可区分如下:

按电离方式区分

  • 电子碰撞质谱
  • 化学电离质谱
  • 光电离质谱
  • 阈值电离质谱

按质量分析方式区分

从质谱仪所用的质量分析器的不同,把质谱仪分为双聚焦质谱仪、四极柱质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅立叶变换质谱仪等。

  • 静电磁扇区质谱
  • 四极质谱
  • 飞行时间质谱
  • 离子阱质谱
  • 傅里叶变换离子回旋共振质谱法

质谱仪的种类

质谱仪种类非常多,从应用角度,质谱仪可以分为下面几类:

有机质谱仪

由于应用特点不同又分为:

  • 气相层析-质谱联用仪(GC-MS)在这类仪器中,由于质谱仪工作原理不同,又有气相层析-四极质谱仪,气相层析-飞行时间质谱仪,气相层析-离子阱质谱仪等。
  • 液相层析-质谱联用仪(LC-MS)同样,有液相层析-四极质谱仪,液相层析-离子阱质谱仪,液相层析-飞行时间质谱仪,以及各种各样的液相层析-质谱-质谱联用仪。
  • 其他有机质谱仪,主要有:基质辅助激光解析飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS),傅立叶变换质谱仪(FT-MS)

无机质谱仪

  • 火花源双聚焦质谱仪。
  • 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。
  • 二次离子质谱仪(SIMS)
  • 辉光放电质谱仪(GDMS)

但以上的分类并不十分严谨。因为有些仪器带有不同附件,具有不同功能。例如,一台气相层析-双聚焦质谱仪,如果改用快原子轰击电离源,就不再是气相层析-质谱联用仪,而称为快原子轰击质谱仪(FAB MS)。另外,有的质谱仪既可以和气相层析相连,又可以和液相层析相连,因此也不好归于某一类。在以上各类质谱仪中,数量最多,用途最广的是有机质谱仪。

生物质谱分析

生物质谱分析(Biological mass spectrometry)是以质谱分析技术用于精确测量生物大分子,如蛋白质核苷酸糖类等的分子量,并提供分子结构讯息。对存在于生命复杂体系中的微量或痕量小分子生物活性物质进行定性或定量分析。

一般的方法有:

  • 电洒电离质谱,
  • 基质辅助激光解析电离质谱,
  • 快原子轰击质谱,
  • 离子喷雾电离质谱,
  • 大气压电离质谱。

侦测器

质谱仪的最后元件是侦测器。当离子经过或击中侦测器表面时,侦测器记录感应电荷或者产生的电流。

质谱仪的侦测器依质量分析器的种类而有所不同。传统上,离子数量较多或者分析区真空度低时可使用法拉第杯,而当离子数量低且真空度高时可使用电子倍增管或微通道板来侦测。在现代质谱仪中,电子倍增管常搭配静电磁扇分析器、四极分析器、离子阱分析器使用,而微通道板则搭配飞行时间分析器使用。比较特别的是,傅立叶转换质量分析器因为必须侦测离子周期性运动的频率,所以必须采取非破坏性的感应电荷侦测器。

与质谱联用的分离技术

一个重要的增强质量解析和质谱测定质谱能力使用它亦随色谱和其他分离技术。

气相色谱法

一种常见的组合是气相层析 - 质谱(GC/MS,或GC-MS)。在该技术中,气相层析仪用于分隔不同的化合物。

液相色谱法

与气相色谱MS(GC-MS)类似,液相色谱-质谱(LC/MS, 或LC-MS)在将化合物引入离子源和质谱仪之前进行色谱分离。

毛细管电泳-质谱法

毛细管电泳-质谱法英语Capillary electrophoresis–mass spectrometry(CE-MS)是一种将毛细管电泳的液体分离过程与质谱联用的技术。 CE-MS通常与电喷雾电离相结合。

离子迁移谱

离子迁移光谱-质谱法英语on-mobility spectrometry–mass spectrometry(IMS/MS,或IMMS)是一种技术,在引入质谱仪之前,离子首先通过一些中性气体在施加的电势梯度下通过漂移时间分离 。漂移时间是相对于离子电荷的半径的量度。 IMS的工作周期(实验发生的时间)比大多数质谱技术的更长,使得质谱仪可以沿IMS分离的过程进行采样。 这以类似于液相色谱法-质谱联用(LC-MS)的方式产生关于IMS分离和离子的质荷比的数据。

应用

质谱分析法具有定性的和定量的用途。这些包括鉴定未知的化合物;确定在一个分子元素的同位素组成,和通过观察其碎片确定化合物的结构。其他用途包括量化样品中化合物的量或研究气相离子化学英语Gas-phase ion chemistry的基本原理(离子和中性原子在真空中的化学性质)。 质谱法现在在研究多种化合物的物理的,化学的,或生物学特性的分析实验室中是非常常见的。

作为一种分析技术,它具有明显的优势,例如:比大多数其他分析技术更高的灵敏度,因为分析仪作为质量电荷过滤器,可减少背景干扰,从特征碎片模式中获得出色的特异性,以识别未知物或确认可疑化合物的存在, 有关分子量的信息,有关元素同位素丰度的信息,时间分辨化学数据(Temporally resolved chemical data)。

该方法的一些缺点是它经常无法区分光学和几何异构体以及取代基在芳环中的o-,m- 和p- 位置的位置。 此外,其范围仅限于识别产生类似碎片离子的烃。

原子探针

原子探针英语Atom probe是一种结合飞行时间英语Time of flight质谱和场蒸发显微镜来绘制单个原子位置的仪器。

药物代谢动力学

由于基质(通常是血液或尿液)的复杂性质和需要高灵敏度以观察低剂量和长时间的点数据,因此通常使用质谱法研究药代动力学。 在本应用中使用的最常见的仪器是具有三重四极杆质谱仪英语Quadrupole mass analyzer的液相色谱法-质谱联用(LC-MS)。 通常采用串联质谱来增加特异性(added specificity)。标准曲线和内标用于样品中通常单一药物的定量。 当药物被给药,然后代谢或从体内清除的时候,样品代表不同的时间点。

蛋白质表征

质谱法是蛋白质表征和测序的重要方法。电离全蛋白的两种主要方法是电喷雾电离英语Electrospray ionization(ESI)和基质辅助激光解吸/电离(MALDI)。 为了与现有质谱仪的性能和质量范围保持一致,有两种方法用于表征蛋白质。

聚糖分析

质谱法(MS)以其低样品需求和高灵敏度,主要用于糖生物学,用于表征和阐明多糖(glycan)结构。质谱法为高效液相色谱法(HPLC)分析多糖提供了一种补充方法。

太空探险

作为分析的标准方法,质谱仪已经到达其他行星和卫星。 其中两台被海盗号(英语:Viking program)带到了火星。 2005年初,卡西尼-惠更斯号任务通过最大卫星土卫六的大气层,在惠更斯号登陆探测器上递送了一种专门的GC-MS仪器。 该仪器沿其下降轨迹分析了大气样本,并且一旦探测器着陆,就能够蒸发和分析土卫六的冷冻碳氢化合物覆盖表面的样本。 这些测量结果比较了每个粒子的同位素丰度与地球自然丰度的比较。

参看

参考资料

资料专题:质谱法参考资料

外部链接

资料专题:质谱法外部链接