质谱仪和质谱图原理

化学、生物化学和物理学领域的各学科和分支学科的研究人员和专业技术人员通常会用到质谱分析。医药工业领域的工作人员在进行药物发现和药物开发时需要利用MS的特异性、动态范围及其灵敏度，区分复杂基质中紧密相关的代谢物，从而鉴定并量化代谢物。尤其是在药物的开发过程中，药物需要进行鉴定、纯化，确定早期的药代动力学，MS已经证实是不可或缺的工具。生物化学家扩展了MS的使用领域，将其应用到蛋白、肽和寡核苷酸的分析中。使用质谱仪，生物化学家们能够监测酶的反应，确定氨基酸序列，并通过包含有蛋白裂解片段衍生物样品数据库鉴别大分子蛋白。生物化学家通过氢－氘交换在生理条件下形成重要的蛋白-配体的复合物，监测蛋白质的折叠。临床化学家在药物检测和新生儿筛查中也应用MS，取代结果不确定的免疫分析。食品安全和环境研究人员也是这样。他们跟行业中相关的企业工作人员一样，也使用MS，比如：PAH和PCB分析，水质量分析，及食品农药残留分析。确定油组成是一项复杂且昂贵的工作，这刺激了早期质谱仪的发展，并不断推动该技术的继续创新。现今，MS的专业人员可以在各种质谱仪、一系列完善可靠的电离技术中进行选择。

 

质谱仪可以比一枚硬币小，也可以装满非常大的房间。虽然不同仪器类型有不同的应用，但是其工作原理相同。测量单位为道尔顿（Da），代替其它单位，比如原子质量单位（amu）。1Da=单个碳12（12C）同位素原子质量的1/12。以前认为质谱仪不具定量能力，仅能作为定性设备，辅助化合物的鉴定。但现今，已经证实质谱兼具定性和定量功能。只有分子转化为气相离子后，质谱仪才能测量其质量。为了达到这一目的，质谱仪使分子带上电荷，然后将带电离子流转化为数据系统能够识别的成比例电流。数据系统将这一电流转化为数字信息，得到质谱图。

 

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常见的电离方法

 

电子离子化[EI]

 

电子电离（EI）为很多人所熟知。（在较早的时候称为"电子撞击"，但是从技术上来说不准确。）EI，通常将样品暴露在70eV的电子下，被称为"硬"技术。电子与目标分子互作用的能量，通常要比分子的化学键要强的多，因此分子发生电离。过量的能量按照特定方式打开化学键。结果产生能够预见的、可鉴别的碎片，通过这些碎片，我们能够推测出分子结构。这些能量可将单个电子激发，从分子外层逸出，形f成正离子自由基，得到丰富的碎片波谱。不同于"较软"的大气压电离技术，波谱响应会受到离子源设计特征的影响，EI技术完全独立于离子源的设计。同一化合物在一台EI质谱仪产生的图谱与另一台EI质谱仪得到的图谱非常相似，基于这一原理，可建立图谱库，将未知化合物的谱图与参照谱图比较。

 

化学电离[CI]

 

分子过度裂解的称为"软"技术。化学电离（CI）通过一较温和的质子转移过程生成离子，有利于分子离子的生成。将样品暴露到大量的溶剂气体，如甲烷形成质子化的分子离子（M+H）。反向过程将形成负离子。在一些情况下，质子被转移到气体分子上，形成负离子（M-H）。采用EI分析时，碎片丰富的化合物，有时可采用CI分析，以增加分子离子的丰度。类似于EI，样品必须具有热稳定性，因为在离子源里，被测物需要加热气化。对起始电离步骤，CI的电离机理依赖于EI，但是在离子源里是有高压化学反应气体，比如甲烷、异丁烷或氨。比被测物（R）的浓度高很多反应气体通过电子电离作用，发生电离，起初产生R+t，溶剂离子。R+离子与中性R分子发生碰撞，形成稳定的次级离子，其具有反应性，然后通过离子分子反应，使被分析物分子（A）离子化.

 

负离子化学电离[NCI]

 

对含捕获电子基团（例如，氟原子或硝基苄基）的被测物，能形成负离子化学电离（NCI）。比EI的灵敏度提高了很多倍（据报道，在某种情况下可提高100到1000倍以上）。NCI广泛应用于各种小分子，这些小分子通过或能够被化学修饰，促进电子捕获。在负离子中，有两类主要的负离子形成机制：电子捕获和反应物离子化学离子化。在CI条件下，电负分子能够捕获热电子，产生负离子。实际上的负离子化学电离，通过被测化合物（AH）与带负电的反应离子（R-或R-）之间反应引起电离。可能存在几类离子分子反应的类型，最常见的是脱质子反应。

 

气相色谱[GC]

 

可能对很多人来说，第一次接触质谱是将其作为气相色谱的检测器。GC/MS联用仪类型的范围已大大扩展，超越早期仪器设计的范围，在使用中满足日渐严格的法规要求，像环境分析、食品安全筛查、代谢组学，以及包括法医学、毒理学和药物筛查的临床应用。在过去，两种类型的质谱主导着GC/MS分析：扇形磁场和单四极杆质谱仪。对于前者，可提供高分辨率和准确的质量分析，用于有极高灵敏度要求的分析中。后者适合目标化合物的常规分析。

 

[ 液相色谱]

 

扇形磁场质谱仪，具有最具挑战的GC/MS分析能力：环境或工业样品中的二英，或竞技比赛中非法使用兴奋剂的筛查。在扇形质谱仪上能够以飞克（fg）检测水平进行高分辨率或选择性的分析。四极杆GC/MS系统推出不久，在目标分析应用中就已取得认可。美国环境保护局（USEPA）要求对大量环境污染物样品采用四极杆GC/MS质谱仪分析。因为这些分析应用的检测极别仅在皮克到纳克之间，相对于扇形磁场来说，四极杆磁场的灵敏度较低，但四极杆并没因此受到限制，相反，采用四极杆可大大降低成本，方便使用，并且便于携带。

 

液相色谱[LC]

 

这是一项革命性的技术，为大约80%不能采用GC分析的化学物质提供了分析途径，在近几十年来促进了质谱技术的显著提高。少数几个模型被挑出来，开始实现MS与LC联用。可以说LCMS联用开始于1970年代，在1990年代早期，我们今天所熟知的LCMS技术成熟起来。很多现在我们使用的装置和技术都直接来自那个时候。在1900年代早期，俄国植物学家Mikhail S.Tswett定义了液相色谱技术。他的研究工作主要是分离从植物萃取的叶色素，在他的研究中，他用溶剂冲洗装填微粒的柱子。这是液相色谱最简单的形式，被测物溶解的溶液（流动相或浓缩相）与溶液流过的装填颗粒的床体（固定相）之间存在竞争作用，液相色谱就是依靠这种可预测、不断再现且具有很高精确性的相互作用实现分离。近年来，在色谱柱中装填各种功能性组分，以及能够准确传送流动相的溶剂输送系统的发展，使得LC成为很多分析行业的支柱。首字母缩略词HPLC是由Csaba Horváth在1970年提出，表明对液相色谱填充柱需要施加高压，以引起液体流动。从那以后，液相色谱的效能不断提高，较小颗粒的填料和较高的选择性上都取得了发展，将首字母缩略词改为高效液相色谱。

 

[ 电喷雾电离]

 

在2004年，色谱仪和柱技术得到进一步的发展，提高了液相色谱的分离度、分离速度和灵敏度。使用较小颗粒填料的色谱柱（1.7微米）、以15000psi（1000巴）的压力输送流动相的特殊设计色谱仪被称为超高效液相色谱（UPLC®技术）。在1970年代，John Knox等研究人员已经预测了UPLC所包含的很多技术特征。Knox预测最佳颗粒直径是1-2μm，并且色谱对摩擦热热灵敏。在UPLC技术开发过程中，必须解决如何制作抗干扰、均一的小颗粒填料的技术。HPLC和UPLC的基本入门手册，可在www.waters.com/primers上找到。

 

电喷雾电离[ESI]

 

"大气压电离"（API）的最重要的技术是ESI，ESI为各相关技术提供了基础，这些相关技术能在大气压，而不是在真空（托）下形成离子。样品溶解在极性溶剂中（一般比GC上使用的溶剂更难挥发），然后泵入不锈钢毛细管，不锈钢上施加2000到4000V的电压。当液体在大气压下，从毛细管流出时，液体被雾化，被雾化的液滴进一步去溶剂，释放出离子进入质谱仪。在静电吸引和真空联合效应下，诱导电离生成这些气态离子。

 

大气压化学电离[APCI]

 

虽然大气压化学电离（APCI）技术与ESI同时发布，但是在1985年Fenn的研究成果发布，ESI很快商业化，而直到此时，APCI也没有广泛被采用。在1973年，Horning首次提出APCI，采用包括HPLC在内的各种导入技术，分析挥发性组分。APCI的附加功能是，将ESI难以转化为气相离子的被测物，即那些极性很小且易挥发的被测物经浓缩相（或液体）导入质谱仪。不同于ESI，APCI通过在热的气流中蒸发引导液，将中性被测物转化为气相。化学电离依赖于电荷在反应离子和目标分子之间的转移，产生可被分析的目标离子。大多数情况下，以阳离子模式在目标分子与小的H+离子之间形成加合物，虽然与盐的加合物也比较常见。

 

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