什么是質(zhì)譜儀？

圖 1. 質(zhì)譜儀圖像

質(zhì)譜儀 (MS) 是一種電離樣品中的分子、檢測(cè)生成的離子并確定其質(zhì)荷比 ( m/z ) 的設(shè)備。

縮寫“MS”在日語中通常讀作“質(zhì)量”，但日本質(zhì)譜學(xué)會(huì)推薦國(guó)際上使用的“MS”。當(dāng)分子通過某種電離方法電離時(shí)，它們會(huì)因靜電力而飛行。

質(zhì)譜儀是一種分析設(shè)備，可利用電效應(yīng)和磁效應(yīng)根據(jù)質(zhì)荷比 ( m/z )分離和檢測(cè)真空中的飛行離子。該裝置主要由進(jìn)樣部分、離子源、質(zhì)量分離部分、檢測(cè)器等組成。

根據(jù)電離和質(zhì)量分離方法的不同，有多種類型，并根據(jù)測(cè)量樣品和目的使用它們。質(zhì)譜儀主要用于樣品鑒定和未知樣品的成分分析。還可以區(qū)分同位素并檢測(cè)它們。

質(zhì)譜儀的使用

質(zhì)譜儀用于對(duì)各種分子進(jìn)行定性和定量分析，從低分子量化合物到高分子量化合物，例如蛋白質(zhì)和合成高分子化合物。

由于它是鑒定已知物質(zhì)和確定未知物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效分析方法，因此廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，包括有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)。具體來說，這包括與各種農(nóng)用化學(xué)品、藥品和天然衍生化合物相關(guān)的研發(fā)、質(zhì)量控制、分析和測(cè)試。

近年來，大分子量蛋白質(zhì)的電離也成為可能，這使得它們?cè)谏茖W(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

質(zhì)譜儀原理

圖2 質(zhì)譜儀原理

質(zhì)譜儀的基本原理如下。通過以下一系列步驟獲得的質(zhì)譜在水平軸上具有m/z ，在垂直軸上具有檢測(cè)到的強(qiáng)度。

1. 從樣品引入部分將樣品引入設(shè)備。

2. 由離子源電離。

3. 質(zhì)量分離器利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響大小根據(jù)m/z而不同的事實(shí)來分離質(zhì)量，然后用檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

在質(zhì)譜儀中，除了樣品分子僅具有一個(gè)電荷的單電荷離子之外，還產(chǎn)生具有兩個(gè)或多個(gè)電荷的多價(jià)離子、通過解離產(chǎn)生的碎片離子以及樣品彼此締合的締合離子。每一個(gè)都可以被檢測(cè)到。此外，峰通常具有源自原始分子同位素比率的分布。

質(zhì)譜儀的類型

質(zhì)譜儀有多種類型，但主要按離子源類型和質(zhì)量分離單元類型的組合來分類。例如，寫為“MALDI-TOF-MS”或“ESI-TOF-MS”。

1. 示例介紹部分

圖 3. 電離源和質(zhì)量分離器示例

有些質(zhì)譜儀與其他設(shè)備組合在進(jìn)樣部分之前，用于研發(fā)和質(zhì)量控制領(lǐng)域。例如，有LC-MS與液相色譜聯(lián)用、 GC-MS與氣相色譜聯(lián)用、ICP-MS與電感耦合等離子體聯(lián)用等分析儀器。

2. 離子源

EI法（電子電離法）
加速電子在高真空下與熱汽化分子（M）碰撞。這是一種從分子中釋放電子并生成被稱為分子離子的自由基陽離子（M+·）的方法。

ESI 方法（電噴霧電離）

1. 首先，將樣品溶液引入施加高電壓的毛細(xì)管中。

2. 帶電液滴是通過從毛細(xì)管外部噴射霧化氣體（霧化器氣體）而形成的。

3. 當(dāng)帶電液滴移動(dòng)時(shí)，溶劑蒸發(fā)，表面電場(chǎng)增強(qiáng)，最終電荷之間的排斥力超過液體的表面張力，導(dǎo)致液滴破裂。

4. 通過反復(fù)的蒸發(fā)和破碎，樣品離子最終釋放到氣相中。

MALDI法（基質(zhì)輔助激光解吸電離）
將樣品混合在基質(zhì)（例如基質(zhì)芳族有機(jī)化合物）中以產(chǎn)生晶體，并且通過用激光照射該晶體來電離該晶體的方法。適用的分子量范圍極廣，從1到1,000,000，其最大特點(diǎn)是即使是蛋白質(zhì)等高分子化合物也能穩(wěn)定電離。

FAB法（快速原子轟擊）將
甘油等基質(zhì)與溶解在有機(jī)溶劑中的樣品溶液充分?jǐn)嚢瑁垢咚僦行栽酉嗷ヅ鲎?，使樣品分子電離的方法。

其他法律包括 CI 法、FD 法、APCI 法和 ICP 法。

3. 質(zhì)量分離部

四極桿 (Q)
使用四個(gè)電極棒向離子源發(fā)射的離子施加高頻電壓的方法。電極棒施加直流和交流電壓，產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，僅允許具有特定m/z 的離子到達(dá)檢測(cè)器。

這種方法原則上可以通過線性改變交流電壓同時(shí)保持直流電壓與交流電壓之比恒定來測(cè)量目標(biāo)m/z范圍內(nèi)的所有離子。兼容高達(dá)m/z 4000 的范圍。

這是雙聚焦扇形
磁區(qū)型（Magnetic Sector） 的質(zhì)量分離部件之一。在磁場(chǎng)扇形類型中，離子穿過磁場(chǎng)并利用由洛倫茲力引起的飛行路徑的變化。雙聚焦型具體是將磁場(chǎng)扇區(qū)和電場(chǎng)扇區(qū)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)離子的速度聚焦和方向聚焦。

飛行時(shí)間 (TOF)
是一種通過已知場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)加速電離樣品，并檢測(cè)每個(gè)離子到達(dá)檢測(cè)器之間的時(shí)間差的方法。每個(gè)離子的識(shí)別都是利用m/z越大，飛行速度越慢且到達(dá)檢測(cè)器所需時(shí)間越長(zhǎng)的事實(shí)。原則上，可測(cè)量的質(zhì)量范圍沒有限制。

其他方法包括離子阱 (IT)、傅里葉變換離子回旋共振 (FT-ICR) 和加速器質(zhì)譜 (AMS)。