質(zhì)譜的前世今生-質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展與原理介紹

質(zhì)譜的前世今生質(zhì)譜是什么？質(zhì)譜就是一種特殊的“稱重”技術(shù)質(zhì)譜是一種測(cè)定各種物質(zhì)的原子或分子質(zhì)量的分析方法。質(zhì)量是物質(zhì)的固有特性之一，不同物質(zhì)有不同的質(zhì)量譜-質(zhì)譜，利用這一性質(zhì)，可以進(jìn)行定性分析質(zhì)譜譜峰的強(qiáng)度也與它代表的化合物的含量有關(guān)，利用這一點(diǎn)，可以進(jìn)行定量分析測(cè)定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷（質(zhì)荷比m/z)質(zhì)譜的發(fā)明英國(guó)物理學(xué)家J.J.Thomson(1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）在上世紀(jì)初即開展了正電荷離子束的物理學(xué)研究，并于1910年研制了世界上第一臺(tái)質(zhì)譜儀Thomson利用低壓放電離子源所產(chǎn)生的具有高速度的正電荷離子束，通過(guò)一組電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這時(shí)不同質(zhì)荷比的正電荷離子按不同質(zhì)量發(fā)生曲率不同的拋物線軌道偏轉(zhuǎn)，依次到達(dá)檢測(cè)器，在感光干板上被記錄下來(lái)，從而發(fā)明了質(zhì)譜法質(zhì)譜原理進(jìn)樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測(cè)器分析系統(tǒng)基本原理是使樣品中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶電荷的離子，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器，然后利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。離子源從上世紀(jì)40年代開始，質(zhì)譜廣泛用于有機(jī)物質(zhì)分析；1966年，M.S.B，Munson和F.H.Field報(bào)到了化學(xué)電離源（ChemicalIonization，CI），質(zhì)譜第一次可以檢測(cè)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（MALDI）等新“軟電離”技術(shù)的出現(xiàn)，質(zhì)譜能用于分析高極性、難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定樣品后，生物質(zhì)譜飛速發(fā)展離子源種類：EI、CI、ESI、APCI、APPI、MALDI、DART質(zhì)量分析器氣相離子能夠被適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)或磁場(chǎng)在空間或時(shí)間上按照質(zhì)荷比的大小進(jìn)行分離。廣義地說(shuō)，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。四級(jí)桿質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜離子阱質(zhì)譜質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀的核心……質(zhì)量分析器-四級(jí)桿質(zhì)譜一、四級(jí)桿質(zhì)譜：四極桿由四根平行電極組成，電極上帶有直流電壓與射頻電壓，形成規(guī)律變化的電場(chǎng)。通過(guò)改變電場(chǎng)的參數(shù)，四極桿可以用于篩選和分析特定質(zhì)荷比的帶電化合物。四級(jí)桿能完成初步定性分析，因?yàn)樗臉O桿的精度有限，對(duì)于同質(zhì)異素化合物定性能力欠缺。但是三重四極桿質(zhì)譜的定量分析能力比較好，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、分析效率高等優(yōu)勢(shì)質(zhì)量分析器-三重四級(jí)桿質(zhì)譜三重四級(jí)桿質(zhì)譜：在三重四極桿質(zhì)譜中，帶電離子將依次經(jīng)過(guò)四極桿（Q1）、碰撞池（Q2）和四極桿（Q3）的作用后到達(dá)檢測(cè)器。在傳統(tǒng)三重四極桿質(zhì)譜中，碰撞池的結(jié)構(gòu)也為四極桿，因此稱為三重四極桿質(zhì)譜。四級(jí)桿質(zhì)譜掃描模式單四極桿質(zhì)譜：1.當(dāng)四極桿不發(fā)揮篩選作用時(shí)，帶電離子全部到達(dá)檢測(cè)器，此采集模式稱為全掃描（FullScan）模式；2.當(dāng)四極桿發(fā)揮篩選作用時(shí)，僅目標(biāo)質(zhì)荷比的帶電離子到達(dá)檢測(cè)器，稱為選擇離子掃描（SIM/SIR）模式。三重四級(jí)桿質(zhì)譜：3.當(dāng)僅Q1和Q2發(fā)揮作用時(shí)，Q1篩選目標(biāo)質(zhì)荷比的帶電離子（母離子）經(jīng)Q2碰撞誘導(dǎo)解離產(chǎn)生的碎片離子（子離子）全部到達(dá)檢測(cè)器，此采集模式稱為子離子掃描（DaughterScan/ProductScan）模式。4.而當(dāng)Q1、Q2和Q3均發(fā)揮作用時(shí)，Q1篩選目標(biāo)質(zhì)荷比的帶電離子經(jīng)Q2碰撞誘導(dǎo)解離產(chǎn)生碎片離子，后經(jīng)Q3篩選，僅目標(biāo)質(zhì)荷比的子離子到達(dá)檢測(cè)器，此采集模式稱為選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)/多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（SRM/MRM）模式。質(zhì)量分析器-飛行時(shí)間質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜，俗稱TOF（TimeofFlight），是一種分辨率遠(yuǎn)高于四極桿的質(zhì)量分析器，解決了四極桿質(zhì)量分析精度不足的問題，因此常用于定性分析。二、飛行時(shí)間質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜是依據(jù)帶電離子在真空中的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算其質(zhì)荷比的，質(zhì)荷比小的化合物飛行時(shí)間短，質(zhì)荷比大的化合物飛行時(shí)間長(zhǎng)。聯(lián)用類型為了分析更為復(fù)雜的樣品，TOF常常與四極桿聯(lián)用，即為Q-TOF。Q-TOF的MSe模式可在一次分析中對(duì)所有進(jìn)入質(zhì)譜的離子化合物進(jìn)行質(zhì)量數(shù)的采集，并對(duì)所有離子化合物的碎片離子進(jìn)行質(zhì)量數(shù)的采集，因此可對(duì)樣品進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集，適合用于蛋白質(zhì)組、代謝組等組學(xué)的研究。與MALDI源聯(lián)用，組成的MALDI-TOF或MALDI-TOF/TOF可用于鑒定化合物的質(zhì)量數(shù)，或者定性分析基質(zhì)較為簡(jiǎn)單的樣品。質(zhì)量分析器-離子阱質(zhì)譜離子阱質(zhì)譜，簡(jiǎn)稱IonTrap，是一種將帶電離子限定在指定空間內(nèi)，分析帶電離子特性的質(zhì)量分析器，可分為三維離子阱、線性離子阱和靜電場(chǎng)軌道離子阱質(zhì)譜。三、離子阱質(zhì)譜三維離子阱線性離子阱靜電場(chǎng)軌道離子阱質(zhì)量分析器-離子阱質(zhì)譜三維離子阱和線性離子阱的質(zhì)量分析原理相似，是將帶電離子限定在指定空間內(nèi)，通過(guò)改變電極參數(shù)，使相應(yīng)質(zhì)荷比的帶電離子失去穩(wěn)定狀態(tài)，飛離離子阱，從而在檢測(cè)器上得到相應(yīng)的信號(hào)。三維離子阱和線性離子阱可實(shí)現(xiàn)帶電離子的多級(jí)碎裂（MSn）與采集分析，得到帶電離子的多級(jí)質(zhì)譜圖。這彌補(bǔ)了其他質(zhì)譜儀器分析功能上的空白，尤其有利于生物大分子化合物的定性分析。質(zhì)量分析器-離子阱質(zhì)譜軌道離子阱（Orbitrap，OT）的分析原理和構(gòu)造則不同。電場(chǎng)為靜電場(chǎng)，故又稱靜電場(chǎng)軌道離子阱。在OT中，帶電離子可圍繞中心電極做圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)器通過(guò)采集離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換計(jì)算得到對(duì)應(yīng)離子的質(zhì)荷比，其分辨率可高達(dá)140000。為了更好的利用OT的超高分辨率，其通常與四極桿、線性離子阱聯(lián)用，即為Q-OT，Q-OT-LIT等。Q-OT在原理上彌補(bǔ)了Q-TOF儀器的不足，具有更高的分辨率、更好的穩(wěn)定性和更智能的采集方式。質(zhì)量分析器根據(jù)質(zhì)譜質(zhì)量分析精度的不同低分辨質(zhì)譜四極桿質(zhì)譜三維離子阱質(zhì)譜高分辨質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜線性離子阱質(zhì)譜靜電場(chǎng)軌道離子阱質(zhì)譜檢測(cè)器質(zhì)量分析器分離并加以聚焦的離子束，按m/z的大小依次通過(guò)夾狹縫到達(dá)收集器，信號(hào)經(jīng)接收放大后被記錄。微通道板檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)譜儀器的檢測(cè)器有很多種，如電子倍增管及其陣列、離子計(jì)數(shù)器、感應(yīng)電荷檢測(cè)器、法拉第收集器等比較常見的檢測(cè)器。進(jìn)樣方式間接進(jìn)樣直接進(jìn)樣對(duì)于難揮發(fā)的液體或固體純化合物，將樣品放在探針頂端的小杯內(nèi)，通過(guò)質(zhì)譜儀的樣品加入口將探針放進(jìn)離子源中，然后加熱離子源直至樣品揮發(fā)。探針進(jìn)樣對(duì)于組分較復(fù)雜的混合物，先將樣品分離成單一組分，再進(jìn)入質(zhì)譜儀的離子源中。最典型的是氣相色譜儀或液相色譜儀通過(guò)接口與質(zhì)譜儀連接。色譜進(jìn)樣氣相色譜（Gaschromatography）液相色譜（Liquidchromatography）質(zhì)譜GC-MSGC-MS色譜GC-MS,LC-MS1956年，GC-MS開始聯(lián)用1973年，LC-MS開始聯(lián)用由于與分離型儀器實(shí)現(xiàn)聯(lián)用，質(zhì)譜可以直接分析混合有機(jī)物，成為復(fù)雜混合物成分分析的最有效工具。這些混合物包括天然產(chǎn)物、食品、藥物、代謝產(chǎn)物、污染物等等。它們的組分可多至數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)，含量也可千差萬(wàn)別，用別的方法分析這類樣品所耗費(fèi)的時(shí)間，代價(jià)為人們難以承受，有時(shí)則根本不可能進(jìn)行，而用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法則可能在較短的時(shí)間內(nèi)很方便地進(jìn)行。因此，它的問世，被認(rèn)為是分析化學(xué)中的一個(gè)里程碑。島津三重四級(jí)桿質(zhì)譜LCMS-8050國(guó)內(nèi)質(zhì)譜市場(chǎng)介紹質(zhì)譜按照鑒定物質(zhì)的的種類，可以分為有機(jī)質(zhì)譜和無(wú)機(jī)質(zhì)譜。一、有機(jī)質(zhì)譜儀，由于應(yīng)用特點(diǎn)不同又分為：①氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS);②液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS);③其他有機(jī)質(zhì)譜儀：基質(zhì)輔助激光解吸飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（MALDI-TOFMS）,傅里葉變換質(zhì)譜儀（FT-MS）二、無(wú)機(jī)質(zhì)譜儀：火花源雙聚焦質(zhì)譜儀、感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）、二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）在以上各類質(zhì)譜儀中，數(shù)量最多，用途最廣的是有機(jī)質(zhì)譜儀。質(zhì)譜應(yīng)用案例在有機(jī)質(zhì)譜應(yīng)用方面，1985年英國(guó)薩塞克斯大學(xué)（UniversityofSussex)的波譜學(xué)家H.W.Kroto與美國(guó)萊斯大學(xué)（RiceUniversity)兩名教授R.E.Smalley和R.F.Curl合作研究，利用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)碳元素可以形成由60個(gè)或70個(gè)碳原子構(gòu)成的有籠狀結(jié)構(gòu)的C60和C70分子，這一發(fā)現(xiàn)引起科學(xué)界特別是物理學(xué)和化學(xué)界的強(qiáng)烈反響，成為上世紀(jì)后半葉的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。11年后，三位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)C60并提出其分子結(jié)構(gòu)模型而榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯的發(fā)現(xiàn)質(zhì)譜應(yīng)用案例二惡因（Dioxins)被稱為“世紀(jì)之毒”，除了其具有很強(qiáng)的急毒性外，因其化學(xué)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，不易代謝，人體吸收后會(huì)殘留在體內(nèi)，中長(zhǎng)期累積可導(dǎo)致癌變。二惡因的來(lái)源及危害：金屬冶煉，汽車尾氣，焚燒生產(chǎn)，世界上幾乎所有媒介上都被發(fā)現(xiàn)有二噁英。這些化合物聚積最嚴(yán)重的地方是在土壤、沉淀物和食品，特別是乳制品、肉類、魚類和貝殼類食品中。已有資料證明二惡因?qū)θ梭w的影響可造成男女不孕、增加?jì)雰核劳雎?、致癌等。其?nèi)分泌干擾劑行為影響生物體本身荷爾蒙的調(diào)節(jié)、產(chǎn)生和代謝的表現(xiàn)，更直接造成對(duì)人類生存的威脅。復(fù)雜基體中痕量成分的定性定量分析——二惡因檢測(cè)典型事件：>越戰(zhàn)中美軍使用了大量的枯葉劑——越南1970年出生的嬰兒大量畸形>城市垃圾焚燒——2000年比利時(shí)食品污染事件>我國(guó)血吸蟲病疫區(qū)使用的五氯酚鈉滅釘螺（6千噸/年）,含有33-162ppb的二惡因。質(zhì)譜臨床應(yīng)用案例PKU是一種氨基酸代謝缺陷癥，如早期沒有得到及時(shí)的治療，會(huì)造成患者神經(jīng)系統(tǒng)的不可逆轉(zhuǎn)損傷，導(dǎo)致患兒智力低下、癡呆。早期診斷為PKU的患兒可以采用低苯丙氨酸的食物進(jìn)行治療。因此，早期診斷在PKU的防治工作上具有特別