目錄
一、質(zhì)譜的里程碑
二、質(zhì)譜相關(guān)Nobel獎
三、質(zhì)譜的主要構(gòu)造
四、主流應(yīng)用離子源
一、質(zhì)譜的里程碑

歷張質(zhì)譜圖：
上世紀(jì)初，英國物理學(xué)家Thomson利用發(fā)電方法產(chǎn)生正離子，經(jīng)過磁場作用之后，記錄其譜線，獲得了歷張質(zhì)譜圖，并同時(shí)發(fā)現(xiàn)了氖的兩個(gè)同位素22Ne和20Ne。

質(zhì)荷比和相對豐度：
1918年，美國A.J. Dempster用電子轟擊的方法，記錄了離子的質(zhì)荷比和相對豐度。

歷臺質(zhì)譜：
1919年，美國F.W. Aston制造了臺精密質(zhì)譜，并精確測量了20多種元素的同位素及豐度，指出了張同位素表，并引入了“質(zhì)譜”的概念。

質(zhì)譜商業(yè)化：
1942年出現(xiàn)臺商品質(zhì)譜儀，標(biāo)志著質(zhì)譜學(xué)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。

色譜與質(zhì)譜聯(lián)用：
1957年，實(shí)現(xiàn)了氣相色譜與質(zhì)譜儀的聯(lián)用，GC/MS將質(zhì)譜法在有機(jī)分析中的應(yīng)用推向一個(gè)新階段。

高分辨技術(shù)與不同的電離方式：
60年代，有機(jī)質(zhì)譜迅速發(fā)展，高分辨技術(shù)達(dá)到了實(shí)用的階段，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，也出現(xiàn)了化學(xué)電離，場致電離，場解析電離等技術(shù)

大分子物質(zhì)的分析：
70年代，隨著生命科學(xué)的迅猛發(fā)展，分子量大，熱不穩(wěn)定性的生物分子，如蛋白質(zhì)，多糖等物質(zhì)的分子量測量給需要將樣品變成氣象離子的質(zhì)譜提出了重大的挑戰(zhàn)

軟電離技術(shù)：
80年代，出現(xiàn)了針對不穩(wěn)定生物分子的質(zhì)量測定而設(shè)計(jì)的“軟電離”質(zhì)譜技術(shù)，如電噴霧質(zhì)譜ESI，基質(zhì)輔助激光解析電離質(zhì)譜MALDI等。一方面解決了生物大分子質(zhì)量測定的問題，另一方面解決了LC/MS以及CE/MS的接口問題，大大地拓寬了質(zhì)譜及其聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用范圍。

二、與質(zhì)譜相關(guān)的Nobel獎

n1906年，Thomson獲Nobel物理學(xué)獎
n1989年，Paul獲Nobel物理學(xué)獎

圖一：

n1996年，Kroto等獲Nobel化學(xué)獎
n2002年Fenn，Tanaka獲Nobel化學(xué)獎
圖二：

三、質(zhì)譜的主要特點(diǎn)

質(zhì)譜已經(jīng)從其字面意義上的簡單質(zhì)量分析衍生出很多其他的分析功能，是非常重要的分析工具，應(yīng)用非常廣泛。質(zhì)譜的特點(diǎn)可以非常簡單的用四個(gè)以S開頭的英文單詞概括出來：Sensitivity，Speed，Specificity，Stoichiometry。這四個(gè)特點(diǎn)保證了它在當(dāng)今分析領(lǐng)域起著非常重要的作用。以下具體介紹質(zhì)譜的特點(diǎn)
n快速。最短可以幾分鐘完成一次樣品測試。
n直觀。除了提供分子量信息，還可從碎片離子得到其結(jié)構(gòu)信息；高分辨的質(zhì)譜可以提供元素組成相關(guān)信息。
n通用。氣體、液體、固體、混合物都可以通過與質(zhì)譜串聯(lián)的色譜儀器得到分離之后進(jìn)入質(zhì)譜鑒定。
n廣泛。質(zhì)譜基本上適用于分析化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。
n兼容。質(zhì)譜可以有效地與多種色譜技術(shù)聯(lián)用，如GC/MS, LC/MS, CE/MS, MSn等。

與其他的分析儀器相比，質(zhì)譜具有更高的靈敏度，可以達(dá)到10-11～10-12g。
圖三：

在具有多項(xiàng)優(yōu)勢特點(diǎn)的同時(shí)，質(zhì)譜也有局限其應(yīng)用的特征：
n質(zhì)譜進(jìn)行的是破壞性分析，需要進(jìn)行汽化，電離等步驟，故對樣品而言是不可回復(fù)的。
n儀器昂貴、復(fù)雜，準(zhǔn)入門檻較高。


四、有機(jī)質(zhì)譜及其關(guān)鍵部件

有機(jī)質(zhì)譜是鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的重要方法，它不僅能提供分子量，還可以通過測量精確質(zhì)量來確定分子式，同時(shí)質(zhì)譜中碎片例子的分析可以獲得一些重要的結(jié)構(gòu)信息。
20世紀(jì)80年代以來，有機(jī)質(zhì)譜分析技術(shù)獲得遜色的發(fā)展，相繼發(fā)明了快原子轟擊、電噴霧電離、和機(jī)制輔助激光解析電離等軟電離技術(shù)，使得質(zhì)譜的應(yīng)用擴(kuò)大到生物大分子的研究領(lǐng)域，并形成一個(gè)新的分支學(xué)科生長點(diǎn)---生物質(zhì)譜學(xué)。現(xiàn)代生物質(zhì)譜已廣泛地滲透到了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和藥物學(xué)等學(xué)科之中，它已經(jīng)對生命科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。


圖四：

1、質(zhì)譜的基本構(gòu)件



圖五：

在離子源內(nèi)樣品分子首先經(jīng)過一個(gè)電離過程，在外部能量的作用下分解成離子（分子離子、碎片離子）。接著分子離子或碎片離子會在質(zhì)量分析器中經(jīng)歷一個(gè)質(zhì)量分離過程，按照m/z不同達(dá)到分離鑒定離子的作用。
      這樣看來，質(zhì)譜儀中主導(dǎo)電離過程和質(zhì)量分離過程的離子源和質(zhì)量分析器在整個(gè)質(zhì)譜原理中起到了非常重要的作用。而事實(shí)上，這兩個(gè)部件也確實(shí)是質(zhì)譜制造商，用戶所最看重的兩個(gè)部分。因此本次借這次技術(shù)講座的機(jī)會，對離子源這部分做一個(gè)較為詳盡的介紹，希望大家能夠更了解離子源的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)Υ蠹业膶?shí)驗(yàn)有所幫助。

由于本人知識所限，難免有疏漏，不完善的地方，歡迎大家拍磚，補(bǔ)充不足，相互交流。

2、 離子源
根據(jù)離子化方法的不同，下面將由硬到軟的介紹不同的離子源及其工作原理，希望大家能夠更好的了解質(zhì)譜運(yùn)行方式。
圖六：

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圖七：

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電子轟擊電離源采用的電離方式為電子轟擊電離（Electron Impact）。使用具有一定能量的電子直接作用于樣品分子，使其電離。在4930V電壓作用下的燈絲發(fā)出具有一定能量的電子，在電場的作用下回到收集極。在這個(gè)過程中與樣品分子相互作用致其電離。推斥極略高10V的電壓是離子通過小孔離開電離盒。

化學(xué)電離（CI）離子源

圖八：

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化學(xué)電離（CI）離子源是通過化學(xué)電離的方式使樣品分子得到電離。化學(xué)電離通過引入大量的試劑氣，使樣品分子與電子不直接作用。試劑氣分子被電子轟擊電離后發(fā)生離子-分子反應(yīng)，從而產(chǎn)生活性反應(yīng)離子。真正與樣品分子發(fā)生離子-分子反應(yīng)的物質(zhì)真是這些活性反應(yīng)離子，而不是直接的電子是樣品分子電離。
      在正離子模式下：GH+ + Mà[M+H]+ + G
      在負(fù)離子模式下：[G-H]- + Mà[M-H]- + G
（G：離子化的試劑氣體分子；M：被分析物）

試劑氣通常包括甲烷、異丁烷、氮?dú)??；瘜W(xué)電離的工作原理為離子（試劑氣）/分子反應(yīng)。電離室壓力約為50 Pa（0.5 Torr）。平均自由程約為0.1 mm。試劑氣反應(yīng)活性離子與分子充分的發(fā)生碰撞。電離室通道的孔徑為50～10 lm

以下圖片為甲烷作為試劑氣所發(fā)生的系列反應(yīng)：
圖九：

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CI反應(yīng)類型包括：
正離子：質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生[M+1]+；氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生[M-1]+；形成加合離子；電荷交換反應(yīng)，產(chǎn)生M+；其他的一些反應(yīng)。
負(fù)離子：脫質(zhì)子反應(yīng)，產(chǎn)生[M-1]-；電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，產(chǎn)生M-；加合反應(yīng)；共振俘獲反應(yīng)；離子對形成反應(yīng)；共振俘獲解離反應(yīng)。
      對于含氨基的化合物，采用正離子CI較為有利；含有有機(jī)酸、醇或鹵素化合物，采用負(fù)離子CI較為有利。

CI不僅僅可以獲取分子量信息，還可用于確定官能團(tuán)及其取代位置，空間異構(gòu)體。

快原子轟擊（FAB）離子源

圖十：

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FAB/LSIMS離子源采用的是二次離子電離的原理。已高能量的初級離子轟擊表面，再對由此產(chǎn)生的二次離子進(jìn)行質(zhì)譜分析。這種方法是材料表面分析中的一種重要的方法。包括快原子轟擊（FAB）和液體二次離子質(zhì)譜（LSIMS），同樣在有機(jī)質(zhì)譜中有著重要的地位。

電噴霧電離源（ESI）

圖十一：

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ESI源可以說是目前在中國使用得泛的離子源。ESI方法的主要是M.Dole和J.B. Fenn等人。ESI于1989年應(yīng)用于有機(jī)質(zhì)譜。ESI的工作原理是，內(nèi)襯彈性石英管的不銹鋼毛細(xì)管（內(nèi)徑約0.1 mm）被加以3～5 kV的正電壓，與相距約1厘米接地的反電極形成強(qiáng)靜電場。被分析的樣品溶液從毛細(xì)管流出時(shí)在電場作用下，液滴因溶劑的揮發(fā)逐漸縮小，其表面上的電荷密度不斷增大。當(dāng)電荷之間的排斥力足以克服表面張力時(shí)，液滴發(fā)生裂分，產(chǎn)生帶電的更小微滴；這些液滴中溶劑再蒸發(fā)，此過程不斷重復(fù)，知道液滴變得足夠小，表面電荷形成的電場足夠強(qiáng)，最終把樣品離子從液滴中解析出來，形成的樣品離子通過錐孔，聚焦透鏡進(jìn)入質(zhì)譜儀分析器后被檢測。
圖十二：

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圖十三：

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ESI所能承受的液體流量通常為1～20 ml/min。向噴霧區(qū)引入一股逆向的氮?dú)饬骺梢源龠M(jìn)霧狀液滴的脫溶劑過程。而在內(nèi)襯的彈性石英管與金屬毛細(xì)管之間增加一股同軸的助霧化器流可是液體流量提高到2 ml/min。實(shí)現(xiàn)與HPLC的聯(lián)用。
      電噴霧通常要選擇合適的溶劑。除了考慮對樣品的溶解能力以外，溶劑的機(jī)型也須考慮。一般來說，極性溶劑（甲醇、乙腈、丙酮等）更適合于電噴霧。對于水溶液，由于液體表面張力較大，ESI要求的閾電位也較高。為了避免高壓放電，可向噴霧區(qū)引入有效的電子清除劑或使離子源加熱以降低表面張力。

ESI同時(shí)可以同多類的質(zhì)量分析器匹配，包括TOF，四級桿，和離子阱。發(fā)生穩(wěn)定噴霧，必須要有足夠強(qiáng)的電場使得噴霧，電荷分離。同時(shí)流體要有一定的線速度，流體中還必須要含有一定量的電解質(zhì)（離子）。
圖十四：

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另一方面，為了提高靈敏度，采用內(nèi)徑更小的毛細(xì)管（5-50 mm）可是液體流量降低至50 ml/min，噴出的液滴直徑可有微米級降至納米級，因此被稱為納級噴霧（nanospray）。納噴比常規(guī)噴霧的電離效率提高了約兩個(gè)數(shù)量級，檢出限可達(dá)10-21 mol/ml。尤其適合于具有超高靈敏度和超高分辨本領(lǐng)的FTICR。

為了減少對離子源后續(xù)的部件，質(zhì)量分析器的污染，基本上沒有采用直線噴霧的離子源了，基本上毛細(xì)管和錐孔都有一定的角度，比如Z型噴霧，垂直噴霧等。
圖十五：

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圖十六：

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基質(zhì)輔助激光解吸電離（MALDI）源

圖十七：

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通過激光束于固體樣品分子的作用使其產(chǎn)生分子離子和具有結(jié)構(gòu)信息的碎片；所研究的是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、不易氣化的大分子。
      采用固體基質(zhì)以分散被分析樣品是MALDI技術(shù)的主要特色和創(chuàng)新之處。基質(zhì)的主要作用是作為吧能量從激光束傳遞給樣品的中間體。此外，大量過量的基質(zhì)（基質(zhì)：樣品=10 000：1）使樣品得以有效分散，從而減少被分析樣品分子間的相互作用。
      基質(zhì)的選擇主要取決于所采用的激光波長，其次是被分析對象的性質(zhì)?；|(zhì)的作用是吸收激光能量并使被測分子分離成單分子狀態(tài)，使其發(fā)生解吸電離。選擇基質(zhì)時(shí)，要求樣品應(yīng)能均勻地分散于基質(zhì)中，基質(zhì)應(yīng)能為樣品提供質(zhì)子。較常用的基質(zhì)有芥子酸、2，5-二羥基苯甲酸、2-氰基-4-羥基肉桂酸、3-吲哚丙烯酸、蒽三酚等?；|(zhì)的選擇是得到優(yōu)質(zhì)圖譜的關(guān)鍵。樣品制備，基質(zhì)溶液配置及兩者混合后能共同結(jié)晶為操作條件，這些因素對靈敏度和分辨率有明顯的影響。

MALDI在以下領(lǐng)域應(yīng)用的比較多，包括：蛋白和多肽、寡聚核苷酸、碳水化合物、合成高分子聚合物、類脂類、天然產(chǎn)物、和合成有機(jī)物領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域上的應(yīng)用主要是取決于MALDI的一些優(yōu)勢。
圖十八：

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值得一提的是MALDI一個(gè)重要的特征就是可以一定范圍內(nèi)容忍鹽。下圖就是關(guān)于各類型不同鹽在MALDI中的量。
圖十九：