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质谱阅读:807

    质谱(又叫质谱法)是一种与光谱并列的谱学方法,通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息,将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。在众多的分析测试方法中,质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。

定义

    质谱分析是一种测量离子荷质比(电荷-质量比)的分析方法,其基本原理Joseph?John?Thomson是使试样中各组分在离子源中发生电离,生成不同荷质比的带正电荷的离子,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,再利用电场和磁场使发生相反的速度色散,将它们分别聚焦而得到质谱图,从而确定其质量。第一台质谱仪是英国科学家弗朗西斯·阿斯顿于1919年制成的。阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素,研究了53个非放射性元素,发现了天然存在的287种核素中的212种,第一次证明原子质量亏损。他为此荣获1922年诺贝尔化学奖。

样品导入

    质谱方法的一个重要特点就是它对各种物理状态的样品都具有非常高的灵敏度,而且在一定程度上与待测物分子量的大小无关。但是,因为质谱仪的质量分析器安装在真空腔里,分析样品只有通过特定的方法和途径才能被引入到离子源,并被离子化,然后被引入质量分析器进行质量分析。一般把所有用于完成这种样品引入任务的部件统称为样品引入系统。而样品引入方式则可分为直接引入法和间接引入法。间接引入法又可细分为色谱引入、膜进样等。
    直接引入法是将低挥发性样品直接装在探针上,将探针送入真空腔内,然后给探针通大电流加热,使探针的温度急剧上升至数百度(一般不超过 400 ℃),样品分子受热后挥发形成蒸气,该蒸气受真空腔内真空梯度的作用被直接引入到离子源中离子化。由于温度对样品的挥发度影响较大,需精确控制温度,但这也使固体选择性进样成为可能。这种方法主要适合于较低挥发性、热稳定性好的样品。而对于难挥发和热不稳定样品,主要采用解吸电离(DI)的办法。
    色谱法是质谱中应用最多的样品间接引入法,这种进样系统的研究热点之一就是质谱和色谱之间的接口技术。GC的样品可通过毛细管直接导入到质谱的离子源。如果GC的载气流量较大,可在离子源前面加一级真空或者采用喷射式分离器来分流载气(如 He 等小分子气体)和富集待测物。LC-MS 常采用电喷雾技术从色谱流出物中提取样品同时进行样品的引入,该方法的优点在于它不需对仪器进行复杂的维护和调试,而且具有很高的灵敏度和极快的响应速度。除了经典的 GC、LC 被用于质谱样品引入外,超临界流体色谱(SFC)和毛细管电泳(CE)也可与质谱技术联用,大大扩大了样品引入的灵活性。如果采用DI技术,则薄层色谱、纸色谱等都可用到质谱分析中来,在效率允许的情况下,可大大降低成本。
    近年来,随着质谱在环境分析中的普及,膜进样技术逐渐得到重视。在常见的膜进样系统中,大多采用硅聚合物制作半透膜,这种半透膜能够让某些小分子有机物通过膜壁进入真空系统,而样品中大量的基体、溶剂则不能透过,因此,膜进样技术(MI)特别适宜于对低含量待测物的连续在线监测,如MI-MS,可望在环境监测、工业控制等方面获得良好的应用。
    在质谱仪器的校正和有机物结构鉴定中经常用到炉式或池式进样,绝大多数的商品仪器都配备了这种进样系统。该系统能够长时间提供稳定的样品浓度,方便对仪器进行校正和对待测物进行慢速扫描,从而获得精确的信号。当然,这种方法要求样品具有较低挥发性和较好的热稳定性,此外,使用该方法样品耗量较大。

技术

    质谱随着科学技术的进步,20世纪80年代以来,有4种软电离技术产生,分别为等离子体解吸(PD-MS)、快原子轰击(FAB )、电喷雾(ESI )和基质辅助激光解吸/电离(MALDI)。
    等离子体解吸的原理是:采用放射性同位素的核裂变碎片作为初级粒子轰击样品使其电离,样品以适当溶剂溶解后涂布于0.5-1?m 厚的铝或镍箔上,核裂变碎片从背面穿过金属箔,把大量能量传递给样品分子,使其解吸电离。在制备样品时,采用硝化纤维素作为底物使得PD-MS 可用以分析分子量高达14 000 的多肽和蛋白质样品。
    快原子轰击的原理是,一束高能粒子,如氩、氙原子,射向存在于液态基质中的样品分子而得到样品离子,这样可以得到提供分子量信息的准分子离子峰和提供化合物结构信息的碎片峰。快原子轰击操作方便、灵敏度高、能在较长时间里获得稳定离子流。当用于绝大多数生物体中寡糖及其衍生物的分析时,可测分子量达6000。而且在该质量范围内,其灵敏度远高于在15000 范围内新一代全加速仪器的灵敏度。此外,Camim 等采用FAB-MS 分析从Hafnia alvei中得到的四个寡糖组分,检测到了NMR 不能观测到的寡糖、并揭示了寡糖结构的非均一性。
    电喷雾电离的原理是:喷雾器顶端施加一个电场给微滴提供净电荷;在高电场下,液滴表面产生高的电应力,使表面被破坏产生微滴;荷电微滴中溶剂的蒸发;微滴表面的离子“蒸发”到气相中,进入质谱仪。为了降低微滴的表面能,加热至200~250℃,可使喷雾效率提高。FAB-MS 可以显示碎片离子,但只能产生单电荷离子,因此不适用于分析分子量超过分析器质量范围的分子。ESI 可以产生多电荷离子,每一个都有准确的小m/z 值。此外还可以产生多电荷母离子的子离子,这样就可以产生比单电荷离子的子离子更多的结构信息。而且,ESI-MS 可以补充或增强由FAB 获得的信息,即使是小分子也是如此。
    基质辅助激光解吸离子化质谱(Matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry,MALDI-MS) 是19 世纪80 年代末问世并迅速发展起来的质谱分析技术。这种离子化方式产生的离子常用飞行时间(time of flight,TOF)检测器检测,因此MALDI常与TOF一起称为基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)。MALDI-TOF-MS技术,使传统的主要用于小分子物质研究的质谱技术发生了革命性的变革,从此迈入生物质谱技术发展新时代。该技术的特点是采用被称为“软电离”方式,一般产生稳定分子离子,因而是测定生物大分子分子量的有效方法,广泛地运用于生物化学,尤其对蛋白质、核酸的分析研究已经取得了突破性进展。MALDI-MS 在糖研究中的应用,也显示出一定的潜力和应用前景。另外在高分子化学、有机化学、金属有机化学、药学等领域也显示出独特的潜力和应用前景,已经成为广大科技工作者研究于分析大分子分子质量、纯度、结构的理想工具。其广泛应用于生物化学领域,

发展史

    早在19世纪末,E.Goldstein在低压放电实验中观察到正电荷粒子,随后W.Wein发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转,这些观察结果为质谱的诞生提供了准备。
    世界上第一台质谱仪于1912年由英国物理学家Joseph John Thomson(1906年诺贝尔物理学奖获得者、英国剑桥大学教授)研制成功;到20世纪20年代,质谱逐渐成为一种分析手段,被化学家采用;从40年代开始,质谱广泛用于有机物质分析;1966年,M.S.B,Munson和F.H. Field报道了化学电离源(Chemical Ionization,CI),质谱第一次可以检测热不稳定的生物分子;到了80年代左右,随着快原子轰击(FAB)、电喷雾(ESI)和基质辅助激光解析(MALDI)等新“软电离”技术的出现,质谱能用于分析高极性、难挥发和热不稳定样品后,生物质谱飞速发展,已成为现代科学前沿的热点之一。由于具有迅速、灵敏、准确的优点,并能进行蛋白质序列分析和翻译后修饰分析,生物质谱已经无可争议地成为蛋白质组学中分析与鉴定肽和蛋白质的最重要的手段。
    质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息,将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。如用质谱法作为气相色谱(GC)的检测器已成为一项标准化GC 技术被广泛使用。由于GC-MS 不能分离不稳定和不挥发性物质,所以发展了液相色谱(LC)与质谱法的联用技术。LC-MS可以同时检测糖肽的位置并且提供结构信息。1987年首次报道了毛细管电泳(CE)与质谱的联用技术。CE-MS 在一次分析中可以同时得到迁移时间、分子量和碎片信息,因此它是LC-MS的补充。
    在众多的分析测试方法中,质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱的发展对基础科学研究、国防、航天以及其它工业、民用等诸多领域均有重要意义。

种类

    质谱仪种类非常多,工作原理和应用范围也有很大的不同。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:
    ①气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
    在这类仪器中,由于质谱仪工作原理不同,又有气相色谱-四极质谱仪,气相色谱?-飞行时间质谱仪,气相色谱-离子阱质谱仪等。
    ②液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)
    同样,有液相色谱-四器极质谱仪,液相色谱-离子阱质谱仪,液相色谱-飞行时间质谱仪,以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。
    ③ 其他有机质谱仪,主要有:
    基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS),傅里叶变换质谱仪(FT-MS)
    无机质谱仪,包括:
    ①?火花源双聚焦质谱仪。
    ②?感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。
    ③二次离子质谱仪(SIMS)
    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,一台气相色谱-双聚焦质谱仪,如果改用快原子轰击电离源,就不再是气相色谱-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色谱相连,又可以和液相色谱相连,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。
    除上述分类外,还可以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,四极杆质谱仪,飞行时间质谱仪,离子阱质谱仪,傅立叶变换质谱仪等。

离子源

    在早期的质谱研究中,涉及的样品一般为无机物,检测目的包括测定原子量、同位素丰度、确定元素组成等。针对这些要求,需要采用的离子源主要包括电感耦合等离子体(ICP)、微波等离子体炬(MPT)和其他微波诱导等离子体(MIP)、电弧、火花、辉光放电等,几乎能够用于原子发射光谱的激发源都可用。
    目前质谱的检测对象主要是有机物和生命活性物质,需要用到一些比较特殊(相对于AES激发源)的电离源。这些电离源可分为4类,即电子轰击电离(EI)、化学电离(CI)、解吸电离(DI)、喷雾电离(SI),如下表所示。除EI外,每种电离源都能够同时得到大量的正离子和负离子,而且分子离子的种类跟离子化过程中的媒介(medium)或基体(matrix)有关。比如,CI能够产生(MH)、(MNH4)、(MAg)、(MCl)-等离子作为分子离子,也能够产生类似的碎片离子。
    常见的用于有机物分析的质谱电离源表

电离源  离子化试剂  适宜样品
电子电离(EI)  电子  气态样品
化学电离(CI)  气体离子 气态样品
解吸电离(DI)  光子,高能粒子  固态样品
喷雾电离(SI)  高能电场 热溶液

    电离源产生的不同离子之间能够互相反应,使得电离的结果更加丰富而复杂。比如在EI的作用下能够产生大量的离子,内能较大的离子在与中性分子(如He)碰撞时能够自发裂解产生更多的碎片离子。这种离子-分子反应一般很难进行完全,往往在得到许多碎片离子的同时还保留着部分母体离子,不过,通过增加离子内能(如调节碰撞时间,EI 能量和中性粒子数量等),可以促使这种离子-分子的反应进行完全;反之,如果降低离子内能,则可能得到稳定的该离子而不是该离子的碎片。相对 EI 而言,CI,DI 和 SI 都是软电离源。借助激光和基体辅助,DI甚至能够对沉积在某个表面的难挥发、热不稳定的固体化合物进行瞬间离子化,得到比较完整的分子离子。SI的出现解决了生物大分子的进样问题,给质谱法在生命科学领域的应用,尤其是大分子生命活性物质如蛋白质、DNA 等的测定提供了非常便捷有效的手段,其作用也因其创立者获得 2002 年的诺贝尔化学奖而分外受到世人瞩目。
    考察电离源的性能,一般需要用到的参数有信号强度、背景信号强度、电离效率、内能控制能力。

进展

    1、电喷雾解吸电离技术(Desorption Electrospray Ionization)
    2004 年,Cooks 等报道了基于电喷雾解吸电离(DESI)对固体表面进行非破坏性检测的新型质谱分析方法。
    电喷雾产生的带电液滴及离子直接打到被分析物的表面,吸附在表面的待测物受到带电离子的撞击从表面解吸出来并被电离,然后通过质谱仪的采样锥进入质量分析器,获得的质谱图与常规电喷雾质谱图十分相似,可以得到单个或多个电荷的分子离子。电喷雾解吸电离技术可视为电喷雾技术与解吸技术的结合,而又类似于二次离子质谱。不同的是,解吸电离技术和二次离子质谱技术都是在真空条件下完成,而电喷雾解吸电离过程是在大气压环境下完成。由于该方法无须样品预处理,能够对吸附在固体表面的爆炸物、色素、蛋白质等在大气压下进行离子化,甚至能够对薄层色谱表面的分析物进行直接检测,从而实现了利用质谱方法进行快速灵敏的测定。DESI 是一种新兴的离子源,其最大的优点是能够在大气压下对物质分子进行离子化,从而实现了对待测物的灵敏、快速、高选择性在线监测。
    电喷雾解吸电离方法应用广泛,可用于极性化合物、非极性化合物、高分子量化合物、低分子量化合物的测定。DESI-MS 可用于植物组织的天然产物分析,无需萃取等样品预处理过程;另外,该技术还已被用于蛋白质组学、代谢组学和诊断学、毒品检测等领域,均取得了很好的结果。值得一提的是,Cooks 课题组将DESI 与便携式质谱仪联用,并实现了对药物、植物组织、爆炸物、生化战剂模拟物、农用化学品的分析。
    2、电晕放电实时直接分析电离技术(Corona Direct Analysis in Real Time, CDART)
    2003年,美国科学家发明了电晕放电实时直接分析(Corona Direct Analysis in Real Time, CDART)离子化技术并成功地与带常压接口的飞行时间质谱相结合构成了新的质谱仪。采用这种质谱仪对各种气、液体和固体样品表面不作任何处理就可在大气压下直接进行实时分析,几秒钟内就可以得出结果,正好能使质谱技术满足科技领域对这些方面的迫切需求,因而被学术界认为是质谱技术发展方面的“下一次量子飞跃(next quantum leap)”和“革命性的离子源(revolutionary ion source)”。
    将其与离子淌度谱仪(IMS)结合则有望发展出可用于现场检测的便携式专用仪器。
    实时直接分析离子化源采用常压电晕放电办法使氦形成亚稳态的氦原子,或者使氮气形成振动激发态的氮分子(活化氮),这些高能组分在与样品分子接触时就可通过非弹性碰撞使后者离子化,将其引入质量分析器作进一步分析,即可获得所需要的被分析样品的质谱信息。CDART 技术最初(2003年春)由美国的JEOL 公司开发成功并将其用于该公司带常压接口的 AccuTOF 质谱仪。同年(2003 年)夏美国陆军设在马里兰州的 Edgewood 化学生物武器中心即开始对其作为化学武器检测器的能力进行评估。两者(JEOL 公司和 Edgewood 中心)的研究很快证明,这一新技术可用于数百种化学物质的鉴定,其中包括化学生物武器制剂及其相关化合物(包括其前体、添加剂、反应和降解产物及解毒副产物)、药品、代谢产物、氨基酸、多肽、寡糖、合成有机化合物和金属有机化合物、毒品、爆炸品及有毒工业化学品等。样品类型则遍及多孔混凝土、沥青、人体肌肤、钱币、航班登机卡、名片、水果、蔬菜、调味品、饮料、生物体液、树木和花草叶片、酒杯、常用实验室设备及服饰等。最近的研究更已经扩展到了像蛋白质的测定、聚合物的鉴别、橡胶中抗氧化剂的快速分析、食用油中脂肪的快速分析、粘结剂、水泥、树脂的快速分析、泥水中爆炸物的检测、西红柿表面番茄红素的测定、单个罂粟籽中鸦片的检测、辣椒中辣椒素的分布测定、葱片所释放出的不稳定化合物的检测、除草剂中痕量化合物的快速检测、桔子皮中杀菌剂的检测等等。
    3、电喷雾萃取电离技术(extractive Electrospray Ionization)
    陈焕文等在进行DESI-MS研究的基础上,创造性地提出了电喷雾萃取电离(EESI)技术。EESI 技术最早用于液体样品的测定,由电喷雾产生的带电液滴及离子与雾化产生的样品液滴碰撞,样品溶液中的待测物被萃取出来并电离,待测物离子由毛细管接口引入质谱仪。
    随后,陈焕文等成功地开展了基于 EESI-TOF-MS 方法和活体呼吸气体为样品的代谢组学方面的研究,研究结果被 Angew. Chem.杂志选中为VIP热点文章、并以封面配图的形式加速发表。实验在商品化ESI离子源上进行,气体样品由鞘气入口引入,与电喷雾产生的带电液滴及离子碰撞,待测物分子被萃取并离子化后,由毛细管引入质谱仪。因其别具匠心的设计和优异的性能,使得 EESI-MS 不仅具有质谱特有的高灵敏度和高特异性,而且能够承受各种形态的样品,而且不需要进行样品收集和分离,能够对生物样品进行活体、实时、在线分析。因此,给临床样品的快速质谱分析这一问题的解决提供了可能。从已经发表的结果来看,EESI-MS 不但能够检测呼吸气体中含有的极性分子和非极性分子,而且还能够检测挥发性和非挥发性分子。通过呼吸气体的活体在线的质谱分析,在1秒钟内即可以获得样品中所有这些分子的指纹谱图,而且可以对任何感兴趣的组分进行结构鉴定,确保了测量结果的可靠性。他们的研究结果表明,人体在极端饥饿或病理条件下将能够在呼出气体中检测到超乎寻常的大量尿素,这与体内采用蛋白质、脂肪来代替糖类供能的结果吻合,也给许多疾病的诊断提供了依据;当服用甜点后能够在呼出气体中检测到葡萄糖,为糖尿病等的诊断和研究提供了新的途径;数据也清楚地显示了健康亚洲人和欧洲人身体对啤酒的不同反应;并且展示了通过选择性分子-离子反应来进行某一类化合物的快速测定,比如口臭患者病因的检测等。实际上,EESI-M 可看作是分子水平上的闻诊。根据科学家的评价,该项研究结果清楚地展示了如果应用质谱仪来进行活体代谢组学研究,对人类多种疾病的诊断、治疗以及对生命活动的分子细胞学机制的研究提供前所未有的有效工具。2002年诺贝尔化学奖得主、ESI技术发明人John B. Fenn 教授认为这一技术(EESI)将被广泛应用,尤其是分析化学家将满怀感激,对此,毫不怀疑。Cooks 教授认为 EESI开辟了临床诊断分析化学研究的新领域,对质谱学在临床医学方面的应用具有划时代的意义。该研究成果发表后,瑞士化学会会刊CHIMIA立即决定对其进行转载,欧美各国的众多学术期刊,包括英国Chemistry World,美国 C&EN,德国科技在线,Medical News Today,Medilexicon,Hospitalsworldwide,Lab on a chip等媒体都以多种文字对此成果进行了报道,意在迅速引起各国相关行业人员的关注。

检测器

    质谱仪器的检测器有很多种,此处仅对电子倍增管及其阵列、离子计数器、感应电荷检测器、法拉第收集器等比较常见的检测器作简要评述。

质谱图.jpg

    质谱图

    电子倍增管是质谱仪器中使用比较广泛的检测器之一。单个电子倍增管基本上没有空间分辨能力,难以满足质谱学日益发展的需要。于是,人们就将电子倍增管微型化,集成为微型多通道板(MCP)检测器,并且在许多实际应用中发挥了重要作用。除了这种形式的阵列检测器外,电荷耦合器件(CCD)等在光谱学中广泛使用的检测器也在质谱仪器中获得了日益增多的应用。近年来,IPD(ion-to-photon)检测器由于它能够在高压下长时间稳定地工作,也引起了人们的极大重视。
    离子计数器是一种非常灵敏的检测器,一般多用来进行离子源的校正或离子化效率的表征。对一般电子倍增管而言,一个离子能够在10的负7次方秒内引发10的5-8次方个电子,对绝大多数工作在有机物检测、生物化学研究领域的质谱仪器来说,其灵敏度已经足够。但在某些地球化学、宇宙学研究中,则需要用离子计数器来进行检测,其检测电流可以低于每秒钟一个离子的水平,一般离子源的信号至少也是离子计数器检出限的10的10次方倍。
    感应电荷检测器也叫成像电流(imaging current)检测器,常与ICR 质量分析器联用。由于测量的是感应电荷(流),感应效率较低,故其灵敏度较低。但是,当它与ICR 等联用时,由于ICR允许离子的非破坏性测量和反复测量,因而 ICR 仍具有非常高的灵敏度。
    法拉第盘(杯)是一种最为简单的检测器。这种检测器是将一个具有特定结构的金属片接入特定的电路中,收集落入金属片上的电子或离子,然后进行放大等处理,得到质谱信号。一般来说,这种检测器没有增益,其灵敏度非常低,限制了它的用途。但是,在某些场合,这种古老的检测器起到不可替代的作用。如印地安那(Indianna)大学Hieftje等制作的阵列检测器就利用了法拉第杯检测器的上述特点。

分析器

    气相离子能够被适当的电场或磁场在空间或时间上按照质荷比的大小进行分离。广义地说,能够将气态离子进行分离分辨的器件就是质量分析器。在质谱仪器中,也使用或研究过多种多样的质量分析器,此处只介绍在商品仪器中广泛使用的质量分析器,即扇形磁场、飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器、四极杆离子阱和离子回旋共振质量分析器。
    1 扇形磁场
    扇形磁场是历史上最早出现的质量分析器,除了在质谱学发展史上具有重要意义外,还具有很多优点,如重现性好、分辨率与质量大小无关、能够较快地进行扫描(每秒 10 个质荷比单位)。但在目前出现的小型化质量分析器中,扇形磁场所占的比重不大,因为如果把磁场体积和重量降低将极大地影响磁场的强度,从而大大削弱其分析性能。但是,随着新材料和新技术的不断出现,这种局面可望在将来得到改观。
    2 飞行时间质量分析器
    与其他质量分析器相比,飞行时间质量分析器(即 TOF)具有结构简单、灵敏度高和质量范围宽等优点(因为大分子离子的速度慢,更易于测量),尤其是与 MALDI 技术联用时更是如此。历史上对质荷比大于10的4次方的分子的质谱分析就是用TOF 来实现的,目前,这种质量分析器能够测量的质荷比已接近10的6次方。但相对其它质量分析器(如 ICR)而言,TOF 的分辨率和动态线性范围不够理想,比如对于分子量超过 5000 的有机物,同位素的峰就分辨的不好。但是,对大分子的质量测量精度则可达到0.01%,比传统生物化学方法(如离心、电泳、尺寸筛析色谱等)的精度好的多。
    在TOF中,不同质荷比的离子必须在同一时间点以相同的初动能进入漂移管,这样才能保证漂移时间与质量的平方根成反比。为保证不同质荷比的离子在同一时间点以相同初动能进入漂移管,常采用脉冲式离子源(如采用脉冲激光辐射的 MALDI 离子源),这样基本上可保证时间的一致性;但采用这种方法产生的离子初速度仍具有很大差异,为减少这种差异,往往需对离子进行冷却,冷却时间一般为几十毫秒,经冷却的离子再引入电场进行加速,就能够基本消除速度上的差异。但在精确测量时,离子被加速后还需对其时间和空间分布进行校正,即通常所说的时间聚焦和空间聚焦。这种校正增加了TOF 测量的精确度,但同时也增加了仪器的复杂性。
    3 四极杆质量分析器
    四极杆质量分析器的结构就是在相互垂直的两个平面上平行放置四根金属圆柱。如果把水平方向定义为 x方向,垂直方向为 y 方向,与金属圆柱平行的方向为 z 方向,在 x与 y 两支电极上分别施加±(UV cosωt)的高频电压(V 为电压幅值,U 为直流分量,ω为圆频率,t 为时间),则在四个金属圆柱之间的空间形成一个形如马鞍的交变电场。四极杆质量分析器能够通过电场的调节进行质量扫描或质量选择,质量分析器的尺寸能够做到很小,扫描速度快,无论是操作还是机械构造,均相对简单。但这种仪器的分辨率不高;杆体易被污染;维护和装调难度较大。
    4 离子阱
    离子阱和四极杆质量分析器有很多相似之处,如果将四极杆质量分析器的两端加上适当的电场将其封上,则四极杆内的离子将受x,y,z 三个方向电场力的共同作用,使得离子能够在这三个力的共同作用下比较长时间地呆在稳定区域内,就象一个电场势阱,因此这样的器件被称为离子阱。所以,在很多时候都认为四极杆质量分析器与离子阱的区别就是前者是二维的,而后者是三维的。
    离子阱内部的离子总是在做复杂的运动,在这种复杂运动中,包含了与质量相关的特征信息。以这种特征信息为基础,发展了许多离子阱操作的新模式,大大拓宽了离子阱质量分析器的质量范围,改善了质量分辨率。
    虽然离子阱内离子的运动是复杂的,但就离子阱质量分析器本身而言,它具有许多独特的优点,主要是能够方便地进行级联质谱测量,能够承受较高压力(如 0.1 Pa),此外,这种质量分析器价格相对低廉,体积较小,被广泛用做色谱检测器。在质谱仪器的小型化中,离子阱的小型化取得了十分注目的成果。普度(Purdue)大学 Cooks 教授研究组的工作显得尤为突出,发展出来的圆柱型离子阱和矩形离子阱等不但克服了离子阱难以加工的缺点,而且进一步降低了成本、简化了操作,显著减轻了重量,缩小了体积,甚至可做成质量传感器(mass sensor),有望在现场环境监测、国防、刑侦、安检、工业过程控制等领域发挥作用。
    5 离子回旋共振质量分析器
    在某种程度上,离子回旋共振(ICR)质量分析器与 NMR 有些相似。ICR具有非常高的质量分辨率,能够检测大质量离子、进行离子的无损分析和多次测量,具有很高的灵敏度和级联质谱的能力,是一种在现代质谱学领域中具有重要用途的质量分析器。
    为进一步提高质量分析器的质量分辨率,常见的措施是将扇形磁场和电场联用,形成双聚焦质量分析器,而 FT-ICR 的分辨率则可高达10的6次方以上。

检测技术

    1、低温检测器
    低温检测器也叫热量检测器。当粒子或离子撞击超导薄膜表面,能量累积并产生热量,表面溅射出中子、离子、电子和光子,这个过程在常温下不容易被发现。然而,在低温条件下(<3K),能够检测到由离子撞击产生的瞬间“高温”,从而提供离子速率和能量的信息。低温检测器具有100%的效率、无质量岐视、理论上无质量上限。使用电子倍增器和微通道板对大质量离子进行检测时,由于二次电子的产生会使检测效率降低,而低温检测器在高质量区响应信号不会下降。
    这种能够对离子能量检测的方法有助于对离子化机理的研究。2002年出现商品化的采用超导隧道结检测器的阵列低温检测器,对 m/z400,000 大分子进行检测,灵敏度达 fmol 水平。但是,这种检测器需要工作在极端低温的环境下,在一定程度上限制了其推广应用。
    2、微球板检测器
    Tremsin 和 Naaman 等研制出基于微通道板检测原理的微球板检测器(MSP)。直径约为 20~100 微米的玻璃微球经特殊材料处理后,烧结形成薄的、多孔玻璃板,这样在玻璃板两个表面之间就可形成不规则通道,离子撞击玻璃板表面产生二次电子被加在两表面间的高压加速,通过弯曲的通道时,再次撞击其他微球表面产生更多的电子,经多次循环产生后,电子流在玻璃板的另一侧得到检测。与微通道板相比,微球板有更高的检测效率。使用微通道板时,当离子撞击在通道之间的表面,不产生电子;而使用微球板时,接收离子的表面为多个球表面,这极大地提高了检测效率。另外,与微通道板相比,微球板的成本要低的多。
    Guilhaus 等将微球板检测器与正交飞行时间质量分析器联用时,单个离子的脉冲宽度为800ps(半峰宽)。
    3、其他
    Birkinshaw和Langstaff等人研制出由微通道板和阳极阵列组成的聚焦板检测体系。阳极阵列是基于芯片技术的互补型金属氧化物半导体器件,由 18 微米宽的铝检测带和相应电路组成,可用来检测微通道板产生的脉冲电流。与普通微通道板相比,信噪比、灵敏度、分辨率得到一定提高,而计数速率没有得到改善。
    Sinha 和 Wadsworth 等报道了基于电荷耦合器件(CCD)的阵列检测器,作者将电荷耦合器件中对光子敏感的器件换成金属氧化物半导体器件,可直接用于离子的检测,灵敏度较高,可检测 5 个离子。
    Fuerstenau 等将主动象素传感技术用于离子的检测,将可用于电荷收集的金属带代替互补型金属氧化物半导体器件中的光电二极管。与电荷耦合器件不同,互补型金属氧化物半导体器件中的每个象素在电路中都有独立的放大功能。

展望

    进入21世纪,现代科学技术的发展对分析测试技术提出了新的挑战。与经典的化学分析方法和传统的仪器分析方法不同,现代分析科学中,原位、实时、在线、
    非破坏、高通量、高灵敏度、高选择性、低耗损一直是分析工作者追求的目标。在众多的分析测试方法中,质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。电喷雾解吸电离技术、电晕放电实时直接分析电离技术和电喷雾萃取电离技术的提出,满足了时代的需要,满足了科学技术发展的要求,为复杂样品的快速质谱分析打开了一个窗口。
    便携式质谱仪是近年来新型质谱仪的研究热点之一,便携式质谱仪的研究主要集中在离子化技术、质量分析技术方面,检测器多采用Detech公司和SGE公司的商品化检测器。为适应离子化技术、质量分析技术的快速发展,开发高性能离子检测技术已迫在眉睫,而低噪音、高稳定性、宽质量范围、较低的质量岐视、长寿命、低成本将是离子检测技术发展中所要追求的目标。
    质谱和光谱、核磁共振等方法是并列关系,目前很少有交叉领域。实际上,质谱和这些经典谱学方法之间的交叉,也是应该值得重视的研究领域。

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