分析化学——质谱分析

质谱是一种物理方法。其基本原理是在离子源中将样品中的组分电离，产生荷质比不同的带正电荷的离子。在加速电场的作用下，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，利用电场和磁场引起相反的速度色散，分别聚焦得到质谱，从而确定其质量。第一台质谱仪是由英国科学家F.W .阿斯顿(1877—1945)于1919年制造的。利用这个装置，阿斯顿发现了多种元素同位素，研究了53种非放射性元素，发现了自然界中212种287种核素，首次证明了原子质量缺陷。他在1922年获得了诺贝尔化学奖。

一开始质谱仪主要是作为研究仪器，所以过了20年才真正作为分析工具。起初，它在实验中被用作一种高灵敏度的仪器，让设计者找到非常可靠的结果。早期的研究人员忙于测量精确的原子量和同位素分布，无法积极探索这种仪器的新用途。

随着同位素示踪研究的出现，质谱仪在分析中的作用越来越明显。氮植物代谢的生化研究需要15N作为示踪剂。但它是一种稳定同位素，无法通过密度测量来准确测定，所以质谱仪就成了必备的分析仪器。该仪器在使用稳定13C示踪剂的研究和基于稳定同位素鉴定的工作中也是非常有用的。标准质谱仪已经使用了大约45年。

在20世纪40年代，石油工业开始使用质谱仪分析碳氢化合物混合物。尽管在定量解释这种质谱时有不可克服的计算困难，但借助高速计算机，这种仪器在工业上可以取得巨大成功。

(1)近20年来，随着新型电离技术、质量分析技术、与各种分离方法和二维分析方法相结合的技术的发展，质谱已成为应用最广泛的分析方法之一。其最突出的技术进步有以下几个方面:

新的解吸电离技术不断涌现和成熟，可测分子量范围越来越高，并逐渐应用于难挥发、热敏性物质的分析，如海洋天然产物、微生物代谢产物、动植物次生代谢产物、生物大分子的结构研究等。最有前途的电离方法是:

①等离子体解吸以252Cf裂解片段为离子源，使多肽、蛋白质等生物大分子不经衍生直接离子化进行定性分析。与飞行时间质谱联用，已成功用于多种合成肽的质谱分析，并在一些实验室作为常规分析方法用于肽和蛋白质的鉴定。目前，它的可分析质量极限约为50000道尔顿.

(2)快原子轰击，将样品分子放入低挥发性液体中，用高速中性原子轰击，可电离低挥发性热敏分子，得到质子化或碱金属电离的分子离子。由于在磁质谱或四极质谱中容易安装使用，所以应用广泛，分子量很容易达到3000-4000。如果与带后加速多反射阵列检测器的高效磁质谱联用，可测分子量可达10000amn以上，记录分子量可达25000amn。

③激光解吸，利用CO2激光(10.6μm)和Nd/YAG激光(1.06μm)的快速加热，使难挥发分子解吸电离。用飞行时间质谱或离子回旋共振质谱成功分析了一系列蛋白质-酶复合物，并创下了蛋白质中分子质量分析的记录(Jackbean Reasemer ~ 27万)。

④电喷雾(electrospray，electrospray，ionspray)通过常压电离，多次质子化使分子电离。因为可以通过产生多个质子化的分子离子来降低质荷比，如果一个分子量几万的生物大分子携带几十个或者几百个质子，质荷比可以降低到2000以下，可以用普通的四极质谱仪进行分析。其次，由于可以得到一组质荷比连续变化的分子离子峰，因此通过对这些多电荷分子离子峰进行质量计算，可以得到高精度的平均分子量。第三，这个多质子化的分子离子峰可以进一步诱导碰撞活化，被串联质谱分析。第四，这种电离技术对样品的制备要求极低，可以将溶解在生物流体中的样品分子或HPLC和CZE的流出物直接引入大气电离源进行在线检测。

(2)各种组合技术。色谱、电泳和质谱的结合为复杂混合物的在线分离和分析提供了强有力的手段，GC-MS的应用得到了充分的证明。近年来，液相色谱、毛细管电泳等高效分离方法与质谱联用，在分析强极性、低挥发性样品混合物方面取得了进展。主要的接口技术有:

① particlebeam，可以把液相色谱和质谱连接起来，优点是得到的质谱非常接近普通的EIMS谱，可以通过标准谱库的数据进行检索。缺点是消耗大量氦气，只能分析中等极性、中等分子量(2000以下)的分子。

②热喷雾是连接高效液相色谱最广泛使用的接口技术。它是一种软电离技术，可测分子量上限约为8000amn，但缺点是流速需要0.12ml/min，对于质谱来说还是太大了。

③连续流快原子轰击(CF-FAB)。液相色谱流出液通过适当孔径的应时毛细管直接引入FAB电离源，进行连续FAB-MS分析。由于其流速小于5μl/min，更适用于质谱仪，因此具有较大的应用潜力。

④电喷雾。由于使用大气电离源，很容易将微直径柱液相色谱甚至普通液相色谱(只要有合适的分流装置)与质谱联用。最近毛细管区带电泳与质谱的连接成功，实现了高灵敏度(10-15mol)和高分离效率(25万理论板)的联合分析。这是一项很有前途的组合技术。

(3)二维质谱分析方法，例如串联质谱。如果将两个质谱仪串联起来，第一个作为分离装置，第二个作为分析装置，不仅可以在一个系统中完成混合物的分离和分析，而且可以将电离过程和断裂过程分开，从而提供多种扫描方式来发展二维质谱分析方法，以获得特定的结构信息。

该方法最大限度地减少了样品的预处理，并能抑制干扰，特别是化学噪声，从而大大提高了检出限。

串联质谱对上述解吸电离技术分析难挥发、热敏性生物分子也具有重要意义。首先，解吸电离技术一般使用衬底，会产生强烈的化学噪声。使用串联质谱可以避免底物分子的干扰，大大降低背景噪音。其次，解吸电离技术一般是软电离技术，它们的质谱图主要显示分子离子峰，缺少分子碎裂产生的碎片信息。如果使用串联质谱，分子离子可以通过与反应气体碰撞而断裂，从而提供更多的结构信息。

近年来，质谱中分离电离和碰撞断裂的二维测量方法发展迅速。主要的仪器方法如下。

①串联质谱(tandemMS)，常见的形式有串联(多级)四极质谱、四极与磁质谱混合串联质谱、多扇形磁铁串联磁质谱。

②傅里叶变换质谱(FT-MS)又称离子回旋共振谱，是利用离子在磁场中电离产生的回旋共振，通过傅里叶变换得到这些离子的质谱。以前电离导致的真值空的降低与回旋共振对高真值空的要求相矛盾，所以这台谱仪的性能过不了关。近年来，由于电离源分离技术的日益成熟，这种分析方法得到了很大的发展。其优点是易于进行多级串联质谱分析。目前分析质量范围已经达到5万左右，分辨率可以达到1万。

③全分子气化和多光子电离(LEIM—MUPI)，这是微激光解吸电离技术发展中的一种新方法。它将解吸和电离在时间和空上分开，分别用两个激光器进行解吸和电离。利用红外激光实现整个分子气化，利用可调谐紫外激光在较宽的能量范围内控制电离过程，从而获得从电离(仅显示分子离子)到各种程度的硬电离质谱，已成功用于生物大分子的序列分析。