什么是质谱仪？质谱仪的应用及原理

什么是质谱仪？

图 1. 质谱仪图像

质谱仪 (MS) 是一种电离样品中的分子、检测生成的离子并确定其质荷比 ( m/z ) 的设备。

缩写“MS”在日语中通常读作“质量”，但日本质谱学会推荐国际上使用的“MS”。当分子通过某种电离方法电离时，它们会因静电力而飞行。

质谱仪是一种分析设备，可利用电效应和磁效应根据质荷比 ( m/z )分离和检测真空中的飞行离子。该装置主要由进样部分、离子源、质量分离部分、检测器等组成。

根据电离和质量分离方法的不同，有多种类型，并根据测量样品和目的使用它们。质谱仪主要用于样品鉴定和未知样品的成分分析。还可以区分同位素并检测它们。

质谱仪的使用

质谱仪用于对各种分子进行定性和定量分析，从低分子量化合物到高分子量化合物，例如蛋白质和合成高分子化合物。

由于它是鉴定已知物质和确定未知物质结构的有效分析方法，因此广泛应用于化学和生物学的各个领域，包括有机化学和生物化学。具体来说，这包括与各种农用化学品、药品和天然衍生化合物相关的研发、质量控制、分析和测试。

近年来，大分子量蛋白质的电离也成为可能，这使得它们在生命科学和医学领域得到应用。

质谱仪原理

图2 质谱仪原理

质谱仪的基本原理如下。通过以下一系列步骤获得的质谱在水平轴上具有m/z ，在垂直轴上具有检测到的强度。

1. 从样品引入部分将样品引入设备。

2. 由离子源电离。

3. 质量分离器利用磁场和电场的影响大小根据m/z而不同的事实来分离质量，然后用检测器进行检测。

在质谱仪中，除了样品分子仅具有一个电荷的单电荷离子之外，还产生具有两个或多个电荷的多价离子、通过解离产生的碎片离子以及样品彼此缔合的缔合离子。每一个都可以被检测到。此外，峰通常具有源自原始分子同位素比率的分布。

质谱仪的类型

质谱仪有多种类型，但主要按离子源类型和质量分离单元类型的组合来分类。例如，写为“MALDI-TOF-MS”或“ESI-TOF-MS”。

1. 示例介绍部分

图 3. 电离源和质量分离器示例

有些质谱仪与其他设备组合在进样部分之前，用于研发和质量控制领域。例如，有LC-MS与液相色谱联用、 GC-MS与气相色谱联用、ICP-MS与电感耦合等离子体联用等分析仪器。

2. 离子源

EI法（电子电离法）
加速电子在高真空下与热汽化分子（M）碰撞。这是一种从分子中释放电子并生成被称为分子离子的自由基阳离子（M+·）的方法。

ESI 方法（电喷雾电离）

1. 首先，将样品溶液引入施加高电压的毛细管中。

2. 带电液滴是通过从毛细管外部喷射雾化气体（雾化器气体）而形成的。

3. 当带电液滴移动时，溶剂蒸发，表面电场增强，最终电荷之间的排斥力超过液体的表面张力，导致液滴破裂。

4. 通过反复的蒸发和破碎，样品离子最终释放到气相中。

MALDI法（基质辅助激光解吸电离）
将样品混合在基质（例如基质芳族有机化合物）中以产生晶体，并且通过用激光照射该晶体来电离该晶体的方法。适用的分子量范围极广，从1到1,000,000，其最大特点是即使是蛋白质等高分子化合物也能稳定电离。

FAB法（快速原子轰击）将
甘油等基质与溶解在有机溶剂中的样品溶液充分搅拌，使高速中性原子相互碰撞，使样品分子电离的方法。

其他法律包括 CI 法、FD 法、APCI 法和 ICP 法。

3. 质量分离部

四极杆 (Q)
使用四个电极棒向离子源发射的离子施加高频电压的方法。电极棒施加直流和交流电压，产生一个电场，仅允许具有特定m/z 的离子到达检测器。

这种方法原则上可以通过线性改变交流电压同时保持直流电压与交流电压之比恒定来测量目标m/z范围内的所有离子。兼容高达m/z 4000 的范围。

这是双聚焦扇形
磁区型（Magnetic Sector） 的质量分离部件之一。在磁场扇形类型中，离子穿过磁场并利用由洛伦兹力引起的飞行路径的变化。双聚焦型具体是将磁场扇区和电场扇区结合起来，实现离子的速度聚焦和方向聚焦。

飞行时间 (TOF)
是一种通过已知场强的电场加速电离样品，并检测每个离子到达检测器之间的时间差的方法。每个离子的识别都是利用m/z越大，飞行速度越慢且到达检测器所需时间越长的事实。原则上，可测量的质量范围没有限制。

其他方法包括离子阱 (IT)、傅里叶变换离子回旋共振 (FT-ICR) 和加速器质谱 (AMS)。