（分析化学专业论文）快原子轰击质谱定量和机理研究.pdf

捅要 摘要 本论文对快原子轰击质谱的定量原理和机理进行研究。通过盐类和极性物的质量 色谱图验证了快原子轰击质谱的“预电离机理”和“解吸分子离子机理”。定量的测定了 5 ，5 二甲基海因和钾离子，并研究了定量中各种因素的影响。测定氨基酸在不同底物 及底物添加剂中分子离子峰的强度，找出了测定色氨酸的最佳底物和添加剂。 全文共分4 章： 第1 章：文章综述。快原子轰击质谱研究进展 回顾了一种新的软电离技术的产生和发展过程，结合文献阐述了它的电离机理， 底物及底物添加物对质谱图的影响并综述目前快原子轰击质谱在定量方面的应用。 第2 章：快原子轰击质谱法用于有机物5 ，5 二甲基海因的定量测定 采用快原子轰击质谱法，在有底物甘油的条件下，测定了5 ，5 - 二甲基海因，5 - 甲 基5 乙基海因的准分子离子峰 m + h 】+ 的质量色谱图，通过对其曲线拟合，发现它们的 强度随采集时间呈指数衰减规律，并且，二者初始峰强的比值与5 ，5 二甲基海因浓度 呈线性关系。当选择5 一甲基- 5 乙基海因作为内标，就可对5 ，5 一二甲基海因定量分析。 测得标准曲线方程为y = 0 0 2 0 4 0 1 + 0 1 5 4 2 3 x ( r = 0 9 9 1 0 6 ) ，线性范围在1 - 2 5 9 l 之间，精密 度为r s d = 3 o 。 第3 章：快原子轰击质谱法测定宽漠王体中的k 十 采用快原予轰击质谱法( f a b ) 对漠王族中宽漠3 ：( m a n t i c h o r u l ag r a n d i ss e m e n o w ) 体 中的微量元素k 十进行定量测定。以锂离子作为测定时的内标物，在质谱图中用k + 和 l i + 的丰度比定出钾离子的含量。研究了有无底物，快原子轰击能量，以及共存元素等 因素对测定结果的影响。对实验结果的精密度，准确度以及检出限进行了测定。本方 法与火焰原子吸收法测定结果进行比较，结果基本一致。 第4 章：色氨酸的快原子轰击质谱及机理分析 较系统地研究了色氨酸的快原子轰击质谱。比较了不同的底物，如甘油，硫代甘 油，3 硝基苯乙醇，以及向底物中加入氘代三氟乙酸、多种酸、碱、盐作为底物添加 物，对灵敏度的影响。研究结果发现，影响色氨酸分析灵敏度的主要因素是底物的挥 发性和底物添加物的给质子能力。以甘油为底物，离子峰较少，离子流稳定，但在分 析色氨酸的过程中其分析灵敏度较低，加有机酸可提高分析灵敏度。不同的酸对灵敏 摘要 度的影响，随不同底物而异。以甘油、3 一硝基苯乙醇为底物，草酸的作用较明显，但在 酸度较大的情况下，对灵敏度有抑制作用。硫代甘油为底物，离子峰多，离子流稳定性 差，灵敏度高。3 一硝基苯乙醇为底物，其灵敏度和稳定性与甘油和硫代甘油比较居 中。 关键词：快原子轰击质谱；电离机理；钾离子；5 ，5 二甲基海因 i i a b s t r a c t t h em e c h a n i s ma n dq u a n t i t yo ff a s ta t o mb o m b a r d m e n tm a s ss p e c t r o m e t r yv c a ss t u d i e di n t h i sp a p e r i tp r o v e dt h a tt h em e c h a n i s mo f f a b m s ，b yt h em a s sc h r o m a t o g r a p h yo f s m t sa n d p o l a r i t ym o l e c u l e ，w e r ee x p l a i n e da sar e s e to fd e s o r p t i o no fi o n sa l r e a d yp r e s e n to nt h e s l l r f 如eo ra sar e s u l to fi o n - m o l e c u l er e a c t i o n so c c u r r i n gd u r i n gt h ed e s o r p t i o n k _ a n d h y a n t o i nw e r ed e t e r m i n e dq u a n t i t a t i v e l yb yf a s ta t o mb o m b a r d m e n tm a s ss p e c t r o m e t r y a l l k i n d so f t h ef a c t o r s e f f e c tw e r es t u d i e d w ed e t e r m i n e dt h ei o n - m o l e c u l eo f t r y p t o p h a nu n d e r d i f f e r e n ta d d i t i v e sa n dm a t r i c e sa n df o u n do u tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ， t h i sp a p e rc o n s i s t so ff o u rc h a p t e r s c h a p t e ro n e ：t h er e f i e w so f f a s ta t o mb o m b a r d m e n tm a s ss p e c t r o m e t r y f a s ta t o mb o m b a r d m e n t ，an e ws o f ti o n i z a t i o nt e c h n i q u ef o rm a s ss p e c t r o m e t r y , i sb r i e f l y r e v i e w s t h ep a p e ri n t r o d u c et h ep r o c e s so f p r o d u c ea n dd e v e l o p m e n to ff a b ，t h ei o n i z a t i o n m e c h a n i s mo fi t , t h ee f f e c to ft h em a t r i xa n dt h ea d d i t i v eu s e di nf a ba n di t sa p p l i c a t i o no n t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s c h a p t e rt w o ：d e t e r m i n et h eh y a n t o i nu s i n g t h ef a s ta t o mb o m b a r d m e n tm a s s s p e e t r o m e t r y t h eq u a s i i o nm o l e c u l em a s sc h r o m a t o g r a p h yo fd i f f e r e n ts u b s t i t u t i o nh y a n t o i na tc 5 ，5 w e r ed e t e r m i n e d i tf o u n dt h a tt h eq u a s i i o nm o l e c u l ed e c r e a s e de x p o n e n t i a l l yb yt h en o n l i n e rc u i v ef i t t i n go ft h e m t h er a t i oo fi n t e n s i t yo f5 , 5 一d i m e t h y l h y a n t o i na n d5 - m e t h y l - 5 - e t h y l - h y a n t o i nw a sl i n e a r w i 1t h ec o n c e n t r a t i o no ft h e5 , 5 一d i m e t h y l h y a n t o i n t h e5 , 5 - d i m e t h y l h y a n t o i nw a sd e t e r m i n e dq u a n t i t a t i v e l yu s i n gt h e5 - m e t h y l 一5 e t h y l h y a n t o i na st h e i n t e r n a ls t a n d a r d t h es t a n d a r de q u a t i o ni sy = - 0 0 2 0 4 0 1 + 0 1 5 4 2 3 x ( r = 0 9 9 1 0 6 ) ，t h er a n g ei s 1 - 2 5 9 l r s di s3 o t h er e s u l t sa r es a m e a st h ef a a s c h a p t e rt h r e e ：d e t e r m i n a t i o no fp o t a s s i u mi o ni nm a n t i c h o r u l ag r a n d i ss e m e n o wb y f a s ta t o mb o m b a r d m e n tm a s ss p e c t r o m e t r y i nt h i s s t u d yk + i nm a n t i c h o m l ag r a n d i s s e m e n o ww a sd e t e r m i n e db yf a s ta t o m b o m b a r d m e n tm a s ss p e c t r o m e t r y l i + w a su e s da st h ei n t e r n a ls t a n d a r da n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fk + w a sc a l c u l a t e df r o mt h eo b t a i n e di k + i l i + i nt h em a s ss p e c t r o m e t r y w es t u d i e dt h e e f f e c t so nt h e r e s u l to fw i t ho rw i t h o u tm a t r i x t h ee n e r g yo ff a ba n di n v e s t i g a t e dt h e i n t e r f e r e n c ef r o mt h ec o e x i s t e n tm e t a li o n s t h er e s u l t sa r es a t i s t i e dw i t ht h ed e t e m a i n a t i o n l i i l l i t sa n dr s d i i l a b s t r a c t c h a p t e rf o u r ：t h es t u d yo l lt r y p t o p h a na n dm e c h a n i s m sb yf a s ta t o mb o m b a r d m e n t m a s ss p e c t r o m e t r y t h em a s ss p e c t r o m e t r yo ft r y p t o p h a nw i md i f f e r e n ta d d i t i v e sa n dm a l r i c e sb yf a s ta t o m b o m b a r d m e n ti o ns o u r c e ，a r g o na st h eb o m b a r d m e n tg a sh a sb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi n t h i sp a p e r 1 1 1 ee f f e c to fd i f f e r e n tm a t r i c e s ：e g g l y c e r o l ，一t h i o g l y c e r o l ，3 - n i t r o b e n z y la l c o h o l ， a n da l s ot h ea d d i t i v e ，e s p e c i a l l yt h ek i n d so fa c i d sa r et h o r o u g h l yd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h e i n f l u e n c eo nt h es e n s i t i v i t yo ft h et r y p t o p h a n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ek e yf a c t o r sa r c t h ev o l a t i l i t yo fm a t r i xa n dt h ea b i l i t yo fg i v i n gt h e h y d r o g e no fa d d i t i v e g l y c e r o la sa g e n e r a lm a t r i x ，w h i c hp o s s e s sm a n ya d v a n t a g e so fl e a s tp e a k s ，l o w e rv o l a t i l i t ya n dt h es t e a d y t o t a li o nc u r r e n t ，a l t h o u g ht h ea n a l y t i c a ls e n s i t i v i t yo ft r y p t o p h a ni sr e l a t i v el o w e r a d d i n g a c i dc a nr a i s et h ea n a l y t i c a ls e n s i t i v i t yo ft r y p t o p h a n t h ee f f e c t so ns e n s i t i v i t yb ya d d i n g d i f f e r e n ta c i d si nd i f f e r e n tm a t r i c e st h o s et h er e s u l t sa r ed i f f e r e n t s w i mr e g a r dt og l y c e r o la n d 3 - n i t r o b e n z y la l c o h o la sm a t r i c e s ，t h ef u n c t i o no f t h eo x a l i ca c i di sr e l a t i v eo b v i o u s l y , b u ti na s i t u a t i o nt h a t ，i tt h ea c i d i t yi se x c e s s i v e l y , s os e n s i t i v i t yc o u l d b ei n h i b i t e d u s i n g 一 t h i o g l y c e r o la st h em a t r i xt h e r ea r em o r ep e a k s ，p o o rs t a b i l i t yo fi o nc u r r e n t ，h i g hs e n s f f i v i t y i fu s i n g3 - n i t r o b e n z y la l c o h o la sm a t r i x ，i t ss e n s f f i v i t ya n ds t a b i l i t ya r eb e t w e e no t h e rt w o m a t r i x e s k e yw o r d s ：f a s ta t o mb o m b a r d m e n t ；i o n i z a t i o nm e c h a n i s m ；p o t a s s i u mi o n ；h y a n t o i n i v 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证 书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了致谢。 作者签名：丕 习篮日期：蛾月笪日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年一月一日解密后适用本授权声明。 2 、不保密e y 。 ( 请在以上相应方格内打“4 ”) 作者签名：2 垒! 虱4 髦日期：出月丛日 导师签名：二萄哮d 兰i 一日期：递芝蛑月丛日 第1 章综述 第1 章综述 快原子轰击质谱研究进展 摘要：回顾了一种新的软电离技术的产生和发展过程，结合文献阐述了它的电离机 理，底物及底物添加物对质谱图的影响并综述目前快原子轰击质谱在定量方面的应 用。 关键词：快原子轰击质谱；机理；定量 1 1 引言 质谱分析法( m a s ss p e c t r o m e t r y ) 是将化合物形成的离子和碎片离子，按其质荷比 ( m z ) 的不同进行分离测定，来进行成分和结构分析的一种分析方法。根据电离方式 的不同，可分为软电离和硬电离。最常见的硬电离方式是电子轰击源( e l e c t r o ni m p a c t s o u r c e ；e i ) ，e i 的轰击能量常为7 0 e v ，得到的离子流较稳定，碎片离子较丰富，因 而应用最广泛，但是对于分子量较大或稳定性差的样品，常常得不到分子离子峰，因 而也不能测定其分子量。为获得分子离子峰，目前还有一些离子源，它们采用所谓的 “软电离”方式使样品分子电离，得到丰度较大的分子离子峰( m + ) 或准分子离子峰 ( m 1 ) + 、( m + 1 ) + 或( m + x ) + 。常见的这类离子源工作原理各不相同，主要有 化学电离( c h e m i c a li o n i z a t i o n ；c i ) 、场致电离源( f i e l di o n i z a t i o n ；f i ) 、场解吸( f i e l d d e s o r p t i o n ；f d ) 、快原予轰击离子源( f a s ta t o mb o m b a r d m e n t ；f a b ) 以及在上世纪八十 年代末发展起来的电喷雾电离( e l e c t r o s p r a yi o n i z a t i o n ；e s i ) 和基质辅助激光解吸电离 ( m a t r i x a s s i s t e dl a s e rd e s o r p t i o n i o n i z a t i o n ；m a l d i ) 等。下面我们主要介绍f a b 这 一电离技术。 1 2f a b m s 的产生和原理 1 9 8 0 年，英国曼彻斯特大学的m b a r b e r 1 1 等人在二次离子质谱( s i m s ) 的基础 上，用中性原子代替离子轰击样品表面成功的得n t 样品的质谱图，从而产生了一种 河北大学理学硕士学位论文 新的质谱电离技术。f a b 质谱也称为液体二次离子质谱( l i q u i ds e c o n d a r yi o nm a s s s p e c t r o m e t r y ，简称l s i m s ) 。它是一种用快速原 子轰击被分散在高沸点溶剂( 如甘油) 中的待测 化合物，从而产生分子离子。快原予的产生如图 1 1 所示。它是通过电离惰性气体a r 、x e 或h e 产 生的a r + 、x e 十或h e + 在原子枪内，被马鞍形电场 加速，获得较大动能，形成( 热) 的a r + ，热缸+ 与中性氩原子在碰撞室进行电荷交换，经电荷交 换后热氩离子失去电荷，变成快速中性氩原子束 射出。获得电荷的氩原子变成慢a r + 再被电场加速 成热a r + ，如此反复在原子枪的出口，获得高动能 快速的m 原子对样品分子进行轰击。 图1 1 快原子的产生过程 f i 9 1 1t h ep r o d u c eo ff a s ta t o m 4 ，+ ( 快) + a r ( 慢) - - a r ( 快) + a r + ( 慢) ( 1 ) 一般样品分散在甘油基质中，当快原子束轰击涂有样品的金属靶面时，快原子的 大量动能以各种方式消散，其中一些能量导致样品的挥发和解离，形成分子离子和准 分子离子以及它们的碎片。这种电离方法简单，灵敏度高，是准确测定各种极性难挥 发物质的有效方法。质谱分析中采用这种电离方式，可以对一些低挥发性的极性物质 和热不稳定物质进行分析，扩展了质谱的分析领域，使过去在电子轰击质谱( e i m s ) 和化学电离质谱( c i m s ) 中遇到的样品气化问题迎刃而解。f a b 分析中，一般都能得 到较强的 m + h + 峰( 正离子方式) 或【m h ( 负离子方式) ，以及特征碎片离子峰。 因此，f a b m s 分析不仅提供了有关化合物分子量的信息，而且还提供了有关化合物分 子结构的信息。 关于f a b m s 的电离机理的研究，国外有过很多相关的报道。f a b 中的电离过程 是很复杂的，b o j e s e n 2 1 ，h u a n g 3 j ，d ep a u w 【4 ，m i t s u ot a k a y a m a 【5 】，j a ns t m n e r 6 1 等曾对 f a b 的电离机理进行了深入地探讨。但到目前为止，它的电离机理还不甚清楚。 早期的f a b 机理研究，有预电离机理【7 - 8 】和解吸过程中的分子离子反应机理( 7 _ 9 】。 并且普遍的认为k e v 的轰击能量是不足以使物质电离【1 0 ，而m e v 的轰击能量才能引 起电离 1 1 。但是从m i c h l f 9 1 的实验中证明，k e v 的原子轰击能量使气相中的分子发生电 离能量是足够的，在液相中这样的轰击能量也能产生同样的电离效率。 一，一 第1 章综述 既然在中性分子中k e v 的轰击能量的电离截面非常大，那么我们就很有必要考虑 到存在于气相中的电离，这个相中有挥发的基质、分析物的分子等。b o j e s o n t 2 1 3 1 1 m o i l e r 等人获得了挥发性有机物在9 k e v 的x e 原子轰击下的质谱图，它类似于e i 电离 方式的谱图。他们认为是存在这样的反应： m 麟+ a r o r x e + 呻m + l r o r x e( 2 ) h u a n g 和w u 3 i 也获得了在8 k e v 的a r 原子轰击下类似e i 谱图的挥发性有机物的f a b 质谱图。但是他们认为m + 离子是在气相中形成的，中性的分析物m 从样品中溅射出 来与高能量的心或x e 在气相中碰撞，存在下面的反应式： m + 4 7 脚o r 盈细_ m + + e 、+ a r o r x e ( 3 ) 这些都是关于气相f a b 的电离机理。而d ep a u w 4 1 认为在有底物存在的f a b 条件下， m 的形成是通过分析物m 和底物b 之间形成了一个电荷转移加合物( c h a r g e t r a n s f e r c o m p l e x ) 阶毋】： m + b m b 】j m + 4 - 曰。( 4 ) m i t s u ot a k a y a m a 5 1 通过测定不同形态的c 6 0 的e i ，气相f a b ，液态底物f a b 的谱 图阐述了液态底物f a b 的电离原理。他认为m + 的形成不是由于分析物m 和快原子之 间的直接碰撞，而是由于m 与底物分子或离子之间的碰撞，因此他认为f a b 中m + 的 形成不能用( 2 ) 或( 3 ) 来解释，而且他还进一步阐明液态底物f a b 电离条件下，有 足够的能量来形成一价离子，而不能满足形成多价离子的条件。 底物基质与样品在原子束流的轰击下，构成复杂系统，能形成各种离子、电子及 一些预电离离子，它们与解吸过程中产生的基质、分析物的分子之间发生各种分子离 子反应，从而形成了质谱图。这就是所谓的快原子诱导一解吸电离一分子离子反应机 理，即解吸分子离子反应机理。快原子轰击样品靶时，对于一些非极性的物质，在离 子源的真空条件下，具有一定的蒸气压，还有挥发的基质分子，在样品靶周围构成样 品分子的气态环境。样品的气态分子除了由于样品自身的挥发产生以外，还由于快原 子的轰击而产生的热解吸，加速了样品的挥发。当快原子轰击样品靶面时，快原子或 离子首先与样品靶周围的气态分子发生碰撞，这就是气相f a b 电离，产生离子。然后 快原子轰击到样品靶上，使分子发生解吸，进而与气相反应中产生的各种离子发生分 子离子反应。 河北大学理学硕士学位论文 在f a b 中，质子间的转移反应是最重要的分子离子反应 1 2 - 1 3 】。预电离机理认为 m w 主要是在液相表面层通过底物与样品分子间的质子转移预先生成的。f a b 枪产生 的快原子束只是提供m w 解吸到气相的动能。林孝元【1 4 】等认为在f a b 条件下，m i - g 主 要不是通过发生在气相中的质子转移生成的。样品溶于底物涂于f a b 靶上，在靶的周 围按分子密度可以认为分成3 个区域：( 1 ) 靶面上样品溶于底物形成的液相；( 2 ) 靶面周围处于源高真空下的气相；( 3 ) 液相边缘界面的“高浓度气相”【1 5 1 。在许多f a b 谱中观察到m w 与m + 竞争并存，这就不能排除在边缘界面的“高浓度气相”区发生类似 e i 过程的分子离子反应的可能m 1 7 】。边缘界面的“高浓度气相，区主要由低蒸汽压的底 物分子组成。在快原予束的轰击下处于激发态，并互相碰撞，发生分子离子反应而产 生底物分子离子、质子化分子及等离子体。在液相中具有很高动能的m h * 及中性样品 分子溅射到气相时穿过此区，必然与这些离子碰撞，发生分子离子反应而产生m h + 。 分子离子反应中的质子转移也是一个复杂的过程。 而对于一些在基质中是以离子状态存在的物质来说，如盐类、极性物质等，快原 子的轰击，使它们直接溅射出来，进入气相，没有碰撞电离这一步，这就是预先存在 离子的质谱形成过程： m + 土! b m +( 5 ) 对于这些物质，底物的溶剂化效应、样品与底物极性基团问的质子亲和效应、加酸效 应及表面活性剂效应等，均支持预电离机理。 总之，快原子的电离过程是非常复杂的，到目前为止，也没有一个确定的解释。 但是被普遍认同的还是预电离机理和解吸分子离子反应机理。 1 3 定量分析 自从快原子轰击质谱法出现以来，它作为一种软电离技术，已经在很多方面得到 了应用，如糖类、核苷、核酸和抗生素等 1 9 1 。许多文献均报道了它在生物学领域发挥 的重要作用。但是它在定量分析领域的研究还相对较少。质谱是物质的质量谱，每个 物质都有固定的质量，根据质谱图中的峰强可以进行定量分析。 第1 章综述 1 3 1f a b 用于定量的相关文献 在f a b 定量中，一般都加入待测物的氘代物或其它同位素标记物为内标物，采用 内标法定量。s h i g e k ii s o m u r a 等人曾经采用快原子轰击质谱进行哺乳动物器官中磷脂 的定量分析p o ，在测定时加入氘代磷脂作为内标物进行定量。磷脂及氘代磷脂的结构 如图1 2 所示： 1r _ h ，x 暑砖m t 临- 4 1 l zr - 鞫x _ 套：i e v r = - ( i 2 图1 21 和2 分别为磷脂和氘代磷脂的结构 f i g1 2 s t r u c t u r e so f p h o s p h o l i p i da n dd p h o s p h o l i p i d 其中，1 在f a b 谱中的准分子离子峰为4 1 2 ( m 一) ，将1 氘代化得到2 作为内 标物，以保证它们具有相同的质谱行为。2 在f a b 谱中的准分子离子峰为4 1 3 ( m h + ) ，通过测定它们的峰强比值( i l 几) 从而进行定量测定1 ，得到了好的分析结 果。并且s h i g e k i 将f a b 质谱法测定磷脂与放射、荧光等测定方法进行了比较，f a b 具有不用测定前进行化学修饰等处理，可直接进行测定，而且用量少，比比色分析高 1 2 5 0 倍的灵敏度，并且能够提供出碎片峰重要的结构信息等其他优点。 谢红卫【2 1 】等利用快原子轰击质谱直接测定山核桃油中未经任何前处理的混合甘油 三酸酯，获得其分子量和碎片结构信息，根据f a b m s 测得的分子量推导出甘油三酸酯的 组成和不同甘油三酸酯的含量。f a b m s 定量结果和g c 、g c m s 测定结果及文献值相 符。 o r v a la m a m e r 等人用快原子轰击质谱和稳定同位素稀释法定性和定量的研究了尿 三甲胺吲，采用n ”标记的三甲胺为内标物，从样品的制备到测试，它优于核磁共振 和顶空气相色谱，比较简单实用。n a o k om o r i s a k i 等人发现各种二醇类在f a b 谱图中 分子离子与n a + 的加合离子峰 m s + n a + 的强度都随着n 矿浓度的增加呈现线性的增长 2 3 1 ，这也为快原子轰击质谱能够进行定量分析提供了有利的证据。 河北大学理学硕士学位论文 1 3 2f a b 定量的理论基础 f a b m s 是在s i m s 的基础上发展起来的。它与s i m s 与不同之处在于1 、轰击粒 子不同；2 、s i m s 所分析的样品为固体不加底物，主要用于表面分析。它们的离子源 图如图1 3 所示。s i m s 被广泛的应用于定量方面口牝6 1 。g s t i n g e d e r 具体的研究了 s i m s 用于痕量物质定量分析的诸多影响因素，从质谱信号的形成到仪器检测效率的最 佳条件。a b e n n i n g g h o v e n 口7 。2 8 1 等人给出了被测样品浓度的峰强关系式 i = f p e c( 6 ) 其中，f 为仪器的检测效率；p 为快原子轰击溅射出所测离子的产率；e 为所测定 离子的仪器响应系数；c 为所测定物质的浓度。 图1 3a 为二次离子源图；b 为快原子轰击质谱源图 f i g1 3 aa n dba r et h es o u r c eo fs i m sa n df a br e s p e c t i v e l y 采用一种物质作为内标准物，设其浓度为c o ，则所测得的内标物峰强为i o ，若待 测物的浓度为c 。，所测得的峰强为i 。，则存在下面的关系： i o = f p o e o c o 帮i 。= f p 函； t 7 ) 如果内标物选择的好，可使圣生旦- ：ko ( 值是一常数) 则q = - c o k( 8 ) 成 f p ，e ， 。 o 立，从而可以求出待测物的浓度，进行定量分析。 对于f a b 用于无机离子定量时，在无底物情况下，样品在质谱的高真空条件下， 在靶面上形成了一层固体薄膜，与s i m s 相近，( 6 ) ( 8 ) 式同样成立，因此f a b m s 可以利用高速的中性原子束做表面定量分析。在有底物时，情况要复杂一些，诸如待 测样品的性质、在底物中的存在状态、底物、底物的p h 值及仪器因素等，为了消除仪 第1 章综述 器和底物的影响，因此在f a b 定量中都加入内标物，内标物一般采用待测物的氘代物 或其他同位素标记物。 1 3 1 中的文献大都是单纯的从待测物与内标物峰强的比值，进行定量分析，没有 综合考虑到f a b 的电离机理。不同的物质电离机理不同，在f a b 下，定量的原理也 不尽相同。在第二、三章中，我们在f a b m s 电离机理的基础上，对不同物质的质量 色谱图进行非线性拟合，研究了它们的定量原理，以及考虑各种因素对定量结果的影 响，建立了一种有效的定量分析方法。 1 4 底物与添加剂 自8 0 年代初，质谱领域出现了f a b 后，己被广泛应用。并且操作条不断改进， 尤其是靶材料及形状、样品的准备及底物的选择多见报道 2 9 1 。通常，获得一张满意的 f a b 质谱图，样品的制各和底物及底物添加物的选择是一个至关重要的因素。如果样 品溶于底物，那么可以用底物为溶剂溶解样品以增大样品在底物中的浓度：如果样品 不易溶于底物，那么应该选择一种溶剂，该溶剂既能溶解样品，又能溶于底物中，称 为共溶剂，先将样品溶解于共溶剂中，然后将溶液加在底物的表面进行质谱分析。 1 4 1 底物的选择 丙三醇是迄今为止最为广泛应用的底物。这与丙三醇能溶于许多极性化合物而其 本身又具有较低挥发性有关。其他可以使用的底物有氘代甘油、硫代甘油、聚乙二 醇、间硝基苯乙醇以及一些混和底物等。底物的主要作用是维持比较长的分析时间和 稳定的离子流，因此作为种底物因该满足以下几点： 1 能溶解样品( 或与样品的溶剂共溶) ，以使样品分子均匀的分散在底物 中。并且保证不断的向样品靶表面补充被消耗掉的样品。 2 离子源的高真空条件下，具有较低的挥发性，以维持较长的分析时间。 3 与待测样品不发生化学反应，如果发生反应，应该是可以预见的反应途径。 4 底物的碎片离子峰应该与被分析的样品的碎片离子峰易于区分，并且底物的碎 片离子峰应尽可能的少，以减少化学噪音，并且还要对仪器有最小的污染。王洪【3 0 认 为物质与底物混合后，酸度弱者从强者那里获得氢质子，如下式： m + h g m h + + g 一( g 代表底物，m 为待测物) ( 9 ) 河北大学理学硕士学位论文 由预电离机理，得到了 m 明+ 离子峰，所以他认为底物的酸度越强，则样品分子生成 m 蜘+ 的可能性就大，表现在质谱图上，【m h 】+ 峰的相对强度就越强。他选用了四种不 同酸度的底物，对三种抗生素进行了实验，结果发现 m h + 峰的相对强度与底物酸度的 强弱顺序有很好的致性：即甘油) 三乙醇胺) 二乙醇胺) 乙醇胺。在分析极性化合 物时，应该选择酸度比被分析物强的试剂为底物，这样可以获得较强的 m h 】+ 峰。 m i t s u ot a k a y a m a 3 i 1 等人认为在快原子轰击电离条件下，准分子离子峰的强度受到 底物、底物添加剂、以及样品本身结构的影响。当采用亲水性的甘油、氘代甘油、硫 代甘油等为底物时，比较容易形成准分子离子峰，而采用间硝基苯乙醇等疏水性物质 为底物时，则形成分子离子峰的几率比较大；待测物中含有亲质子基团，如羰基、氨 基等，则形成d 订+ 1 】十的离子峰。 1 4 2 底物添加剂 在f a b m s 中，常用底物添加物有各种金属离子、酸、碱、n h 4 + 等，选择适当的 底物添加剂，不但可以提高离子峰的强度，而且还可以提供更多的分析信息。 根据预电离机理，在底物溶液添加酸，存在下面的平衡反应： m + h x ；m h + + 丑一( m 为待测物，h x 为酸性底物添加剂) ( 1 0 ) 因此，向底物中加入酸可提高分析的灵敏度。不同的酸对灵敏度的影响不同，同 样的酸对不同的分析物也有不同的影响。周雨等人【3 2 1 研究了1 8 种氨基酸的快原子轰击 质谱，发现在底物中添加三氟乙酸溶液比添加盐酸、甲酸更能显著提高灵敏度、改善 谱图。m i t s u ot a k a y a m a ”】等人研究了在快原子轰击电离条件下，各种底物的效应，以 及待测物的结构以及在底物中添加酸对分子离子峰的影响。向底物中添加盐酸、草酸 等一般均能提高准分子离子峰的强度。 f a b m s 在分析糖苷和寡糖这种多羟基化合物，其 m h 】+ 峰强度往往很低，无法确 定分子量，人们在f a b 实验中偶然发现多羟基化合物与金属离子、铵离子能生成稳定 的加合离子 3 3 - 3 4 】，并且加合离子的相对强度大大提高，因此，在f a b 底物中加入适当 的碱金属离子被广泛的应用，通过加合离子确定糖苷和寡糖的分子量【3 5 9 1 。向底物中 同时引入碱金属离子n a 十、l i 十，则该物质的f a b 谱中会同时出现( m + l i + ) 和 ( m + n a + ) 的两个强峰，两峰质荷比之差为1 6 ( 即n a 和l i 原子量之差) ，因而能很 好的解决寡糖分子量的准确测定，然而f a b 底物也能与金属离子和铵离子产生强的加 第1 章综述 合离子。翟建军 4 0 l 等人系统的研究了4 种底物与碱金属离子、碱土金属离子及铵离子 的加合质谱，同时研究了底物与不同浓度碱金属离子及等摩尔混合碱金属离子的加 合。研究结果表明，在f a b 中，碱金属离子、铵离子能与底物形成稳定的加合离子 【m + c 】+ ， 2 m + c r ( c = n i - 1 4 ，l i ，n a ，k 和c s ) 。随着扫描时间的增长，加合离子的相对强度逐 渐增大，增加金属离子的浓度，加合离子相对强度提高。此外，多羟基底物容易和半 径小的碱金属离子形成强的加合离子。 贺晓然 4 l 】等研究了f a b m s 下n a c l ，l i c l 水溶液浓度对乙酰化松三糖质谱碎裂的 影响。在低浓度n a + 或l i + 下，碎片离子明显，而阳离子化分子峰较弱，随着n r 或l i 十 浓度的增大，阳离子化分子强度增大，碎片离子强度减小，在n a + 或l i + 浓度适中时， 可得到结构信息全面的质谱图。 因此，在样品分析中，底物的选择及添加剂的合理使用，对于获得满意的快原子 轰击质谱分析结果起着重要的作用。 1 5 本文研究的内容、目的及意义 近年来，一系列质谱软电离技术碍到了新的发展，这些软电离技术包括电喷雾电 离和基质辅助激光解吸电离等，这两种技术解决了极性大、热不稳定的蛋白质、多肽 分予的离子化和大分子量的问题。电喷雾电离的分子可以带多电荷，因为质谱是以质 荷比( m z ) 为横坐标的，如一个分子带一个电荷测得的分子量为1 m ，如果带1 0 个电 荷，则测得分子量可以是1 0 m ，这样使分子测定范围远远扩大，这两种质谱电离技术 无论在灵敏度、准确度还是在分析混合物的复杂性方面都比以前的技术有了显著的改 善，因而它们逐渐的取代了f a b 质谱在生物大分予分析中的地位。但是f a b 作为一种 硬电离e i 与极软电离e s i 或m a l d i 之间的电离方式，能够提供更多待测物的结构信 息，在测定极性、热不稳定的小分子化合物方面有独特的作用。 但是，在样品测试中，并不是所有的物质都有高的灵敏度，物质的谱图受到底 物、底物添加物等影响。因此，为了能够从质谱图中获得更多分析物的信息，就要对 物质的测定方法有充分的了解。在第四章中，我们考察了氨基酸测定中底物及底物添 加剂等对分子离子峰强度的影响，找出了测定色氨酸的最佳底物和添加剂，为如何获 得满意的快原子轰击质谱结果提供了依据。 河北大学理学硕士学位论文 在第二、三章中，我们对f a b m s 定量原理和机理进行研究。通过测定钾和锂离 子以及c 5 位取代海因的质量色谱图验证了快原子轰击质谱对于不同类型分析物的“预 电离机理”和“解吸分子离子机理”。在此基础上，研究了定量原理以及各种因素对结果 的影响，并测定了5 ，5 - 二甲基海因和钾离子，为快原子轰击质谱在定量领域的应用又 开辟了一条新的途径。 参考文献 【1 】m b a r b e r ，r s b o r d o l i ，r d s e d g w i c ke ta i ，f a s ta t o mb o m b a r d m e n to fs o l i d sa sa ni o ns o u r c ei n m a s ss p e c t r o m e t r y j n a t u r e ，1 9 8 1 ，2 9 3 ：2 7 0 - 2 7 5 2 b o j e s e n g ，m o i l e r ，j h a t j m a s ss p e c t r o m i o np r o c e s s e s1 9 8 6 ，6 8 ：2 3 9 3 】h u a n g q - w ，w u g - l ，t a n g h - t i n t j m a s ss p e c t r o m i o np r o c e s s e s ，1 9 8 6 ，7 0 ：1 4 5 4 】d ep a n w i o np r o m o t i o ni nf a s ta t o mb o m b a r d m e n tm a s ss p e c t r