波谱分析之药学.doc

质谱分析 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质谱图，从而确定其质量。质谱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。 质谱中的主要离子：电荷离子、分子离子、同位素离子、碎片离子、亚稳离子、重排离子、络合离子、多电荷离子、负离子。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、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（M H） 、（M NH4） 、（M Ag） 、（M Cl）-等离子作为分子离子，也能够产生类似的碎片离子。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0.5-1µm 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，还采用FAB-MS 分析从hafnia 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200250，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。 质谱仪: 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。有机质谱仪：由于应用特点不同又分为：1、气象色谱质谱联用仪（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： 机制辅助激光飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS），傅里叶变换质谱仪（FT-MS） 4、无机质谱仪，包括： 火花源双聚焦质谱仪。 感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。 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。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）。新型检测技术：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 20100 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rkinshaw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。参考文献：1 张胜帮，张学俊，郭玉生. ICP-AES法测定中药中钙J光谱学与光谱分析，2004，(10). 2 何艺桦.基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术D. 四川大学，2007 3 吴莉.电感耦合等离子体质谱/发射光谱法测定生物样品、中药及水样中的微痕量元素D. 四川大学，20074 庄美华，朱辉忠，蔡伟星，葛振祥. 应用ICP-MS分析汽油中微量的砷、汞、铅J分析测试技术与仪器，2005，(04). 5 陶冠红，藤川阳子. 激光熔蚀-电感耦合等离子体质谱法测定底泥沉积物中的总汞J光谱学与光谱分析，2004，(09). 6 何蔓，林守麟，胡圣虹. 氢化物发生进样与ICP-MS检测方法的联用J光谱学与光谱分析，2002，(03). 7陈浩，胡斌，李彬，孙大海，王小如. 电感耦合等离子体质谱测定中草药中痕量稀土元素的研究J分析科学学报，2002，(03). 8钱小红. 蛋白质组与生物质谱技术J质谱学报，1998，(04). 9etel，C. R，Vogl，J.，Prohaska，T.，Nelms，S.，Taylor，P. D. P.，De Bievre，P. Comparative performance study of ICP mass spectrometers by means of U isotopic measurements .Fresenius J.