浅谈质谱技术及其应用

1 浅谈质谱技术及其应用 摘要 摘要 质谱分析灵敏度高 分析速度快 被广泛应用于化学 化工 环境 能源 医药 运动医学 刑事科学技术 生命科学 材料科学等各个领域 本 文对质谱仪原理进行了介绍 并叙述了质谱仪的发展过程 对质谱仪技术在各 个领域的应用进行了综述 并对其发展提出了展望 关键词 关键词 质谱仪 应用 发展 1 质谱技术 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 1 1 质谱原理质谱原理 质谱分析是一种测量离子质荷比 质量 电荷比 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 1 2 质谱技术的发展质谱技术的发展 1910 年 英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质 谱仪器 这台质谱仪的诞生 标志着科学研究的一个新领域一质谱学的开创 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 1934 年诞生的双聚焦质谱仪是质谱学发展的又一个里程碑 在此期 2 间创立的离子光学理论为仪器的研制提供了理论依据 双聚焦仪器大大提高了 仪器的分辨率 为精确原子量测定奠定了基础 1 3 质谱技术的分类质谱技术的分类 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 1 有机质谱仪 由于应用特点不同又分为 气相色谱 质谱联用仪 GC MS 液相色谱 质谱联用仪 LC MS 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 2 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 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 2 质谱技术应用 由于质谱分析具有灵敏度高 样品用量少 分析速度快 分离和鉴定同时 进行等优点 因此 质谱技术广泛的应用于化学 化工 环境 能源 医药 运动医学 刑事科学技术 生命科学 材料科学等各个领域 2 1 中药代谢及其药代动力学 中药代谢及其药代动力学 1980 年以来中药代谢及其药代动力学研究的深度和广度有了较大幅度的提 高 近年来由于液相色谱和质谱联用技术的迅猛发展 使得目前质谱尤其是串 联质谱已成为中药代谢物研究和检测的重要工具 药物代谢研究是药物开发过 3 程中非常重要的一步 通常的做法是首先收集样品 用溶剂提取或柱色谱或高 压液相色谱制备得到纯品 再进一步对原药和代谢物进行紫外 红外 质谱 核磁共振等光谱分析 推断代谢物的结构 液相色谱和质谱联用大大节省了样 品处理和提取工作 同时由于采用串联质谱检测和图谱解析可以了解母体药物 的代谢产物 2 2 监测加工食品中的三聚氰胺及其水解产物 监测加工食品中的三聚氰胺及其水解产物 2007 年 7 月 美国国家食品安全与技术中心开始使用配备了 Thermo Scientific AccelaTM 高速液相系统的 TSQ Quantum 三重四极杆质谱仪 建立监测加工 食品中的三聚氰胺及其水解产物的液相色谱串联质谱方法 2 3 食品食品 丹麦罗斯基斯一实验室发明一种带有质谱仪的空调装置 该装置可绘制产品中 60 多种元素的相对含量 可与农产品样品的质谱仪图谱进行对比 从而可得知 这些农产品有无化肥与农药残留物 确认是否是不含化肥与农药残留物的真正 绿色食品 从而可以识别流通领域中商贩给伪劣农产品贴上 绿色食品 的伪 劣绿色食品 国内 自行研制的高分辨率 ESI TOF MS 分析从大豆毛油中萃取 出来的磷脂 实现了国内首次用自制 ESI TOF MS 分析大豆磷脂中磷脂酞胆碱 结果表明 利用 ESI TOF MS 共检测出了大豆磷脂中的 52 种磷脂酞胆碱 2 4 医学医学 表面加强激光解析电离飞行时间质谱仪 SELDI TOFMS 是一种新的蛋白质 检测技术 与传统的蛋白质组学方法相比 该技术具有快速 灵敏 高通量等 特点 运用该技术制成的蛋白质芯片质谱仪已成为蛋白质组学研究中的重要工 具 2 5 地质地质 伴随现代钻井技术的飞速发展 愈加要求录井公司能够提供更加迅捷的多 方面录井资料 基于这种情况 法国地质服务公司开展了能够应用于现场的同 位素质谱仪的研制工作 该套仪器的研制 充分利用了同位素质谱技术的检测 原理 为现场录井烃类气体检测增加了有效的辅助手段 具有相同质子数 不 同中子数或不同质量数的同一化学元素的不同核素互为同位素 同种元素的各 4 种同位素质量不同 但化学性质儿乎相同 因此可以通过测量气体的同位素得 到具有相同质量分数的烃类气体质量浓度 2 6 分析细小气溶胶粒子分析细小气溶胶粒子 美国 Delaware 大学 Johnston 等人研制出用作超细粒子分析的激光质谱仪 用 激光烧灼法实时分析单个气溶胶粒子 粒子直径为 10 150nm 比现有同类仪 器能测量的粒子直径小一个量级 2 7 钢铁生产钢铁生产 质谱仪在钢铁厂成功用于高炉炉气分析 转炉炉气分析 BOS BOF 焦炉 炉气分析 混合站气体分析等部门 2 8 汽轮机真空系统检漏汽轮机真空系统检漏 国内经过几年来使用德国莱宝公司氦质谱仪检漏的经验表明 针对机组真空系 统复杂 管道繁多且被保温难以检测的特点 在进行检漏前 应对机组的运行 情况和性能指标作认真分析 结合以往大 小修停机灌水试验 消缺情况概略 地列出重点检漏部位 从而缩短检漏时间 提高查漏效率 捕捉重要漏点 在 对霍州电厂 1 号 2 号机 100MW 柳林电厂 1 号机 100MW 榆社电厂 1 号 2 号 100MW 神头第一发电厂 4 号 200MW 进行的检漏 均取得了预期的效 果 2 9 环境 生物分析环境 生物分析 串联质谱技术作为分析混合物和分子结构鉴定的重要手段 很早以前已在大型 质谱仪上得到应用 在两个前后串联的质谱 质谱仪中 前级质谱主要用于担任 分离工作 在样品被电离后 它只允许被分析的目标化合物的母代离子碎片 经过碰撞裂解后 由第二级质谱分析裂解后产生的离子碎片 由于上述过程的 完成至少需要三个质量分离器串联而成 故在大型质谱仪上应用串联质谱技术 成本较高 而且操作比较复杂 从而限制了该技术的广泛应用 它不仅适用于 复杂基体混合物的定性分析 而且可以利用得到二级质谱结果进行定量 2 10 地球化学地球化学 5 同位素比率质谱仪 isotope ratio massspectrometers IRMS 是近些年发 展起来的用于测定某些稳定同位素组成的仪器 在诸多领域中都展现出广阔的 应用前景 由于稳定同位素组成中蕴藏着丰富的地球化学信息 通过研究其组 成可以揭示地球化学过程中的诸多方面的信息 所以 IRMS 技术和同位素一起 作为一种新的有效手段在地球化学研究中有着越来越广泛的应用 2 11 地学 考古和生物医学地学 考古和生物医学 在国家科技部 中国科学院和教育部的联合支持下 由中国科学院地球环境研 究所与西安交通大学联合筹建的西安加速器质谱中心的一台 3MV 的多核素分析 加速器质谱仪 Xi an AMS 及其样品制备系统以地学 考古和生物医学研究为 主 多学科共享 近期以 10Be 和 14C 分析为主 且为尽快开展 26Al 和 129I 分析作技术准备 正常运行情况下 每年分析 2500 样品 现代样品的 14C 测 量精度优于 0 5 可达 0 2 0 3 10Be 探测灵敏度可达 10 15 量级 2 12 载人航天载人航天 由于阵列质谱仪在体积 质量 功耗等方面具有其它质谱仪无与伦比的优点 尤其是体积小 质量轻 功耗低正好满足载人航天以及长期宇宙飞行有效载荷 越低越好的要求 决定了其在航天领域的应用地位 广泛应用于航天器舱内空 气监控和医学气体监测 舱内污染物监测 航天员出舱活动 地面模拟试验以 及其它宇宙探索等 2 13 刑事科技刑事科技 上面叙述了质谱仪能分辨同一元素的同位素 更能识别不同元素和化合物 只 要是分析物质成分的场合都可应用在公安上物证检验 分析物证的成分 当然 也在其应用范围之内但在公安物证检验技术上有其特殊要求所用的物证样品是 微量的 甚至是超微量的样品是复杂的混合物 一般分析法难于完成分析速度 快准确率要求高质谱分析技术都能满足这些要求 迅速地判断所分析的物质名 称此项技术对刑侦技术部门来说 有着重要意义 3 质谱技术展望 6 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 暂时很少有交叉领域 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 生物质谱可提供快速 易解的多