质谱技术简介

成绩

中国矿业大学

2014 级硕士研究生课程考试试卷

考试科目现代仪器分析

考试时间2015年4月

学生姓名肖剑

学号TS14040097

所在院系化工学院

任课教师李保民

中国矿业大学研究生院培养管理处印制

质谱技术简介

摘要：

质谱作为一种分子质量信息获得的有力武器，以其微量、快速、灵敏、高精确度等优良性能，广泛应用于现代化学、生物、食品等领域。本文从质谱法的基本原理、色谱-质谱连用技术及质谱技术的新发展三个方面对质谱法进行了一个慨括性的综述，加强了对质谱分析的了解，扩展了质谱连用技术的相关知识，为更好的了解使用质谱提供了一个有力的支持。

关键词：质谱、质谱机理、GC-MS、LC-MS、新发展

前言

质谱,又称质谱法（mass spectrometry,MS），是通过不同的离子化方式，将试样（原子或分子）转化为运动的气态离子，并按照质荷比（m/z）大小进行分离检测的分析方法，是一种与光谱并列的谱学方法。根据质谱图上峰的位置和相对强度大小，质谱可对无机物、有机物和生物大分子进行定性和定量分析。

Thomson JJ于1906年发明质谱，并运用于发现非放射性同位素和无机元素分析。20世纪40年代以后开始用于有机物分析。60年代出现了气相色谱-质谱联用仪，是质谱成为鉴定有机物结构的重要方法。80年代初期，快原子轰击电离的应用，是质谱更好的运用于生物化学大分子。90年代以来，随着电喷雾电离和基质辅助激光解吸电离的应用，已形成生物质谱学一新学科[1]。目前，质谱法已经日益广泛的应用于原子能、化学、电子、冶金、医药、食品、陶瓷等工业生产部门，农业科学研究部门，以及物理、电子与离子物理、同位素地质学、有机化学等科学技术领域[2]。

一．质谱法基本原理

质谱法的基本原理是试样分子或原子在离子源中发生电离，生成各种类型带电粒子或离子，经加速电场的作用获得动能形成离子束；进入质量分析仪，在其中再利用带电粒子在电场或磁场中运动轨迹的差异，将不同质荷比（m/z）的离子按空间位置或时间的不同而分离开；然后到达离子接收器将离子流转变为电信号，得到质谱图。

质谱仪基本结构,化合物的质谱是由质谱仪测得的。质谱仪是使分析试样离子化并按质荷比大小进行分离、检测和记录的仪器。一般质谱仪由进样系统，离子源，质量分析仪，离子接收器及信号放大记录系统组成[3]，如下图所示：

二．色谱-质谱连用技术

色谱是一种快速、高效的分离技术，但不能对分离出的每个组分进行鉴定；质谱是一种重要的定性鉴定和结构分析的方法，一种高灵敏度、高效的定性分析工具，但没有分离能力，不能直接分析混合物。二者结合起来，把质谱仪作为色谱仪的检测器将能发挥二者的优点，具有色谱的高分辨率和质谱的高灵敏度，是生物样品中药物与代谢物定性定量的有效工具。

1.GC-MS

气相色谱-质谱联用的时候，气象色谱仪是质谱法的理想分离器，质谱仪是气象色谱法的理想检测器。气象色谱首先对挥发性的物质进行分离、定量；质谱法在通过测定离子质量和强度来进行成分分析和结构分析。气相色谱法分离效能高，定量准确；质谱法灵敏度高，定性能力强，几乎能检查出所有的有机化合物由GC出来的样品通过接口进入到质谱仪，接口是色质联用系统的关键。

2.LC-MS

目前应用较多的是气相色谱-质谱（GC-MS）联用。但是GC要求样品具有一定的蒸气压，只有20%的药品可不经过预先的化学处理而能满意地用气相色谱分离。而HPLC可分离极性的、离子化的、不易挥发的高分子质量和热不稳定的化合物，同时LC-MS联机弥补了传统LC检测器的不足，具有高分离能力，高灵敏度，应用范围更广和具有极强的专属性等特点，越来越受到人们的重视[4]。

三．质谱技术的新发展应用

1.毛细管电泳-质谱联用(CE-MS)技术的应用

中药是我国几千年历史长河中遗留下来的瑰丽珍宝，随着中药的现代化越来越多地受到国际社会的普遍重视，中药药理和毒理性质研究在全球范围内的受关注度也逐步提升。毛细管电泳-质谱联用技术(CE-MS)是近20年来发展起来的高效联用技术。自1987年该技术首次报道[5]以来，在药物分析、生物大分子分析，以及蛋白质相互作用研究中得到了广泛应用。同时，该技术也被越来越多的应用于中草药成分分析和药理研究中[6]。

2.电感耦合等离子体质谱(ICP-MS )的发展

近十几年来 , 电感耦合等离子体质谱分析技术(ICP-MS )一直是无机微量元素分析研究和应用的重点方向之一。经过20多年的研究和应用,ICP- M S 分析技术已渗透到各个领域 , 成为许多部门的常规分析工具。特别是对于质量数较大的元素分析,如镧、锕系元素,ICP-MS具有较好的分析性能[7]。S.E .Lon g 等[8]讨论了同位素稀释冷蒸发 ICP-MS 的发展及其在 NIST 标准参考物质中Hg 的定值应用。

3.Nano LC-MS/MS 分析在生物学中应用

蛋白质组学是生命科学研究的热点和前沿，蛋白质组学技术方法已广泛应用于生物学各领域。目前小麦叶片蛋白质组分离分析主要采用双向电泳（2-DE）分离和肽质量指纹（PMF）分析技术，探索新的色谱分离和串联质谱分析方法，可为更深入全面研究小麦叶片蛋白质组提供技术保证。刘静[9]等综合利用2D-LC和Nano LC-MS/MS技术，可以实现对小麦叶片蛋白质组的有效分离和鉴定，该方法为更深入全面研究小麦叶片蛋白质组提供了技术保证。

4.质谱检测食品农药残留

质谱以及色谱-质谱联用技术的应用，使农药残留分析从原有的依靠色谱法测定一种或几种农药残留发展到可同时测定不同种类的多种农药残留，实现了对多组份农药的高通量高灵敏度定性及定量分析。目前以质谱作为检测手段的农药多残留分析方法已成为农药残留分析的主导技术和未来发展趋势。

例如德国DFG-S19方法[10]，采用二氯甲烷-丙酮提取食品中残留的农药，经固相萃取柱( SPE) 净化后采用GC-EI-MS检测，可分析有机氯有机磷氨基甲酸酯和拟除虫菊酯等共229种农药的残留; 又如美国的农药多残留快速扫描方法，采用乙腈提取蔬菜水果中残留的农药，经SPE净化后采用GC-EI-MS检测，可分析有机氯有机磷氨基甲酸酯和拟除虫菊酯4大类共200余种残留农药[11]。该方法现已被引进中国，正在部分实验室和检测中心进行验证及应用。

5.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。

载人航天器与无人航天器的根本区别在于载人航天器要求有航天员能够生存的环境控制与生命保障系统,以保障航天员的生命安全和身心健康及工作效能。为此必须对乘员舱的O2、CO2、H2、CO、CH4、H2O和N2等主成份气体进行定性定量监测。另外,由于载人航天器是一个特殊密闭环境,人体代谢、非金属材料脱气和事故性热解、偶然泄露等产生有害气体,这将给航天员带来毒性污染物低浓度的慢性暴露和事故性高浓度的急性暴露的潜在危险。根据舱内污染物出现频率和毒性大小及危害程度等,美国重点监测CO、CO2、NH3、甲醛、吲哚、氢、CH4、甲苯、氟利昂-113和肼等52种污染物的载人航天器舱内污染物最大容许浓度(SMAC),浓度在0.015～13000×10-6之间,并要求按监测优先级进行检测;俄罗斯重点监测CO、NO X、NH3、HCl、HCN、HF、甲醛、乙二醇、苯和C5的C8碳氢化合物等109种污染物的SMAC[12,13]。

总的来说，随着质谱仪应用的不断扩展,国内对质谱仪的需求也将越来越大,而目前国内质谱仪主要依赖于国外进口,价格昂贵。要改变我国质谱仪行业的落后局面,要求建立起一批稳定的仪器研制团队,根据我国财力,以市场需求为导向,群策群力,发展适合国情的国产飞行时间质谱仪器,进而参与国际竞争。