质谱的前世今生-质谱技术的发展与原理介绍

质量分析器-离子阱质谱
三、离子阱质谱
离子阱质谱，简称Ion Trap，是一种将带电离子限定在指定空间内，分析带电离子特 性的质量分析器，可分为三维离子阱、线性离子阱和静电场轨道离子阱质谱。
三维离子阱
线性离子阱
静电场轨道离子阱
质量分析器-离子阱质谱
三维离子阱和线性离子阱的质量分析原理相似，是将带电离子限定在指定空间内，通过改变电极参数， 使相应质荷比的带电离子失去稳定状态，飞离离子阱，从而在检测器上得到相应的信号。
从上世纪40年代开始，质谱广泛用于有机物质分析； 1966年，M.S.B，Munson和F.H. Field报到了化学电离源（Chemical Ionization，CI），质谱第一次可以检测 热不稳定的生物分子； 到了80年代左右，随着快原子轰击（FAB）、电喷雾（ESI）和基质辅助激光解析（MALDI）等新“软电离”技 术的出现，质谱能用于分析高极性、难挥发和热不稳定样品后，生物质谱飞速发展
气相色谱 （Gas chromatography）
液相色谱 （Liquid chromatography）
质谱
GC-MS
GC-MS
GC-MS, LC-MS
1956年，GC-MS开始联用 1973年，LC-MS开始联用
由于与分离型仪器实现联用，质谱可以直接分析混合有机物，成为复杂混合物成分分析的最有效工具。这些混合物包括 天然产物、食品、药物、代谢产物、污染物等等。它们的组分可多至数百个甚至上千个，含量也可千差万别，用别的方法分 析这类样品所耗费的时间，代价为人们难以承受，有时则根本不可能进行，而用色谱-质谱联用法则可能在较短的时间内很方 便地进行。因此，它的问世，被认为是分析化学中的一个里程碑。
微通道板检测器结构示意图
进样方式
探针进样
对于难挥发的液体或固体纯化合物，将样品放在探 针顶端的小杯内，通过质谱仪的样品加入口将探针
放进离子源中，然后加热离子源直至样品挥发。
直接进样 间接进样
色谱
色谱进样
对于组分较复杂的混合物，先将样品分离成单一组 分，再进入质谱仪的离子源中。最典型的是气相色
谱仪或液相色谱仪通过接口与质谱仪连接。
质谱临床应用案例
临床诊断应用：GC-MS方法诊断新生儿苯丙酮尿症（ PKU ）
PKU 是一种氨基酸代谢缺陷症，如早期没有得到及时的治疗，会造成患者神经系统的不可逆转损伤，导致患儿智力低下、痴呆。 早期诊断为PKU的患儿可以采用低苯丙氨酸的食物进行治疗。因此，早期诊断在PKU的防治工作上具有特别重要的意义。
质量分析器
根据质谱质量分析精度的不同
低分辨质谱 高分辨质谱
四极杆质谱 三维离子阱质谱 飞行时间质谱 线性离子阱质谱 静电场轨道离子阱质谱
检测器
质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z的大小依次通过夹狭缝到达收集器，信号经接 收放大后被记录。
质谱仪器的检测器有很多种，如电子倍增管及其阵列、离子计数器、感应电荷检测器、法拉第收集器 等比较常见的检测器。
质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心
气相离子能够被适当的电场或磁场在空间或时间上按照质荷比的大小进行分离。 广义地说，能够将气态离子进行分离分辨的器件就是质量分析器。
四级杆质谱
质量分析器
飞行时间质谱
离子阱质谱
质量分析器-四级杆质谱
一、四级杆质谱： 四极杆由四根平行电极组成，电极上带有直流电压与射频电压，形成规律变化的电场。
岛津三重四级杆质谱LCMS-8050
国内质谱市场介绍
质谱按照鉴定物质的的种类，可以分为有机质谱和无机质谱。 一、有机质谱仪，由于应用特点不同又分为：
① 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS); ② 液相色谱-质谱联用仪(LC-MS); ③ 其他有机质谱仪：基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOF MS）, 傅里叶变换质谱仪（FT-MS） 二、无机质谱仪：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）
谢谢
进样系统
离子源
质谱原理
质量分析器
检测器
分析系统
基本原理是使样品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，形成离子束，进入质量 分析器，然后利用电场和磁场使发生相反的速度色散，分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
离子源
离子源种类：EI、CI、ESI、APCI、APPI、MALDI、DART
在以上各类质谱仪中，数量最多，用途最广的是有机质谱仪。
质谱应用案例
石墨烯的发现
在有机质谱应用方面，1985年英国萨塞克斯大学（University of Sussex)的波谱学家H.W.Kroto与美国莱斯 大学（Rice University)两名教授R.E.Smalley和R.F.Curl合作研究，利用质谱仪发现碳元素可以形成由60个或 70个碳原子构成的有笼状结构的C60和C70分子，这一发现引起 科学界特别是物理学和化学界的强烈反响， 成为上世纪后半叶的重大科学发现之一。11年后，三位科学家因为发现C60并提出其分子结构模型而荣获 1996年诺贝尔化学奖。
质谱的前世今生
质谱是什么？
质谱就是一种特殊的“称重”技术
质谱是一种测定各种物质的原子或分子质量的分析方法。 质量是物质的固有特性之一，不同物质有不同的质量谱-质谱，利用这一性质，可以进行定性分析 质谱谱峰的强度也与它代表的化合物的含量有关，利用这一点，可以进行定量分析
测定分子质量和相应的离子电荷（质荷比m/z)
通过改变电场的参数，四极杆可பைடு நூலகம்用于筛选和分析特定质荷比的带电化合物。
四级杆能完成初步定性分析，因为四极杆的精度有限，对于同质异素化合物定性能力欠缺。 但是三重四极杆质谱的定量分析能力比较好，具有灵敏度高、稳定性好、分析效率高等优势
三重四级杆质谱：
质量分析器-三重四级杆质谱
在三重四极杆质谱中，带电离子将依次经过四极杆（Q1）、碰撞池（Q2）和四极杆（Q3）的作用后到达 检测器。在传统三重四极杆质谱中，碰撞池的结构也为四极杆，因此称为三重四极杆质谱。
苯丙酮尿症的诊断方法有：细菌抑制法（BIA)、液相色谱法、荧光法、 生物酶和基因分析方法等，传统方法费时长、不灵敏，更主要的是往 往很容易造成假阳性现象。
GC/MS分析：通过测定Phe、Tyr衍生物的特征离子峰面积，计算出 血样中Phe、Tyr的浓度，根据血样中Phe、Tyr摩尔浓度的比值来诊 断PKU，不仅快速、灵敏，而且可以消除假阳性。
联用类型
为了分析更为复杂的样品，TOF常常与四极杆联用，即为Q-TOF。Q-TOF的MSe模式可在一次分析中对所有进入质谱的离子 化合物进行质量数的采集，并对所有离子化合物的碎片离子进行质量数的采集，因此可对样品进行全面的数据采集，适合用于 蛋白质组、代谢组等组学的研究。
与MALDI源联用，组成的MALDI-TOF或MALDI-TOF/TOF可用于鉴定化合物的质量数，或者定性分析基质较为简单的样品。
质谱的发明
英国物理学家J.J.Thomson(1906年诺贝尔物理学奖获得者）在上世纪初即开展了正电荷离子束的物理学研究，并于1910年研制了世界上第一台质谱 仪 Thomson利用低压放电离子源所产生的具有高速度的正电荷离子束，通过一组电场和磁场，这时不同质荷比的正电荷离子按不同质量发生曲率不同 的抛物线轨道偏转，依次到达检测器，在感光干板上被记录下来，从而发明了质谱法
质谱应用案例
复杂基体中痕量成分的定性定量分析——二恶因检测
二恶因（Dioxins)被称为“世纪之毒”，除了其具有很强的急毒性外，因其化学 结构非常稳定，不易代谢，人体吸收后会残留在体内，中长期累积可导致癌变。
二恶因的来源及危害： 金属冶炼，汽车尾气，焚烧生产，世界上几乎所有媒介上都被发现有二噁英。这些化合物聚积最严重的地方是在土壤、沉淀
三维离子阱和线性离子阱可实现带电离子的多级碎裂（MSn）与采集分析，得到带电离子的多级质谱图。 这弥补了其他质谱仪器分析功能上的空白，尤其有利于生物大分子化合物的定性分析。
质量分析器-离子阱质谱
轨道离子阱（Orbitrap，OT）的分析原理和构造则不同。电场为静电场，故又称静电场轨道离子阱。
在OT中，带电离子可围绕中心电极做圆周往复运动，检测器通过采集离子运动产生的电流信号，通过傅里叶变换计算得到对 应离子的质荷比，其分辨率可高达140000。为了更好的利用OT的超高分辨率，其通常与四极杆、线性离子阱联用，即为QOT，Q-OT-LIT等。Q-OT在原理上弥补了Q-TOF仪器的不足，具有更高的分辨率、更好的稳定性和更智能的采集方式。
质量分析器-飞行时间质谱
二、飞行时间质谱
飞行时间质谱，俗称TOF（Time of Flight），是一种分辨率远高于四极杆的质 量分析器，解决了四极杆质量分析精度不足的问题，因此常用于定性分析。
飞行时间质谱是依据带电离子在真空中的飞行时间来计算其质荷比的， 质荷比小的化合物飞行时间短，质荷比大的化合物飞行时间长。
检测器，此采集模式称为子离子扫描（Daughter Scan/Product Scan）模式。
4. 而当Q1、Q2和Q3均发挥作用时，Q1筛选目标质荷比的带电离子经Q2碰撞诱导解离产生碎片离子，后经Q3筛选，仅目标质
荷比的子离子到达检测器，此采集模式称为选择反应监测/多反应监测（SRM/MRM）模式。
单四极杆质谱：
四级杆质谱扫描模式
1. 当四极杆不发挥筛选作用时，带电离子全部到达检测器，此采集模式称为全扫描（Full Scan）模式；
2. 当四极杆发挥筛选作用时，仅目标质荷比的带电离子到达检测器，称为选择离子扫描（SIM/SIR）模式。
三重四级杆质谱：
3. 当仅Q1和Q2发挥作用时，Q1筛选目标质荷比的带电离子（母离子）经Q2碰撞诱导解离产生的碎片离子（子离子）全部到达
物和食品，特别是乳制品、肉类、鱼类和贝壳类食品中。 已有资料证明二恶因对人体的影响可造成男女不孕、增加婴儿死亡率、致癌等。其内分泌干扰剂行为影响生物体本身荷尔蒙
的调节、产生和代谢的表现，更直接造成对人类生存的威胁。
典型事件： >越战中美军使用了大量的枯叶剂——越南1970年出生的婴儿大量畸形 >城市垃圾焚烧——2000年比利时食品污染事件 >我国血吸虫病疫区使用的五氯酚钠灭钉螺（6千吨/年）,含有33-162ppb的二恶因。