第19章 质谱仪教学指导

第十九章 质谱分析仪器
首 页 基本要求 重点难点 讲授学时 内容提要
1．基本要求
1.1 掌 握 质谱仪的工作原理、基本结构和性能指标 1.2 熟 悉 质谱仪的分类 1.3 了 解 质谱仪的临床应用
2．重点难点
2.1 重 点 (1) 质谱仪的工作原理 (2) 质谱仪的基本结构组成 (3) 质谱仪的主要性能指标 2.2 难点 (1)离子源的电离方式 (2)质量分析器的工作原理
3．讲授学时
建议 4～6 学时
4．内容提要
4.1 质谱仪的工作原理
质谱仪离子源中的样品，一般在极高的真空状态下，在电子、电场、光、热或激发态原子等能量源 作用下，将物质气化、电离成正离子束，经电压加速和聚焦导入质量分析器中，一般利用离子在电场、 磁场中运动的性质，按离子质荷比(m/z)的大小顺序进行收集和记录，纵坐标一般为离子相对强度（以离 子强度最强峰为 100，其他的峰则以此为标准，确定其相对强度，又称相对丰度、丰度)，或为离子强度 （离子流强度） ，横坐标为质荷比，得到质谱图（图 19-1） 。也可以按质荷比－相对强度或离子强度列表，
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得到质谱表。
图 19-1
质谱图
4.2 质谱仪的基本结构和分类
4.2.1 质谱仪的基本结构 质谱仪主要由真空系统、进样系统、离子源、加速区、质量分析器、检测器及计算机系统组成（图 19-2） 。 真空系统
进样系统
离子源 加速区
质量分析器
图 19-2
质谱仪
真空系统 在质谱仪中凡是有样品分子和离子存在的区域都必须处于真空状态，以降低背景及减少离子间或离 子与分子间碰撞所产生的干扰。 进样系统 将样品（一般为处理后的样品）引入到离子源。根据是否需要接口装置，进样系统一般可分为直接 进样和通过接口进样（与色谙联用）两种方式。 离子源 使气化样品中的原子、分子电离或分子碎片成正离子。
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能给样品较大能量的电离方法称为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法称为软电离方法，后一 种方法适用于易破裂或易电离的样品。 从本质上说，质谱是物质带电粒子的质量谱，而不是波谱，与电磁波的波长无关，更不是光谱。质谱 仪不属于波谱仪器。 分子电离成为正离子的常见破碎过程见图 19-3。
图 19-3
常见的分子破碎过程示意图
图 19-3 中 “·”表示未配对的单电子， “+”表示正离子。 样品分子失去一个电子而电离所产生的自由基离 子，称为分子离子（ M  ） 。分子离子进一步发生键的简单断裂，而产生质量数较低的碎片，即失去游离基 （自由基）后的正离子 A ，称为碎片离子。碎片离子峰 A 在质谱图上位于分子离子峰 M  的左侧。 除了分子离子、碎片离子以外，还有准分子离子、同位素离子、重排离子和亚稳离子等。 任何一离子进一步产生某离子，前者称为母离子，后者称为子离子。一般也将除分子离子以外的所 有离子泛称为碎片离子。 常见的电离方式有电子电离 （EI） 化学电离 、 （CI） 场电离 、 （FI） 场解吸 、 （FD） 快原子轰击 、 （FAB） 、 电喷雾电离 （ESI） 大气压化学电离 、 （APCI） 基质辅助激光解吸电离 、 （MALDI） 电喷雾解吸电离(DESI) 、 等。其中，EI属于硬电离，其他都属于软电离。软电离方式易得到准分子离子峰，硬电离方式一般只能 得到碎片离子。 为了得到较多的结构信息， 可以将从离子源出射的母离子经过碰撞诱导断裂 （CID） 或源后衰变 (PSD) 碰撞室，发生碰撞反应，从而产生更多的子离子。 加速区 在离子源中产生的各种不同动能的正离子，在加速器的高频电场中加速，增加能量后，因其轨迹半 径不同而初步分开。加速器包括回旋加速器、直线加速器等。 质量分析器 将离子源产生的离子按照质荷比的大小分离聚焦。常见的有六种：只用磁场的单聚焦分析器，既用 电场又用磁场的双聚焦分析器、傅立叶变换离子回旋共振分析器，只用电场的四极杆分析器、离子阱分 析器， 既不用电场也不用磁场的飞行时间分析器。 其中， 分辨率本来较低的飞行时间分析器如果与MALDI 方式、离子延迟引出技术和离子反射技术等联用，其性能将得到极大提高，在生物质谱中发挥重要作用。 很多时候是根据所使用的分析器类型来划分质谱仪，其中单聚焦质谱仪示意图见图19-4。
 
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图 19-4
单聚焦质谱仪示意图
检测器 接收和检测分离后的离子，常见的有电子倍增器、光电倍增管、电荷耦合器件（CCD） 。此外，离 子阱、傅立叶变换器本身也就是一个检测器。还有离子计数器、法拉第杯、低温检测器等。 计算机系统 运用工作站软件控制样品测定程序，采集数据与计算结果、分析与判断结果、显示与输出质谱图 （表） 、数据储存与调用等。 4.2.2 质谱仪的种类 质谱仪通常按质量分析器的种类分为五种：磁质谱仪（单聚焦质谱仪、双聚焦质谱仪） 、四极杆质 谱仪（Q-MS） 、离子阱质谱仪（IT-MS） 、飞行时间质谱仪（TOF-MS）和傅立叶变换质谱仪（FT-MS） 。 质谱仪与色谱仪联用、几种质谱仪的联用，其性能将极大提高。色质联用如GC-MS、LC-MS，先将有机 混合物分离成纯组分后再进入质谱仪分析，充分发挥色谱仪分离特长与质谱仪的定性鉴定特长，使分离 和鉴定同时进行。串联质谱仪如Q-TOF、TOF-TOF、Q-Q-Q等，采用多种质量分析器串联使用，之间一 般有碰撞活化室，可以得到更多的分子离子和碎片离子的结构信息。
4.3 质谱仪的性能指标
4.3.1 分辨率 把相邻两个质谱峰分开的能力。分辨率 R 如图 19-5 所示。
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图 19-5
质谱图的分辨率示意图
4.3.2 灵敏度 4.3.3 质量范围
产生具有一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。 所检测的离子质荷比（m/z）范围。如果是单电荷离子即表示质谱仪检测样品的相对
原子质量（或相对分子质量）范围，采用以 12C 定义的原子质量单位（amu）来量度。 4.3.4 质量稳定性 4.3.5 质量精度 仪器在工作时质量稳定的情况，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。 测定质量的精确程度，常用相对百分比表示。
4.4 质谱仪的临床应用
4.4.1 小分子生物标志物检测 4.4.2大分子生物标志物检测 质谱与蛋白质组学研究 鉴定蛋白质的肽质量指纹图谱法（PMF） 、串联质谱法和梯形肽片段测序 同位素稀释－质谱法（ID-MS） 。
法。用同位素标记蛋白质再酶解后用 LC-MS 定量分析蛋白质。通过解吸质谱识别蛋白质翻译后的修饰 信息。研究蛋白质的相互作用。 质谱与基因组学研究 用 MALDI-TOF-MS 或 MALDI-Q-MS 分型单核苷酸多态性(SNP)。通过
MALDI-MS 或 ESI-MS 分析短串连重复序列(STRs)。用 ESI 和 MALDI 质谱技术进行寡聚核苷酸片断的 序列分析。 质谱与肿瘤标志物的研究 飞行时间质谱等技术最有希望成为肿瘤的一种早期检测方法。
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