什么是質譜儀？質譜儀的應用及原理

什么是質譜儀？

圖 1. 質譜儀圖像

質譜儀 (MS) 是一種電離樣品中的分子、檢測生成的離子并確定其質荷比 ( m/z ) 的設備。

縮寫“MS”在日語中通常讀作“質量”，但日本質譜學會推薦國際上使用的“MS”。當分子通過某種電離方法電離時，它們會因靜電力而飛行。

質譜儀是一種分析設備，可利用電效應和磁效應根據質荷比 ( m/z )分離和檢測真空中的飛行離子。該裝置主要由進樣部分、離子源、質量分離部分、檢測器等組成。

根據電離和質量分離方法的不同，有多種類型，并根據測量樣品和目的使用它們。質譜儀主要用于樣品鑒定和未知樣品的成分分析。還可以區分同位素并檢測它們。

質譜儀的使用

質譜儀用于對各種分子進行定性和定量分析，從低分子量化合物到高分子量化合物，例如蛋白質和合成高分子化合物。

由于它是鑒定已知物質和確定未知物質結構的有效分析方法，因此廣泛應用于化學和生物學的各個領域，包括有機化學和生物化學。具體來說，這包括與各種農用化學品、藥品和天然衍生化合物相關的研發、質量控制、分析和測試。

近年來，大分子量蛋白質的電離也成為可能，這使得它們在生命科學和醫學領域得到應用。

質譜儀原理

圖2 質譜儀原理

質譜儀的基本原理如下。通過以下一系列步驟獲得的質譜在水平軸上具有m/z ，在垂直軸上具有檢測到的強度。

1. 從樣品引入部分將樣品引入設備。

2. 由離子源電離。

3. 質量分離器利用磁場和電場的影響大小根據m/z而不同的事實來分離質量，然后用檢測器進行檢測。

在質譜儀中，除了樣品分子僅具有一個電荷的單電荷離子之外，還產生具有兩個或多個電荷的多價離子、通過解離產生的碎片離子以及樣品彼此締合的締合離子。每一個都可以被檢測到。此外，峰通常具有源自原始分子同位素比率的分布。

質譜儀的類型

質譜儀有多種類型，但主要按離子源類型和質量分離單元類型的組合來分類。例如，寫為“MALDI-TOF-MS”或“ESI-TOF-MS”。

1. 示例介紹部分

圖 3. 電離源和質量分離器示例

有些質譜儀與其他設備組合在進樣部分之前，用于研發和質量控制領域。例如，有LC-MS與液相色譜聯用、 GC-MS與氣相色譜聯用、ICP-MS與電感耦合等離子體聯用等分析儀器。

2. 離子源

EI法（電子電離法）
加速電子在高真空下與熱汽化分子（M）碰撞。這是一種從分子中釋放電子并生成被稱為分子離子的自由基陽離子（M+·）的方法。

ESI 方法（電噴霧電離）

1. 首先，將樣品溶液引入施加高電壓的毛細管中。

2. 帶電液滴是通過從毛細管外部噴射霧化氣體（霧化器氣體）而形成的。

3. 當帶電液滴移動時，溶劑蒸發，表面電場增強，最終電荷之間的排斥力超過液體的表面張力，導致液滴破裂。

4. 通過反復的蒸發和破碎，樣品離子最終釋放到氣相中。

MALDI法（基質輔助激光解吸電離）
將樣品混合在基質（例如基質芳族有機化合物）中以產生晶體，并且通過用激光照射該晶體來電離該晶體的方法。適用的分子量范圍極廣，從1到1,000,000，其最大特點是即使是蛋白質等高分子化合物也能穩定電離。

FAB法（快速原子轟擊）將
甘油等基質與溶解在有機溶劑中的樣品溶液充分攪拌，使高速中性原子相互碰撞，使樣品分子電離的方法。

其他法律包括 CI 法、FD 法、APCI 法和 ICP 法。

3. 質量分離部

四極桿 (Q)
使用四個電極棒向離子源發射的離子施加高頻電壓的方法。電極棒施加直流和交流電壓，產生一個電場，僅允許具有特定m/z 的離子到達檢測器。

這種方法原則上可以通過線性改變交流電壓同時保持直流電壓與交流電壓之比恒定來測量目標m/z范圍內的所有離子。兼容高達m/z 4000 的范圍。

這是雙聚焦扇形
磁區型（Magnetic Sector） 的質量分離部件之一。在磁場扇形類型中，離子穿過磁場并利用由洛倫茲力引起的飛行路徑的變化。雙聚焦型具體是將磁場扇區和電場扇區結合起來，實現離子的速度聚焦和方向聚焦。

飛行時間 (TOF)
是一種通過已知場強的電場加速電離樣品，并檢測每個離子到達檢測器之間的時間差的方法。每個離子的識別都是利用m/z越大，飛行速度越慢且到達檢測器所需時間越長的事實。原則上，可測量的質量范圍沒有限制。

其他方法包括離子阱 (IT)、傅里葉變換離子回旋共振 (FT-ICR) 和加速器質譜 (AMS)。