质谱仪的工作原理、类型的仪表和解释质量光谱数据

质谱(MS)我们今天知道是技术进步的结果的开创性工作三个非凡的男人——威廉•维恩,J.J.汤姆森和弗朗西斯·阿斯顿。如果要选择一个定义的出版物,暗示女士的诞生,1907年纸汤森阳电“射线”¹通常被认为是,但有许多其他值得关注。女士的历史是一个有趣的故事本身,和感兴趣的读者指出,格里菲思的工作²和Munzenberg³为进一步阅读。

从那时候,受益于女士重大的技术进步。今天,女士扮演了一个角色在许多日常生活的不同方面。当我们访问医生和体液进行测试,其中许多将分析女士吗。的掺杂半导体的基础我们所有的电子设备使用女士作为质量控制过程的一部分。我们的安全在天空的帮助下使用,帮助识别潜在的爆炸之前让它上飞机。它还可以帮助发现毒素在我们的食品供应,检查我们的酒和水,检测污染物等pfa帮助在制药和的设计和质量控制生物制药和在许多方面石化行业。应用程序几乎是无穷无尽的。

什么是质谱,质谱是如何工作的呢?

女士是一种化学分析用来测量原子的质荷比(m / z)和/或样品中分子。它也能够区分不同同位素的元素。根据类型的质谱仪,这些测量通常可以用于确定样品的精确分子量组件和识别未知化合物。

图1: 大纲的主要步骤和常见变异女士可以在每一个步骤。

有许多不同类型的质谱仪,但它们都有共同的三个特征(图1)。第一个是一些手段可以电离原子或分子的样本。中性的物种不能由电场用于质谱仪,因此有必要产生离子。有许多不同的方法可以实现这一目标,他们统称为离子源。

第二部分的质谱仪是质量分析仪本身。有几种不同的意思的m / z可以测量离子的比例。飞行时间(ToF),磁部门和四极杆质量分析器是最常见的,每个都有自己的长处和局限性。

最后组件共同所有质谱仪系统是一种检测或计算离子的数量的一个特定的m / z值。这些设备被称为探测器和他们也有几种不同的形式是最常见的电子倍增器,法拉第杯,channeltrons和通道盘子。再次,每个都有自己的特定的优势和劣势。^4,5

最后一个需要考虑的因素是如何对样品的离子源产生的离子测量,尤其是考虑到这一事实所有质谱仪必须在真空下操作。在某些情况下,样品也将住在真空下,在其他样本将在大气压力(通常称为环境MS技术)和一些可能会结合一些其他形式的介绍电离室之前分离技术。下面的部分将会在这三个常见的组件详细质谱仪。

离子源质谱

电离对任何女士分析至关重要,有很多方法适合不同的样本类型和应用程序。从广义上说,这些可以分为气相方法,解吸方法和喷雾的方法。每个下面的提纲。

气相方法

- - - - - -电子电离(EI)——分析物分子必须在汽相允许有效相互作用产生的高能电子在真空中加热丝。EI可以被认为是一个相当严厉的分子碎片和电离法是最常用的样本相对挥发性,低分子量。⁶

- - - - - - 化学电离(CI)——气体引入一个EI电离室浓度高于分析物。载气与电子之间的相互作用会产生几个分子离子,随后将进一步与多余的载气反应,形成不同的分子离子。这些离子会与分析物分子反应形成分析物分子离子通过不同的机制。词是一个非常软电离技术和不会导致广泛的碎片。⁷

- - - - - - 实时直接分析(DART)创建——等离子体,产生离子、电子和激发态物种。交互激发态物种的液体,固体或气相样品然后负责分析物分子的电离。飞镖可以分析不同形状和尺寸的材料,没有之前的样品制备和环境条件。⁸

- - - - - - 电感耦合等离子体(ICP)——准备包含分析物的液体雾化并使用等离子体转化为气相离子。ICP的电离能力几乎所有元素。

解吸方法

- - - - - -基质辅助激光解吸电离(MALDI)——“矩阵”,由分子被探测到的类型,添加多余的样品进行分析。样品然后由激光辐照,蒸发的分析物分子没有碎片或分解。积极和带负电荷的离子都可以被创建。谱技术是一个重大的“软”电离方法,分析特别有用的大型或不稳定的分子。⁹

- - - - - - 快原子轰击(工厂)——一束加速电离原子主要集中在样品分析,排出和电离目标分析物。^10,11这是一种软电离技术,能够产生积极和带负电荷的离子。

- - - - - - 高温电离源,Cs加热,产生正离子,是最常见的主要离子源,可以集中与静电离子光学二次离子女士。

- - - - - - 等离子体电离源常用的气体离子产生光束,电子气体排放到,经常纯氧,电离并创建一个等离子体。电荷的离子可以过滤和加速成束。

- - - - - - 液态金属离子源(lmi)——来源是低熔点金属,通常Ga,热和电场产生离子的应用程序在一个小的点光源。产生的离子光束LIMS的特点是最小的点大小和亮度最高,特别是优势在高空间分辨率的成像女士是必需的。

喷雾的方法

- - - - - -电喷雾电离(ESI)——一个雾的带电液滴大小减少通过溶剂蒸发到气相离子被驱逐。这种软电离技术适用于大型分子和大分子的分析。^12,13

- - - - - - 解吸附电喷雾电离(DESI)——非常类似于ESI除了带电液滴形成的ESI源直接样本举行环境压力。然后把眠电离样本反映滴。¹⁴

点击下面的一个更全面的看离子源。

类型的质量分析器

以下示例电离,离子必须分开,这发生在质量分析器。常用的质量分析包括:

- - - - - - 飞行时间(ToF)-离子分离根据m / z比基于时间的长度他们穿越飞行管的长度到达探测器。

- - - - - - 四极——进入四极有自己的轨迹偏转离子电势的方式是他们m / z值成正比。改变特定的潜在只允许离子m / z值达到室端和被探测到。

- - - - - - 磁性行业——磁场分散离子轨迹根据m / z比率的方式类似于玻璃棱镜的方式分散光线进入各种波长或颜色。

- - - - - - 离子阱——类似于四极工作但环形电极和离子分离和检测放电离子的不稳定振动系统和探测器而不是检测那些稳定的振荡。

- - - - - - Orbitrap——借技术的许多其他类型的质量分析器。两个脸彼此电隔离的杯状容器外电极spindle-like中央电极周围特定质荷比的离子扩散到轨道环。推动离子向电极的锥形形状最宽的陷阱,然后外电极的一部分用于电流检测。这里唯一的方法是,使用图像电流而不是一些检测设备检测离子。

- - - - - - 串联质谱(串联)女士——是指涉及超过一种类型的质谱仪的混合方法提高特异性和/或质量解决能力。它们通常被称为MS / MS技术。¹⁵

点击下面的更全面的看看质量分析器。

类型的质谱仪,配对电离技术与质量分析器

有这么多不同类型的离子源,电离机制和不同类型的质量分析器,有许多不同的排列和组合的系统可以建立一些工程工作。然而,有一些类型的电离源和质量分析这些组成优秀的适合彼此和最常见的商业工具。例如,许多激光系统的脉冲特性是一个很好的适合ToF质量分析器,它需要一个脉冲离子源为基础质量歧视。本节将看一些常见的配对的详细来源和质量分析器。

MALDI-TOF

如上所述,许多激光系统的脉冲特性,这要求ToF分析使得这双电离机制和质量分析的理想人选。当激光触发矩阵/样本点(真空)举行,离子形成和加速ToF飞行管。“钟”开始和质谱测量。

一步的方法也能产生图像的扫描阶段,不断扫描阶段下重复发射的激光或通过扫描激光束。¹⁶由此产生的图像可以提供丰富的信息样本等大型组织部分。

自谱技术是一种软电离技术,分子信息保留和感兴趣的化合物不需要标记检测的荧光显微镜。因此提供了一个“label-free”成像的方法。

摘要利用

尽管最初使用四极杆质量分析器,现在大多数的icp系统使用ToF质量分析器。大优点是整个质谱是生成的更快和更高质量分辨率相比,这些系统使用四极。几个专业系统使用磁性行业工具,通常搭配multicollector检测系统用于高精度同位素比值测量。

此外,通过与激光束耦合形成激光消融(LA) -ICP-MS,这项技术还可以适应形式所引起的图像质量分析的熔化的材料。由于这是一个破坏性的技术和材料只能分析一次,回顾我的能力和过程ToF数据是一个巨大的优势。在ToF成像,整个质谱将存储在每个(x, y)生成图像的像素位置,因此新的离子的图片可以很容易地生成后分析。

DART-MS

DART-MS也使用ToF质量分析器,前面提到的所有原因。然而,因为它是一个环境压力技术,关注源(环境)质谱仪(真空)接口是非常重要的。

在最初的设计中,分析物离子定向到质量分析仪通过一对孔有轻微的应用之间的电位差。两孔交错排列的陷阱中性污染和保护高真空区域。离子被引导到第二个孔通过一个中间圆柱电极,但中性分子旅行在一个直接的途径,因此封锁进入质量分析器,通过真空泵。

二次离子质谱(SIMS)

电离的方法用于二次离子质谱(SIMS)技术是工厂。一束积极或带负电荷的离子产生,但没有碰撞细胞用于转换梁的中性离子物种。这束离子直接用来轰击样品表面。最常用的离子是Cs⁺和O₂⁺带正电的离子光束和O^{- - - - - -}带负电荷的光束。Cs⁺和O离子形成的高温电离和等离子体源。

注意,Cs和O都是活性物种,而不是惰性。在西姆斯,这是故意将植入样品和影响其化学和物理性质。但他们影响这些属性的方式将导致更有效的生产负离子如果Cs⁺使用,或者如果正离子的啊₂⁺或O^{- - - - - -}使用。

Cs和O梁都是最常观察到直流源和高加速电压使用导致严重的分裂分子内的样本,这样不会保留在分子信息分析。它们的使用将被视为难电离的方法。

为了绕过这个问题,小型和大型集群的脉冲源离子(Au₃⁺,Bi₃⁺C₆₀⁺,基于“增大化现实”技术_2000年⁺)也被开发出来,会被认为更软电离方法和提供更多的分子细节产生的质谱。这些资源通常运行在脉冲模式进一步减少了样品表面损坏。

ToF、磁部门和四极质谱仪在西姆斯仪器都是常用的。

类型的离子探测器

所有女士系统的一个关键元素是使用何种类型的探测器将大规模分离离子电流转换成可测量的信号。使用不同类型的探测器根据因素包括动态范围、空间信息保留,噪音和适用性质量分析器。

常用的探测器包括:

- - - - - - 电子倍增器(EM)——一个串行连接的离散的金属板,放大电流的离子~ 10倍⁸测量电流的电子

- - - - - - 法拉第杯(FC)电子-离子撞击收集器造成流从地面通过电阻器和由此产生的电位降电阻是放大。

- - - - - - 光电倍增管转换打拿极——最初达成打拿极离子,导致电子发射。电子生产然后罢工一个荧光屏反过来释放光子。光子然后进入乘数放大发生级联的方式——就像他们。

- - - - - - 阵列探测器(包括离子探测器同时测量几个不同的m / z和位敏探测器离子检测),涵盖了广泛的探测器类型和系统,结合多种检测技术¹

点击下面的一个更全面的看离子探测器。

与其他技术结合质谱仪

气体和液体分离技术中经常使用与女士为了增加灵敏度和易于解释。液相色谱(LC)、气相色谱(GC)、毛细管电泳(CE)和凝胶电泳(GE)是常见的例子。的组合方法在串联与icp和DART-MS尤为常见。

气相色谱质谱(gc - ms)

GC是一个分析/分离技术在复杂的化合物的混合物注入一个列和基于他们的相对分离沸点和亲和色谱柱。

GC中使用的高温使它不适合高分子量化合物(如蛋白质)热变性。它非常适合用于石化、环境监测和修复和化工领域。样品可能是固体、液体或气体。

分离后,分析的化合物可能是质谱技术,如icp、识别或电离使用EI或CI和分析在ToF质量分析器¹⁷。进步气领域的最近研究进展。^17,18

液相色谱质谱分析(质)

信用证类似于气相色谱法除样品现在在液相。样品溶解在溶剂和注入到色谱柱由可溶性化合物(流动相)和固体(静止)阶段。

样品组分之间的相对亲和力和列的固定相的分离结果示例组件可以被女士为废水是在液相中,这种分离技术给了自己一个非常好的电喷雾质谱与icp和耦合方法,但也发现与离子阱和Orbitrap质谱仪。临床生物化学的原理及应用回顾了皮特¹⁹而最近塞格尔^20.,而在药物发现中的应用已经被Korfmacher审查。²¹

交联质谱(XL-MS)

理解multiprotein复合物的结构和组织理解细胞功能是至关重要的。化学交联结合质谱(XL-MS)是一种方法,是结构生物学的补充技术,如低温电子显微镜(低温电子显微镜)和x射线晶体学,但提供分辨率较低的结构信息。

XL-MS,蛋白质或蛋白质复杂的交联试剂处理介绍蛋白质共价特定官能团之间的联系。然后交联蛋白和酶消化分解蛋白质(s)和混合的结果分析了质方法确定交联肽和确定它们的序列。交联的位置提供关于被研究系统的结构信息。然而,解释是复杂的样品准备以这种方式包含独特的化学物种远远超过非交联型蛋白质专用的消化。潜在的交联肽数量的增加与平方序列长度。尽管如此,XL-MS可以是一个有用的工具来辅助蛋白质-蛋白质之间的关系结构模型的发展。²²

Hydrogen-exchange质谱(HX-MS)

hydrogen-exchange质谱(HX-MS)的目标是类似于XL-MS——研究multiprotein复合物,特别是蛋白质的结构和动力学。

HX-MS的优势包括事实探针的结构蛋白质在溶液中结晶并不是必须的,它只需要少量的样本(500 - 1000年皮摩尔),适合研究蛋白质很难净化,它可以揭示结构和动力学的变化。

HX-MS利用化学反应,某些H原子蛋白质与H原子不断交换的解决方案。如果一个水H₂O溶剂是重水(D所取代₂O),那么这个交换过程可以遵循。特别是,H连着氨基酸骨干N原子(也称为骨干酰胺H)是用于探测蛋白质结构。H与D的交换完成后,分析的样本可以提供女士与小分子蛋白质结构变化的信息绑定,蛋白质折叠或蛋白质的结构信息,不结晶或不服从其他结构生物学的方法。^23,24

Matrix-assisted激光解吸/电离质谱法成像(MALDI-MSI)

女士MALDI-TOF不仅是一个优秀的方法分析,也能够通过一步生成图像扫描阶段,不断扫描阶段下重复发射的激光或通过扫描激光束。²⁵这种技术被称为matrix-assisted激光解吸/电离质谱法成像(MALDI-MSI)。由此产生的图像可以提供丰富的信息,例如,大型组织部分,在50 - 200之间的空间分辨率米m。自谱技术是一种软电离技术,分子信息保留,因此你感兴趣的化合物不需要标记检测,如荧光显微镜。因此,它提供了一个“label-free”成像的方法。

如何解释一个质谱,m / z说明分子离子峰是什么?

一个典型的质谱在图2中表示。在这种情况下,戊烷的质谱和结构(C₅H₁₂)所示,CH组成₃和CH₂组。

图2: 戊烷质谱。

纵轴代表的相对强度或信号离子质谱仪检测,横轴表示他们的m / z比(质量除以电荷数量)。最强的峰值会因此有一个100年的相对强度。

戊烷的化学公式C₅H₁₂。的近似质量分子因此((12 x 5) + (1 x 12)),或72年统一的相对原子质量单位(u)(以前称为相对原子质量单位(12))。注意,在质谱峰相对强度~ 10%是观察到m / z = 72 u。这是分子的高峰。整个分子被电离源是一个单一的实体,没有任何碎片。但其他的,更强的山峰?这些都是在电离过程中分裂的结果戊烷。下一个最重的质量如何观察被(m / z = 57 u ~ 20%相对强度)?的数学,我们可以提出C₄H_9,建议的CH₃组是分散在电离过程中,C₄H₉片段分子离子。同样,观察到的最强信号m / z = 43 u可以解释为C₃H₇,这意味着一个C₂H₅分子是支离破碎的。这相当于CH之一₃和CH₂组。注意,还有强烈的线条在m / z = 41和42。这些都是由于额外的商品被剥夺了从C₃H₇在分裂分子离子。这个解释质谱的基础形式,不仅需要知识,化学也是母体分子的结构。很明显,这可能是一个艰巨的任务对于所有的有机材料。幸运的是,有数据库可用表明质谱对于许多帮助解释。

还有一个更复杂的因素,往往是观察到的元素或小分子的质谱。这是来自每个元素不同同位素。在戊烷的例子中我们假设碳的质量是12 u。这不是严格有效的碳稳定同位素:一个质量12和其他质量13(原子包含一个额外的中子)。这两个同位素的自然丰度约为99%¹²C和1%¹³c。因此,如果一个是使用硬电离技术和看着这个地区的质谱,人会找到一个峰值在m / z = 12日和13日,12岁是大约100倍的峰值m / z = 13。注意,峰值在m / z = 13也容易因¹²C¹H,所以质量分辨率在质谱仪的重要性变得十分明显。

然而,相同的多个同位素元素可以是有用的。HX-MS前面所述的基础,也是multi-isotope成像质谱分析的基础^26,27稳定同位素在哪里故意添加到化合物然后同位素比值图像来自样例。这些地区天然丰度的同位素比值大于显示区域样本的化合物已被注册。两个常用的稳定同位素效应¹³C和¹⁵N。

质谱的缩写

CCD电荷耦合装置

CE毛细管电泳

CI化学电离

飞镖实时直接分析

直流直流

德西解吸附电喷雾电离

EI电子电离

EM电子倍增器

应急服务国际公司电喷雾电离

工厂快原子轰击

FC法拉第杯

GC气相色谱

通用电气凝胶电泳

HX-MS氢交换质谱

ICP电感耦合等离子体

LC液相色谱

MALDI基质辅助激光解吸电离

MCP微通道板

质谱女士

RAE电阻阳极编码器

射频

西姆斯二次离子质谱分析

ToF飞行时间

XL-MS交联质谱分析

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