质谱仪如何工作，仪器类型和解释质谱仪数据

我们今天所知道的质谱(MS)是三位杰出人物的开创性工作的技术进步的结果——威廉·维恩，J.J.汤姆森和弗朗西斯·阿斯顿。如果要选择一篇标志着MS诞生的决定性出版物，那就是1907年汤姆森的论文《关于正电射线》。¹是经常被考虑的问题，但还有许多其他问题值得注意。MS的历史本身就是一个耐人寻味的故事，有兴趣的读者可以参考格里菲斯的著作²和Munzenberg^3.进一步阅读。

从那时起，微软就从重大的技术进步中受益。今天，MS在日常生活的许多不同方面发挥着作用。当我们去看医生并抽取体液进行测试时，会出现很多这样的情况将用MS．构成我们所有电子设备基础的掺杂半导体使用MS作为质量控制过程的一部分。我们在空中的安全是通过使用MS来帮助识别潜在的爆炸物，在它们登上飞机之前。它还可以帮助我们发现食物中的毒素，检查我们的酒而且水，检测污染物等pfa协助药品的设计和质量控制生物制药而在很多方面石化行业．应用几乎是无止境的。

什么是质谱分析?质谱分析是如何工作的?

质谱是化学分析的一种形式，用于测量样品中原子和/或分子的质量电荷比(m/z)。它还能区分同一元素的不同同位素。根据质谱仪的类型，这些测量通常可用于确定样品组分的确切分子量和识别未知化合物。

图1: MS的主要步骤和每个步骤中可用的常见变体的大纲。

质谱仪有许多不同类型，但它们都有三个共同的特征(图1)。第一个是可以电离样品中的原子或分子的一些方法。中性物质不能被质谱仪中使用的电场控制，因此必须产生离子。有许多不同的方法可以实现这一点，它们统称为离子源。

所有质谱仪的第二个组成部分是质量分析仪本身。有几种不同的方法可以测量离子的m/z比。飞行时间(ToF)、磁扇区和四极质量分析仪是最常见的，每一种都有自己的优点和局限性。

所有质谱仪系统共有的最后一个组件是检测或计算特定m/z值的离子数量的方法。这些设备被称为探测器，它们也有几种不同的形式，最常见的是电子倍增器、法拉第杯、通道电子和通道板。再说一次，每一种都有其独特的优点和缺点。^4，5

最后一个需要考虑的因素是如何将离子源与样品耦合以产生用于测量的离子，特别是考虑到所有的质谱仪都必须在真空下工作。在某些情况下，样品也将被安置在真空下，在其他情况下，样品将在大气压下(通常称为环境质谱技术)，有些可能在引入电离室之前包含一些其他形式的分离技术。以下部分将更详细地介绍质谱仪的这三个常见组件。

离子源质谱分析

电离对任何质谱分析都是必不可少的，有许多方法适用于不同的样品类型和应用。广义上，这些方法可以分为气相法、解吸法和喷雾法。下面给出了每一个的大纲。

气相法

-电子电离(EI)-分析物分子必须处于气相，以允许与真空中加热灯丝产生的高能电子有效相互作用。EI可以被认为是一种相当苛刻的分子破碎和电离方法，当样品相对挥发性和分子量较低时最常用。⁶

- 化学电离(CI)-气体以高于分析物的浓度被引入EI电离室。载气与电子的相互作用会产生几个分子离子，这些分子离子随后会与多余的载气进一步反应，形成不同的分子离子。然后，这些离子将与分析物分子反应，通过几种不同的机制形成分析物分子离子。CI是一种非常软的电离技术，不会导致广泛的碎裂。⁷

- 直接实时分析(DART)-等离子体产生，产生离子、电子和激发态物种。激发态物种与液体、固体或气相样品的相互作用，然后负责分析物分子的电离。DART能够分析不同形状和尺寸的材料，无需事先准备样品，并在环境条件下。⁸

- 电感耦合等离子体(ICP)-将制备好的含有分析物的液体雾化并使用等离子体转化为气相离子。ICP具有电离几乎所有元素的能力。

解吸方法

-基质辅助激光解吸电离(MALDI)-由待检测分子类型决定的“基质”被额外添加到待分析样品中。然后用激光照射样品，使分析物分子汽化，几乎没有碎片或分解。带正电和负电的离子都可以产生。MALDI是主要的“软”电离方法之一，特别适用于分析大分子或不稳定分子。⁹

- 快速原子轰击一束加速电离原子聚焦到待分析的样品上，喷射并电离目标分析物。^10，11这是一种软电离技术，能够产生带正电和负电的离子。

- 热电离源-加热的Cs产生正离子，是最常见的一次离子源，可以用静电离子光学聚焦二次离子质谱。

- 等离子体电离源-通常用于产生气体离子束，电子被发射到气体中，通常是纯氧，使其电离并产生等离子体。离子可以被电荷过滤并加速成束。

- 液态金属离子源(LMIS)-源是低熔点金属，通常是Ga，对其加热和电场的应用在一个小点源产生离子。LIMS产生的离子束具有光斑尺寸最小、亮度最高的特点，尤其适用于需要高空间分辨率的MS成像。

喷雾的方法

-电喷雾电离(ESI)-通过溶剂蒸发，带电液滴的薄雾尺寸减小，直到气相离子喷射出来。这种软电离技术适用于大分子和大分子的分析。^12，13

- 解吸电喷雾电离(DESI)-与ESI非常相似，除了ESI源中形成的带电液滴指向环境压力下的样品。然后，反射的液滴携带解吸和电离的样品。¹⁴

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质量分析仪的类型

在样品电离后，离子必须分离，这发生在质量分析仪中。常用的质量分析仪包括:

- 飞行时间(ToF)-离子是根据它们的m/z比进行分离的，该比基于它们通过已知长度的飞行管到达探测器所需的时间长度。

- 四极-进入四极的离子其轨迹因电势而发生偏转，其方式与它们的m/z值成正比。改变电位只允许特定m/z值的离子到达腔体末端并被检测。

- 磁性行业磁场根据离子的m/z比在轨道上分散，这种方式类似于玻璃棱镜将光分散到不同波长或颜色的方式。

- 离子阱-工作原理类似于四极杆，但电极是环形的，离子被分离和检测，通过将离子从系统中放电到探测器中，而不是检测那些具有稳定振荡的离子。

- Orbitrap-借鉴了许多其他类型的质量分析仪的技术。两个电隔离的杯状外电极彼此相对，有一个纺锤状的中心电极，特定质量-电荷比的离子在其周围扩散成环绕的环。电极的锥形形状将离子推向阱的最宽部分，然后外部电极用于电流检测。这是这里描述的唯一一种使用图像电流而不是一些检测设备来检测离子的方法。

- 串联质谱(串联质谱)-指涉及一种以上类型质谱仪的混合方法，以提高特异性和/或质量分辨能力。它们通常被称为MS/MS技术。¹⁵

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质谱计的类型-配对电离技术与质量分析仪

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仪，有许多不同的排列和组合的系统，可以通过一些工程努力来构建。然而，有一些类型的电离源和质量分析仪彼此非常适合，这些构成了最常用的商业仪器。例如，许多激光系统的脉冲性质非常适合ToF质量分析仪，它需要脉冲离子源作为其质量识别的基础。本节将更详细地介绍源和质量分析仪的一些常见搭配。

MALDI-TOF

如上所述，许多激光系统的脉冲性质和对ToF分析的要求使得这对电离机制和质量分析非常适合彼此。当激光在基质/样品点(保持在真空中)上发射时，离子形成并加速进入ToF飞行管。“时钟启动”，质谱被测量。

该方法还能够通过步进扫描所述舞台、在重复发射激光下连续扫描所述舞台或通过扫描所述激光束来生成图像。¹⁶由此产生的图像可以提供大量的样本信息，如大组织切片。

由于MALDI是一种软电离技术，分子信息被保留，感兴趣的化合物不需要像荧光显微镜那样标记用于检测。因此，它提供了一种“无标签”成像的方法。

摘要利用

虽然最初与四极杆质量分析仪一起使用，但大多数ICP-MS系统现在使用ToF质量分析仪。这里的最大优势是，与使用四极杆的系统相比，整个质谱的生成速度更快，质量分辨率也更高。一些专门的系统使用磁扇形仪器，通常与用于高精度同位素比率测量的多收集器探测系统配对。

此外，通过与激光束耦合形成激光烧蚀(LA)-ICP-MS，该技术也可以适应于形成由烧蚀材料的质量分析产生的图像。由于这是一种破坏性的技术，而且材料只能分析一次，因此能够回顾性地挖掘和处理ToF数据是一个很大的优势。在ToF成像中，整个质谱将存储在结果图像的每个(x,y)像素位置，因此可以很容易地在分析后生成新的离子图像。

DART-MS

DART-MS也使用ToF质量分析仪，因为前面提到的所有原因。然而，由于它是一种环境压力技术，注意源(环境)到质谱仪(真空)的接口是很重要的。

在最初的设计中，分析物离子通过一对孔被定向到质量分析仪，在它们之间应用了轻微的电位差。两个孔的对齐是交错的，以捕获中性污染和保护高真空区域。离子通过中间的圆柱形电极被引导到第二个孔，但中性分子沿直线路径行进，因此被阻止进入质量分析仪，并被真空泵除去。

二次离子质谱(SIMS)

二次离子质谱(SIMS)技术中使用的电离方法是FAB的近亲。产生一束带正电或负电的离子束，但没有碰撞电池将离子束转化为中性物质。这束离子束直接用于轰击样品的表面。最常用的离子是碳离子⁺和O₂⁺正电荷离子束和O^-对于带负电荷的光束。Cs⁺O离子由前面描述的热电离源和等离子体源形成。

注意c和O都是反应性物质而不是惰性物质。在SIMS中，这是有意的，因为两者都将被植入样品并影响其化学和物理性质。但它们影响这些性质的方式将导致更有效地产生负离子如果c⁺或者如果O₂⁺或O^-使用。

c束和O束最常在直流电源中观察到，使用的高加速电压导致样品内分子的严重碎片，从而在分析过程中不保留分子信息。它们的使用被认为是一种硬电离方法。

为了避免这一点，脉冲源的小和大簇离子(Au_3.⁺, Bi_3.⁺C₆₀⁺,基于“增大化现实”技术₂₀₀₀⁺)也被开发出来，被认为是更柔和的电离方法，并在结果的质谱中提供更多的分子细节。这些源通常以脉冲模式工作，这进一步减少了对样品表面的损伤。

ToF，磁扇形和四极质谱仪都是常用的SIMS仪器。

离子探测器的种类

所有MS系统的一个关键元素是用于将质量分离离子电流转换为可测量信号的探测器类型。不同类型的探测器的使用取决于因素，包括动态范围，空间信息保留，噪声和适合质量分析仪。

常用的检测器包括:

- 电子倍增器(EM)-离散金属板的串行连接，可将离子电流放大10倍⁸变成可测量的电子电流

- 法拉第杯(FC)离子击中集电极导致电子流从地面通过电阻和由此产生的电位差通过电阻被放大。

- 光电倍增管转换-离子最初撞击dynode，导致电子发射。然后产生的电子撞击荧光屏，荧光屏释放光子。然后光子进入倍增器，在倍增器中以级联方式进行放大——很像EM。

- 阵列探测器(包括用于同时测量不同m/z的几种离子的探测器和用于位置敏感离子检测的探测器)-涵盖了广泛的探测器类型和可能结合多种检测技术的系统¹

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将质谱仪与其他技术相结合

气液分离技术通常与质谱结合使用，以提高灵敏度和简化解释。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。与ICP-MS和DART-MS联合使用尤其常见。

气相色谱质谱(GC-MS)

GC是一种分析/分离技术，将复杂的化合物混合物注入色谱柱，并根据它们的相对沸点和色谱柱的亲和力进行分离。

气相色谱中使用的高温使其不适用于高分子量化合物(如蛋白质)，因为热会使它们变性。它非常适合用于石油化工、环境监测与修复以及工业化工领域。样品本质上可以是固体、液体或气体。

分离后，化合物可通过质谱技术(如ICP-MS)进行分析以鉴定，或使用EI或CI进行电离并在ToF质谱分析仪中进行分析¹⁷．最近综述了GC-MS领域的进展。^17，18

液相色谱质谱(LC-MS)

信用证与气相色谱法相似，只是样品现在处于液相中。样品溶解在溶剂中，注入到色谱柱上，色谱柱由溶解化合物(流动相)和固相(固定相)组成。

样品组分与色谱柱的固定相之间的相对亲和力导致样品组分的分离，然后可以用ms检测到。由于流出液处于液相，这种分离技术非常适合与ICP-MS和ESI-MS方法相结合，但也发现与离子阱和Orbitrap质谱仪相关联。皮特对临床生物化学的原理和应用进行了综述¹⁹以及最近的西格尔^20.而在药物发现中的应用已被Korfmacher审查。²¹

交联质谱(XL-MS)

了解多蛋白复合物的结构和组织对于理解细胞功能至关重要。化学交联结合质谱(XL-MS)是一种补充结构生物学技术的方法，如低温电子显微镜(cryo-EM)和x射线晶体学，但提供较低分辨率的结构信息。

在XL-MS中，用交联试剂处理蛋白质或蛋白质复合物，该试剂引入蛋白质中特定官能团之间的共价连接。然后用一种酶来分解交联蛋白，并通过LC-MS方法分析所产生的混合物，以识别交联肽并确定其序列。交联的位置提供了所研究系统的结构信息。然而，解释是复杂的，因为以这种方式制备的样品含有比非交联蛋白的消化更独特的化学物种。潜在交联肽的数量随序列长度呈二次方增长。尽管如此，XL-MS可以成为一个有用的工具，以帮助开发蛋白质-蛋白质相互作用的结构模型。²²

氢交换质谱(HX-MS)

氢交换质谱(HX-MS)的目的与XL-MS相似——研究多蛋白复合物，特别是蛋白质的结构和动力学。

HX-MS的优点包括它可以探测溶液中蛋白质的结构，因此不需要结晶，它只需要少量的样品(500 - 1000皮摩尔)，它适用于研究难以纯化的蛋白质，它可以揭示结构和动态随时间的变化。

HX-MS利用一种化学反应，使蛋白质中的某些H原子与溶液中的H原子不断交换。如果水氢₂O溶剂用重水代替(D₂O)，那么这个交换过程就可以进行了。特别是，结合在氨基酸主链N原子上的H(也称为主链酰胺H)对探测蛋白质结构很有用。一旦H与D交换完成，就可以通过MS分析样品，以提供小分子结合、蛋白质折叠时蛋白质结构变化的信息或不结晶或不受其他结构生物学方法影响的蛋白质结构信息。^23，24

基质辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI-MSI)

MALDI-TOF不仅是一种优秀的质谱分析方法，它还能够通过步进扫描工作台、在激光重复发射下连续扫描工作台或通过扫描激光束来生成图像。²⁵这种技术被称为基质辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI-MSI)。产生的图像可以提供丰富的信息，例如，大的组织切片，空间分辨率在50-200之间米m.由于MALDI是一种软电离技术，分子信息被保留，因此不需要像荧光显微镜那样标记感兴趣的化合物进行检测。因此，它提供了一种“无标签”成像的方法。

如何解释质谱，m/z表示什么，什么是分子离子峰?

典型的质谱如图2所示。在这种情况下，质谱和结构戊烷(C₅H₁₂)，由CH_3.和CH₂组。

图2: 戊烷的质谱。

纵轴表示质谱仪检测到的离子的相对强度或信号，横轴表示它们的m/z比(质量除以电荷数)。因此，最强峰值的相对强度为100。

戊烷的化学式是C₅H₁₂．因此，分子的近似质量为((12 x 5) + (1 x 12))，或72个统一的原子质量单位(u)(以前称为原子质量单位(amu))。注意，在质谱上，在m/z = 72 u时观察到一个相对强度为~ 10%的峰。这是分子峰。整个分子在源中被电离为一个单一的实体，没有任何碎片。但是其他更强的山峰呢?这是戊烷电离过程中碎裂的结果。如何解释观测到的下一个最重质量(m/z = 57 u，相对强度约为20%)?通过一些数学计算，我们可以提出可能是这样的C₄H_9，这说明是CH中的一种_3.基团在电离过程中被分散，留下C₄H₉碎片分子离子。同样，在m/z = 43 u处观测到的最强信号可以解释为C_3.H₇，意思是C₂H₅分子被分解了。它等于一个CH_3.和CH₂组。注意，在m/z = 41和42处也有很强的线条。这是由于多余的氢从碳中被剥离_3.H₇分裂时的分子离子。这形成了解释质谱的基础，不仅需要化学知识，还需要母分子的结构。显然，对于现有的所有有机材料来说，这可能是一项艰巨的任务。幸运的是，有数据库可用它展示了很多物质的质谱来帮助解释。

在元素或小分子的质谱中经常观察到一个更复杂的因素。这是每种元素的不同同位素。在戊烷的例子中，我们假设碳的质量为12u。这并不严格有效，因为碳有两个稳定的同位素:一个质量为12，另一个质量为13(原子中含有一个额外的中子)。这两种同位素的天然丰度约为99%¹²C和1%¹³C.所以，如果有人使用硬电离技术，观察这个区域的质谱，就会发现m/z = 12和13处都有一个峰值，12处的峰值大约是m/z = 13处峰值的100倍。请注意，m/z = 13处的峰值也可能是由于¹²C¹H，所以质谱仪的质量分辨率的重要性变得显而易见。

然而，同一元素的多种同位素可能是有用的。它是前面描述的HX-MS的基础，也是多同位素成像质谱的基础^26，27将稳定同位素有意地添加到化合物中，然后从样品中获得同位素比值图像。那些同位素比值大于自然丰度的区域表明样品中化合物已被纳入的区域。有两种常用的稳定同位素¹³C和¹⁵N。

质谱缩写

电荷耦合器件

毛细管电泳

化学电离

DART实时直接分析

直流

DESI解吸电喷雾电离

电子电离

电子倍增器

电喷雾电离

FAB快原子轰击

FC法拉第杯

气相色谱法

GE凝胶电泳

HX-MS氢交换质谱

电感耦合等离子体

LC液相色谱

MALDI矩阵辅助激光解吸电离

微通道板

质谱分析

电阻式阳极编码器

射频

次级离子质谱法

ToF飞行时间

交联质谱

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