质谱分析法的研究现状以及进展文档格式.docx

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（三）仪器重要工作部分

质谱计必须在高真空下才能工作。

用以取得所需真空度的阀泵系统，一般由前级泵（常用机械泵）和油扩散泵或分子涡轮泵等组成。

扩散泵能使离子源保持在10～10毫米汞柱的真空度。

有时在分析器中还有一只扩散泵，能维持10～10毫米汞柱的真空度。

质谱仪的工作部分主要由样品注入系统、离子源、质量分析器、检测器组成。

（四）样品注入系统

　　样品注入系统可分直接注入、气相色谱、液相色谱、气体扩散四种方法。

固体样品通过直接进样杆将样品注入，加热使固体样品转为气体分子。

对不纯的样品可经气相或液相色谱预先分离后，通过接口引入。

液相色谱－质谱接口有传动带接口、直接液体接口和热喷雾接口。

热喷雾接口是最新提出的一种软电离方法，能适用于高极性反相溶剂和低挥发性的样品。

样品由极性缓冲溶液以每分钟1～2毫升流速通过一毛细管。

控制毛细管温度，使溶液接近出口处时，蒸发成细小的喷射流喷出。

微小液滴还保留有残余的正负电荷，并与待测物形成带有电解质或溶剂特征的加合离子而进入质谱仪。

（五）离子源

　　使样品电离产生带电粒子（离子）束的装置。

应用最广的电离方法是电子轰击法，其他还有化学电离、光致电离、场致电离、激光电离、火花电离、表面电离、X射线电离、场解吸电离和快原子轰击电离等。

其中场解吸和快原子轰击特别适合测定挥发性小和对热不稳定的化合物。

（六）质量分析器

　　将离子束按质荷比进行分离的装置。

它的结构有单聚焦、双聚焦、四极矩、飞行时间和摆线等。

（七）检测器

　　经过分析器分离的同质量离子可用照相底板、电子倍增器收集检测。

随着质谱仪的分辨率和灵敏度等性能的大大提高，只需要微克级甚至纳克级的样品，就能得到一张较满意的质谱图，因此对于微量不纯的化合物，可以利用气相色谱或液相色谱（对极性大的化合物）将化合物分离成单一组分，导入质谱计，录下质谱图，此时质谱计的作用如同一个检测器。

由于色谱仪－质谱计联用后给出的信息量大，该法与计算机联用，使质谱图的规格化、背景或柱流失峰的舍弃、元素组成的给出、数据的储存和计算、多次扫描数据的累加、未知化合物质谱图的库检索，以及打印数据和出图等工作均可由计算机执行，大大简化了操作手续。

三、质谱分析法的主要作用

（一）相对分子质量的测定

由于分子离子具有稳定性，在进入质谱仪后，稳定性越高的分子离子其离子峰越大。

并且由于组合分子离子的元素的相对原子质量是一定的，因此组合后，分子离子的质量数会呈现一定的规律性。

根据谱图上的谱线，我们可以通过相邻的谱线之间的质量差来判断是否与已经判断的分子式呈现一致性等等手段。

根据质谱图上的分子离子峰可以准确的测定出该物质的相对原子质量。

（二）分子式的确定

高分辨质谱仪可以精确测定分子离子或碎片离子的质荷比，故可利用元素的精确质量和丰度比求算其他元素组成。

对于相对分子质量小的元素，分子离子峰较强的化合物，在低分辨质谱仪上，可通过同位素相对丰度法推到其分子式。

根据裂解模型检定化合物和确定结构

各化合物在一定的能量的离子源中是按照一定的规律进行裂解而形成各种碎片离子的，因而表现一定量的质谱如。

根据裂解后形成离子峰可以检定物质的组成及结构。

（三）谱图检索

质谱仪的计算机数据系统存储大量已知有机化合物的标准谱图构成谱库，因此根据质朴检定化合物及确定结构可以快捷的检索出计算机谱图，从而得知未知化合物分子结构式。

四、经典质谱分析分析方法

（一）气相色谱-质谱联用

质谱法具有高灵敏度，可以进行定性测量，但进样要纯，才能发挥其特长，另一方面，进行定量分析又复杂；

气相色谱法则具有分离效率高，定量分析简便的特点，但定性能力比较差，GC-MS综合了气相色谱与质谱的优点，弥补了各自的缺陷，具有灵敏度高、分析速度快、鉴别能力强的特点。

气相色谱仪是质谱法的进样器，质谱仪是气相色谱法的理想检测器。

两这联用可同时完成待测组分的分离和鉴定，特别适合用于多组分混合物中未知组分的定性一定量分析、判断化合物的分子结构、准确地测定化合物的分子量。

（二）液相色谱-质谱联用

液相色谱的应用不受沸点的限制，并能对热稳定性差的试样进行分离、分析。

对于高级性、热不稳定性、难挥发的大分子的有机物，使用GC-MS困难。

而液相色谱而液相色谱的定性能力更弱，因此液相色谱与有机质谱的联用，解决了两方面的问题：

液相色谱流动相对质谱工作条件的影响以及质谱离子源的温度对液相色谱分析试样的影响。

（三）质谱-质谱联用

质谱-质谱联用是另一种联用技术。

MS-MS是由一个质谱装置MS-I用于质量分离，另一个装置MS-II获得质谱图，因此MS-MS有两个或两个以上的质量分析器，每一个都可以独立操作，并通过活化碰撞室将它们连接起来，因此又称之为串联质谱。

MS-MS联用技术对有机物结构研究很有用，同时，还可直接进行混合物有机物的鉴定，因而受到重视。

MS-MS仪器有很多种类：

有磁式质谱-质谱仪、四极杆质谱-质谱仪、混合型质谱-质谱仪等等。

（四）基质辅助激光解吸质谱

基质辅助激光解吸质谱技术的基本原理是将待测样品分散在基质分子

中和基质形成晶体，当用激光照射晶体时，由于基质分子经辐射所吸收的能量积蓄并迅速产热，使基质晶体升华，致使基质和样品分子膨胀并进入气相，基质辅助激光解吸质谱产生的离子常用飞行时间检测器来检测。

从理论上讲，只要飞行管有足够的长度，TOF检测器的质量范围是没有上限的。

因此，基质辅助激光解吸质谱技术很适合生物大分子的分析。

这项技术具有高质量检测范围和高灵敏度的特点，使得在的水平上准确地测定生物大分子的分子量成为可能。

（五）电喷雾质谱

电喷雾质谱技术是在毛细管的出口处施加高电压，所产生的高电场将毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴。

随着溶剂的蒸发，液滴表面的电荷强度逐渐增大，最后崩解为大量带一个或多个电荷的离子进入气相，产生的高电荷离子使质量电荷比降低到多数质量分析器都可以检测的范围，因而大大扩展了分子量的分析范围，使生物大分子的研究成为可能。

五、质谱分析方法研究新进展

（一）色谱-质谱-质谱联用

色谱一质谱一质谱又称串联质谱，可以分为两大类，即空间上串联质谱和时间上串联质谱。

空间串联质谱是由硬件构成的，如通常的磁质谱、四级杆质谱仪等。

它们可以进行子离子扫描、母离子扫描和中性丢失扫描。

在分子离子扫描方式中，质谱仪离子源中形成的离子进人母离子四级杆Q1（第一四级杆），由Q1选择一定数量母离子，通过该四级杆进人碰撞室Q2（第二四级杆），在碰撞室中和惰性气体碰撞生成较小的碎片离子，当碰撞气体的压力在适宜的范围时，反应离子的部分动能转变为内能，由于离子内能提高，导致稳定离子活化分解，称CAD或CID反应。

经CID反应的碎片离子进人四级杆Q3，经Q3扫描获得由选择的母离子产生的子离子质谱图。

这种方法可以快速的研究复杂有机化合物中特定化合物结构。

在母离子扫描方式中，质谱仪离子源中形成的离子进入Q1，由Q1扫描使母离子相继通过该四级杆进人碰撞室Q2进行CID反应。

经CID反应的母离子碎片进入Q3，经Q3使选择一定数量的子离子通过。

它得到的是所选择子离子的母离子谱。

母离子扫描方法检测产生同一碎片离子的所有化合物，它对于检测一系列结构相似的同类化合物（如取代的芳烃、当、菇等）时特别有用。

在中性丢失扫描方式中，中性丢失是Q1和Q3四级杆同时联动扫描特定的质量范围，Q2仍进行CID反应。

Q3低于Q1特定的质量数，它根据所研究母体化合物通过质量丢失形成一种中性质量的碎片来选择Q1和Q3的质量差。

如检测从竣酸中丢失CO2可选质量差为44。

它可以给出相差丢失质量的母离子谱和子离子谱。

色谱一质谱一质谱由于增加一级质谱，从而增加了选择性，它可以选择感兴趣的化合物进行研究，排除干扰，提高灵敏度。

（二）高效液相色谱与电感耦合等离子质谱（HPLC-ICP-MS）联用

HPLC—ICP—MS的应用促进了金属／非金属形态测定的快速发展。

该联用分析技术是以各种不同的色谱分离柱完成不同种类样品分析物的分离，以高灵敏度的ICP—MS担任信号检出，具有元素专一性，线性范围宽和检测限低等特点，是具有高灵敏度和高选择性的形态分析系统；

而且形态分析时不需要复杂的样品前处理和复杂的接口，只需HPLC的流速和ICP—MS的进样速度相匹配，近年来在元素形态分析中已得到广泛的应用。

HPLC-ICP—MS的联用及其在元素化学形态分析中的应用已有许多文献总结。

然而大多数痕量元素形态分析缺乏标准物质，而HPLC-ICP—MS不能提供化合物的分子结构信息，红外光谱（IR）一般提供的结构信息有限，只是化合物的种类和一些基团的信息。

因此用核磁（NMR）或ESI-MS提供分子和结构信息，来鉴定HPLC-ICP-MS分离检测过的成分是必要的。

与NMR相比，ESI-MS对分析物的纯度、用量要求低，软离子化源与质量检测器连接，可以获得分析物的质荷比，提供化学形态精确的摩尔质量，得到分析物的结构信息。

ESI—MS／MS是对HPLC-ICP-MS的一个补充技术，是鉴定、表征用HPLC—ICP-MS分析的实际样品中的未知形态不可缺少的形态分析工具。

（三）氢同位素气体质谱分析进展

质谱法分析氢同位素气体就是利用质谱计实现质荷比m/z分离，用于测定氢、氘、氚气体混合物中各组分的相对浓度测定或同位素丰度测定方法。

氢同位素来说，其质量小，相互质量差又非常大，所以引起的质量歧视效应就特别大。

现代的氢同位素质谱计为了克服上述质量歧视效应，在离子源的出口缝与磁分析器入口的α限制缝之间设了一套尼尔电透镜系统。

该系统聚焦电压随不同氢同位素类型变化而变化，从而大大减低了因质量歧视效应而引起的氢同位素灵敏度差别。

同位素分馏效应的影响高、低分辨率质谱计均未得到彻底解决要采用标准气体校正分析结果。

对不同丰度样品进行误差修正时需要相应丰度气体标准，获取系列丰度的氢同位素标准气体以及在标准气体保存过程中保持标准气体的标称值不被破坏是分析样品过程中需考虑的问题。

这是氢同位素分析中存在的一个大问题，由于国内没有相关标准物质可氢同位素质谱计离子源采用电子轰击尼尔型离子源该种离子源具有线性好、灵敏度高优点。

（四）质谱多反应监测技术

质谱多反应监测技术是一种基于已知信息或假定信息有针对性地获取数据，进行质谱信号采集的技术，具有灵敏、准确和特异等优点。

在基于蛋白组学的生物标志物研究、蛋白质翻译后修饰．定量蛋白质组和蛋白质相互作用等研究领域的应用逐渐受到重视。

MRM技术是基于已知信息或假定信息设定质谱检测规则，对符合规则的离子进行信号记录，去除大量不符合规则离子信号的干扰，从而得到质谱信息的一种数据获取方式。

具体地说，即是根据多肽母离子质量数和碎片离子质量数，选择母离子-子离子对，允许符合设定的母离子进入碰撞室，碰撞完成后，只记录设定子离子信号。

通过母离子和子离子的两次选择，．去除干扰离子，降低化学背景，提高灵敏度。

在分析化学领域，这种质谱扫描模式已成熟地用于复杂体系中小分子化合物的分析，如环境分析、毒物分析、药物代谢物分析等口。

而近年来MRM技术与多种质谱扫描模式的灵活结合，例如MIDAS，是基于MRM获取的信号结果，对达到设定信号阈值的多肽再进行高分辨产物离子扫描，从而对目标肽段进行高灵敏度鉴定的方法），使复杂目标物的定性结果更为可靠，拓宽了其在蛋白质组学领域的应用。

MRM技术是基于蛋白质或多肽的已知信息或假定信息进行质谱信号采集，有针对性地获取数据的方式。

通过与其他质谱扫描技术的联合使用，能在蛋白质组研究中充分展现其高灵敏度、高准确性、高重复性、高通量的应用优点。

（五）热解-质谱系统

将在线监测含高挥发分组份样品的热解气体的反应器此反应器与商品型质谱联用，建立了常压程序升温热解—质谱系统。

现今已经有了较为深入的研究，在煤脱羧过程中的应用中，已经用模型化合物和真实样品检验了该系统的可靠性和重复性，并探讨了通过预处理前后煤热解时CO2的逸出情况来反映煤脱羧效果的可行性。

结果表明，此系统用于模型化合物热解时能获得响应好、重叠拖尾少、对称性好的气体逸出峰；

用氧化煤检测时，能清晰可辨地显示同一热解气体的多个逸出峰；

系统的稳定性和重复性较好。

（六）电感耦合等离子质谱

电感耦合等离子质谱（ICP-MS）是发展起来的新的无机元素分析测试技术，几乎可以同时分析所有的元素，并且具有较高的灵敏度，良好的精密度和宽的动态线性范围。

目前，lCP-MS已广泛应用于生物样品、环境用电感耦合等离子体质谱测定铜、锌、铁、锰、铬、镉、铅、砷和硒等微量元素的方法。

考察了谱干扰、基体效应和记忆效应等因素对测量的影响。

在优化的条件下，电感耦合等离子质谱方法可以检出限达到10-9级，线性范围达到3个数量级。

线性相关系数高于0.999。

将该方法用于可实际样品的测定。

例如测量饲料中各元素的测定值与标示量。

该方法与传统方法相比，具有简单快速，灵敏度高，能够同时测定多种元素的优点。

六、质谱分析法的应用

近年来质谱技术发展很快。

随着质谱技术的发展，质谱技术的应用领域也越来越广。

由于质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，因此，质谱技术广泛的应用于化学，化工，环境，能源，医药，运动医学，刑侦科学，生命科学，材料科学等各个领域。

质谱中出现的离子有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子－分子相互作用产生的离子。

综合分析这些离子，可以获得化合物的分子量、化学结构、裂解规律和由单分子分解形成的某些离子间存在的某种相互关系等信息。

　　质谱法特别是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在有机化学、生化、药物代谢、临床、毒物学、农药测定、环境保护、石油化学、地球化学、食品化学、植物化学、宇宙化学和国防化学等领域。

近年的仪器都具有单离子和多离子检测的功能，提高了灵敏度及专一性，灵敏度可提高到10克水平。

用质谱计作多离子检测，可用于定性分析；

也可用于定量分析，用被检化合物的稳定性同位素异构物作为内标，以取得更准确的结果。

以下就是质谱分析技术的典型应用：

（一）食品安全检测

通过食品中农兽药残留、食品微生物、生物毒素、食品添加剂等的检测可以加强食品的质量安全控制，对维护人们的身体健康和防止食源性疾病发生具有重要作用。

常压质谱技术在食品安全检测方面具有快速、简便、准确、灵敏的特点。

采用DESI技术，在不需要样品预处理的情况下，可以成功测定辣椒面、番茄酱、火腿肠、鸡蛋饼中微量的苏丹红类染；

加热辅助DAPCI检测的牛奶、奶粉中三聚氰胺的含量，检出限为80ng／g。

采用超声波辅助EESI法可以检测牛奶和面筋中的三聚氰胺，检出限仅为500ns／g。

在这些方法中，如果采用甲醇等有毒化学试剂产生初级离子，则可能对食品产生污染，导致分析过后的样品即使合格也难以被合理利用，因此仅适用于食品抽查，而不适于食品生产线上的实时在线监测；

DAPCI，LTP，APGDDI等通过电晕放电产生初级离子，不使用有毒有害试剂，对样品没有化学污染，可用于食品的远程、在线检测；

ND．EESI技术将采样和电离过程分开，通过中性气流对蔬菜、水果表面进行解吸采样，然后将采集的样品引入到EESI进行电离，可以进行在线分析和远程分析，对样品无化学污染和破坏作用。

（二）药品质量检测

医药药品的真伪和质量直接影响着疾病的治疗效果，关系到病人的生命与健康。

质谱技术在原料药的质量检测、药品微生物检测、药品包装材料以及对成品的西药片剂、注射剂和中药的有效成分的检测中有重要应用。

与食品检测类似，药品分析的理想技术不但需要有灵敏度、特异性和速度等方面的要求，而且还希望不污染和破坏样品，这样才能够真正做到对每个药片进行检测。

在常见快速质谱分析技术（如LTP，DBDI，DART，ND—EESI和DAPCI等）均具有快速、无需样品前处理及几乎无交叉污染的特点，对样品没有破坏作用，有望被广泛应用于药品分析，尤其是在线药品质量控制。

（三）环境安全检测

环境污染不仅影响人们的工作和生活，而且直接威胁人体健康。

随着生活水平的提高，人们对环境质量的要求越来越高。

通过环境检测及时、准确、全面地反映环境质量状况，对公共安全、环境管理、环境科学研究提供依据。

常压质谱技术与其它环境检测技术相比具有快速、现场、准确、灵敏的特点，在大气、水体、物体表面等中的痕量有毒、有害的化学品以及爆炸物的检测有广泛的应用。

采用EESI串联质谱检测了天然水中的痕量铀，可获得铀的形态信息和同位素丰度，表明该方法不但可检测水体中铀的浓度，且可用于快速准确地筛查核武器试验现场，对核工业和核能的和平利用具有积极的作用。

对基质复杂的粘稠物中待测物的快速灵敏检测一直是分析科学中极具挑战性的工作。

Law等采用改装的ND．EESI，成功地用于蜂蜜、橄榄油等复杂基质粘稠样品的快速直接分析以及粘性离子液体中化学反应过程的跟踪，不但为粘稠物的快速分析打开了一个窗口，而且使EESI—MS的应用范围得到了进一步扩展。

（四）原位活体分析

生物体的活体质谱分析是在不作任何预处理的情况下对活体样品直接进行质谱分析。

目前原位活体分析主要有生物体表的代谢分析，人或动物的呼吸气体分析。

这些代谢产物的微量成分分析可为考察内在的生化过程提供有益的参考，揭示有关代谢动力学的相关信息，尤其是对生理／病理研究方面具有重要意义。

除了以呼出气体为样品外，EESI可以结合ND技术，将不同生物体表的物质采集到EESI中进行萃取电离，获得满意的分析结果。

目前，代表性的工作包括采用ND技术进行微生物、人体皮肤、植物代谢产物的快速分析等。

虽然这些领域的研究刚刚起步，但显示出较好的发展前景。

研究表明，EESI．MS是一个功能强大的分析平台，在生命科学尤其在活体代谢组学研究中，为复杂样品的半定量分析提供了一种高灵敏度、高特异性及高效率的研究平台。

但是，作为活体质谱分析的工具而言，EESI技术远未成熟，还需要进行深入研究。

（五）代谢组学分析

代谢组学通常采用液相色谱．质谱联用（LC—MS）的方法，需要对样品进行多个步骤的预处理，导致存在分析速度低、样品耗量大等缺点。

梁华正等采用DAPCI—MS检测未经任何预处理的硫磺菌、枯草芽孢杆菌发酵液，发现了三甲胺、乙酸乙酯和苯甲醇等多种MVOCs成分。

在采用DAPCI-MS对花卉的挥发物质连续在线检测中，观测到了许多香味物质的动态变化过程，对深入了解花香成分及其代谢机理具有重要意义，实验表明，DAPCI-MS对挥发物的检测结果与常见GC—MS获得结果类似，但是更加方便快捷。

（六）蛋白质组学分析

质谱技术是目前蛋白质组学研究中发展最快，也最具活力和潜力的技术，特别是快速质谱分析技术具有常压操作、无需样品预处理、高通量、高灵敏度和高精度的特点，能显著提高了蛋白质组学研究的效率。

研究表明采用DESI可以检测了蛋白质和蛋白质的复合物，由于DESI得出的谱图与ESI的谱图非常类似，可以采用ESI的谱图进行鉴定。

近年来，采用EESI检测了多种不同的蛋白质，与ESI获得的质谱相比，EESI获得的蛋白质离子具有更低的价态，而且可以保持更高（大于90％）的生物活性．这表明EESI电离过程能够较好地保持溶液中蛋白质的构象。

这也说明EESI与表面解吸电离电离过程存在机理方面的显著差异。

另外，有的研究中采用ELDI直接了分析了水溶液中的蛋白质，表明ELDI分析的蛋白分子可以保持其原始构象。

MALDESI，APMALDI技术在蛋白质代谢中都有成功地应用，显示出基于ESI与MALDI两种分析蛋白大分子的典型技术的广泛应用潜力。

但是，DAPCI等技术目前还仅用于小分子的检测，对于生物大分子的分析检测还有待于加强。

（七）直接质谱成像

生物组织成像，尤其是实时活体生物成像，在生命分析中具有重要意义。

快速质谱分析技术可直接对生物组织进行快速分析，免去了繁琐的提取、纯化工作，并且避免了样品在处理过程中的损失，大大提高了质谱成像的效率，因为具有良好的发展前景。

质谱成像的研究表明，采用常压质谱技术可以直接对生物组织微区域进行快速分析，显示了发展一种新的质谱分析和诊断方法的前景。

这些方法将有可能发展成为一种常压环境下，获取某些特殊分子在生物组织甚至在细胞表面上原位、实时和空间分布信息的重要分析手段。

七、质谱分析方法研究展望

随着快速质谱分析技术的不断发展和改进，这一领域的研究不断深入，应用也更加广泛。

目前，复杂基体样品的直接质谱分析已经成为质谱研究的主要方向之一，相关的离子化技术得到蓬勃的发展。

近年来已研制出数十种新方法，有很多技术已经显示出巨大的实用价值。

有些技术如DESI，DART等开展了较为深入的机理研究，对相关的电离过程了解得相对清楚。

但是，在整个领域而言，相关的理论研究有待加强。

尤其是对于新兴的如LTP，DAPCI等技术，深入的机理研究不但可以更加深刻地了解这些技术之问的区别和联系，更重要的是可以对改进这些技术的分析性能提供理论指导。

目前，在实际应用过程中，大多技术仍需要将样品取回实验室分析。

这既有技术本身的限制（如有些技术需要使用高压气体等），也有质谱仪器的限制。

目前还难以找到商品化的小型质谱仪进行广泛的现场分析。

因此，在保持离子源的性能的前提下进行小型化和集成化也是这个领域的重要发展方向之一。

小型直接离子化装置应满足各种无需样品预处理的原位、实时、在线、非破坏、高通量、高灵敏度、高选择性、低耗损的分析检测的要求，可根据前面所述的基本原理，结合各自的工作基础和领域优势，在离子化技术的工作方式、小型化设计和多功能化等