什么是质谱?质谱是怎样工作的?

质谱仪可以比一枚硬币小,也可以装满非常大的房间。虽然不同仪器类型有不同的应用,但是其工作原理相同。测量单位为道尔顿(Da),代替其它单位,比如原子质量单位(amu)。1Da=单个碳12(12C)同位素原子质量的1/12。以前认为质谱仪不具定量能力,仅能作为定性设备,辅助化合物的鉴定。但现今,已经证实质谱兼具定性和定量功能。只有分子转化为气相离子后,质谱仪才能测量其质量。为了达到这一目的,质谱仪使分子带上电荷,然后将带电离子流转化为数据系统能够识别的成比例电流。数据系统将这一电流转化为数字信息,得到质谱图。

Charged ions of Substance P

图 2:a)像色谱图形一样,当总离子电流随时间改变时,总离子电流(TIC)的丰度增加。b)每个峰的数字部分表示此刻的离子,其构成了离子电流,离子电流通常被称为轮廓图或连续采集。X或‘时间'轴为质荷比(m/z),在图谱中(比如同位素)能读出相邻离子的分辨率。c)轮廓图谱通常缩减为‘棒状图,从每个峰的顶点降低质心,形成棒状图,从而减小存放文件的大小,有利于增加分辨信息。对目标分析物,有很多适合的方式,使其电离成离子:
1) 在平面上,激光激发溶解在基质中的化合物,比如基质辅助激光解吸离子化(MALDI)法。
2) 通过与带有能量的离子或电子的相互作用,比如电子轰击离子化(EI)。
3) 自身输送过程的一部分,像我们已熟知的电喷雾电离(ESI),在此种电离中,从液相色谱流出的洗脱液经高电压作用,从气溶胶中形成离子。

例子按照其质荷比(m/z),进行分离、检测而得到测量。将相对离子流(信号)与m/z制图,得到质谱图。小分子通常仅带单一电荷:因此m/z是质量与1的比值。"1"表示在离子化过程中增加了一个质子(表示为M+H+,或如果丢失一个质子表示为M-H-),或如果丢失一个电子形成离子,被称为自由基正离子(M+)。质谱仪的准确性,或质谱仪怎样测量实际真实的质量,可在本入门指南的后续章节中看到。较大分子自身结构的多个位点可捕获电荷。小肽通常能带2个电荷(M+2H+),而非常大的分子具有多个位点,可使用简单的算法,推断谱图中表示的离子质量。

Charges shown for human transferrin

图 3:当准确校正后,低分辨率的质谱仪也可以得到非常准确的质量,但是因为较多的数据挤占了有限的分辨空间,因此不能提供更多的谱图信息。常见的含有9个氨基酸的Bradykinin多肽的代谢片段(BK1-5或Arg-Pro-Pro-Gly-Phe),ACE(血管紧缩素转化酶)用于扩张血管的抑制剂,可携带2个电荷(单个电荷或M+H的单同位素值为573.3149,而双电荷峰,或M+2H为287.1614)。戴带双电荷的同位素峰,也会挤占有效的分辨空间。

能够分析的分子有多大?
解吸电离扩展了分析的能力,可分析分子量大、非挥发性、易碎的分子。对分子量40,000Da的常规检测,其准确度可达0.01%,(即质量偏差在4Da)允许过程中发生较小变化的测定,比如蛋白质的翻译后修饰。可带多个电荷扩展了质谱仪的测量范围,可以超越其设计的上限,可检测1000000Da或更大的质量。
同位素和元素的质谱仪
天然同位素丰度已清楚的表征。虽然通常认为丰度比较稳定,但是同位素丰度可能出现显著的特征性改变。在代谢研究中,应用同位素比例测定(同位素丰富的元素作为示踪剂),在气候研究中,测量温度依赖性氧和碳的变化。在实际中,使用高准确性的质谱仪,测量前,将复杂分子转化为简单分子化合物,这样转化后的化合物能通过扇形磁质谱仪检测。元素分析通常针对无机材料,确定元素组成,而不是结构,在一些情况下,可分析固体金属样品。常见于诱导偶合等离子体(ICP)源,放电器(或较低能量的发光放电)电离样品。在万亿分之一(ppt)水平使用专用仪器检测较为常见。

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