质谱(又叫质谱法)是一种与光谱并列的谱学方法,通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。
质谱分析是一种测量离子质荷比(质量-电荷比)的分析方法,其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离,生成不同荷质比的带电荷的离子,经加速电场的作用,形成离子束,进入质量分析器。在质量分析器中,再利用电场和磁场使发生相反的速度色散,将它们分别聚焦而得到质谱图,从而确定其质量。
质谱分析的基本原理
用于分析的样品分子(或原子)在离子源中离化成具有不同质量的单电行分子离子和碎片离子,这些单电荷离子在加速电场中获得相同的动能并形成一束离子,进入由电场和磁场组成的分析器,离子束中速度较慢的离子通过电场后编转大,速度快的偏转小;在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转,即速度慢的离子依然偏转大,速度快的偏转小;当两个场的偏转作用彼此补偿时,它们的轨道便相交于一点。与此同时,在磁场中还能发生质量的分离,这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上,不同质荷比的离子聚焦在不同的点上,其焦面接近于平面,在此处用检测系统进行检测即可得到不同质荷比的谱线,即质谱。通过质谱分析,我们可以获得分析样品的分子量、分子式、分子中同位素构成和分子结构等多方面的信息。
质谱仪能用高能电子流等轰击样品分子,使该分子失去电子变为带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量,质量不同的离子在磁场的作用下到达检测器的时间不同,其结果为质谱图。
原理公式:q/m=E/B1B2r
质谱分析是先将物质离子化,按离子的质荷比分离,然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的一种分析方法。
质谱仪的用法说明:
分离和检测不同同位素的仪器。仪器的主要装置放在真空中。将物质气化、电离成离子束,经电压加速和聚焦,然后通过磁场电场区,不同质量的离子受到磁场电场的偏转不同,聚焦在不同的位置,从而获得不同同位素的质量谱。质谱方法早于1913年由J.J.汤姆孙确定,以后经 F.W.阿斯顿等人改进完善。现代质谱仪经过不断改进,仍然利用电磁学原理,使离子束按荷质比分离。质谱仪的性能指标是它的分辨率,如果质谱仪恰能分辨质量m和m+Δm,分辨率定义为m/Δm。现代质谱仪的分辨率达 105 ~106 量级,可测量原子质量jīng确到小数点后7位数字。
质谱仪重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。测定原子质量的精度超过化学测量方法,大约2/3以上的原子的jīng确质量是用质谱方法测定的。由于质量和能量的当量关系,由此可得到有关核结构与核结合能的知识。对于可通过矿石中提取的放射性衰变产物元素的分析测量,可确定矿石的地质年代。质谱方法还可用于有机化学分析,特别是微量杂质分析,测量分子的分子量,为确定化合物的分子式和分子结构提供可靠的依据。由于化合物有着像指纹一样的独特质谱,质谱仪在工业生产中也得到广泛应用。
固体火花源质谱:对高纯材料进行杂质分析。可应用于半导体材料有色金属、建材部门;气体同位素质谱:对稳定同位素C、H、N、O、S及放射性同位素Rb、Sr、U、Pb、K、Ar测定,可应用于地质石油、医学、环保、农业等部门。
如何选择质谱分析方法? ——是用于研究蛋白,核苷酸还是小分子,这里也许有理想的答案 正如其它先进的技术一样,质谱技术冲击带来了市场的膨胀,造成了多选择性的产品,专业性的术语,这也就无形中增加了研究人员选择合适于他们的系统的困难性。正如西雅图Fred Hutchinson癌症研究中心蛋白组主任Philip Gafken所说的那样,“无论大家相信与否,这种技术并没有如它们所被应用的那样被逐渐的了解,研究人员没有认识到利用这种技术的真正目的。” 比如说三级四极质谱仪(Triple Quadrupole Mass Spectrom)是一种相对便宜一点,但扫描速率(scan rate)也相对比较慢的质谱仪,而目前精良的傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance,FTICR)则在精确性和分辨率都是首屈一指的,当然价钱也会比较贵。 Gafken说道,“人们总是倾向于购买一些顶级的产品,但是事实上,这些应用中很大一部分都能由一些相对便宜一点的仪器来完成”,所以我们需要购买适用于各自需要的正确仪器。 1.Protein Chemist级 对于protein chemist而言,需要得到的仅仅就是知道他在研究的是什么。通过分析一种蛋白的免疫共沉淀的成份,或者利用二维电泳识别特殊的蛋白斑点,protein chemist就可以了解这种蛋白质的生物学特性了。对于这种应用,快速而并不需要太精确的方法就可以满足需要了。 推荐系统:MALDI+TOF 理由:肽指纹图谱(PePtide Mass Fingerprinting,PMF)和基质辅助激光解析电离飞行时间(matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight,MALDI-TOF)质谱是可以考虑的首选方法。 TOF是一种简单的质谱分析系统,灵敏度高,能进行从10原子质量单位到上百上千单位的片段分析。另一个TOF的优点就是分析的速度,伊利诺斯大学的化学副教授Neil Kelleher就表示“这就是它为什么能与MALDI配合工作的原因,你可以以一种高重复率在激光上操作,每秒获得许多光谱。” 而MALDI则是一种首先就可以考虑的方法,但是并不适合如何人,来自华盛顿大学的化学教授,Journal of the American Society for Mass Spectrometry杂志的编辑Michael Gross就说,“如果你的免疫共沉淀中有20或30个蛋白,每一个有50条特殊带,那么你就有1000条带,利用MALDI并不能在气相中打到全部的”,为了得到更多的信息,必需要考虑一个可以提供序列详细信息的任意构造,比如MALDI-TOF-TOF,或者一个更加灵敏的仪器——离子捕获。 2. 灵敏级 难题总是出在事实本质的详细内容当中,对于蛋白而言,那就是指翻译后修饰了。比如说,假设你正在研究包含有乙酰化和三甲基化修饰的组蛋白,但是一个标准的质谱也许无法区别出这两种修饰,这时就需要高精度的仪器了,这种仪器能获得二位或者四位小数位的报告。 推荐系统:LC+ESI+FTICR with ECD 理由:准确度高的仪器可以区别对于所谓的正常(nominal-mass)仪器而言相同的分子,一般认为选择液相色谱(liquid chromatography,LC)与电喷雾电离化(electrospray ionization,ESI),以及傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(Fourier transform ion cyclotron resonance,FTICR)相结合能达到高精度和高灵敏度的要求。也许还需要电子捕获解离技术(electron capture dissociation,ECD)来获得可重复的结果。 虽然经典的碰撞诱导解离技术(collision induced dissociation,CID)介导的串联质谱方法可以进行斑点修饰(spot modifications),但是对于识别包含了修饰的蛋白残基而言,这并不是一种理想的方法,这主要是由于解离蛋白的时候常常会降解多肽的蛋白修饰,然而ECD则可以保持这种修饰的完整性。不过来自辛辛那提大学的Patrick Limbach提出一个忠告:这些仪器偏差范围小,因此可能会丢失掉一些未预期到的情况,比如天冬酰胺残基的脱酰胺,或者磷酸化。
1、为了质谱仪器的正常工作,必须要组成高真空系统的真空室。仪器使用了高性能的涡轮分子泵与前级真空泵构成两级真空机组以确保所需的真空。被分析样品经毛细管柱分离,进入离子源。
2、采用电子电力标准配置,产生正离子,在推斥、聚焦、引出电极的作用下将正离子送入四极杆系统。
3、四极杆在高频电压与正负电压联合作用下形成高频电场,在扫描电压作用下,只有符合四极场运动方程的离子才能通过四极杆对称中心到达离子检测器,再经离子流放大器放大,产生质谱信号。
在线质谱仪特点:
1、通过现场监测气体组分的浓度变化。实现多组分同时现场监测,不仅能对环境监测和工业生产中的气体进行监测,而且能对突发事件等进行快速分析。
2、仪器自动化程度高。动态、连续取样、实时、在线气体分析;响应速度快、数据分析功能强大。
3、采样和前处理装置根据需求量身定制,方便实现调压、过滤、除湿、加热等功能。
4、可控制温度的进气管道,有效防止过程气体在采样过程中冷凝。
5、双灯丝,并配有灯丝保护装置,较大程度的延长灯丝的使用寿命。
6、仪器集成度高,机身附带两级真空泵,应用范围可从高压到超高真空,根据用户需求组合配置。
7、快速自动校准,包括背景校准、碎片校准、电离灵敏度校准。
8、人性化的任务管理功能,用户可以自定义设置分析任务。
1、参数:分辨率:>60,000 (10% 峰谷定义)扫描速度:0.1~10, 000秒/十倍乘(连续可变)质量精度: 800:1m/z范围:2~6,000 Da,全加速电压为2~1,200 Da2、质谱(又叫质谱法)是一种与光谱并列的谱学方法,通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。
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