干货丨质谱仪技术发展与应用

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的一种分析方法。质量是物质的固有特性之一,不同的物质有不同的质量谱——质谱,利用这一性质,可以进行定性分析;谱峰强度也与它代表的化合物含量有关,利用这一点,可以进行定量分析。检测原理:质谱分析仪按照质荷比对物质进行分离。

1 产生与发展

早期的质谱研究工作是与元素的同位素测定紧密相关的。同位素这个词于1910年第一次使用。第一台质谱仪也是在这一年诞生的。实际上,早在1886年就有人提出了有关同位素的概念。用磁场偏转法分离带电粒子以测定其质量的研究工作也是在1896年取得了成果。这些研究为后来的质谱学工作提供了一定的基础。

1910年,英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质谱仪器。这台质谱仪的诞生,标志着科学研究的一个新领域一质谱学的开创。1934年诞生的双聚焦质谱仪是质谱学发展的又一个里程碑。在此期间创立的离子光学理论为仪器的研制提供了理论依据。双聚焦仪器大大提高了仪器的分辨率,为精确原子量测定奠定了基础。

第二次世界大战期间,质谱进入了实际应用领域。首先是美国的原子弹制造计划,需要大量的U235,使质谱进入了军事科学领域。另外石油工业也将质谱用于定性、定量分析。1943年,第一台商用质谱仪出手给一家石油公司。质谱仪从此进入了工农业生产领域。如汽油分析、人工橡胶、真空检漏等工作都应用质谱仪器作为分析、检测工具,并证明为一种准确、快速的手段。50年代是质谱技术飞速发展的一个时代。在质量分析器方面,高分辨双聚焦仪器性能进一步提高,并出现了四极滤质器、脉冲飞行时间分析器等。离子化手段业增加了。火花离子源和二次离子源业进入实际应用,后来还进行了串联质谱仪研制。特别值得一提的是,气相色谱和质谱联用的成功,从而使得质谱在复杂有机混合物分析方面占有独特的地位。

2 应用领域

最近30年质谱学在各个方面都获得了极大的发展。新的离子化方法如场致电离(FI)、场解吸电离F(D)、化学电离(CI)、激光离子化、等离子体法等不断出现。复杂的、高性能的商品仪器不断推出,如离子探针质谱仪、磁场型的串联质谱仪、离子回旋共振一傅立叶变换质谱仪等。液相色谱与质谱的联用在近10年来有突破性进展,己进入实用阶段。另一方面,低价位、简易型仪器的推出,对扩大和普及质谱分析的应用起了很大的作用。

据文献记载,质谱技术已经应用到了各个领域:

2.1 中药代谢及其药代动力学:

1980年以来 中药代谢及其药代动力学研究的深度和广度有了较大幅度的提高,近年来由于液相色谱和质谱联用技术的迅猛发展,使得目前质谱尤其是串联质谱已成为中药代谢物研究和检测的重要工具。药物代谢研究是药物开发过程中非常重要的一步,通常的做法是首先收集样品,用溶剂提取或柱色谱或高压液相色谱制备得到纯品,再进一步对原药和代谢物进行紫外、红外、质谱、核磁共振等光谱分析,推断代谢物的结构。液相色谱和质谱联用大大节省了样品处理和提取工作,同时由于采用串联质谱检测和图谱解析可以了解母体药物的代谢产物。

2.2 监测加工食品中的三聚氰胺及其水解产物:

2007年7月,美国国家食品安全与技术中心开始使用配备了Thermo Scientific AccelaTM高速液相系统的TSQ Quantum三重四极杆质谱仪, 建立监测加工食品中的三聚氰胺及其水解产物的液相色谱2串联质谱方法。TSQ Quantum可以使用高度选择反应监测(H2SRM)模式的仪器,这种模式使动物组织等复杂样品的快速和有效分析更容易。这个方法用Thermo Scientific的LC2MS/MS得出的精密度和准确度值,完全满足食品药品监督管理局关于分析方法建立和确证的指导原则的要求。

测定鲶鱼中的三聚氰胺残留的现有方法(实验室信息通报No. 4396)是由位于丹佛的食品药品监督管理局动物药物研究中心建立的。该方法使用TSQ Quantum质谱仪,配备了Thermo Scientific的SurveyorTM型LC2MS型液相泵和自动进样器。

从含有10ppb三聚氰胺的加工的鲶鱼中得到的总离子色谱图,ESI正离子检测。提取物的分析采用Thermo Scientific的150×211mm BioBasicTMAX色谱柱和Accela液相系统。分析物的检测通过TSQ Quantum完成,监测的离子对为m/z128→85和m/z 128→68。方法表明Thermo Scientific的仪器能够检测出鲶鱼提取物中10ppb水平的三聚氰胺,超过了食品药品监督管理局规定的要求。

2.3 食品

丹麦罗斯基斯一实验室发明一种带有质谱仪的空调装置。该装置可绘制产品中60多种元素的相对含量,可与农产品样品的质谱仪图谱进行对比,从而可得知这些农产品有无化肥与农药残留物,确认是否是不含化肥与农药残留物的真正绿色食品,从而可以识别流通领域中商贩给伪劣农产品贴上“绿色食品”的伪劣绿色食品。(摘自ZGSPB,2002211225)

国内自行研制的高分辨率ESI-TOF-MS分析从大豆毛油中萃取出来的磷脂,实现了国内首次用自制ESI-TOF-MS分析大豆磷脂中磷脂酞胆碱。结果表明,利用ESI-TOF-MS共检测出了大豆磷脂中的52种磷脂酞胆碱。

2.4 医学

表面加强激光解析电离飞行时间质谱仪(SELDI-TOFMS)是一种新的蛋白质检测技术,与传统的蛋白质组学方法相比,该技术具有快速、灵敏、高通量等特点。运用该技术制成的蛋白质芯片质谱仪已成为蛋白质组学研究中的重要工具。

2.5 地质

伴随现代钻井技术的飞速发展,愈加要求录井公司能够提供更加迅捷的多方面录井资料,基于这种情况,法国地质服务公司开展了能够应用于现场的同位素质谱仪的研制工作。该套仪器的研制,充分利用了同位素质谱技术的检测原理,为现场录井烃类气体检测增加了有效的辅助手段。具有相同质子数、不同中子数或不同质量数的同一化学元素的不同核素互为同位素,同种元素的各种同位素质量不同, 但化学性质儿乎相同,因此可以通过测量气体的同位素得到具有相同质量分数的烃类气体质量浓度。

2.6 分析细小气溶胶粒子

美国Delaware大学Johnston等人研制出用作超细粒子分析的激光质谱仪,用激光烧灼法实时分析单个气溶胶粒子,粒子直径为10～150nm,比现有同类仪器能测量的粒子直径小一个量级。

2.7 钢铁生产

质谱仪在钢铁厂成功用于:高炉炉气分析、转炉炉气分析(BOS,BOF)、焦炉炉气分析、混合站气体分析等部门。

2.8 汽轮机真空系统检漏

国内经过几年来使用德国莱宝公司氦质谱仪检漏的经验表明,针对机组真空系统复杂,管道繁多且被保温难以检测的特点,在进行检漏前,应对机组的运行情况和性能指标作认真分析。结合以往大、小修停机灌水试验,消缺情况概略地列出重点检漏部位,从而缩短检漏时间,提高查漏效率,捕捉重要漏点。在对霍州电厂1号、2号机(100MW),柳林电厂1号机(100MW),榆社电厂1号、2号(100MW),神头第一发电厂4号(200MW)进行的检漏,均取得了预期的效果。

2.9 环境、生物分析

串联质谱技术作为分析混合物和分子结构鉴定的重要手段,很早以前已在大型质谱仪上得到应用,在两个前后串联的质谱/质谱仪中,前级质谱主要用于担任分离工作,在样品被电离后,它只允许被分析的目标化合物的母代离子碎片,经过碰撞裂解后,由第二级质谱分析裂解后产生的离子碎片,由于上述过程的完成至少需要三个质量分离器串联而成,故在大型质谱仪上应用串联质谱技术成本较高,而且操作比较复杂,从而限制了该技术的广泛应用。随着离子阱质谱仪的发展,利用其可实现时间串联的特性,即串联质谱的每个阶段在不同时间段进行,使用同一个离子阱质量分离装置就可以完成串联质谱的分析,甚至可以进行多级质谱的分析,Varian 公司的Saturn串联质谱仪目前可以做到MS6。从而大大降低串联质谱分析的成本,而且性能优异的工作站软件也使该分析的操作变得十分容易。目前,该技术在环境分析、食品分析、生物分析等方面得到了广泛的应用。它不仅适用于复杂基体混合物的定性分析,而且可以利用得到二级质谱结果进行定量。

2.10 地球化学

同位素比率质谱仪(isotoperatiomass spectrometers,IRMS)是近些年发展起来的用于测定某些稳定同位素组成的仪器,在诸多领域中都展现出广阔的应用前景。由于稳定同位素组成中蕴藏着丰富的地球化学信息,通过研究其组成可以揭示地球化学过程中的诸多方面的信息。所以IRMS技术和同位素一起作为一种新的有效手段在地球化学研究中有着越来越广泛的应用。

2.11 地学、考古和生物医学

在国家科技部、中国科学院和教育部的联合支持下,由中国科学院地球环境研究所与西安交通大学联合筹建的西安加速器质谱中心的一台3MV的多核素分析加速器质谱仪(Xi’an-AMS)及其样品制备系统以地学、考古和生物医学研究为主,多学科共享,近期以10Be和14C分析为主,且为尽快开展26Al和129I分析作技术准备。正常运行情况下,每年分析2500 样品,现代样品的14C测量精度优于0.5%,可达0.2％-0.3％,10Be探测灵敏度可达10-15 量级。

2.12 载人航天

由于阵列质谱仪在体积、质量、功耗等方面具有其它质谱仪无与伦比的优点,尤其是体积小、质量轻、功耗低正好满足载人航天以及长期宇宙飞行有效载荷越低越好的要求,决定了其在航天领域的应用地位,广泛应用于航天器舱内空气监控和医学气体监测、舱内污染物监测、航天员出舱活动、地面模拟试验以及其它宇宙探索等。

载人航天器与无人航天器的根本区别在于载人航天器要求有航天员能够生存的环境控制与生命保障系统,以保障航天员的生命安全和身心健康及工作效能。为此必须对乘员舱的O₂、CO₂、H₂、CO、CH₄、H₂O和N₂等主成份气体进行定性定量监测。另外,由于载人航天器是一个特殊密闭环境,人体代谢、非金属材料脱气和事故性热解、偶然泄露等产生有害气体,这将给航天员带来毒性污染物低浓度的慢性暴露和事故性高浓度的急性暴露的潜在危险。根据舱内污染物出现频率和毒性大小及危害程度等,美国重点监测CO、CO₂、NH₃、甲醛、吲哚、氢、CH₄、甲苯、氟利昂-113和肼等52种污染物的载人航天器舱内污染物最大容许浓度(SMAC),浓度在0.015～13000×10^-6之间,并要求按监测优先级进行检测。俄罗斯重点监测CO、NOX、NH₃、HCl、HCN、HF、甲醛、乙二醇、苯和C5的C8碳氢化合物等109种污染物的SMAC。阵列质谱仪能够完成舱内主要气体和污染物的监测,同时由于它能检测到10^-9数量级,从而使舱内10^-9数量级微量污染物监测也得以顺利实现。如使用质量范围0～300amu的阵列质谱仪,可检测95.6%的舱内污染物。同时,它还可用于航天员呼吸气体的监测,实时监测航天员的身体健康状况。这些说明阵列质谱仪具有一机多用功能,不仅可完成质谱仪原有工作,还可以替代其它舱载气体检测器,减少了舱载气体检测器种类,从根本上减少舱载仪器的质量、体积、功耗和成本,这正符合减少仪器要比发展航天器舱体本身更为合理、更为经济的设计理念,实现空间飞行快、好、经济目标,进行更远的太空飞行。阵列质谱仪可以与检测性能良好的小型气相色谱(GC)联合使用,形成色质联机(GC/QMSA)。如1999年NASA J PL将端支型阵列质谱仪与小型气相色谱联用,用于火星大气地面模拟试验,QMSA特性指标为质量1500kg,功率15W,外围尺寸300mm×120mm×80mm,GC特性指标为质量约250～300g,功率约200nW,外围尺寸Φ50mm×120mm,载气消耗量100μL/min。将GC/QMSA再添以热导检测器(TCD),便可实现一台检测器同时具有3条检测通道:(1) 完整的GC—TCD—MS测试,用于监测优先级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ全部气体的检测;(2) QMSA失效时,GC —TCD 测试,用于监测优先级Ⅰ、Ⅱ气体的检测;(3) GC—TCD失效时,MS单独测试,用于监测优先级Ⅰ气体的检测。这种冗余设计有利于提高载人航天器气体监控的安全性和可靠性。航天员出舱活动是载人航天的重要任务之一。航天员太空行走时,舱外航天服(EMU)发动机将产生有毒的肼类物质,并吸附在舱外航天服上,行走完成后被带回舱内,而肼类物质检测常用阵列质谱仪。另外,将小型阵列质谱仪用于舱外便携式生命保障系统,可大大降低便携式生命保障系统的质量、体积和功耗,减轻舱外航天服负荷,提高航天员太空行走的自由机动性。并且可以实现实时检测,显示航天员的安全等级,及时报知潜在危险,提高出舱活动的安全可靠性。此外,它还可用作舱外残余气体分析器,定性定量监测氨、火箭推进剂、氧、氮和水的舱外泄漏。小型阵列质谱仪的舱外应用已在2001年2月由亚特兰蒂斯航天飞机运往国际空间站开始应用。

在宇宙探索中,小型阵列质谱仪可用于行星和卫星的地质和大气物理研究。由于其体积小、质量轻、功耗低,使人类可以更加快速地飞往更远的行星和卫星,如火星、木星、欧罗巴、土星、土卫六、冥王星和海卫一等。在地面模拟试验中,阵列质谱仪可用于地面模拟舱舱内气体的检测和行星、卫星表面大气模拟试验,如悬臂型阵列质谱仪曾用于测试模仿金星大气的气体混合物。此外,在航天发射中,小型阵列质谱仪可用于火箭发射升空时尾气的检测,以及火箭燃料肼类物质的燃烧程度检测;在军事上,可用于密闭舱(坦克、飞机、潜艇等) 有害气体的检测。

2.13 刑事科技

上面叙述了质谱仪能分辨同一元素的同位素,更能识别不同元素和化合物,只要是分析物质成分的场合都可应用在公安上物证检验,分析物证的成分,当然也在其应用范围之内但在公安物证检验技术上有其特殊要求所用的物证样品是微量的,甚至是超微量的样品是复杂的混合物,一般分析法难于完成分析速度快准确率要求高质谱分析技术都能满足这些要求,故使用日趋广泛但因设备昂贵,技术要求高,这些又限制了它的发展。

近年来,质谱仪在有机物领域内,应用于刑侦技术,发挥了重要作用如鉴定粉状、液态和固态麻醉剂,鉴定纵火用的燃物和化学物质,鉴定炸药的原料、成分和化学药品,分析药物、颜料、塑料和其他高分子材料,检查有机化学药品、石油化学产品等都可使用质谱仪。

近年来把电子计算机与质谱仪联用,以电子计算机掌握数据,并进行数据处理,得出质谱图,再跟质谱图库里的各种物质的标准质谱图进行对比和识别,就可以很迅速地判断所分析的物质名称此项技术对刑侦技术部门来说,有着重要意义。

3 讨论

从前面的分析我们可以总结出质谱仪技术的一些规律。

首先质谱仪技术发展迅速,从而是世纪初到现在大概一个世纪的时间内,发展突飞猛进,而且随着新技术的不断研发和技术转化时间的不断缩小,新技术应用到质谱仪领域的范围不断扩大,速度不断加快。这就使得质谱仪技术不断更新,越来越快。其次,质谱仪应用的领域越来越广。如前所述,涉及各行各业的各个领域几乎都能找到质谱仪应用的地方,质谱仪已经为工业生产、人民生活、国防建设贡献了力量。第三,质谱仪核心技术不断更新,并与其他技术不断融合,可以说质谱仪技术已经不是传统意义上的技术了,是一门融合多学科的交叉科学。

我国科研人员在质谱的各应用领域作大量的工作,发表许多文章,但很大部分的工作都是在进口的商品仪器上作出的,国内仅有为数不多的几个小组坚持不懈地进行该领域的技术探索。我国飞行时间质谱技术经过多年的发展,已有一定的经验积累,成功研制出数台不同形式的样机,并在多个领域得以应用。但仪器总体性能较低,操作自动化程度不高,没有形成规模。我国的质谱仪发展形势严峻,主要体现在各研究小组力量相对薄弱,相互之间缺乏交流。随着质谱仪应用的不断扩展,国内对质谱仪的需求也将越来越大,而目前国内质谱仪主要依赖于国外进口,价格昂贵。要改变我国质谱仪行业的落后局面,要求建立起一批稳定的仪器研制团队,组织、推动仪器研制团队和使用单位密切结合,吸取国外质谱仪器研究、设计、制造、使用的经验和教训,根据我国财力,以市场需求为导向,群策群力,发展适合国情的国产飞行时间质谱仪器,进而参与国际竞争。

本文转载自作者王桂友、臧斌、顾昭。

材料牛石小梅编辑整理。

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