时间质谱.docx

1、时间质谱对时间质谱仪器的探究摘要：质谱分析仪用来测定有机化学中分子结构和分子量,飞行时间质谱TOFMS ( Time of Flight Mass Spectrometry)以其分析速度快,分析质量范围广而在生命科学,分析化学等领域得到了广泛的应用。本文主要从时间质谱仪的构造，原理，发展历程、应用、发展趋势以及前景进行了探讨。关键词：飞行时间质谱、联用技术、生物分析、基因工程、生命科学、药物代谢正文：飞行时间质谱仪(time of flight mass spectrometry ,TOF-MS) 早在1955 年就商品化了,在1960 年代曾得到广泛应用,但是不久即被分辨率和灵敏度更高的扇形

2、磁场质谱仪和四极质谱仪所取代。其主要原因是分辨率低,缺乏在微秒级范围内记录和处理数据的技术。二次世界大战后,随着近代物理学、电子学、计算机、真空和机械加工等技术的进步,TOF-MS无论在性能上还是功能上都取得显著的进步。近年来空间聚焦、反射镜和垂直加速技术的发展使得飞行时间质谱的分辨率已经可以达到55000 ,而且数据采集速率也可高达4G/s。尤其值得注意的是由于基质辅助激光解吸离子化技术(matrix-assistedlaser desorption ionization ,MALDI) 和电喷雾电离技术(electrospray ionization ,ESI) 的出现,使“古老”的飞行时

3、间质谱仪得到了新生。以TOF-MS 技术搭建的分析平台分析速度快、灵敏度高和质量范围宽被广泛地应用于多肽、核酸、多糖等生物大分子的分子质量的测定、药物筛选、蛋白质的序列测定以及高分子化合物的分子质量分布和末基端分析等。TOFMS的主要构造及基本原理：TOF - MS一般由离子源、飞行时间质量分析器、检测器、高真空系统及信号记录与处理系统等部分组成，其工作原理如下所示TOF-MS 分析方法的原理非常简单。样品在离子源中离子化后即被电场加速，假设离子在电场方向上初始位移和初速度都为零，所带电荷数为q，质量数为m, 加速电场的电势差为V, 则加速后其动能应为：m v2 / 2= qe V (1)其中

4、，v 为离子在电场方向上的速度。离子以此速度穿过负极板上的栅条，飞向检测器。离子从负极板到达检测器的飞行时间t，就是TOFMS进行质量分析的判据。在传统的线性TOFMS，离子沿直线飞行到达检测器；而在反射型TOFMS 中，离子经过多电极组成的反射器后反向飞行到达检测器，后者在分辨率方面优于前者。飞行时间质谱的性能特点(1)质量范围宽: TOF - MS从理论上讲,没有质量分析的上限,只是由于高质量离子飞行速度慢,检测器对其响应不足及数据存储记忆有限等原因,使其实际分析质量范围受到限制, 但仍可达300 000 Da, 远大于四极杆和离子阱等质谱仪。(2)分析速度快: TOF - MS作为脉冲型

5、质量分析仪数据采集速度非常快,最高能达4 G/ s,近年来出现的超高效液相色谱技术(UPLC) ,使其与TOF相连后可使分析物的保留时间和色谱峰的宽度大为缩短,进一步提高了样品分析速度。( 3)分辨率高:TOF - MS属于高分辨质谱,其分辨率可达55 000,因此,可测出分子量小数点后第4位,可直接进行元素组成分析,算出分子式,而四极杆和离子阱等属于低分辨质谱,只能测出化合物的整数分子量,无法进行元素组成分析。( 4)质量准确度高: TOF- MS全扫描方式检测的离子质量准确度要比一般质谱高100倍以上,精确质量测定时其精度可达5ppm,甚至更低。而四极杆等质谱由于受到仪器精度的限制,只能达

6、半数质量。(5)灵敏度高: TOF -MS的检测器可同时检测出全质量范围的离子,并且利用四极杆聚焦保证了最大的离子传输率,大大提高了其灵敏度。在fmol进样量下,选择离子扫描方式灵敏度要比四极杆等质谱低,但在全质量扫描方式下远高于四极杆等质谱仪。TOF-MS 技术及应用的发展历程以离子的飞行时间作为判据进行质量分析的创意，是Stephensen 在1946 年提出来的。最初设计的是线性TOFMS。离子的飞行时间与其质量的平方根成正比。与其他类型的质谱仪相比，这种设计具有两个突出的优点：(1)到达检测器的所有离子都能在一张图谱中显示出来，而不需要进行任何电压或电流的扫描, 这使快速测定成为可能，

7、同时对被测对象没有质量数的限制；(2)离子运动中没有经过筛选，从而使离子源产生的离子绝大多数都可到达检测器，即离子传输效率很高，使高灵敏度成为可能。不过由此可能带来如下问题：离子在进入飞行区时的初始条件不可能完全一致，其产生的位置、时间、初始动能及初始速度方向的差异，都会造成飞行时间的延长或缩短。导致质谱峰扩宽，分辨率下降。很长一段时间，分辨率低成了阻碍飞行时间质谱技术发展的主要因素。此外时间信号的接收与处理技术落后也影响了TOFMS 的应用。20 世纪80 年代中期以后生命科学的兴起和新药合成的迅速发展急需相应的质谱分析方法。传统的质谱方法在解决此类分析时面临两大困难 ：1)少部分有机或大部

8、分生物大分子样品用传统的电子或表面轰击的方式进行离子化，得不到谱图； 2) 分析这些物质，利用一般的质谱仪，灵敏度满足不了要求，而且对于质量巨大的分子，需要极高强度的磁场或电场。人们开始重新关注TOFMS。TOF-MS不必采用高强电场或磁场，加上各种大分子离子化方法相继诞生,所以它在有机、生物、药学及簇物理学的领域的应用就成为一种必然。由于其每秒钟可以产生多达上万张的质谱图，也使其在工业生产的过程控制和在线监测方面的应用成为可能。因此，TOFMS 技术在沉寂数十年以后又表现出巨大的生机。20世纪90年代TOF-MS的应用开始活跃。在生物学领域，各种MS-MS 联用技术使得分析内容不仅仅限于分子

9、量的测定，而更倾向于分子的结构信息：氨基酸序列、糖基化位置等的确定。在基因组和蛋白组学的研究中，TOFMS的地位举足轻重；在分析化学领域，TOFMS可以做GC或LC或毛细管电泳的检测器;在工业生产中，TOFMS 可作为工艺过程控制的分析技术；在原子和分子物理学领域，TOFMS 可用于单分子和簇分子(或离子)反应动力学研究；在材料科学领域，TOF-MS可用来做陶瓷、半导体、特种合金、聚酯等材料的表面成分分析，研究表面物理化学变化过程；TOFMS与多种其他分析技术的联用也成为科学研究中的常用手段。单从质量分辨率来看，50 多年以前Cameron 等人报道的第一台成型的飞行时间质谱仪的分辨率仅有2左

10、右;采用激光辅助的反射型TOF-MS的分辨率可达35000之高；而目前空间聚焦、反射镜和垂直加速技术的发展使得飞行时间质谱的分辨率已经可以达到55000。飞行时间质谱分析技术的应用TOF-MS因其质量范围宽、分析速度快、分辨率和灵敏度高等优点,已广泛应用于药物筛选和药物代谢、中药成份分析以及多糖、多肽、蛋白质等小分子和生物大分子领域。一、在化合物精确质量测定中的应用通过TOF- MS进行准确质量测定在化合物元素组成分析,尤其是串联质谱碎片离子分析中,越来越成为一种强有力的工具。例如分子量是28的化合物究竟是N2、CO、C2H4 还是其他? 这种情况下采用具有高分辨率性能的TOF - MS技术能

11、够准确测得化合物小数点后4位小数,可对整数质量相同的组分做进一步的鉴定,进而消除非准确质量测定出现的假阳性结果,大大增强测定结果的可信度。理论上讲如果某一化合物的质量数测量得足够准确,那么就能推断出一个唯一的元素组成(即分子式) ,因此,美国化学会志要求“分子量低于1 000的物质,其测量质量与计算质量的误差应在5 ppm以内”。目前市场上出现的TOF - MS的质量误差可小于3 ppm,能更好的对有机小分子化合物和生物大分子进行准确质量测定和元素组成分析。二、在药物代谢产物鉴定上的应用药物在机体内的代谢主要包括吸收、分布、转化和排泄等过程,其中药物及其在各种复杂基质(血液、尿液、胆汁及生物组

12、织)中代谢产物的分离、结构鉴定及痕量分析在新药研发中具有重要作用。目前,代谢产物结构鉴定主要利用串联质谱技术,而串联四极杆等质谱没有足够的质量准确度,不能给出母离子和子离子的元素组成,因此,用于结构鉴定时不够准确,因为同分异构体以及其它代谢产物可能产生结构不同但质量相同的母离子,导致子离子谱的重叠。四极杆与TOF - MS串联则可以精确测定母体药物或代谢产物以及由碰撞诱导解离(CID)产生的碎片离子的准确质量,从而获得其元素组成,进一步通过结构解析软件可以获得母体药物或代谢产物产生的碎片离子的化学结构,综合元素组成以及化学结构方面的信息进而得出具体的代谢产物。三、在中药成分分析上的应用中药是一

13、个非常复杂的体系,含有的化学成分往往种类众多、结构复杂、含量较低,相当一部分稳定性还差。采用常规方法鉴定中药的活性成分,需进行大量的提取、分离、纯化后,再进行四大光谱测定,确定化学结构,往往因信息量少等原因分离不到感兴趣的化合物,而且整个过程耗时长、繁琐、目的性差。采用色谱质谱联用技术,先经过LC分离,再进行多级质谱检测,具有高效快速、灵敏度高、只需简单预处理样品等优点。利用TOF - MS技术还可以获得更多的化学信息,包括各种组分及其多级碎片离子的准确分子质量、元素组成以及对应的化学结构等,尤其适用于含量少、不宜分离或在分离过程中容易发生变化或损失的成分分析,使传统中药检测方法中容易被忽略的

14、微量或痕量成分很容易被检测到,并通过大量的化学结构信息对其进行定性。四、在代谢组学上的应用代谢组学是研究一个细胞、组织或器官中所有小分子代谢组分(MW 1KD)集合的科学,反映细胞、组织或器官在外界刺激或遗传修饰下代谢应答的变化。进行代谢组学研究首先要采集生物样品(如尿液、血液、组织、细胞和培养液等) ,并进行生物反应灭活、预处理,而后运用核磁共振(NMR) 、色谱、质谱等方法检测其中代谢物的种类、含量、状态及其变化,得到代谢图谱,最后用多变量数据分析方法研究相关代谢物变化涉及的代谢途径和变化规律,并阐述生物体对相应刺激的响应机制、发现生物标记物。相对于NRM灵敏度低、检测动态范围窄等弱点,

15、TOF - MS具有高灵敏度和高分辨率的优势,并可对多个化合物同时进行快速分析与鉴定。因此, TOF - MS在代谢组学领域得到越来越广泛的应用。五、在蛋白质组学上的应用蛋白质组学( p ro2teomics)主要研究蛋白质的特性,包括蛋白质表达水平、氨基酸序列、翻译后加工和蛋白质相互作用等,在蛋白质水平上了解细胞的各项功能、各种生理生化过程以及疾病的病理过程等。目前蛋白质组研究主要包括蛋白质分离、鉴定、相互作用及作用方式研究等。其中,蛋白质鉴定技术对了解蛋白质的真正结构和功能是必不可少的步骤,目前常用的蛋白质鉴定技术有双向凝胶电泳技术、同位素标记亲和标签技术( ICAT) 、TOF - MS

16、技术等,其中TOF-MS与MALDI电离源的成功结合,为分析多肽、蛋白质等生物大分子提供了便利,并广泛应用与多肽和蛋白质质量准确测定、纯度测定、肽质量指纹图和一级结构确证等方面,为蛋白质组作图、蛋白质组成分鉴定、蛋白质组数据库构建、新型蛋白质发掘、蛋白质差异显示、同功体比较等提供了新的快捷手段。飞行时间质谱仪的发展趋势【1】超高分辨高灵敏度仪器 为解决多肽、蛋白、寡糖、DNA测序等生命科学领域中的前沿分析课题,需要发展特殊电离技术以及超高分辨、高灵敏度、大质量范围、多级串联的高档飞行时间质谱仪。MALD I与ESI等离子源与高分辨飞行时间质谱仪器联用是近年来应用于生化新药和基因工程药物分析研究

17、领域中的重要方法。MALD I在高真空中离子化并直接得到检测,灵敏度高,然而其电离机理复杂。ESI在大气压下离子化,但离子要从大气中引入真空,灵敏度较低,因此发展高效的真空接口成为重要的课题。【2】小型台式仪器 现在TOFMS已经在药物开发、基因排序和蛋白质研究中发挥重要作用。将来可能用于地铁、火箭和医生办公室,用来检验化学和生物的战剂,监测室内和宇宙空间站的空气质量,成为诊断仪器,用于器官移植的快速DNA分析,从不同蛋白质表达中估计疾病或从抗原分辨特种烈性传染病,这就需要发展小型化,对使用者友好及引入正在发展中的先进技术的综合型仪器。TOFMS的应用前景TOFMS分析技术的优越性在于其高灵敏

18、度、大质量范围和极快的检测速度。可以预见，在21世纪的生命科学、原子与分子物理学、表面物理学、聚合物物理和化学、材料科学、分析化学和生态学领域的发展中，TOFMS 都将发挥重要的作用。TOFMS 在材料中多种痕量元素的同时分析、工业生产监控和自动化、生物制品质量监控、与气相色谱、液相色谱、电泳、离子阱及其它质谱联用用于复杂体系分离分析等技术将成为研究和应用的热点。总结：通过查阅文献，我对飞行时间质谱仪有了进一步的了解，对于他的结构和工作原理有了进一步的认识，近几年科学的进步促进了时间质谱技术的进步，我相信，在不久的将来，飞行时间质谱仪会在人们的生产和生活上做出更大的贡献！我知道自己要学习的还有

19、很多，这次的论文还不是很完善，但是，我会在以后的学习和生活中关注分析仪器的发展，争取将来在工作中为社会和国家做出属于自己的贡献！参考文献：【1】飞行时间质谱计的研究 肖桂里 飞机时间质谱计研制组（中国科学院科学仪器厂）;【2】飞行时间质谱分析技术的发展 赵 冰 沈学静 （河南省新乡一中化学组 新 乡 453000） （钢铁研究总院分析测试研究所 北 京 100081）；【3】飞行时间质谱分析技术及其应用研究进展 孙雷,毕言锋,张骊,徐倩,汪霞,王树槐(中国兽医药品监察所,北京100081)；【4】飞行时间质谱分析技术进展 吕亮,曹建涛,王宝玲(山东省济南市农业质量检测中心, 山东济南25000

20、2)；【5】飞行时间质谱仪国内研究状况及发展趋势 郭长娟黄正旭陈华勇周振(中国科学院广州地球化学研究所,有机地球化学国家重点实验室广州510640)；【6】飞行时间质谱仪新技术的进展及应用 侯可勇 董璨 王俊德李海洋 (中国科学院大连化学物理研究所大连116023 ; 中国科学院研究生院北京100039)；【7】蛋白质飞行时间质谱技术及其临床应用进展 刘维薇 吕元【8】高分辨率高灵敏度飞行时间 徐贞林 汪嚥 田锡惠等（质谱仪仪器仪表学报）；【9】一种用于飞行时间质谱仪的脉冲辉光放电离子源 苏永选 周振 杨芃原等；【10】飞行时间质谱新进展及其在生物分析中的应用 赖闻玲 曾志 (赣南师范学院化学

21、化工系 341000 华南师范大学化学系,510631)；【11】符合飞行时间质谱技术与应用 高辉 张允武 盛六四 齐飞 刘益敏 （中国科学技术大学国家同步辐射实验室 合肥 230026）；【12】飞行时间质谱仪国内研究状况及发展趋势 郭长娟 黄正旭 陈华勇 周振 (中国科学院广州地球化学研究所，有机地球化学国家重点实验室广州510640)；【13】新型小飞行时间质谱计的研究 刘宇清 俞学东 陆家和 宋风华 薛坤 窦德景 查良镇 (清华大学电子工程系北 100084)；【14】高分辩飞行时间质谱中的离子延迟引出方 法与试验 查庆民 陈东 赖志辉 等 （岩矿测试）；【15】飞行时间质谱中的空间电

22、荷效应研究 石勇 周晓国 赵英国 刘世林 马兴孝 (中国科学技术大学化学物理系, 合肥微尺度物质科学国家实验室, 合肥230026)；【16】分析化学第五版下册 武汉大学主编；【17】新一代串联飞行时间质谱仪及其创新技术 赵晓光 杨松成 马龙华 (北京国家生物医学分析中心 北京100850 北京布鲁克公司 北京100081)；【18】MALDITOF质谱仪关键技术及进展 赵晓光 薛燕 刘炳玉 （现代仪器）；【19】快速测量挥发性有机物的膜进样飞行时间质谱仪的设计和应用 侯可勇 陈新华 董 璨 李京华 姚 琏 王海龙 王俊德 李海洋 （中国科学院大连化学物理研究所，大连）（安阳工学院电气工程系，

23、安阳) （ 中国科学院研究生院，北京）；【20】激光等离子体源飞行时间质谱计 郑兰荪 黄荣彬 李文莹 张鹏 王光国 周牧易 （化学物理学报）；【21】高分辨飞行时间质谱仪的研制 贾韦韬 徐国宾 姚均等 （质谱学报）；【22】质谱分析和检漏技术的新进展 查良镇 （ 中国真空学会真空科学技术研讨会论文集）；【23】气体分析用小型飞行时间质谱计的研究 陆家和 俞学东刘字清 （清华大学内部研究报告）；【24】用于气体快速分析的飞行时间质谱仪的研制 高伟 胡少成 黄正旭 董俊国 傅忠 吴明红 徐欣 周振；【25】大气压基质辅助激光解析离子源高分辨飞行时间质谱仪的研制 粘慧青，黄正旭，郭长娟 （现代科学仪器）；【26】质谱学在天然有机化学中的应用 丛浦珠 （科学出版社）；【27】用飞行时间二次离子质谱法分析模塑料成分 潘艺永 李越生 陈维孝 （分析测试学报）；【28】一种用于飞行时间质谱的激光光电子枪 李海洋 王利 白吉玲 吕日昌 （仪器仪表学报）；【29】高分辨飞行时间质谱仪的原理及设计 郁昆云 郭建和 韩俊 张蕾 汪国良等 （质谱学报）；【30】光电子能谱和飞行时间质谱联用技术 梁峰 明凯峰 曾小庆等； 【31】质谱技术研究进展 罗治文 （国外医学生物医学工程分册）。