众所周知，今天的质谱法（MS）是三个杰出人物的开创性工作的技术进步的结果 - 威廉·维恩（Wilhelm Wien），J.J。汤姆森和弗朗西斯·阿斯顿。如果要选择一个标志着MS诞生的定义出版物，则汤森（Thomson¹经常考虑，但是还有许多其他值得关注的地方。MS的历史本身就是一个有趣的故事，有兴趣的读者指向Griffiths的作品²和Munzenberg³用于进一步阅读。

从早期开始，MS从重大的技术进步中受益。今天，MS在日常生活的许多各个方面都发挥了作用。当我们拜访医生和体液进行测试时，其中许多将由MS分析。构成我们所有电子设备基础的掺杂的半导体都将MS作为质量控制过程的一部分。我们在天空中的安全是通过使用MS来帮助识别潜在炸药之前的帮助，然后才能将其制成飞机。它还可以帮助在我们的食物供应中找到毒素，检查我们的葡萄酒和水，检测污染物，例如PFA帮助制药的设计和质量控制和质量控制生物制药以及许多方面石化工业。应用程序几乎是无尽的。

什么是质谱法，质谱如何工作？

MS是一种化学分析的一种形式，用于测量样品中原子和/或分子的质量与电荷比（M/Z）。它还能够区分同一元素的不同同位素。根据质谱仪的类型，这些测量值通常可用于确定样品成分的确切分子量并识别未知化合物。

图1： MS的主要步骤和每个步骤可用的常见变体的概述。

质谱仪有许多不同类型的类型，但它们都有三个共同的特征（图1）。首先是一些手段，可以使样品中的原子或分子被离子化。中性物种不能由质谱仪中使用的电场来指导，因此有必要产生离子。有许多不同的方法可以实现这一目标，并且它们被共同称为离子源。

所有质谱仪的第二个组成部分是质量分析仪本身。有几种不同的方法可以测量离子的m/z比率。飞行时间（TOF），磁性部门和四极质量分析仪是最常见的，每个分析仪都有自己的强度和局限性。

所有质谱仪系统共有的最终组件是检测或计算特定M/z值离子数的一种手段。这些设备称为探测器，它们也有几种不同的形式，最常见的是电子乘数，法拉第杯，通道表和通道板。同样，每个人都有自己的特殊优势和劣势。^{4，，，，5}

需要考虑的最终因素是如何将离子源与样品息息，以产生离子进行测量，尤其是鉴于所有质谱仪必须在真空下进行操作。在某些情况下，样品也将在真空下放置，在其他情况下，样品将处于大气压力（通常称为环境MS技术），并且有些可能在引入电离室之前包含其他某种其他形式的分离技术。以下各节将更详细地介绍这三个共同的组件到质谱仪。

质谱的离子源

电离对于任何MS分析都至关重要，其中有许多适合不同样本类型和应用的方法。从广义上讲，这些可以分解为气相方法，解吸方法和喷雾方法。下面给出了每个大纲。

气相方法

-电子电离（EI）- 分析物分子必须处于蒸气阶段，以使其与加热细丝在真空中产生的能量电子有效相互作用。EI可以被认为是一种相当苛刻的分子碎片化和电离方法，当样品相对挥发性并且具有低分子量时，最常用的是使用。⁶

- 化学电离（CI）- 将气体引入高于分析物的浓度的EI离子化室中。载气与电子的相互作用将产生多个分子离子，随后将与多余的载气反应并形成不同的分子离子。然后，这些离子将与分析物分子反应，通过几种不同的机制形成分析物分子离子。CI是一种非常柔软的电离技术，不会导致广泛的破碎化。⁷

- 实时直接分析（DART）- 产生血浆，产生离子，电子和激发态物种。然后，激发态物质与液体，固体或蒸气相样品的相互作用是导致分析物分子电离的原因。DART能够分析不同形状和大小的材料，而没有事先样品制备和环境条件。⁸

- 电感耦合等离子体（ICP）- 含有分析物的准备好的液体被雾化，并使用血浆转化为气相离子。ICP具有电离几乎所有元素的能力。

解吸方法

-基质辅助激光解吸电离（MALDI）- 由要检测到的分子类型决定的“矩阵”过量添加到要分析的样品中。然后，样品被激光照射，使分析物分子蒸发几乎没有碎片或分解。可以创建积极和负电荷的离子。MALDI是主要的“软”电离方法之一，对于大型或不稳定分子的分析特别有用。⁹

- 快速原子轰击（FAB）- 一束加速的电离原子集中在要分析，驱射和电离目标分析物的样品上。^{10，，，，11}这是一种软电离技术，能够产生积极和负电的离子。

- 热电离源 -加热的CS产生阳性离子是最常见的原代离子源，可以用二级离子MS的静电离子光学元件聚焦。

- 等离子体电离来源- 通常用于生产气态离子束，电子被排放到气体中，通常是纯氧气，将其电离并产生等离子体。然后可以通过电荷过滤离子并加速到梁中。

- 液态金属离子源（LMI）- 来源是低熔点金属，通常是GA，在该金属上应用热量和电场在小点源中产生离子。LIM产生的离子束的特征是最小的斑点尺寸和最高的亮度，尤其是在需要高空间分辨率的MS成像中。

喷雾方法

-电喷雾电离（ESI）- 通过溶剂蒸发降低了带电的液滴的雾，直到弹出气相。这种软电离技术适合分析大分子和大分子。^{12，，，，13}

- 解吸电动电离（DESI）- 与ESI非常相似，除了在ESI源中形成的带电液滴针对在环境压力下持有的样品。然后反射的液滴携带解吸和电离样品。¹⁴

单击下面，以更全面地查看离子源。

群众分析仪的类型

样品电离后，必须将离子分开，并且在质量分析仪中发生。常用的群众分析仪包括：

- 飞行时间（TOF）- 离子根据其M/z比率分开，根据它们经过已知长度的飞行管以达到检测器的时间的长度。

- 四极- 进入四极杆的离子的轨迹被电势以与其M/z值成正比的方式偏转。更改电势只能允许特定M/Z值的离子到达腔室端并被检测到。

- 磁性部门- 磁场根据其M/z比率以类似于玻璃棱镜将光线分散到其各种波长或颜色的方式的方式根据其M/Z比率分散。

- 离子陷阱- 与四极杆类似的工作，但是电极是环形的，离子通过从系统进入检测器的不稳定振荡​​的离子进行分离和检测，而不是检测振荡稳定的离子。

- Orbitrap- 从许多其他类型的大众分析仪借用技术。两个电隔离的杯形外电极与纺锤形的中央电极相互面对，特定质量与充电比的离子散布到轨道环中。电极的圆锥形形状将离子推向陷阱的最宽部分，然后将外电极用于电流检测。这是这里描述的唯一使用图像当前的方法，而不是某些检测设备来检测离子。

- 串联质谱法（串联MS）- 是指涉及多种类型的质谱仪以提高特异性和/或质量解析能力的混合方法。它们通常称为MS/MS技术。¹⁵

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质谱仪类型 - 配对电离技术与质量分析仪

有了许多不同类型的离子源，电离机制和不同类型的质量分析仪，可以通过某些工程工作来构建许多不同的系统排列和组合。但是，有一些类型的电离来源和大众分析仪相互吻合，它们构成了最常见的商业仪器。例如，许多激光系统的脉冲性质非常适合TOF质量分析仪，它需要脉冲离子源作为质量歧视的基础。本节将更详细地研究源和质量分析仪的一些常见配对。

MALDI-TOF

如上所述，许多激光系统的脉冲性质以及TOF分析的这种要求使这对电离机制和质量分析非常适合彼此。当激光在矩阵/样品斑点（在真空中保持）上发射时，将形成离子并加速到TOF飞行管中。“时钟启动”，并测量质谱。

该方法还能够通过逐步扫描阶段来生成图像，在重复的激光射击或通过扫描激光束下连续扫描舞台。¹⁶所得图像可以提供有关大型组织切片等样品的大量信息。

由于MALDI是一种软电离技术，因此保留了分子信息，并且不必像荧光显微镜中那样将感兴趣的化合物标记为检测。因此，它提供了一种“无标签”成像的方法。

ICP-MS

尽管最初与四极群质量分析仪一起使用，但ICP-MS系统的大多数现在都使用TOF质量分析仪。这里的最大优势是，与使用四倍体的系统相比，整个质谱的生成更快，质量分辨率要高得多。一些专业系统使用磁性扇形仪器，通常与用于高精度同位素比率测量的多策略检测系统配对。

此外，通过与激光束耦合形成激光消融（LA）-ICP-MS，该技术也可以适应以形成由烧蚀材料的质量分析产生的图像。由于这是一种破坏性技术，只能分析一次材料，因此回顾性地挖掘和处理TOF数据的能力是一个很大的优势。在TOF成像中，整个质谱将存储在所得图像的每个（x，y）像素位置中，因此可以在分析后很容易生成新的离子图像。

飞镖ms

由于前面提到的所有原因，DART-MS还使用TOF质量分析仪。但是，由于它是一种环境压力技术，因此对质谱仪（真空）界面的源（环境）的关注很重要。

在原始设计中，分析物离子通过一对孔口引导到质量分析仪，它们之间施加了微小的电位差。两个孔的比对交错，以捕获中性污染并保护高空区区域。离子通过中间圆柱电极引导到第二孔，但是中性分子以直线途径传播，因此被阻止进入质量分析仪，并通过真空泵去除。

次级离子质谱法（SIMS）

次级离子质谱法（SIMS）技术中使用的电离方法是近乎表弟的Fab。产生积极或负电荷的束，但没有使用碰撞电池将离子束转换为中性物种。该离子光束直接用于轰炸样品表面。最常用的离子是CS⁺和o₂⁺用于带正电的离子束和O^-用于带负电的光束。CS⁺和O离子由前面描述的热离子化和等离子源形成。

请注意，CS和O都是反应性物种，而不是惰性。在模拟人生中，这是故意的，因为两者都将植入样品并影响其化学和物理特性。但是它们会以某种方式影响这些特性，从而导致CS的负离子的产生效率更高⁺被使用，或者如果O的阳性离子₂⁺或o^-被使用。

CS和O光束都在直接电流源中最常观察到，使用的高加速电压导致样品中分子的严重碎片化，因此在分析过程中没有保留分子信息。它们的使用将被视为一种硬电离方法。

为了绕过这一点，大小簇离子的脉冲来源（au₃⁺，bi₃⁺， C₆₀⁺，ar₂₀₀₀⁺）也已经开发出来，它将被认为是较软的电离方法，并在所得的质谱中提供了更多的分子细节。这些来源通常以脉冲模式运行，从而进一步降低了对样品表面的损害。

TOF，磁性扇形和四极质量质谱仪均在SIMS仪器中使用。

离子检测器的类型

所有MS系统的关键要素是用于将质量分离离子电流转换为可测量信号的检测器的类型。根据动态范围，空间信息保留，噪声和对质量分析仪的适用性在内的因素，使用了不同类型的探测器。

常用检测器包括：

- 电子乘数（EM）- 离散金属板的串行连接，将离子电流放大约10倍⁸进入可测量的电子电流

- 法拉第杯（FC）- 击中收集器的离子会导致电子从地面流过电阻，并且会放大电阻的电势下降。

- Photolultiplier转换大道- 离子最初撞击一个驱动器，导致电子发射。然后产生的电子触发了磷光屏幕，进而释放了光子。然后，光子进入乘数以级联形式发生放大的乘数，就像EM一样。

- 阵列探测器（包括用于同时测量不同M/z的几个离子和用于位置敏感离子检测的检测器的检测器） - 涵盖可能结合多个检测技术的广泛检测器类型和系统¹

单击下面，以更全面地查看离子探测器。

将质谱仪与其他技术相结合

气体和液体分离技术通常与MS结合使用，以提高灵敏度和轻松解释。液相色谱（LC），气相色谱（GC），毛细血管电泳（CE）和凝胶电泳（GE）是常见的例子。方法的组合在与ICP-MS和DART-MS同时尤为常见。

气相色谱质谱法（GC-MS）

GC是一种分析/分离技术，其中将化合物的复杂混合物注入柱中，并根据其相对沸点和对色谱柱的亲和力进行分离。

GC中使用的高温使其不适合高分子重量化合物（例如蛋白质）作为热代替它们。它非常适合用于石化，环境监测和修复和工业化学领域。样品本质上可能是固体，液体或气态。

分离后，可以通过质谱技术（例如ICP-MS）分析化合物，以识别或使用EI或CI离子化并在TOF质量分析仪中进行分析¹⁷。最近对GC-MS领域的进步进行了审查。^{17，，，，18}

液相色谱质谱法（LC-MS）

LC除了样品现在处于液相外，除了气相色谱法。样品溶解在溶剂中，并注入由溶解化合物（流动相）和固体（固定）相组成的色谱柱。

样品成​​分与列的固定相之间的相对亲和力导致样品分量分离，然后可以通过MS检测到样品成分。由于废水处于液相，因此这种分离技术非常适合与ICP-MS和ESI-MS方法结合在一起，但也发现与离子陷阱和Orbitrap质谱仪相关。皮特（Pitt）审查了临床生物化学的原理和应用¹⁹以及最近的Seger²⁰，尽管Korfmacher审查了药物发现中的申请比利时罗马尼亚比分直播。²¹

交联质谱法（XL-MS）

了解多蛋白络合物的结构和组织对于理解细胞功能至关重要。化学交联与质谱（XL-MS）结合在一起是一种互补的结构生物学技术，例如低温电子显微镜（Cryo-EM）和X射线晶体学，但提供了低分辨率的结构信息。

在XL-MS中，用交联试剂处理蛋白质或蛋白质复合物，该试剂引入了蛋白质中特定官能团之间的共价连接。然后用分解蛋白质（S）的酶消化交联蛋白，并通过LC-MS方法分析所得的混合物，以鉴定交联的肽并确定其序列。交联的位置提供了有关正在研究的系统的结构信息。然而，解释是复杂的，因为以这种方式制备的样品包含的化学物质比非交联蛋白的消化更独特。潜在的交联肽的数量随序列长度四次增加。但是，XL-MS可以是有助于开发蛋白质 - 蛋白质相互作用的结构模型的有用工具。²²

氢交换质谱法（HX-MS）

氢交换质谱（HX-MS）的目的类似于XL-MS的目标 - 研究多蛋白络合物，尤其是蛋白质结构和动力学。

HX -MS的优点包括以下事实：它探测溶液中蛋白质的结构，因此不需要结晶，仅需要少量的样品（500-1,000 picomoles），它可以研究难以纯化并且它很难纯化并且它可以纯化。可以揭示随着时间的推移的结构和动态变化。

HX-MS利用化学反应，蛋白质中的某些H原子与溶液中的H原子连续交换。如果是水性H₂o溶剂被重水代替（D₂o），然后可以遵循此交换过程。特别是，与氨基酸骨架N原子（也称为骨架酰胺H）键合的H非常有用。一旦完成H与D完成了H的交换，可以通过MS分析样品，以提供有关蛋白质结构变化的信息，该信息具有小分子结合，蛋白质折叠或有关不结晶或不适合其他结构生物学的蛋白质结构的信息方法。^{23，，，，24}

基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）

MALDI不仅是MS分析的出色方法，还可以通过逐步扫描阶段来生成图像，不断地在激光器重复射击下或通过扫描激光束。²⁵该技术称为基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）。最终的图像可以提供大量有关大型组织部分的信息，以50-200之间的空间分辨率提供mm。由于MALDI是一种软电离技术，因此保留了分子信息，因此不需要像荧光显微镜那样标记感兴趣的化合物进行检测。因此，它提供了一种“无标签”成像的手段。

如何解释质谱，m/z显示什么，什么是分子离子峰？

典型的质谱在图2中表示。在这种情况下，戊烷的质谱和结构（C₅H₁₂显示），由CH组成₃和ch₂小组。

图2： 戊烷质谱。

垂直轴表示质谱仪中检测到的离子的相对强度或信号，而水平轴表示其M/z比率（质量除以电荷数）。因此，最强峰的相对强度为100。

戊烷具有化学公式C₅H₁₂。因此，分子的近似质量为（（12 x 5） +（1 x 12））或72 amu。请注意，在质谱上，在m/z = 72 AMU时观察到相对强度约为10％的峰。这是分子峰。整个分子在源中已被电离为一个实体，而没有任何碎片化。但是其他更强的峰呢？这些是戊烷电离过程中碎裂的结果。如何解释下一个最重的质量（在M/z = 57 AMU时，相对强度约为20％）？有了一点数学，我们可以提出可能是C₄H_{9，，，，}这会暗示其中之一₃在电离过程中，组被碎裂，离开C₄H₉碎片分子离子。同样，在m/z = 43 AMU时观察到的最强信号可以解释为C₃H₇，意思是c₂H₅分子分散。这相当于CH之一₃和ch₂小组。请注意，在m/z = 41和42时也有强线₃H₇碎裂过程中的分子离子。这构成了解释质谱的基础，不仅需要化学的知识，还需要对父母分子的结构进行了解。显然，对于存在的所有有机材料，这可能是一项艰巨的任务。幸运的是，有可用数据库这显示了许多其中的质谱，以帮助解释。

在元素或小分子的质谱中，还有一个更复杂的因素经常观察到。这是来自每个元素的不同同位素。在戊烷示例中，我们假设碳的质量为12 AMU。这不是严格有效的，因为碳具有2个稳定的同位素：一个在质量12中，另一个在质量13处（原子包含一个额外的中子）。这两个同位素的自然丰度约为99％¹²C和1％¹³C.因此，如果一个人正在使用硬电离技术并查看该区域的质谱，则会在m/z = 12和13处找到峰在m/z = 13中。请注意，m/z = 13时的峰也很容易归因于¹²C¹H，因此质谱仪上质量分辨率的重要性很容易显而易见。

但是，同一元素的多个同位素可能很有用。它是前面描述的HX-MS的基础，也是多同位素成像质谱法的基础^{26，，，，27}如果有意将稳定的同位素添加到化合物中，然后将同位素比率图像从样品中得出。那些同位素比大于自然丰度的区域表示化合物已掺入的样品区域。用于这种效果的两个常见稳定同位素是¹³C和¹⁵N.

质谱缩写

CCD充电夫妇设备

CE毛细管电泳

CI化学电​​离

实时DART直接分析

直流直流

desi解吸电喷雾电离

EI电子电离

EM电子乘数

ESI电喷雾电离

晶圆厂快速原子轰击

FC法拉第杯

GC气相色谱法

GE凝胶电泳

HX-MS氢交换质谱法

ICP电感耦合等离子体

LC液相色谱

MALDI矩阵辅助激光解吸电离

MCP微通道板

MS质谱法

RAE电阻阳极编码器

RF射频

SIMS二级离子质谱法

TOF飞行时间

XL-MS交叉连接质谱法

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