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隐藏在科学背后的宝藏——探索质谱和质谱离子源的发展历程 精选

已有 7012 次阅读 2023-10-11 18:26 |系统分类:人物纪事

   当我们思考关于现代科学和技术的伟大突破时,质谱学可能并不是大众熟知的一个名词,然而,它却在过去一个多世纪中对我们的理解和应用范围产生了深刻的影响。质谱学,作为一门独特的科学领域,旨在解析和测定物质的组成和结构,它的历史充满了科学家的探索和创新,从19世纪末的初步实验到21世纪的现代仪器和技术。从J.J. Thomson的早期质谱研究到Wolfgang Paul和John Bennett Fenn的离子技术创新,质谱学一直是科学界的关键工具,对各种领域的研究产生了深远影响。质谱学不仅推动了科学研究的发展,还在医学、环境科学、制药工业、食品安全和法医学等领域发挥了重要作用。它为我们提供了分析和识别物质的精确方法,有助于解决各种问题和挑战。从早期的实验室探索到现代的质谱仪器,质谱学的历史充满了启发和创新,引领我们进入一个更加深刻、精确和富有挑战性的科学时代。

   质谱技术的演进最初受到一群执着的倡导者的推动。最早在20世纪初期,该技术被用于测量原子的质量,而它最早的科学贡献之一是证实同位素的存在;这一发现激发了当时有关原子结构的不断辩论。到了20世纪40年代,石油工业的化学家开始采用质谱仪来测量流程中小烃类化合物的丰度。然而,直到20世纪60年代,自然产物科学家和其他化学家才真正开始深入了解分析仪器内部复杂分子的解离过程以及能够洞悉其广泛的潜在应用领域。

 质谱学和质谱离子源的历史充满了探索、创新和突破,回顾了质谱学从其初步实验开始的发展历程,从19世纪末的实验室探索到21世纪的现代仪器和技术。质谱离子源的发展历史,这些离子源是质谱仪的关键组件,用于将样品中的分子或原子转化为离子以进行质谱分析。质谱学的历史见证了科学家们对了解物质的组成和结构进行不懈努力。

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图1. 离子源的发展历史

19世纪

  • 1886:Eugen Goldstein观察到阳极射线。 1898:Wilhelm Wien展示了通过强电场和磁场可以偏转阳极射线,并表明这些粒子的质荷比具有相反的极性,并且与电子相比要大得多。他还意识到这些粒子的质量类似于氢粒子。 1898:J. J. Thomson测量了电子的质荷比。

  • 20世纪1901:Walter Kaufmann使用质谱仪测量了电子的相对质量增加。 1905:J. J. Thomson开始研究正电荷射线。 1906:Thomson因“在气体导电方面的理论和实验研究的杰出优点”被授予诺贝尔物理学奖。 1913:Thomson能够分离具有不同质荷比的粒子。他分离了20Ne和22Ne同位素,并正确识别了m/z = 11信号为双带电的22Ne粒子。 1919:Francis Aston构建了第一个速度聚焦质谱仪,质量分辨率为130。 1922:Aston因“通过质谱仪在大量非放射性元素中发现同位素并提出整数规则”而被授予诺贝尔化学奖。 1931:Ernest O. Lawrence发明了回旋加速器。 1934:Josef Mattauch和Richard Herzog开发了双聚焦质谱仪。 1936: Arthur J. Dempster开发了火花电离源。 1937:Aston构建了质谱仪,分辨率为2000。 1939:Lawrence因回旋加速器获得诺贝尔物理学奖。 1942:Lawrence开发了用于铀同位素分离的Calutron。 1943:Westinghouse推出其质谱仪,并宣称它是“快速、精确气体分析的新电子方法”。 1946:William Stephens提出了飞行时间质谱仪的概念。 1953:Wolfgang Paul和Helmut Steinwedel引入四极质量滤器。 1954:A. J. C. Nicholson(澳大利亚)提出一种氢转移反应,后来被称为麦克拉弗蒂重排。 1959:陶氏化学公司的研究人员将气相色谱仪与质谱仪相接合。 1964:英国质谱学会成立,成为第一个专门的质谱学会。它于1965年在伦敦举行了第一次会议。 1966:F. H. Field和M. S. B. Munson开发了化学电离技术。 1968:Malcolm Dole开发了电喷雾电离。 1969:H. D. Beckey开发了场脱附技术。 1974:Comisarow和Marshall开发了傅里叶变换离子回旋共振质谱仪。 1976:Ronald MacFarlane和同事开发了等离子体脱附质谱仪。 1984:John Bennett Fenn和同事使用电喷雾技术对生物大分子进行离子化。 1985:Franz Hillenkamp、Michael Karas和同事描述并提出了“基质辅助激光解吸电离”(MALDI)这个术语。 1987:田中浩一使用“超细金属加液体基质法”对完整蛋白质进行离子化。 1989:Wolfgang Paul因“离子陷阱技术的发展”而获得诺贝尔物理学奖。 1999:Alexander Makarov介绍了Orbitrap质谱仪。

  • 21世纪:

    2002:John Bennett Fenn和田中耕一因“软解吸离子化方法的发展……用于生物大分子质谱分析”分别被授予诺贝尔化学奖四分之一。

    2005:Orbitrap MS商业化。

    2008:ASMS质谱学杰出贡献奖。

  • 质谱学在科学领域的发展和应用已经产生了深远的影响,以至于一些科学家因其在质谱学方面的突出贡献而荣获诺贝尔奖。以下是一些与质谱学相关的诺贝尔奖获得者:

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  • J.J. Thomson (1906) - 英国物理学家J.J. Thomson因为他对电子的质谱研究以及对带电粒子性质的重要贡献而获得了诺贝尔物理学奖。

  • Francis Aston (1922) - 英国化学家Francis Aston因使用质谱仪测定非放射性元素的同位素而获得了诺贝尔化学奖。

  • Ernest O. Lawrence (1939) - 美国物理学家Ernest O. Lawrence因他的工作在核物理领域,包括对回旋加速器的开发,以及用于同位素分离的Calutron而获得了诺贝尔物理学奖。

  • Wolfgang Paul (1989) - 德国物理学家Wolfgang Paul因他对离子阱技术的贡献而获得了诺贝尔物理学奖。John Fenn - John Bennett Fenn 被授予2002年的诺贝尔化学奖,以表彰他对生物质谱学的贡献。他是因为他的开创性工作,特别是对于"soft desorption ionization methods"(软解吸离子化方法)的开发而获奖。这些方法对于质谱分析生物大分子(如蛋白质)非常重要,因为它们允许这些分子在质谱仪中被更加温和地离子化,使其更容易进行分析。

  • Koichi Tanaka 田中耕一,也因为其在质谱学领域的突出贡献而于2002年获得了诺贝尔化学奖。他的工作涉及到新的离子化方法,被称为"ultra fine metal plus liquid matrix method"(超细金属加液体基质法),该方法在离子化大分子方面取得了重大突破,使生物质谱学得以发展。

    质谱离子源的发展历史

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质谱离子源是质谱仪的一个关键组件,用于将样品中的分子或原子转化为离子以进行质谱分析。下面是质谱离子源的发展历史的简要概述:

  • 早期离子源(1920s-1930s):早期的质谱仪使用了热释电子离子源,其中通过加热样品使其释放电子,然后这些电子被聚焦为电子束,用于离子化样品分子。这是质谱离子源的早期形式。

  • 电子轰击离子源(EI)(1930s-1940s):电子冲击离子源引入了电子冲击离子化技术,其中高速电子与气体或样品分子碰撞,将它们离子化。这种技术被广泛应用于质谱分析,直到今天仍然使用。

  • 化学离子源(CI)(1950s-1960s):在这一时期,化学离子源(如化学电离源和化学反应源)开始得到广泛应用。这些源使用化学反应来选择性地离子化样品中的特定化合物,增强了质谱的选择性和灵敏度。

  • 飞行时间质谱仪离子源(TOF)(1940s-1950s):飞行时间质谱仪引入了一种新型离子源,它利用离子在电场中的飞行时间来测量质谱。这种技术允许对分子的质量进行非常精确的测量。

  • 大气压化学离子源(Atmospheric Pressure Chemical Ionization)离子源是质谱仪的一种离子化技术,它的发展历史可以追溯到20世纪70年代。以下是APCI离子源的历史发展:APCI的起源可以追溯到20世纪70年代,当时科学家们开始研究大气压下的质谱离子化技术。早期的研究主要集中在气相色谱-质谱联用(GC-MS)领域。

  • 基质辅助激光解吸离子源:(MALDI,Matrix-assisted laser desorption/ionization)(1980s-1990s):MALDI是一种特殊类型的激光解吸离子源,被广泛用于生物质谱学。它允许非常大的生物分子(如蛋白质和多肽)进行质谱分析。

  • 电喷雾离子源(ESI)(1990s-2000s):电子喷雾离子源是一种用于高分辨率和高灵敏度质谱的离子源,特别是在液质谱和飞行时间质谱中。

          质谱离子源的不断发展和创新推动了质谱学领域的前沿研究,为分析和识别各种物质提供了强大工具。不同类型的离子源被设计和优化,以满足不同样品类型和分析要求,从而在科学、医学、环境和工业等领域中得到广泛应用。质谱学和质谱离子源的历史告诉我们,科学是一个不断进化和前进的领域。每一位贡献者和创新者都为扩大我们的知识边界和改善我们的生活贡献了自己的一份力量。在质谱学的世界里,探索和发现的旅程永无止境,我们期待着未来的科学家继续推动这一领域的前沿,为人类知识的扩展作出贡献。质谱学,作为一门精密、强大和令人着迷的科学,将继续引领我们进入更深刻、更精确的科学时代。




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