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“解码质谱仪:探索质谱多元化分类的科学与实践”!附《质谱仪器分类表》(供参考)

已有 650 次阅读 2024-4-30 08:15 |个人分类:自然科学|系统分类:观点评述

“解码质谱仪:探索质谱多元化分类的科学与实践”!附《质谱仪器分类表》(供参考)

原创 中国科学院北生态环境资源研究院院分析测试中心 元素和同位素地球化学 2024-04-30 06:45 甘肃

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图1 简单明了的描述了质谱仪的工作原理,分析物先被离子源离子化,经质量分析器测定,到检测器检测信号。从中我们可以看出质量分析器是质谱仪能测定分析物质量的核心部件。(引自Massbike)

引言在现代科学研究中,质谱分析技术以其无与伦比的灵敏度、特异性和分析范围,在化学、生物学、医学、环境科学乃至材料科学等多个领域有广泛的应用。自上世纪初质谱仪首次问世以来,这一技术经历了从基础研究工具到高端精密分析仪器的转变,不断推动着科学认知的边界。质谱分析的核心魅力在于其能够精准地测定物质的分子量、结构和组成,这一过程涉及将样品转化为带电离子,随后基于质荷比(m/z)对这些离子进行分离和检测。随着科技的进步,质谱技术不再局限于单一的形态,而是发展出了多种离子化方式、质量分析器设计以及与其它分析技术的联用策略,形成了一个庞大而精细的质谱仪器家族,每一种都有着独到的应用优势和解决特定问题的能力。

质谱仪器的分类并没有一个全球统一的标准,这主要是因为质谱技术的快速发展和广泛的应用领域导致了其多样化的设备类型和功能。尽管如此,业内通常会依据几个关键因素来对质谱仪进行分类,这些因素包括但不限于离子化技术、质量分析器类型、以及是否与其它分析技术联用等。这些分类方法帮助用户更好地理解不同质谱仪的特点及其适用场景。例如,从离子化方式来看,有电子轰击电离(EI)、电喷雾电离(ESI)、基质辅助激光解吸电离(MALDI)等多种方式,每种方式适合分析的样品类型和应用领域各有侧重。从质量分析器区分,则有四极杆、磁质谱、飞行时间(TOF)、离子阱、轨道阱(Orbitrap)等,它们在分辨率、灵敏度、扫描速度等方面表现各异。此外,联用技术如气相色谱-质谱(GC-MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)等,将色谱的分离能力与质谱的检测能力相结合,进一步拓宽了质谱的应用范围。尽管缺乏一个统一的国际标准,但一些组织和机构已经尝试制定相关标准或指南,比如:中国分析测试协会发等机构联合发布的《质谱仪器分类与代码》团体标准(2024年1月发布)(具体分类见附录),旨在为质谱仪建立一个更为系统和规范的分类体系,为行业提供参考。这些努力虽然局部,但对于指导仪器研发、选购、以及性能评价等方面仍具有重要意义。

本文旨在初步探讨质谱仪器的多元化分类方法,揭示各分类背后的科学原理与应用优势,同时关注国内外为建立更系统、规范分类体系所做出的努力,通过这一探索,能够为科研人员和分析测试专业人士提供参考,也为推动质谱技术的标准化进程贡献一份力量,期待在未来能够见证一个更加清晰、统一的质谱仪器分类框架的诞生。

表1. 按照质量分析器进行分类

质量分析器类型原理简介应用领域及特点
单聚焦分析器使用静电场加速,磁场使离子沿圆周路径偏转,不同m/z离子聚焦于不同位置。较少单独使用,高分辨率分析的早期技术部分。
双聚焦分析器结合静电场和磁场,先能量聚焦再方向聚焦,提升分辨率和精度。高分辨率、高质量准确度分析,如同位素比测定。
四极杆分析器通过交变射频电压在四极杆间形成稳定或不稳定离子轨迹,筛选特定m/z离子。快速扫描、选择性反应监测(SRM)、定量分析、药物筛选、代谢物鉴定。
离子阱分析器动态电场捕获离子,共振激发实现多级质谱分析。结构解析、复杂混合物分析、高灵敏度检测。
飞行时间质谱仪离子加速后在无场漂移区飞行,飞行时间与其m/z成正比,测时间确定m/z。快速、宽质量范围、高灵敏度,适用蛋白质组学、大分子分析、痕量分析。
傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)强磁场中离子回旋产生电磁辐射,傅立叶变换分析信号得质谱图,提供极高分辨率和精度。复杂混合物分析、生物大分子结构、超痕量分析,分辨率和精度最高。

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图2. 不同类型质量分析器(引自Massbike)

表2. 按照离子化方式进行分类

离子化方式原理简介应用特点及领域
电子轰击电离(EI)样品分子在高真空下被70eV左右的电子束轰击,导致电离并产生特征碎片离子。高真空环境,适用于挥发性有机物的结构鉴定,提供丰富的碎片信息,广泛用于化合物的库匹配和定性分析。
电喷雾电离(ESI)在软电场作用下,液态样品形成带电的微滴,随后蒸发形成多电荷离子,适用于大分子和极性化合物。适配液相色谱(LC-MS),生物大分子(如蛋白质、肽段)、药物代谢物、极性化合物的分析。
基质辅助激光解吸电离(MALDI)样品与基质混合,激光脉冲解吸样品并将其电离,适用于大分子质量分析,如蛋白质、核酸、聚合物。高分子量分析,生物分子指纹图谱,蛋白质组学研究,单细胞分析。
化学电离(CI)利用反应气体(如甲烷、氨)与样品分子反应生成准分子离子,适用于非极性、难电离化合物的分析。提供准分子离子信息,适用于低极性、热不稳定样品,如油脂、类固醇、药物等的分析。
电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)样品在高温等离子体中被电离,适用于元素分析,尤其是痕量和超痕量元素的检测。元素分析,环境监测、地质样品、生物样品中微量元素和重金属的定量分析。

表3. 按照联用技术分类

联用技术简介原理应用领域
气相色谱-质谱将气相色谱的高效分离能力与质谱的高度灵敏度和特异性相结合。样品经过气相色谱分离后,各组分依次进入质谱仪,通过离子化后根据质荷比进行分析。适用于分析小分子、易挥发性有机物,如环境污染物、食品添加剂、药物代谢物等。
液相色谱-质谱结合液相色谱的高分离能力和质谱的强大鉴定能力。样品在液相色谱中分离后,通过电喷雾电离(ESI)或大气压化学电离(APCI)转化为离子,再进行质谱分析。广泛应用于大分子、极性或热不稳定化合物分析,如生物大分子、药物、天然产物等。
毛细管电泳-质谱利用电泳分离技术与质谱检测的联用。利用毛细管电泳在电场中分离样品,然后通过接口技术传输到质谱仪进行分析。适合分析小分子、离子型化合物,如氨基酸、核苷酸、药物及其代谢物。
超临界流体色谱-质谱结合超临界流体色谱的快速高效分离与质谱的分析。使用超临界CO₂作为流动相,分离中等到大极性分子,随后送入质谱仪分析。适用于药物、天然产物、食品成分等的分析,尤其适合手性分离。
气相色谱-同位素比质谱结合气相色谱分离与同位素比值质谱分析,专门用于同位素分析。分离后的单一化合物在燃烧炉中氧化,释放出的CO₂或N₂送入质谱仪测定稳定同位素比率。主要用于地球科学、环境科学、食品安全、法医学等领域,测定化合物的稳定同位素组成,如δ13C、δ15N等。

表4. 按照仪器功能分类

功能分类简介特点应用实例
同位素比质谱专注于分析元素的同位素组成比例。高灵敏度、高精度测量同位素比率。地球化学研究、环境监测、食品安全(如13C/12C比值分析)。
无机质谱专用于无机化合物和元素的分析。能处理固体、液体、气体样本,适合痕量元素检测。环境污染物分析、金属元素检测、地质样品分析。
有机质谱专注于有机化合物的分析,包括结构鉴定和定量。高灵敏度、结构信息丰富。药物分析、天然产物研究、生物标志物检测。

业内通常会依据几个关键因素来对质谱仪进行分类,这些因素包括但不限于离子化技术、质量分析器类型、以及是否与其它分析技术联用等。这些分类方法帮助用户更好地理解不同质谱仪的特点及其适用场景。

结束语:当前质谱仪器分类标准面临多方面的挑战,首要问题是全球统一性的缺失。由于质谱技术快速发展且应用广泛,各地采用的分类体系各异,导致信息交流不畅和市场标准混淆。其次,技术迭代速度快于标准更新,新开发的质谱技术与仪器往往难以迅速被纳入现有分类框架内,造成分类滞后。此外,分类标准在设计时可能过度集中于仪器的核心组件,忽略了特定应用场景下的多样化需求,如不同领域对仪器特性的独特要求。技术细节的忽略,如样品预处理、数据处理软件及联用技术的整合,也是现存问题之一,这些因素直接影响仪器性能评估与选择。

互操作性与兼容性问题亦不容忽视,特别是在多技术平台集成的复杂分析中,难以提供充分指导确保不同制造商设备间的高效协作。标准的实施与监管同样面临考验,即使有新标准发布,若缺乏有力的推广执行机制和反馈调整流程,标准的实用价值将大打折扣。最后,新标准的教育普及和专业培训不足,用户对分类标准的理解与应用存在障碍,限制了标准的有效推广。质谱仪器分类标准需要解决全球统一性、技术更新同步性、应用场景适应性、技术细节完整性、互操作性与兼容性、有效实施监管,以及教育培训配套不足等一系列问题,以更好地服务于科学研究与工业应用,促进质谱技术的健康发展。

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图3 .美国威斯康星大学二次离子质谱(SIMS)

二次离子质谱(SIMS)是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术,利用初级离子束轰击样品表面,产生二次离子并进行质谱分析,以测定元素、同位素、分子团的组成和分布,适用于多种领域,如地质、半导体、生物医学等。其特点是检出限低(ppm至ppb级)、空间分辨率高(可达亚微米级),能提供表面及浅层的精确化学信息。

附:《质谱仪器分类与代码》(中国分析测试协会2024年1月发布)

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注:中国分析测试协会发布的《质谱仪器分类与代码》团体标准,于2024年1月5日推出,是质谱技术标准化的重要进展。该标准构建了统一的质谱仪器分类与代码体系,旨在促进技术交流、市场监管、以及国际贸易,提升中国质谱仪器的国际竞争力。其积极影响体现在标准化建设、技术创新引导、国际认可度增强及应用支持等方面。然而,面对质谱技术快速发展的现状,标准需不断更新以确保覆盖最新技术,同时需平衡通用性与特殊应用需求,确保国际兼容性,并加强执行力度以确保有效实施。总之,此标准是行业规范化的重要一步,其成效需在实践中持续观察与优化。



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