质谱仪可能小如一枚硬币,也可能占据一个非常大的房间。尽管各种仪器类型用于截然不同的应用,但它们的一部分工作原理仍是相同的。现已采用道尔顿(Da)取代其他术语(例如amu)作为质谱测量单位。1 Da = 一个碳12 (12C)同位素原子质量的1/12。
过去质谱仪只用作辅助化合物鉴定的定性设备,人们一度认为它不能准确定量。但近年来,质谱仪已被证实是一种集定性和定量能力于一体的仪器。
使用质谱仪测定分子的质量时必须先将分子转化为气相离子。为此,质谱仪会向分子传递电荷,并将由此产生的带电离子流转换为成比例的电流,然后通过数据系统读取该电流。数据系统将电流转换为数字信息,以质谱图的形式呈现。
a)以类似色谱图的形式呈现出不断增大的总离子流(TIC)丰度随时间推移而发生的变化。b)峰的每个数字切片都代表当时构成离子流的离子,这通常被称为轮廓图或连续采集。此时x轴(或“时间”轴)是质荷比(m/z),很明显可以看出分辨谱图中相邻离子(如同位素)的能力。c)轮廓图质谱图通常又可简化为“棒状图”,棒状图由从每个峰顶点处绘制的质心表示,能够减少存储文件的大小,有利于增加分辨率信息。
可以通过多种适合目标分析物的方式生成离子:
将溶于基质的化合物上样至平坦表面进行激光烧蚀,例如MALDI
让化合物与高能粒子或电子相互作用,例如电子轰击电离(EI)
将电离作为传输过程本身的一部分,例如我们已经了解的电喷雾电离(ESI)技术会对液相色谱仪的洗脱液施加高压,从而在气溶胶中生成离子
质谱仪将根据离子的质荷比(m/z)对离子进行分离、检测和测定。绘制相对离子流(信号)与m/z的关系图,生成质谱图。小分子通常只带一个电荷:因此m/z是质量(m)除以1的值。“1”代表电离过程中添加的质子[表示为M+H+,如果通过失去质子形成离子,则为M-H-],如果离子是通过失去电子形成的,则表示为自由基正离子[M+.]。不同质谱仪的准确度或实际测定真实质量的能力可能会有所不同,相关内容请参阅本入门指南的后面部分。
较大的分子在其结构内的多个位置捕获电荷。小分子肽通常可带两个电荷(M+2H+),而非常大的分子有许多位点,因此可以通过简单的算法来推断谱图出现的离子的质量。
经正确校准后,低分辨率仪器可以提供非常准确的质量数,但由于分辨率空间有限,随着数据堆集,可提供的有关谱图的信息也逐渐减少。缓激肽(一种9氨基酸肽)的常见代谢片段BK1-5(即Arg-Pro-Pro-Gly-Phe,是一种ACE(血管紧张素转化酶)抑制剂,用于扩张血管)可携带两个电荷(单电荷(M+H)产生单同位素质量数573.3149,而双电荷版本(M+2H)的质量数为287.1614)。同位素带双电荷,也开始填充可用的分辨率空间。
解吸方法(已在本入门指南中介绍)扩展了分析大分子、非挥发性、易碎分子的能力。在40,000 Da范围内以0.01%的准确度(或4 Da以内)进行常规检测可以确定微小的变化,例如翻译后修饰。多电荷态使质谱仪远远超出其设计范围上限,包括1,000,000 Da及以上的质量。
天然同位素丰度已得到充分表征。尽管通常认为该参数较稳定,但它仍然可以显示出显著的特征差异。同位素比测定被用于代谢研究(使用富含同位素的元素作为示踪剂)以及气候研究(测定与温度相关的氧和碳变化)。在实际应用中,使用高精度功能(如扇形磁场仪器上的功能)分析复杂分子之前要先将其碎裂为简单的分子组分(请参阅下一节)。
元素分析通常用于分析无机材料 - 旨在确定元素组成,而非结构 - 在某些情况下使用固体金属样品。在使用放电装置(或低功率辉光放电装置)来电离样品的应用中,电感耦合等离子体(ICP)离子源很常用。使用专用仪器在ppt水平行检测的应用并不少见。
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