儀器分析——質(zhì)譜法

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質(zhì)譜法是將被測(cè)物質(zhì)離子化,按離子的質(zhì)荷比分離,測(cè)量各種離子譜峰的強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)分析目的的一種分析方法。質(zhì)量是物質(zhì)的固有特征之一,不同的物質(zhì)有不同的質(zhì)量譜——質(zhì)譜,利用這一性質(zhì),可以進(jìn)行定性分析(包括分子質(zhì)量和相關(guān)結(jié)構(gòu)信息);譜峰強(qiáng)度也與它代表的化合物含量有關(guān),可以用于定量分析。
    質(zhì)譜儀一般由四部分組成:進(jìn)樣系統(tǒng)——按電離方式的需要,將樣品送入離子源的適當(dāng)部位;離子源——用來(lái)使樣品分子電離生成離子,并使生成的離子會(huì)聚成有一定能量和幾何形狀的離子束;質(zhì)量分析器——利用電磁場(chǎng)(包括磁場(chǎng)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)的組合、高頻電場(chǎng)、和高頻脈沖電場(chǎng)等)的作用將來(lái)自離子源的離子束中不同質(zhì)荷比的離子按空間位置,時(shí)間先后或運(yùn)動(dòng)軌道穩(wěn)定與否等形式進(jìn)行分離;檢測(cè)器——用來(lái)接受、檢測(cè)和記錄被分離后的離子信號(hào)。一般情況下,進(jìn)樣系統(tǒng)將待測(cè)物在不破壞系統(tǒng)真空的情況下導(dǎo)入離子源(10-6~10-8mmHg),離子化后由質(zhì)量分析器分離再檢測(cè);計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)儀器進(jìn)行控制、采集和處理數(shù)據(jù),并可將質(zhì)譜圖與數(shù)據(jù)庫(kù)中的譜圖進(jìn)行比較。
    一、進(jìn)樣系統(tǒng)和接口技術(shù)來(lái)源:考試大
    將樣品導(dǎo)入質(zhì)譜儀可分為直接進(jìn)樣和通過(guò)接口兩種方式實(shí)現(xiàn)。
    1.直接進(jìn)樣
    在室溫和常壓下,氣態(tài)或液態(tài)樣品可通過(guò)一個(gè)可調(diào)噴口裝置以中性流的形式導(dǎo)入離子源。吸附在固體上或溶解在液體中的揮發(fā)性物質(zhì)可通過(guò)頂空分析器進(jìn)行富集,利用吸附柱捕集,再采用程序升溫的方式使之解吸,經(jīng)毛細(xì)管導(dǎo)入質(zhì)譜儀。
    對(duì)于固體樣品,常用進(jìn)樣桿直接導(dǎo)入。將樣品置于進(jìn)樣桿頂部的小坩堝中,通過(guò)在離子源附近的真空環(huán)境中加熱的方式導(dǎo)入樣品,或者可通過(guò)在離子化室中將樣品從一可迅速加熱的金屬絲上解吸或者使用激光輔助解吸的方式進(jìn)行。這種方法可與電子轟擊電離、化學(xué)電離以及場(chǎng)電離結(jié)合,適用于熱穩(wěn)定性差或者難揮發(fā)物的分析。
    目前質(zhì)譜進(jìn)樣系統(tǒng)發(fā)展較快的是多種液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用的接口技術(shù),用以將色譜流出物導(dǎo)入質(zhì)譜,經(jīng)離子化后供質(zhì)譜分析。主要技術(shù)包括各種噴霧技術(shù)(電噴霧,熱噴霧和離子噴霧);傳送裝置(粒子束)和粒子誘導(dǎo)解吸(快原子轟擊)等。
    2.電噴霧接口
    帶有樣品的色譜流動(dòng)相通過(guò)一個(gè)帶有數(shù)千伏高壓的針尖噴口噴出,生成帶電液滴,經(jīng)干燥氣除去溶劑后,帶電離子通過(guò)毛細(xì)管或者小孔直接進(jìn)入質(zhì)量分析器。傳統(tǒng)的電噴霧接口只適用于流動(dòng)相流速為1~5μl/min的體系,因此電噴霧接口主要適用于微柱液相色譜。同時(shí)由于離子可以帶多電荷,使得高分子物質(zhì)的質(zhì)荷比落入大多數(shù)四極桿或磁質(zhì)量分析器的分析范圍(質(zhì)荷比小于4000),從而可分析分子量高達(dá)幾十萬(wàn)道爾頓(Da)的物質(zhì)。
    3.熱噴霧接口
    存在于揮發(fā)性緩沖液流動(dòng)相(如乙酸銨溶液)中的待測(cè)物,由細(xì)徑管導(dǎo)入離子源,同時(shí)加熱,溶劑在細(xì)徑管中除去,待測(cè)物進(jìn)入氣相。其中性分子可以通過(guò)與氣相中的緩沖液離子(如NH4+)反應(yīng),以化學(xué)電離的方式離子化,再被導(dǎo)入質(zhì)量分析器。熱噴霧接口適用的液體流量可達(dá)2ml/min,并適合于含有大量水的流動(dòng)相,可用于測(cè)定各種極性化合物。由于在溶劑揮發(fā)時(shí)需要利用較高溫度加熱,因此待測(cè)物有可能受熱分解。
    4.離子噴霧接口
    在電噴霧接口基礎(chǔ)上,利用氣體輔助進(jìn)行噴霧,可提高流動(dòng)相流速達(dá)到1ml/min.電噴霧和離子噴霧技術(shù)中使用的流動(dòng)相體系含有的緩沖液必須是揮發(fā)性的。
    5.粒子束接口
    將色譜流出物轉(zhuǎn)化為氣溶膠,于脫溶劑室脫去溶劑,得到的中性待測(cè)物分子導(dǎo)入離子源,使用電子轟擊或者化學(xué)電離的方式將其離子化,獲得的質(zhì)譜為經(jīng)典的電子轟擊電離或者化學(xué)電離質(zhì)譜圖,其中前者含有豐富的樣品分子結(jié)構(gòu)信息。但粒子束接口對(duì)樣品的極性,熱穩(wěn)定性和分子質(zhì)量有一定限制,最適用于分子量在1000Da以下的有機(jī)小分子測(cè)定。
    6.解吸附技術(shù)
    將微柱液相色譜與粒子誘導(dǎo)解吸技術(shù)(快原子轟擊,液相二次粒子質(zhì)譜)結(jié)合,一般使用的流速在1~10μl/min之間,流動(dòng)相須加入微量難揮發(fā)液體(如甘油)?;旌弦后w通過(guò)一根毛細(xì)管流到置于離子源中的金屬靶上,經(jīng)溶劑揮發(fā)后形成的液膜被高能原子或者離子轟擊而離子化。得到的質(zhì)譜圖與快原子轟擊或者液相二次離子質(zhì)譜的質(zhì)譜圖類似,但是本底卻大大降低。
    二、離子源
    離子源的性能決定了離子化效率,很大程度上決定了質(zhì)譜儀的靈敏度。常見(jiàn)的離子化方式有兩種:一種是樣品在離子源中以氣體的形式被離子化,另一種為從固體表面或溶液中濺射出帶電離子。在很多情況下進(jìn)樣和離子化同時(shí)進(jìn)行。
    1.電子轟擊電離(EI)
    氣化后的樣品分子進(jìn)入離子化室后,受到由鎢或錸燈絲發(fā)射并加速的電子流的轟擊產(chǎn)生正離子。離子化室壓力保持在10-4~10-6mmHg.轟擊電子的能量大于樣品分子的電離能,使樣品分子電離或碎裂。電子轟擊質(zhì)譜能提供有機(jī)化合物最豐富的結(jié)構(gòu)信息,有較好的重現(xiàn)性,其裂解規(guī)律的研究也最為完善,已經(jīng)建立了數(shù)萬(wàn)種有機(jī)化合物的標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)可供檢索。其缺點(diǎn)在于不適用于難揮發(fā)和熱穩(wěn)定性差的樣品。[醫(yī)學(xué)教育網(wǎng)搜集整理]
    2.化學(xué)電離(CI)
    引入一定壓力的反應(yīng)氣進(jìn)入離子化室,反應(yīng)氣在具有一定能量的電子流的作用下電離或者裂解。生成的離子和反應(yīng)氣分子進(jìn)一步反應(yīng)或與樣品分子發(fā)生離子分子反應(yīng),通過(guò)質(zhì)子交換使樣品分子電離。常用的反應(yīng)氣有甲烷,異丁烷和氨氣?;瘜W(xué)電離通常得到準(zhǔn)分子離子,如果樣品分子的質(zhì)子親和勢(shì)大于反應(yīng)氣的質(zhì)子親和勢(shì),則生成[M+H]+,反之則生成[M-H]+.根據(jù)反應(yīng)氣壓力不同,化學(xué)電離源分為大氣壓、中氣壓(0.1~10mmHg)和低氣壓(10-6mmHg)三種。大氣壓化學(xué)電離源適合于色譜和質(zhì)譜聯(lián)用,檢測(cè)靈敏度較一般的化學(xué)電離源要高2~3個(gè)數(shù)量級(jí),低氣壓化學(xué)電離源可以在較低的溫度下分析難揮發(fā)的樣品,并能使用難揮發(fā)的反應(yīng)試劑,但是只能用于傅里葉變換質(zhì)譜儀。
    3.快原子轟擊(FAB)
    將樣品分散于基質(zhì)(常用甘油等高沸點(diǎn)溶劑)制成溶液,涂布于金屬靶上送入FAB離子源中。將經(jīng)強(qiáng)電場(chǎng)加速后的惰性氣體中性原子束(如氙)對(duì)準(zhǔn)靶上樣品轟擊?;|(zhì)中存在的締合離子及經(jīng)快原子轟擊產(chǎn)生的樣品離子一起被濺射進(jìn)入氣相,并在電場(chǎng)作用下進(jìn)入質(zhì)量分析器。如用惰性氣體離子束(如銫或氬)來(lái)取代中性原子束進(jìn)行轟擊,所得質(zhì)譜稱為液相二次離子質(zhì)譜(LSIMS)。
    此法優(yōu)點(diǎn)在于離子化能力強(qiáng),可用于強(qiáng)極性、揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性差和相對(duì)分子質(zhì)量大的樣品及EI和CI難于得到有意義的質(zhì)譜的樣品。FAB比EI容易得到比較強(qiáng)的分子離子或準(zhǔn)分子離子;不同于CI的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其所得質(zhì)譜有較多的碎片離子峰信息,有助于結(jié)構(gòu)解析。缺點(diǎn)是對(duì)非極性樣品靈敏度下降,而且基質(zhì)在低質(zhì)量數(shù)區(qū)(400以下)產(chǎn)生較多干擾峰。FAB是一種表面分析技術(shù),需注意優(yōu)化表面狀況的樣品處理過(guò)程。樣品分子與堿金屬離子加合,如[M+Na]和[M+K],有助于形成離子。這種現(xiàn)象有助于生物分子的離子化。因此,使用氯化鈉溶液對(duì)樣品表面進(jìn)行處理有助于提高加合離子的產(chǎn)率。在分析過(guò)程中加熱樣品也有助于提高產(chǎn)率。
    在FAB離子化過(guò)程中,可同時(shí)生成正負(fù)離子,這兩種離子都可以用質(zhì)譜進(jìn)行分析。樣品分子如帶有強(qiáng)電子捕獲結(jié)構(gòu),特別是帶有鹵原子,可以產(chǎn)生大量的負(fù)離子。負(fù)離子質(zhì)譜已成功用于農(nóng)藥殘留物的分析。
    4.場(chǎng)電離(fieldionization,F(xiàn)I)和場(chǎng)解吸(fielddesorption,F(xiàn)D)
    FI離子源由距離很近的陽(yáng)極和陰極組成,兩極間加上高電壓后,陽(yáng)極附近產(chǎn)生高達(dá)10+7~10+8V/cm的強(qiáng)電場(chǎng)。接近陽(yáng)極的氣態(tài)樣品分子產(chǎn)生電離形成正分子離子,然后加速進(jìn)入質(zhì)量分析器。對(duì)于液體樣品(固體樣品先溶于溶劑)可用FD來(lái)實(shí)現(xiàn)離子化。將金屬絲浸入樣品液,待溶劑揮發(fā)后把金屬絲作為發(fā)射體送入離子源,通過(guò)弱電流提供樣品解吸附所需能量,樣品分子即向高場(chǎng)強(qiáng)的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散并實(shí)現(xiàn)離子化。FD適用于難氣化,熱穩(wěn)定性差的化合物。FI和FD均易得到分子離子峰。
    5.大氣壓電離源(API)
    API是液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀最常用的離子化方式。常見(jiàn)的大氣壓電離源有三種:大氣壓電噴霧(APESI),大氣壓化學(xué)電離(APCI)和大氣壓光電離(APPI)。電噴霧離子化是從去除溶劑后的帶電液滴形成離子的過(guò)程,適用于容易在溶液中形成離子的樣品或極性化合物。因具有多電荷能力,所以其分析的分子量范圍很大,既可用于小分子分析,又可用于多肽、蛋白質(zhì)和寡聚核苷酸分析。APCI是在大氣壓下利用電暈放電來(lái)使氣相樣品和流動(dòng)相電離的一種離子化技術(shù),要求樣品有一定的揮發(fā)性,適用于非極性或低、中等極性的化合物。由于極少形成多電荷離子,分析的分子量范圍受到質(zhì)量分析器質(zhì)量范圍的限制。APPI是用紫外燈取代APCI的電暈放電,利用光化作用將氣相中的樣品電離的離子化技術(shù),適用于非極性化合物。由于大氣壓電離源是獨(dú)立于高真空狀態(tài)的質(zhì)量分析器之外的,故不同大氣壓電離源之間的切換非常方便。
    6.基質(zhì)輔助激光解吸離子化(MALDI)
    將溶于適當(dāng)基質(zhì)中的樣品涂布于金屬靶上,用高強(qiáng)度的紫外或紅外脈沖激光照射可實(shí)現(xiàn)樣品的離子化。此方式主要用于可達(dá)100000Da質(zhì)量的大分子分析,僅限于作為飛行時(shí)間分析器的離子源使用。
    7.電感耦合等離子體離子化(ICP)
    等離子體是由自由電子、離子和中性原子或分子組成,總體上成電中性的氣體,其內(nèi)部溫度高達(dá)幾千至一萬(wàn)度。樣品由載氣攜帶從等離子體焰炬中央穿過(guò),迅速被蒸發(fā)電離并通過(guò)離子引出接口導(dǎo)入到質(zhì)量分析器。樣品在極高溫度下完全蒸發(fā)和解離,電離的百分比高,因此幾乎對(duì)所有元素均有較高的檢測(cè)靈敏度。由于該條件下化合物分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,所以ICP僅適用于元素分析。