质谱的历史

质谱的历史及ABSCIEX质谱的发展进程赵贵平2©2011ABSCIEX质谱的功能3©2011ABSCIEX质谱图4©2011ABSCIEX质谱发展的开始5©2011ABSCIEX世界上第一台真正意义上的质谱分析器—磁式质谱6©2011ABSCIEX质谱年签19世纪末，E.Goldstein在低压放电实验中观察到正电荷粒子，随后W.Wein发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转，这些观察结果为质谱的诞生提供了准备。1912年，英国物理学家JosephJohnThomson研制出世界上第一台质谱仪（1906年诺贝尔物理学奖获得者、英国剑桥大学教授）。1917年，电喷雾物理现象被发现（并非为了质谱）。1918年，Dempster180°磁扇面方向聚焦质谱仪；1935年，马陶赫(Marttauch)和赫佐格(R.Herzog)根据他们的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪。1940年，尼尔(Nier)设计出单聚焦磁质谱仪，又于1960年设计并制成了一台小型的双聚焦质谱仪。1942年，第一台商品质谱仪。1953年，由鲍尔(Paul)和斯坦威德尔(Steinwedel)提出四极滤质器；同年，由威雷(Wiley)和麦克劳伦斯(Mclarens)设计出飞行时间质谱仪原型。7©2011ABSCIEX质谱年签1954年，英格拉姆(Inghram)和海登(Hayden)报道的Tandem系统，即串联的质谱系统(MS/MS)。1955年，Wiley&Mclarens飞行时间质谱仪。1960年，开发GC/MS。1974年，回旋共振质谱仪。1979年，传送带式LC/MS接口成为商业产品。1982年，离子束LC/MS接口出现。1984年，第一台电喷雾质谱仪宣告诞生。1988年，电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析。1989年，HensG.Dohmelt和W.Paul,因离子阱（Iontrap)的应用获诺贝尔物理奖。2002年，J.B.Fenn和田中耕一因电喷雾电离（electronsprayionization,ESI）质谱和基质辅助激光解吸电离(matrix-assistedlaserdesorptionionization,MALDI)质谱获诺贝尔化学奖。8©2011ABSCIEX质谱发展史上具有里程碑式的人物9©2011ABSCIEX质谱发展史上具有里程碑式的人物10©2011ABSCIEXJohnDalton(1766-1844)英国化学家/物理学家11©2011ABSCIEX电喷雾现象–1917首次发现12©2011ABSCIEX历史上的质谱图---甲烷分子的精确质荷比13©2011ABSCIEX质谱的分类---有机质谱气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）–气相色谱-四极杆质谱仪–气相色谱-飞行时间质谱仪–气相色谱-离子阱质谱仪–气相色谱-双聚焦磁式质谱仪液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）–液相色谱-四极杆质谱仪–液相色谱-离子阱质谱仪–液相色谱-飞行时间质谱仪其他有机质谱仪，主要有：–基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）–富立叶变换质谱仪（FT-MS）14©2011ABSCIEX质谱的分类---无机质谱火花源双聚焦质谱仪。感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。二次离子质谱仪（SIMS）辉光放电同位素质谱仪离子探针质谱仪激光探针质谱仪15©2011ABSCIEX质谱的分类---其它质谱稳定同位素稀释质谱仪呼气质谱仪氦质谱检漏仪16©2011ABSCIEX质谱电离方式---电子轰击电离—EI样品分子被打掉一个电子形成分子离子。分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。通过分子离子反应生成加合离子17©2011ABSCIEX质谱电离方式---化学电离源-CI在电子轰击下，甲烷首先被电离:18©2011ABSCIEX质谱电离方式---快原子轰击源—FAB氩气在电离室依靠放电产生氩离子，高能氩离子经电荷交换得到高能氩原子流，氩原子打在样品上产生样品离子19©2011ABSCIEX质谱电离方式---电喷雾源—ESI•形成带电小液滴•溶剂蒸发•形成带电气相离子20©2011ABSCIEX质谱电离方式---大气压化学电离源—APCI•形成气溶胶•电离小分子•电荷传递，样品电离21©2011ABSCIEX质谱电离方式---基质辅助激光解吸电离—MALDI被分析的样品置于涂有基质的样品靶上,激光照射到样品靶上,基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准分子离子22©2011ABSCIEX质量分析器---聚焦磁式质量分析器单聚焦分析器的主体是处在磁场中的扁形真空腔体。离子进入分析器后，由于磁场的作用，其运动轨道发生偏转改作圆周运动m/z=2.1*10-4R2B2/V23©2011ABSCIEX质量分析器---四极杆质量分析器四极杆分析器由四根棒状电极组成。电极材料是镀金陶瓷或钼合金。相对两根电极间加有电压（Vdc+Vrf），另外两根电极间加有-（Vdc+Vrf）。其中Vdc为直流电压，Vrf为射频电压。四个棒状电极形成一个四极电场24©2011ABSCIEX四极杆质量分析器原理四极杆马修（(Mathieu）微分方程及马修稳定区曲线25©2011ABSCIEX质量分析器---飞行时间质量分析器1/2mv2=eV或v=(2eV/m)1/2•m：离子的质量•e：离子的电荷量•V：离子加速电压T=L(m/2eV)1/226©2011ABSCIEX质量分析器---3D离子阱质量分析器离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电极都是绕Z轴旋转的双曲面，并满足r20=2Z20（r0为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离）。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微分方程，也有类似四极杆分析器的稳定图。在稳定区内的离子，轨道振幅保持一定大小，可以长时间留在阱内，不稳定区的离子振幅很快增长，撞击到电极而消失。对于一定质量的离子，在一定的U和Vrf下，可以处在稳定区。改变U或Vrf的值，离子可能处于非稳定区。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出，，27©2011ABSCIEX质量分析器---线性离子阱质量分析器ExitLenswithGrid主RF梯度电场…径向RF捕获电压径向RF捕获电压轴向DC捕获电压辅RF梯度电场….…同步梯度电场EXB28©2011ABSCIEX质量分析器---傅立叶变换离子回旋共振分析器质荷比m/e的离子进入磁感应强度为B的磁场中，受磁场力的作用，离子作圆周运动，如果没有能量的损失和增加，圆周运动的离心力和磁场力相平衡，即：mv2/R=Bevv2/R=Be/m=Be/m为离子运动的回旋频率（单位为弧度/秒）。离子的回旋频率与离子的质荷比成线性关系，当磁场强度固定后，只需精确测得离子的共振频率，就能准确的得到离子的质量。测定离子共振频率的办法是外加一个射频辐射，如果外加射频频率等于离子共振频率，离子就会吸收外加辐射能量而改变圆周运动的轨道，沿着阿基米德螺线加速，离子收集器放在适当的位置就能收到共振离子29©2011ABSCIEX质量分析器---静电离子轨道阱质量分析器质量分析器工作时，两个电极之间形成静电场。当高速运动带电离子进入Orbitrap内，在静电作用下围绕中心电极做圆周轨道运动，不同的离子在z方向形成不同频率ωz与（m/z）1/2成正比。检测器检测离子运动形成的电势，经过信号放大和快速傅立叶变换后形成频谱，经过处理最后形成质谱。Orbitrap质量分析器形状如同纺椎，纺椎内有一个内心电极，两个半纺锥体构成外套电极30©2011ABSCIEX液质联用仪的接口故事1972年，连续流动快原子轰击接口----液体直接导入接口–液相色谱的流动相没着进样杆流动，通过一直径为3.5微米的针孔，使液体射入CI离子源（真空），进行电离。–接口简单，价格低，能用于非挥发性和热不稳定物的分析–需要大量分流流动相，CI源的维护问题---灯丝/清洗等1977年，传送带式接口–流动相连续由传送带送入，通过两个不同的泵和真空阀在减压条件下加热除去流动相，样品闪蒸解离进入离子源---EI/CI/FAB（真空），进行电离。–承受流量大，非挥发性缓冲液可以从传送带上除去，对样品的收集率和富率较高。–传送带有记忆效应，不易消除，检测信号的背景高，只能分析热稳化合物31©2011ABSCIEX液质联用仪的接口故事1982年，离子束接口–液相色谱的流动相在常压下借助雾化产生气溶胶，气溶胶扩展进入加热的去溶剂室，此时待测分子通过一个动量分析器与溶剂分离，然后经一根加热的传送管进入质谱的离子源（真空）进行电离。–分析范围比热喷雾接口更宽，将电离过程与溶剂分离过程分开，主要用于分析非极性或中等极性，分子量小于1000的化合物。–灵敏度不稳定，动态范围窄，两种化合物的协同洗脱会对响应产生不可预测的效应，离子化手段仍然是电子轰击，不适于分析热不稳定的化合物。32©2011ABSCIEX液质联用仪的接口故事1987年，热喷雾接口–将流动相通过电阻加热毛细管导入加热离子室，毛细管内径约0.1mm，比液体直接导入接口的取样孔大。毛细管的温度调节到溶剂部分蒸发的程度，产生蒸汽超声喷射，在含有水溶剂的情况下，喷射中有带电荷小液滴的雾状物。由于离子室是加热的，并由前级真空泵预抽真空，当液滴经过离子源时，继续蒸发变小，有效地增加了荷电液滴的电场梯度，最终使其成为自由离子而从液滴表面释放出去，通过取样锥孔进入质谱。–可以减少进入质谱的溶剂量，对不挥发的分析物分子也可电离，可以接受的溶剂流量大致范围为0.5---2.5ml/min,但不允许有不挥发性缓冲溶液。–重现性较差，受溶剂成份、取样杆温度及离子源温度影响，对分析物要求有一定的极性，流动相中要有一定量的水。热不稳定的化合物易分解。33©2011ABSCIEX液质联用仪的接口故事上世纪80年代未—90年代初，大气压电离接口–电喷雾电离源–大气压化学电离源–大气压光致电离源大气压电离技术的出现，使液质联用技术有了质的突破。34©2011ABSCIEXABSCIEX的质谱年签1982年,ABSciex公司高级科学家J.Henion，T.Covey发明APCI/MS/MS1987年,ABSciex公司高级科学家A.Bruins，T.Covey等发明了大气压离子化技术IonSpray1989年,世界上第一台商业化APIⅢLC-MS/MS串联四极杆质谱仪1990年,推出了世界上第一台MALDI-TOFMS系统1995年,推出了世界上第一台台式串联质谱API300TM1997年,成功地把ESI与TOF技术完美地结合在一起，推出了LC-API/TOF系统1999年,API3000TMLC-MS/MS系统被LC-MS/MS行业设定为黄金标准1999年,推出了液相色谱串联四极杆-飞行时间质谱QSTAR®QQ-TOF质谱仪35©2011ABSCIEXABSCIEX的质谱年签2001年,成功地推出了世界上唯一真正的串联飞行时间质谱4700TOF-TOF系统2002年,世界上首次实现四极杆技术与线性离子阱技术的组合，成功推出QTRAP2004年,首次推出组织成像技术，实现组织切片之间质谱分析药物的分布2005年,推出最新设计的API3200及API3200QTRAP®串联四极杆质谱系统2006年,首次推出食品安全和环境快速检测平台—Cliquid软件2007年,推出FlashQuantTMWorkstation,首次将MALDI-三重四极杆质谱应运于高通量定量分析2008年,推出超高灵敏度的QTRAP®5500,实现了定性及定量的完美结合2009年,推出超高灵敏度的MALDI—5800,开创了蛋白质发现的新天地2011年，推出高性能的5