質譜分析及其應用

質譜分析本是一種物理方法，其基本原理是使試樣中各組分在離子源中發生電離，生成不同荷質比的帶

正電荷的離子，經加速電場的作用，形成離子束，進入質量分析器。在質量分析器中，再利用電場和磁場使

發生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質譜圖，從而確定其質量。第一臺質譜儀是英國科學家阿斯頓

（F.W.Aston，1877—1945）于1919年制成的。出手不凡，阿斯頓用這臺裝置發現了多種元素同位素，

研究了53個非放射性元素，發現了天然存在的287種核素中的212種，第一次證明原子質量虧損。他為此榮

獲1922年諾貝爾化學獎。

質譜儀開始主要是作為一種研究儀器使用的，這樣用了20年后才被真正當作一種分析工具。它最初作為

高度靈敏的儀器用于實驗中，供設計者找尋十分可靠的結果。早期的研究者們忙著測定精確的原子量和同位

素分布，不能積極地去探索這種儀器的新用途。

由于同位素示蹤物研究的出現，質譜儀對分析工作的用處就越發變得明顯了。氮在植物中發生代謝作用

的生物化學研究要求用15N作為一種示蹤物。但它是一種穩定的同位素，不能通過密度測量來精確測定，所

以質譜儀就成了必要的分析儀器。這種儀器在使用穩定的13C示蹤物的研究中以及在基于穩定同位素鑒定的

工作中也是很有用的。標準型的質譜儀到現在已經使用了大約45年。

40年代期間，石油工業在烴混合物的分析中開始采用質譜儀。盡管這種質譜圖在定量解釋時存在著難以

克服的計算麻煩，但在有了高速計算機后，這種儀器就能在工業方面獲得重大的成功。

(1)近20年來質譜技術隨著新穎電離技術，質量分析技術，與各種分離手段的聯用技術以及二維分析方法的

發展，質譜已發展成為最廣泛應用的分析手段之一。其最突出的技術進步有以下幾個方面：

新的解吸電離技術不斷涌現，日趨成熟，可測分子量范圍越來越高，并逐步適用于難揮發、熱敏感物質的分

析，例如海洋天然產物、微生物代謝產物，動植物二次代謝產物以及生物大分子的結構研究。最有發展前景

的電離方法有：

①等離子解吸采用252Cf的裂介碎片作為離子源，使多肽和蛋白質等生物大分子不必衍生化而直接電離進行

質量分析。它與飛行時間質譜相配合，已成功地用于許多合成多肽的質譜分析，并已在一些實驗室中作為常

規分析方法來鑒定多肽和蛋白質。目前它的可分析的質量極限大約是50000D。

②快原子轟擊，把樣品分子放入低揮發性液體中，用高速中性原子來進行轟擊，可使低揮發性的，熱敏感的

分子電離，得到質子化或堿金屬離子化的分子離子。由于很容易在磁質譜或四極桿質譜上安裝使用，因此得

到廣泛應用，分子量很容易達到3000—4000。如果與帶有后加速的多次反射陣列檢測器的高性能磁質譜配

合使用，可測分子量可達到10000amn以上，最高記錄可達25000amn。

③激光解吸，利用CO2激光（10.6μm），Nd/YAG激光（1.06μm）的快速加熱作用使難揮發的分子解吸

電離，與飛行時間質譜或離子回旋共振質譜相配合成功地分析了一系列蛋白質和酶的復合物，并創造了蛋白

質分子質量分析的最高記錄（JackBean Urease Mr～27萬）。

④電噴霧（electro spray，electrostatic spray，ionspray）把分析樣品通過常壓電離源，使分子多重

質子化而電離。由于生成多重質子化的分子離子可縮小質荷比，因此一個分子量為數萬的生物大分子，如果

帶上幾十個，上百個質子，質荷比可降低到2000以下，可以用普通的四極桿質譜儀分析，其次由于得到一組

質荷比連續變化的分子離子峰，通過對這些多電荷分子離子峰的質量計算可以得到高度準確的平均分子量。

第三是這種多重質子化的分子離子峰可進一步誘導碰撞活化，進行串聯質譜分析。第四是這種電離技術的樣

品制備要求極低，溶于生物體液的樣品分子或HPLC，CZE的流出液都可直接引入常壓電離源進行聯機檢

測。

(2)各種聯用技術。色譜、電泳等分離方法與質譜分析相結合為復雜混合物的在線分離分析提供了有力的手

段，GC—MS聯用技術的應用已得到充分的證明。近年來把液相色譜、毛細管電泳等高效分離手段與質譜連

接已在分析強極性、低揮發性樣品的混合物方面也取得了進步。主要的接口技術有：

①粒子束（particlebeam），它能把液相色譜與質譜連接起來，其優點是得到的質譜與普通的EIMS譜十分

接近，因此可以用標準譜庫的數據去檢索。缺點是要耗用大量的氦氣，并且只能分析中等極性和中等分子量

（2000以下）的分子。

②熱噴霧（thermospray），是目前與HPLC連接最廣泛使用的接口技術。它是一種軟電離技術，可測的分

子量上限大約為8000amn，缺點是流速需要0.12ml/min，對于質譜分析來說仍嫌太大。

③連續流快原子轟擊（CF—FAB），利用適當孔徑的石英毛細管把液相色譜的流出液直接引入FAB電離源，

進行連續的FAB—MS分析。由于它的流速小于5μl/min，與質譜儀更為匹配，因此具有更大的應用潛力。

④電噴霧。由于采用常壓電離源，因此很容易把微細徑柱液相色譜，甚至普通液相色譜（只要有適當的分流

裝置）通過它與質譜連接起來。最近藉此把毛細管區帶電泳與質譜連接起來也取得了成功，實現了高靈敏度

（10-15mol），高分離效力（25萬理論塔板數）的聯用分析。這是一種極有希望，并很有發展前途的聯用

技術。

(3)串聯質譜等二維質譜分析方法。如果把二臺質譜儀串聯起來，把第一臺用作分離裝置，第二臺用作分析裝

置，這樣不僅能把混合物的分離和分析集積在一個系統中完成，而且由于把電離過程和斷裂過程分離開來，

從而提供多種多樣的掃描方式發展二維質譜分析方法來得到特定的結構信息。 

本法使樣品的預處理減少到最低限度，而且可以抑制干擾，特別化學噪音，從而大大提高檢測極限。

串聯質譜技術對于利用上述各種解吸電離技術分析難揮發、熱敏感的生物分子也具有重要的意義。首先

解吸電離技術一般都使用底物，因此造成強的化學噪音，用串聯質譜可以避免底物分子產生的干擾，大大降

低背景噪音，其次解吸電離技術一般都是軟電離技術，它們的質譜主要顯示分子離子峰，缺少分子斷裂產生

的碎片信息。如果采用串聯質譜技術，可使分子離子通過與反應氣體的碰撞來產生斷裂，因此能提供更多的結構信息。

近年來把質譜分析過程中的電離和碰撞斷裂過程分離開來的二維測定方法發展很快，主要的儀器方法有

以下幾種。

①串聯質譜法（tandemMS），常見的形式有串聯（多級）四極桿質譜，四極桿和磁質譜混合式

（hybride）串聯質譜和采用多個扇形磁鐵的串聯磁質譜。

②傅里葉變換質譜（FT—MS），又叫離子回旋共振譜，它利用電離生成的離子在磁場中回旋共振，通過傅里

葉變換得到這些離子的質量譜，這種譜儀過去由于電離造成真空降低與回旋共振要求高真空條件相矛盾，性

能不能過關。近年來由于分離電離源技術日趨成熟，這種分析方法得到較大發展，它的優點是很容易做到多

級串聯質譜分析，目前可分析質量范圍已達5萬左右，分辨力也可達1萬。

③整分子氣化和多光子電離技術（LEIM—MUPI），它是在微激光解吸電離技術的發展中最近出現的一種新

方法。它把解吸和電離二個環節在時間和空間上分離開來，分別用二個激光器進行解吸和電離。使用紅外激

光器來實現整分子氣化，使用可調諧的紫外激光器對電離過程實行寬范圍的能量控制，從而得到從電離（只

顯示分子離子）到各種程度不同的硬電離質譜，并成功地用于生物大分子的序列分析。