质谱入门指南——概述篇

营养师

当您面临确定分子结构的挑战时，质谱（Mass Spectrometry, MS）无疑是一个极具价值的分析工具。它能够提供丰富的质谱数据，这些数据对于识别和定量样品中的化学组分至关重要。
质谱技术在多个领域发挥着重要作用，包括食品科学、制药研发以及环境监测等。在蛋白质组学(Proteomics）、代谢组学（Metabolomics）、成像（Imaging）以及糖基组学（Glycomics）等研究领域，质谱已被广泛应用于化合物的发现、鉴定和定量分析。
通过将质谱技术与先进的软件解决方案和计算机技术相结合，可以进一步扩展其应用范围，实现更为复杂的分析任务。然而，在深入探索这些高级应用之前，我们必须首先掌握质谱的基本原理和操作技巧，这为后续的高级分析打下坚实的基础。



ACD/Labs软件质谱碎片分析界面

什么是质谱?

质谱（Mass Spectrometry, MS）是一种精密的分析技术，它通过测量离子的质量和电荷来分离样品中的不同组分。这项技术在化学分析中扮演着至关重要的角色，它不仅可以用于化合物的定量和定性分析，还能够提供关于分子结构和化学性质的重要信息。
在质谱分析过程中，样品首先被转化为离子，然后这些离子根据其质量与电荷的比值（质荷比）在电场或磁场中被分离。通过测量这些离子的质荷比，质谱能够确定分子的确切分子量，这对于鉴定已知化合物和揭示未知化合物的化学结构至关重要。
质谱的基本原理

质谱的基本原理涉及将样品转化为离子，并根据这些离子的质荷比（m/z）进行分离和检测。这一过程产生的质谱图，是一种展示样品中化合物质荷比与相应离子相对丰度关系的图谱。
在质谱分析中，离子首先被加速至高速度，随后进入一个电场或磁场。由于不同质荷比的离子在这些场中受到不同程度的偏转，它们会沿着不同的轨迹运动。这种偏转效果使得具有不同质荷比的离子能够被区分开来。
通过精确测量离子的偏转角度和速度，质谱仪能够计算出每个离子的质荷比。这一参数对于确定样品中各组分的确切分子量至关重要，从而为化合物的鉴定和定量提供了关键数据。简而言之，质谱通过揭示分子的质量和结构特征，成为化学和生物分析中的强大工具。
质谱仪的组成部分

质谱仪的工作原理是:在电离源中从样品中产生离子,根据质荷比分离这些离子,使离子发生碎裂,并在质谱分析仪中对其进行分析。然后检测系统检测和处理电信号,并测量其丰度。质谱仪的组成部分及其功能简述如下：



01 电离源

作为质谱仪的核心，电离源负责将样品分子转化为带电的离子。在这里，分子可能失去电子或获得质子，形成正离子。电离后的分子变为气相离子，为后续的质量分析做准备。
02 分析仪

电离后的离子根据其质量与电荷的比值（质荷比）在分析仪中被分离。不同的质量分析器技术，如四极杆、飞行时间或轨道阱等，根据操作特性如速度和分辨率有所区别，以满足不同的分析需求。
03 检测系统

离子分离后，检测器负责测量它们的丰度。通过记录离子流过检测器时的电荷，生成质谱图，该图表展示了不同质荷比的离子的相对强度。每个峰代表样品中具有特定质荷比的组分，而峰的高度反映了这些组分的相对含量。
检测系统中的离子检测器类型多样，包括电子倍增器（EM）、法拉第杯（FC）、光电倍增管以及阵列检测器等，它们各自适用于不同类型的质谱分析，以确保测量的准确性和效率。

质谱仪的工作原理

质谱仪的工作原理可以概括为以下五个基本步骤：
01 电离

电离是指产生气相离子以进行质量分析。初始样品可以是固体、液体或气体。如果它是固体或液体,它会被汽化成气体,然后由电离源电离。这通常发生在失去一个电子并带上+1电荷成为阳离子的过程。为避免电离分子与空气中的分子发生相互作用,电离室保持真空状态。一个带正电的金属板将样品推入机器的下一部分。
质谱仪以正离子模式或负离子模式工作。知道正确的设置以正确分析数据非常重要。电离方法对解释质谱至关重要。有各种各样的电离方法可供选择,这些方法可以分为两大类:硬电离和软电离。我们在之前的博客中对此进行了详细讨论:质谱中常见的助离子和碎片离子。硬电离方法在电离过程中向样品施加过量的能量,导致样品断裂。软电离方法使用较少的过剩能量来电离样品,导致很少的断裂。有各种各样的电离方法可供选择,所用方法取决于实验目标和样品特性。


02 加速

在质量分析仪中，离子通过电势差被加速并聚焦成窄束。这一步骤的目的是确保所有离子获得相同的动能。离子在一对带电的平行板之间移动，其中一个极板吸引离子，另一个则排斥它们。通过调整板上的电压来控制离子的加速程度。
多种质量分析仪技术可供选择，每种技术在特定的实验和应用中都有其优势。通过串联或混合不同质量分析仪，可以提升实验结果的质量和通量。



03 偏转

离子束随后穿过磁场或电场，导致带电粒子发生偏转。较轻或更易离子化的组分会在场中偏转得更多，而较重或离子化程度较低的组分偏转较小。
磁场根据离子的电荷和质量来控制其偏转程度。重离子或多电荷离子的偏转较小，而轻离子或单电荷离子的偏转较大。



04 检测

检测器用于测量离子到达检测器所需的时间以及它们在电场/磁场中的偏转程度，提供除质量外的额外信息。正确的电荷和质量的离子将被引导至检测器。离子撞击检测器表面时，产生诱导电荷或电流，检测器记录这一信号。通过分析撞击检测器的离子，可以确定它们的质荷比。检测器统计不同检测点的离子数量，这些信号可能非常微小，但可以通过电子放大器、法拉第杯或离子-光子检测器进行放大。收集的数据最终被绘制成质谱图。


如果所有粒子初始时电荷相同，那么较轻的组分将因较小的质量而更快到达检测器。

05 数据处理

质谱产生的数据类型多样，包括分子鉴定、结构解析和定量分析。最常见的是绘制质荷比与相对丰度关系的质谱图。
质谱仪配备有专用软件，用于执行必要的数据处理和分析大量的质谱数据。然而，实验室可能拥有多个供应商的仪器，这意味着科学家需要熟悉多个不同的软件接口，并面临将所有数据整合的挑战。选择质谱数据处理软件时，需要考虑多个因素，包括所使用的质量分析仪、分析的样品类型、分析的总体目标、以及所有数据在一个界面中的集成能力。
ACD/Labs的分析数据处理工具能够在统一界面中处理和解释质谱数据，实现实验室所有仪器数据的统一。这为加速质谱数据分析提供了极大的便利。





相关推荐:
href="http://http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4NDc4ODIyNA==&mid=2247493293&idx=1&sn=532e213399423e985e3a15e8d6a900c3&chksm=ebf4b5c2dc833cd456ad87388fbf8f4f89cdb2e58f2de1092be40006103c6a936c9292b6e19e&scene=21#wechat_redirect">MS结构表征工具：ACD/MS Structure ID Suite
href="http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4NDc4ODIyNA==&mid=2247487817&idx=1&sn=9b7e1b628b2ccce564779b73c98865c9&chksm=ebf74226dc80cb3066df5ead683b1caeb6c29a9eeef1b850ba03c7257f79173144774906eafb&scene=21#wechat_redirect">化合物质谱碎片预测软件MS Fragmenter
通过数据库检索实现LC/MS数据的快速组分识别
自动化未知物的质谱结构定性——ACD Automated MS Structure ID流程
质谱高级数据分析工具：ACD/MS Structure ID Suite
Spectrus Processor教程(二)：GC、LC/MS数据处理、分析及报告的基础操作
ACD/Labs 质谱自动化分析流程指南
应用案例：中药苦木抗菌活性化学成分的质谱定性
超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱快速筛查中成药、保健品中26种非法添加化合物
浅谈几种同分异构体的质谱解析

质谱的优势

质谱技术的优势在于其卓越的灵敏度、精确度和速度。它能够精确识别和定量样品中的已知组分，甚至能够确认未知组分的存在。当由经验丰富的专家操作时，质谱技术能够提供高度准确和可重复的分析结果。此外，质谱技术能够同时对大量分子进行定量分析，这一点在其他技术中很难实现。
质谱的多功能性体现在它可以与其他分析技术联用，例如气相色谱质谱联用（GC/MS）或高效液相色谱质谱联用（HPLC/MS），这不仅扩展了其应用范围，还显著提高了分析的精确度和灵敏度。通过优化这些联用技术的方法，可以进一步提升检测的灵敏度。

质谱的局限性

然而，质谱技术也存在一些局限性。首先，质谱设备和所需材料的成本相对较高。其次，作为一种破坏性分析技术，质谱要求样品具有较高的纯度以获得最佳分析结果。此外，质谱分析需要由受过专业培训的操作人员执行，且目前还没有能够处理所有类型分析的单一多功能质谱系统。
质谱技术在区分具有相同质荷比的分子异构体方面也存在挑战。例如，要分离对映异构体，可能需要使用手性色谱柱。此外，质谱技术无法区分光学异构体和几何异构体，因为这些异构体在质谱中可能产生相似的离子信号，从而难以通过质谱仪本身进行区分。对于这些复杂的分析需求，可能需要结合其他分析技术，如核磁共振技术，以获得更全面的分子信息。

关于凯美科
广州凯美科信息技术有限公司是一家以化学信息学服务为核心业务的企业，作为加拿大ACD/Labs公司在国内的代理商，我们竭诚为国内的用户提供最优质的服务。



http://www.chemico.com.cn
软件咨询
产品经理：胡经理
联系电话：18680221948(微信同号)
联系邮箱：hcw@chemico.com.cn

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/705572652