如何判定“毒奶粉”中就是含“三聚氰胺”？怎么就知道了“疫苗事件”中的造假？這一切離不開質(zhì)譜同學(xué)的貢獻。今天質(zhì)譜同學(xué)就來告訴你真相！“質(zhì)譜”是誰？“質(zhì)譜”能干啥？

什么是質(zhì)譜

    質(zhì)譜（又叫質(zhì)譜法）是一種與光譜并列的譜學(xué)方法，通常意義上是指廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域中通過制備、分離、檢測氣相離子來鑒定化合物的一種專門技術(shù)。

    質(zhì)譜法在一次分析中可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，可同時進行定量和定性分析。廣泛應(yīng)用于食品安全，環(huán)境污染，藥品、違禁品，刑偵檢測，腫瘤細胞在組織內(nèi)的分布研究，軍事等領(lǐng)域。質(zhì)譜儀器一般由樣品導(dǎo)入系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。

圖 1  質(zhì)譜原理圖

圖 2質(zhì)譜圖

其工作原理是：

首先，離子源組件把通過色譜柱引進真空系統(tǒng)的氣體樣品電離，對電離得到的正離子進行聚焦、引出，以供質(zhì)量分析器組件進行分析。然后，分析器把從離子源傳輸過來的離子按照質(zhì)荷比大小進行分離。最后，通過另一端的倍增器組件把質(zhì)量分析器輸送過來的微弱離子信號放大。

1. 離子源

離子源是使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置。廣泛應(yīng)用于離子加速器、質(zhì)譜儀、電磁同位素分離器、離子束刻蝕裝置、離子推進器等設(shè)備中。由于質(zhì)譜原理所限，質(zhì)譜只能檢測帶電離子，離子源作為質(zhì)譜中產(chǎn)生離子的重要裝置，也被稱為質(zhì)譜的心臟。

有機質(zhì)譜中幾種常見的離子源有：電子轟擊離子源（EI），電噴霧電離源（ESI），大氣壓化學(xué)電離源（APCI)，基質(zhì)輔助激光解吸電離源（MALDI)，電噴霧解吸電離源（DESI)，表面解吸常壓化學(xué)電離源（DAPCI)，實時直接分析離子源（DART)，電噴霧萃取電離源（EESI)。

圖 3  電子轟擊離子（EI）源模型

2. 質(zhì)量分析器

質(zhì)量分析器是質(zhì)譜的核心部件，離子束在電磁場包括磁場、磁場和電場的組合、高頻電場和高頻脈沖電場等的作用下按空間位置、時間先后、振動頻率高低或運動軌道穩(wěn)定與否等法則得以分離。根據(jù)質(zhì)量分析器釆用的是靜態(tài)電磁場還是交變電磁場，可將質(zhì)譜分為靜態(tài)質(zhì)譜和動態(tài)質(zhì)譜兩大類。靜態(tài)質(zhì)量分析器在靜態(tài)電磁場中按照空間位置將來自離子源的離子束中不同質(zhì)荷比的離子分開；動態(tài)質(zhì)量分析器則利用交變電磁場按照時間和空間區(qū)分質(zhì)荷比不同的離子。根據(jù)不同分離法則，靜態(tài)質(zhì)譜可細分為單聚焦又稱扇形磁場、雙聚焦、拋物線質(zhì)譜等；動態(tài)質(zhì)譜可細分為單極桿、四極桿、離子阱、飛行時間、離子回旋共振、傅里葉變換離子回旋共振等質(zhì)譜儀。

圖 4  四級桿

3. 檢測器

    質(zhì)量分析器將離子按照質(zhì)荷比m/z分離開來只是質(zhì)譜的一部分工作，如果沒有準確和可靠的離子檢測技術(shù)，之前發(fā)生的一切都將是沒有意義的。離子檢測器能夠?qū)⑷肷涞碾x子轉(zhuǎn)變?yōu)榕c離子豐度成正比的有用信號，常用的檢測器包括照相板、法拉第筒、電子倍增器和光電離子檢測器等。

4. 高真空系統(tǒng)

質(zhì)譜儀作為科學(xué)分析儀器中的高端產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于原理實現(xiàn)的特殊性，質(zhì)譜儀必須在良好的真空條件下才能正常操作，一般要求質(zhì)量分析器的真空優(yōu)于1x10^-4 pa。

若真空度低，可能會發(fā)生以下現(xiàn)象：

a)        大量氧會加速離子源燈絲的損耗，甚至燒毀；

b)        測量本底增高，干擾質(zhì)譜譜圖；

c)        引起額外的離子和分子間的反應(yīng)，使質(zhì)譜分析復(fù)雜化；

d)        干擾離子源中電子束的正常調(diào)節(jié)；

e)        內(nèi)部高壓會引起放電等。

質(zhì)譜的發(fā)展歷史

    早在19世紀末，E.Goldstein在低壓放電實驗中觀察到正電荷粒子，隨后W.Wein發(fā)現(xiàn)正電荷粒子束在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這些觀察結(jié)果為質(zhì)譜的誕生提供了準備。

    第一臺質(zhì)譜儀是英國科學(xué)家Francis William Aston于1919年制成的。Aston用這臺裝置發(fā)現(xiàn)了多種同位素，研究了53個非放射性元素，發(fā)現(xiàn)了天然存在的287中核素中的212中，并第一次證明了原子質(zhì)量虧損。為此他獲得了1922年諾貝爾化學(xué)獎。

   到20世紀20年代，質(zhì)譜逐漸成為一種分析手段，被化學(xué)家采用；從40年代開始，質(zhì)譜廣泛用于有機物質(zhì)分析；到了80年代左右，隨著快原子轟擊（FAB）、電噴霧（ESI）和基質(zhì)輔助激光解析（MALDI）等新“軟電離”技術(shù)的出現(xiàn)，質(zhì)譜能用于分析高極性、難揮發(fā)和熱不穩(wěn)定樣品后，生物質(zhì)譜飛速發(fā)展，已成為現(xiàn)代科學(xué)前沿的熱點之一。如今，用質(zhì)譜法作為氣相色譜（GC）的檢測器已成為一項標(biāo)準化GC 技術(shù)被廣泛使用。由于GC-MS 不能分離不穩(wěn)定和不揮發(fā)性物質(zhì)，所以發(fā)展了液相色譜（LC）與質(zhì)譜法的聯(lián)用技術(shù)。LC-MS可以同時檢測糖肽的位置并且提供結(jié)構(gòu)信息。質(zhì)譜的發(fā)展對基礎(chǔ)科學(xué)研究、國防、航天以及其他工業(yè)、民用等諸多領(lǐng)域均有重要意義。

質(zhì)譜的未來發(fā)展方向

1. 小型化質(zhì)譜

“體型”縮小是臺式質(zhì)譜發(fā)展的趨勢，而縮小質(zhì)譜儀的挑戰(zhàn)很多，如縮小真空泵、保證縮小部件的精度等。普渡大學(xué)化學(xué)教授R.Graham Cooks曾說 “質(zhì)譜儀的縮小，關(guān)鍵是要做原位、現(xiàn)場的測量。這需要質(zhì)譜儀輕便，能隨意移動。”

2. 高端化、專用化質(zhì)譜

質(zhì)譜儀的高端化以及專用化是未來發(fā)展的主要方向之一，如運用于生命科學(xué)領(lǐng)域，進行篩查新生兒遺傳病、臨床藥理監(jiān)測、臨床生化檢驗、臨床免疫學(xué)檢驗、臨床微生物檢驗以及臨床分子生物診斷等方面。

3. 敞開式質(zhì)譜

    這類質(zhì)譜主要是在LC-MS中使用了Ambient Ionization Source取代了原本的ESI和APCI，從而去掉了LC這一部分，可以在大氣壓下直接對未處理或者半處理的樣品進行解吸、電離，這類技術(shù)的特點就是一個字，快!!!。因此，它在以下領(lǐng)域大大拓展了質(zhì)譜的應(yīng)用范圍：

    a）便攜質(zhì)譜和車載質(zhì)譜用于現(xiàn)場分析；

    b）樣品快速篩查（藥品，違禁品，刑偵檢測，公共安全等）；

    c）腫瘤細胞在組織內(nèi)的分布研究，古董的鑒定，藥物靶向治療和代謝研究等；

    d）化學(xué)反應(yīng)機理的研究及其他。