质谱技术简介
来源：伦敦国王学院 Khuloud Al-Jamal 博士实验室
质谱法是一种分析化学技术，能够实现对样品中未知化合物的鉴定、已知物质的定量，以及不同分子结构和化学性质的测定。
质谱仪由离子源、分析器和检测器组成。该过程包括对化合物进行离子化以生成离子。使用电感耦合等离子体（ICP）时，含有目标元素…
1. 聚碳酸酯管的清洗
- 使用耐酸性溶液的聚碳酸酯管进行样品消解。为去除任何可能存在的铁污染痕迹，向所有管中加入 5 mL 0.1 M HCl。
- 将管置于 50 °C 水浴中 1 小时。
- 用 5 mL 超纯水清洗管子，并在烘箱或化学通风橱中干燥。
2. 样品制备与消化
- 将200 µL样品放入1.8 mL浓硝酸（65%）中。
- 将试管置于50 °C水浴中过夜。若需缩短整体消解时间，可通过提高温度来调整方案。
- 让试管在室温下冷却。
- 加入8 mL Milli-Q水稀释样品，使最终硝酸浓度低于20%（v/v）。
- 在3,000 × g离心10分钟，以沉淀任何残留的宏观残渣。
3. 仪器准备
- 使用5%硝酸对ICP炬管进行15分钟超声清洗。用5%硝酸擦拭锥体。更换蠕动泵管。检查泵油液位。
- 打开氩气和冷却器，启动等离子体。开始将液体引入等离子体，并等待仪器稳定。约20分钟。
- 优化透镜电压。通过测量含有 Mg、In 和 Ur 的测试溶液进行每日性能检查，以确认 ICP-MS 仪器的灵敏度。检测 Ce 和 Ba 的氧化物形式及双电荷离子，其水平应保持在 3% 以下。检测质荷比为 8 和 220 Da 处的信号，以测量背景信号。
- 仪器现已准备就绪，可供使用。
4. 用户方法与样本列表的选择
- 选择感兴趣的元素和同位素。
- 将扫描模式设置为峰跳跃模式。
- 每次读数选择100毫秒的驻留时间（最小50毫秒），40次扫描（最小15次），每个重复读数1次，共5个重复（最小3个）。总积分时间为4,000毫秒。若样品量有限，可降低驻留时间、扫描次数和重复次数，但需保持数值高于上述最小值。
- 使用0.7 mL/min的氨气（NH3）流速，以避免40Ar16O对56Fe测定的干扰。
- 为所选元素制备校准曲线。
- 运行样品。
质谱法是一种分析技术，可用于鉴定和定量样品中的未知化合物，并确定其结构。
在质谱分析中，样品中的原子或分子被电离生成气相离子。随后，这些离子根据其质荷比（以 m/z 表示）进行分离。
这种分离能够实现对样品进行定性和定量信息的测定，例如其质量和结构。
本视频将介绍质谱分析的基本概念和仪器设备，并演示其在元素定量中的应用。
质谱仪由离子源、质量分析器和检测器组成。在离子源处，化合物被离子化，通常带一个正电荷。
离子可以通过多种技术产生，例如电子束轰击、等离子体或激光，每种方法都会导致不同程度的碎裂，从而有助于确定分子结构。这些方法大致分为“硬”电离和“软”电离。
硬电离技术会导致广泛的碎片化，产生更多低质量的碎片。
软电离技术产生的碎片较少，甚至几乎没有，且具有较高的分子质量范围。
如果碎裂程度过高，可能会丢失有价值的结构信息；如果碎裂程度过低，小分子则无法有效离子化。因此，离子化方法的选择取决于目标分析物以及所需的碎裂程度。
当离子进入质谱分析器时，会在电场中被加速，并在此处实现分离。
最基本的质谱分析器是磁扇区，它由一个产生均匀磁场的弯曲磁铁组成。磁铁的吸引力与加速离子的离心力共同作用，使离子沿弯曲路径作圆周运动。
离子圆形路径的半径取决于加速电压、施加的磁场以及质荷比。
通过选择适当的电压和磁场强度，可使特定质荷比的离子通过弯曲路径。其他离子则会撞击磁偏转通道的侧壁而丢失。通过扫描磁场强度，目标离子在不同时间到达检测器，从而精确识别每一种离子种类。
另一种类型的质谱分析器是四极杆质量过滤器。四极杆由两对平行的金属杆组成，每对相对的金属杆在电学上相互连接。
在杆对上施加直流电压，其电势持续交替变化，从而使各对杆始终与其他杆对相位相反。
离子束随后被引导穿过四根杆的中心。由于受到杆的持续吸引和排斥，离子以类似螺旋的方式行进。根据离子的质荷比不同，离子将穿过整个四极杆并到达检测器，或与杆发生碰撞而无法通过。
现在我们已经介绍了质谱仪的基本原理，接下来让我们来看看它在实验室中的应用。
本实验所使用的质谱仪为配备四极杆过滤器的电感耦合等离子体（ICP）离子源。该仪器将用于检测并定量样品中的金属组分。
实验开始时，将所有聚丙烯管中加入 5 mL 0.1 M 盐酸，以去除任何可能污染的铁痕。将试管置于 50 °C 的水浴中 1 h。
孵育后，用5 mL去离子水清洗试管，并将试管置于烘箱或化学通风橱中干燥。
在洁净的试管中，加入 1.8 mL 浓硝酸和 200 µL 含有待测同位素的样品。
使用浓酸时请遵循安全预防措施。
将试管置于水浴中过夜。必要时可提高温度以缩短消化时间。
样品消化完成后，将离心管冷却至室温。
接下来，加入 8 mL 去离子水以稀释样品，并使硝酸浓度降至 20% 以下。样品的最终稀释倍数为 1/50。ICP 分析的理想浓度范围为十亿分之一（ppb）级别。离心样品管，使任何残留的宏观残渣沉淀。
ICP 是一种硬电离方法，利用约 10,000 °C 的电导性耦合氩等离子体使样品分子电离。
开始仪器设置时，先检查ICP炬管，确保其清洁。
然后，检查采样锥和截取锥，确保它们同样洁净。这些锥体仅允许电感耦合等离子体炬产生的离子束的内层部分进入，并作为屏障，防止质谱仪的高真空环境受到干扰。
检查氩气压力并启动冷却器。启动等离子体并使液体流入系统。等待20分钟，使系统完全预热。
接下来，吸取一种标准测试溶液，该溶液含有多种已知的元素标准品。应选择能够覆盖待测溶液预期质量范围的测试溶液。
当溶液流动建立后，根据制造商的指南初始化并测试仪器。
运行仪器时，首先选择感兴趣的元素和同位素，然后将扫描模式设置为峰跳跃模式。
每次测量选择五个重复样本。每个重复样本包含 40 次测量扫描，每次扫描的驻留时间为 50 ms。每个重复样本的总积分时间为 2,000 ms。
通过测量预先配制的标准溶液，为所选元素绘制校准曲线。
最后，运行样品，本例中为氧化铁纳米颗粒。利用铁的标准曲线测定铁的浓度。
质谱技术利用多种电离和质量分析方法，被广泛应用于各种领域。
在此示例中，采用了一种称为基质辅助激光解吸电离飞行时间（MALDI-TOF）的软电离质谱技术，用于分析高分子量蛋白质。在MALDI中，分子通过基质进行稳定，以减少大分子电离时发生的碎裂。
将蛋白质溶液和基质分别点样于洁净的MALDI靶板上，并干燥。随后将MALDI靶板插入仪器中，对样品进行分析。
采用电子轰击电离-质谱法（一种强电离技术）对挥发性及氧化敏感性化合物进行分析。
首先，设计了一种可锁定的管路系统，以实现对管路的完全抽真空，随后在液氮冷却条件下加载样品。
将样品管连接至进样口，并将样品载入仪器。随后对该样品（本例中为三（三氟甲基）磷酸酯）进行质谱分析。
采用耦合同步辐射的分子束质谱仪研究气相分子和团簇的电子结构。
将分子束与同步辐射相结合，提供了一种选择性电离方法，用于探测气相中的分子。
将样品装入喷嘴，再将喷嘴重新装入仪器，然后使光子束进入腔室。
随后采集质谱并将其与光电离效率数据进行比较，以确定分子的电子结构。
您刚刚观看了 JoVE 关于质谱分析的简介。现在，您应该了解质谱分析的基本仪器原理，以及如何进行基于质谱的基本分析。
感谢观看！
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Q1: What are the three main components of a mass spectrometer?
A mass spectrometer consists of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. The ionization source converts sample compounds into gas phase ions, usually with a single positive charge. The mass analyzer separates ions based on their mass-to-charge ratio, and the detector measures the relative abundance of each ion type to generate the mass spectrum.
Q2: How do hard and soft ionization techniques differ in mass spectrometry?
Hard ionization techniques cause extensive fragmentation, producing many fragments of lower mass that aid in determining molecular structure. Soft ionization techniques result in little or almost no fragmentation, preserving high molecular mass ions. The choice depends on the analyte and desired fragmentation level, as excessive fragmentation can lose structural information while insufficient ionization may fail to detect small molecules.
Q3: What is the function of a magnetic sector in a mass analyzer?
A magnetic sector uses a curved magnet to produce a homogeneous magnetic field that separates ions based on their mass-to-charge ratio. Ions travel in a circular path determined by accelerating voltage, magnetic field strength, and m/z ratio. By scanning the magnetic field, specific ions reach the detector at different times, enabling precise identification of each species.
Q4: How does a quadrupole mass filter separate ions?
A quadrupole consists of two pairs of parallel metal rods with alternating direct current voltages that keep the rod pairs out of phase. Ions travel through the center in a corkscrew-like path due to constant attraction and repulsion from the rods. Depending on mass-to-charge ratio, ions either traverse the full path to reach the detector or crash into the rods and are lost.
Q5: What role does inductively coupled plasma play in mass spectrometry analysis?
Inductively coupled plasma (ICP) is a hard ionization method using argon plasma at approximately 10,000°C to ionize sample molecules. The plasma dries aerosol droplets, dissociates molecules, and removes electrons from components for detection. ICP-MS is commonly used to detect and quantify metal elements in samples, such as iron in nanoparticles, with calibration curves principles and applications guiding quantitative analysis.
Q6: Why is sample preparation important before ICP-MS analysis?
Sample preparation removes contaminating trace elements and ensures proper sample digestion. Samples are treated with hydrochloric acid to remove iron contamination, then digested in concentrated nitric acid overnight. The digested sample is diluted to achieve ideal parts-per-billion concentration range and centrifuged to remove residues, ensuring accurate detection and quantification of target elements.
Q7: What are common applications of different mass spectrometry ionization methods?
Matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) is a soft ionization technique used to analyze high molecular weight proteins by stabilizing molecules with a matrix. Electron ionization is a hard ionization technique for analyzing volatile and oxidation-sensitive compounds. Synchrotron radiation coupled with molecular beam mass spectrometry selectively ionizes gas phase molecules to explore their electronic structure.