术语
作为本入门指南所讨论内容的补充,以下列表收录了来自整个行业的常用术语,亦包括不再常用的术语和技术。
丰度
如果视为与UV检测器吸光度相似的参数,则垂直方向上高于背景的丰度信号增大,表明特定离子(如果x轴按质量单位校准)或总离子流(如果横轴按时间或扫描数校准)增加。单个分析物或化合物碎裂产生的所有离子的信号与基峰信号之比(即每种离子的相对丰度)被用于确定碎裂模式与库中谱图的匹配程度,以判别阳性鉴定结果。
ASAP(大气压固体分析探头)
McEwen和McKay基于Horning在20世纪70年代的研究开发出的样品电离方法,使用标准APCI等离子体,通过将样品置于加热的氮气流中形成离子。热量会使大量样品气化,气态的样品通过与APCI等离子体产生的亚稳态离子进行电荷交换而形成离子。使用准确质量数仪器可以相对明确地鉴定复杂混合物中浓度较低的单个化合物。另请参阅DART和DESI。
大气压电离(API)
该术语通常用于指代电喷雾(ESI)和大气压化学电离(APCI)等技术,以及在大气压下应用的其他技术。
大气压化学电离(APCI)
最初被称为“溶剂介导的电喷雾电离”,较为常见的成功应用是电离不易在溶液中直接电离的中性分子。APCI仪器在一个位于气溶胶流对向位置的尖针上通入电流,使溶剂本身产生亚稳态离子组成的等离子体,并在分析物通过该等离子体时,将电荷从这些亚稳态离子转移到分析物上。气溶胶通过加热有LC液流或溶剂流通过的探头产生。
大气压气相色谱
由杜邦(DuPont)公司的Charles McEwen于2002年研发。使用经过加热的传输管路可将标准GC流出液引至质谱仪中的标准API(或ESI/APCI)源。这为那些最适合用GC分析的化合物提供了一种简单快速地从ESI转换到GC的方法。电离模式采用APCI或APPI均可。
大气压光电电离(APPI)
该技术开发于20世纪80年代,但在2000年后才实现商业化,当时人们发现氪气灯可产生足够的光子能量(最高约10 eV),能够电离通常不适合用ESI和APCI技术电离的PAH和类固醇等非极性分析物。
基峰
通常是谱图中强度最大的峰,其他峰都将与之比较;对于能够提供丰富结构信息的电离技术(如EI),基峰可以不是母离子或分子离子。
校准
通常以流量恒定的液流引入质量数已知的物质,与此同时,质谱仪软件以指定的过滤条件(即四极杆仪器的RF/DC比)采集信号。将采集到的信号与参比文件对比,然后在软件中创建校准查找表。软件随后会基于这张校准表将通过四极杆的质荷比分配给特定值。请参阅MS入门指南的“定量和校准”部分。
CI(化学电离)
在低真空度条件下(0.4 torr)通过引入试剂诱导的碰撞,引入试剂的目的是促进分子离子的产生,通常还能提高灵敏度;由于这个过程的能量远低于电子轰击电离,碎裂程度会减弱,因此通常又被为“软电离技术”。请参阅“电子电离”。
DART(实时直接分析)
由Robert Cody等人于2002年开发,应用方面与DESI类似,但功能方面与APCI更为密切。将样品放置在基底上,然后用高能粒子轰击样品。高能粒子的形成过程类似于APCI,即通过等离子体形成亚稳态离子,并由加热氮气朝向目标传输。另请参阅“大气压气相色谱”和“ASAP”部分列出的McEwen的研究。
DESI(解吸电喷雾电离)
由Graham Cooks于2002年首次提出,是一种(通常)在惰性基底表面上通过软电离产生次级离子的方法。类似于MALDI,DART技术使用ESI探头以大约50°的入射角瞄准表面,使离子发生化学溅射并进入质谱仪。现已证实该技术可直接从多种极性和非极性表面材料(例如皮肤、完整水果(用于农药残留检测)等)获取信息,无需样品前处理。另请参阅“大气压气相色谱”和“ASAP”部分列出的McEwen的研究。
DIOS(硅胶表面解吸电离)
曾经被视为在MALDI基底上制备样品的替代方法(尤其是对于小分子),因为基底(裸露的硅胶表面)不会产生干扰离子。20世纪90年代后期,随着硅胶板生产难度大和这种表面易受污染的问题日益凸显,它的商业潜力逐渐减弱。
EI(电子轰击电离)
有时被错误地称为因电子与粒子(原子或分子)相互作用而发生的“电子撞击”电离;该技术可视为一种“硬”电离技术,因为它能提供足够高的能量(kcal/mol)来破坏内部化学键。电离电压(通常为70 eV)指可以导致电子加速进而诱导电子电离的电压差。与化学电离(CI)不同,EI在高真空度条件下运行,可避免不受控制的碰撞。质量分析器需要在更高的真空度下(10-4至10-6 torr)运行。
电喷雾电离(ESI)
这是一种所谓的“软”电离技术,也是应用相当广泛的一种大气压电离(API)技术。20世纪80年代末以来,随着相关研究将电子轰击电离现象归因于施加于导电管(不锈钢毛细管)的过量能量(电压范围为3-5 kV)导致导电管内部液流超出其瑞利限,并在离开导电管时形成气溶胶,这种技术的商业意义得以凸显。电离产生的喷雾(库仑爆炸的结果)导致气溶胶液滴脱溶剂化,形成半径约10 µm的小液滴,气溶胶液滴中的离子因此变多。这些离子通常是质子化离子,在正离子模式下以M+H+形式被检测到,或者在负离子模式下以M-H-形式被检测到。
FAB(快速原子轰击电离)
这是一种所谓的“软”电离技术,电离结果通常是产生高强度的分子离子,并且几乎没有分子碎裂。溶于基质(通常使用甘油)的分析物随LC液流流到探头上或者静态上样至探头上,然后探头被置于高能量原子(通常是氙或碘化铯)的路径中。
使用该技术能以高达10,000 amu的分辨率分离生物分子,不过它更重要的用途也许是联合扇形磁场质谱仪用于确定精确质量(例如新型肽的精确质量)。该技术可展现优异的灵敏度(低至fmol水平),且多年来人们已经发掘出与它相关的许多技术知识(如静态FAB)。掌握这项技术会有一定难度,因为甘油会污染质谱仪离子源,导致质量较小的物质被甘油离子掩蔽。随着ESI的问世,这项技术现在已经很少有人使用了。
场电离(FI)
FI这种“软”电离技术在电离许多分析物时都只产生很少或基本不产生碎片离子。这一点在石化应用中尤其重要,在这个领域,由于会导致分析物碎裂(EI)或电离特性过于复杂(CI),其他电离技术的应用受到限制。在有机化合物(如茚)的蒸气中给施加了高电压的细导线加热,使导线表面上沉积形成枝晶结构,该结构经热解后会产生非常细的导电丝。对一个非常小的点施加高电势时,这个尖端处会产生非常强的电场,从而为发生场电离提供条件。
样品分子通过的位置非常靠近FI喷射器上形成的大量碳枝晶的尖端。FI喷射器被设置在靠近一对空心提取棒的位置。使喷射器保持接地电势,向提取棒施加相对较高的电压(12 kV),此时碳枝晶尖端周围将形成非常强的电场。GC色谱柱设置在近处,与喷射器线对齐。在电场的作用下,分子中的价电子发生量子隧穿,产生自由基离子。
FIA(流动注射分析)
在不连接色谱柱的情况下通过LC进样器引入样品的一种技术(样品通常在前面的步骤中纯化,作为馏分进行收集,以去除所得谱图中的干扰并简化谱图)。LC仅用作样品引入设备。
灯丝
在电子轰击电离中,与分析物相互作用并使其电离的电子来源于灯丝。灯丝通常由(扁平或圆形)金属线制成,当电流通过导致灯丝被加热时,它能释放70 eV电子。
碎片离子
作为母体分子离子的损耗生成的离子。解离碎片的总和等于母离子,并且在给定条件下始终只会断裂相同的内部键,从而以可预测的模式碎裂(产生相同的碎片离子且每种离子的相对丰度相同)。另请参阅“特定MRM实验产生的子离子”。
混合系统
通常指两种不同类型仪器的结合,例如早期的Micromass“混合系统”结合了扇形磁场仪器与四极杆仪器。今天的QTOF是结合了四极杆仪器与TOF的混合系统。
离子
质谱仪只能在离子至少带一个电荷的情况下才能操纵并检测该质量的离子。如果离子只带一个电荷(例如,分子失去一个电子后,以带正电的自由基正离子形式存在,或者分子获得一个质子或氢原子后,以带正电的伪分子离子形式存在),在低分辨率方案中我们可以认为它代表着分子量。
离子流(总离子流)
仪器检测到的由离子源中产生的带电粒子形成的电流。如果质谱仪被设为在100-500 Da范围内运行扫描,则产生的总离子流是所选时间内,离子源中该质量范围内所有离子的总和。如果仪器被设为只检测一种离子(选择离子监测),则每次选定的运行产生的总离子流是某一种离子的总和。
离子源
离子流中设置在分析器之前的一个物理空间,分析物在这里发生电离。每种类型的接口都需要特有的内部几何结构,以便获得理想的结果。
同位素比
尽管我们通常认为同位素比是一个恒定的常数,但当以高精度手段测量时,天然同位素丰度比会表现出显著且特有的变化。同位素比的测量应用相当广泛,例如使用同位素富集元素作为示踪剂开展代谢研究;测定有孔虫中与温度相关的氧和碳同位素比率以开展气候研究;根据铅、钕或锶等元素的放射性同位素确定岩石年龄;基于碳同位素比率确定样品来源(例如确定样品是天然物质还是基于石油的合成物)。
这类应用通常使用具有多个固定检测器(每种同位素一个)的单聚焦扇形磁场质谱仪。复杂化合物在测量前需碎裂为简单分子,例如,有机化合物经燃烧生成CO2、H2O和N2。
基质辅助激光解吸电离(MALDI)
这项技术使用激光撞击并激发含分析物的基质,由Tanaka、Karas和Hillenkamp于1988年首次推出。它已被证明是电离特大肽和蛋白质分子的首选方法,可以完整地检测这些分子。该技术通常用作飞行时间(TOF)仪器引入样品的方案。
质荷比(m/z)
用质量与离子电荷的比值来代表带电粒子。在文献和常规使用中,质荷比通常以“m/z”表示,其中,生成离子的分析物可使用原子质量单位(amu)、道尔顿或分子量(mw)进行标记。
平均自由程
从离子进入分析器到检测到该离子的距离。考虑到稀薄空气中碰撞之间的时间与分析离子所需的时间,在仪器运行时的真空条件下,平均自由程相对较长。示例:
atm (1000 torr)空气含有3 x 1022个分子/cm
1 x 105 torr的腔室包含3 x 1011个分子/cm
l ¸压力 (torr) = 最小平均自由程(cm)
其中l = 5 x 103 cm
分子离子
分子获得电子(阴离子)或失去电子(阳离子)后产生的离子。另请参阅“伪分子离子”。
多重反应监测(MRM)
三重四极杆质谱仪特有的一种实验模式,在第一级四极杆(Q1)中过滤母离子,然后在中间的四极杆(Q2,或“仅RF”四极杆)中诱导母离子与分子(通常是氩气等气体分子)碰撞,最后检测碰撞产生的特定子离子(Q3)。该技术尤其适用于制药行业的高通量定量分析。
母离子
称为“前体离子”更为恰当;通常与“分子离子”一词通用。在MRM实验中,使用这个术语表明存在子离子。请参阅“子离子”。
粒子束接口(MAGIC、Thermabeam)
由美国佐治亚理工学院的Browner等人最早开发,当时被称为MAGIC(monodisperse aerosol generating interface for chromatography,用于色谱的单分散气溶胶生成接口)。该技术后来经过了改进,通常被称为“粒子束接口”。首先通过加热使LC液流雾化,去除溶剂。真空泵通过串联的截取锥(通常是两个)抽取溶剂蒸气,得到“干燥的”粒子,粒子加速通过动量分离器并撞击质谱仪离子源,产生类似于传统GC-MS的碎片离子谱图。这种技术现在也很少使用了。
探头(固相探头或直插式探头)
通过真空锁插入质谱仪源的金属棒。可以在探头尖端上样并将其置于电离束路径中。通常用于EI和其他单样品手动实验。也可以像FAB实验那样,将样品溶于可增强电离的基质中,请参阅“FAB”。
子离子
过去被称为“子离子”,子离子是在受控实验条件下有意诱导前体离子(或“母离子”)与分子碰撞,导致母离子碎裂而产生的产物。碰撞会产生母离子特有的子离子,可作为阳性鉴别的手段。请参阅“多重反应监测(MRM)”。
伪分子离子
通常指分子与质子(例如,M+H)或某种离子(例如,来自流动相中常用的铵盐的M+NH4)的加合,可使目标分析物变为某种相对更易鉴别的形式。分子带上电荷之后即可通过质谱仪分析。
四极杆(Quad)
应用最广泛的质谱仪类型的基本功能。四根电极杆(通常直径不超过1英寸,长度小于12英寸)由两个垫圈固定,电极杆之间相互平行(相距约1英寸)。通过向电极杆施加DC(直流)和RF(射频)电压,滤除粒子或让带指定电荷的粒子沿电极杆长度方向通过。改变RF/DC条件会影响不同质量(带有相关电荷)的粒子。相对的两根电极杆分为一组并相互连接 - 在射频源作用下,每组交替作为正极和负极。
在给定的校准设置下,只有具有相应质荷比(表示为m/z;大约等于分子量)的粒子才能通过四极杆。在相同的设置下,质量较大的粒子会以朝向电极杆的偏斜路径通过(电压设置几乎没有影响),因此无法到达检测器,而质量较小的粒子会被留下,无法到达出口,进而被检测到。四极杆可以在<103秒内改变并稳定电场,因此随着扫描时间推移可观察多个分子量,尽管在这种情况下任何给定分子量可检测到的带电粒子都将减少。
分辨率(10%峰谷法)
质谱仪区分不同质荷比的离子时,两个响应几乎相等的相邻质量之间的最小间隔。扇形磁场质谱分析中更常用;等于以下比值:
两个粒子的平均质量数
两个粒子的质量数差值
分辨率(M/ΔM)
更常用的计算方法是用给定的质量数除以半峰全宽(FWHM)处的分辨率。前一个定义(10%峰谷法)常用于扇形磁场仪器,并且要求相邻的质量具有相同的强度。举个例子,四极杆的典型分辨率是FWHM处0.6 amu。如果这是使用质荷比3000(相当于3000道尔顿或amu)处采集的峰测得的,则相当于5000的分辨率。这两种技术的结果大致相当,这种方法得到的值通常是峰谷法的两倍。
质量数
50%峰高处的峰宽
扫描
另请参阅“选择离子监测”、“四极杆”和“离子流”。通过计算机调整给定时间内的控制电压(DC和RF),以扫描(检测)指定范围内的任何带电粒子。检测多种离子的代价是牺牲灵敏度,因为如果把检测器设置为检测范围内的其他区域,一些目标粒子毫无疑问不会被检测到。
选择离子监测(SIM)
也称为选择离子记录(SIR);另请参阅“四极杆”和“扫描”。通过调整施加到四极杆上的DC和RF电压,可以只允许一种带电粒子(质荷比为某一固定值)通过并到达检测器。这能显著降低噪音,使得信号随灵敏度显著提高而出现(始终能检测到该m/z的所有粒子),但代价是根本检测不到混合物中的任何其他粒子。
热喷雾
尽管此类接口在20世纪80年代初期才得到普及,但它此前已在文献中多次出现。在探头中(长约1–2英尺,内径75–150 μm的隔热管)加热流速约为1 mL/min的LC溶剂,将产生的蒸气喷射到质谱仪中。在质谱仪中,气溶胶液滴脱溶剂化产生的离子进入分析器(与喷雾成直角)并受到透镜电压的影响(请参阅“扫描”和“总离子流”)。
此时产生的谱图被称为“软电离谱图”,因为几乎不会产生有意义的碎片离子。此技术可生成高强度的分子离子,虽然单一离子在某些背景和混合物中可能没有明显优势,但它有利于以高灵敏度确认高分子量的离子,以及过滤目标离子以便进一步碎裂(MS/MS)。曾有文献报道此技术分析维生素D代谢物的灵敏度可低至pmol水平。该接口常用于涉及强极性分析物的应用(例如20世纪90年代早期APCI技术改进之前的代谢物分析),随着液体中有机溶剂含量的增加,这种接口的效果会逐渐变差。
如今,常规分析已不再使用这种技术。
飞行时间(TOF)质谱仪
一种质量分析器,根据离子获得相同动能后通过无场真空区域的时间来分离不同质荷比的离子。离子的速度取决于它们的质荷比,由于离子通过的距离是固定的,我们可以根据它们到达检测器所花费的时间来确定质荷比,质量越大的离子用时越长。
调谐
通常是指优化接口透镜和流动气体,以便在一组操作条件下让特定分析物产生理想的响应。“调谐”与“校准”相反,校准旨在定义质量采集和报告功能。一方面优化透镜及相关电路的硬件设置,一方面在软件中创建查找表,两者相结合可得到根据校准品(例如PEG或NaCsI)液流中的已知质量列表校正过的稳定仪器响应。
真空(torr)
相当于1 mmHg(1 psi=51.7 torr=0.069 bar或atm)。质谱仪的分析器部分通常必须保持至少10-4 torr的真空度,以允许电离的粒子离散通过。趋向于大气压的压力会导致离子-分子间发生相互作用,这会对下游进一步检测带电粒子造成不可预知的影响。化学电离(CI)等技术会在受控条件下以低真空(高压)条件诱导这种碰撞。