对时间质谱仪器的探究摘要：质谱分析仪用来测定有机化学中分子结构和分子量,飞行时间质谱TOFMS ( Time of Flight Mass Spectrometry)以其分析速度快,分析质量范围广而在生命科学,分析化学等领域得到了广泛的应用。

本文主要从时间质谱仪的构造，原理，发展历程、应用、发展趋势以及前景进行了探讨。

关键词：飞行时间质谱、联用技术、生物分析、基因工程、生命科学、药物代谢正文：飞行时间质谱仪(time of flight mass spectrometry ,TOF-MS) 早在1955 年就商品化了,在1960 年代曾得到广泛应用,但是不久即被分辨率和灵敏度更高的扇形磁场质谱仪和四极质谱仪所取代。

其主要原因是分辨率低,缺乏在微秒级范围内记录和处理数据的技术。

二次世界大战后,随着近代物理学、电子学、计算机、真空和机械加工等技术的进步,TOF-MS无论在性能上还是功能上都取得显著的进步。

近年来空间聚焦、反射镜和垂直加速技术的发展使得飞行时间质谱的分辨率已经可以达到55000 ,而且数据采集速率也可高达4G/s。

尤其值得注意的是由于基质辅助激光解吸离子化技术(matrix-assistedlaser desorption ionization ,MALDI) 和电喷雾电离技术(electrospray ionization ,ESI) 的出现,使“古老”的飞行时间质谱仪得到了新生。

以TOF-MS 技术搭建的分析平台分析速度快、灵敏度高和质量范围宽被广泛地应用于多肽、核酸、多糖等生物大分子的分子质量的测定、药物筛选、蛋白质的序列测定以及高分子化合物的分子质量分布和末基端分析等。

TOFMS的主要构造及基本原理：TOF - MS一般由离子源、飞行时间质量分析器、检测器、高真空系统及信号记录与处理系统等部分组成，其工作原理如下所示TOF-MS 分析方法的原理非常简单。

样品在离子源中离子化后即被电场加速，假设离子在电场方向上初始位移和初速度都为零，所带电荷数为q，质量数为m, 加速电场的电势差为V, 则加速后其动能应为：m v2 / 2= qe V (1)其中，v 为离子在电场方向上的速度。

离子以此速度穿过负极板上的栅条，飞向检测器。

离子从负极板到达检测器的飞行时间t，就是TOFMS进行质量分析的判据。

在传统的线性TOFMS，离子沿直线飞行到达检测器；而在反射型TOFMS 中，离子经过多电极组成的反射器后反向飞行到达检测器，后者在分辨率方面优于前者。

飞行时间质谱的性能特点(1)质量范围宽: TOF - MS从理论上讲,没有质量分析的上限,只是由于高质量离子飞行速度慢,检测器对其响应不足及数据存储记忆有限等原因,使其实际分析质量范围受到限制, 但仍可达300 000 Da, 远大于四极杆和离子阱等质谱仪。

(2)分析速度快: TOF - MS作为脉冲型质量分析仪数据采集速度非常快,最高能达4 G/ s,近年来出现的超高效液相色谱技术(UPLC) ,使其与TOF相连后可使分析物的保留时间和色谱峰的宽度大为缩短,进一步提高了样品分析速度。

( 3)分辨率高:TOF - MS属于高分辨质谱,其分辨率可达55 000,因此,可测出分子量小数点后第4位,可直接进行元素组成分析,算出分子式,而四极杆和离子阱等属于低分辨质谱,只能测出化合物的整数分子量,无法进行元素组成分析。

( 4)质量准确度高: TOF- MS全扫描方式检测的离子质量准确度要比一般质谱高100倍以上,精确质量测定时其精度可达5ppm,甚至更低。

而四极杆等质谱由于受到仪器精度的限制,只能达半数质量。

(5)灵敏度高: TOF -MS的检测器可同时检测出全质量范围的离子,并且利用四极杆聚焦保证了最大的离子传输率,大大提高了其灵敏度。

在fmol进样量下,选择离子扫描方式灵敏度要比四极杆等质谱低,但在全质量扫描方式下远高于四极杆等质谱仪。

TOF-MS 技术及应用的发展历程以离子的飞行时间作为判据进行质量分析的创意，是Stephensen 在1946 年提出来的。

最初设计的是线性TOFMS。

离子的飞行时间与其质量的平方根成正比。

与其他类型的质谱仪相比，这种设计具有两个突出的优点：(1)到达检测器的所有离子都能在一张图谱中显示出来，而不需要进行任何电压或电流的扫描, 这使快速测定成为可能，同时对被测对象没有质量数的限制；(2)离子运动中没有经过筛选，从而使离子源产生的离子绝大多数都可到达检测器，即离子传输效率很高，使高灵敏度成为可能。

不过由此可能带来如下问题：离子在进入飞行区时的初始条件不可能完全一致，其产生的位置、时间、初始动能及初始速度方向的差异，都会造成飞行时间的延长或缩短。

导致质谱峰扩宽，分辨率下降。

很长一段时间，分辨率低成了阻碍飞行时间质谱技术发展的主要因素。

此外时间信号的接收与处理技术落后也影响了TOFMS 的应用。

20 世纪80 年代中期以后生命科学的兴起和新药合成的迅速发展急需相应的质谱分析方法。

传统的质谱方法在解决此类分析时面临两大困难：1)少部分有机或大部分生物大分子样品用传统的电子或表面轰击的方式进行离子化，得不到谱图； 2) 分析这些物质，利用一般的质谱仪，灵敏度满足不了要求，而且对于质量巨大的分子，需要极高强度的磁场或电场。

人们开始重新关注TOFMS。

TOF-MS不必采用高强电场或磁场，加上各种大分子离子化方法相继诞生,所以它在有机、生物、药学及簇物理学的领域的应用就成为一种必然。

由于其每秒钟可以产生多达上万张的质谱图，也使其在工业生产的过程控制和在线监测方面的应用成为可能。

因此，TOFMS 技术在沉寂数十年以后又表现出巨大的生机。

20世纪90年代TOF-MS的应用开始活跃。

在生物学领域，各种MS-MS 联用技术使得分析内容不仅仅限于分子量的测定，而更倾向于分子的结构信息：氨基酸序列、糖基化位置等的确定。

在基因组和蛋白组学的研究中，TOFMS的地位举足轻重；在分析化学领域，TOFMS可以做GC或LC或毛细管电泳的检测器;在工业生产中，TOFMS 可作为工艺过程控制的分析技术；在原子和分子物理学领域，TOFMS 可用于单分子和簇分子(或离子)反应动力学研究；在材料科学领域，TOF-MS可用来做陶瓷、半导体、特种合金、聚酯等材料的表面成分分析，研究表面物理化学变化过程；TOFMS与多种其他分析技术的联用也成为科学研究中的常用手段。

单从质量分辨率来看，50 多年以前Cameron 等人报道的第一台成型的飞行时间质谱仪的分辨率仅有2左右;采用激光辅助的反射型TOF-MS的分辨率可达35000之高；而目前空间聚焦、反射镜和垂直加速技术的发展使得飞行时间质谱的分辨率已经可以达到55000。

飞行时间质谱分析技术的应用TOF-MS因其质量范围宽、分析速度快、分辨率和灵敏度高等优点,已广泛应用于药物筛选和药物代谢、中药成份分析以及多糖、多肽、蛋白质等小分子和生物大分子领域。

一、在化合物精确质量测定中的应用通过TOF- MS进行准确质量测定在化合物元素组成分析,尤其是串联质谱碎片离子分析中,越来越成为一种强有力的工具。

例如分子量是28的化合物究竟是N2、CO、C2H4 还是其他? 这种情况下采用具有高分辨率性能的TOF - MS技术能够准确测得化合物小数点后4位小数,可对整数质量相同的组分做进一步的鉴定,进而消除非准确质量测定出现的假阳性结果,大大增强测定结果的可信度。

理论上讲如果某一化合物的质量数测量得足够准确,那么就能推断出一个唯一的元素组成(即分子式) ,因此,《美国化学会志》要求“分子量低于1 000的物质,其测量质量与计算质量的误差应在5 ppm以内”。

目前市场上出现的TOF - MS的质量误差可小于3 ppm, 能更好的对有机小分子化合物和生物大分子进行准确质量测定和元素组成分析。

二、在药物代谢产物鉴定上的应用药物在机体内的代谢主要包括吸收、分布、转化和排泄等过程,其中药物及其在各种复杂基质(血液、尿液、胆汁及生物组织)中代谢产物的分离、结构鉴定及痕量分析在新药研发中具有重要作用。

目前,代谢产物结构鉴定主要利用串联质谱技术,而串联四极杆等质谱没有足够的质量准确度,不能给出母离子和子离子的元素组成,因此,用于结构鉴定时不够准确,因为同分异构体以及其它代谢产物可能产生结构不同但质量相同的母离子,导致子离子谱的重叠。

四极杆与TOF - MS串联则可以精确测定母体药物或代谢产物以及由碰撞诱导解离(CID)产生的碎片离子的准确质量,从而获得其元素组成,进一步通过结构解析软件可以获得母体药物或代谢产物产生的碎片离子的化学结构,综合元素组成以及化学结构方面的信息进而得出具体的代谢产物。

三、在中药成分分析上的应用中药是一个非常复杂的体系,含有的化学成分往往种类众多、结构复杂、含量较低,相当一部分稳定性还差。

采用常规方法鉴定中药的活性成分,需进行大量的提取、分离、纯化后,再进行四大光谱测定,确定化学结构,往往因信息量少等原因分离不到感兴趣的化合物,而且整个过程耗时长、繁琐、目的性差。

采用色谱质谱联用技术,先经过LC分离,再进行多级质谱检测,具有高效快速、灵敏度高、只需简单预处理样品等优点。

利用TOF - MS技术还可以获得更多的化学信息,包括各种组分及其多级碎片离子的准确分子质量、元素组成以及对应的化学结构等,尤其适用于含量少、不宜分离或在分离过程中容易发生变化或损失的成分分析,使传统中药检测方法中容易被忽略的微量或痕量成分很容易被检测到,并通过大量的化学结构信息对其进行定性。

四、在代谢组学上的应用代谢组学是研究一个细胞、组织或器官中所有小分子代谢组分(MW < 1KD)集合的科学,反映细胞、组织或器官在外界刺激或遗传修饰下代谢应答的变化。

进行代谢组学研究首先要采集生物样品(如尿液、血液、组织、细胞和培养液等) ,并进行生物反应灭活、预处理,而后运用核磁共振(NMR) 、色谱、质谱等方法检测其中代谢物的种类、含量、状态及其变化,得到代谢图谱,最后用多变量数据分析方法研究相关代谢物变化涉及的代谢途径和变化规律,并阐述生物体对相应刺激的响应机制、发现生物标记物。

相对于NRM 灵敏度低、检测动态范围窄等弱点, TOF - MS具有高灵敏度和高分辨率的优势,并可对多个化合物同时进行快速分析与鉴定。

因此, TOF - MS在代谢组学领域得到越来越广泛的应用。

五、在蛋白质组学上的应用蛋白质组学( p ro2teomics)主要研究蛋白质的特性,包括蛋白质表达水平、氨基酸序列、翻译后加工和蛋白质相互作用等,在蛋白质水平上了解细胞的各项功能、各种生理生化过程以及疾病的病理过程等。

目前蛋白质组研究主要包括蛋白质分离、鉴定、相互作用及作用方式研究等。