质谱技术的百年发展简史和工作原理

质谱技术的百年发展简史和工作原理

质谱技术作为现代分析化学的重要工具，在生命科学、医疗健康等领域发挥着重要作用。从19世纪末的初步探索到21世纪的广泛应用，质谱技术经历了怎样的发展历程？其核心工作原理是什么？本文将为您详细解读质谱技术的百年发展史和工作原理。

百年发展史

追溯质谱技术的发展历程，也是人类一心向往未知世界的奋斗历程。对于质谱技术的研究，最早可以追溯到18世纪。化学家和物理学家一心探究物质的本质和规律，一系列的发现不断揭示了微观世界的真实面貌，他们利用各种发明去获得了解未知世界的工具。质谱就在这时孕育而生。1886年德国人E.戈德斯坦（E. Goldstein）发现了极隧射线（canal ray）；维恩(W.W ien)和汤姆逊(J. J. Thomson)随后的研究证明，极隧射线主要由放电管中带正电的气体原子(即阳离子)组成，这进一步引导了质谱的发展；汤姆逊（因发现电子获得1906年诺贝尔奖）研究发现了原子和同位素，被认为是建造第一台质谱仪的人，被称为质谱之父；弗朗西斯·阿斯顿（F. Aston）在1929年发明了现在质谱仪的雏形，并成为第一个证明稳定同位素存在的科学家。与此同时，用于物质分离的色谱技术也在不断发展和进步。科学家们开创性的将色谱技术与质谱技术联用，不仅实现对混合物中的组分进行定性，还可以对组分定量，极大提高了检测的灵敏性、精确度和检测范围。世界上第一台气相色谱仪（GC-MS）和第一台液相色谱仪（LC-MS）分别于1950年和1973年问世，从此，色谱技术和质谱技术这对CP，不断为科学事业贡献自己的力量。

工作原理

现代质谱仪主要由离子源、质量分析器、检测器和数据采集系统（计算机）组成。样本经过前端分离（或直接进样）后进入离子源被离子化，经过磁场或电场，将不同质荷比的带电粒子进行分离检测。

离子源

质谱仪工作的离子源有多种类型，以适用于不同性质的化合物检测和不同的应用领域，但现阶段最常见的为电子电离离子源（EI）和电喷雾离子源（ESI），EI通常被用于气相色谱质谱联用仪（GC-MS），而ESI通常被用于液相色谱质谱联用仪（LC-MS）。两者之间的优势差异详见下表：

质量分离器

质量分析器是根据离子的质荷比不同将大量的离子进行分离，通常需要在高真空的环境下运行。在质量分析器中离子的运动主要遵循洛伦兹力定律和牛顿第二定律，这也是检测器工作的原理依据。现阶段常见的质量分析器包括四极杆（Quadrupole）、离子阱（Ion trap）、飞 行 时间（ Tof ） 、静电场轨道阱（Orbitrap ）和傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）等。

检测器

经过质量分析器分离之后，离子进入了离子检测器进行检测。离子检测器有多种类型，现阶段以电子倍增器和微通道板检测器最为常见，而FTMS和Orbitrap则是检测离子震荡运动产生的镜相电流。

结束语

质谱技术从诞生到持续发展，已经有100多年；直到今天，质谱仪已经衍生出多种类型。基于不同检测分析原理的质谱技术使人们有机会了解更多的复杂物质，对复杂生物基质的检测也变得更加容易，这使质谱技术成为了新兴的代谢组学技术研究的重要工具。质谱技术的持续改进必将更快的推动生命科学的进步，使更多的科学发现和成就不断涌现。