陌生人的英文-哦哦哦

2021年1月30日发(作者：月攘一鸡翻译)
Mass Spectrometry
質譜儀的發展起源

質譜儀
(mass spectrometry, MS)
是以熱電子撞擊氣體分子， 使產生碎片及離
子，再經磁場分離，依據質荷比之測量，來決定分子質量的技術。而質量是分子
的一種特質，因此可以用於分子的鑑定或確認。

1912
年湯姆遜
(J. J Thomason)
用以發現質量數為
22
氖之同位素之陽極射線
管乃質 譜儀之前身
。
1919
年阿斯頓
(Aston)
與丹麥斯特
(Dempster)
分別發展曲形軌
道質譜儀成功。
1943
年美國加州統 一工程中心製成第一部商業質譜儀售予大西
洋煉油公司以作分析石油成分之用。隨著電子技術發展，質譜 儀製造日益精確完
備，不但成為化學分析之必備工具，而且廣泛應用於核子物理，生物醫藥，以及
地質冶金
，
環境科學等如能降低製造成本
，
簡化操作技術
，
其發展將更不可限量。
〈
1
〉

基本原理


(1).
將不同型態的樣品〈氣、液、固相〉導入質譜儀。

(2).
樣品分子在離子源內游離
(ionization)
成氣相之離子形式。

(3).
依質荷比
(m/z : mass to charge ratio)
不同分離各個樣品離子。

(4).
各樣品離子到達偵測器被偵測出來。

(5).
在資料處理 系統中，離子偵測訊號被轉換成可讀或圖譜方式呈現。
〈
2
〉










M
+




M
1
+

M
2
+

M
3
+

V * B = F



Ion velouty
B
–
磁場方面

F
–
作用力之方向


M
3
+
> M
2
+
> M
1
+
(
分子量越大移動
距離越遠
)

Fig1.
表示帶電物質再電場中移動的距離和分子量的大小成正比。


m / z = B
2
r
2
e / 2V
m / z = k * r


2
m = atomic molecular weight
B =
磁場強度

e = charge
V = voltage
r = radius & curvature
※在本公式中，
Z
值通常表示
1
，所以
m
值和

r
2
成正比關係。


質譜儀的基本構造











真空系統

式樣

儲供

離子

產生

離子

分析

離子

測量

電子控制系統

樣本處理方式

質譜儀分析 時，樣品必須先進行離子化，因樣品其物理、化學性質不同，而
有各種不同離子化方式，一般易揮發性樣 品則用電子撞擊游離法
(electron impact
ionization, EI)
，或化學游離法
(chemical ionization, CI)
。





非揮發性樣品，則用快速原子撞擊
(Fast atom bombardment, FAB)
，或電灑法
(electron spray ionization, ESI)< br>等。因此各種樣品選擇適當的離子化法，再經質譜
分析，即可進行樣品之結構性分析級定量分析測 定。
〈
3
〉


經由質譜儀之分析可得到各種有價值的樣品訊息：
〈
2
〉

(1).
元素分析。

(2).
化學結構的決定。

(3).
直接精確的分子質量測定。

(4).
混合物中各組成的分析。

質譜儀的種類

氣相層析／質譜儀
Gas Chromatography/Mass Spectrometer (GS/MS)
氣相層析－質譜儀實際上是由兩部功能不同的儀器組成： 其一為氣相層析儀，是
將混合物分離為純物質的設備。這一種技術，近年來發展迅速，其使用領域遍及< br>工業，研究及學術界。說起來，氣相層析的原理很簡單，是利用各種成分在一種
固定的液相及一種 流動的氣相中，分配率的不同，而達到分離的效果。靜止的液
相通常是塗抹在固體的支持物上，將待測樣 品注射入氣體流，各成分以不同流速
通過塗有液體的支持物，由於各成分蒸汽壓不同，與液體產生的作也 不同，所以
離開管柱的時間也不一樣，因是得以分離。



假設將 氣相層析儀的裝置連接質譜儀，則各成分都可測定出其分子量和結
構。因為在質譜儀的游離室中，樣品受 電子照射，於是，化合物即產生裂訊、游
離，帶正電荷的碎片或離子，經電場加速、磁場轉彎，可得一質 譜圖。
〈
7
〉

液相層析／質譜儀
Liquid Chromatograph/Mass Spectrometer(LC/MS)

LC/MS
是
Liquid Chromatograph/Mass Spectrometer (
液相層析儀／質譜儀
)
的縮
寫，是將液相層析 儀
(LC)
和質譜儀
(MS)
串聯使用的特殊組合。簡單的說，
LC
是
質譜儀上游的檢體輸入器，而
MS
則是液相層析儀下游的產物檢測器。


使用
LC/MS
時
，
我們只需將檢體送 入液相層析儀
，
LC
優越的分離純化能力
，
便會把檢體內複雜的成分 ，按著時間一一送出。層析儀流出的產物，隨即導入質
譜儀作進一步的檢測。由於無須收集處理
LC
析出的成分，一則節省了許多耗力
費時的繁複步驟，二則避免了處理樣品時所造成的無謂流 失。而質譜儀的基本功
能，在於測量各個成分的質量以及它們的相對含量。現今配備較齊全的質譜儀，< br>更具有分析其分子結構的能力。判讀時，機器會將受檢測的分子作有限度的擊
碎；由於分子破碎時 ，有各自特定的模式，經由解讀這些碎片“指紋”，可以推
知原先分子的結構。綜合
LC
與
MS
的優點，無需對成分複雜的檢體作太多的處
理，我們便可以在種類、數量甚至 分子結構上，得到非常有用的資訊。



質譜儀可以藉由解讀分子的碎片“ 指紋”，而推知它碎裂前的結構。當然，
這原理也可以直接應用在分析蛋白質的結構。不過在送入機器前 ，我們通常必須
先用蛋白酵素處理蛋白質，將它轉成機器能夠分析的
Peptides
。經過質譜儀的誘
發，這些
Peptides
會循著一定的模式碎裂，機器並隨即記錄 下此碎片質譜，聯結
的電腦資料庫可協助來判讀質譜。〈
5
〉


四極柱式質譜儀
Quadrupole Mass Spectrometer





四極柱式質譜儀的裝置示意如圖所示，其主要由四支圓柱形 的電極棒所組
成，以四方形之對角線形成雙曲線之排列，電極棒的中央形成一個靜電場。其中
相 對的電極棒以電線連接，將直流電壓
(dc)
與射頻電壓
(rf)
通入其上。
Y
軸方向的
一對電極所加入之直流電壓為負電
；
X
軸方向的 一對電極所加入之直流電壓為正
電，且射頻電壓與
Y
軸的相位相差
180度。這些直流電壓為正電，且射頻電壓所
形成的電場使得離子在其中產生一定規則之振動軌跡，在某 一固定的施加電位
下，只有某一個質荷比
(m/e)
的離子呈穩定振動並通過四極圓柱 而到達
SEM
並被
偵測到，其他質荷比之離子則因軌道振幅越來越大而撞擊到四極柱上 而被中和。






不同質量之離子在電場中的解析能力
(Mass Resolution)
，
決定於施加在電極柱
上
dc
與
rf
電壓的比值，固定保持
d c
與
rf
電壓的比值，並同時改變
dc
與
rf
的電
壓，則可改變穿過的
m/e
值的大小，而使不同質量的離子被偵測到，故四極柱式質譜儀亦可稱為質量過濾器
(Mass
Filter)
。因快速改變
d c
和
rf
的電壓，使得四極
柱式質譜儀能在微秒的間距中很快地做質量掃描。 這種特性非常適合用以偵測
TDS
進行溫度變化時熱脫附定性及半定量的真實時間掃描。





由四極柱質譜儀濾出之離子最後進入偵測系統。本偵測 系統由
17
個分開的
電極所構成，電極材料為
Cu-Be
所組成。當 一個正離子打在第一個電極時會激發
出
2
～
3
個二次電子
，
而每個被激發的電子又會撞擊下一個電極而放出
2
～
3
個二
次電子，所以一個離子經
SEM (Secondary Electron Multiplier)
後可放出
217
～
317
個
電子，第一個電極可單獨偵測到 入射離子的強度而得到放大因子
(Amplification
Factor)
。最 後將這些收集到的電訊號經資料處理介面轉換成電腦可辨視的數據，
而完成整個量測的過程。〈
6
〉


質譜儀在蛋白質體學研究上的應用

在生命科學研 究中
，
有極大部分的努力是用於天然或合成之生物分子結構之
決定，而質譜儀式達成此 目的不可或缺的工具之一。在蛋白質的研究：傳統上決
定完整蛋白質分子的質量，多是使用
SD S-PAGE
技術得到的約略分子量，其質
量正確性極少優於
5%
，而使用< br>silver staining
的偵測極限也在
1-5ng
之間。現在
利用
MALDI-TOF
MS
已可作低
pmol
至
fm ol
樣品量之分析，質量正確性優於
0.05%
，而理論上質量範圍並無限制。

由於蛋白質是由二十種胺基酸分子以不同數目及排序聚合而成的這個特
性，用某些特定蛋白 質分解酵素
(
如胰蛋白脢
Trypsin)
可以將蛋白質分子中某些特
定胺基酸
(
如
Arginine
及
Lysine)
分解， 使每一個蛋白質被切割成為一群獨特的、
大小不同、質量不一的胺基酸片段。將這一群胺基酸片段的質量 數目組合，舉例
來說有六個胺基酸片段，其質量分別為
474
、
587
、
652
、
883
、
921
及
1034
，對於
原來未被切割的完整蛋白質分子而言，就如同指紋對於每一個人一樣，具有獨特
性，重 覆的機會非常小。在基因資料庫越來越完備的情況下，幾乎每一個基因所
製造出來的蛋白質胺基酸序列< br>，
及其被胰蛋白脢切割成所形成胺基酸片段的質量
數目組合，皆可以利用生物資訊學發展 出的分析軟體加以預測。因此，在二維電
泳膠片上所分離之上千種蛋白質
，
可以分別取 出並利用胰蛋白脢切割成胺基酸片
段，接著送入質譜儀分析這些胺基酸片段的各別質量。質量決定出來後 ，直接將
這些質量數目組合輸入資料庫
(
胰蛋白脢切割所有已知蛋白質成所形成胺基酸 片
段的質量數目組合資料庫
)
內比對，立刻可以得知蛋白質的身份。高靈敏度生物質譜儀的高解析能力與高效率，大大加速了蛋白質體學的研究腳步。〈
4
〉


2002
諾貝爾化學獎




鑒於質 譜儀與核磁共振儀已成為現今研究蛋白質結構不可或缺的利器，
2002
年諾貝爾化學獎的榮耀
，
理所當然的落在為這領域帶來突破性發展的人士—即美
國學者約翰〃芬恩（
John B. Fenn
）
、日本研發工程師田中耕一（
Koichi Tanaka
）
，
及瑞士籍研究教授伍斯瑞許（
Kurt Wuthrich
）—以表彰他們對於鑑定蛋白質大分

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