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化学前言综述作业姓名： 印春凯学号：1532025生物质谱技术的研究与应用一、生物质谱技术的发展历程质谱技术的起源最早可以追溯至20世纪初期。1906年的诺贝尔物理学奖得主J.J.Tomson 利用阴极射线管直接测量了电子的质量，这应该算作是最早的质谱。随后到来的就是化学质谱的纪元，1922年的诺贝尔化学奖颁发给了F. W. Aston，作为对他发现和分离同位素突出贡献的奖励，在他的颁奖词里首次提到了“mass spectrograph”即质谱，这是质谱这样一个名词的首次以公开的方式出现，并且得到了公众的认可。1946年，飞行时间质量（Time-of-Flight MS）质谱分析技术开始发展，1949年，离子回旋加速共振质谱的概念被提出来。上世纪50年代到70年代则是有机质谱高速发展的时代，质谱被用于研究有机反应的产物成分构成、结构，反应过程中的中间体，重排反应的研究等等。四极杆质量分析器的设想最初是在1953年提出的，但在70年代之后三重四极杆才得以应用，而由于对离子阱技术（四极杆）的发展所作出的贡献，Wolfgang Paul获得了1989年的诺贝尔物理学奖。1984年之后，软电离模式的出现，才标志着生物质谱时代的来临，2002年的诺贝尔化学奖就授予了John B. Fenn等人，以示对于他们在生物大分子软电离方式的发展所作出的重大贡献得嘉奖。由于具备高灵敏度、高分辨率、高速、高通量的特性，现如今，质谱技术已经成为生物大分子研究领域不可或缺的重要分析手段，在蛋白质组学研究中处于核心地位。二、生物质谱技术1.离子化技术分子离子化是质谱分析的第一步，所有的分子只有在电离后形成带电粒子才能在电场或者磁场中按照质荷比不同实现分离与检测。质谱中常用的离子化技术有：电子轰击电离源（Electron Impact Ionization）、电喷雾离子源（Electrospray Ionization）、大气压化学电离源（APCI）、基质辅助激光解析电离源（MALDI）和大气压光电离源（APPI）。根据生物大分子的性质而言，通常来讲，选择电喷雾离子源（ESI）以及基质辅助激光解析电离源（MALDI）作为离子源。1.1 电喷雾离子源（ESI）电喷雾离子源的原理：在毛细管色谱柱的出口处施加高电压，以产生高电场，当样品流出色谱柱时，形成带电小液滴，小液滴在去溶剂化的过程中半径不断变小，直至表面张力小于液滴中带电粒子的库伦斥力之后，就会发生“库伦爆炸”的现象，成为大量带一个电荷或者多个电荷的离子，以气相的形式进入到质量分析器中。由于ESI离子源产生的多是多电荷的离子，因而质荷比下降，所以其可以分析的分子量的范围得到了扩展。2.2 基质辅助激光解析电离源（Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization）其原理是将样品与基质均匀混合，样品在基质中分散并形成结晶，再利用激光作用于基质，基质将能量传递给样品，使样品由固态转变为气态解离形成离子，这个过程中，激光的大部分能量被基质所吸收，所以能够有效地保护样品分子不被过度解离。由于多肽分子倾向于吸收单一光子，所以多肽分子也多携带单一电荷。所以MALDI适合于用以蛋白质、DNA片段、多糖等生物技术分析。三、质量分析器分子经电离之后需要在经过质量分析器中进一步分离检测才能得到最终的质谱图。质量分析器的作用就是将带电粒子按照不同质荷比分离、检测获得待测物质的特征质量信息。按照分离原理的差异可以分为离子回旋加速共振（ICR）、离子阱（Ion Trap）、飞行时间（TOF）、轨道井（Orbitrap）。常见的有三重四极杆（QQQ）、高分辨飞行时间检测器（TOF）、高分辨的静电场轨道阱（Orbitrap）等。下面简单介绍几种常见类型。三重四极杆（QQQ）三重四极杆的原理，沿管路径向施加相互垂直的两个电场，根据通过的粒子的质荷比的不同，使得其中选中的部分粒子通过并检测，而其余粒子无法通过。由于是三重杆，所以可以在第一、第三重杆处进行选质，在第二重杆处完成碰撞，所以三重四极杆还可以用于反应监测。2. 飞行时间质量分析器（TOF）其原理是，离子源产生的电子先被收集，收集器中的所有离子速度为0，然后用一个脉冲电压使其加速，给予它初始速度，进入无场的离子漂移管中，接下来，离子以恒定速度飞向离子接收器。质量大到达接收器所需的时间长，质量小的到达接收器所需的时间短，根据这一原理，即可实现不同离子按照m/z分离。此外还可以使用静电场反射镜的方式来增加TOF的分辨率。3. 离子回旋加速共振（Ion Cyclotron Resonance）利用粒子在交变电场中回旋加速旋转，产生洛伦兹力并最终与离心力达到平衡做圆周运动，此时的旋转频率可以表达为f=qB/2πm，当离子流靠近检测板的时候，就能够得到一个交