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    發布時間:2021-11-10 13:20 原文鏈接: 有機質譜法發展簡史

    有機質譜法發展簡史

    1.早期

    早期的質譜研究工作是與元素的同位素測定緊密相關的。同位素(isotope)這個詞于1910年第一次使用,第一臺質譜儀也是在這一年誕生的。實際上,早在1886年就有人提出了有關同位素的概念。用磁場偏轉法分離帶電粒子以測定其質量的研究工作也在1896年取得了成果,這些研究為后來的質譜學工作提供了一定的基礎。

    1910年,英國劍橋大學卡文迪許(Cavendish)實驗室的湯姆遜(Thomson)研制出了第一臺現代意義上的質譜儀器,這是一臺不能聚焦的拋物線質譜裝置。湯姆遜用這臺儀器首次發現了同位素的存在。他在分析氖元素時,發現了一個質荷比為22的峰。實驗證明它既不是二氧化碳(CO2)的雙電荷離子,也不是放射性衰變產物,而是氖元素的一個同位素。這臺質譜儀的誕生,標志著科學研究的一個新領域質譜學(mass spectrometry)的開創。

    湯姆遜的第一臺質譜儀,由于沒有聚焦功能,分辨率較低。通過改進后,這臺儀器能夠將兩個原子質量相差10%的離子分開,即分辨率為10。1919年,一臺具有速度聚焦功能的質譜儀由湯姆遜的同事阿斯頓(Aston)研究成功。阿斯頓借鑒了光學理論,將電場和磁場安置成類似于兩個光學透鏡,使得離子在電場中受到的速度色散作用剛好被其在磁場中的速度色散作用所抵消,最后質量相同而初始速度不同的離子能聚焦在收集器同一處,從而大大提高了儀器的分辨率。由于這臺儀器的卓越性能(分辨率130,準確度10-3原子質量單位),以致它第一次被人們稱為質譜儀(mass spectrograph)。阿斯頓在這臺儀器上測得了大量元素新的同位素峰以及定量數據,如他測得氖元素兩種同位素(20、22)的豐度比為10:1,這與氖元素的分子量20.18基本符合。

    在此之前,美國芝加哥大學的丹普斯特(Dempster)于1918年研制成功了180°扇形磁場方向聚焦型質譜計。他在這臺儀器上獨立地發現了幾種元素的同位素,并測得許多元素的同位素豐度。這臺儀器第一次使用了電測元件作為離子檢測器,并通過改變電場或磁場強度的方法來測量不同質量的離子。這臺儀器是第一臺實際意義上的質譜計(mass spectrometer)。它成了以后許多磁場型儀器的原始模型。

    1934年誕生的雙聚焦質譜儀是質譜學發展的又一個里程碑。在此之前創立的離子光學理論為該儀器的研制提供了理論依據。雙聚焦儀器大大提高了儀器的分辨率,為精確原子量測定奠定了基礎。

    應該指出,隨著幾種雙聚焦儀器的出現,質譜儀的分析器部分已達到了比較完善的境地,但當時的質譜學研究仍然限于少數幾個實驗室中。當然,也取得了不少成果,如1933年有人用180°磁場型儀器進行31H+7Li→24He的核反應實驗。這是第一次用實驗證明,愛因斯坦的質量-能量關系公式。

    第二次世界大戰期間,質譜進入了實際應用領域。首先是美國的原子彈制造計劃,需要大量的235U,使質譜儀進入了軍事科學領域。另外石油工業也將質譜用于定性,定量分析1943年,第一臺商品質譜儀出售給一家石油公司,質譜儀從此進入了工農業生產領域。如汽油分析、人造橡膠、石油精煉過程控制和真空檢漏等工作都應用質譜儀器作為分析、檢測工具,并證明為一種準確、快速的手段。

    在相當長的時期內,質譜工作者的注意力都集中在用質譜分析與分離同位素的工作。如人們曾用質譜分析核燃料235U和238U同位素,用質譜法分離獲得毫克級的39K。

    將質譜應用在有機化學方面的先驅者之一是R.Conrad,他發表了許多有機化合物的質譜圖。而有機質譜研究的真正興起是在20世紀50年代以后,這段時期,有機質譜的研究朝著兩方面發展,一方面是研究有機物離子裂解機理,如1956年美國化學家康奈爾大學教授F.W. Mclaffety發現的六元環Y-H轉移重排(麥氏重排)裂解機理是這方面的突出代表;另一是運用質譜推導有機分子結構。人們在闡明未知化合物的結構時,雖然可以使用一整套光譜技術,但有時受條件的限制,能使用的光譜技術卻是有限的。而質譜由于需要樣品量少,對于測定非常稀貴的天然產物分子結構有著獨到之處,如運用質譜配合紅外光譜就測出了生物堿白堅木瑞素的結構。

    自20世紀50年代中期至70年代中期的20年間,有機質譜迅速發展成為測定有機化合物分子量和結構的強有力工具。但在20世紀70年代中期以前,有機質譜主要用于分析研究分子量小于1000Da的有機分子。

    2.科學進步

    隨著科學技術的進步,1974年,出現了等離子體解吸質譜(plasma desorption mass spectrometry,PD-MS),1981年,出現了快速原子轟擊質譜( fast atom bombardment mass spectrometry,FAB-MS),有機質譜開始分析研究極性大、熱不穩定的多肽和小蛋白質等。值得指出的是在1988年,出現了電噴霧電離質譜(electrospray ionization mass spectrometry,ESI-MS)和基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(matrix-asisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry,MALDI-TOF-MS),開創了有機質譜分析研究生物大分子的新領域。從此以后,ESI-MS和 MALDI-MS獲得了迅速的發展。有機質譜跨出近代結構化學和分析化學的領域而進入生物質譜的范疇,也就是進入了生命科學的范疇。自1988年以來,國際質譜學界頻繁舉行全球性的質譜用于生命科學的討論會,可見這一研究熱點盛況空前。

    2004年,美國普渡大學R.G.Cooks教授研究組提出了可以在無需樣品預處理的情況下直接對表面樣品進行質譜分析的電噴霧解吸電離質譜(DESI-MS)技術,掀起了直接離子化技術的研究熱潮。直接離子化技術是泛指可以在常壓下對未經預處理的復雜基體樣品進行快速質譜分析的新興離子化技術。常見的直接離子化技術主要包括:電噴霧解吸電離(DESI)、介質阻擋放電電離(DBDI)、低溫等離子體(LTP)、空氣動力輔助離子化(AFAI)、電噴霧輔助激光解吸電離(ELDI)、實時直接分析(DART)、面解吸常壓化學電離(DAPCI)和電噴霧萃取電離(EESI)等。目前常壓質譜技術已廣泛用于液體、氣溶膠、固體表面、黏性樣品等不同形態樣品的分析。

    復雜的、高性能的商品儀器不斷推出,如離子探針質譜儀,三重四極桿串聯質譜儀、四極桿飛行時間串聯質譜儀、磁場四極桿串聯質譜儀、磁場飛行時間串聯質譜儀,離子回旋共振傅里葉變換質譜儀等此外常壓質譜技術在近十年來有突破性進展,已逐漸進入商品化實另外,低價位、簡易型儀器的推出,對擴大和普及質譜分析的應用起了很大的作用。

    必須指出,電子計算機是現代質譜儀器不可缺少的一部分,它的主要功能是儀器狀態的用階段控制與實驗數據處理。很難想象一臺沒有計算機數據處理系統的色譜質譜聯用儀如何能處理所獲得的大量數據,更不必說計算機檢索及人工智能譜圖解析了。有些技術,如傅里葉變換質譜本身就是建立在快速計算機技術的基礎之上的。在儀器發展的同時,各種與質譜有關的理論研究廣泛開展,大大豐富了質譜科學。


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