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稳定性与可靠性的代表——探索扇形磁场质谱的独特技术优势

已有 699 次阅读 2023-10-13 23:13 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

     在现代科学研究和实验室分析中,质谱仪扮演着不可或缺的角色,它们是解析复杂分子结构的关键工具。其中一种备受关注的质谱仪器是扇形磁场质谱仪。然而,在探索各种质谱仪器的优势时,我们必须首先了解不同类型的质量分析器及其各自的特点。

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    图1. 扇形磁场质谱仪工作原理图

     扇形磁场质谱仪以其高分辨率和精准的分析能力而脱颖而出。通过利用磁场将带电粒子按其质量-电荷比分离成不同轨道,扇形磁场质谱仪为高分辨率的质谱分析提供了理想平台。与此同时,四极质谱仪则因其高效且经济实惠的特性,在药物代谢研究等领域发挥着重要作用。另一方面,飞行时间质谱仪凭借其高灵敏度和广泛的应用领域,尤其在生物医学和环境科学领域备受青睐。同时,离子阱质谱仪的多级质谱分析能力使其成为复杂混合物分析的首选工具。此外,飞行-时间质谱仪通过结合离子飞行时间和离子阱技术,实现了高分辨率和高灵敏度的质谱分析。

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图2. 扇形磁场质谱仪结构的原理图(https://www.slideserve.com/)

    这些质谱仪器不仅在实验室中广泛应用,用于化合物的分析和鉴定,还在元素组成的确定以及分子结构和反应动力学的研究中发挥着重要作用。随着科学技术的飞速发展,质谱分析在化学、生物学、药学等领域的应用也在不断拓展和深化。而扇形磁场质谱仪,作为其中的佼佼者,具备着令人瞩目的优势,为科学研究和实验室分析提供了宝贵的支持和帮助。

 双聚扇形磁场质谱

      扇形磁场质谱仪可以被视为最早建立的质谱技术类型之一。起初,它也被称为spectrograph“光谱仪”,因为它在接收器使用了照相底片。根据磁场的分类,分为单聚焦或双聚焦。单聚焦扇形磁场质谱仪仅包含一个磁场,能够根据离子的质量和动能(因此被视为动量分析器)分离离子。但是,这种设置下的质量分辨率是有限的。要实现更高的质量分辨率,需要使用双聚焦模式。在这种情况下,结合了磁场和静电场两种扇区,使得离子仅根据其质量而与其动能无关。1936年,A. Dempster、K. Bainbridge和J. Mattauch开发了第一台双聚扇形磁场质谱仪。20世纪50年代,扇形磁场质谱仪开始商业销售,并在20世纪50年代和60年代被广泛用于获取高分辨率数据。



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图3. 弗朗西斯·威廉·阿斯顿发明的质谱仪为当代双聚焦扇区场仪器的设计提供了基石



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图4. 威斯康星大学双聚焦二次离子质谱(SIMS)。WiscSIMS的主要目标是为SIMS用户提供最佳的分析精度和准确度,用于1至10微米尺度的稳定同位素比率的原位分析。综合起来,这些数据可以为地质,行星或生物兴趣的样本提供基本的新层次的理解。痕量元素分析:SIMS可以用于分析环境污染物,例如重金属和有机污染物。SIMS还可以用于分析生物标志物,例如癌症和疾病的诊断标志物。(图片来源:https://wiscsims.geoscience.wisc.edu/)
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图5. 双聚焦质谱仪(DFMS)仪器的分析模块是罗塞塔宇宙飞船上的罗塞塔轨道器离子和中性分析传感器(ROSINA)实验的一部分,包括高分辨率和低分辨率入口缝、电静场分析器、紧随其后的磁扇区,以及一套“变焦”离子光学系统,这些部件共同使得该仪器能够实现比之前的扇区质谱仪(SFMS)太空飞行仪器更高的质量分辨率。三个独特的探测器支持1010的总动态范围(图片由伯恩大学提供)
扇形磁场质谱仪的应用
    早在20世纪30年代初,质谱仪就被用于第一批核武器的研发和战争目的。第二次世界大战后直到90年代,商业化的质谱仪被用于石油和化工行业的研究,后来扩展到制药业。尽管多年来引入了其他替代技术,扇形磁场仍然是核心技术,并被官方方法规定用于二恶英和持久性有机污染物(POPs)的常规分析。


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图6. DFS是一种高分辨率磁扇形质谱仪。它是迄今为止用于目标化合物分析的性能最高的质谱仪(http://cfnewsads.thomasnet.com/pnn-pdf/467658.pdf)

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图7. Thermo Scientific DFS 高分辨率扇区场质谱及双色谱进样离子源,DFS为大样本系列提供了前所未有的灵活性和生产力。它可以选配配备两个Trace GC Ultra™单元。两个GC单元同时安装在同一离子源上,在两个独立的GC装置上进行分离。这是一个专为无人值守操作而设计的系统,其中TriPlus™自动进样器提供最高的样品容量和最终的采样灵活性,同时从共享样品托盘中服务一个或两个Trace GC单元。gc可以配备各种各样的进样器,从冷柱上和分体式/无分体式进样器,到先进的温度升温进样器(PTV),利用最新的大体积进样技术。(图片来源:http://cfnewsads.thomasnet.com/pnn-pdf/467658.pdf)

扇形磁场质谱仪的独特技术特点


    作为可靠的技术,扇形磁场质谱仪提供了独特的技术特点,包括质量独立分辨率、空间离子分离、质量分辨率定义以及适用于5,000至10,000伏的离子源加速电压范围和良好传输和敏感性。与传统的四极质谱仪相比,扇形磁场质谱仪在提供更高分析精确度方面具有明显优势,能够精准探测并分离不同气体成分。


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图8.利用高精度扇形磁场质谱对二恶英分析谱图,新的DFS高分辨率,气相色谱/质谱仪是分析多溴和多氯二恶英和二苯并呋喃(PCDD/F)的参考仪器,能够可靠地提供有史以来最低检测水平的结果。根据基质干扰情况,可以达到单位数飞克范围的检测水平。(http://cfnewsads.thomasnet.com/pnn-pdf/467658.pdf)

长期稳定性与可靠性

   扇形磁场质谱仪具有出色的长期稳定性,能够持续进行气体分析任务。通过对空气中氮气、氧气、氩气和二氧化碳等成分的连续分析,扇形磁场质谱仪展现出了其长期稳定的优越性。实验结果表明,其分析结果的日均值变化极小,使得其成为石油化工和制药企业进行精准气体分析的可靠选择。

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图9. MAT 271 气体成分分析扇形磁场质谱,可分析各类天然气样品中烃类气体,例如:CH4C2H6C3H8 以及永久性气体例如:H2N2O2CO2ArHe等成分的分析。相对于传统分析方法,该仪器测试精度高。通过加装固体样品加热系统,可实现固体样品包裹体或吸附气气体成分分析.(图片来源:中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心同位素实验室网站)


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图10.MAT 271 气体成分分析扇形磁场质谱进样系统;-对气体的定量分析•气瓶或热脱附,•高质量分辨率 •良好的再现性,动态范围,灵敏度,•多功能进样系统,适用于容纳多种样品进样。(https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/06/f52/Qualification%20of%20MAT-271%20Mass%20Spectrometer.pdf)


快速多通道采样与多功能性应用


    除了其精确度和稳定性外,扇形磁场质谱仪还具有快速多通道采样的能力,可以同时监测多个反应器中的气体变化情况。通过分析进出口氧气、二氧化碳、氮气和氩气等成分,它可以提供对发酵过程特征和状况的深入了解。此外,扇形磁场质谱仪还可以分析气体或挥发性有机物,为制药过程提供更为全面的数据支持,保障发酵过程的稳定和顺利进行。

    随着科学技术的不断发展,质谱仪的应用领域也在不断拓展和深化。扇形磁场质谱仪作为其中的佼佼者,将继续为各个领域的科学研究和实验室分析提供宝贵的支持和帮助。相信随着技术的进一步革新和突破,扇形磁场质谱仪将在更广泛的领域展现出其不可替代的作用,为人类的科学探索和发展贡献更多的力量。


参考资料:


1. https://www.thermofisher.com/blog/analyteguru/3-facts-you-need-to-know-about-magnetic-sector-mass/

2.https://photos.labwrench.com/equipmentManuals/9873-3831.pdf

3.Arevalo, R. Jr, Ni, Z., & Danell, R. M. (2019). Mass spectrometry and planetary exploration: A brief review and future projection. Journal of Mass Spectrometry, 54(11), 935-946. https://doi.org/10.1002/jms.4454





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