质谱法历史

质谱法历史最早始于物质性质的物理和化学研究。19世纪中叶对气体放电的研究导致发现了阳极和阴极射线，结果证明它们是离子和电子。 提高分离这些正离子的能力而发现元素的同位素。第一个发现是氖元素，质谱证明它至少有两种稳定同位素: ²⁰氖（10个质子、10个中子）以及²²氖 （10个质子、12个中子）。在曼哈顿计划中，质谱仪亦曾用于分离制造核武器所需的铀同位素^[1]。

弗朗西斯·阿斯顿的第三代质谱仪复制品.

1975年于美国国家卫生院使用的质谱仪

发展

普洛特假说

普洛特假说是 19 世纪前期试图利用原子的内部结构来解释化学元素的性质。1815 年，英国化学家威廉·普洛特观察到已测量的原子量是氢原子量的整数倍。^[2][3] 普朗克假说在整个 1820 年代于化学领域仍具影响力。 然而，对原子量的更仔细测量，如 1828 年 Jöns Jakob Berzelius 或 1832 年Edward Turner在 1832 年似乎反驳了它。特别是氯的原子量是氢的 35.45 倍，当时无法用普朗克假说来解释。 解决这个问题需要大半个世纪的时间。

阳极射线

阳极射线管

19 世纪中叶，Julius Plücker研究了真空管中发出的光以及磁场对辉光的影响。^[4] 后来，在 1869 年，Johann Wilhelm Hittorf 研究了从负极（阴极）延伸出能量射线的真空管。这些射线在撞击管子的玻璃壁时会产生萤光，当被固体物体屏蔽时，它们会投出阴影。

Eugen Goldstein 于 1886 年观察到阳极射线。Goldstein 使用具有穿孔阴极的气体放电管。 射线在阴极的孔（通道）中产生，并以与“阴极射线”相反的方向传递即电子流。Goldstein 将这些正射线称为“Kanalstrahlen”——阳极射线。

同位素的发现

右下角是氖的两种同位素：氖-20 和氖-22。

1913 年，作为探索阳极射线组成的一部分，J. J. Thomson 将电离的氖气流引导通过磁场和电场，并使其通过在路径中的一个底片来测量偏转状况。Thomson 在底片上观察到两块光斑（见左图），这表明了两条不同的偏转抛物线。Thomson 得出结论，氖气由两种不同原子质量的原子组成（氖-20 和氖-22）。^[5]

Thomson 的学生 Francis William Aston ^[6] 继续在剑桥的卡文迪许实验室进行研究，并在 1919 年报导了第一台全功能质谱仪^[7]。 他识别了氯（35 和 37）、溴（79 和 81）和氪（78、80、82、83、84 和 86）的同位素，证明这些天然存在的元素是由同位素组合组成的。在质谱仪中使用电磁聚焦使他能够迅速识别出 287 种天然同位素中的不少于 212 种。 1921 年，Francis William Aston 成为英国皇家学会会员，并于次年获得诺贝尔化学奖。

他在同位素方面的工作也导致他制定了整数规则，该规则指出“氧同位素的质量被定义为 16 ，所有其他同位素的质量都非常接近整数”，该规则被使用于发展核能。 而测量了许多同位素的精确质量，使氢的质量比其他元素的平均质量预期的质量高 1 %。 Aston 在 1936 年推测了亚原子能及其用途。

1918 年，Arthur Jeffrey Dempster ^[8] 发表了他的质谱仪，确立了至今仍在使用的质谱仪的基本理论和设计。 Dempster 在其职业生涯中的研究围绕在质谱仪及其应用，导致他在 1935 年发现了铀同位素²³⁵U。 这种同位素引起迅速扩大的核分裂与核连锁反应的能力使原子弹和核能得以发展。

1932 年，Kenneth Bainbridge开发了一种质谱仪，其分辨率为 600，相对精度为万分之一。^[9] 他用这台仪器验证了质量守恒，E = mc²。^[10]

曼哈顿计划

1945年 于Oak Ridge, TennesseeY-12 国家安全大楼的Calutron 质谱仪

电磁型同位素分离器 是一种扇形质谱仪，用于分离 Ernest O. Lawrence^[11]在曼哈顿计划期间开发的铀同位素，类似于 Lawrence 发明的回旋加速器。 它的名字是 Cal和U-tron的串接，向加州大学劳伦斯分校和洛斯阿拉莫斯国家实验室致敬。^[12] 它们在战争期间建立的田纳西州橡树岭 Y-12 用于工业规模的浓缩铀，并提供了用于 1945 年投放到广岛的小男孩原子弹的大部分铀。

气相层析仪串接质谱仪的发展

Roland Gohlke 和 Fred McLafferty 在 1950 年代开发了在气相层析仪中使用质谱仪作为检测器。^{[13][14] [15]}以负担得起的小型计算机之发展有助于简化该仪器的使用，并大大缩短了分析样品所需的时间。

傅立叶转换质谱仪

傅立叶转换离子回旋共振质谱法由英属哥伦比亚大学的Alan G. Marshall和Melvin B. Comisarow于 1974 年开发。^[16] 其灵感来自早期传统 ICR 和傅立叶转换核磁共振 (FT-NMR) 光谱学的发展。

软性电离法

用于 John Fenn 获得诺贝尔奖的电喷雾电离工作的单四极质谱仪

1969 年，Beckey 首次报导了场解吸电离。^[17] 在电场电离中，将高电位电场施加到具有尖锐表面的发射器上，例如刮胡刀片，或者更常见的是长出微小“晶须”的灯丝。 这会产生一个非常高的电场，其中电子隧穿可以导致气态分析物分子的电离。 FI 产生的质谱几乎没有或没有碎裂，主要由分子自由基阳离子 M^+.。 偶尔质子化分子 ${\displaystyle [M+H]^{+}}$。

化学电离是在 1960 年代发展起来的。^[18][19][20]样品（分析物）的电离是通过其分子与试剂离子的相互作用来实现的。 分析物在离子源碰撞过程中通过离子-分子反应离子化。 该过程可能涉及电子、质子或其他带电物质在反应物之间的转移。 这是一个比电子电离能量更低的过程，并且产生的离子例如是质子化分子：[M + H]+。 这些离子通常相对稳定，不会像电子电离产生的离子那样容易碎裂。

基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 是一种用于质谱分析的软电离技术，可以分析生物分子（如蛋白质、多肽和糖等生物聚合物）和大有机分子（如聚合物、树枝状聚合物和其他大分子），当透过更传统的电离方法电离时，它们往往会变得脆弱和破碎。它在相对柔软度和产生的离子方面与电喷雾电离最相似（尽管它产生的多电荷离子要少得多）。该词于 1985 年由Franz Hillenkamp、Michael Karas和他们的同事首次使用。^[21] 这些研究人员发现，如果将氨基酸丙氨酸与色氨酸混合并用脉冲 266 nm 激光照射，则可以更容易地电离丙氨酸。色氨酸能吸收激光能量并辅助不吸收的丙氨酸电离。当与这种“基质”混合时，可以将高达 2843 Da 蜂毒肽的肽离子化。^[22]

大分子激光解吸电离的突破出现在 1987 年，当时 Shimadzu Corp. 的Koichi Tanaka和他的同事使用了他们所谓的 “超细金属加液体基质法”，将甘油中的 30 nm 钴颗粒与 337 nm 氮结合在一起用于电离的激光。^[23]使用这种激光和基质组合，Tanaka 能够电离与 34,472 Da 蛋白羧肽酶-A 一样大的生物分子。 Tanaka 获得了 2002 年诺贝尔化学奖的四分之一，因为他证明，通过激光波长和基质的适当组合，蛋白质可以被电离。 ^[24]Karas 和 Hillenkamp 随后能够使用烟酸基质和 266 nm 激光电离 67 kDa 蛋白白蛋白。 ^[25] 通过使用 355 nm 激光和肉桂酸衍生物阿魏酸、咖啡酸和芥子酸作为基质，实现了进一步的改进。^[26] 在 337 nm 波长下运行的小型且相对便宜的氮激光器的可用性以及 1990 年代初推出的第一批商业仪器使 MALDI 吸引了越来越多的研究人员。^[27]直到今天，大多数有机物质会使用于 MALDI 质谱。

时间轴

十九世纪

1886年

Eugen Goldstein 发现 阳极射线.

1898年

Wilhelm Wien

Wilhelm Wien证明阳极射线可以使用强电场和磁场偏转。 并表示粒子的质荷比具有相反的极性，并且与电子相比要大得多。 他还发现到粒子质量类似于氢粒子。

1898年

J. J. Thomson 测量了电子的质荷比

二十世纪

1901年

Walter Kaufmann 使用质谱仪测量到随电子增加、相对原子质量会增加.

1905年

J. J. Thomson开始他对正射线的研究。

1906年

Thomson 被授予诺贝尔物理学奖“以表彰他对气体电离的理论和实验研究的巨大贡献”

1913年

Thomson 能够分离不同质荷比的粒子。如 ²⁰氖及²²氖同位素, 他正确分了 m/z = 11 之讯号为 ²²氖的碎片.^[28]

1919年

Francis Aston 构建了第一台质量分辨能力为130的速度聚焦质谱仪。

1922年

Aston 因“通过质谱仪发现了大量非放射性元素中的同位素，并阐明了整数规则”而获得诺贝尔化学奖。

1931年

Ernest O. Lawrence

Ernest O. Lawrence 发明了回旋加速器.

1934年

Josef Mattauch and Richard Herzog 发展双焦式质谱仪。

1936年

Arthur J. Dempster发展了火花游离法

1937年

Aston 构建分辨率为 2000 的质谱仪。

1939年

Lawrence 因回旋加速器获颁诺贝尔物理学奖.

1942年

Lawrence 发明电磁型同位素分离器 Calutron将铀同位素分离.

1943年

Westinghouse 推销其质谱仪，并宣称它是 “一种用于快速、准确气体分析的新电子方法”

1946年

William Stephens 提出了飞行时间质谱仪。

1954年

A. J. C. Nicholson 提出了一种氢转移反应，该反应将被称为 McLafferty 重排反应。^[29]

1959年

陶氏化工 的研究人员将 气相层析仪 连接到质谱仪

1964年

英国质谱学会作为第一个专门的质谱学会成立并于它于 1965 年在伦敦举行了第一次会议。

1966年

F. H. Field 及 M. S. B. Munson 发展 化学游离法.

1968年

Malcolm Dole 开发了电喷雾电离。

1969年

H. D. Beckey 发展电场解离法.

1974年

Comisarow and Marshall 发展 傅立叶转换离子回旋共振质谱法.

1976年

Ronald MacFarlane 及其同事发展 等离子解离质谱法.

1984年

John Bennett Fenn 和同事 use 电洒 以解离生物分子.

1985年

Franz Hillenkamp, Michael Karas 和同事描述并创造了 基质辅助激光解吸/电离 (MALDI)

1987年

Koichi Tanaka 使用 “超细金属加液体基质法” 电离完整蛋白质。

1989年

Wolfgang Paul 因“开发离子阱技术”而获颁诺贝尔物理学奖。

1999年

Alexander Makarov 发表了 轨道阱质谱^[30]

二十一世纪

2002年

John Bennett Fenn and Koichi Tanaka因“开发用于生物大分子质谱分析的软解吸电离方法”而获得诺贝尔化学奖的四分之一。

2005年

轨道阱质谱仪商业化

2008年

美国质谱学会 开始颁发质谱杰出贡献奖

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