快速原子轰击

快速原子轰击(Fast atom bombardment,FAB)是1981年建立的一种电离技术,在质谱系统中被广泛用作离子源。与其他电离技术不同,快速原子轰击用一个中性原子(Xe,Ar)轰击样品使样品电离。中性原子的使用避免了绝缘样品中电荷的积累,并促进了样品的电离。快速原子轰击可以成功地确定不是挥发性或衍生化的化合物,以及一些高分子化合物。而且,快速原子轰击对于测定寡糖、寡肽、寡核苷酸、和热不稳定的有机化合物甚至金属有机化合物都是有效的。

快速原子轰击的原理

快速原子轰击用中性原子的高速定向运动直接轰击样品表层,使样品电离形成正离子[M + H]+、负离子[M – H]-和碎片离子。快速原子轰击离子源由一个冷阴极释放离子枪和一个碰撞电荷交换室组成。Ar在释放离子枪中被电离成Ar+,然后Ar+在加速电压和聚焦电极的作用下形成高速Ar+离子束。电荷交换室被Ar充满。当离子束进入交换室时,发生以下反应:

快速原子轰击1

快速原子轰击1

“< >”表示具有快速定向运动的粒子符号。Ar+的快速定向运动从Ar获取电子,从而形成Ar的快速定向运动。电荷交换过程中<Ar+>的能量损失很小,因此产生的<Ar>也具有高能量。<Ar+>在偏转电场中被分离,<Ar>仍沿原始方向高速前进,最后撞击样品目标使样品电离。将样品溶解在溶剂中,并涂在快速原子轰击中的一小块金属上。所用溶剂的蒸气压应该足够低以使样品保持溶解状态。所用的溶剂包括甘油、二乙醇胺、乙二醇、二甲基亚砜等。

快速原子轰击2

快速原子轰击2

样品被电离后,其正电荷产物主要以质子键合或碱金属离子键合的形式存在。通常,只需要少量的碱金属离子,并且质谱仪中会出现[M + Na]+或[M + K]+信号。在具有强碱性基团的样品(多肽)中首先观察到[M + Na]+峰。如果样品中混有酸,则信号会增强。另一方面,阴离子产物以[M – H]-的形式出现。酸性样品经常被离子化为[M – H]-,盐样品通过裂解阳离子或阴离子形成带电离子。研究表明,盐离子对于确定样品的分子量和分析样品结构很重要。

快速原子轰击的优缺点

快速原子轰击对于分析非挥发性、热不稳定的极性化合物非常有效。电离产物[M + H]+和[M – H]-在快速原子轰击中成对产生,有助于分析正离子质谱和负离子质谱。快速原子轰击的灵敏度高且样品消耗少。样品的最小测得分子量可以是10-9g,且样品利用率高。对于具有生物活性的物质,因为轰击所用的是中性颗粒,所以残留的样品能保持活性并可以被回收利用。另外,样品中每种成分的电离概率和检测灵敏度与样品组成有关。如果样品中一种组分电离所需的能量低于样品中其他组分,则该组分的电离概率较大。

然而,快速原子轰击不适合分离样品。快速原子轰击很难将亲和力低的质子与亲和力高的质子分开。而且,对于挥发性不同的混合样品,快速原子轰击不能将组分分馏和电离。

快速原子轰击的应用

作为质谱电离源,快速原子轰击适用于分析高极性、热不稳定的化合物,尤其是肽和蛋白质。快速原子轰击-MS串联技术的应用提供了详细的样品分子结构信息,并已广泛应用于生物医学领域。在肽化合物中,快速原子轰击成功地分析了数千分子量的大分子,并给出了多肽中氨基酸的顺序和类型,还区分了多肽的异构体,如脑磷脂、人胃泌素、牛胰岛素、缓激肽、促肾上腺皮质激素等等。此外,快速原子轰击还可以检测极性抗生素,如新霉素、链霉素、庆大霉素、红霉素、土霉素等。在分析化合物的核苷酸及其磷酸盐时,快速原子轰击成功地分析了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(C21H29N7O17P3)和维生素B12(C63H88CoN14O14P)。

热不稳定的极性有机化合物是很难蒸发且容易分解的物质。快速原子轰击基于惰性原子的电离技术,为此类化合物的分析提供了有效的解决方案。与质谱联用,快速原子轰击在定量分析和结构分析方面取得了重大进展。随着质谱技术的不断发展,快速原子轰击的应用领域将进一步扩大。

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