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上周在化学数据联盟成立一周年之际，我们推出了一周年特辑——质谱发展里程回顾，得到了不错的阅读量和影响力，当然，这与盟主及盟友们的大力推广密不可分，在这里我们表示感谢。 记得大约去年这个时候，盟主推荐某微信公众账号的一篇关于质谱历史趣闻之类的文章给我，由于当时我还处于对化学专业的回顾和学习过程，因此在短时间内未能推出我们自己的相关内容。 一年之后，我仍旧是时间的穷人。过去一年我积累了很多有关分析化学和数据分析的文章，有的需要深加工，有的需要原创翻译。有些内容时效性很强，我恨不得一下子都呈献给大家，当我加班熬夜赶制内容时，忽然发现自己真的老了，当然，我们大家承蒙盟主关照，他老人家总会提醒我和同事们注意身体。大家如果对于化学数据的分析有疑难问题的话，记得加文末盟主的个人二维码。 当然，之前盟主答允过寻找数学、统计或者分析化学专业背景的研究生做内容兼职，但由于大家都很忙，这事儿就搁浅了。今天在这里，盟叔再次向大家发起诚挚邀请，快来和帅帅的盟叔一起做内容（还有腹肌可以摸哦），想兼职做化学数据联盟的编辑的小伙伴可以加我的微信（bayerd823636778）具体详谈。 每次做内容时，我至少会提前一个月开始构思，尤其这次是一个时间跨度很大的主题，从2016年年底我已经开始筹划。我本人并非化学专业出身，因此有很多专业性的基础知识需要学习，无论是从网站还是亲自与小伙伴交流，每次内容的创作都离不开前期的积累。 关于本次质谱发展历程的内容，我除了从国内百科类网站查询相关介绍之外，更多的还是要从英文维基百科上找参考内容，目的就是为了让大家得到最原始的最正宗的关于质谱技术的发展历史。 今天先叨叨这些，下面要开始质谱技术发展历程的第二个阶段了。 上一个发展里程是从1910年开始，那时候的中国为清朝宣统年间，是中国封建王朝历史上最后一个年号，中国正值辛亥革命爆发的前夕，而西方列强将侵略的双手伸向中国的同时在科技上不断取得进步，而质谱技术就是其中最典型的代表。 在质谱技术出现的19年后，也就是1929年，科学家们首次提出了电离质谱法，今天向大家介绍的就是有关电离质谱法的发展过程。 电离质谱发发展到现在，有很多科学家的研究起到了承前启后的作用，今天文中提及的科学家有17位，为了让大家有更直观的认识，我曾尝试一切搜索办法寻找他们的照片，但是很遗憾我只找到了其中的8位。 在1929年，紧随亚瑟·登普斯特（Arthur Dempster）和弗朗西斯·阿斯顿（Francis Aston）之后（参见质谱发展里程碑·1），沃克·布利克尼（Walker Bleakney）在自己的研究论文当中描述了一种全新的阳性射线分析方法。这种方法通过加热钨丝生成电子流，然后在均匀磁场的作用下将钨丝形成的电子流聚集成一道狭窄的电子束。利用这种方法布利克尼测量得出汞的前四个电离能。 五年之后，约翰·泰特（John Tate）和飞利浦·史密斯（Philip Smith）再次演示了这种电离法，当时他们将其称之为电子轰击法（electron impact-EI），也就是我们现在所指的电子电离（electron ionization）法。这种方法可以用于其它元素电离能的测量。这种方法甚至有可能产生高能离子化物质，比如Cs7+。 二十年后，阿尔弗莱德·尼尔（Alfred Otto Carl Nier），这位素有“现代质谱之父”之称的科学家发表了一篇文章，详细介绍了电子轰击质谱（EI mass spectrometer）测量样本中碳、氮和氧的同位素相对丰度的作用。 在1940年，尼尔也推出了一个型号较为相似的质谱仪。但是由于他参与了美国曼哈顿计划，因此出于计划的高度机密性的考虑，直到二战结束后，他的研究成果才得以公开发表。 来源：Springer 上图为蛋氨酸的EI和CI质谱图 在电子轰击质谱仪（EI mass spectrometer）出现后的很多年里，这种方法所遵循的标准成了行业内的金科玉律，其地位一时无人可以颠覆。但是在众多有机分子跟前儿，EI需要的操作条件极为严苛，因为有机分子离子通常会分解成较小的离子，这让风光一时的电子轰击质谱仪很快走下了神坛。 在二十世纪中叶，马克·英格拉姆（Mark Inghram）和罗伯特·戈默（Robert Gomer）发布了两篇论文，文章中描述了一种“更加柔和”的电离方法——场致电离法（field ionization-FI），正式取代电子轰击法成为时代的新宠。场致电离可以将靠近场致发射显微镜（field emission microscope）的钨针尖的分析物电离。 利用高压电场，可以通过柔和的方式将显微镜尖端的分析物电离。比如说，丙酮（acetone）的EI光谱含有19个低分子量峰，但是场致电离形成的光谱只含有一个峰——对应的就是分子的离子。 1969年，汉斯·贝凯（Hans Beckey）在沃克·布利克尼的基础之上对钨丝进行了改进，汉斯使用的钨丝中含有密集排列的微型针，当使用这种钨丝吸收样本时可以加强场致电离的敏感度，并且也减少了为得到高质量光谱所依赖的分析物使用量。汉斯使用这种场解析法（field desorption-FD）得到了单糖（monosaccharides）的谱图，而以往那些热不稳定性的电离方法因此遭到了来自汉斯·贝凯的挑战。
罗伯特·戈默教授是表面化学和物理学领域的先驱人物 D-葡萄糖的电子轰击光谱只含有低分子量的碎片离子，而且D-葡萄糖的场致电离光谱含有质子化单糖的峰，以及由于这个物质的连续脱水造成的其他峰。但是这种糖的场解析光谱却主要由一系列对应质子化糖的峰和对应分子离子的较小峰组成。 在汉斯·贝凯发现场解析法的优势之后，不少研究人员在报告中表示这种方法可以用于获取包括苷、核苷酸和短肽等具有热敏感性的有机分子在内的谱图。 电子轰击质谱法所需的极为严苛的实验条件激发了科学家研发新的电离法的动力，他们希望未来可以出现一种不会导致分子离子被解析的新方法。 在1966年，伯纳比·曼森（Burnaby Munson）和 弗兰克·菲尔德（Frank Field）发现当把少量的分析物与甲烷气体混合时，通过该混合物的电子几乎针对甲烷起特定的电离作用。导致的结果就是甲烷离子之后可以与分析物发生反应，他们将其成为化学电离（chemical ionization-CI）法，这种方法甚至可以产生分析物的离子。曼森和菲尔德制取得到了几种有机分子的电离谱图和电子轰击谱图，发现的结果为：“通常情况下，化学电离质谱法中的离子主要在光谱图的高分子量末端占据一定位置，对于电子轰击谱图而言，实际情况却是相反的。
在二十世纪七十年代中期，E.C.·霍宁（E.C. Horning）和D.I.·卡罗尔（D.I. Carroll）各自带领同事介绍了他们对曼森和菲尔德的设备做出的改进：他们使用Ni-63箔或者电晕放电（corona discharge）取代原来的电离源。由于在环境大气压力作用下，气体流中的分析物被电离，因此可以将离子源与高效液相色谱仪（HPLC）耦合（在之后的里程碑8我们会详细介绍）。和二十世纪相比，现在我们看到的这种仪器设备的体积已经变得非常小，价格也很便宜了。 在这段发展历程中，还有一些科学家尝试着获取得到固体样本的质谱图。 早在1949年，理查德·赫尔佐格（Richard Herzog）和弗兰兹·费别克（Franz P. Viehb?ck）证实能够产生正离子光束的离子源可以用来轰击固体表面，这些正电荷离子对固体样本的影响作用可以导致某些原子的电离并从其表面被抛出（ejection），从而形成“次级离子“（secondary ions）。 在不到十年的时间里，理查德·豪尼西（Richard Honig）研发出了一种新的质谱仪，采用的方法与前两位科学家较为相似，理查德·豪尼西将其取名为“溅射“（sputtering），用以界定银、锗、锗硅合金样品表面上大部分的中性正电荷和负电荷的物质。 后来又有更多的科学家亲自尝试过这种方法，并将其更名为次级离子质谱法（secondary ion mass spectrometry -SIMS），这种方法可以用来确定月球岩石的化学组分，还可以形成细胞和其他生物样本的图像（在以后的里程碑11我们会详细介绍）。 尽管使用电子轰击法（EI）、化学电离法（CI）、场离子法（FI）以及场解析法（FD）都可以得到有机小分子的质谱，但是使用这些方法仍旧很难得到更大的生物分子的质谱。 1976年，罗纳德·麦克法兰（Ronald Macfarlane） 和大卫·托格森（David Torgerson）演示了放射性元素锎-252的核裂变过程，裂变过程中产生的高能粒子可以电离沉积在镍箔上的生物分子。 这种技术也就是我们现在所熟知的等离子体解吸质谱法（plasma desorption mass spectrometry -PDMS），它可以获取到包括热不稳定性神经毒素（neurotoxin tetrodotoxin）、维生素B12以及抗生素短杆菌肽A（antibiotic gramicidin A）在内的几种分子的质谱图。之后还有其他研究人员使用PDMS得到了寡核苷酸（oligonucleotides）的质谱图。 1981年，迈克尔·巴伯（Michael Barber）及其同事发表了两篇论文，其中描述了一种叫做快原子轰击（fast atom bombardment- FAB）的方法，这种方法的中性氩原子束的作用对象是铜样品台上的分析物，铜样品台含有低挥发性有机基质，比如说甘油（glycerol）。分析物在类似于PDMS的溅射机制作用下被电离。迈克尔·巴伯和他的同事们使用FAB法获得了寡糖、核苷酸、有机金属配合物和小分子蛋白质的高质量图谱，而且这种方法也成为历史上第一个可以测序更长肽的电离法（在里程碑9中会详细介绍）。 后来，当电喷雾电离质谱法（electrospray ionization-ESI）和基质辅助激光解吸电离质谱法（MALDI）诞生时，快原子轰击法迅速失去了光环。这时，FAB法仅仅在其他电离方法无法产生高质量谱图时才会被人们想起。 我们上面介绍的这些电离方法在某些小伙伴看来似乎已经可以满足日常科研需求了，但是科学家们仍旧没有停止研发的脚步。比如说近几年又诞生了两种新的方法——电喷雾解析电离法（desorption electrospray ionization -DESI）和实时直接分析法（direct analysis in real time -DART）。这两种方法不需要样本的制备就可以直接在环境大气压力下电离固体样本表面的分析物。 当你服用了抗组胺药（antihistamine）的四十分钟之后，DESI仍旧可以检测到手指尖残留的药物，在八小时之前当你经过一座正在实施爆破拆除的建筑物时，DART仍旧可以检测到你的衣领上残留的微量硝酸甘油（nitroglycerin）。 质谱电离方法的演变是一场波澜壮阔的技术之旅，从EI到ESI 再到MALDI，在不到六十年的时间里，电离质谱技术几乎影响了科学领域道路上的每一个人。 下面又到了读论文的时间了，我们照样整理了有关电离法方面的论文。
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点击图片回顾质谱发展里程碑1
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