广东蛋白组学质谱（广东科学中心院士说）

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我们都知道棱镜可以把阳光折射出不同的颜色（图1）。这是牛顿（Isaac Newton，1642-1727）在300多年前发现的,我们把它叫做光谱。我们还知道人类能看到的可见光只是电磁波中很小的一个部分（图2）。在电磁波中，比可见光波长要长的有红外线、微波和无线电波；比可见光波长要短的有紫外线、X光和伽马射线。

图1，阳光的光谱

图2，电磁波

利用不同波长的电磁波我们能够辨识出各种各样的物体，例如：

• 用微波探测（波长为0.15米左右）物体，如用雷达探测障碍物；
• 用X光波（波长为10-2纳米）探测物体的内部结构，如CT检查；
• 用伽马射线探测物体的原子结构。

物质通常由多种不同的成分所组成（例如水由氢和氧组成，H₂O）。能不能辨识出物质的各种成分呢？这就需要质谱和色谱了。

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质谱

质谱是著名的英国科学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940年）发明的。认识汤姆森的人都叫他J.J.。汤姆逊出生于曼彻斯特，他的父亲开了一家专业书店，并就此结识了许多知识分子。父亲曾带小汤姆逊去见焦耳（James Prescott Joule，1818-1889），并告诉他有一天他将为曾经见过焦耳而感到荣幸。这样的经历使他从小就对科学深感兴趣。他14岁上了曼彻斯特大学，19岁时拿到奖学金去剑桥大学的三一学院深造。毕业后留校工作。不久即接任卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）主任。

卡文迪许实验室创立于1871年，第一任主任是电磁学的创始人麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell，1831-1879）。麦克斯韦尔身体不好，只工作了几年就过世了。第二任主任是瑞利勋爵（John William Strutt，尊称Third Baron Rayleigh，1842-1919）。他不但学术精深，而且带头捐资为实验室筹得了大量资金购置设备。但他说好了只任5年。1884年汤姆逊接任实验室主任时年仅28岁（图3）。当时实验室主任遴选委员会的委员包括开尔文勋爵（William Thomson, First Baron Kelvin,1824-1907）,流体力学的创始人乔治·加布里埃尔·斯托克斯（George Gabriel Stokes）和达尔文的儿子、英国皇家学会院士乔治·霍华德·达尔文（George Howard Darwin，1845-1912）。汤姆逊的入选并非碰巧。汤姆逊虽然只是个助理教授，但已经发布了好几篇有影响力的文章。他设计的真空管很有创意和前景。而且他为人诚恳。所以瑞利勋爵力荐他接班。

图3，约瑟夫·约翰·汤姆逊（J.J.Thomson）

汤姆逊的真空管实验十分精巧（图4）。真空管的一头是加热器,另一头用于抽真空及注入不同的气体。气体在被加热后会产生射线（电磁波）。真空管的中间有一个线圈，根据电磁感应的原理，这个线圈既可以测量射线中的电磁波（电®磁），也可以控制电磁波（磁®电）。他根据射线穿过真空管时的偏转角度，计算出射线中电荷与粒子质量的比率。他发现，无论在真空管中使用哪种气体，这个比率都是相同的；据此他得出结论，组成气体的粒子是一样的。进而，他推论所有的物质都是由比原子小得多的相同的粒子所组成。他称这些粒子为“微粒”，这就是我们今天所称的电子。这一发现推翻了当时认为原子是物质最小基本单位的理论。他因此荣获1906年的诺贝尔物理奖。

图4，汤姆逊的真空管

接着，汤姆逊带领他的学生弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston，1877-1945）用真空管来研究带正电荷的离子。他们通过电离氖气产生氖离子，并引导氖离子流过电磁场，然后通过电磁场的偏转来测量电荷与氖元素质量之比。由此，他们发现氖有两种不同的原子结构（氖20和氖22），从而证明了氖元素有同位素（后来人们用这一方法发现许多元素的同位素）。此外，不同的元素质量不同，偏转角度也就不同，这就是质谱。他的学生阿斯顿因此获得了诺贝尔奖。

汤姆逊有一大批优秀的学生，其中获得诺贝尔奖的就有7位（表1）。他任卡文迪许实验室主任35年，把实验室建成了世界上最著名的实验室之一。

表1

表1，汤姆逊的7位获得诺贝尔奖的学生，表中第2行是共同发明质谱的阿斯顿。

从汤姆逊的真空管实验至今，经过一百年的发展，质谱仪已经成为一种标准的实验检测设备。它可以测出几乎所有物质的成分。图5是现代质谱仪的工作原理图。电子束把待测的样品加热至蒸发，从而产生离子或电子（统称粒子，particles）。粒子由磁场加速。加速后的粒子由另一个磁场根据质量与电荷之比分离。最后由粒子检测器（detector）读取检测结果。图6是一台质谱仪。它能检测的物质多达数千种，是物理分析、化学分析、环境监测等行业不可或缺的设备。

图5，质谱分析仪工作原理

图6，现代质谱仪

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色谱

色谱的方法是俄国植物家米哈伊尔·茨维特（Mikhail Semyonovich Tsvet，1872-1919）最先发明的。茨维特出生于意大利。他的父亲是一位俄国官员，他的母亲是一位意大利人。他出生不久母亲就过世了。他跟随父亲在瑞士长大，1893年在日内瓦大学获得学士学位，1896获得博士学位。同年，他的父亲应召回国，他也跟着回到了圣彼得堡。由于俄国不承认他国学位，茨维特一面教书一面又读了一个博士学位。1901年，他到华沙大学任教，在那里工作了13年（图7））。1914年，第一次世界大战爆发，华沙大学搬往俄国，他也随之搬了几次家，最后积劳成疾，病逝于沃罗涅什，终年仅47岁。

图7，米哈伊尔·茨维特

在茨维特的时代，科学家们已经知道物体是由多种不同的物质组成的。作为植物学家，茨维特想从植物中分离出叶绿素及其他颜料。他设计了一个精巧的实验，这个实验分五步：

这个实验简单易行，今天在中小学的实验室都可以做。

茨维特用这种方法分离出了叶绿素（绿色）、胡萝卜素（红色）和叶黄素（黄色），并把研究结果发表在德文的学术期刊上。他把这个方法叫做色谱法：Chromatography。这个词来此希腊语“chroma”和“graphein”的组合；前者意为颜色，后者意为图，加起来就是色图（色谱）。

图8，茨维特的色谱法工作原理

当时茨维特的工作没有得到多少重视。这也许是因为这个技术还是实验性质，科学家们不清楚流体相的流体与固体相的粉末是怎样相互作用的。也不清楚分离出来的成分纯度有多高，后来，科学家们渐渐认识的这个相互作用来自一系列微小的力（如表面张力、范德华力、原子的吸引力、排斥力等）。通过固体相和液体相的精确组合，物质分离的精度可以达到极高的水平。

20世纪30年代有人用这一方法分离出了维生素A。色谱技术开始受到重视。

到了60年代，专业的色谱仪器开始出现。经过数十年的发展，现在的色谱仪主要有两种：（1）气相色谱仪

如图9所示，它的流体相是惰性气体（如氮气或氦气），固体相的色谱柱（column⑥）放置在炉子（oven⑤）。流体相的惰性气体把注入的样品带进色谱柱，加热了的色谱柱可以加速样品的分离，检测器（detector⑦）检测出分离结果并由数据系统（data system⑧）显示、记录。它的测量精度可达微克（mg）。图10是一台现代化的气-液色谱仪。与气相色谱仪相似的是气-液色谱仪（Gas-Liquid Chromatography）。它用固定液（通常是沸点高、难以挥发的聚合物）作为固体相。样品会在固定液中经历溶解、挥发、再溶解、再挥发的过程，样品的分离不但彻底而且快速。

图9，气相色谱的工作原理

图10，气-液色谱仪

（2）液相色谱仪或高效液相色谱仪

如图11所示，高效液相色谱仪会使用多种液体（solvent）作为流体相，这些液体抽去气体后混合并加压注入预处理用的色谱柱（pre-column），然后携带注入的样本进入色谱柱（column）。色谱柱的技术是关键，常用的材料是各种各样的硅胶。分离的结果可用多种方法读出，如光电管（diode array）、荧光检测器（fluorescence）及光折射检测器（refractive index）等。图12是一款高效液相色谱仪。与高效液相色谱仪相似的是反相色谱仪（reversed phase chromatography）。前者的流体相通常是有极性的，色谱柱则没有极性。这会使得分离的效率降低。后者使用没有极性的液体（如水-甲醇），色谱柱则具有极性，分离的效率较高。

图11，高效液相色谱的工作原理

图12，高效液相色谱仪

色谱仪可以检测出物质的各个组分，在化学、医学、工程、农业、商检和法检中都是必不可少的。

色谱法和质谱法的关键区别在于，色谱法用于分离混合物中的组分，而质谱法着重于检测样品组分的确切性质（如分子量）。我们可以结合液相色谱法和质谱法来分离物质的组分，然后对每一个组分进行鉴定。这就是液相色谱/质谱仪了（Liquid Chromatography / Mass Spectrometry, LC/MC）。(图13)

图13，液相色谱/质谱（LC/MC）仪

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