MS基本原理與儀器結(jié)構(gòu)

1、 基本原理：使待測的樣品分子氣化，用具有一定能量的電子束（或具有一定能量的快速原子）轟擊氣態(tài)分子，使氣態(tài)分子失去一個電子而成為帶正電的分子離子。分子離子還可能斷裂成各種碎片離子，所有的正離子在電場和磁場的綜合作用下按質(zhì)荷比（m/z）大小依次排列而得到譜圖。10/9/20221質(zhì) 譜 儀 通過進樣系統(tǒng)，使微摩爾或更少的試樣蒸發(fā)，并讓其慢慢地進入電離室，電離室內(nèi)的壓力約為10-3Pa。由熱燈絲流向陽極的電子流，將氣態(tài)樣品的原子或分子電離成正、負離子（但一般分析正離子)，在狹縫A處，以微小的負電壓將正負離子分開，此后，借助于A、B間幾百至幾千伏的電壓，將正離子加速，使垂直于狹縫的正離子流，通過狹縫B

2、進入真空度高達10-5Pa的質(zhì)量分析器中，根據(jù)離子質(zhì)荷比的不同，其偏轉(zhuǎn)角度也不同，質(zhì)荷比大的偏轉(zhuǎn)角度小，質(zhì)荷比小的偏轉(zhuǎn)角度大，從而使質(zhì)量數(shù)不同的離子在此得到分離。若改變粒子的速度或磁場強度，就可將不同質(zhì)量數(shù)的粒子依次焦聚在出射狹縫上。通過出射狹縫的離子流，將落在一收集極上，這一離子流經(jīng)放大后，即可進行記錄，并得到質(zhì)譜圖。 質(zhì)譜圖上信號的強度，與達到收集極上的離子數(shù)目成正比。10/9/20222A: 離子的相對強度(Y axis)B: 離子的質(zhì)量與電荷比(m/z, X axis)C: 質(zhì)譜圖中最強的峰稱為基峰(base peak)D: 相對于特定的檢測器時稱為峰的絕對強度E: 所有質(zhì)譜峰對應的是

3、離子電信號強度和離子應在的m/z位置而非真實的離子強度和離子.F: 棒狀譜(centroidal peak)G: 高斯峰(gauss peak)F質(zhì)譜圖意義G10/9/20223蛋白質(zhì)高斯狀峰棒狀峰10/9/20224原理與結(jié)構(gòu)電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖10/9/20225計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)真空系統(tǒng) 加速區(qū)進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器檢測器 質(zhì)譜計框圖產(chǎn)生氣相離子離子轉(zhuǎn)換成電信號按離子的質(zhì)量與電荷比分離離子10/9/202261、進樣化合物通過汽化引入離子化室；2、離子化在離子化室，組分分子被一束加速電子碰撞（能量約70eV），撞擊使分子電離形成正離子；M M+ + e或與電子結(jié)合，形成負離子M

4、+ e M10/9/202273、離子也可因撞擊強烈而形成碎片離子：4、荷電離子被加速電壓加速，產(chǎn)生一定的速度v，與質(zhì)量、電荷及加速電壓有關(guān)：10/9/202285、加速離子進入一個強度為H的磁場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，半徑為：將（1）（2）合并：當 r 為儀器設置不變時，改變加速電壓或磁場強度，則不同m/z的離子依次通過狹縫到達檢測器，形成質(zhì)量譜，簡稱質(zhì)譜。10/9/20229 質(zhì)譜儀的分辨本領(lǐng)由幾個因素決定：（i）離子通道的半徑；(ii）加速器與收集器狹縫寬度；（iii）離子源的性質(zhì)。 質(zhì)譜儀的分辨本領(lǐng)幾乎決定了儀器的價格。分辨率在500左右的質(zhì)譜儀可以滿足一般有機分析的要求，此類儀器的質(zhì)量分析器一般

5、是四極濾質(zhì)器、離子阱等，儀器價格相對較低。若要進行準確的同位素質(zhì)量及有機分子質(zhì)量的準確測定，則需要使用分辨率大于10000的高分辨率質(zhì)譜儀，這類質(zhì)譜儀一般采用雙聚焦磁式質(zhì)量分析器。目前這種儀器分辨率可達100000，當然其價格也將會是低分辨率儀器的4倍以上。10/9/202210質(zhì)譜計的主要技術(shù)指標 分辨率（R）：分辨率是質(zhì)譜計分開相鄰兩單電荷離子質(zhì)量 的能力。 分辨率（ R ）是兩峰間的峰谷為峰高的10%時的測定值，或兩峰各以5%的高度重疊。 R = m /m m 為質(zhì)譜計可分辨的相鄰兩峰的質(zhì)量差M 為可分辨的相鄰兩峰中較高的質(zhì)量數(shù)10/9/202211 而在實際工作中，有時很難找到相鄰的且

6、峰高相等的兩個峰，同時峰谷又為峰高的10。在這種情況下，可任選一單峰，測其峰高5處的峰寬W0.05，即可當作上式中的m，此時分辨率定義為 R = m/W0.05 如果該峰是高斯型的，上述兩式計算結(jié)果是一樣的。 10/9/20221210/9/202213 例：要鑒別N+2（m/z為28006）和CO+（m/z為27995）兩個峰，儀器的分辨率至少是多少? 在某質(zhì)譜儀上測得一質(zhì)譜峰中心位置為245u，峰高5處的峰寬為0.52u，可否滿足上述要求？ 解: 要分辨N+2和CO+，要求質(zhì)譜儀分辨率至少為： 質(zhì)譜儀的分辨率： Rsp=245/0.52=471 RspRneed， 故不能滿足要求。 10/

7、9/202214準確度(accuracy); ppm (part per million)穩(wěn)定性(stability):儀器在一定時間間隔內(nèi)某離子的m/z測量值的變化.動態(tài)范圍(dynamic range): 在動態(tài)范圍內(nèi), 樣品量與儀器輸出的信號應成正比例關(guān)系.質(zhì)量范圍： 指質(zhì)譜計所檢測的單電荷離子的質(zhì)核比范圍. 10/9/202215(1)質(zhì)量測定范圍 質(zhì)譜儀的質(zhì)量測定范圍表示質(zhì)譜儀所能夠進行分析的樣品的相對原子質(zhì)量（或相對分子質(zhì)量）范圍，通常采用原子質(zhì)量單位（unified atomic mass unit，符號u）進行度量。原子質(zhì)量單位是由12C來定義的，即一個處于基態(tài)的12C中性原子

8、的質(zhì)量的1/2，即=1.6605410-24g/12C原子=1.6605410-27kg/12C原子10/9/202216 而在非精確測量物質(zhì)的場合，常采用原子核中所含質(zhì)子和中子的總數(shù)即“質(zhì)量數(shù)”來表示質(zhì)量的大小，其數(shù)值等于其相對質(zhì)量數(shù)的整數(shù)。 測定氣體用的質(zhì)譜儀，一般質(zhì)量測定范圍在2100，而有機質(zhì)譜儀一般可達幾千?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀甚至可以研究相對分子質(zhì)量達幾十萬的生化樣品。 10/9/202217(3)靈敏度 質(zhì)譜儀的靈敏度有絕對靈敏度、相對靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。 絕對靈敏度是指儀器可以檢測到的最小樣品量；相對靈敏度是指儀器可以同時檢測的大組分與小組分含量之比；分析靈敏度則指輸入儀器

9、的樣品量與儀器輸出的信號之比。 10/9/20221810/9/202219進樣系統(tǒng)(inlet system) 離子源(ion source)質(zhì)量分析器（mass analyzer）檢測器（detecter） 真空系統(tǒng)（Vacuum system）二、質(zhì)譜儀的組成10/9/2022201、樣品引入系統(tǒng)氣體直接導入或用氣相色譜進樣液體加熱汽化或霧化進樣固體用直接進樣探頭10/9/202221進樣系統(tǒng)10/9/202222單聚焦質(zhì)譜儀10/9/202223真空系統(tǒng): 質(zhì)譜儀的離子產(chǎn)生及經(jīng)過系統(tǒng)必須處于高真空狀態(tài)（離子源真空度應達1.310-4-1.310-5Pa，質(zhì)量分析器中應達1.310-6P

10、a）。 若真空度過低，則會造成離子源燈絲損壞，本底增高、副反應過多，從而使圖譜復雜化、干擾離子源的調(diào)節(jié)、加速極放電等問題。 一般質(zhì)譜儀都采用機械泵預抽空后，再用高效率擴散泵連續(xù)地運行以保持真空。現(xiàn)代質(zhì)譜儀采用分子泵可獲得更高的真空度。為避免離子與氣體分子的碰撞，離子源和質(zhì)量分析器的壓力在104 - 105 Pa 和 105 - 106 Pa。10/9/202224進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)目的是高效重復地在不破壞真空度的情況下，使樣品進入離子源。 常用的進樣裝置有三種類型：間歇式進樣系統(tǒng)、直接探針進樣、色譜進樣系統(tǒng)（GC-MS、HPLC-MS）和高頻感藕等離子體進樣系統(tǒng)（ICP-MS）等。 氣體可通過儲

11、氣器進入離子源。易揮發(fā)的液體，在進樣系統(tǒng)內(nèi)汽化后進入離子源。難揮發(fā)的液體或固體樣品，通過探針直接插入離子源。10/9/202225卡式進樣系統(tǒng)具有極好的抗腐蝕性和快速沖洗特征。由惰性多聚物材料構(gòu)成的噴霧室以圓錐壯撞擊球設計，以降低記憶效應。 霧化室由一個Peltier半導體制冷裝置冷卻和精確的溫度控制，具有極高的穩(wěn)定性和最少的多原子離子形成。帶有藍寶石、氧化鋁和鉑制噴射管的半可拆式管矩。Thermo Optek-VG PQ ExCell ICP-MS卡式進樣系統(tǒng)10/9/202226離子源離子源的作用是使樣品分子轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子。分子失去電子，生成帶正電荷的分子離子 分子離子可進一步裂解，生成質(zhì)量更

12、小的碎片離子 M+eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片 R.50-70eV10/9/202227 離子源與高真空系統(tǒng)連接小分子，中性碎片，自由基被抽出. 在離子源的出口，對離子施加一個加速電壓(1000 - 8000eV), 加速后的離子通過狹縫，直線射入質(zhì)量分析器。離子加速電壓值因質(zhì)量分析器不同而不同。 離子化的方法下面進一步介紹。10/9/202228離子化的方法電子轟擊電離 Electron Impact Ionization, EI化學離子化 Chemical Ionization, CI場電離，場解吸 Field Ionization FD, F

13、ield Desorption FD快原子轟擊 Fast Atom Bombardment, FAB基質(zhì)輔助激光解析電離 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI電噴霧電離 Electrospray Ionization, ESI大氣壓化學電離 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI10/9/202229（1） 電子電離源(electron ionization EI)由陰極發(fā)射電子束，通過離子化室到達陽極，電子能量70eV，有機化合物的電離電位8-15eV。可在平行電子束的方向附

14、加一弱磁場，使電子沿螺旋軌道前進，增加碰撞機會，提高靈敏度。10/9/202230特點： 碎片離子多，結(jié)構(gòu)信息豐富， 有標準化合物質(zhì)譜庫； 不能汽化的樣品不能分析； 有些樣品得不到分子離子；10/9/202231（2）化學電離源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3結(jié)構(gòu)與EI同，但是在離子化室充CH4，電子首先將CH4離解，其電離過程如下：生成的氣體離子再與樣品分子M反應： CH5 + + M CH4 + MH+10/9/202232特點： 得到一系列準分子離子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+

15、等等；CI源的的碎片離子峰少，圖譜簡單，易于解釋；不適于難揮發(fā)成分的分析。10/9/202233 （3）快原子轟擊(fast atom bombardment FAB)高能量的Xe原子轟擊涂在靶上的樣品，濺射出離子流。本法適合于高極性、大分子量、低蒸汽壓、熱穩(wěn)定性差的樣品。FAB一般用作磁式質(zhì)譜的離子源。10/9/202234（4）電噴霧源(electronspray ionization ESI)結(jié)構(gòu)：噴嘴，霧化氣，干燥氣原理：噴霧 蒸發(fā) 電壓噴霧針帶電液滴溶劑揮發(fā)樣品離子小孔板噴霧針尖電壓小孔板電壓電場方向圖2-1 樣品在ESI接口中的離子化過程10/9/202235特點：適用于強極性，大

16、分子量的樣品分析 如肽，蛋白質(zhì)，糖等2 產(chǎn)生的離子帶有多電荷3 主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀10/9/2022363、質(zhì)量分析器(mass analyzer)1 單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4 離子阱分析器 (Ion trap)5 飛行時間分析器(time of flight）6 富立葉變換離子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）10/9/202237質(zhì)量分

17、析器 質(zhì)量分析器是質(zhì)譜計的核心。質(zhì)量分離器的作用是將離子源中形成的離子按m/e大小分開，質(zhì)量分離器可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類。 靜態(tài)分離器采用穩(wěn)定不變的電磁場，按照空間位置將m/e不同的離子分開，單、雙聚焦磁場分離器屬于這一類。 動態(tài)分離器采用變化的電磁場，按照時間或空間來區(qū)別m/e的離子，屬于這一類的有飛行時間分離器、四極濾質(zhì)器分離器。不同類型的質(zhì)量分析器構(gòu)成不同類型的質(zhì)譜計。 不同類型的質(zhì)譜計其功能，應用范圍，原理， 實驗方法均有所不同。 10/9/202238收集器離子源BS1S2磁場R質(zhì)量分析器 磁分析器, 靜電分析器1、磁分析器- 單聚焦質(zhì)譜計只有一扇形磁場的質(zhì)量分析器又稱為磁分析器。 加

18、速后離子具有一定的動能: （ ），該動能是由離子在加速電場獲得的電勢能（zV）轉(zhuǎn)化的。 10/9/202239 加速后的離子進入磁場， 其運動方向( I )和磁力線的方向(B)相互垂直。 離子受到一個與其運動方向和磁力線的方向都垂直的力(F)的作用，三者的關(guān)系可用左手定則確定。 離子沿著I和B合力的方向運動，即受到磁場的偏轉(zhuǎn)作弧形運動。 10/9/202240結(jié)合 ，導出 當儀器的狹縫固定(R=常數(shù))，B由小到大改變（掃場），則離子按m/z由小到大通過狹縫，到達檢測器，被收集并記錄下各質(zhì)荷比的離子的相對強度。 相同m/z的離子，速度相同，色散角不同，經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后，會重新聚在一點上。即靜磁場具有

19、方向聚焦，稱之單聚焦。 離子作弧形運動的離心力（ ）和受磁場作用的向心力( Bzv ) 大小相等。10/9/2022412、靜電分析器 + 磁分析器- 雙聚焦質(zhì)譜計 靜電分析器由兩個同心圓板組成，兩圓板之間保持一定的電位差(E)。 離子源收集器磁場電場S1S2+-10/9/202242 靜電分析器加在磁分析器之前。加速后的離子在靜電分析器中, 受到外斥內(nèi)吸的電場力(zE)的作用, 迫使離子作弧形運動。 靜電分析器只允許具有特定能量的離子通過,達到能量聚焦,提高儀器分辨率。 結(jié)合 ， 導出10/9/202243優(yōu)點：a). 高重現(xiàn)性(穩(wěn)定性); b). 最好定性分析工具; c). 可以實現(xiàn)高分辨

20、; d). 高靈敏度; e). 寬的動態(tài)范圍; f). 可以實現(xiàn)多級質(zhì)譜的串聯(lián); g). 高能collision-induced dissociation (CID) 譜重現(xiàn)性好. 缺點: a). 不能較好的與脈沖離子化技術(shù)聯(lián)用(如: MALDI); b). 造價高, 體積大; c). 聯(lián)動掃描MS/MS譜的分辨率低.應用: a). 所有的有機質(zhì)譜分析方法; b). 精確質(zhì)量測量; c). 定量分析; d). 同位素風度比的測量.10/9/202244儀器結(jié)構(gòu)色譜-四極桿質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)示意圖10/9/202245四極桿質(zhì)量分離器10/9/202246 如果有一質(zhì)量為m，電荷為e，具有一定速度v0的

21、離子從Z方向射入四極場中，由于在X軸和Y軸方向存在交變電場，離子要進行振蕩運動.當w，u和v為某特征值時，只有具有一定質(zhì)荷比的離子能沿著Z軸方向通過四極場到達接收器，這樣的離子稱為共振離子。質(zhì)荷比為其他值的離子，因其振蕩幅度大，撞在電極上，這樣的離子稱為非共振離子。在r (場半徑)和e一定的條件下，通過四極場的正離子質(zhì)量由u，v和w決定，改變這些參數(shù)就能使離子按m/e大小順序依次通過射頻四極場實現(xiàn)質(zhì)量分離。 10/9/202247100 四 極 50 質(zhì) 譜 磁質(zhì)譜 100 200 300 400 500 m/z 由圖可知：在四極質(zhì)譜中小質(zhì)量的靈敏度大于大質(zhì)量，在大質(zhì)量處強度很低，產(chǎn)生質(zhì)量歧視

22、。例：質(zhì)量69的離子傳輸效率比質(zhì)量500的離子高400倍。質(zhì)量歧視是四極質(zhì)譜的一個嚴重缺點，由于這一問題的存在，使得磁質(zhì)譜儀的標準譜圖與四極質(zhì)譜儀的相應譜圖有差異。質(zhì)量歧視的主要原因：高質(zhì)量下離子速度小，入射到四極場的幾率減小。 10/9/202248優(yōu)點: a). 可獲得經(jīng)典的質(zhì)譜圖; b). 重現(xiàn)性好; c). 以其體積較小, 造價較低; d). 在三級四極桿串聯(lián)質(zhì)譜分析器上或四極桿分析器與磁質(zhì)譜(飛行時間)分析器組成的混合串聯(lián)分析器上可獲得低能CID譜;缺點: a). 峰強度與峰的質(zhì)荷比有關(guān); b). 分辨率低; c). 不能較好地與脈沖離子化技術(shù)結(jié)合(如:MALDI); d). col

23、lision-induced dissociation (CID) MS/MS spectra 與collision energy, collision gas, pressure 有關(guān). 應用: a). 多數(shù)臺式質(zhì)譜儀, GC/MS 和 LC/MS 系統(tǒng); b). 串聯(lián)三級四極桿質(zhì)譜儀,MS/MS; c). 磁分析器與四極桿分析器組成混合型串聯(lián)質(zhì)譜儀,MS/MS. 10/9/2022495、 離子阱質(zhì)譜儀 (Ion trap mass spectrometer )時間串聯(lián)質(zhì)譜儀10/9/202250優(yōu)點：a). 可以實現(xiàn)多級串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)； b). 結(jié)構(gòu)緊湊。缺點：a). 動態(tài)范圍窄，不適合用

24、于定量分析； b). 存在空間電荷效應和離子-分子反應； c). CID過程中的碰撞能量大小不能確定； d). 多個儀器參數(shù)影響質(zhì)譜中離子的分布， 如：活化能、捕獲時間、檢測器條件等。應用: a). 臺式的GC/MS, LC/MS/MS; b). 目標化合物的篩選; c). 氣相離子化學研究. d). 肽序列測定10/9/2022516、 飛行時間質(zhì)譜儀(Time-of-flight mass spectrometer)m為離子的質(zhì)量，q為離子所帶的電荷，L為離子飛行的距離，v為離子的飛行速度，V為離子的加速電壓，z為離子所帶的電荷數(shù)，e微電子的電量。10/9/202252飛行時間質(zhì)量分析器1

25、0/9/202253優(yōu)點:可獲得高分辨質(zhì)譜；可實現(xiàn)快速的離子傳輸；可以較好地與脈沖離子化電離技術(shù)聯(lián)用，如：MALDI等；高的例子傳輸效率；利用post-source decay (PSD) 技術(shù)可以快速實現(xiàn)MS/MS技術(shù)；具有較寬的質(zhì)量范圍;利用ToF-ToF可以實現(xiàn)MS/MS.缺點:需要以脈沖開關(guān)；需要快速數(shù)字轉(zhuǎn)換器;有限的動態(tài)范圍.應用：MALDI-ToF；GC/EI(CI)-ToF ;可用于有機化合物的分析；生物大分子的分析；肽譜10/9/202254檢測記錄系統(tǒng) 質(zhì)量分析器分離并加以聚焦的離子束，按m/z 的大小依次通過狹縫，到達收集器。經(jīng)接收放大后被記錄。質(zhì)譜儀常用的檢測器有法拉第杯、電子倍增器及閃爍計數(shù)器、照相底片等。 現(xiàn)代質(zhì)譜儀一般都采用較高性能的計算機對產(chǎn)生的信號進行快速接收與處理，同時通過計算機可以對儀器條件等進行嚴格的監(jiān)控，從而使精密度和靈敏度都有一定