質(zhì)譜法離子源和分析器

1、質(zhì)譜法電離源和質(zhì)量分析器1、組成部分 燈絲：鎢、錸或錸鎢絲，發(fā)射電子，電離樣品 收集極：接收燈絲發(fā)射的電子 推斥極：推出產(chǎn)生的樣品離子 永久磁鐵：使電子做螺旋運(yùn)動(dòng)，增加電離幾率2、電離效率曲線 燈絲產(chǎn)生的電子被加速到70eV,保證電離的重現(xiàn)性。為什么？電離效率隨電子能量的升高而升高，當(dāng)達(dá)50eV時(shí)，基本達(dá)到最大值，實(shí)驗(yàn)上設(shè)定電子能量為70eV。 此時(shí)，產(chǎn)生的譜圖有穩(wěn)定的指紋特征。電離效率曲線電子能量對(duì)質(zhì)譜圖的影響204060801001201400204060801007710512220 eVRelative Abundancem/z20406080100120140020406080100

2、1229 eVRelative Abundancem/z2040608010012014002040608010039517710512270 eVRelative Abundancem/z不同能量下獲得的苯甲酸的質(zhì)譜圖 利用反應(yīng)氣體的離子與樣品分子相互反應(yīng)，而使樣品分子離子化，本質(zhì)是化學(xué)過程，故稱化學(xué)電離。 離子出品的縫隙減小，使高子室內(nèi)的壓力保持在0.5-1.0Torr。 電子轟擊化學(xué)電離氣體，不直接作用于樣品分子。 推斥電極電壓：0V，增加源內(nèi)停留時(shí)間，有利于離子-分子反應(yīng)。 化學(xué)電離試劑：甲烷、異丁烷、氨氣，氫氣，水、甲醇、胺等。 以甲烷為例，化學(xué)電離源內(nèi)的有關(guān)離子-分子反應(yīng)， CH4

3、 + e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+ CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 CH5+ + XH XH2+ + CH4 C2H5+ + XH XH2+ + C2H4 C2H5+ + XH X+ + C2H6化學(xué)電離離子-分子反應(yīng)常見類型q 質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng) BH+ + M MH+ + Bq 氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移反應(yīng) BH+ + M M-H+ + BH2q 電荷交換反應(yīng) B+ + M B + M+q 加成反應(yīng) BH+ + M BHM+ 或 BMH+快原子轟擊(Fast Atom Bombardment, F

4、AB), Ar原子 快離子轟擊(Fast Ion Bombardment, FIB) Cs離子FAB： Ar 與被加速到20kV的Ar+進(jìn)行彈性碰撞，使Ar獲得相應(yīng)的動(dòng)能，射向樣品靶，產(chǎn)生轟擊作用。FIB： Cs+由CsI加熱后放出來，然后通過電場(chǎng)加速到20kV，射向樣品靶，產(chǎn)生轟擊作用。 適用于極性分子的分析，生物分子，質(zhì)量在2000以內(nèi)。基質(zhì)的作用： 一般為強(qiáng)極性分子，對(duì)快原子或快離子有較強(qiáng)的吸收能力，可使進(jìn)樣品溶液溶解，溶劑揮發(fā)后，基質(zhì)結(jié)晶，樣品均勻分布于該結(jié)晶體中，轟擊時(shí)一起蒸發(fā)。基質(zhì)分子量沸點(diǎn)C背景離子應(yīng)用甘油92182/20mmMH+, MH+nM+普通基質(zhì)硫甘油108118/5m

5、mM-H2O+, MH+nM+肽、抗生素間硝基芐醇153175/3mmMH+, MH+nM+肽、蛋白質(zhì)二乙醇胺105217/150mmMH+, MH+nM+多糖三乙醇胺149190/5mmMH+, MH+nM+多糖硫代二甘醇94-M-H2O+, MH+nM+金屬有機(jī)物二硫蘇糖醇二硫赤糖醇(5:1)120-M-H2S-H2+,MH+nM+金屬有機(jī)物,肽四亞甲基砜120285MH+, 2M+H+肽聚乙二醇62+n(44)-(CH2CH2O)H+, MH+多糖FAB/FIB常用基質(zhì)試樣溶解或懸浮于基質(zhì)中，激光束輻射到基質(zhì)和試樣分子上。基質(zhì)吸收激光束能量后汽化，部分試樣分子伴隨基質(zhì)的汽化而解吸?；|(zhì)吸

6、收大部分激光能量，減少了試樣分子被激光能量破壞及過度電離成碎片離子。激光：固體氮激光，紫外光 波長(zhǎng)： 337nm 功率：106108W/cm2 脈沖時(shí)間：10-610-9秒關(guān)于基質(zhì)：極性化合物 溶解樣品芳環(huán) 吸收激光易結(jié)晶 均勻分散樣品分子 MALDI常用基質(zhì)基質(zhì)性狀適用波長(zhǎng)應(yīng)用煙酸固體266nm, 2.94m,10.6m 蛋白質(zhì)2,5-二羥基苯甲酸固體266nm, 2.94m,10.6m蛋白質(zhì)芥子酸固體266nm, 337nm,355nm, 2.94m蛋白質(zhì)-氰基-4-羥基肉桂酸固體337nm,355nm蛋白質(zhì)3-羥基吡啶甲酸固體337nm,355nm核酸、配糖體2-(4-羥基苯偶氮)苯甲酸

7、固體266nm, 337nm蛋白質(zhì)、配糖體琥珀酸固體2.94m,10.6m蛋白質(zhì)、核酸間硝基芐醇液體266nm蛋白質(zhì)甘油液體2.94m,10.6m蛋白質(zhì)鄰硝苯基辛基醚液體266nm, 337nm, 355nm合成高分子 蛋白質(zhì)組分析。 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn) ： 質(zhì)量范圍可達(dá)50萬(wàn)Da。 高靈敏度，可測(cè)至10-1210-15摩爾。 軟電離，沒有或很少有碎片離子，可用于分析混合物。 可容納毫摩爾級(jí)的鹽。缺缺 點(diǎn)點(diǎn) ： 基質(zhì)背景易干擾質(zhì)量數(shù)1000Da以內(nèi)的物質(zhì)分析。 激光解析電離可能導(dǎo)致被分析物分解。 毛細(xì)管 直徑0.10.2mm。 噴霧電壓：毛細(xì)管尖端與離子引入口之間，38kV。 殼氣(Sheath ga

8、s), 從毛細(xì)管端與噴霧反向加熱后流出。 離子通過取樣錐(Skimmer)和毛細(xì)管(Capillary)傳送至光學(xué)聚焦系統(tǒng)。電噴霧電離的基本過程 電場(chǎng)下的噴霧 帶電霧滴 殼氣的作用下 溶劑的蒸發(fā) 電荷的庫(kù)侖作用 帶電霧滴的解體 Rayleigh 極限 表面張力和庫(kù)侖斥力的平衡點(diǎn)Reproduced from Kebarle, P. J. Mass Spectrom. 2000, 35, 804-817.電噴霧電離產(chǎn)生多電荷離子：可以用質(zhì)譜儀的小的質(zhì)量范圍測(cè)定大的生物分子，相當(dāng)于將質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍放大的n倍。q 例 肌紅蛋白電噴霧質(zhì)譜圖 帶1030個(gè)電荷的系列分子離子 毛細(xì)管樣品送入加熱管中，該

9、管可以達(dá)到300C以上。 在加熱管中溶劑揮發(fā)。 加熱管出口處放置電暈(Corona )放電裝置, 使揮發(fā)出來的溶劑分子 電離，形成等離子體。 等離子體與樣品分子反應(yīng)，生成MH+或MH準(zhǔn)分子離子。APCI特點(diǎn) 軟的電離方式，樣品直接從液從中拉出來的，不是蒸發(fā)，基本 不產(chǎn)生分解，電離過程屬于離子-分子反應(yīng)，與CI原理相似。 快速地適合高低含量水溶液的流動(dòng)相，可作梯度分析。 單電荷峰，實(shí)現(xiàn)源內(nèi)CID。Molecular WeightNon-PolarPolarEI/CIElectrosprayAPCI100,0001000Which Ionisation Mode?儀器的加速電壓V：使離子具有高的動(dòng)

10、能，快速通過磁場(chǎng)、電場(chǎng)和無(wú)場(chǎng)區(qū)。某一離子：質(zhì)量為m，電荷價(jià)態(tài)為z，從加速電場(chǎng)獲取的電能為zeV。 該離子的動(dòng)能為1/2mv2 v為離子的運(yùn)動(dòng)速度，兩個(gè)能量是相等的。 即：4.1.4 質(zhì)量分析器 種類繁多，磁場(chǎng)、電場(chǎng)、射頻場(chǎng)對(duì)電荷離子的控制作用。離子在扇形磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)zeVmv 2211、離子在扇形磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)e2rrmvzeE 將離子動(dòng)能 mv2/2=zeV 代入上式，則得：re2EVr 半徑為re圓弧上，電場(chǎng)強(qiáng)度為：其中E為靜電場(chǎng)的電壓。若Er固定，則離子運(yùn)動(dòng)半徑隨加速電壓的改變而改變，因此靜電場(chǎng)是能量分析器。離子在扇形電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)2、離子在扇形電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)Er 為離子運(yùn)動(dòng)軌道上的電場(chǎng)強(qiáng)度r

11、e 為離子在電場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，即電場(chǎng)的半徑。21er/ln21rrErE 代入 re = 2V/Er中得：E = V lnr1/r2, r1和r2是固定的。所以，在雙聚焦質(zhì)譜儀中，靜電場(chǎng)電壓與加速電壓維持著一定的比例關(guān)系。2、雙聚焦質(zhì)譜儀基本原理扇形磁場(chǎng) 質(zhì)量色散，分析離子原因，實(shí)際上是動(dòng)量分析器。 方向聚焦，相同質(zhì)量和相同速度的離子，從同一點(diǎn)以不同角度入 射到磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中所走軌跡不同，但在磁場(chǎng)后可 集中于某一點(diǎn)，與方向無(wú)關(guān)。靜電分析器 能量分析器 方向聚集，同磁場(chǎng)。離子源中引出的離子： 運(yùn)動(dòng)方向不平行。（角色散） 存在能量色散，初始的溫度分布和電子轟擊時(shí)所產(chǎn)生的附加動(dòng)能。雙聚集ES

12、A使由離子源發(fā)散出來的離子束按動(dòng)能聚焦成一系列的點(diǎn)，再經(jīng)磁場(chǎng)將具有相同質(zhì)核比分開的離子束再聚焦到一點(diǎn)。兩組四極桿分別加上 +(u+Vcost) 和 (u+Vcost)，其中u直流電壓部分，Vcost為射頻電壓部分 = 2f, f為頻率。理想的四極場(chǎng)為雙曲線型，但加工的困難，用四根桿代替。在四極場(chǎng)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)為：2022)cos()(ryxtVuxyt在場(chǎng)的中心和兩條對(duì)角線上的任何一點(diǎn)電位為零。離子在射入四極場(chǎng)后，其運(yùn)動(dòng)方程 ma = eE a為離子加速度，E電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度為電位的導(dǎo)數(shù)。則上式在直角坐標(biāo)系展開為：在四極場(chǎng)中任一點(diǎn)的電場(chǎng)為：zedtzdmyedtydmxedtxdm222222

13、代入上式得：0cos2cos22220222022dtzdmyrt)Ve(udtydmxrt)Ve(udtxdm令：248220220tmreVqmreua合并上幾式得：02cos202cos22222y)q(adxdmx)q(adxdmMathieu 方程Mathieu方程解，復(fù)雜，與邊界條件密切相關(guān)。以a, q為坐標(biāo)，方程的解作圖，三個(gè)區(qū)：穩(wěn)定區(qū)，x不穩(wěn)定區(qū)，y不穩(wěn)定區(qū)。a, q都是交直流電壓幅值、頻率和時(shí)間的函數(shù)，可由儀器設(shè)定和調(diào)節(jié)，r0 是儀器中心到四極桿的徑向距離，其值是確定的。掃描線：與穩(wěn)定區(qū)相截并且 通過原點(diǎn)的直線。在這條直線上， 各處的a/q比值都為常數(shù)，即 u/V = a/q

14、 亦為常數(shù)。 同質(zhì)荷比的離子對(duì)應(yīng)有不同的a, q值，對(duì)于具有使 u/V = a/q為常數(shù)的離子來說，其a和q值均在掃描線上。如果其值恰好處于掃描線和穩(wěn)定區(qū)的兩個(gè)邊界交點(diǎn)(A，A)之間，則該離子落在穩(wěn)定區(qū)之內(nèi)。 改變u/V 的比值，掃描線斜率變化，增加，AA長(zhǎng)度減小，即能夠穩(wěn)定的離子減小，分辨率增加。AA長(zhǎng)度僅與u/V比值有關(guān)。 固定u/V比值(即保持AA長(zhǎng)度不變，也就是分辨率不變)，改變V的幅值，可使不同質(zhì)荷比的離子先后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，順序通過四極桿之后被接收，得到一組不同質(zhì)荷比的質(zhì)譜。穩(wěn)定區(qū): 離子產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，沿z方向通過四極桿。不穩(wěn)定區(qū): 離子振幅不斷增大，最后飛出四極場(chǎng)或與z和y電極碰撞

15、中和。離子阱質(zhì)譜由四極桿質(zhì)譜儀發(fā)展而來。四極桿變?yōu)榄h(huán)極，四極桿兩端加端帽。端帽和環(huán)極上均加有直流電壓U，射頻電壓 (振幅為V，角頻率) 。離子的運(yùn)動(dòng)仍由Mathieu方程描述。較理想的離子阱質(zhì)量分析器：r02 = 2z02 Mathieu方程的解：藍(lán)色區(qū)為穩(wěn)定區(qū)，其它為不穩(wěn)定區(qū)，空間分布，這里僅是一個(gè)截面。捕集時(shí)(Trapping)，設(shè)定U, V 和 ，使各種離子在藍(lán)色區(qū)域的最式邊。掃描時(shí)(Scanning)，給定U, V 和 ，使掃描線按 qz=0 的由左到右進(jìn)行，離子從小質(zhì)荷比到大的質(zhì)荷比依次排出到檢測(cè)器。 離子阱中引入10-3 Torr 氦氣，使離子運(yùn)動(dòng)受到阻尼，提高離子軌跡的穩(wěn)定性，進(jìn)

16、而提高儀器的分辨率和靈敏度。離子源中的離子經(jīng)加速電壓獲得的速度為：其中 ze為電荷，V為加速電壓，m為質(zhì)量。mzeVv2飛行管長(zhǎng)度L，到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間為：質(zhì)量越大，飛行時(shí)間越長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)分離。zeVmLvLt2m1和m2兩個(gè)離子：zeVmmLt2)(21用已知樣品進(jìn)行校正，得到未知離子的質(zhì)量。ttmm2儀器的分辨率近似為：提高加速電壓，增長(zhǎng)飛行管長(zhǎng)度，都可提高分辨率。但導(dǎo)致分辨率較低的主要原因是離子源得到離子的能量色散作用，即分子的熱運(yùn)動(dòng)的影響，使得離子的被始速度不一致。解決離子熱運(yùn)動(dòng)，提高分辨率的方法：兩級(jí)加速法：先用一級(jí)加速，離柵極較遠(yuǎn)的離子獲得更多的動(dòng)能，提高速度，追趕上離柵極近者，然后再經(jīng)

17、柵極加速后，一起進(jìn)入飛行管。Delay Extract技術(shù)：在激光脈沖開啟的瞬間，沒有加速電壓存在，離子處于一種無(wú)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，不同速度的離子向柵極運(yùn)動(dòng)的距離不同，一定時(shí)間過后(很短的時(shí)間)，加上加速度電壓把離子引向柵極，此時(shí)，前面具有不同速度的離子處在不同的位置，速度快者，離柵極近，速度慢者，離柵極遠(yuǎn)。加上電壓后，處于不同位置的離子獲得電場(chǎng)能，離柵極近者，獲得的電場(chǎng)能小，離柵極遠(yuǎn)者獲得電場(chǎng)能大，前者本身速度快，被始動(dòng)能大，后者速度慢，初始動(dòng)能小。動(dòng)能小者從柵極電壓獲得相對(duì)多的電場(chǎng)能，動(dòng)能大者從柵極電壓獲得相對(duì)少的動(dòng)能，從而使兩者加速后，動(dòng)能的差異減小，即減小能量色散。從而提高分辨率。飛行時(shí)間質(zhì)譜儀

18、反射式或折射式：靠電場(chǎng)將飛行的離子反射回來，在反射端接有檢測(cè)器。 好處： 提高分辨力和靈敏度。 對(duì)靈敏度的提高：中性分子也會(huì)在電離過程中產(chǎn)生，并飛向檢測(cè)器，但中性分子不能被反射，不能到達(dá)反射檢測(cè)器所在位置，減小本底噪音，提高靈敏度。 對(duì)分辨率的提高：速度快的離子動(dòng)能相對(duì)較大，克服電場(chǎng)阻力的能力大，打入到反射電場(chǎng)的深度大，反之，速度慢的離子打入反射電場(chǎng)的深度小，前者因打入電場(chǎng)深度大，多運(yùn)動(dòng)一段距離，后者因小運(yùn)動(dòng)的了段距離?？煺叨嘧呗烦?，慢者少走路程，最終兩者幾乎同時(shí)到達(dá)檢測(cè)器，提高了分辨力。折射式原理同反射式，只是多反射了幾次，提高分辨力，但可能減小靈敏度。離子沿平行于磁場(chǎng)方向進(jìn)入ICR-Cel

19、l，加在垂直于磁場(chǎng)的捕集電極上的低直流電壓形成一個(gè)靜電場(chǎng)將離子拘禁于室中。在磁場(chǎng)作用下，離子在垂直于磁場(chǎng)的圓形軌道上作回旋運(yùn)動(dòng)，其回旋頻率 僅于磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 和離子的質(zhì)荷比m/z有關(guān)：mzB710537. 1式中 為赫茲(Hz), B為特斯拉(T), m為原子質(zhì)量單位(u) 一組不同空間位置上m/z值相同而速度不同的離子將以同一頻率運(yùn)動(dòng)，離子的速度只影響其軌道半徑。mzB710537. 1式中 為赫茲(Hz), B為特斯拉(T), m為原子質(zhì)量單位(u) 一組不同空間位置上m/z值相同而速度不同的離子將以同一頻率運(yùn)動(dòng)，離子的速度只影響其軌道半徑。 通過發(fā)射電極向離子加一個(gè)射頻電場(chǎng)；若射頻電壓的

20、頻率正好與離子回旋的頻率相同，離子將共振吸收能量，使其運(yùn)動(dòng)軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速度逐漸穩(wěn)步增大，但頻率仍然不變。當(dāng)一組離子達(dá)到同步回旋之后，在接收電極上產(chǎn)生鏡像電流。根據(jù)鏡像電流的頻率可以計(jì)算出離子的質(zhì)量。 在實(shí)際測(cè)量中，多種離子同時(shí)產(chǎn)生，在回旋池中加一個(gè)頻率范圍覆蓋了所有感興趣離子的脈沖射頻。脈沖結(jié)束后，所有受激離子誘導(dǎo)的鏡像電流在接收電路上形成各自的閾衰減信號(hào)；這個(gè)復(fù)合的時(shí)閾誤減信號(hào)經(jīng)傅里葉變換為與質(zhì)量相關(guān)的頻閾譜圖。 對(duì)鏡像電流取樣的時(shí)間越長(zhǎng)，質(zhì)量分辨率越高。但碰撞阻尼破壞離子的同步回刻運(yùn)動(dòng)，從而使鏡像電流衰減加快。 高真空有利于提高分辨率，同時(shí)還可改善信噪比。幾種常見商用質(zhì)譜儀 Finnig

21、an MAT-900XPHigh resolution, double focusing mass spectrometer.Acceleration voltage Full acceleration voltage for all ionization modes Mass range 5,000 Da at full acceleration potentialResolution better than 60,000Mass accuracy better than 2 ppm Finnigan TSQ QuantumMass Range: 3000 Daltons. Finnigan LCQ