質(zhì)譜儀工作原理（課堂PPT）

1、1Mass Spectrometry, MS2一、質(zhì)譜法概述一、質(zhì)譜法概述二、質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理二、質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器、真空系統(tǒng)和進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器、真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三、質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)三、質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)GC-MS,LC-MS,串聯(lián)質(zhì)譜法串聯(lián)質(zhì)譜法四、質(zhì)譜圖與質(zhì)譜儀性能指標(biāo)四、質(zhì)譜圖與質(zhì)譜儀性能指標(biāo)質(zhì)量范圍、分辨率、靈敏度、質(zhì)量穩(wěn)定性和精度質(zhì)量范圍、分辨率、靈敏度、質(zhì)量穩(wěn)定性和精度3使待測(cè)的樣品分子氣化，用具有一定能量的電使待測(cè)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，子束（或具有一

2、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(gè)電子而成為帶正電的分子離子。使氣態(tài)分子失去一個(gè)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(chǎng)和磁場(chǎng)的綜合作用下按質(zhì)荷比（在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的綜合作用下按質(zhì)荷比（m/z）大小依）大小依次排列而得到譜圖。次排列而得到譜圖。一、質(zhì)譜法概述一、質(zhì)譜法概述m/z152943578599113142714質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（質(zhì)譜法是一種按照離子的質(zhì)核比（m/zm/z）大小對(duì)離）大小對(duì)離子進(jìn)行分離和測(cè)定的方法。子進(jìn)行分離和測(cè)定的方法。質(zhì)譜法的主要作用是：質(zhì)譜法的主要作用是：（

3、1 1）準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的）準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的（2 2）根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的）根據(jù)碎片特征進(jìn)行化合物的m/z15294357859911314271519131913年，年，J.J. Thomson J.J. Thomson 制成第一臺(tái)質(zhì)譜儀制成第一臺(tái)質(zhì)譜儀有機(jī)質(zhì)譜儀：有機(jī)質(zhì)譜儀：無機(jī)質(zhì)譜儀：無機(jī)質(zhì)譜儀：同位素質(zhì)譜儀同位素質(zhì)譜儀氣體分析質(zhì)譜儀氣體分析質(zhì)譜儀IonizerSample+_Mass AnalyzerDetector6進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)Inlet離子源離子源Ion source質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器Mass Analyzer檢測(cè)器檢測(cè)器Detector數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)系統(tǒng)Data Sys

4、temHigh Vacuum System二、質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理二、質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理7進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)離子源離子源質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器檢測(cè)器檢測(cè)器1.氣體擴(kuò)散氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣直接進(jìn)樣3.氣相色譜氣相色譜1.電子轟擊電子轟擊2.化學(xué)電離化學(xué)電離3.場(chǎng)致電離場(chǎng)致電離 4.快原子轟擊快原子轟擊 1.單聚焦單聚焦 2.雙聚焦雙聚焦 3.飛行時(shí)間飛行時(shí)間4.四極桿四極桿 8撞擊撞擊 得到得到高速電子高速電子 氣態(tài)分子氣態(tài)分子陽離子陽離子 順序譜圖順序譜圖 質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器定性結(jié)構(gòu)定性結(jié)構(gòu) 定量分析定量分析導(dǎo)入導(dǎo)入按質(zhì)荷比按質(zhì)荷比m/e峰強(qiáng)度峰強(qiáng)度峰位置峰位置9 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 進(jìn)樣系

5、統(tǒng)：直接進(jìn)樣和色譜進(jìn)樣進(jìn)樣系統(tǒng)：直接進(jìn)樣和色譜進(jìn)樣 離子源：離子源： 電子轟擊離子源電子轟擊離子源EI，化學(xué)電離源，化學(xué)電離源CI, 快原子轟擊源快原子轟擊源FAB,電噴霧源電噴霧源ESI, 大氣壓化學(xué)電離源大氣壓化學(xué)電離源APCI，激光，激光解吸源解吸源LD 質(zhì)量分析器：質(zhì)量分析器： 磁式單聚焦和雙聚焦、四級(jí)桿、飛行時(shí)間、離子阱、磁式單聚焦和雙聚焦、四級(jí)桿、飛行時(shí)間、離子阱、傅里葉變換離子回旋共振分析器傅里葉變換離子回旋共振分析器 檢測(cè)器：光電倍增管檢測(cè)器：光電倍增管 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10離子源的真空度應(yīng)達(dá)到離子源的真空度應(yīng)達(dá)到1010-3-3-10-10-5 -5 PaPa，質(zhì)量分

6、析器應(yīng)達(dá)到質(zhì)量分析器應(yīng)達(dá)到1010-6-6PaPa。真空裝置：機(jī)械真空泵真空裝置：機(jī)械真空泵 擴(kuò)散泵擴(kuò)散泵 分子渦輪泵分子渦輪泵高真空高真空原因原因大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；幾千伏的加速電場(chǎng)會(huì)引起放電；幾千伏的加速電場(chǎng)會(huì)引起放電；引起額外的離子分子反應(yīng)，改變裂解模型，引起額外的離子分子反應(yīng)，改變裂解模型，譜圖復(fù)雜化。譜圖復(fù)雜化。11（1）直接進(jìn)樣）直接進(jìn)樣 適用于單組份、有一定揮發(fā)性的固體或適用于單組份、有一定揮發(fā)性的固體或高沸點(diǎn)液體樣品。高沸點(diǎn)液體樣品。 （2）色譜進(jìn)樣）色譜進(jìn)樣 適用于多組分分析。適用于多組分分析。 氣相色譜氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-

7、MS） 液相色譜液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（質(zhì)譜聯(lián)用儀（LC-MS）等）等 12電子轟擊離子源電子轟擊離子源EI，化學(xué)電離源化學(xué)電離源CI, 快原子轟擊源快原子轟擊源FAB, 磁式雙聚焦質(zhì)譜儀磁式雙聚焦質(zhì)譜儀 電噴霧源電噴霧源ESI, 大氣壓化學(xué)電離源大氣壓化學(xué)電離源APCI，激光解吸源激光解吸源LDGC-MSLC-MS13+: R1: R2: R3: R4: e+M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrum(M-R1)+14ABCD + eABCD + e- - ABCD ABCD+ + + 2e+ 2e- - 分子離子分子離子 BCD + A + B + A + CD + AB +

8、 A + B + ABCD+ D + C + AB + CD + C + D +碎碎片片離離子子分子離子、碎片離子、重排離子、加合離子、同位素離子。分子離子、碎片離子、重排離子、加合離子、同位素離子。 電子轟擊法是通用的電離法，是使用高能電子束電子轟擊法是通用的電離法，是使用高能電子束從試樣分子中撞出一個(gè)電子而產(chǎn)生正離子，即從試樣分子中撞出一個(gè)電子而產(chǎn)生正離子，即 15H電離效率高；應(yīng)用廣泛；操作方便電離效率高；應(yīng)用廣泛；操作方便EIEI源：源：可變的離子化能量可變的離子化能量 (10(10240eV,240eV,常用常用70eV )70eV )電子能量電子能量 電子能量電子能量 分子離子增加

9、分子離子增加碎片離子增加碎片離子增加 對(duì)于易電離的物質(zhì)降低電子能量，而對(duì)于對(duì)于易電離的物質(zhì)降低電子能量，而對(duì)于難電離的物質(zhì)則加大電子能量（常用難電離的物質(zhì)則加大電子能量（常用70eV 70eV ）。16CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3 離子室內(nèi)的反應(yīng)氣（甲烷等；離子室內(nèi)的反應(yīng)氣（甲烷等；1010100Pa100Pa，樣品，樣品的的10103 310105 5倍），電子（倍），電子（100100240eV240eV）轟擊，產(chǎn)生離）轟擊，產(chǎn)生離子，再與試樣分離碰撞，產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子。子，再與試樣分離碰撞，產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子。 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與EIEI同，但是在

10、離子化室充同，但是在離子化室充CHCH4 4，電子首先，電子首先將將CHCH4 4離解，其電離過程如下：離解，其電離過程如下：生成的氣體離子再與樣品分子生成的氣體離子再與樣品分子M反應(yīng)：反應(yīng)： CH5 + + M CH4 + MH+17+氣體分子氣體分子試樣分子試樣分子+準(zhǔn)分子離子準(zhǔn)分子離子電子電子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;過程過程18特點(diǎn)：特點(diǎn)： v得到一系列準(zhǔn)分子離子（得到一系列準(zhǔn)分子離子（M+1M+1）+ +, ,（M-1M-1）+ +，（M+2M+2）+ +等等；等等；vCICI源的的碎片離子峰少，圖譜簡(jiǎn)單；源的的碎片離子峰少，圖譜簡(jiǎn)單；v不適于難揮發(fā)成分的分析

11、。不適于難揮發(fā)成分的分析。19 （3 3）快原子轟擊）快原子轟擊 (fast atom bombardment FAB)(fast atom bombardment FAB) 高能量的高能量的ArAr原子原子轟擊涂在靶上的樣轟擊涂在靶上的樣品，濺射出離子流。品，濺射出離子流。 本法適合于高極本法適合于高極性、大分子量、低性、大分子量、低蒸汽壓、熱穩(wěn)定性蒸汽壓、熱穩(wěn)定性差的樣品差的樣品20(4) 場(chǎng)致電離源（場(chǎng)致電離源（FI）電壓：電壓：7-10 kV；d1 mm；強(qiáng)電場(chǎng)將分子中拉出一個(gè)電子；強(qiáng)電場(chǎng)將分子中拉出一個(gè)電子；分子離子峰強(qiáng)；分子離子峰強(qiáng)；碎片離子峰少；碎片離子峰少；不適合化合物結(jié)構(gòu)鑒定

12、；不適合化合物結(jié)構(gòu)鑒定；陽極+陰極d1mm21ESIESI是一種表面離子化技術(shù)。先在溶液中離子化，然后是一種表面離子化技術(shù)。先在溶液中離子化，然后在電場(chǎng)作用下霧化。在電場(chǎng)作用下霧化。氣簾的作用：霧化；蒸發(fā)溶劑；阻止中性溶劑分子氣簾的作用：霧化；蒸發(fā)溶劑；阻止中性溶劑分子（5 5）電噴霧源）電噴霧源 (Electron spray Ionization(Electron spray Ionization，ESI)ESI)22RayleighLimitReached+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets試樣離子準(zhǔn)分子離子Analyte Ions Solvent I

13、on ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他離子ESIESI是軟電離源，通常很少或沒有碎片，是軟電離源，通常很少或沒有碎片，準(zhǔn)分準(zhǔn)分子離子，子離子，只能提供未知化合物的只能提供未知化合物的分子量分子量信息信息，不能提供結(jié)構(gòu)信息。，不能提供結(jié)構(gòu)信息。23(6)大氣壓化學(xué)電離源大氣壓化學(xué)電離源(Atmospheric pressure chemical (Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI)Ionization, APCI) 24 磁式分析器磁式分析器 單聚焦分析器單聚焦分析器 雙聚焦分析器雙聚焦分析器 四極

14、桿分析器四極桿分析器 飛行時(shí)間分析器飛行時(shí)間分析器 離子阱分析器離子阱分析器 回旋共振分析器等回旋共振分析器等25（1 1）磁式質(zhì)量分析器）磁式質(zhì)量分析器收集器收集器離子源離子源BS1S2磁場(chǎng)磁場(chǎng)R26電離室原理與結(jié)構(gòu)儀器原理圖27離子生成后，在質(zhì)譜儀中被電場(chǎng)加速。加速后其動(dòng)能和離子生成后，在質(zhì)譜儀中被電場(chǎng)加速。加速后其動(dòng)能和位能相等，即：位能相等，即：212mvzV其中其中 m m: : 離子質(zhì)量；離子質(zhì)量；v v: : 離子速度；離子速度；z z: : 離子電荷；離子電荷；V V: : 加速電壓加速電壓(1)28當(dāng)被加速的離子進(jìn)入磁分析器時(shí)，磁場(chǎng)再對(duì)離子進(jìn)行作用，當(dāng)被加速的離子進(jìn)入磁分析器

15、時(shí)，磁場(chǎng)再對(duì)離子進(jìn)行作用，讓每一個(gè)離子按一定的彎曲軌道繼續(xù)前進(jìn)。其行進(jìn)軌道的讓每一個(gè)離子按一定的彎曲軌道繼續(xù)前進(jìn)。其行進(jìn)軌道的曲率半徑?jīng)Q定于各離子的質(zhì)量和所帶電荷的比值曲率半徑?jīng)Q定于各離子的質(zhì)量和所帶電荷的比值m/zm/z。此時(shí)。此時(shí)由離子動(dòng)能產(chǎn)生的離心力由離子動(dòng)能產(chǎn)生的離心力( (mvmv2 2/R/R) )與由磁場(chǎng)產(chǎn)生的向心力與由磁場(chǎng)產(chǎn)生的向心力( (HzvHzv) )相等：相等：2mvHzvR其中：其中：R R為曲率半徑為曲率半徑 H H為磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度由此式得由此式得：RHzvm(2)代入代入(1)(1)式得式得：22/2H Rm zV質(zhì)譜的基本方程質(zhì)譜的基本方程29 當(dāng)當(dāng) R為儀

16、器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓為儀器設(shè)置不變時(shí)，改變加速電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度，則不同或磁場(chǎng)強(qiáng)度，則不同m/z的離子依次通過的離子依次通過狹縫到達(dá)檢測(cè)器，形成質(zhì)量譜，簡(jiǎn)稱質(zhì)狹縫到達(dá)檢測(cè)器，形成質(zhì)量譜，簡(jiǎn)稱質(zhì)譜。譜。30方向聚焦方向聚焦；相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會(huì)聚；相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會(huì)聚；分辨率不高分辨率不高31雙聚焦磁場(chǎng)分析器雙聚焦磁場(chǎng)分析器方向聚焦：相同質(zhì)荷比，方向聚焦：相同質(zhì)荷比，入射方向不同的離子會(huì)聚；入射方向不同的離子會(huì)聚；能量聚焦：相同質(zhì)荷比，能量聚焦：相同質(zhì)荷比，速度速度( (能量能量) )不同的離子會(huì)不同的離子會(huì)聚；聚；離子源離子源收集器收集器磁場(chǎng)磁場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)S1S2+-

17、 質(zhì)量相同，能量不同質(zhì)量相同，能量不同的離子通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，的離子通過電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，均產(chǎn)生能量色散；兩種作均產(chǎn)生能量色散；兩種作用大小相等，方向相反時(shí)用大小相等，方向相反時(shí)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)雙聚焦；互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)雙聚焦；32（2 2） 四極桿分析器四極桿分析器 (quadrupole analyzer)(quadrupole analyzer)33四極桿質(zhì)量分析器四極桿質(zhì)量分析器+Electron BeamABCSample inIon Beam34直流電壓直流電壓V Vdcdc交流電壓交流電壓V Vrfrf35+-36結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): :四根棒狀電極，形成四極場(chǎng)四根棒狀電極，形成四極場(chǎng) 1 1，3 3棒：棒：

18、(V(Vdcdc +V +Vrfrf) ) 2 2，4 4棒：棒：- (V- (Vdcdc+ V+ Vrf rf ) )原理：原理：在一定的在一定的V Vdcdc V Vrf rf 下下 ， 只有一定質(zhì)量只有一定質(zhì)量的離子可通過四極場(chǎng)，到達(dá)檢測(cè)器。的離子可通過四極場(chǎng)，到達(dá)檢測(cè)器。在一定的（在一定的（V Vdcdc/V/Vrfrf) )下，改變下，改變V Vrf rf 可實(shí)可實(shí)現(xiàn)掃描?，F(xiàn)掃描。特點(diǎn)：特點(diǎn)：掃描速度快，靈敏度高掃描速度快，靈敏度高 適用于適用于GC-MSGC-MS37（4 4）飛行時(shí)間分析器飛行時(shí)間分析器Time of Flight Analyzer TOFTime of Flig

19、ht Analyzer TOF38 試樣入口試樣入口電子發(fā)射電子發(fā)射柵極柵極1-270V柵極柵極2 2.8kV接接收收器器抽真空抽真空v v=(2eV/m)=(2eV/m)1/2 1/2 m m：離子的質(zhì)量；：離子的質(zhì)量；e e：離子的電荷量；：離子的電荷量；V V：離子加：離子加速電壓速電壓離子進(jìn)入自由空間（漂移區(qū)），假定飛行時(shí)間為離子進(jìn)入自由空間（漂移區(qū)），假定飛行時(shí)間為T T，漂移區(qū)長(zhǎng)度，漂移區(qū)長(zhǎng)度為為L(zhǎng) L，速度，速度v v ：T=L/T=L/v=Lv=L(m/2eV)(m/2eV)1/21/2 離子飛行時(shí)間與離子質(zhì)量的平方根成正比離子飛行時(shí)間與離子質(zhì)量的平方根成正比適當(dāng)增加漂移管的長(zhǎng)

20、度可以增加分辨率。適當(dāng)增加漂移管的長(zhǎng)度可以增加分辨率。 39 特點(diǎn)：質(zhì)量范圍寬，掃描速度快，既不需電場(chǎng)也不需特點(diǎn)：質(zhì)量范圍寬，掃描速度快，既不需電場(chǎng)也不需磁場(chǎng)。磁場(chǎng)。 缺點(diǎn)：分辨率低；原因：離子進(jìn)入漂移管前的時(shí)間分缺點(diǎn)：分辨率低；原因：離子進(jìn)入漂移管前的時(shí)間分散、空間分散和能量分散。散、空間分散和能量分散。 目前，通過采取目前，通過采取激光脈沖電離方式，離子延遲引出技激光脈沖電離方式，離子延遲引出技術(shù)和離子反射技術(shù)，術(shù)和離子反射技術(shù)，可以在很大程度上克服上述三個(gè)可以在很大程度上克服上述三個(gè)原因造成的分辨率下降。原因造成的分辨率下降。 現(xiàn)在，飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的分辨率可達(dá)現(xiàn)在，飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的分辨率

21、可達(dá)2000020000以上。最以上。最高可檢質(zhì)量超過高可檢質(zhì)量超過300,000Da300,000Da，并且具有很高的靈敏度。，并且具有很高的靈敏度。 40 通過掃描射頻電通過掃描射頻電壓值，使阱中離子壓值，使阱中離子的軌道依次變得不的軌道依次變得不穩(wěn)定，因此可從將穩(wěn)定，因此可從將離子從低離子從低m/z m/z 到高到高m/z m/z 依次甩出阱外依次甩出阱外檢測(cè)。檢測(cè)。 4142三、質(zhì)譜圖的組成三、質(zhì)譜圖的組成質(zhì)譜圖由橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和棒線組成。質(zhì)譜圖由橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和棒線組成。橫坐標(biāo)標(biāo)明離子質(zhì)荷比（橫坐標(biāo)標(biāo)明離子質(zhì)荷比（m m/ /z z）的數(shù)值，縱坐標(biāo)標(biāo)明）的數(shù)值，縱坐標(biāo)標(biāo)明各峰的相對(duì)強(qiáng)度，棒線代表質(zhì)荷比的離子。圖譜中各峰的相對(duì)強(qiáng)度，棒線代表質(zhì)荷比的離子。圖譜中最強(qiáng)的一個(gè)