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(jìn)樣系統(tǒng)，使微摩爾或更少的試樣蒸發(fā)，并讓其慢慢地進(jìn)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(fù)離子（但一般分析正離子)，在狹縫A處，以微小的負(fù)電壓將正負(fù)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(jìn)入真空度高達(dá)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(jìn)行記錄，并得到質(zhì)譜圖。 質(zhì)譜圖上信號的強度，與達(dá)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(yīng)的是

3、離子電信號強度和離子應(yīng)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?fàn)罘灏魻罘?0/9/20224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(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(dāng) r 為儀器設(shè)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(dá)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(jìn)行準(zhǔn)確的同位素質(zhì)量及有機分子質(zhì)量的準(zhǔn)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(dá)100000，當(dāng)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(biāo) 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(dāng)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(zhǔn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(dá)幾千?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀甚至可以研究相對分子質(zhì)量達(dá)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(jìn)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(dǎo)入或用氣相色譜進(jìn)樣液體加熱汽化或霧化進(jìn)樣固體用直接進(jìn)樣探頭10/9/202221進(jìn)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(yīng)達(dá)1.310-4-1.310-5Pa，質(zhì)量分析器中應(yīng)達(dá)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(yīng)過多，從而使圖譜復(fù)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(yù)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(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)目的是高效重復(fù)地在不破壞真空度的情況下，使樣品進(jìn)入離子源。 常用的進(jìn)樣裝置有三種類型：間歇式進(jìn)樣系統(tǒng)、直接探針進(jìn)樣、色譜進(jìn)樣系統(tǒng)（GC-MS、HPLC-MS）和高頻感藕等離子體進(jìn)樣系統(tǒng)（ICP-MS）等。 氣體可通過儲

11、氣器進(jìn)入離子源。易揮發(fā)的液體，在進(jìn)樣系統(tǒng)內(nèi)汽化后進(jìn)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(jìn)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(shè)計，以降低記憶效應(yīng)。 霧化室由一個Peltier半導(dǎo)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(lán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(xué)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(dá)陽極，電子能量70eV，有機化合物的電離電位8-15eV?？稍谄叫须娮邮姆较蚋?/p>

14、加一弱磁場，使電子沿螺旋軌道前進(jìn)，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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(yīng)： CH5 + + M CH4 + MH+10/9/202232特點： 得到一系列準(zhǔn)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(yīng)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(jìn)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(dǎo)出 當(dāng)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(dá)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(dá)到能量聚焦,提高儀器分辨率。 結(jié)合 ， 導(dǎo)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(yīng)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(fēng)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(jìn)行振蕩運動.當(dāng)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(dá)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(yán)重缺點，由于這一問題的存在，使得磁質(zhì)譜儀的標(biāo)準(zhǔn)譜圖與四極質(zhì)譜儀的相應(yīng)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(yīng)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(yīng)和離子-分子反應(yīng)； 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(yīng)用: a). 臺式的GC/MS, LC/MS/MS; b). 目標(biāo)化合物的篩選; c). 氣相離子化學(xué)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(yīng)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(dá)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(jìn)行快速接收與處理，同時通過計算機可以對儀器條件等進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，從而使精密度和靈敏度都有一定