仪器分析大连理工大学121质谱仪的类型及构成.ppt

2023/6/14,第十二章 质谱分析法,1 概述12.1.2 质谱仪与质谱分析原理12.1.3 质谱仪类型12.1.4 主要离子源12.1.5 质量分析器12.1.6 质谱联用仪器质谱性能指标,第一节 质谱仪类型及构成,mass spectrometry，MS,Kinds of mass spectrometer,12.1.1 概述,相对分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；,第一台质谱仪：1912年；早期应用：相对原子质量、同位素等的测量；现代：有机化合物结构鉴定的重要工具；特殊性：联用技术，相对分子质量测定。,发展过程：,20世纪40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；20世纪60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；20世纪90年代：基质辅助激光解吸电离源、电喷雾电离源、大气压化学电离源，开创了质谱技术研究生物大分子的新领域。2002年由于“发明了用于生物大分子的电喷雾离子化和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法”，美国科学家约翰芬恩与日本科学家田中耕一共享该年度诺贝尔化学奖。,12.1.2 质谱仪与质谱分析原理,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱,1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光,1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆,质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10-5 Pa）质量分析器（10-6 Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,原理与结构,仪器原理图,进样装置,气体扩散；插入式直接进样杆：适用于有一定挥发性的固体或高沸点液体试样；色谱作为进样装置。,离子源,离子源的功能是提供能量将待分析试样电离，组成由不同质荷比（m/z）离子组成的离子束。,质量分析器,质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分离，相当与光谱仪器上的单色器。用于有机质谱仪的质量分析器有双聚焦分析器、四极杆分析器、离子阱分析器、飞行时间分析器、回旋共振分析器等。,质量分析器特点对比,检测器,（1）电子倍增管 1518级；可测出10-17A微弱电流。（2）渠道式电子倍增器阵列,12.1.3 质谱仪的类型,1.无机质谱仪 火花源双聚焦质谱仪（SSMS），电感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）和二次离子质谱仪（SIMS）等。2.同位素质谱仪 小型低分辨同位素质谱仪：轻元素(H，C，S等)大型高分辨的同位素质谱仪：重元素(U，Pu，Pb等)3.有机质谱仪 用途最广的质谱仪 4.生物质谱仪 电喷雾电离质谱仪（ESI-MS），基质辅助激光解吸电离质谱仪（MALDI-MS），快原子轰击质谱仪（FAB-MS），离子喷雾电离质谱仪（ISI-MS），大气压电离质谱仪（API-MS）等。,有机质谱仪,1.按进样方式分类 直接进样质谱，气相色谱-质谱联用仪（GC-MS），液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。2.按离子化方式分类 电子轰击质谱（EI-MS），化学电离质谱（CI-MS），快原子轰击质谱仪（FAB-MS），电喷雾电离质谱仪（ESI-MS）等。3.按质量分析器分类 单聚焦质谱仪，双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅里叶变换质谱仪等。,12.1.4 主要离子源,一、电子轰击离子源Electron Ionization(EI)源应用最广，标准谱图。,EI 源的特点：,电离效率高，灵敏度高；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；结构简单，控温方便。,EI源：可变的离子化能量(10240 eV),对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（常用70 eV）。,电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离子增加,二、化学电离源（Chemical Ionization，CI）,离子室内的反应气（甲烷等；10100 Pa，试样的103105倍），电子（100240 eV）轰击，产生离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。,特点：最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；得到的是非标准谱图。,化学电离源反应过程：,CH4+e CH4+2e CH4+CH3+H CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即 CH4+CH4 CH5+CH3 CH3+CH4 C2H5+H2 CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，与试样分子(XH)CH5+XH XH CH5+XH2+CH4 M+17 C2H5+XH XH C2H5+X+C2H6 M+29 化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（异丁烷）、NH4+（氨）的试剂离子，则可更进一步简化。,化学电离源（CI）与电子轰击电离源(EI)质谱图对比,三、快原子电离源（FAB）,a.氩气离子，加速、碰撞，电荷和能量转移高能原子束。b.高能粒子打在置于涂有非挥发性底物靶上的试样分子使其电离。,不加热汽化，特别适合于相对分子质量大，难挥发或热稳定性差的试样分析，例如肽类、低聚糖、天然抗生素。有较强的准分子离子峰和较丰富的碎片离子信息。,快原子电离源（FAB）质谱图,四、电喷雾电离源（ESI）,软电离方式，易形成多电荷离子M+nHn+。特别适合于分析极性强热稳定性差的大分子，如蛋白质、肽、糖等。,液相色谱-质谱联用接口。,电喷雾电离源（ESI）：LC-MS 结构流程,电喷雾电离,电喷雾产生多电荷离子，相对分子质量M计算：选相邻峰，电荷n，n+1m1=(M+n)/2m2=(M+n+1)/(n+1),计算结果如表。不适用于非极性化合物,大分子量蛋白质的质谱图,相对分子质量为10 000的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000，在一般质谱仪可以分析的范围之内。,电喷雾电离-多电荷离子,五、大气压化学电离源（APCI）,APCI是ESI的补充。APCI主要产生单电荷离子，分析的化合物相对分子质量一般小于1000。碎片离子很少，主要是准分子离子。,针电极高压放电，空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+和O+等，离子与试样分子发生离子-分子反应，使试样分子离子化。应用于液相色谱-质谱联用。,六、激光解吸电离源（LD）,得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。常用的基质：2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、-氰基-4-羟基肉桂酸等。,分析试样置于涂有基质的试样靶上；基质分子吸收激光能，与试样分子一起蒸发并使试样分子电离。属于软电离技术，用于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。,七、场电离源（FI）与场解吸源（FD）,电压：710 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定。,场电离源（FI）与电子轰击电离源(EI)质谱图对比,场解吸源(FD)化学电离源(CI)电子轰击电离源(EI)质谱图对比,主要离子源特点对比,12.1.5 质量分析器,在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力=向心力；m 2/R=B0 z V曲率半径：R=m/（z B0）质谱方程式：m/z=B02 R2/(2V)离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z，B0，V。改变加速电压V，可以使不同m/z 的离子进入检测器。,加速后离子的动能：(1/2)m 2=z V=(2V)/(m/z)1/2,一、单聚焦磁场分析器,方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高缺少能量聚焦。,二、双聚焦分析器,方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚。,质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。,双聚焦分析器,三、四极杆质量分析器,离子在场的作用下产生振动，如果质量为m，电荷为z的离子进入四极场，运动方程是,保持Vdc/Vrf不变(直流电压/射频电压振幅)，改变Vrf值。对应于一个Vrf值，四极场只允许一种质荷比的离子通过。特点：分辨率较高，分析速度极快（适合联用仪器）；缺点：准确度和精密度低于双聚焦型。,四极杆质量分析器,四极杆质量分析器,五、飞行时间质量分析器,离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为t，漂移区长度为L，则,特点：质量范围宽，扫描速率快，不需电场和磁场。分辨率低：原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。,能量相同，质量越大，达到接收器的时间越长。,t=L(m/2zV)1/2,六、离子阱质量分析器,环电极和上下两端盖电极，均为绕z 轴旋转的双曲面，并满足：r20=2Z20 r0 为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间。,在稳定区内的离子，轨道振幅一定，可以长时间留在阱内。一定质量的离子，在一定的U 和Vrf下，可以处在稳定区。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出，U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间。,离子阱质量分析器,七、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器（Fourier transform ion cyclotron resonance analyzer,FTICR）,三对相互垂直的平行板电极组成，置于高真空和由超导磁体产生的强磁场中。,第一对电极：捕集极，与磁场方向垂直，加有适当正电压，其目的是延长离子在室内滞留时间；第二对电极：发射极，用于发射射频脉冲；第三对电极：接收极，用来接收离子产生的信号。,傅里叶变换离子回旋共振质量分析器,离子(m/z)进入磁感应强度为B的磁场中，作圆周运动，离心力和磁场力相平衡，即：,或,离子的回旋频率c与离子的m/z成线性关系。B固定后，测得c，可获得离子的质量。,得,外加一射频辐射，当频率等于离子共振频率，离子吸收能量而改变圆周运动的轨道，沿阿基米德螺线加速。射频辐射消失，出现图（C）运动，在上下极板之间产生感应电流信号(复合信号)，需傅里叶转换。,傅里叶变换离子回旋共振质量分析器特点,FT-MS的优点：（1）仪器的分辨率极高，可超过1106；（2）而且在高分辨率下不影响灵敏度（双聚焦分析器为提高分辨率必须降低灵敏度）；（3）FT-MS的测量精度非常好，能达到百万分之几；（4）具有多级质谱功能，可以和任何离子源相联，扩宽了仪器功能。扫描速率快，性能稳定可靠，质量范围宽等优点。需要很高的超导磁场，需要液氦，售价和运行费用较高。,质量分析器特点对比,12.1.6 质谱联用仪器,质谱：纯物质的结构分析色谱：化合物分离色谱-质谱联用：共同优点类型：GC-MS；GC-IR；LC-MS；CZE-MS（毛细管电泳-质谱）困难点：载气(或流动液)的分离；出峰时间监测；仪器小型化；关键点：接口技术。,一、GC-MS联用仪器,GC-MS中的分子分离器,填充柱色谱需要分子分离器分离载气,浓缩试样分子。毛细管色谱柱可直接与质谱联结。分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。,喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中。可做成多级。,色谱-质谱联用仪的三维谱图,色谱-四极质谱联用仪,仪器结构,色谱-四极杆质谱仪结构示意图,仪器与结构,色谱-飞行时间质谱联用仪,二、LC-MS联用仪器,发展比GC-MS晚，20世纪80年代中期实用化。主要问题：溶剂去除。LC流速：0.5数 mL 真空泵抽气速度100L 热不稳定，挥发度低，生物分子电离。关键：特殊接口与电离源技术（提出有27种）实际应用：热喷雾，80年代较多应用，后被APCI取代 快原子轰击 大气压化学电离：APCI 电喷雾电离：ESI,1.电喷雾电离接口,电喷雾电离：毛细管加电压3kV，液滴表面电荷密度增加到临界点，静电场的排斥力大于表面张力，液滴越来越小。,电喷雾电离,流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘。气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子。,电喷雾电离,分子不裂解，产生多电荷离子，相对分子质量M计算：选相邻峰，电荷n，n+1m1=(M+n)/2m2=(M+n+1)/(n+1),计算结果如表。不适用于非极性化合物,电喷雾电离-多电荷离子,大气压化学电离（APCI）,热喷雾(100120C)+化学电离；适用于热稳定化合物分析。,大气压化学电离（APCI）,大气压化学电离（APCI）LC-APCI-MS分析谱图,2.离子阱质量分析器,特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器。,3.LC-MS(离子阱)联用仪器结构示意图,LC-MS(四极杆)联用仪器结构示意图,三、毛细管电泳-质谱联用仪器,与液相色谱-质谱联用仪的原理基本相同。三个问题：1.几十 kV的电压，缓冲溶液，安全；2.毛细管电泳流速1L/min，直接连接，破坏层流；3.进样量很小（f mol），需要高灵敏度。接口：电喷雾 ESI。,CE-ES-MS联用仪器接口示意图,CE-ES-MS联用仪器结构示意图,四、ICP-MS联用仪器（无机质谱）,ICP具有很高的原子化效率，可分析众多元素。,ICP-MS联用仪接口示意图,ICP-MS 联用仪器特点,1.试样在大气压下送入系统；2.试样在高温下进行完全汽化和分解；3.试样原子化、离子化比例高；4.大多数元素产生的是单电荷离子；5.离子能量分散很小；6.ICP不需要真空的离子源；7.离子源处于低电位，可配置简单的质量分析器。缺点：高温，需特殊材料；离子源气压高。,五、MS-MS联用仪器（多级质谱）,1.MS-MS联用的作用 得到更多的分子离子和碎片离子的结构信息。早期：主要将亚稳离子作为一种研究对象。亚稳离子：指离子源出来的离子，不稳定，前进过程中发生了分解，丢掉一个中性碎片后生成的新离子。母子关系结构研究 20世纪80年代：软电离技术（ESI，APCI，FAB，MALDI等），基本上都只有准分子离子，没有结构信息，更需要串联质谱法得到结构信息。,MS-MS 与 GC-MS 比较,MS与MS-MS联用仪分析结果对比,2.MS-MS联用的主要串联方式,（1）空间串联,碰撞活化室将前级质谱仪选定的离子打碎，由后一级质谱仪分析。扇形磁场(B)电场(E)串联方式：BEB；EBE；BEBE四极杆串联方式：三级 Q-Q-Q混合型串联方式：BE-Q；Q-TOF；EBE-TOF(飞行时间),MS-MS 联用方式示意图,BE型,BEB型,Q-Q-Q型三级四极质谱仪,混合型MS-MS 联用方式示意图,BEQQ组合,QEB组合,（2）时间串联,前一时刻选定-离子，在分析器内打碎后，后一时刻再进行分析。,两类：离子阱质谱仪；回旋共振质谱仪 时间上进行选择。无论是哪种方式的串联，都必须有碰撞活化室，从第一级MS分离出来的特定离子，经碰撞活化后，再经第二级MS进行质量分析，取得更多的信息。,3.碰撞活化分解,软电离：准分子离子峰，碎片很少，缺结构信息。准分子离子“打碎”碎片离子 质谱分析 串联质谱：碰撞活化、碰撞诱导分解(Collision activated dissociation,CAD；Collision Induced dissociation,CID)技术把离子“打碎”。,磁式质谱仪：离子加速电压超过1000 V，高能CAD方式四极杆，离子阱：不超过100 V，低能CID。,4.MS-MS串联质谱工作方式和主要信息,（1）三级四极(Q-Q-Q)的工作方式和信息,Q1：四级杆用于质量分离Q2：四极杆用于碰撞活化(CID)Q3：四极杆用于质量分离主要工作方式有四种,主要工作方式：,a 子离子扫描：MS1选定-质量，CID碎裂，MS2扫描得子离子谱。b 母离子扫描：MS2选定一子离子，MS1扫描，得到的是能产生选定子离子的那些离子，即母离子谱。c 中性丢失谱扫描：MS1和MS2同时扫描。保持固定的质量差，只有满足相差固定质量的离子才得到检测。d 多离子反应监测：MS1选择一个或几个特定离子，碰撞碎裂,由其子离子中选出一特定离子，只有同时满足MS1和MS2选定的一对离子时,才有信号产生。,(2)离子阱质谱仪MS-MS工作方式和信息,A阶段：打开电子门，基础电压置于低质量的截止值，使所有的离子被阱集,利用辅助射频电压抛射掉所有高于被分析母离子的离子。,B阶段：增加基频电压，抛掉低于被分析母离子的离子。收集即将碰撞活化的离子。C阶段：利用加在端电极上的辅助射频电压激发母离子，使其与阱内本底气体碰撞，D阶段：扫描基频电压,抛射并接收所有CID过程形成的子离子，获得子离子谱。多级子离子谱，还可以提供母离子谱,中性丢失谱和多反应监测（MRM）。,(3)FT质谱仪MS-MS工作方式和信息,FTMS的扫描方式：快速扫频脉冲对所有离子“同时”激发。MS-MS功能的FTMS：其快速扫频脉冲可以选择性的留下频率“缺口”，用频率“缺口”选择性的留下欲分析的母离子，其他离子被激发并抛射到接收极。使母离子受激，使其运动半径增大又控制其轨道不要与接收极相撞。此时母离子在室内与本底气体或碰撞气体碰撞产生子离子。再改变射频频率接收子离子。还可由子离子谱中选一个离子再做子离子谱。离子损失很少，FTMS可以做到56级子离子谱。,(4)飞行时间质谱仪的源后裂解,离子在飞行过程中如果发生裂解，新产生的离子仍然以母离子速度飞行。因此在直线形漂移管中观测不到新生成的离子。采用带有反射器的漂移管；新生成的离子与其母离子动能不同，可在反射器中被分开。这种操作方式称为源后裂解（Post source decomposition，PSD）。通过PSD操作可以得到结构信息，可以认为反射型TOFMS也具有MS-MS功能。TOF-TOF串联质谱仪已经出现。,12.1.7 质谱仪性能指标,1.质量范围,质谱仪所能够进行分析的试样的相对原子质量（或相对分子质量）范围。通常采用原子质量单位（unified atomic mass unit，符号u）进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子的质量的1/12，即,质量范围:,质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。,GC-MS：质量范围达到800即可。LC-MS：质量范围要宽。,对于单电荷离子，质量范围实际上就是可以测定的相对分子质量范围。对于电喷雾源，形成的多电荷离子，尽管质量范围只有几千，但可以测定的相对分子质量可达10万以上。质量范围的大小取决于质量分析器。四极杆分析器的质量范围上限一般在1000左右，也有的可达3000，而飞行时间质量分析器可达几十万。,2.分辨率,定义1：将相邻两个质量分开的能力。常用R表示：,两峰分开是指两峰间的“峰谷”是峰高的10%(每个提供5%),定义2：质量为M的质谱峰其峰高50%处的峰宽（半峰宽）为M。则分辨率为,分辨率,单聚焦：5 000双聚焦：50 000离子回旋共振：250 000,N2：28.006 1；CO：27.994 9；C2H4：28.031 3C5H4N4O：136.038 5；C6H6N3O：136.051 1；C7H8N2O：136.063 7；C8H10NO：136.076 2；C9H12O：136.088 9。,例题,要鉴别N+2（m/z为28.006）和CO+（m/z为27.995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少?在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？,解:要分辨N+2和CO+，质谱仪分辨率至少为,质谱仪的分辨率：Rsp=245/0.52=471 RspRneed，故不能满足要求。,3.灵敏度,GC-MS灵敏度：GC-MS灵敏度表示在一定的试样（如八氟萘或六氯苯），在一定的分辨率下，产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。,LC-MS的灵敏度测定常采用利血平作为测试试样，测试方法如下：配置一定浓度的利血平（如10pg/L），通过LC进一定量试样，以水和甲醇各50%为流动相（加入1%醋酸），全扫描，做利血平质子化分子离子峰m/z 609的质量色谱图。用进样量和信噪比规定灵敏度指标。,4.质量稳定性和质量精度,质量稳定性：指仪器在工作时质量稳定的情况，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。例如某仪器的质量稳定性为：0.1u/12h，意思是该仪器在12h之内，质量漂移不超过0.1u。质量精度：质量测定的精确程度。用相对百分比表示。例如，某化合物的质量为1 520 473u，用某质谱仪多次测定该化合物，测得的质量与该化合物理论质量之差在0.003 u之内，则该仪器的质量精度为百万分之二十(210-5)。质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标，对低分辨质谱仪没有太大意义。,内容选择：,结束,12.1 质谱仪类型及构成 12.2 质谱中的各种离子 12.3 有机化合物电子轰击质谱图 12.4 EI质谱图解析与化合物结构鉴定,