质谱仪的类型及构成

2020/3/5第十二章质谱分析法12.1.1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12.1.7质谱性能指标第一节质谱仪类型及构成massspectrometry，MSKindsofmassspectrometer12.1.1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。M+(M–R2)+(M–R3)+(M–R1)+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。2019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10-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(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系统离子源质量分析器检测器真空系统进样装置1.气体扩散；2.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；3.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。++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+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15～18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ElectronIonization(EI)源应用最广，标准谱图。++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M–R2)+(M–R3)+MassSpectrum(M–R1)+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(10～240eV)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70eV）。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（ChemicalIonization，CI）离子室内的反应气（甲烷等；10～100Pa，试样的103～105倍），电子（100～240eV）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。++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;化学电离源反应过程：CH4+e→CH4+·+2eCH4+·→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++H2CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，与试样分子(XH)CH5++XH→XH•CH5+→XH2+•CH4M+17C2H5+＋XH→XH•C2H5+→X+•C2H6M+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+nH]n+。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10000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、α-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：7~10kV；d1mm；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。阳极+++++++++++++阴极d1mm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=B0zV曲率半径：R=m/（zB0）质谱方程式：m/z=B02R2/(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=zV=[(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。0dd0cos(2dd0cos(2dd22rfdc222fdc222tzy)tVVmzrtyx)tVVmzrtxr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2)(2LtzVzmiii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=2Z20r0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（Fouriertransformioncyclotronresonanceanalyzer,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：VzBRVm2mzBRVmzBc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1×106；（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联用仪器试样试样58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBAABCD气相色谱(GC)质谱分离鉴定BACDADBCMSGC-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