质谱简介

质谱简介MassSpectrometry(MS)1.质谱分析简介及原理质谱分析法（MassSpectroscope,MS）是将化合物形成离子或碎片离子，按质荷比(m/z)的不同进行测定，从而进行成分分析和结构分析的一种方法。质谱的特点信息量大，应用范围广，是研究分子结构的有力工具。由于分子离子峰可以提供样品分子的相对分子量的信息，所以质谱法也是测定分子量的常用方法。分析速度快、灵敏度高、高分辨率的质谱仪可以提供分子或离子的精密测定。质谱仪器较为精密，价格昂贵，工作环境要求较高。质谱技术的基本原理1、进样化合物通过汽化引入离子化室；2、离子化在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），撞击使分子电离形成正离子；M——M++e或与电子结合，形成负离子M+e——M—3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v，加速后其动能和位能相等，即：（1）（质量m，电荷z，加速电压V）221mvzV5、当被加速的离子进入质量分析器时，磁场再对离子进行作用（与其飞行方向垂直），使每个离子做弧形运动。其半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/z。此时由离子动能产生的离心力(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Bzv)相等：(2)其中：R为弧形半径B为磁场强度将（1)、(2)合并得：（质谱方程式）z2BRmV222RBzm因此，当R为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。注：1.若加速电压V和磁场强度B一定，R不同的离子在质量分析器中被分开，一般重离子弧形半径R大，轻离子R小①R，V一定，改变B，为磁场扫描法，当B又小到大变化时，先收集到（分离出）的是轻离子②R，B一定，改变V，为电场扫描法，当V由小到大变化时，先收集到的是重离子2.若R一定，改变V和B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1.电子倍增管2.光电倍增管2.质谱仪器结构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.提供足够的平均自由程2.提供无碰撞的离子轨道3.减少离子--分子反应4.减少背景干扰5.延长灯丝寿命6.消除放电7.增加灵敏度进样系统进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中，并且不能造成真空度的降低。样品导入离子源的方式决定于样品的物理性质。常用的进样装置有：间歇式进样直接探针进样色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS、CE-MS）间歇式进样可用于气体、液体和中等蒸汽压的固体样品进样，通过可拆卸式的试样管将少量固体或液体试样引入试样储存器中。注入样品(10-100ug)→贮样器(1L-3L)→抽真空并加热→样品蒸汽分子→漏气小孔→高真空离子源直接探针进样对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引入到离子源中。通常将试样放入小杯中，通过真空闭锁装置将其引入离子源，可以对样品杯进行冷却或加热处理。色谱进样系统利用气相和液相色谱的分离能力，与质谱仪联用，进行多组分复杂混合物的分析。其中色谱进样系统中用的最多的是六通阀。离子源使被分析物质电离成离子(m/z)，并将离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束。不同的分子离子化所需要的能量不同，因此，应选择不同的离解方式：硬电离：能给予样品较大能量的电离方法。软电离：给予较小能量的电离方法，适用于易破裂或易电离的样品。常见MS电离方法1.电子轰击法(EI)电子轰击源是质谱通用型的电离源，硬电离方法。灯丝与接收极之间的电压为70伏，发射出能量为70eV的高能电子束，撞击来自进样系统的以气体形式进入离子源的样品分子，使样品分子电离，产生正离子，获得加速，经过狭缝进一步准直后进入质量分析器。在平行电子束的方向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；不适合对热不稳定和不能气化的物质，主要用于挥发性和分子量较小样品的电离；有些样品得不到分子离子。特点：2.化学电离(CI)通过离子-分子反应的软电离技术。样品分子与反应气分子相比是极少的。以甲烷反应气为例，在离子化室充CH4，电子首先将CH4离解，其电离过程如下：CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5++CH3生成的气体离子再与样品分子M反应：CH5++MCH4+MH+常用的反应气体有：甲烷、氨、异丁烷、甲醇等特点：得到一系列准分子离子（M+1）+，（M-1）+，（M+2）+等等；准分子离子是偶电子离子，比EI产生的M+•稳定，所以CI谱的准分子离子峰强度高，便于推算分子量；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；不适于难挥发成分的分析。3.场致电离(FI)和场解吸(FD)FI是当样品蒸气邻近或接触带高正电位的金属针（场发射体）时，样品分子在很强的电位梯度下可被电离，属于软电离。FD是把样品溶液置于阳极发射器的表面，并将溶剂蒸发除去，在强电场中，样品离子直接从固体表面解吸并奔向阴极。4.快原子轰击(FAB)轰击样品的快原子一般为惰性稀有原子如氩和氙。由于FAB是一种软电离技术，被分析样品无需经过气化而直接电离，所以，快原子轰击质谱法常用于分析极性强、不易气化和热稳定性差的样品。ESI电离是很软的电离方法，通常没有碎片离子峰，只有整体分子的峰。是最常用的液相离子源，适用于极性较强的大分子有机化合物，可用于热不稳定化合物的分析。5.电喷雾电离（ESI）6.基质辅助激光解吸电离（MALDI）通过激光束与固体样品分子的作用使其产生分子离子和具有结构信息的碎片。能使一些难于电离的样品电离，且无明显的碎裂，得到完整的被分析物分子的电离产物，特别适合生物大分子：肽类化合物、核酸等，主要与TOF联用。常用基质：2,5-二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸等。（基质的主要作用是作为把能量从激光束传递给样品的中间体。）7.大气压化学电离（APCI）APCI源是在气流的作用下，使液体雾化，然后使用外加放电的模式，使微粒带电。适用于中等极性或弱极性的小分子量化合物，尤其是含杂原子的化合物，不适合热不稳定或在溶液中容易电离的化合物。8.大气压光致电离（APPI）利用光化学作用将气相中样品电离的离子化技术，它在APCI的基础上加上一个紫外灯（也可使用激光），利用紫外灯或激光的照射使带有共轭双键的化合物选择性电离，由于其选择性好，所以对特定的化合物具有较高的灵敏度。该技术适用于弱极性的化合物，如多环芳烃等。质量分析器用不同的方式将离子化并加速了的不同m/z的离子分离和聚焦的装置。（质谱仪的核心部分）常见质量分析器1.单聚焦质量分析器离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区后，飞行轨道在磁场的作用下发生偏转，分离开的离子信号由检测器检出。相同质荷比，入射方向不同的离子会聚，为方向聚焦。结构简单，操作方便，但分辨率低（一般为500以下），主要用于同位素测定。2.双聚焦质量分析器由电场和磁场共同实现质量分离的分析器，同时具有方向聚焦和能量聚焦作用，叫双聚焦质量分析器。大大提高了仪器的分辨率，可达15万。但仪器昂贵，稳固、操作、维护均较为困难。3.飞行时间质量分析器（TOF）TOF是一种无磁动态质量分析器，根据不同质荷比的离子在无场分离区中的速度不同，引起漂移时间的差异而实现分离。仪器结构简单，质量范围宽，扫描速度快，灵敏度高，可用于大分子的分析。4.四极杆质量分析器是一种无磁分析器，体积小，重量轻，操作方便，扫描速度快，分辨率较高，运用于色谱—质谱联用仪器。电极上加直流电压U和射频交变电压V。当U/V一定及场半径r固定时，对于某一种射频频率，只有一种m/z的离子可以顺利通过电场区到达检测器，这种离子称为共振离子，其它非共振离子在运动中撞击在圆筒电极上被过滤掉。5.离子阱质量分析器（ITD）ITD是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段时间的装置。与四极杆质量分析器相似，被称为四极杆的三维形式。6.傅立叶变换离子回旋共振分析器（FT-ICR）傅立叶变换离子回旋共振质谱仪的分析器是由一对激发电极、一对检测电极和一对收集电极组成的池子，置于稳定的超导磁场中，磁场垂直于收集电极。磁场激发极收集极收集极检测极离子源傅立叶变换质谱仪分析室•超高分辨率•高测量准确度•可以实现时间串联MSn•可以在池内进行离子－分子反应等电子倍增器是现代质谱仪广泛使用的检测装置(铍铜合金或其他材料）。光电倍增管(一般具有7～13个打拿极)的增益随打拿极之间的电压呈指数变化,可使所测电信号放大。质谱仪中常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器、光电倍增器及离子计数器等。检测器3质谱仪的主要性能指标(1)质量范围质谱仪所能检测的离子m/z范围。质量单位：amu或u，Da或D由于质量分离的原理不同，不同的分析器有不同的质量范围。彼此间比较没任何意义。同类型分析器则在一定程度上反映质谱仪的性能。不同仪器：四极杆：4000Da离子阱质谱：4000Da磁质谱：10000Da傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS）50000Da飞行时间质谱：无上限不同要求：气相色谱：800Da液相质谱：2000Da生物分子：10000Da或更大A:未分开B:部分分开C:全分开分辨差分辨较差分辨达到要求m2m1(2)分辨率质谱仪器分开相邻两个质谱峰的能力。何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为是分开的。分辨率R=m1/(m2-m1)=m1/m，其中m1、、m2为质量数，故在两峰质量较小时，要求仪器分辨率越大。(3)灵敏度1.绝对灵敏度仪器可以检测到的最小样品量；2.相对灵敏度指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；3.分析灵敏度指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比；质谱仪器还有一些其它的性能指标,如精密度、准确度、扫描时间等。质谱图是以质荷比为横坐标，以各离子的相对强度（也称丰度）为纵坐标构成。一般把原始图上最强的离子峰定为基峰，并定其为相对强度100%，其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。因而，质谱图各离子峰为一些不同高度的直线条，每一条直线代表一个离子的质谱峰。下图为丁酮的质谱图。4.质谱图的组成质谱中离子的主要类型:(1)分子离子分子离子是分子失去一个电子所得到的离子，所以其数值等于化合物的相对分子量，是所有离子峰中m/z最大的（除了同位素离子峰外），分子离子用M表示，用于测定分子量。(2)碎片离子分子离子产生后可能具有较高的能量，将会通过进一步碎裂或重排而释放能量，碎裂后产生的离子形成的峰称为碎片离子峰，用于测定分子结构。(4)同位素离子当元素具有非单一的同位素组成时，电离过程产生同位素离子，用于测定分子式。同位素离子峰其质量数可能为M+1、M+2……等(5)亚稳离子从离子源出口到达检测器之前裂解并被记录的离子称亚稳离子，寿命10-6~10-5秒，以m*表示。m*=m22/m1，用于判断m2是否由m1裂解而来(3)准分子离子常由软电离产生，质量比分子量多或少；[M+H]+,[M+Na]+,[M+K]+,[M+NH4]+等称为准分子离子，用于测定分子量（6）重排离子重排离子是由原子迁移产生重排反应而形成的离子。重排反应可导致原化合物碳架的改变，并产生原化合物中并不存在的结构单元离子。(7)多电荷离子带有两个甚至两个以上电荷的离子是多电荷离子，具有分数质量，在质谱图上可由非整数的质荷比发现它。用于测定大分子的分子量。THANKYOU!