基于质谱技术分析方法简介

基于质谱技术分析方法简介 目录 高效液相色谱 质谱联用 气相色谱 质谱联用 串联质谱及其作用 高效液相色谱 质谱联用 数据及供电系统 进样系统离子源质量分析器检测接收器 真空系统 混合样品注入色谱仪后 经色谱柱得到分离 从色谱仪流出的被分离组分依次通过接口进入质谱仪 在质谱仪中首先于离子源处被离子化 然后离子在加速电压作用下进入质量分析器进行质量分离 分离后的离子按质量的大小 先后由收集器收集 并记录质谱图 根据质谱峰的位置和强度可对样品的成分和其结构进行分析 但是 在液相色谱仪和质谱仪联用时 传统的HPLC系统中遇到的流量和质谱仪要求的真空之间存在的难以协调性似乎太大了 再者 HPLC缺乏灵敏性 选择性和通用的检测器也是HPLC和MS联用的推动力 为了克服这一明显的不相容问题 需要解决以下困难 高效液相色谱 质谱联用 高效液相色谱 质谱联用 色谱仪与质谱仪的压力匹配问题 质谱仪要求在高真空 1 33 10 2 10 5 Pa即10 5 10 7mmHg 情况下工作 而液相色谱仪柱后压力约为常压 760mmHg 即101325 色谱流出物直接引入质谱的离子源时 可能破坏质谱仪的真空度而不能正常工作 要与一般在常压下工作的液质接口相匹配并维持足够的真空 其方法只能是增大真空泵的抽速 维持一个必要的动态高真空 所以现有商品仪器的LC MS设计均增加了真空泵的抽速并采用了分段 多级抽真空的方法 形成真空梯度来满足接口和质谱正常工作的要求 高效液相色谱 质谱联用 色谱仪与质谱仪的流量匹配问题 汽化问题 一般质谱仪最多只允许1 2ml min气体进入离子源 而流量为1ml min的液体流动相汽化后 气体的流量为150 1200ml min 被色谱分离后的样品必须以气态的 未发生裂解和分子重排的形式进入质谱仪离子源 这就要求色谱流出物在进入质谱仪以前汽化 HPLC的流出物为液体 必须采用不使组分发生化学变化的方法使之汽化 为了克服这一限制所采用的方法有 1 扩大MS真空系统的抽气容量 2 在引入真空系统之前除去溶剂 3 牺牲灵敏度 分流流出物 4 使用可在较低流量下有效工作的微型LC柱 液质联用技术就是将液相色谱和质谱仪通过一种称为 接口 的装置直接联接起来 将通过液相色谱仪分离开的各种组分逐一通过接口送入到质谱仪中进行分析 因此 接口是色谱联用技术中的关键装置 它要协调前后两种仪器的矛盾 既要不影响前一级色谱仪器对组分的分离性能 又要同时满足后一级质谱仪对样品进样的要求和仪器的工作条件 接口将两种分析仪器的分析方法结合起来 协同作用 取长补短 获得了两种仪器单独使用时所不具备的功能 高效液相色谱 质谱联用 高效液相色谱 质谱联用 接口一 直接液体导入接口二 传送带式接口三 热喷雾接口四 粒子束接口五 快原子轰击六 基质辅助激光解吸离子化 MALDI 七 大气压离子化技术 高效液相色谱 质谱联用 直接液体导入接口 DLI 是将HPLC的流动相沿着进样杆流动 然后通过一个直径为3 5 m的针孔 使液体射入质谱计的CI离子源中 仅仅大约10 50 l min的液流 就如小液滴流一样可进入离子源 否则质谱计的泵系统将被损伤 当它通过一个加热的去溶剂区域时 溶剂蒸发 在完全进入离子源后 这些蒸气由电子轰击源电离 在所使用的离子源压力下 约1torr 1torr 133 322Pa CI等离子体形成 因为溶剂蒸气大大超过任何样品量 当分析物洗脱导入离子源后 用CI方式使之电离 传送带式接口 MB 是将LC柱后流出的洗脱液 不停地由传送带送入MS离子源 传送带的调整依据流动相的组成进行 在传送过程中 样品闪蒸解离进入离子源 进入离子源前 流动相通过两个不同的泵和真空阀在减压条件下加热除去 传送带式接口的优点是对样品的收集率和富集率都高 缺点是移动带的记忆效应不易削除 高的流动带背景在测定低质量化合物时极为不利 分析物的范围限制在热稳定的化合物 热喷雾接口 LC洗脱物通过一根电阻式加热毛细管进入一个专门设计的加热的离子室 毛细管内径约0 1mm 比DLILC MS的取样孔要大得多 毛细管的温度调节到溶剂部分蒸发的程度 于是产生蒸气超声喷射 在含水溶剂 电离的 情况下 喷射中含有夹带着荷电小液滴的雾状物 统计上 荷电产生并非通过外部电场 TSP离子室是加热的 并由前级真空泵预抽真空 当液滴经过离子源时 它们继续蒸发和变小 这样就有效地增加了荷电液滴的场梯度 最终梯度高达足以使其成为自由离子而从液滴表面放出 这些离子通过取样锥内的小孔离开TSP离子源 这些离子可用传统的质谱仪进行质量分析 粒子束接口 PB 由雾化器 去溶剂室 分离器和输送管四部分组成 流动相及被分析物在常压下借助气动雾化产生气溶胶 在粒子束接口中 待测分子是通过一个动量分离器与溶剂分离的 此气溶胶扩展进加热的去溶剂室 在那里含在另一附加气流中的小粒子将在动量分离器中与大多数溶剂分子分离 而后经一根加热的转移管进入质谱 分析物小粒子在离子源与热源室的壁碰撞而分解 蒸发掉残余的溶剂 释放出的气态待测分子即可用所选的方法 主要为EI或CI 进行离子化 基质辅助激光解吸离子化技术是采用短的脉冲激光 1 10ns 使样品分子离子化后进入质谱仪分析 MALDI以激光照射靶面的方式提供离子化能量 样品底物中加入某些小分子有机酸作为质子供体 一般MALDI的操作是将液体样品加入进样杆中 经加热 抽气使之形成结晶 将进样杆推入接口 在激光的照射和数万伏高电压的作用下 肉桂酸可以将质子传递给样品分子使之离子化 经高电场的 抽取 相 排斥 作用直接进入真空 大气压离子化技术 API 是一类软离子化方式 它的出现 成功地解决了液相色谱和质谱联用的接口问题 使液相色谱 质谱联用逐渐发展成为成熟的技术 API主要包括电喷雾离子化 ESI 离子喷雾离子化 ISI 和大气压化学离子化 APCI 3种模式 它们的共同点是样品的离子化在处于大气压下的离子化室完成 离子化效率高 大大增强了分析的灵敏度和稳定性 高效液相色谱 质谱联用 1电子轰击电离 EI GC MS2化学电离 CI GC MS3大气压化学电离 APCI LC MS4快原子 离子轰击 FAB SIMS 离子源5等离子体解吸 PD 6基质辅助激光解吸电离 MALDI 7电喷雾电离 ESI LC MS8场致电离 Fieldionization9火花放电 Sparksource10激光电离 Laserionization LIMS 11共振电离 Resonanceionization RIMS 12热电离 Thermal离子检测器ionization TIMS 离子源 大气压化学电离 AtmosphericPressureChemicalIonisation 用于HPLC MS的APCl技术与传统化学电离不同 它不采用反应气体 而是借助电晕放电启动一系列气相反应来完成离子化过程 它增加了一根电晕放电针 其功能为发射自由电子首先轰击空气中O2 N2 H2O产生初级离子 再由这些初级离子与溶液中样品流出毛细管时被氮气流雾化到加热管中被挥发的样品分子进行质子或电子交换而使其离子化形成 M H 或 M H 离子 而后聚焦 进入分析器 APCl特点是只产生单电荷的准分子离子峰 适用于分析弱极性的小分子化合物 快速地分析流动相含水量高或低的样品 适合做梯度洗脱 具有通过调节接口内锥孔上的电压来控制分子离子在离子源内的断裂程度 来获得结构信息 电喷雾 ElectrosprayIonisation 其电离过程是 离子雾化 当样品溶液流出瞬间 在加热温度 雾化气 N2 和强电场作用下溶剂迅速雾化并产生高电荷液滴 随着液滴挥发 电场增强 离子向表面移动并挥发 产生单或多电荷离子 通常小分子得到 M H 或 M H 单电荷离子 生物大分子产生Z 1的多电荷离子 由于质谱仪测量的是质量电荷比 因此质量范围只有几千质量数的质谱仪能够检测质量数十几万的生物大分子 ESI特点是通常只产生高丰度的准分子离子峰 因此可测定不稳定的极性化合物 并可直接分析混合物 多电荷离子的形成可分析大分子量化合物 通过调节离子源参数可控制离子的断裂 从而给出结构信息有助于化合物的定性分析 优点 1 广适性检测器 MS几乎可以检测所有的化合物 比较容易地解决了分析热不稳定化合物的难题 2 分离能力强 即使在色谱上没有完全分离开 但通过MS的特征离子质量色谱图也能分别画出它们各自的色谱图来进行定性定量 可以给出每一个组分的丰富的结构信息和分子量 并且定量结构十分可靠 3 检测限低 MS具备高灵敏度 它可以在 10 12g水平下检测样品 通过选择离子检测方式 其检测能力还可以提高一个数量级以上 4 可以让科学家从分子水平上研究生命科学 5 质谱引导的自动纯化 以质谱给馏分收集器提供触发信号 可以大大提高制备系统的性能 克服了传统UV制备中的很多问题 高效液相色谱 质谱联用 目录 高效液相色谱 质谱联用 气相色谱 质谱联用 串联质谱及其作用 气相色谱 质谱联用 气相色谱法定性依据是色谱峰的保留时间 定量依据则是色谱峰高或峰面积 作为定性和定量方法 气相色谱法最大特点在于高效的分离能力和高的灵敏度 是分离混合物的有效手段 质谱法是依据带电粒子在磁场或电场中的运动规律 按其质荷比 质量和电荷的比 实现分离分析 测定离子质量及其强度分布 主要特点是能给出化合物的分子量 元素组成 经验式及分子结构信息 具有定性专属性强 灵敏度高 检测快速的优势 气相色谱 质谱联用 接口问题 气相色谱工作在接近大气压的条件下 而质谱要求高度真空 接口技术中要解决的问题就是两者工作条件的联接和匹配 要把气相色谱柱流出物中载气尽可能多地除去 保留或浓缩待测物 使近似大气压的气体变成适合离子化装置的粗真空 并协调色谱仪和质谱仪的工作流量 气相色谱 质谱联用 直接导入型接口 开口分流型接口 喷射式分子分离器接口 直接导入型 内径在0 25至0 32mm的毛细管色谱柱的载气流量在1 2ml min 这些柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源 这种接口是迄今为止最常用的一种技术 载气和待测物一起从气相色谱柱流出立即进入离子源 由于载气氦气是惰性气体不发生电离 待测物质却会形成带电粒子 待测物带电粒子在电场作用下加速向质量分析器运动 而载气由于不受电场影响被真空泵抽走 气相色谱 质谱联用 开口分流型 气相色谱 质谱联用 气相色谱柱的一段插入接口 其出口正对着另一毛细管 该毛细管称为限流毛细管 限流毛细管把色谱柱洗脱物的一部分定量地引入质谱仪的离子源 内套管固定插色谱柱的毛细管和限流毛细管 使这两根毛细管的出口和入口对准 内套管置于一个外套管中 外套管充满氦气 当色谱柱的流量大于质谱仪的工作流量时 过多的色谱柱流出物和载气随氦气流出接口 当色谱柱的流量小于质谱仪的工作流量时 外套管中的氦气提供补充 喷射式分子分离器接口常用的喷射式分子分离器接口工作原理是根据气体在喷射过程中不同质量的分子都以超音速的同样速度运动 不同质量的分子具有不同的动量 动量大的分子 易保持沿喷射方向运动 而动量小的易于偏离喷射方向 被真空泵抽走 分子量较小的载气在喷射过程中偏离接受口 分子量较大的待测物得到浓缩后进入接受口 喷射式分子分离器具有体积小热解和记忆效应较小 待测物在分离器中停留时间短等优点 下面是Ryhage型分子分离器接口的工作原理图 气相色谱 质谱联用 气相色谱 质谱联用 气相色谱柱洗脱物进入图11 3 5中左边的三角形腔体后 经直径约为0 1mm的喷嘴孔以超声膨胀喷射方式向外喷射 通过约为0 15 0 3mm的行程 又进入更细的毛细管 进行第二次喷射分离 气相色谱 质谱联用 上图是放大的单级喷射式分子分离器的工作原理图 下图是其安装图 从气相色谱洗脱物在氦气补充气 15 20ml min 的作用下 见图11 3 6 通过接口毛细管进入分离器 分离器A处 图 出口的狭缝略大于B处入口的狭缝 至少95 的氦气被抽走 大于50 的待测物通过狭缝B而进入质谱仪 气相色谱 质谱联用 离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子 并使这些离子在离子光学系统的作用下 会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束 然后进入质量分析器被分离 电子轰击电离源 EI 化学电离源 CI 场致电离源 FI 大气压化学电离源 APCI 电喷雾电离源 ESI 离子源 用标准电离条件 电子轰击电离源 70eV电子束轰击已知纯有机化合物 将这些标准质谱图和有关质谱数据存贮在计算机的磁盘中就得到了质谱谱库 目前最常用的质谱谱库有以下一些 1 NIST库由美国国家科学技术研究所出版 有64K张标准质谱图 2 NIST EPA NIH库 3 Wiley库 有3种版本 4 农药库 StandardPesticideLibraray 5 药物库 PffegerDrygLibraray 6 挥发油库 EssentialOilLibraray 在这6个质谱谱库中前三个是通用质谱谱库 一般的GC MS联用仪上有配有其中的一个或两个谱库 目前用的最广泛的是NIST EPA NIH库 后三个是专用质谱谱库 根据工作的需要可以选择使用 气相色谱 质谱联用 目录 高效液相色谱 质谱联用 气相色谱 质谱联用 串联质谱及其作用 串联质谱法 TandemMassSpectrometry MS MS 是质谱法的重要联用技术