第四章-质量分析器及亚稳离子综述

第四章质量分析器及亚稳离子 4 1磁质谱MagneticSector4 2四极杆Quadrupole4 3离子阱IonTrap4 4飞行时间Time of Flight ToF 4 5回旋共振Fouriertransformioncyclotronresonance FT ICR 4 6亚稳离子metastableion 质量分析器是质谱计的核心 不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计 不同类型的质谱计其功能 应用范围 原理 实验方法均有所不同 质量分析器 MassAnalysers FactorstoConsider Uppermasslimit Highestm zthatcanbedetectedMaybeoffsetbymultiplechargesResolution Distinctsignalsforsimilarm zratiosTransmission Ratioofionsreachingdetector ionsproducedCost MassAnalysers Resolution ResolvingPower Abilitytoresolvetwosignalsofsimilarm zResolvedifvalleyis 10 Higherresolution greateraccuracye g R 20 000 Separatem z100 0000fromm z100 0050Accuracyneeded HighResolutionMassSpectrometry HRMS DetermineelementalcompositionofanionVitaltoconfirmstructure MassAnalysers HighResolutionMassSpectrometry HRMSoraccuratemassdeterminationDetermineselementalcompositionConsidertwoions 1 C24H19N nominalmass 3212 C21H23NS nominalmass 321UsingC 12 H 1 N 14andS 32Canwedifferentiatethesetwoions Needtocalculatethemonoisotopicaccuratemass MassAnalysers HRMS AnExample Exactmassofmostabundantisotope monoisotpoic C 12 0000 H 1 0078 N 14 0031 S 31 9721 1 C24H19N accuratemass 321 15132 C21H23NS accuratemass321 1546R M DM 321 321 1546 321 1513 97 273 单聚焦磁场分析器 由于离子初始动能并不为零 且各不相同 这样 即使相同m z的离子 经过磁场后 也不能全部聚焦在一起 也就是分辨率不高 4 1磁质谱 MagneticSectorAnalyzer zV mv2 2mv2 rm zvBm z r2B2 2V 双聚焦分析器 在离子源和磁场之间引入静电分析器 静电分析器由恒定电场下的一个固定半径的管道构成 如图 加速的离子进入静电场后 只有动能与曲率半径相应的离子才能经过狭缝进入磁分析器 实现方向聚焦和能量聚集 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 被加速离子在进入磁分析器之前先进入静电分析器 所受的向心力由离子所受电场力提供 ZE mv2 re由方程 2 1 可得 mv2 2ZV合并上边两方程 消除v Z和m项 可得 re 2V E半径大于r撞击正极 半径小于r撞击负极 工作原理 其他类型质量分析器 双聚焦质谱仪分辨率高 体积大 价格昂贵 维护困难 但色谱 质谱联用仪器的发展及仪器小型化 台式 需要 体积小的质量分析器 四极杆质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器 体积小 操作简单 分辨率中等 4 2四极杆质量分析器QuadrupoleMassAnalyzer quadrupolemassfilter 由四根平行的棒状金属电极组成 对角两根金属电极连接 分成两组加到两对电极杆上的电压数值相等 方向相反 只有那些具有特定动能的离子 才能在特定的 U Vcos t 四极场中按稳定的振动轨道 沿Z轴方向 飞行 并且射过四极场 到达检测器 而其他的离子则在四极场中因不稳定的振动飞行而被极杆所吸收 即被偏转掉了 四极质谱结构简单 价廉 体积小 易操作 无磁滞现象 扫描速度快 适合于GC MS LC MS 分辨率不高 4 3离子阱IonTrapAnalyzer 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 IonsstoredbyRF DCfieldsScanningfieldcanejectionsofspecificm zPrincipleverysimilartoquadrupole Ringelectrode Endcapelectrode Endcapelectrode 离子阱质量分析器的优点和缺点 优点 单一的离子阱可实现多级串联质谱 MS n 结构简单 性价比高 灵敏度高 比四极质量分析器高10 1000倍 质量范围大 商品仪器已达6000缺点 所得质谱图与标准谱图有一定差别 因在阱中生成的离子有较长的停留时间 可能发生离子 分子反应 但采用外加离子源可克服 且可与色谱联机 4 4飞行时间质谱仪Time of Flight TOF MS的核心部分是一个无场的离子漂移管 原理 用脉冲能量将离子从离子源瞬间引出 经加速电压加速 具有相同的动能进入漂移管 质荷比小的离子速度快先到达检测器 质荷比大的离子后到达检测器 加速后的离子具有相同的动能 m z小的离子 漂移运动的速度快 最先通过漂移管 到达检测器 m z大的离子 漂移运动的速度慢 最后通过漂移管 到达检测器 检测通过漂移管的时间 t 及其相应的信号强度 可得到质谱图 t为 s数量级 适合于生物大分子 灵敏度高 扫描速度快 结构简单 分辨率随m z的增大而降低 AllionsstarttogetherSmallerionsmovefasterMeasurevelocityoverknowndistance timeofflight 提高加速电压 使离子的飞行时间缩短 仪器的分辨率下降 而增加漂移管的长度 使离子的飞行时间增加 仪器的分辨率提高 飞行时间质量分析器的优点和缺点 优点 特别适合于生物大分子的质谱测定 无质量检测上限 特别适合于与脉冲电离过程如MALDI搭配 灵敏度高 适合于作串联质谱的第二级 扫描速度快 适合于研究极快的过程 结构简单 便于维护缺点 质量越大 飞行时间的差值越小 分辨率越低 分辨率随质荷比的增加而降低 傅立叶变换离子回旋共振质谱计 是受FT NMR的启迪 利用不同m z的离子 在磁场B的作用下 各自产生不同的回旋频率 回旋频率只和质荷比有关而和离子动能无关 若施加一射频场 使其频率等于某一m z离子的回旋频率 则离子就会吸收能量而激发 离子从射频场吸收能量 称之离子的回旋共振 激发的离子运动速度 v 增大 运动轨道半径 r 增大 称之离子的回旋运动的激发 4 5傅立叶变换离子回旋共振Fouriertransformioncyclotronresonance FTICR FT MS特点 FT MS分辨率极高 目前可得到精确度最高的精确质量 FT MS灵敏度高 质量范围宽 速度快 性能可靠 但仪器非常昂贵 1 000 000 fewintheworld IonDetection SampleintroducedDIP GC LC etc IonisgeneratedEI CI FAB ESI APCI MALDIIonisseparatedMagneticsector TOF iontrap quadrupole FTICRIonmustnowbedetected 4 6亚稳离子及其检测 亚稳离子 提供离子间 亲缘 关系的信息 离子在离子源中运动的时间约为10 6s 从离子源到检测器的时间约为10 5s 寿命10 5s的离子足以到达检测器 介于10 6s 10 5s之间的离子在到达检测器之前可能发生分解 4 6 1在第二无场区产生的亚稳离子 m m22 m1 m 峰较宽 m1 m2应均可见且在一般情况下有一定强度 离子M 离开离子源时所携带的动能是 根据动量守恒原则 M 的动量m1v1应由A 和中性碎片N分享 在发生亚稳转变中 A 和N两个碎片都以相同的速度 v2 运动 所以 第一个式子可写为 亚稳离子A 进入磁场 并遵守下式方可通过磁分析器 整理上边两式 得 苯胺的EI谱 针枞酚的EI谱 4 6 2在第三无场区产生的亚稳离子 在磁场后无场区所产生的亚稳离子 由于没场的影响 仍以惯性作直线运动 混入正常的离子中 表观质量仍为m1 4 6 4离子动能谱 IKES 和质能谱 MIKES 都采用E扫描法 但测定IKES用的是前置型双聚焦质谱仪 而测定MIKES是用倒置型双聚焦质谱仪 IKES可区分异构体 MIKES可区分骨架相同支链不同的化合物 可用于混合物的分析 与碰撞活化装置联用可得到更多的信息 4 6 3在第一无场区产生得亚稳离子 m1在第一无场区分解 m2只具有比正常离子小的动能 在静电分析器中被中和 在常规条件下不能被检测 为使在第一无场区产生的亚稳离子可通过ESA 有两种方法 提高离子的加速电压和E扫描 前者在正常条件下m2的地方出峰 后者仍在m22 m1处 质谱仪的三个参数B E V中的一个保持不变 另两个参数按一定关系变化 B E扫描 可找出某一母离子所产生的所有子离子正常离子m1 在第一无场区分解产生m2 为使m2 通过静电分析器 应有 E2 E1m2 m1 1 而正常离子m1 通过磁分析器 要遵循 rB1e m1v1 2 要使m2以同样曲率半径通过磁分析器 应有 rB2e m2v2 3 由于v1 v2 所以 rB2e m2v1 4 联立 2 4 有 B2 B1 m2 m1 5 联立 1 5 有 B2 B1 m2 m1 E2 E1即B2 E2 B1 E1为常数 且和m1有关 4 6 5联动扫描 2 B2 E扫描 可找出给定子离子的所有母离子 3 丢失固定中性碎片的扫描 找到失去给定mn的若干母 子离子对 4 6 6亚稳离子提供的信息有机质谱反应的机理 离子的结构 结构单元的连接次序 另外亚稳离子的峰形能反应离子的能量分布 可用来研究离子的热化学性质 一个未知物的常规EI谱 此谱可能表征N 甲基 N 异丙基正丁胺或N 甲基 N 乙基 N 2 戊胺 N 甲基 N 异丙基正丁胺 N 甲基 N 乙基 N 2 戊胺 碰撞诱导断裂 CID 又称为碰撞活