高等质谱学2013年

高等质谱学陈福坤 质量分析器 质量分析器是质谱仪的核心部件 其功能是将离子源产生的离子束按质荷比 m z或m q 实现在空间位置 时间先后上分开 聚焦 进入离子束流收集器通常有高频电场 磁场 电场与磁场组合 磁场与高频电场组合 脉冲电场与漂移空间组合等方式 单聚焦质量分析器双聚焦质量分析器四级杆质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器 单聚焦质量分析器 早期的单聚焦质谱仪主要是质量单聚焦 由加速电场 入口狭缝 磁铁 质量分析管和出口狭缝组成 在单聚焦扇形分析器中 质量为m 电荷量为z 速度v的正离子由狭缝进入磁场前的动能为 V为加速电压 正离子进入磁场后受到磁场力 劳伦兹力 的作用 其运动方向发生偏转 由直线运动改为圆周运动在磁场力作用下圆周运动的向心力等于磁场力 关系式为 H为磁场强度 rm为质量m的离子飞行轨道偏转半径 质荷比m z与磁场强度H平方成正比 与加速电压V成反比 当V固定不变时 不同的磁场强度对应不同的m z 固定加速电压V 连续改变磁场强度H 磁场扫描 在接受狭缝处S2可得到所需的质谱 固定磁场强度H 连续改变电场强度V 电场扫描 在S2处也可获得相应的质谱 当H和V固定不变时 离子m z越大 其运动半径rm越大 因此 只有离子运动半径与分析管道半径相符 即rm 分析管道半径 的离子才能到达S2处 离子源产生的离子进入加速电场前 其初始能量不为零 样品分子动能分布和离子源内电场不均匀等原因 可以造成初始能量各不相同 相同的离子可以存在初始能量差别 致使相同的离子也不能聚焦在一起 因此 单聚焦质量分析器的分辨率通常不很高 单聚质量分析器分辨本领差是由于在扇形磁场中 离子的动量与离子轨道半径成正比 即不同动量的离子有不同的轨道半径 扇形磁场也被认为是一个动量分析器 单聚质量分析器只能进行质量 方向 聚焦而不能对速度 能量 聚焦 因此 一束动量相同 而离子质量和速度有差异的离子束 难于进一步分离 双聚焦质量分析器 在加速电场和磁分析器之间加一个扇形电场的双聚焦质量分析器 可以克服单聚焦质量分析器分辨率不高的缺点离子进入静电场分析器时 只有动能与其曲率半径相匹配的才能通过狭缝进入磁分析器 即在磁场进行方向聚焦之前实现了能量 或速度 聚焦 从而提高了质谱仪的分辨率和测量精度 双聚焦质谱仪结构示意图 扇形静电场分析器结构示意图 在扇形静电场分析器中 E和 E是一对同轴柱面电极 半径为R1和R2 re为离子运动半径 d为两电极之间的距离 且re d 在柱面电极上各加以数值相等 极性相反的电压V 两个电极之间将产生径向静电场 电力线从正到负通过轴心 半径为re的圆弧上的电场强度为 因而有 当进入扇形静电场离子的动能相对改变DV V时 离子半径也相应改变Dre re 说明扇形静电场是一个动能分析器 可以起到动能过滤作用 实现能量 或速度 聚焦 狭缝S使通过的离子具有较窄的动量范围 提高分辨率 四级杆质量分析器 由两对四根馈接有直流电压DC和叠加射频电压RF的精确平行杆构成 相对的一对电极是等电位的 两对电极之间的电位是相反 四级之间区域内的等电位表现为振荡双曲线电位 因此 尽可能使杆的表面设计成双曲面 并使四级杆具有稳定的空间结构 从而获得理想的双曲面四级杆质量分析器 四级杆质量分析器结构示意图 当一组不同m z的离子束从轴向进入四根平行杆之间时 在相邻一对杆的直流电压所构成的四级电场中 离子束将受到叠加的射频电场的驱使而垂直于轴的方向上发生振动 振幅与质量有关 只有特定m z的离子不会离开束 并沿轴的方向穿出 被离子收集器记录下来 改变直流与射频两种电压组合 就可使另一种m z的离子通过四级杆质量分析器可以通过质谱扫描对同位素离子或分子离子进行快速的质谱测定最大优点是结构简单 成本低 价格便宜 质量范围宽 适合大分子有机物的分析许多ICP MS都用四级杆作质量分析器 是同位素分析 特别是多元素测定的理想分析器 飞行时间质量分析器 供给不同的离子以同样的动能进入飞行时间质量分析器中 将具有不同的速度 从而具有依赖于质量的不同飞行时间 当以脉冲方式产生的离子束 经加速狭缝加速后 具有能量 如果离子的初始能量可以忽略不计 则所有离子具有相同的能量 飞行时间分析器结构示意图 V加速电压u离子飞行速率 离子束进入无场漂移管后 不同质量的离子漂移速度不同 若加速狭缝至倍增电极的距离为L 且固定不变 则有 和 L为漂移距离V为加速电压t为飞行时间 当L和V给定时 漂移时间与质量的平方根成正比 在检测器前设置了一个电位选择器网栅 与离子源控制栅极同步运行 使所选质量的离子进入检测器 与入射离子成直角 配置滞组电极的飞行时间质量分析器分辨率更高 并可消除中性粒子和散射离子的影响 离子阱质量分析器 离子阱质量分析器的最大特点是不需要独立的离子源 可外接各种离子源 结构紧凑 体积小 不像四极杆虑质器 机械制造过程较简单 易于实现质谱仪的小型化和串联成多级质谱仪 灵敏度和分辨率高 分别为pg级和3000 质量范围高达70000 与GC或LC联用已成为生物化学 有机化学 药物学 商检和环保领域的重要分析仪器 离子阱质量分析器的结构和原理由一对环形电极和上下两个呈双曲面的端盖电极组成 端盖电极可绕Z轴旋转 在环形电极上加射频电压或再加直流电压 上下盖电极接地 Z0为两个盖电极间最小距离 且设计成r0 2Z02 r0为环形电极最小半径 在环形电极和端盖电极之间加上 U Vcos2pft 的高频电压后 高频振幅使场周期性发生偏转 使进入离子阱的离子在Z轴方向被交替聚焦或散焦 利用类似四级杆质量分析器的原理 改变直流与射频电压的组合 当固定射频电压V和频率f为某一值时 可使某m z离子保持一定大小的振幅 成为稳定离子流 长期保存在离子阱内 其它的离子将在与环形电极或端电极的碰撞中消失 在引出电极上加负电压脉冲 就可将离子阱中的稳定离子引出至接收器 供质谱扫描测定 U为直流电压 V为高频电压幅值 f为高频电压频率 t为时间 离子收集检测器 两个主要类型1 离子的感板照相测量法2 离子的电学测量法 离子收集检测器的功能是收集来自分析器的离子束 并依次检测其离子束流强度 实现同位素比值及其组成的测定 两个主要类型1 离子的感板照相测量法 类似于光学照相技术 采用卤化银乳胶制成感板 离子碰撞卤化银晶粒时 部分能量会导致产生潜象的电学过程 经化学显影后 可以获得离子组分和强度记录 离子携带的能量比光子大几个数量级 单个离子可以使一个卤化银晶粒显象2 离子的电学测量法 通常采用探测收集器接收质量分离的离子束 然后采用电学系统进行放大 测量接收到的离子电流或二次离子效应电流 强度差异反映组分差异 两种类型各有优缺点 而在现代仪器设备上电学法具有应用的优势 感板照相法的优缺点感板照相能够同时记录质量范围很宽的离子组分 在离子流强度波动大的情况下 能够达到积分效果探测器件结构简单 玻璃板涂抹含卤化物乳胶 绝对灵敏度低 对微量组分分析需要通过增大曝光量 积累大量的离子数来实现 测量时间长乳胶不均匀会导致误差显著乳胶的高电阻率会引起二次离子效应 可以干扰邻近微量组分线的测量定量分析时数据处理繁琐 难于计算机联机使用 电学测量方法的优缺点可以直接观察信号的变化 便于仪器的调节分析速度快能与计算机联用 数据处理简单快捷检测的灵敏度高 如电子倍增器可以探测出单离子信号测量的精密度高单接收器电测系统不能同时记录多种质量的离子 多接收器系统因受仪器空间和电学因素 同时检测的不同质量的离子种类受到接收器个数限制分辩率通常较低 主要原因时接收缝的积分效应和出射离子束相对接收缝倾斜而增大象差 接收缝变窄可以提高分辩率 但同时也减低了灵敏度 离子的感板照相测量 感板通常由玻璃板和照相乳胶组成照相乳胶由明胶和悬浮的溴化银晶粒构成溴化银晶粒是一种在结构上具有某些缺陷的半导体晶体 其作用是形成潜象明胶作为溴化银溶剂 主要作用是悬浮溴化银晶粒 感板结构示意图 明胶对离子射线的能量有很强的吸收作用 限制了入射离子在乳胶内的穿透深度 减低了乳胶的灵敏度 同时 可以导致记录时离子扩散 使谱线边缘扩展 降低分辨率 导电性不良又会造成表面电荷效应 使谱线变宽根据乳胶的含量和分布 感板分为薄明胶型 无明胶型和离心分离明胶型 可以针对离子能量选择感板类型 主要离子感板类型的物理特征 离子感板潜象形成 当入射离子碰撞溴化银晶粒时 晶粒内溴化银分子键断裂 分解为Ag 和Br 离子 当入射离子的能量足够时 可以释放电子和溴原子 当自由电子与自由银离子结合 银离子被中和 以银原子的形式潜淀在溴化银晶粒内部或表面 形成潜象 离子感板潜象形成过程 对潜象的形成机理存在不同的认识 先俘获电子或先俘获Ag 离子 明胶对离子射线具有一定的阻滞作用 能够吸收离子的能量 入射离子对乳胶剂的作用就与离子能量和乳胶组成有关 即与离子穿透深度有关 潜象的显象全潜象显影法表面显影法内部显影法谱线变黑度的测量谱线宽度测量背景扣除 谱线定性和定量分析 离子电学测量方式的主要类型 对于磁式质谱仪器而言 可以通过改变离子飞行轨迹Rm 加速电压V或磁场强度B 即可以通过单接收器逐一探测按质量不同分离出来的离子束 电学测量方式 稳定场型扫描型峰选择型 移动接收器扫描法多接收器法 磁场扫描法电场扫描法 磁式峰选择法静电式峰扫描法 204Pb 206Pb 207Pb 208Pb FaradayCup IonBeam MagnetField 移动接收器扫描法要求高质量的机械系统 被接收的离子信号强度稳定多接收器方法已发展成熟 接收器之间距离可调 可以适用相对质量差别不同的离子组分的测量 要求各个接收器增益效率相对稳定 IsoProbe T热电离质谱计MC 17多接收器系统 Triton热电离质谱计多接收器系统 扫描型是利用连续改变的电场或磁场使分离的不同质荷比的离子束按一定的顺序进入接收器 电场扫描法利用改变加速电压荷静电分析器电场强度达到质量扫描目的 扫描速度快 但存在加速电压效应 影响仪器分辨率和灵敏度 即随加速电压的变化而变化 磁场扫描法利用改变磁铁励磁电流的方法改变磁场强度 达到质量扫描目的 扫描速度不能太快 但不存在加速电压效应 峰选择型扫描法跳跃式地改变分析场的场强 取各稳定值 实现质谱峰的切换 静电式峰选择型简单 磁式峰选择型复杂 扫描型的动态分辨率和表观灵敏度与扫描速度和记录检测系统的响应之间的关系 离子电学接收检测器包括接收器和检测放大器两部分 探测接收方式主要有两种 直接 二次效应探测方法 直接探测方法 直接采用由金属制成的接收器接收离子平板接收器和筒状接收器 法拉第筒 二次效应探测方法 使接收到的离子发生离子 电子或离子 光子 电子变换效应 用电子倍增器或光电倍增器放大电子流 达到放大探测的目的 也属于前置放大器 可以探测极微弱的离子电流常用的接收器 静电式电子倍增器和闪烁探测器 直接收集检测器二次电子倍增器离子 电子转换型闪烁检测器微通道板检测器 离子的电学接收检测器主要种类 接收器通过一个高欧姆的输入电阻器接地 所接收到的离子电流在输出电阻上产生的电压信号馈给放大器加以放大 然后测量和记录接收缝宽度大小影响到质谱的分辨率检测灵敏度较低 10 15A 通常用于强离子流的测量线性好 结构简单 价格低 平板接收器 法拉第接收器 异形筒接收器 直接收集检测器平板接收器筒状 法拉第 接收器 可以由2个或以上法拉第杯组成双接收或多接收系统 提高同位素测定的精确度 但需要监控不同接收器的增益差别 进行增益校正 目前可以配置达到9个法拉第杯的多接收器系统 当离子加速电压较高时 1千伏 入射离子的能量可以使离子碰撞接收缝和收集极时产生二次电子或二次离子 使记录到的质谱峰畸变或产生虚假离子流在收集极前加一正电位的二次离子抑制极和一负电位的二次电子抑制板 可以使二次离子不能达到收集极和二次电子不能离开收集极筒状接收器制成深度较大或异形筒 可以增强接收性能 英国GV公司生产的IsoProbe质谱计高效率法拉第接收器 提高法拉第接收器性能接收器效率接收器增益稳定二次效应低低噪音基线或噪音背景稳定 低噪声Lownoiseresistors Expectedprecisionsbasedonsignal noise 增益的稳定性nogainsbetweenanalysesover4days 峰坪的宽度Peakshapeistheresultofanionbeampassingacrossthecollectorslit Internalprecision ExternalPrecision 高精度的测量 静电式电子倍增器通常由一个转换极 多个倍增极和一个收集极组成 具有一定能量的入射离子束打在转换极上 产生二次电子 在加速电压驱使下依次撞击倍增电极片 由于撞击和发射位置不是在同一个点 这些二次电子产生连续倍增 并将离子流转化为电子流 放大倍数可达104 108具有高灵敏度 低噪音等优点 二次电子流强度I1与入射离子流强度I0及转换极效率g的关系 I1 g I0 由转换极发射的二次电子 在第一倍增极D1电场作用下被加速 投射在D1上 再次倍增出二次电子 电子流强度I2 转换极效率与离子质量及能量的关系 实际增益主要取决于二次发射系数和倍增级数 也与电极系统的聚焦性能 二次电子的加速电压 入射离子的类型和能量等有关级数增大 噪音也增大 稳定性减低 提高二次发射系数可以较好提高增益增益随总加速电压 倍增电压 增高而增大电子倍增器的灵敏度随使用时间增长而下降 电子倍增器的增益曲线 电子倍增器性能的主要表征参数 增益 噪声和增益稳定性 闪烁探测器 离子 电子转换型闪烁检测器 Daly检测器 主要由离子 电子变换器 闪烁器和光电倍增器组成在变换器上加负高压 15kv 闪烁器接地 通过分布缝入射进来的离子被加速 打在变换器上 产生二次电子 二次电子受电场的作用 朝向闪烁器加速 打在闪烁器上而发光 光子通过光管传到光电倍增管 产生光电子 经倍增后输出电信号 采用脉冲计数器读出信号 变换器由不锈钢 铝或表面覆铝的不锈钢制成闪烁器是表面覆着薄金属膜的磷光体可以检测正 负离子 检测负离子时 变换器加正高压 混合式离子检测器结构 1 外壳2 离子束入口3 法拉第杯可抽底板4 电子倍增器5 闪烁晶体6 密封圈7 光导8 光电倍增器9 法拉第杯 闪烁探测器的优缺点灵敏度高 噪声低 即信噪比高 噪声10 20 10 21A 检测限可达10 19A检测系统不置于真空系统中 更换方便电子输出系统简单体积大 造价高 英国GV公司生产的IsoProbe质谱计M17多接收器系统 可移动的9个法拉第杯和7个离子计数器接收系统 Daly检测器 不可移动 英国GV公司生产的IsoProbe质谱计高效率Daly接收器 高效率高增益低噪音峰坪宽性能稳定 微通道板检测器 当具有一定能量的入射粒子打到管端内壁A时 将产生一个以上的二次电子 它们由Vp管内电场加速获得能量再打到B 将产生更多的二次电子 如此经过多次倍增过程 最后可获得大量的电子 从而使微小的带能粒子转换并倍增成大量的电子供检测 每块板的增益可达104 多块板串联使用可得更高的增益 具有探测面积大 增益高 反应时间短 性能稳定 结构简单 体积小 重量轻等特点 可以测定电子 离子 真空紫外线 X射线 中性粒子等多种带能粒子 检测器放大系统 为了避免强离子流引起的空间电荷效应和记忆效应 质谱测量时 通常采用低离子流强度 10 9 10 12A 接收器输出的信号电流十分微弱 这就要求检测器的检测和记录系统具有高灵敏度 除了倍增器内部增益之外 需采用外部电路进行信号强度放大 放大器需满足 灵敏度高 放大倍数大动态范围宽 线性测量范围宽稳定性好 测量精确度高 频带宽度宽直接数据显示或永久性记录可以与计算机联用 数据采集方便主要类型有 直流静电计和动态电容式静电计放大器 直流静电计静电计放大器 质谱测量中最常用的放大系统接收器输出的极微弱信号电流必须采用高输入电抗的检测放大系统进行放大测量信号电流经过高阻抗的输入电阻器 Ri 109 1012欧 将其产生的信号电压馈给一个直流放大器放大后加以测量输入电阻应小于放大器自身的输入阻抗通常由静电计管构成前级放大级 静电计管是为微电流放大器设计的特殊电子管 特点有 栅流小 输入阻抗高在结构上 静电计管有三极管 四极管和无五极管 三极管放大倍数最低 五极管放大倍数最大 单级桥式 直流静电计放大器的主要类型 单级桥式静电计放大器 多级直流静电计放大器 混合型直流静电计放大器 单级桥式是一种最简单的直流静电计放大器 由三极管或四极管的静电计管和检流计组成可以测量低至10 15A的离子流信号强度放大倍数小 常不能满足实际测量的需求 现代质谱计基本上采用多级式或其它形式的放大器 在结构上 可以分为单级和多级电路类型 多级式 负反馈式 多级直流静电计放大器 由静电计管承担输入级的作用 并安置在靠近接收器的位置 静电计管输入级也称为前置级在多级直流放大器中 静电计管输入级起着将要求高阻抗的电流信号变换为低阻抗的电压信号的作用 即起阻抗变换器的作用 选择适当的电子管工作电压 使工作范围处于电子管动态特征的直线范围内 可以使电流计的偏转与接收器离子流强度成正比为减小电路时间参数 实现快速检测 常采用电压负反馈方式 降低时间参数 减小电路噪音 混合型直流静电计放大器 可以采用静电计管和晶体管相结合 构成混合型直流静电计放大器 具有体积小 供电系统简单 且稳定性好等特点 动态电容式静电计放大器 直流静电计放大器具有零点漂移和噪声大等缺点 主要由于直流静电计放大电路采用级间直接耦合的方式电源电压的波动 元件参数的变化等造成的各级工作电的缓慢变化被逐级放大 使输出电压严重偏离初始值 导致零点漂移 干扰也逐级被放大 使输出信号的噪声也增强采用交流放大器 用阻容耦合替代直接耦合 各级放大由电容隔离 前级参数变化不会耦合至后级 也抑制噪声 动态电容式静电计放大器 利用变换器 调制器 先将直流信号转变为交流信号 利用交流放大器进行放大 然后再利用整流器将放大后的交流信号还原为直流信号 便于测量 构成直 交 直系统具有低零点漂移和噪声 输入阻抗高 对电源的稳定性要求不高等优点 但结构复杂 造价高和维护难 直接接收器 直流静电计放大器 探测限10 15A电子倍增器 直流静电计放大器 探测限10 19A直接接收器 动态电容式静电计放大器 探测限10 17A电子倍增器 动态电容式静电计放大器 探测限10 19A 多接收器系统的放大器放大系数归一校正 英国GV公司生产的IsoProbe质谱计M17多接收器系统 真空系统能够使离子源 质量分析器和检测器在低气压状态下工作 待测离子不会因与残存气体分子发生碰撞二散射 有利于分辨率和灵敏度的提高没有良好的真空 飞行的离子与气体分子相互碰撞几率增大 引起一系列干扰效应 使质谱复杂化 背景值增高 分析误差增大 甚至引起分析系统中电极之间放电现象 飞行离子与残余气体分子或原子碰撞产生的干扰效应散射效应 离子由于碰撞而偏离轨道 引起质谱峰变宽电荷转换 转移谱 多电荷离子再分析通道内与气体分子或原子碰撞时发生电荷转移而形成电荷转移谱线或连续谱线 限制了仪器的探测限 真空系统 微量分析的现代质谱仪器通常由旋转机械泵 扩散泵 离子泵和冷阱捕集器等组成的高真空机组系统 可以获得10 8托或者更高的真空度工作状态下 离子源区真空条件约为10 7托 分析器区通常好于10 8托 检测器区好于10 2托利用离子源和质量分析器之间的狭缝可以形成1000 1的差动抽气 在分析样品时 即使由于样品释放气体使离子源真空度下降至10 5托 分析器的真空度仍然可以保持10 8托 德国Finnigan公司生产的TRITON热电离质谱计 扩散泵的优点是价格便宜 使用寿命长 缺点是抽速慢 耗时长 需要1小时以上才能达到所需的真空要求用涡轮分子泵仅需几十分钟就可达到所需的真空度 既无反油危险 噪声本底也小 缺点是价格昂贵 使用寿命短在排气量较小时 离子泵是最佳选择 使用寿命长且无污染 极限真空比涡轮泵还高要求超高真空的静态真空质谱仪都选用涡轮泵和离子泵 也可用旋片式机械泵和油扩散泵 加去除烃分子的捕集器 串联组成抽真空系统 并在油扩散泵与质谱仪之间加可自动控制的隔板 一旦停电隔板将自动关闭 既可防止反油污染质谱仪 关闭 既可防止反油污染质谱仪 又可维持质谱仪的真空在一定时间内变化不大 为防止残存有机物和反油污染离子源和分析室 在前级机械泵与涡轮分子泵接口处 离子源与分析室接口处设置液氮冷阱 离子源先由机械泵预抽至设置的真空度 再用主真空系统的机械泵 扩散泵 冷阱机组抽至高真空 分析器区采用离子泵和扩散泵等机组抽气 低温吸附泵 直接在离子源室设置液氮低温吸附泵 能够明显地降低离子源区水和炭氢化合物的分压 改善离子源区的真空度 扩散泵和低温吸附泵抽速曲线 差动式抽气原理 利用