第四章-质量分析器及亚稳离子综述.ppt

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/zResolvedifvalleyis10%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：re2V/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+Vcost)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101000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10-6s10-5s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）又称为碰撞活化断裂