质谱仪的简述及应用.ppt

第四章质谱，MS，1节概述，分子，4 . 1 . 1 . 1质谱计的历史，1911年：世界上第一个质谱计(J.J.Thomson)40年代：同位素测定和用于武器元素分析的50年代：有机物分析开始(石油分析)60年代：GC-MS联合技术研究70年代：LC-MS组合、感应耦合等离子质谱仪、傅立叶变换质谱仪等当前质谱技术广泛应用于化学、化学、化学、材料、环境、地质、能源、药物、犯罪调查、生命科学、运动医学等多个领域。质谱的主要作用是：(1)准确测量物质的分子量；(2)在根据碎片特性对化合物进行结构分析时，首先电离分子，然后利用电场或磁场内离子的移动特性，按照质量核比大小排列光谱。4.1.2质谱是根据离子的质量核比(m/z)大小分离和测量离子，定性和定量分析样品的一种方法。第二节质谱原理和仪器，4.2.1质谱分析过程和原理，图4-1毫秒分析过程图，1，注入性化合物通过汽化引入电离室；2，电离，M eM-，在电离室中，元件分子被一束加速电子碰撞(约70eV能量)，冲击通过分子电离形成阳离子；与MM e或电子结合形成负离子，或4，电荷离子加速电压，产生匀速v。与质量、电荷和加速度电压相关：3，离子也可能因强烈冲击而形成碎片化离子：5，加速离子进入h强度的磁场并偏转。半径：如果在r对设备设定为常量的情况下改变加速度电压或磁场强度，不同m/z的离子通过狭缝到达探测器，形成质量谱，质量谱(质谱)。4.2.2有机质谱中的各种离子，2)准分子离子(quasi-molecularion)准分子离子通常由软电离产生，一般为M H，M-H。(3)单离子(fragmention)是指分子离子破裂产生的所有离子。(。窄碎片离子是指简单破裂产生的离子。4)重排反应产生的离子重排的结构不是原分子结构单位。1)分子离子(molecularion)样本分子失去一个电子，电离出来的离子。5)父离子(paretion)和子离子(daughterion)会产生任何其他称为父离子的离子。(6)亚稳定离子是从离子源流出探测器之间产生的离子。(。(7)电动势和偶电子离子(odd-andeven-electroonion)是具有未配对电子的离子，称为电动势离子，没有配对电子的离子称为偶电子离子。(8)多电荷离子(multiply-chargedion)失去两个或更多电子的离子称为多电荷离子。(9)同位素离子(isotopic)在元素有同位素而不是单个的情况下，产生同位素离子。4.2.3质谱配置，注入系统离子源质谱检测器真空系统(Vacuumsystem) 电子离子化源化学离子化源fastatombombardmentFAB electronsprayinei，(1)电子电离源，动画，图4-6电子电离源图，样品分子形成离子的四种方法：样品分子由一个电子形成分子离子(同位素离子)。分子离子进一步发生化学键破裂，形成碎片离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。结合离子是分子离子反应产生的。特征：碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；主要用于挥发性样品的电离，不能分析不能汽化的样品；稳定性低的样品不能得到分子离子。EI是质量光谱中最常用的离子源，电子能量一般为70eV，大多数有机化合物的电离电位为715eV，大多数分子离子是通过进一步分解片段离子而产生的。(2)化学离子化源，结构像EI一样的电离室充电反应气体(甲烷、异丁烷、氨等)，电子首先分解CH4，以离子-分子反应完成电离。电离过程如下：产生的气体离子与样品分子m再次反应。化学离子化源是软离子化方式，稳定性弱的化合物，不能以EI方式得到分子离子，如果切换到CI，就能得到准分子离子，因此可以求出分子量。特征：获得一系列准分子离子(M 1)、(M-1)、(M 2)等。通常有正CI和负CI，可根据样品情况选择，对吸收强电子组的化合物，负离子的灵敏度远高于正离子的灵敏度。碎片离子峰较少，地图简单，易于说明。适用于易气化的样品，不适用于挥发性成分分析。从CI中获得的质量分析方法不是标准质量分析方法，因此无法执行库搜索。(3)快速原子轰炸机(fastatombombardmentFAB)、氩气体依靠电离室中的放电产生氩离子，高能氩离子通过电荷交换获得高能氩原子流，高能Ar(Xe)原子轰击样品在电离后进入真空，在电场下进入分析器。图4-7快速原子轰击源图，FBA是一种广泛使用的软电离技术，主要用于极性强、分子量大的样品分析。特点：电离过程中不需要加热气化，适合分析大分子量、气化和热稳定性差的样品。肽、低聚糖、天然抗生素、有机金属复合物等。fab源得到的质谱不仅有很强的准分子离子峰(M H)或(M Na)，而且有丰富的结构信息。FAB通常用作磁质量光谱的离子源。(4)由电子喷雾源、多层套管组成的电喷雾喷嘴，最内层是液相色谱出水，外层是喷射气体(氮)喷出的液体，容易分散成微滴。喷嘴的倾斜前有一个辅助气体喷嘴，使微液滴的溶剂迅速蒸发，表面电荷密度逐渐增加，达到一定阈值，离子就会从表面蒸发。离子产生后，利用喷嘴和锥孔之间的电压通过取样孔进入分析器，动画，图4-8电喷雾电离电路图，ESI是一种非常柔软的电离方法，即使是分子量大、稳定性差的化合物，在电离过程中也不会分解。特点：极性强，适合大分子量样品(生物聚合物)分析，蛋白质，肽，糖等。最大的特点是容易形成多电荷离子。分子量为10000Da的分子携带10个电荷，质量比只有1000Da，进入普通质谱分析机可以分析的范围。因此，目前电喷雾电离可以测定分子量在300000Da以上的蛋白质。主要是液相色谱-质谱计、图4-9肌红蛋白电喷雾质谱计、(5)大气压化学离子化源、(APCI)喷嘴下游放置针状放电电极，通过放电电极的高压放电，空气中特定中性分子，图4-10气压化学电离接口图，大气压化学电离源主要用于分析中间极性化合物。，电离通过使H3O，N2，O2和o等离子体和溶剂分子电离产生的离子与分析分子发生离子分子反应，使分析分子电离。质子转移和电荷交换产生正离子，质子脱落，被电子捕获，产生负离子。APCI是ESI的补充，由于其结构和极性，有些分析对象无法用ESI产生足够的强离子，因此可以通过APCI方式提高离子产量。APCI产生单电荷离子，主要适用于弱极性的小分子化合物。碎片离子很少，主要是适用于液相色谱-质谱计的准分子离子。(6)利用激光解吸源(LaserDescription，LD)、恒定波长的脉冲激光照射基质涂层的样品目标，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发为气体，使样品分子电离。通常称为矩阵辅助激光解吸电离(matrixassistedlaserdescriptionization，MALDI)。常用的基质是2，5-二羟基苯甲酸、芥酸、烟酸、-氰基-4-羟基桂皮酸等。特别适用于构成Maldi-TOF的TOF。马尔地属于分散离子和多电荷离子较少的软电离技术，主要是分子离子、准分子离子。更适合分析肽、蛋白质、核酸等生物大分子。3，质量分析器，单焦点分析器双焦点分析器，doublefocusingmassanalyzer四极分析器，(1)单焦点分析器，结构：扇形磁场(可以是180o、90o、60o等)，图4-11单焦点质谱，动画，原理r在装置中设定为常量时，改变加速度电压或磁场强度，不同m/z的离子通过狭缝到达探测器依次形成质谱。结构简单，操作方便，但分辨率很低。如(3)所示，(2)双焦点分析器在扇区磁场前添加扇区，消除了离子能量分布对分辨率的影响。图4-12双焦点质量分析器结构，在动能不同的离子情况下，调整电场能量以达到焦点目的。质量相同，能量不同的离子经过扇形电场相互分离，起到能量分散的作用。使静电场的能量分散作用和磁场的能量分散作用朝同一方向，可以消除能量分散对分辨率的影响。电场和磁场一起实现质量分离的分析器，既有方向焦点又有能量聚焦，称为双焦点质谱计。双焦点分析器的缺点是分辨率高，扫描速度慢，操作，调整困难，仪器成本高。(3)四极杆分析器，四个杆电极(镀金陶瓷或钼合金)形成一个剧场。图4-12四极质量分析器在两个电极之间添加电压(Vdc Vrf)，在其他两个电极之间添加-(Vdc Vrf)。Vdc是直流电压，Vrf是射频电压。在特定Vdc/Vrf中，只有一个质量核比离子可以通过四极场到达探测器，剩下的离子振幅继续增加，最终到达四极棒并被吸收。Vrf更改允许扫描。选择离子监测时，selectionmonitoringSIM扫描速度快，灵敏度高，适用于GC-MS。图4-13四极质量分析器结构，(4)飞行时间分析器(TimeofFlightAnalyzer)，动画，图4-14飞行时间质量分析器结构，离子在漂移管中飞行的时间与离子质量的平方根成正比。，特点：质量范围广，质量检查达300000Da以上，灵敏度高；没有扫描速度、电场或磁场；有质量相同的离子进入漂移管的时间，空间的前后和初始动能不同，因此到达探测器的时间不同，分辨率比较低。激光脉冲电离方式、离子延迟诱导技术和离子反射技术提高了仪器分辨率20000以上。广泛应用于GC-MS、LC-MS和矩阵辅助激光解吸飞行时间质谱计。可用于大分子分析的(数十万原子量单位)在生命科学中应用很广。(5)离子阱分析器IonTrapAnalyzer，结构紧凑，质量轻，灵敏度高，多级质量分析器。可以与GC-MS或LC-MS一起使用。图4-15离子阱结构，动画，1-灯丝；双端顶盖；三环电极；4-电子倍增管；5-计算机6-放大器和RF发生器(基本RF电压)；7-放大器和RF发生器(额外RF电压)、4、探测器(detector)电子倍增器、信号增益与倍增器电压相关，提高倍频电压可以提高灵敏度，但降低倍频的寿命。图4-18电子倍增器图、5、真空系统、质谱仪的离子源和分析器都必须在比10-5mbar更好的真空状态下工作。确保离子源中灯丝的正常运行，离子源和分析器中离子的正常运行，减少不必要的离子碰撞、散射效果、复合反应和离子-分子反应、基础和记忆的效果。真空装置：机械真空泵：极限真空度为10-3mbar扩散泵：性能稳定可靠，缺点是启动慢分子涡轮泵：仪器启动快，但服务寿命不如扩散泵。使用方便，无油扩散污染，4.2.4质谱的主要性能指标，(1)质量范围(massrange)质量分析器可测量离子质量比的范围。四极质谱：1000内离子阱质谱：6000飞行时间质谱：无上限(2)扫描速度为GC-ms: m/Z1-1000所需时间1s，(3)分辨率R(resolution)近似等效强度的质量分别与M1和M2的两个相邻峰值分隔时，质量分析器的分辨率定义如下：说明：1)R10%:两个峰值