质谱质谱基础 仪器 应用课件

1、3.1 质谱/质谱基础3.2 质谱/质谱仪器3.3 质谱/质谱应用3.1 质谱/质谱基础串联的概念是一致的。 色谱/质谱：中性混合物的分离分析。 质谱/质谱：对纯物质，分别研究分子离子和碎片离子，结构结构信息。 对混合物，分别研究各个不同的分子离子，具有部分分离能力，各个物质的结构信息。M1, M2, M3M1,+ M2+, M3+M1M2M3M1+M2+M3+M1x+,M1y+M1, M2, M3M1, M2, M3M1x+,M1y+离子源离子源碰撞室分离鉴定进样口 GCMS1MSMS2将同类型种或不同类型的质量分析器依次联结在一起。 a) 同种类型的质量分析器串联 扇形磁场、扇形静电场串联

2、质谱。 四极杆串联质谱。 飞行时间串联质谱。 b) 混合型串联质谱(hybrid mass spectrometry) 扇形磁场、扇形电场和四极杆串联。 扇形磁场、扇形电场和飞行时间质谱串联。 四极杆和飞行时间质谱串联。 离子阱和飞行时间质谱串联。在同一质量分析器上，在不同时间里，依次实现离子的选取、离子的碰撞诱导解离(或碰撞活化解离)、离子的分析，时间上的串联。 离子阱质谱仪。 离子回旋共振质谱仪。 a) 红外多光子解离(Infra-Red Multi-Photon Dissociation, IRMPD) b) 紫外光解离(Ulta-Violet Photon Dissociation,

3、UVPD)质谱中的三种类型离子，对于电磁质谱来说，离子源内产生的离子： 稳定离子 离子寿命大于10s, 分解速率小于105，正常离子峰。 不稳定离子，离子寿命小于 1s， 分解速率大于106，检测不到。 亚稳离子， 离子寿命介于1-10s, 分解速率在105到106之间，亚稳峰。 分解过程中不专与任何其它粒子(包括中性分子、离子、电子或光子)进行能量交换，分解的驱动主要是沉积在离子上的略高于分解反应临界能的内能，分解速率在105106之间。 主要出现在扇形电磁质谱和飞行时间质谱中。 电磁质谱中亚稳离子的内能和寿命的关系见右图和下图：A+B+Ea10-6 10-5sA+反应坐标内能 电磁质谱中的

4、亚稳分解一般发生在无场区中进行，BE或EB型质谱仪中，有第一无场区(IFFR)、第二无场区(2FFR)和第三无场区(3FFR)，可采用联动扫描方式分析。 飞行时间质谱亚稳分解发生在飞行管无场区中，通过源后分解技术(Post Source Delay, PSD) 测定。 亚稳离子分解能量示意图IIIB+IIIEaEiEbA+ 设有两个离子A+和B+，它们分解的临界能分别为Ea和Eb，它们之间相互转化的临界能为Ei，当离子内能分别处于I，II和III区时，离子会以不同的形式存在，在质谱仪也将检测到不同的离子。I：稳定的A+离子。II：A+可以异构化为B+，但在质谱上表观测到的是“同一离子” (质荷

5、比相同)，实际上是A+和B+的混合离子。III：过剩内能不太大，发生亚稳分解反应。IV：A+和B+离子的混合物的分解，产生各自的碎片。A+为初始离子，B+为A+的异构体：(a)：Ei高于Ea和Eb A1以下：内能较低时(不高于亚稳离子分解的临界能EA)，稳定的A+离子。A1A2: A+的亚稳分解。A2A3： A+分解，产生其碎片离子。A3以上： A+可以异构化为B+，但B+离子在该内能处，离子的态密度很小，反应速率很小，两种异构体是可以区分的。(b)：Ei低于Ea和Eb B1以下：稳定离子，A+或A+和B+的混合离子。 B1B2: A+异构化为B+，B+亚稳分解。 B2B4: B+分解，产生其

6、碎片离子。 B4以上： A+和B+混合离子分解，产生混合碎片离子，各离子的份额与其内能值有关。亚稳分解谱上，B+占优势；CID谱上，A+的比例增加，在质谱分解的时间范围内，A+和B+不能建立快速的平衡，因此MI和CID谱上，有一定的区别。(c)：Ei远低于Ea和Eb B1以下：A+和B+混合物的稳定离子，因两者间 非常容易转化。 B1B4: A+和B+混合物的分解。 A+和B+无法区分。(d)：Ea高于Ei高于Eb 小于Ei时：稳定的A+离子。 C1C2: A+以亚稳的速度转化为B+后分解， 得到B+离子的碎片。 C2以上: A+转化为B+后再分解，得到B+离子的碎片离子。21C 对于内能较小

7、的稳定离子，进行MS/MS实验时，需要为该离子提供能量，使其内能超过该离子分解的临界能。 具有一定动能的前体离子与中性气体碰撞，在发生的非弹性碰撞中，离子的部分动能转化为内能。转化而来的内能与离子的动能以及碰撞气体的反应截面有关。F 高能：千eV数量级。磁质谱、飞行时间串联质谱等。F 中能：百eV数量级。四极杆质谱等。F 低能：十eV数量级。离子阱质谱等。 此处指实验室坐标下的能量，用离子运动的动能Elab表示。 实际上，决定碰撞能量转换的是质心坐标能量Ecm，二者的关系： pggmmmEElabcmmg: 碰撞气体质量mp：离子质量合适的内能分布产生有价值的MS/MS谱图，需选择合适的Ecm

8、：Elab大者，选取小的mg，如He, Ne等。Elab小者，选取大的mg，如N2、Ar 或Xe等。q例：在磁质谱中，m/z200的离子经6keV的电压加速后与He碰撞时，计算Ecm; 在四极杆质谱仪中，m/z200离子的动能为100eV，与Ar碰撞，计算Ecm。 pgglabcmmmmEEmg: 碰撞气体质量 mp：离子质量磁质谱四极杆eV59200226000pgglabcmmmmEEeV162004040100pgglabcmmmmEE电子轰击： EcmElab 因为电子质量非常小，mp相对于mg可以忽略不计。 碰撞过程遵守能量和动量守衡原理。 离子运动的动能Ecm，碰撞过程中转化为内能

9、Q，但Ecm不是全部转化为Q，而是部分转化。单次碰撞的转化效率与离子的碰撞截面、气体的碰撞截面有关。EQEE0E0rM1+ M2+ + M3 动位移反应坐标内能q 例：正丁基苯分子离子断裂反应碰撞能转化为内能的效率左：化学电离正丁基苯方法产生正丁基苯分子离子，采用不同电荷交换能力的化学电离试剂，生成的M+具有相对确定的内能值。 内能越高，I91/92越大，越易生成m/z91。m/z91离子的生成是键断裂反应，“疏松型”过渡态，高内能时有利于该反应。 m/z92离子的生成是六元环重排反应，“紧密型”过渡态，低内能时有利。右：正丁基苯分子离子在不同Elab和Ecm条件下CID谱图。与左图相似。 当

10、I91/92=1.4时，右图 Ecm = 3.7eV， 左图 内能 = 3.2eV。 即 Ecm = 3.7eV 内能 = 3.2eV。 此时，Ecm转化为内能的效率为 3.2/3.7=86%。 H+.+H+.HH+m/z91m/z92.rH内能同理：当I91/92=2.7时，右图 Ecm = 9eV， 左图 内能 = 4.6eV。 即 Ecm = 9eV 内能 = 4.6eV。 此时，Ecm转化为内能的效率为 4.6/9 = 50%。 在高的碰撞能Ecm下，离子从碰撞中转化而来的内能较高，碰撞能转化为内能的效率下降。 CID实验时，需要得到较合适前体离子的内能分布，从而获得信息丰富的谱图。

11、影响因素： F Ecm越大，转化的内能越高。 F 碰撞气体压力，提高压力，有利于前体离子内能的积累。 原因：当提高碰撞气压力时，碰撞机率增加。 前体离子多次碰撞，每一次均获得一定量内能，积累出分解所需的内能。 前体离子分解的离子进一步与碰撞气碰撞，子离子获得分解所需的内能， 继续分解。 Mp+ Mp+* Mp+* 产物 Mp+ Mf1+ Mf2+ NNNN 碰撞气压力下，碎片离子的产率与靶气密度、碰撞截面和碰撞室的长度对入射离子强度和出口离子强度的关系式：LneIIDpfIf : 产物离子强度Ip：进入碰撞室前体离子强度，即在没有碰撞气时主束离子的强度nD: 碰撞气的数密度 ：碰撞截面L ：碰

12、撞室长度。由此公式可以计算碰撞截面 ，与结构密切相关的一个参数。 CID谱反映的是稳定离子的结构，碰撞过程中，离子从碰撞能中获得能量，使其激发到较高的振动能级上，达到其导异构化或分解所需要的能量，两者是一个竞争的反应。但只要异构化临界能不是太小，则前体离子直接分解的速度一般大于异构化的速率，因此前体离子会主要以直接分解的反应途径分解，同时可能伴有异构化离子的分解。所以，在大多数情况下，对于不同的离子A+和B+，具有不同的CID谱，这为利用MS/MS研究离子结构奠定了基础。 值得指出的是，具有相同的CID谱的离子不一定具有相同的结构，如在异构化临界能很低时，初始的前体离子与其异构化离子在CID谱

13、上是不能区分的，这种情况虽然不是很普遍，但应给予注意。相反，具有相同结构的离子，一定有相同的CID谱。 与亚稳分解相比，CID谱中离子的反应通道更多，分子离子的CID谱与其常规的EI谱很相似，主要是由于碰撞可以获得更多的内能，使前体离子分解。 亚稳谱研究的离子，其内能分布在一个很窄的范围，只有少量的反应通道，分解的产物离子种类少。 若两个离子结构相同，则其MI和CID谱均应相同，若两个离子结构不同，其CID谱很可能不同，但其MI谱不一定不同。因为MI谱中研究的是内能相对较高的离子，在分解之前，很可能会发生异构化，其谱图是一个包含异构化离子在内的离子分解的混合谱图。CID相对于MI而言，选取的是

14、内能低的离子，大部分保持其初始结构，有很好的可区别性。 AB+ AB+* AB+ + h 荧光发射AB+ AB+* A+ + B 直接解离AB+ AB+* AB+* A+ + B 预解离hhh 使用紫外光如193nm解离，能量较高，可以将处于电子基态的离子跃迁到各激发态上。然后进行解离，这是一种高内能的解离过程。其结果与高能碰撞有相似之处。激发后的离子分解经历以下主要过程：光解离：F 无须碰撞气。F 解离效率相对较高。F 相对高能量，丰富的碎片离子。F 产生多次裂解，不利。光解离：F 无须碰撞气。F 解离效率相对较高。F 专一裂解性。F 产生多次裂解，不利。AB+ AB+* A+ + B 直接

15、解离nh 用红外光(如10.6m)照射离子，离子吸收多个红外光子的能量，使内能提高。由于所用的红外光子的能量在振动能级的水平，吸收的光子的能量主要使离子的振动能级激发，达到或超过离子分解的临界能，从而产生碎片离子。这是一种低能的过程。其结果与某些低能碰撞有相似之处。激发后的离子分解经历以下主要过程：多光子吸收过程3.2 质谱/质谱仪器 三个无场区I，II，III(1FFR, 2FFR, 3FFR)。 狭缝，主狭缝。 亚稳分解发生在三个无场区。反几何型正几何型 在常规的质谱分析谱图上，有时会在非整数质量数处出现峰较宽，强度不大的峰，这些峰为亚稳峰，其来源为某些分解速度为105106的离子，在离开

16、离子源于无场区内分解所产生，其质量数不出现“真实”的m/z位置，而在质谱图上出现“表观”m/z位置。 在常规的质谱图能够观察到亚稳峰的仪器：单聚焦质谱仪：亚稳分解发生在磁场前面的无场区正置双聚焦EB质谱仪：亚稳分解发生磁场前面的无场区，即第二无场区。 2:,)2() 1 (212222erkVBkzmvrmvBzevmvzeV其中并整理后得消去以上两式中的稳定离子M+和稳定的碎片离子(离子源中产生的)M1+遵守的基本方程：其中：m : M+ 的质量V : 加速电压v : 离子运动速度B : 磁场强度r : 离子动行半径该方程对于稳定的M1+离子也适用，只需将m换成m1即可，公式如下。三种不同类

17、型的离子: 稳定离子(M+)、不稳定离子(M+)和亚稳离子(M+*)： 稳定离子 M+ 不分解， 检测到M+。 不稳定离子 M+ M1+ + M2 离子源内分解，产生M1+，检测到M1+。 亚稳离子 M+* M1+ + M2 无场区内分解，产生M1+*，检测到“表观质量”。2,221erkVBkzm其中 亚稳离子M+*在场区飞行时发生分解，产生M1+*和M2。M1+*和M2具有与M+相同的运动速度，但M1+*的动能仅为m1v2/2。 M+*经加速电压加速后所得能量zeV, 亚稳分解的M1+*离子的加速电场能为m1/mzeV。 m1+ m2= m, 由M1+*和M2来分配M+*的能量，即 m1/

18、mzeV+ m2/meV= zeV。) 1 ()2(212121112111mmzeVvmvmzeVmm亚稳M1+*：merkmmmVBkzmVBermzm2,*222122221或 若要M1+*通过磁场，其在磁场中也需做半径为r的圆周运动，此时M1+*也应符合电磁场质谱的基本方程：VBkzm21正常M1 +： 此式表明，在磁场前无场区M+*分解所产生的M1+*，将在质量数为m12/m的位置出现质谱图中，该数值为“表观质量”，该离子的“真实质量”为m1，表观质量比真实质量小。 亚稳离子分解反应时，部分内能转换成动能，亚稳离子的峰具有不同程度的扩散，导致峰变宽、变弱，其质心位置不易准确判定。q例

19、：邻硝基甲苯和对硝基甲苯准分子离子的亚稳分解N O-m/z90m/z136*- N O2CH2.+.+N O2CH259 5 .5913690*221mmm60 59.5 836 .82136106*221mmm82 82.6 -N O2CH2N O2m/z106*- N OCH2O+.+m/z136 亚稳实验证实邻硝基甲苯和对硝基甲苯的准分子离子峰失去硝基和亚硝基的机理是不一致的。 前者在正置几何型EB上实现，后者在反置几何型BE上实现，均将磁场设为回定值，扫描静电场，分别得到碎片离子找前体离子和前体离子找碎片离子的功能。后者还可以将磁场前面加一个碰撞室，对前体离子加以碰撞，实现所谓的CID

20、-MIKES，对于研究离子结构非常有用。反几何型正几何型 对于稳定的离子M+, 其通过静电分析器的条件为：errerVEveErmvmveV2:,2122得消去 静电场必须与加速电压保持一定的关系，才能使得从离子源中出来的稳定离子通过静电场。只要保持了这种关系，所有稳定的离子所获得的动能会使得其通过静电场，此时的静电场只起到一个离子能量的聚焦作用，不能起到分离子的作用。在常规的扫描中，加速电压固定，静电场也随之固定。不含m 第一无场区亚稳分解：C2C1*CB2B1*BA2A1*A21*MMMMMMMMMMMM对于稳定的m+, 其动能为mv2/2=eV，恰好能够通过静电场。而对于M+*, 其动能

21、亦为mv2/2=eV，但在第一无场区分解后，M1+所具有的动能为m1v2/2= m1/meV, 小于M+* 的动能, 该离子不能够通过静电场，所以检测不到该离子。其它的亚稳离子与该离子相同。 E1能够使第一无场区发生的亚稳分解，碎片离子和前体离子之间满足m1/m=E1的所有离子都能通过静电场，如果将检测器置于静电场后面，则检测到的是一组离子。 向下扫描静电场，可使具有不同m1/m值的亚稳分解一组离子依次通过静电场，得到IKES。 也可以将磁场设定某一固定值，只允许某组特定动量的离子通过，则在电场扫描时，分析的离子不仅满足m1/m=E1, 而且还要满足m12/m=表观质量。这样使得分析结果更清楚

22、。加速电压时间第1无场区离子源静电场动能M+Mf+电场电压E，正常离子M+ 通过。电场电压E1，降低电场强度可使M1+ 通过。E1=m1/mE。 m2/ m1=m2/ m1=m/z15m/z30m/z39m/z78*30/15=278/39=2CH3+C2H6+C3H3+C6H6+21*MMM 第2无场区亚稳分解： 第2无场区碰撞诱导分解： 前面讨论的结论仍然有效： 令磁场只允许通过M+*, 该离子在第2无场区中发生亚稳分解，扫描静电场，使亚稳分解产生的离子M1+, M2+, M3+等依次通过静电场，得到MIKES。 在第2无场区中安装碰撞室，可利用磁场选择各种稳定离子M+或亚稳离子M+*，碰

23、撞室内充入氦气或氩气，通过碰撞，可使M+分解成多种碎片离子，再结电场扫描得到CID-MIKES。最简单的MS/MS。加速电压时间第1无场区离子源静电场动能M+M+M1+第2无场区磁场静电场磁场碰撞室电场电压E1，降低电场强度可使M1+ 通过。E1=m1/mE。电场电压E，正常离子M+ 通过。21N*MMM双电荷离子的MIKES，略n-十六碳烷M+的MIKES 有关公式的推导：M+* M1+ + M2 动能 p 动量稳定离子M+和亚稳离子M+* : eV (2m)1/2 离子源中产生的稳定离子M1+ : eV (2m1)1/2 亚稳分解得到的M1+ : m1/meV 为使亚稳分解的M1+通过静电

24、场，静电场场强应下降到E1 E1 = m1/mE 基本公式 m1= mE1/E 由此公式得到碎片离子质量。 M+* M1+ + M2 动能 p 动量稳定离子M+和亚稳离子M+*: eV (2m)1/2 = (2meV)1/2 亚稳分解得到的M1+: m1/meV (2m1)1/2 = (2m12/meV)1/2 若能够使稳定离子M+通过静电场所需的电场强度设为E，则为了使亚稳分解的M1+ 能够通过静电场，静电场强度应下降到E1， 且： 亚稳分解发生在第一无场区，EB和BE型质谱仪均适用，得到前体离子找碎片离子质谱。 设在第一无场区内发生如下亚稳分解反应，而且仪器的加速电压V保持不变，则各种离子

25、的有关物理量如下：) 1 (11EEmm 能够使稳定离子M+通过磁场所需的磁场强度设为B，则为了使亚稳分解的M1+ 能够通过磁场，磁场强度应变到B1，且：(1)和(2)比较得：)2()2()2(121212111mmmeVeVmmppBB)3(:11111EBEBEEBBmm即 (3)式表明，磁场强度B与静电场强度E之比，对母离子和子离子均为常数。B/E联动扫描的实现方式：在加速电压为V，静电场电压为E，扫描磁场强度B，找到M+后，保持加速电压不变，并使静电场电压与加速电压脱离固定关系。锁定B/E关系，然后将磁场和静电场均降为最小值，令B/E为常数联合向高场方向扫描，从而得到母离子的各种碎片离

26、子峰。子离子的质量可从以下两式求出：EEmBBm1111或 B/E联动扫描的优点是第一无场区由前体离子找碎片离子的最佳亚稳测定方法。扫描过程中，离子源状态下变，质量范围宽，亚稳峰形窄，分辨本领高。 目前的仪器，厂商都备有 B/E联动扫描的操作软件，计算系统与主机联机操作，可得到B/E联动扫措谱。 此方法的特点是先找到M+，称主束离子，然后利用固定的B/E的关系找到其不同的子离子M1+，这种方式是典型的“母”(主束离子M+)找“子”(碎片离子M1+)联合扫描方式。 正如IKES一样，联动扫描可能得到的不是纯粹的“子离子”。因为即使是不同的亚稳分解，但如果其碎片离子M1+和前体离子M+的m1/m比

27、值相同，则在联动扫描过程中，不同质量数的M1+离子均能通过电场和磁场，从而得到是混合离子峰。但一般情况下，纯化合物中，同时发生具有m1/m相同比值的亚稳分解反应的可能性不大，因此该方法是一个可靠地进行“母”和“子”关系证明的有效手段。同时被扫描，得到相同的峰，从峰的位置不能区分二反应，但实际上峰形可能不同，见亚稳离子的峰形。 m2/ m1=m2/ m1=m/z15m/z30m/z39m/z78*30/15=278/39=2CH3+C2H6+C3H3+C6H6+ 亚稳分解发生在第一无场区，EB和BE型质谱仪均适用，得到由碎片离子找前体离子的质谱峰。 设在第一无场区内发生如下亚稳分解反应，而且仪器

28、的加速电压V保持不变，则正常扫描时，各种离子的有关物理量如下： M+* M1+ + M2 动能 p 动量稳定离子M+和亚稳离子M+* : eV (2m)1/2 = (2meV)1/2离子源中产生的稳定离子M1+ ： eV (2m1)1/2 = (2m1eV)1/2 正常扫描条件下，若仪器处在M1+通过静电场各磁场状态，得到M1+的主束离子。 现假设主束离子M1+是由M+*在第一无场区经亚稳分解而产生，为了使该M+*通过静电场和磁场，需要提高静电场的强度和磁场的强度。 对于静电场，需提高到E1： ) 1 (11EEmm 现假设主束离子M1+是由M+*在第一无场区经亚稳分解而产生，为了使该M+*通

29、过静电场和磁场，需要提高静电场的强度和磁场的强度。 对于静电场，需提高到E1： 联立(1)和(2)得：) 1 (11EEmm 对于磁场，需要提高到，)2()()2()2(12212112112111mmBBmmmmppBB)3(:212111221EBEBmmEEBB则(3)式表明，亚稳断裂碎片离子M1+的B2/E比值和等质量的正常碎片离子的B2/E 相等。B2/E扫描的实现方式：在加速电压最高档V，静电场电压为相应值E，调节磁场强度为B，找到正常碎片离子M1+，然后使加速电压V固定不变，断开加速电压和静电场电压间的常规关系，锁定B2/E的比值，将磁场强度及静电场电压下降到最低值，然后按B2/

30、E值从小至大扫描，得到M1+的全部可能的母离子。 母离子的质量可从下页两式求出： 此方法的特点是先找到M1+，称主束离子，然后利用固定的B2/E的关系找到其不同的母离子M+，这种方式是典型的“子”(主束离子M1+)找“母”(亚稳母离子M+)联合扫描方式。 B2/E联合扫描是第I无场区由子找母的一种校好的方法，离子源状态不变，质量范围较宽，但分辨本领不高，因涉及到B2的控制，电子上实现起来不易准确。 同样，厂商备有B2/E联动扫描的操作软件，将计算系统与主机联机操作，可得到B2/E联动扫描谱图。121211,mBBmmEEm或 亚稳离子的内能在分解反应临界能上一个很窄的范围内，因而MI谱反映的是

31、离子的终态结构，而这个结构不一定是其初始结构，有可能存在异构化的离子，从而使分析的亚稳离子成为混合离子。 亚稳谱是质谱中惟一能够较好地限定离子内能的(最低分解阈值以上00.5)和寿命(110s)技术。 碰撞诱导解离通过碰撞为稳定的离子提供内能，其前体的内能较小，不易异构化，从而应具有明确的结构。 前体离子Mp+在分解过程中，会将非固定化能和逆活化能以动能的形式放出，称动能释放。动能释放与离子结构有关，动能释放导致质谱峰变宽。EaQEE0E0rMp+动位移反应坐标内能TeMf+ + Mn0EMIET M1+ M2+ + M3动能释放：T = T + Te动能释放的计算公式：F 其中：m1, m2

32、, m3 分别为产物离子前体离子M1+, 碎片离子M1+和中性碎片M3的质量，d 为亚稳峰的半高宽度，V是加速电压。F 用于IKES和MIKES中计算，E为从亚稳获的M1+和从离子源中生成的M1+峰半高宽之差，单位为弗。 动能释放改变峰宽和峰形，改变程度取决于动能释放的大小。 当T很小时，峰较窄，峰形接近高斯型，简单的键断裂，逆活化能很小，主要来自于非固定化能，一般小于0.05eV。 332221%5016mmeVdmT23221%50)(16EEmmeVmT 在质心坐标系中，亚稳离子分解导致碎片离子在各个方向有均等的速度，该速度附加在离子的原来飞行速度之上，形成合速度。 附加速度在垂直于离子

33、飞行方向速度分量，使离子偏离管道中心。 附加速度较小时：当在离子到达检测器之前，离子偏离中心的距离未超过管道的半径时，各个离子均能够被检测器检测到，此时的附加速度仅仅使峰宽加大，峰形呈高斯形。 附加速度较大时，由于部分离子偏离中心的距离超过管道半径，这部分离子不能够被检测到，呈平顶形。 附加速度很大时，更多的离子偏加大，以致于在垂直于飞行方向的离子大部分不能够被检测到，呈碟形。M+M1+M2-vM1+M2vM1+M2M2M1+-vvrv0vvrv0+离子管道v0离子管道v0离子管道v0离子管道v0检测器检测器检测器检测器4060801001201401600204060801001621471

34、0511991Relative Abundancem/zO+.162147105C2H4CH3CO+O+-+-+(a)(b)q例 3-甲基-4-苯基-2-丁酮的质谱 从常规的EI质谱图上，可以看到，分子离子发生了M-15+的断裂，但从该质谱图上不能判断CH3的失去是发生在碳上，还是碳上，还是这两种方式同时发生。通过亚稳分解方法可以很容易得到答案。不仅可以找出第一级断裂，还可以找到第二级和第三级断裂。结果示于下图。EBE型双聚焦串联质谱仪高分辨质谱仪高分辨IKES。BEB型双聚焦串联质谱仪中华人民共和国，教育部，武汉大学，中国唯一的一台ZAB-3F。高分辨IKES，高分辨MIKES中性化再电离(

35、NR)和碰撞诱导解离电离(CIDI)F NR： 碰撞室1中充入碰撞气N，进行电荷交换反应碰撞气离子和中性M，离子经偏转电极除去，中性碎片继续前进 ，碰撞室2内充入氧化性气体R，中性碎片与其碰撞时氧化 产生正离子。 F CIDI：碰撞室1中没有碰撞气，亚稳分解离子和中性碎片，离子被偏转掉，亚稳中性碎片继续前进，碰撞室2同前面一样，来稳中性碎片碰撞时被电离。偏转电极质量分析碰撞室2再电离中性化质量选择+/-碰撞室1 eRMRMNMNM1111eRMRMMMM3332*1 Frank Condon 碰撞电离M1+M1+M1M1NEV(M1+) IE(M1)NEV(M1+) = IE(M1)(a)(b

36、)(a)离子和中性粒子几何结构相似，离子被中性化后能够生成稳定的中性分子，NR实验能够观察到复原的M1+。(b) 离子和中性粒子几何结构相差很大，离子被还原后生成振动激发态的中性粒子，其能量已达到中性粒子M1的碎裂反应的临界能，NR谱中得不到复原的 M1+。用于气相离子化学研究，比如进行中性化-再电离和碰撞诱导解离等。 ZAB-4F串联双聚焦质谱仪(EBEB)QOQOQ1Q3Q2 Q1和Q3：正常的四极杆质量分析器。 Q2：四、六、八极杆等，其上只加射频电压，可防止碰撞散射。八极杆对散射的抑制作用最强。目前，商品仪器多用八极杆。 弯曲的八极杆：防止中性碎片进入Q3，提高灵敏度。方式Q1Q2Q3

37、谱图单级质谱仪所有m/e通过无碰撞气所有离子通过a扫描m/e常规质谱图(CI, EI, ESI等）前体离子方式扫描m/e碰撞气b所有离子通过选择m/e由碎片离子找到前体离子谱碎片离子方式选择m/e碰撞气b所有离子通过 扫描m/e或Q1每通过1个离子，可同时选择几个碎片离子c由前体离子找到碎片离子谱中性丢失方式(联合扫描)扫描m/e碰撞气b所有离子通过与Q1保持同样速度扫描m/e，保持恒定质量数差M前体离子的中性丢失谱a 或Q1扫描，Q3使所m/e通过。b 如无碰撞气时则得到单分子分解的亚稳谱c 选择离子监测(SIM)单级质谱仪前体离子方式碎片离子方式中性丢失方式(联合扫描)中性获得方式(联合扫

38、描，当在碰撞室放置反性气体时Q2碰撞室Q1Q3 四极质谱分辨率不太高，但较容易实现单位质量分辨，在进行质谱/质谱分析时，碎片离子也比较容易得到单位质量分辨。这比扇形磁质谱仪的MIKES或CID-MIKES给出更高的分辨率，因磁质谱仪的静电场的分辨本领不强，所以子离子分辨率不高。 四极质谱/质谱的碰撞电压可调性强是其另一个优点，可以做能量分辨碰撞诱导解离谱以利于结构分析。01020304050020406080100NHOO2NH+m/z181m / z43m / z139Ion/ Total ion /%Collisional energy/ eV (Lab frame)NH2OO2Nm/z1

39、81+m/z139NH3O2N+CH3CO+im/z43rHNH2OO2NHm/z181+ 基质辅助激光解吸电离(MALDI)或激光解吸电离(LDI)虽然是一促软电离方法，但在对于某些类别的化合物，电离过程中有一定的内能沉积，使得电离的离子离开离子源后，经过加速电压的加速进入无场飞行区后，仍会有一定程度的分解，产生亚稳分解的子离子。 飞行时间质谱仪的加速电压一般为2030kV，离子获得2030keV的动能，此值比扇形磁质谱(68kV)的要高，但飞行时间质谱分析的对象一般分子量较大，所以，离子飞行速度与扇形磁质谱的离子飞行速度相当。飞行时间质量分析器的长度约在 0.52m之间，也和磁质谱的尺度相

40、当。因此，飞行时间质谱上的亚稳离子分解与磁质谱有许多相似之处。 飞行时间质量分析器上实现亚稳分析的技术是源后分解(PSD)技术，该技术对生物分子的结构分析价值非常高。 PSD技术是由德国科学家R. Kaufmann及其合作者首先推出并应用于分析肽序列。 线性飞行时间质量分析器不能实现PSD功能，必须要用反射式飞行时间质量分析器。 不同飞行时间质量分析器离子运动的方式：F 直射式，检测区无电场。F 直射式，检测区加静电场，电场强度较小，不足以使离子反射回来。F 反射式，直射端施加电场，其电场强度可使离子按一定角度反射回来，检测器置于反射轨道上。活化区域样品活化表面/样品离子源内活化加速区内/边缘

41、源后活化真空活化过程过剩能来自于电离：光子-分子直接相互作用、固态活化、温度效应多次低能或中能碰撞高能碰撞(与残余气体)时间范围ps-nsns-ss-ms离开表面距离0加速区在MALDI中导致离子不稳定和源后分解的活化过程 在MALDI探头表面激光脉冲1s 后基质和肽离子密度分布的快照。上图：纯基质样品2,5-二羟基苯甲酸(DHB)下图：基质DHB中加入Substance P加速区内离子的分解-碰撞活化过程 基质分子较小，质量经，激光照射后产生的离子和中性分子速度快，在样品离子前面形成气体云(denser cloud) 。当施加加速电压后，样品离子加速，通过该气体云，产生多次离子-分子碰撞，从

42、而使样品分子获得能量，形成亚稳离子，在飞行区发生亚稳分解。 无场漂移区内肽的单分子分解速率与加速场强的关系 加速电场越强，样品与气体云碰撞能量越大，内能越高，分解越快。一般的TOF质谱仪，场强10kV/cm。若采用DE技术，则分解速率减小5倍，减小亚稳离子的分解。DE可以提高分辨率，可以提高PSD信噪比，从而改善灵敏度。加速场梯度对离子分解的影响角动量测量实验在离子探头表面100m处，压力达到1mbar，还足够导致离子的分解。实验上测定的加速区的气体云的密度L1:第一飞行区 L2: 第二飞行区d1:第一反射区 d2: 第二反射区 Mp+ Mf+ + Mn动能：Mp+: mE Mf+: mfE/

43、m 在第一无场区飞行区某处产生的碎片离子Mf+, 将以与前体离子Mp+几乎相同的速度继续飞行进入反射区。Mf+带有较低的动能，因此，与其前体离子相比，进入反射场的深度相对较浅，从而较早地离开反射区，比未裂解的前体离子更快地到达检测器。 为了记录所有碎片离子完整的质谱，反射器的电压必须逐步降低。设Vf为碎片离子Mf+的电压，VR为反射极板上电压。当Vf=VR时。Mf+被反射回来，就能检测。只要有足够范围的VR值，就能检测到全范围的PSD碎片离子，这样便可获得PSD亚稳分析质谱图。 大多数的反射场的线性动态范围有限，这导致并不是所有的碎片离子都能到达检测器，一张完整的PSD谱需要改变不同VR值，分

44、若干次采集，然后拼接而成。 PSD谱的质量校正： 对于线性TOF，不考虑仪器的静电加速场和减速场的影响，正常的离子的飞行时间与质量的平方根为线性关系, 可能进行两点校正或最小二阶乘拟合方法校正。 对于PSD来说，飞行时间和质量的关系比较复杂，没有解析的数学函数，而且影响因素多达10几个，因此，用3次多项式进行拟合，为了进行拟合，需要至少4 个已知质量的峰，进行最小二阶乘多项式拟合对于绝大多数的PSD分析，均可得到较高的精度。2/1bmat3PSD2PSDPSDPSDdtctbtam 前体离子的选择：离子门技术(“ion gate”)或束消除技术(“beam blanking) 定义一个质量窗口

45、，只有在符合质量窗口的离子通过时间段里，离子门的偏转电压关闭，而其它时间通过设置偏转电压，使所有的离子全部偏转掉，从而实现前体离子的选择。两个前提条件： 离子门的是一个高的电压降，PSD要求离子门必而以非常高的速率时行电压的开关的转换。 离子消除设备必须具有足够高的空间分辨力，保证只对感兴趣的离子起作用。离子门位置需要考虑前体离子的位置依赖弥散和离子门位置形成的PSD离子高的传输率。 从前体离子弥散的角度：距离子源越远越好，因为不同质量的离子已经较好的分开了，时间门容易从其中选择所需离子。 从PSD离子传输的角度：PSD离子对残留的边缘场十分敏感，离子门最好放置于未形成PSD离子的位置，同时，

46、为了得到更长的亚稳分解时间，离子门应越靠近离子源越好。离子门分辨率(选择性)单边计算： M=2.2u(半高半宽) M/M =580(半高半宽)M/M=290(半高全宽)M=2.2u(上升质量)，10%90%M/M=512(选择性)OffOn当离子门工作时，m/z1281强度降到10%以下，m/z1270不受影响。蛋白质研究的有力手段 两个TOF相联，由于TOF的加速电压可达2030kV，这对于碰撞诱导解离来说，能量太高，因此需要在一级TOP处设置减速透镜，以使主束离子具有合适的速度进行碰撞，碰撞后的离子经过第二离子源重新加速，聚焦后进入第二级TOF，为提高分辨率，第二级TOF为反射式。 主束离

47、子尽管经过减速，但TOF-TOF仍属于高能碰撞(03kV)，产生的碎片离子仍可能具有较高的内能，在第二级分析过程中发生亚稳分解，这对TOF-TOF分析是不利的，需要对其加以抑制(metastable suppressor)4700 TOF-TOF200Hz Nd:YAG laserion beam directed to collision cell for improved sensitivitySource 1 with Delayed Extraction evens the initial ion velocities 200 laser shots per second, more

48、information in a shorter period of timeprecursor ion selected using the timed ion selectorions of lower or higher mass are deflected based on mass of selected precursorSource 1 with Delayed Extraction evens the initial ion velocities ion beam directed to collision cell for improved sensitivityprecur

49、sor ion selected using the timed ion selector4700 TOF/TOF OpticsThe collision energy is adjustable from 1KeV to 3KeV. Ions are then pulsed from the second source for superior MS/MS sensitivitythe ions are slowed prior to entering the collision cell for more complete fragmentationthe ions are slowed

50、prior to entering the collision cell for more complete fragmentationcontrollable collision pressure for optimal fragmentation controllable collision pressure for optimal fragmentation Gas connections for up to four collision gases 4700 TOF/TOF OpticsThe collision energy is adjustable from 1KeV to 3K

51、eV. Ions are then pulsed from the second source for superior MS/MS sensitivitythe ions are slowed prior to entering the collision cell for more complete fragmentationthe ions are slowed prior to entering the collision cell for more complete fragmentationcontrollable collision pressure for optimal fr

52、agmentation controllable collision pressure for optimal fragmentation Gas connections for up to four collision gases 4700 TOF/TOF OpticsControlled Ion Fragmentation on the 4700 Control of laser intensity, gas on or gas off option Control of collision energy (0 3 keV) Control of collision gas pressur

53、e with a choice of up to four different collision gases All controls available in both manual and automated TOF/TOF has no theoretical mass limit for precursor selectionm / z02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0Intensity01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 0y1 4y1 3y9y6y7y8y5y4y3y1y2y1 0y

54、1 1y1 4Fm / z02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0Intensity05 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 02 5 0 0 03 0 0 0 0y1 4y1 3y9y6y7y8y5y4y3y1y2y1 0y1 1y1 2FGlu1 Fibrinopeptide BEGVNDNEEGFFSAR“No Gas”“Gas On”m/z02004006008001000120014001600Intensity(Gas On)-Intensity(Gas Off)-12000-10000-8000-

55、6000-4000-20000200040006000800010000Fragment ions LostFragment ions Gainedy14y13y9y6y7y8y10y11y12I(Gas Off)=40000v10w11aw7aw12aw8aw9aFy1No GasGasInternal4072Immonium68N-Term2118High Eng111C-Term3032Total98141Sum of IntensitiesNumber of Peaks性质FTICRMS扇形磁质谱仪(非杂化型)分辨率母离子50,000200,000典型2,000,000可得到5,000

56、典型10,000可得到子离子10,000100,0001000典型精度母离子低的ppm (外部校正)亚ppm (内部校正)低的ppm (内部校正)子离子低的ppm (外部校正)亚ppm (内部校正)10100ppmMS/MS/MS多种提供能量的方式需配置更多的电场或磁场灵敏度(ESI)宽扫，低分辨窄扫，高分辨宽扫，高分辨低的Femtomole低的Femtomole低的Femtomole低于FemtomolePicomole不可能LC/MS1个谱/秒，高分辨和高灵敏不易实现高分辨MALDI连用容易，高分辨和高灵敏少见校正外部，内部，非常稳定内部校正，稳定离子-分子反应可以不可以QuenchIon

57、izeExcitetime DetectSelectExciteCollision GasPulseFragmentation and Pumping DelayFTICRMS的质谱/质谱是时间序列的串联，与离子阱相似。母离子获取能量进而分解的方式很多：F 碰撞诱导解离(SORI-CID)。F 红外多光子解离(IRMPD)。F 紫外光解离(UVPD)。F 电子捕获解离(ECD)。F 黑体红外辐射解离(BIRD) 。 引入脉冲N2，当Cell中的压力达到10-6Torr时，施加一非共振射频(RF)给离子加速。该射频一般设定在低于感兴趣的前体离子的回旋频率1000Hz左右。当回旋频率与射频相位接近

58、相同时，离子获得能量并使其回旋半径加大。从另一方面，当二者的相位相差180时，离子向回旋池中心运动，回旋半径减小。这样的循环发生每秒发生几百次，某些循环会使离子回旋加快，与氮气碰撞获得一个小的能量，并转化为内能。每次碰撞，离子只能得到一个很小内能，但这样的碰撞发生千百次，最终使离子积累到足够高的内能进而分解。 由于离子的内能是逐步积累升高的，该内能将遍及全部离子，进而离子以低能碎裂途径分解。 上述过程中，只有回旋频率接近于RF的频率的离子才能被激发，该离子的碎片离子不具要类似的回旋频率，它们不会被进一步的激发，也不能与氮气碰撞获得内能，进而得以冷却成稳定的离子。所以，碎片离子一旦形成，便会在回

59、旋池中得到冷却，不会进一步发生碎裂反应。 SORI-CID是一个低能的碰撞诱导解离反应，但不产生多次断裂反应，精度高。Time evolution of ion cyclotron radius (left) and ion xy trajectory (right) for each of three ICR techniques for ion multiple activation based on repeated single-frequency dipolar excitation for collision-induced dissociation (CID). In susta

60、ined off-resonance irradiation (SORI) (Gauthier et al., 1991), ions of a selected m/z ratio are alternately excited and de-excited due to the difference between the excitation frequency and the ion cyclotron frequency. In very low energy (VLE) CID (Boeringet al., 1992), ions are alternately excited