质谱仪工作原理

1、1Mass Spectrometry, MS2一、质谱法概述一、质谱法概述二、质谱仪的结构和工作原理二、质谱仪的结构和工作原理进样系统、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和进样系统、离子源、质量分析器、检测器、真空系统和数据处理系统数据处理系统三、质谱联用技术三、质谱联用技术GC-MS,LC-MS,串联质谱法串联质谱法四、质谱图与质谱仪性能指标四、质谱图与质谱仪性能指标质量范围、分辨率、灵敏度、质量稳定性和精度质量范围、分辨率、灵敏度、质量稳定性和精度3使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分子，子束（或具有一

2、定能量的快速原子）轰击气态分子，使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。分子离子还可能断裂成各种碎片离子，所有的正离子分子离子还可能断裂成各种碎片离子，所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比（在电场和磁场的综合作用下按质荷比（m/z）大小依大小依次排列而得到谱图。次排列而得到谱图。一、质谱法概述一、质谱法概述m/z152943578599113142714质谱法是一种按照离子的质核比（质谱法是一种按照离子的质核比（m/zm/z）大小对离）大小对离子进行分离和测定的方法。子进行分离和测定的方法。质谱法的主要作用是：质谱法的主要作用是：（1

3、 1）准确测定物质的）准确测定物质的（2 2）根据碎片特征进行化合物的）根据碎片特征进行化合物的m/z15294357859911314271519131913年，年，J.J. Thomson J.J. Thomson 制成第一台质谱仪制成第一台质谱仪有机质谱仪：有机质谱仪：无机质谱仪：无机质谱仪：同位素质谱仪同位素质谱仪气体分析质谱仪气体分析质谱仪IonizerSample+_Mass AnalyzerDetector6进样系统进样系统Inlet离子源离子源Ion source质量分析器质量分析器Mass Analyzer检测器检测器Detector数据处理数据处理系统系统Data Syst

4、emHigh Vacuum System二、质谱仪的结构和工作原理二、质谱仪的结构和工作原理7进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.气体扩散气体扩散2.直接进样直接进样3.气相色谱气相色谱1.电子轰击电子轰击2.化学电离化学电离3.场致电离场致电离 4.快原子轰击快原子轰击 1.单聚焦单聚焦 2.双聚焦双聚焦 3.飞行时间飞行时间4.四极杆四极杆 8撞击撞击 得到得到高速电子高速电子 气态分子气态分子阳离子阳离子 顺序谱图顺序谱图 质量分析器质量分析器定性结构定性结构 定量分析定量分析导入导入按质荷比按质荷比m/e峰强度峰强度峰位置峰位置9 真空系统真空系统 进样系统

5、：直接进样和色谱进样进样系统：直接进样和色谱进样 离子源：离子源： 电子轰击离子源电子轰击离子源EI，化学电离源，化学电离源CI, 快原子轰击源快原子轰击源FAB,电喷雾源电喷雾源ESI, 大气压化学电离源大气压化学电离源APCI，激光，激光解吸源解吸源LD 质量分析器：质量分析器： 磁式单聚焦和双聚焦、四级杆、飞行时间、离子阱、磁式单聚焦和双聚焦、四级杆、飞行时间、离子阱、傅里叶变换离子回旋共振分析器傅里叶变换离子回旋共振分析器 检测器：光电倍增管检测器：光电倍增管 数据处理系统数据处理系统10离子源的真空度应达到离子源的真空度应达到1010-3-3-10-10-5 -5 PaPa，质量分析

6、器应达到质量分析器应达到1010-6-6PaPa。真空装置：机械真空泵真空装置：机械真空泵 扩散泵扩散泵 分子涡轮泵分子涡轮泵高真空高真空原因原因大量氧会烧坏离子源的灯丝；大量氧会烧坏离子源的灯丝；几千伏的加速电场会引起放电；几千伏的加速电场会引起放电；引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。谱图复杂化。11（1）直接进样）直接进样 适用于单组份、有一定挥发性的固体或适用于单组份、有一定挥发性的固体或高沸点液体样品。高沸点液体样品。 （2）色谱进样）色谱进样 适用于多组分分析。适用于多组分分析。 气相色谱气相色谱-质谱联用仪（质谱联用仪（GC-M

7、S） 液相色谱液相色谱-质谱联用仪（质谱联用仪（LC-MS）等）等 12电子轰击离子源电子轰击离子源EI，化学电离源化学电离源CI, 快原子轰击源快原子轰击源FAB, 磁式双聚焦质谱仪磁式双聚焦质谱仪 电喷雾源电喷雾源ESI, 大气压化学电离源大气压化学电离源APCI，激光解吸源激光解吸源LDGC-MSLC-MS13+: R1: R2: R3: R4: e+M+(M-R2)+(M-R3)+Mass Spectrum(M-R1)+14ABCD + eABCD + e- - ABCD ABCD+ + + 2e+ 2e- - 分子离子分子离子 BCD + A + B + A + CD + AB +

8、A + B + ABCD+ D + C + AB + CD + C + D +碎碎片片离离子子分子离子、碎片离子、重排离子、加合离子、同位素离子。分子离子、碎片离子、重排离子、加合离子、同位素离子。 电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即 15H电离效率高；应用广泛；操作方便电离效率高；应用广泛；操作方便EIEI源：源：可变的离子化能量可变的离子化能量 (10(10240eV,240eV,常用常用70eV )70eV )电子能量电子能量 电子能量电子能量 分子离子增加分

9、子离子增加碎片离子增加碎片离子增加 对于易电离的物质降低电子能量，而对于对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（常用难电离的物质则加大电子能量（常用70eV 70eV ）。16CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3 离子室内的反应气（甲烷等；离子室内的反应气（甲烷等；1010100Pa100Pa，样品，样品的的10103 310105 5倍），电子（倍），电子（100100240240eVeV）轰击，产生离）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。 结构与结构与EIEI同，但是在离

10、子化室充同，但是在离子化室充CHCH4 4，电子首先，电子首先将将CHCH4 4离解，其电离过程如下：离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子生成的气体离子再与样品分子M反应：反应： CH5 + + M CH4 + MH+17+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;过程过程18特点：特点： v得到一系列准分子离子（得到一系列准分子离子（M+1M+1）+ +, ,（M-1M-1）+ +，（M+2M+2）+ +等等；等等；vCICI源的的碎片离子峰少，图谱简单；源的的碎片离子峰少，图谱简单；v不适于难挥发成分的分析。

11、不适于难挥发成分的分析。19 （3 3）快原子轰击）快原子轰击 (fast atom bombardment FAB)(fast atom bombardment FAB) 高能量的高能量的ArAr原子原子轰击涂在靶上的样轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。品，溅射出离子流。 本法适合于高极本法适合于高极性、大分子量、低性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性蒸汽压、热稳定性差的样品差的样品20(4) 场致电离源（场致电离源（FI）电压：电压：7-10 kV；d1 mm；强电场将分子中拉出一个电子；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；分子离子峰强；碎片离子峰少；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定；

12、不适合化合物结构鉴定；阳极+阴极d1mm21ESIESI是一种表面离子化技术。先在溶液中离子化，然后是一种表面离子化技术。先在溶液中离子化，然后在电场作用下雾化。在电场作用下雾化。气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子（5 5）电喷雾源）电喷雾源 (Electron spray Ionization(Electron spray Ionization，ESI)ESI)22RayleighLimitReached+-+-+-+-Evaporation+Charged Droplets试样离子准分子离子Analyte Ions Solvent Io

13、n ClustersSalts/Ion pairsNeutrals+-其他离子ESIESI是软电离源，通常很少或没有碎片，是软电离源，通常很少或没有碎片，准分准分子离子，子离子，只能提供未知化合物的只能提供未知化合物的分子量分子量信息，信息，不能提供结构信息。不能提供结构信息。23(6)大气压化学电离源大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical (Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI)Ionization, APCI) 24 磁式分析器磁式分析器 单聚焦分析器单聚焦分析器 双聚焦分析器双聚焦分析器 四极杆

14、分析器四极杆分析器 飞行时间分析器飞行时间分析器 离子阱分析器离子阱分析器 回旋共振分析器等回旋共振分析器等25（1 1）磁式质量分析器）磁式质量分析器收集器收集器离子源离子源BS1S2磁场磁场R26电离室原理与结构仪器原理图27离子生成后，在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和离子生成后，在质谱仪中被电场加速。加速后其动能和位能相等，即位能相等，即：212mvzV其中其中 m m: : 离子质量；离子质量；v v: : 离子速度；离子速度；z z: : 离子电荷；离子电荷；V V: : 加速电压加速电压(1)28当被加速的离子进入磁分析器时，磁场再对离子进行作用，当被加速的离子进入磁分析器时，

15、磁场再对离子进行作用，让每一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的让每一个离子按一定的弯曲轨道继续前进。其行进轨道的曲率半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值曲率半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值m/zm/z。此时。此时由离子动能产生的离心力由离子动能产生的离心力( (mvmv2 2/R/R) )与由磁场产生的向心力与由磁场产生的向心力( (HzvHzv) )相等：相等：2mvHzvR其中：其中：R R为曲率半径为曲率半径 H H为磁场强度为磁场强度由此式得由此式得：RHzvm(2)代入代入(1)(1)式得式得：22/2H Rm zV质谱的基本方程质谱的基本方程29 当当 R为仪器设

16、置不变时，改变加速电压为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。谱。30方向聚焦方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高分辨率不高31双聚焦磁场分析器双聚焦磁场分析器方向聚焦：相同质荷比，方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，能量聚焦：相同质荷比，速度速度( (能量能量) )不同的离子会不同的离子会聚；聚；离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+- 质

17、量相同，能量不同质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；互补实现双聚焦；32（2 2） 四极杆分析器四极杆分析器 (quadrupole(quadrupole analyzer) analyzer)33四极杆质量分析器四极杆质量分析器+Electron BeamABCSample inIon Beam34直流电压直流电压V Vdcdc交流电压交流电压V Vrfrf35+-36结构结构: :四根棒状电极，形成四极场四根棒状电极，形成四极场 1 1，3 3棒：棒： (V

18、(Vdcdc +V +Vrfrf) ) 2 2，4 4棒：棒：- (V- (Vdcdc+ V+ Vrfrf ) )原理：原理：在一定的在一定的V Vdcdc V Vrfrf 下下 ， 只有一定质量只有一定质量的离子可通过四极场，到达检测器。的离子可通过四极场，到达检测器。在一定的（在一定的（V Vdcdc/V/Vrfrf) )下，改变下，改变V Vrfrf 可实可实现扫描。现扫描。特点：特点：扫描速度快，灵敏度高扫描速度快，灵敏度高 适用于适用于GC-MSGC-MS37（4 4）飞行时间分析器飞行时间分析器Time of Flight Analyzer TOFTime of Flight An

19、alyzer TOF38 试样入口试样入口电子发射电子发射栅极栅极1-270V栅极栅极2 2.8kV接接收收器器抽真空抽真空v v=(2eV/m)=(2eV/m)1/2 1/2 m m：离子的质量；：离子的质量；e e：离子的电荷量；：离子的电荷量；V V：离子加：离子加速电压速电压离子进入自由空间（漂移区），假定飞行时间为离子进入自由空间（漂移区），假定飞行时间为T T，漂移区长度，漂移区长度为为L L，速度，速度v v ：T=L/T=L/v=Lv=L(m/2eV)(m/2eV)1/21/2 离子飞行时间与离子质量的平方根成正比离子飞行时间与离子质量的平方根成正比适当增加漂移管的长度可以增加

20、分辨率。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。 39 特点：质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需特点：质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场。磁场。 缺点：分辨率低；原因：离子进入漂移管前的时间分缺点：分辨率低；原因：离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。散、空间分散和能量分散。 目前，通过采取目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引出技激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，术和离子反射技术，可以在很大程度上克服上述三个可以在很大程度上克服上述三个原因造成的分辨率下降。原因造成的分辨率下降。 现在，飞行时间质谱仪的分辨率可达现在，飞行时间质谱仪的分辨率可达200

21、0020000以上。最以上。最高可检质量超过高可检质量超过300,000Da300,000Da，并且具有很高的灵敏度。，并且具有很高的灵敏度。 40 通过扫描射频电通过扫描射频电压值，使阱中离子压值，使阱中离子的轨道依次变得不的轨道依次变得不稳定，因此可从将稳定，因此可从将离子从低离子从低m/zm/z 到高到高m/zm/z 依次甩出阱外依次甩出阱外检测。检测。 4142三、质谱图的组成三、质谱图的组成质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。质谱图由横坐标、纵坐标和棒线组成。横坐标标明离子质荷比（横坐标标明离子质荷比（m m/ /z z）的数值，）的数值，纵坐标标明纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。图谱中各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一个