质谱仪与色谱仪

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,质谱仪与色谱仪,1,色谱与质谱的概念及联系,色谱泛指用载流在担体中完成分离及使用适当检测器测定,分离成分,的产品,。,质谱是对,成分分析,的检测器类型,理论上质谱可以分析各种带有,质量特性,的成分,。,联系：,色谱仪是可以把多种,物质,分离出来,。,质谱仪是一种以色谱仪为前提，把分离出来的,物质,进行精确定量。,2,第一讲 色谱仪,简介及发展,工作原理,色谱仪分类,气相色谱仪,高效液相色谱,3,一、简介及发展,定义：,应用,色谱法,对物质进行定性、定量分析， 及研究物质的物理、化学特性的仪器。,现代的色谱仪具有稳定性、灵敏性、多用性和自动化程度高等特点。色谱仪广泛地用于化学产品，高分子材料的某种含量的分析，凝胶色谱还可以测定高分子材料的分子量及其分布。,4,过去几十年内，色谱仪器得到了极大的发展，这主要归于：, 1970s电子积分仪及计算机数据处理装置的发展；, 1980s,计算机技术对仪器各类参数的自动控制。如柱温、流速、自动进样等。,随着这些技术的发展，仪器性价比大幅提高。其中，,GC,最重要的发展是开管柱的引入，使含有数百种混合物样品得以分离！,5,二、工作原理,色谱法,也叫层析法，它是一种高效能的物理分离技术，将它用于分析化学并 高速逆流色谱仪配合适当的检测手段，就成为色谱分析法。,色谱法的最早应用是用于分离植物色素，其方法是这样的：在一玻璃管中放入碳酸钙，将含有植物色素（植物叶的提取液）的石油醚倒入管中。此时，玻璃管的上端立即出现几种颜色的混合谱带。然后用纯石油醚冲洗，随着石油醚的加入，谱带不断地向下移动，并逐渐分开成几个不同颜色的谱带，继续冲洗就可分别接得各种颜色的色素，并可分别进行鉴定。色谱法也由此而得名。,现在的色谱法早已不局限于色素的分离，其方法也早已得到了极大的发展，但其分离的原理仍然是一样的。我们仍然叫它色谱分析。,6,三、色谱仪分类,色谱仪根据被检测对象的状态分为三类,1、,气相色谱仪,2、,液相色谱仪,3、,凝胶色谱仪,7,四、气相色谱仪,8,1,、气相色谱仪的流程,9,气相色谱仪的流程,样品由色谱仪载气带入，通过对欲检测混合物中组分有不同保留性能的色谱柱，使各组分分离，依次导入检测器，以得到各组分的检测信号。按照导入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是什么组分，根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。,10,气相色谱仪,由六,大系统组成：,温控系统,进样系统,分离系统,检测系统,数据处理系统及记录,流动相,固定相,2,、,气相色谱仪主要部件,气路系统,11,1）,.,气路系统,作用：获得纯净、流速稳定的载气。,让载气连续运行、管路密闭的气路系统。,对组分没有相互作用力，只起到携带组分移动的作用,组成：压力计、流量计及气体净化装置。,选择原则：柱效、分析对象、检测器。,要求：气密、流速稳定、流量准,载气要求化学惰性，不与有关物质反应,载气种类：,氦气、氢气、,氮气。,载气的控制：钢瓶,减压阀 稳压阀 稳流阀,载气流速的测量与校正,12,2).,进样系统,进样装置+气化室,进样系统作用：定量引入样品；,加热气化，转入柱内,进样器：,微量注射器。,气体进样器用六通阀,13,色谱柱的作用：分离混合组分,分离柱种类：填充柱和开管柱(或称毛细管柱)。,构成：色谱柱：固定相 =担体/载体+固定液,3),. 分离系统,14,色谱柱,类型：填充柱和毛细管柱,（1）填充柱：,材料：不锈钢或玻璃，,内装固定相，,内径：2 mm 4mm，,长: 1 m 3 m。,形状：U,型和螺旋型。,内填固定相,（2）毛细管柱,/,空心柱,：,材料：玻璃或石英,内径:0.2mm-0.5mm，,长: 30m-300m,类型：,涂壁,多孔层,涂载体空心柱,化学键合相毛细管柱,交联毛细管柱,15,检测组分的存在，并将组分的量定量地转换为电信号，加以放大。,a. 热导检测器,(,TCD,);,b. 氢火焰离子化检测器,(,FID,),c. 电子捕获检测器,(,ECD,);,d. 火焰光度检测器,(,FPD,);,e. 氮磷检测器（NPD）,f. 热离子检测器,(,TID)。,4),. 检测器,16,类型：,浓度型检测器:,测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，,即检测器的响应值和组分的浓度成正比。,TCD和ECD。,质量型检测器:,测量的是载气中某组分进入检测器的速度变化，,即检测器的,响应值,和,单位时间,内进入检测器某,组分的量,成正比。,FID和FPD,检测器的性能指标：,灵敏度S,、,检出限,、,响应时间,、,线性范围,、,最小定量限,17,a 热导检测器-TCD,原理：根据不同的物质具有不同的热导系数原理进行检测,热导池的结构：,构成: 池体+热敏元件,Wheatstone电桥,R,1,R,2,R,3,R,4,R,1,R,4,R,2,R,3,样品,参比,mA,R,1,衰减器,调零,A,B,R,2,R,3,R,4,18,测量池体,色谱柱,进样器,参考池,R,1,R,4,R,2,R,3,影响热导检测器灵敏度的因素,（）桥电流,i,，,灵敏度，但钨丝寿命。,桥电流：100200mA,（,）池体温度,T,D, 但,T,D,T,C,19,（）载气种类,载气与试样的热导系数相差愈大，,S,高。,热导系数,氢气或氦气,，S高,T,i,He，H,2,N,2,特点：TCD结构简单，性能稳定，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜。,缺点：,S,较低。,适用范围：与载气导热率不同的可气化物质,毛细管柱/TCD,1.空气2.甲烷3.二氧化碳4.乙烯5乙烷,20,21,温度影响:,温度控制部分：,色谱柱炉，气化室，检测器,色谱柱的温度控制方式: 恒温，程序升温。,5). 控温系统,程序升温指在一个分析周期内柱温随时间由低温向高温作线性或非线性变化，以达到用最短时间获得最佳分离的目的。,分析对象：,沸点范围宽的混合物,色谱柱的选择分离,检测器的灵敏度,检测器的稳定性,22,主要影响因素,流速比；,硫的响应受温度影响大。,394 nm 526 nm,/nm,S,2,* HPO*,23,6). 数据处理系统和记录系统,样品经色谱柱分离后，各组分按保留时间不同，顺序地随载气进入检测器检测器，把进入的,组分的浓度或质量按时间的变化而变化，,转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的,色谱流出曲线,及定性和定量信息。,24,应用：,气相色谱仪广泛用语石油、化工、质量检测、疾病控制、环保、农业、食品、公安、煤矿、科研等领域。,25,GC-4000A-北京东西电子,主要特点,1.五种检测器任选 热 导 检 测 器 (TCD) ： 用于气体、液体的常量分析 氢火焰离子化检测器 (FID) ：用于烃类工业及其他领域有机物分析 火焰光度检测器 (FPD) ： 用于痕量硫、磷化合物检测 氮 磷 检 测 器 (NPD) ： 用于痕量硫、磷化合物检测 电子捕获检测器 (ECD) ： 检测能俘获电子的化合物 2.单元式整体结构设计，安装、维修方便 3.大体积柱箱，可同时安装三根色谱柱 4.仪器设计合理、灵活，可以同时安装任意三种检测器，并且有三个独立电路系统、三个信号输出端 5.灵活的填充柱和毛细管柱系统,可接不同口径的毛细管柱. 6.稳定的温度控制系统，10阶程序升温，进样器、各检测器均可独立控温，并具有超温保护功能；加热区可七路控温 7.主机通过工作站自动点火分析 8.自动后开门控制,加快降温速率(可选) 9.全新稳压、多气路系统：单、双、三气路（可任选), 3路压力流量数字化显示,压力显示分辨率 0.1 pis 10.注射器、阀进样系统（全配置或任选） 反吹、预切割装置（可任选） 甲烷转化炉、裂解炉装置（可任选）,26,该方法是吸收了普通液相层析和气相色谱的优点，经过适当改进发展起来的。它既有普通液相层析的功能（可在常温下分离制备水溶性的物质），又有气相色谱的特点（即高压，高速，高分辨率和高灵敏度）；它不仅适应于很多不易挥发，难热分解物质的定性和定量分析，而且也适用于上述物质的制备和分离。,五、高效液相色谱法（HPLC）,27,HPLC的仪器配置及流程,溶剂,色谱泵,自动进样器,HPLC色谱柱,检测器,废液,数据处理系统,28,性能要求 ：,应用面广；分析速度快；重复性好；灵敏度高。,色谱系统要求：,可测多种样品；有高选择性；高流动性；自动化。,高灵敏度检测器；,对设备要求：,使用抗化学腐蚀的材料，有各种检测器，各种色谱柱；高性能高压泵，进样器，检测器，管线的死体积小，有快速记录和数据处理器的设备；可精确控制柱、温度、流动相的组成和流量。高信噪比的检测系统。,HPLC的仪器配置及流程,29,HPLC的主要部件,色谱泵,自动进样器,色谱柱及柱温箱,检测器,数据处理系统,溶剂,30,色谱图：HPLC图形结果（Chromatogram）,色谱图即色谱柱流出物通过检测器时所产生的响应信号对时间的曲线图，其纵坐标为信号强度，横坐标为保留时间。, 色谱峰,保留时间（分）,基线,峰高,峰宽,响应值,31,一、色谱泵-输液系统,高压输液泵,双泵：为了克服流量的脉动。,有串联式和并联式,恒流泵：在输送流动相过程中流量恒定。常用柱塞往复泵,32,输液系统,输液泵应具备的性能：,流量精度高且稳定,流量范围宽,能在高压下连续工作,液缸容积小,密封性能好，耐腐蚀,33,液相色谱的检测器,常规检测器,紫外/可见光吸收检测器（UV-Vis）,示差折光检测器（Refractive Index）,荧光检测器（Fluorescence）,蒸发光散射检测器（Evaporative Light Scattering）,其他检测器（Other Detectors）,高端检测器,光电二极管矩阵检测器（Photodiode Array）,质谱检测器（Mass Spectrometry）,34,不同种类的检测器的分类,整体性质,示差折光检测器,蒸发光散射检测器,电导检测器,溶质性质,荧光检测器,固定波长,可变波长,光电二极管矩阵,电化学检测器,放射化学检测器,氮/硫检测器,质谱检测器,紫外/可见光检测器,35,理想的HPLC检测器的特点,高灵敏度；可忽略的基线噪音,宽的线性范围,独立于流动相及操作参数的响应,对压力、温度及流速等变化不敏感,长时间操作的稳定性,低死体积,非破坏性,选择性,36,灵敏度：信噪比,灵敏度是信号与噪音的比值；即峰高与基线噪音的比值（S/N）,检测限（LOD）：S/N = 3,定量限（LOQ）：S/N = 10,好的信噪比有利于：,更好的色谱峰确认,更好的定量,更好地完成色谱峰纯度/均一性,6:1,N,S,37,方法开发的过程,1. 得到样品信息，确定分离目标,2. 确定特定HPLC过程、样品预处理等的需求,3. 选择检测器及其条件,4. 选择HPLC方法；初步分离；建立最佳分离条件,5. 优化分离条件,6. 检查特定过程的问题及需要,7. 定量校正,8. 日常使用的确认,38,选择液相色谱的检测器,要考虑的因素：,你要分离的化合物/样品的化学特性,化学结构、分子量及紫外光谱等等,流动相的影响（溶剂、缓冲盐改性剂等）,梯度还是等度,灵敏度需求,是否有双检测的需求,39,选择液相色谱的检测器,通用检测器 RI ELSDMS,灵敏度,m,gngpg,线性范围10,4,否10,3,流速敏感是否是,温度敏感是否否,破坏性否是是,选择性检测器 ABSFLEC Cond MS,灵敏度ngpgfgpgpg,线性范围10,5,10,3,10,6,10,5,10,3,流速敏感否否是是是,温度敏感否否是是是,破坏性否否是否是,40,HPLC检测器简介,紫外可见分光光度检测器,41,特点：,42,HPLC检测器,荧光（Fluorescence）检测,发荧光的化合物吸收光（UV或VIS），其分子达到激发态，其返回到基态时发射光的现象即荧光,基态,激发态,S,1,S,0,激发,（1）,振动能（2）,发射,（3）,1. 分子在吸收UV或可见光后进入激发态，分子达到不稳定的高能量状态。,2. 电子失去过剩的能量成为振动能，并达到最低的激发单重态。,3. 电子失去能量达到基态时发出荧光,共轭及芳香族化合物最容易有荧光现象,43,荧光检测器原理,44,荧光检测器的应用,环境中的污染物,多环芳烃,(,PAH,),，多酚，氨基甲酸酯等,食品、饮料,食品中的毒素；例如：黄曲霉毒素,染料,维生素及衍生氨基酸,生物技术及制药,氨基甲酸酯类杀虫剂,黄曲霉毒素,多环芳烃（PAH）,维生素,45,荧光检测器的优点,选择性提高,灵敏度提高（在 pg/fg 范围）,低背景技术,46,荧光检测器的缺点,不是所有化合物都有荧光，需要衍生,检测器对溶解气体及其他淬灭物质（如甲醇）敏感,对Ex及Em的最佳,，易受温度、溶剂的极性和粘度、溶剂的,pH值及样品浓度影响,多数仪器的批次间差异较大，同一型号的不同荧光检测器会得到不同的结果。,有的仪器信号及噪音大于另一台23倍，光电倍增管的特征是导致这个现象的原因。,47,用氮气把流动相吹成细雾状,流动相的液滴通过一个预加热的腔体后被蒸发掉,蒸发的溶剂从检测器中被除去,溶质的挥发性小于流动相，因此产生颗粒束与光束相交,被颗粒散射的光由光电倍增管（PMT）收集,PMT的输出与溶质的存在量呈比例关系,HPLC检测器,蒸发光散射（Evaporative Light Scattering）,48,蒸发光散射检测器原理,Evaporative Light Scattering,简称：ELSD,49,ELSD 优点及应用领域,通用型 比流动相挥发性小的物质都能被检测,可以作梯度实验；检测下限可到纳克级水平,对环境条件不敏感；可以使用有强紫外吸收的溶剂作流动相,应用领域：,碳水化合物,油脂及脂肪酸,未衍生的氨基酸,制药行业,表面活性剂,天然产物,50,光电二极管矩阵（Photo Diode Array）,Photo Diode Array,简称：PDA或DAD,51,PDA检测器 特点,三维水平的吸光度检测器,二极管矩阵检测器是在1982年首度出现的,在整个UV-Vis带宽上检测吸光度,都需要相应的软件进行数据的分析,52,PDA检测器的用途及要求,光电二极管检测器可以提供许多又用的功能,光谱信息,色谱峰纯度,谱库拟合,像其他所有的UV/Vis检测器一样，需要：,高的信噪比；好的线性,另外；还需要：,光学分辨率,光谱灵敏度及光谱分析软件,53,光学分辨率（带宽）,好的光谱分辨率可得到高质量的光谱信息,230.00,250.00,270.00,nm,Benzene,3.0nm,vs,1.0nm,损失分辨率，UV最大波长移动,1.0,nm,3.0,nm,190,nm,5.0,nm,54,PDA的优点及缺点,优点,通用的UV/Vis检测,好的选择性、线性,提供色谱峰的UV/Vis光谱图（峰确认）,可提供纯度估计,缺点,低光学通量（较窄的带宽通量）,与普通UV/Vis相比更复杂，容易漂移,灯输出能量随时间降低,55,质谱（Mass Spec.）作为HPLC检测器,m/z,+/-,MS：,质谱（Mass Spectrometry）是一种按照分子量及其电荷分离物质的技术，经过多年的不断开发及改进，已经使质谱成为一种多功能、高灵敏度，并被愈来愈广泛使用的分析技术。,LC/MS,：,液相色谱与质谱的连用,。,过程,：,除去HPLC的溶剂；产生离子；分离离子；检测离子；计算离子强度；处理数据,56,技术参数TSP公司的产品均符合GLP,GMP法规认证和ISO9001质量标准 灵敏度超过任何单波长检测器波长范围：190-800nm 波长准确度：1nm分辨率：1.2nm噪音：0.3x10-5AU254nm漂移：1x10-3AU/小时254nm仪器介绍 Spectra SYSTEM系统是TSP公司第五代高效色谱仪。全系统外形美观紧凑，操作灵活方便，可任意组合配置成不同的工作系统。单元，二元，四元色谱泵及丰富的检测器阵容，进可充分满足您的需求。,57,第二讲、质谱仪,发展历史,概论,质谱分类,质谱仪,结构,及其工作原理,应用概况和主要产品,58,发展历史,1990 年代初英国学者 J.J. 汤姆森制成第一台质谱仪,第一台商品质谱仪: 1942 年,早期应用：原子质量、同位素相对丰度以及研究电子碰撞过程等物理领域。,1950 年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；,1960 年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；,计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。,59,1950 年代至 1970 年代：有机质谱迅速发展为测定有机化合物分子量和结构的强有力的工具。主要研究分子量小于 1000Da 的有机分子。,1981 年：出现了快原子轰击质谱，有机质谱开始分析研究极性大、热不稳定的多肽和小蛋白质等,1988 年：出现了电喷雾电离质谱、基质辅助激光解析电离飞行时间质谱，傅立叶变换质谱法开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域。进入了生命科学的范畴。,近年来质谱与各种色谱的联用技术发展迅速。如 HPLC-ESI-MS,毛细管电泳 CE-ESI-MS等，并发展了微量电喷雾电离接口技术。,60,质谱仪,概论,概念：,质谱仪又称质谱计。分离和检测不同同位素的仪器。即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。,61,质谱法：,用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。可以测定和解析物质的质量谱，用以分析研究同位素丰度、物质组分，包括化合物的碎裂过程、反应机构、电离电压、结合能、分子构造和热力学性质等的方法。,62,质谱分类,63,质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度，质谱仪可以分为下面几类：,有机质谱仪：,由于应用特点不同又分为：, 气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。,在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。, 液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。,同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。, 其他有机质谱仪，主要有：,基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS） 傅里叶变换质谱仪（FT-MS）,64,无机质谱仪，包括：, 火花源双聚焦质谱仪。,感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。,二次离子质谱仪（SIMS） 同位素质谱仪。,气体分析质谱仪。,主要有呼气质谱仪，氦质谱检漏仪等。,65,质谱仪,结构,及其工作原理,进样系统,记录器,检测器,质量分析器,离子源,真空系统,气体扩散,直接进样,气相色谱,照相干板,电子倍增管,金属电极检测器,电子轰击,化学电离,高频火花电离,热电离,激光电离,单聚集,双聚集,飞行时间,四级,质谱仪工作原理图,66,质谱仪示意图,67,质谱仪一般由,检测系统、真空系统、电学系统和数据处理系统,几个部分组成。,检测系统由进样系统、离子源、质量分析器和离子检测器组成,。样品由进样系统导入离子源，在离子源中被电离成正离子或负离子，离子束按质荷比大小由质量分析器分开，被检测系统接收并记录而获得质谱图。,真空系统,提供和维持质谱仪正常工作所需要的高真空，通常在 10,-3,10,-9,Pa。,电学系统,为质谱仪的各个部件提供电源和控制电路。,数据处理系统,快速、高效地计算和处理质谱仪获得的大量数据，并承担仪器控制的任务。,68,1.进样系统,a.探头进样系统,一般最常用的探头有电子轰击源直接进样杆,快原子轰击源直接进样杆等。,69,b. 储罐进样系统,包括储气室、加热器、真空连接系统及一个通过分子漏孔将样品导入离子源的接口。,气体和液体样品在不需要进一步分离时用此方式进样，储气罐可加热至 200。此进样方式一般用于石油工业、环保等领域。,70,c. 注射泵进样系统,用于 ESI(电喷雾电离源) 和 APCI(大气压化学电离源）的直接进样。,d. 色谱进样系统,用于 GC-MS,HPLC-MS,CE-MS,71,2.离子源,（,电离和加热室,）,被分析物质在这里被电离，形成各种离子。不同性质的样品需用不同的电离方式。为使生成的离子到达质量分析器，在离子源的出口施加一个高电压即加速电压，对离子进行加速。不同的分析器有不同的加速电压。,72,在灯丝（阴极）与阳极间加电压后，炽热的灯丝（铼或钨丝）发射的电子束穿过电离盒至阳极。两极间的电位差决定了电子的能量。进入,EI,离子源的试样蒸气被电子束轰击，如果轰击电子的能量大于分子的电离能，分子,M,将失去电子而发生电离，通常失去一个电子而形成分子离子,M,+,：,电子轰击源（,electron impact source;EI）,电子轰击离子源一般由电离盒、灯丝（或称阴极）、栅极、电子收集极、狭缝、永久磁铁、电离盒加热器、热电偶以及一套离子光学系统（或称透镜系统，包括推斥极、引出极、聚焦极、,Z,向偏转极等）组成。,73,优点：,重现性好；灵敏度高；,碎片离子丰富信息；,离子开裂理论成熟；,应用最广，标准质谱图基本都是采用,EI,源得到的；,稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；,结构简单，控温方便,缺点：,EI,离子化能量高，对分子量较大或者稳定性差的试样，常常得不到分子离子峰。,74,化学电离源（,chemical ionization source;CI）,利用低压样品气(10,-5,),，,和高压的反应气(12,),(甲烷、异丁烷、氨、氢、氦等)，在高能电子流(500,eV),轰击下，发生离子-分子反应来完成样品离子化。,CH,4,高能电子流的轰击,CH,4,+,(,一级离子,),CH,4,+,+ CH,4,CH,5,+,(,二级离子,),CH,5,+,+ M,MH,+,优点,：软电离方式，准分子离子峰强度大；,易获得有关化合物官能团的信息,缺点,：重现性较差；不适合于难挥发、热不稳定的化合物,75,场致电离源（,FI）,优点：,分子离子峰强；,碎片离子峰少；,适用于较大分子量和热不稳定化合物电离,缺点：,不适合化合物结构鉴定；,是采用强电场把冷电极附近的样品分子的电子拉出去，形成离子。电场的两电极距离很近（,d,1,mm,），,施加电压为几千伏甚至上万伏稳定直流电压。,阳极,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,阴极,d,1mm,场电离：,将气体通过电场电离；,场解析：,将固体样品涂在发射体表面使之电离,76,快原子轰击离子源（,fast atom bombardment ionization source;FAB）,由电场使,Xe,原子电离并加速，产生快速离子，再通过快原子枪产生电荷交换得到快速原子，快原子束轰击涂在金属板上的样品，使样品离子化。,优点,：无需进行加热气化，属于软电离方式；特别适合分析高级性、大相对分子量、难挥发和热稳定性差的样品；既能得到强的分子离子或准分子离子峰，也能得到较多的碎片离子峰。,缺点,：重现性较差，检测灵敏度低,77,3.质量分析器,功能：把不同质荷比的离子分开排列成谱，是质谱仪的核心。不同类型的质量分析器有不同的原理、特点、适用范围、功能。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦分析器，四极杆分析器，离子阱分析器，飞行时间分析器，回旋共振分析器等。,78,1）磁偏转式质量分析器,加速后离子的动能 : (1/2),m,2=,e V,在磁场存在下，,离心力 =向心力，,即,m,2,/,R= H,0,e V,曲率半径：,R,= （,m,）/,e H,0,；,所以，质谱方程式：,m,/,e,= (,H,0,2,R,2,) / 2,V,离子在磁场中的轨道半径,R,取决于：,m,/,e,、,H,0,、,V,，,改变加速电压,V,可以使不同,m,/,e,的离子进入检测器。,79,单聚焦磁场分析器,收集器,离子源,B,S,1,S,2,磁场,R,方向聚焦：,相同质荷比，入射方向不同的离子的汇聚,但,m/z,相同，运动速度,v,有微小差异的离子在通过磁场后会发散，导致仪器的分辨率降低。,80,双聚焦磁场分析器,离子源,收集器,磁场,电场,S,1,S,2,+,-,能量聚焦：,相同质荷比，速度(能量)不同的离子的会聚；,质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦，大大提高了分辨率。,81,四极杆质量分析器（四级滤质器）,x,y,z,-,-,+,+,由四根平行且对称放置的圆柱形电极组成，对角电极连接构成两组。两组电极间加以一定的直流电压,U,和高频电压,Vcos,w,t。,当离子束进入圆柱形电极所包围的空间后，将受到交、直流叠加电场的作用而波动前进。只有某一种或一定范围质荷比的离子能够通过电场区到达收集器产生信号。,优点：,可在较低的真空度下工作；,扫描速度快；结构简单，体积小,缺点：,分辨率低于双聚焦质量分析器；,质量范围较窄；,不能提供亚稳离子信息,82,飞行时间质谱,飞行时间质谱仪的原理与仪器结构非常简单，核心部分是一个离子漂流管（drift tube）。把引入离子室的样品分子电离后，将离子加速并通过一个空管无场区，不同质量的离子具有不同的能量，通过无场区的飞行间长短不同，质荷比最小的离子具有最快的速度首先到达检测器，质荷比大的离子则较后到达检测器，可依次被收集检测出来。,83,飞行时间质量分析器突出的优点: 一是不存在聚焦狭缝，因此灵敏度很高；二是扫描速度快，达10000张谱/s；三是测定的质量范围仅取决于飞行时间，可达到几十万质量数，为近年来生命科学中生化大分子的研究，提供了有效分析手段,但是，长时间以来一直存在分辨率低这一缺点，造成分辨率低的主要原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。这样，即使是质量相同的离子，由于产生时间的先后，产生空间的前后和初始动能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了分辨率。,84,二种技术解决办法:(1)两极加速技术 (2)离子反射技术,85,4.检测器,检测各种质荷比的离子。检测器的种类有电子倍增器、光电倍增器、平板式微通道板检测器等。,现用得较多的是光电倍增器，永久性地密封于其自身的玻璃真空外壳中，这样可以保护光电倍增器在很宽的动态范围内，无论是检测正离子还是负离子，都能保持高灵敏度、恒定的增益和线性,并且使用寿命长达 10 年。,平板式微通道板检测器则用于飞行时间质谱仪 (TOF)。因为 TOF 作为质量分析器是脉冲式检测方式，离子按质量大小以不同的飞行时间依次到达检测器。这种平板式微通道板检测器具有极高的灵敏度。,86,检测器,包括,Faraday,杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等,1),Faraday,杯,下图是,Faraday,杯结构原理图,特点：可检测,10,-15,A,的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。,2）电子倍增器：类似于光电倍增管，可测,10,-18,A,电流。但有质量歧视效应,3）闪烁计数器：记录离子的数目。,87,5.计算机、数据处理系统,在计算机未问世前，用反射式电流计，即被检测的每个 m/e 值的离子电流作用于电流计上，电流计的发射镜就把光束反射到光敏纸上，从而实行记录。,计算机系统的功能是对质谱仪进行控制，包括对质谱数据的采集、处理和打印。现有电子轰击源 (EI) 的质谱仪的均有 NIST 标准谱库，谱库中有十几万张标准谱图及用于环保、农药、兴奋剂, 代谢产物等专用谱库。可进行谱库检索。高分辨质谱仪其数据系统的软件则更丰富，还能给出分子离子和其他碎片离子的元素组成及理论计算值、偏差值 (百万分之一), 饱和度等其他有关信息。,88,6.真空系统,为了保证离子源中灯丝的正常工作，保证离子在离子源和分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞，散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小本底与记忆效应, 质谱仪的离子源和分析器一般真空度都要求在 10,-5,-10,-8,Torr 才能工作。,真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮分子泵组成。通常用机械泵预抽真空，然后用扩散泵或涡轮分子泵连续地抽气。,89,质谱图,以质荷比,m/z,为横座标，以对基峰(最强离子峰，规定相对强度为,100%,)相对强度为纵座标所构成的谱图，称之为质谱图。）,90,三、质谱仪的主要指标,三个主要指标-质量范围、分辨率、灵敏度,1质量范围(mass range),指质谱仪所检测离子的质荷比范围。对单电荷离子而言，就是指离子的质量范围。在检测多电荷时，所检测的离子根据其带多少个电荷而扩展其的质量范围。,91,2分辨率(resolution),分辨率又称之为分辨本领。这是质谱仪的一个重要性能。一般规定：当两个峰之间峰谷的高度超过两峰平均高度的10%时，则两峰没有被分开。,两峰部分重叠,92,磁式质谱仪的分辨率R的公式：,公式1,M：为可分辨的两个峰的平均质量,M：为质谱仪可分辨的两个峰的质量差。,由此可见分辨率是质谱仪分开相邻两离子质量的能力。,实际测量中将此公式写成：,R,10%,= 公式2,式中 a为相邻两峰的中心距离；,b为峰高5%处的峰宽；,对傅里叶变换质谱FT-ICR及飞行时间质谱仪(TOF)而言，分辨率仍用公式1。,93,3灵敏度(senstivity),灵敏度是表示质谱仪出峰的强度与所用样品量之间的关系。是表示对所选定的样品在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比的分子离子峰所需的样品量。,测定灵敏度的方法多种多样的，一般直接进样灵敏度的测定方法是：在固定分辨本领的情况下，直接进入微克量级的某种样品，看其分子离子峰的强度与噪声的比值，就是信/噪比值，用,S/N,表示。噪声指基线的强度。,94,4. 质量精度,利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的性能指标。在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低于0.4质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相对精度一般在1-10ppm。,95,使用维护注意事项,(1),样品处理,样品处理系统应具备过滤功能，进入质谱仪的样品不能有粒度大于lm的颗粒。,应尽可能减少样品传输滞后时间，因为质谱仪的分析速度极快，样品传输时间长便失去了质谱快速分析的意义。,注意稳压，特别是要保证放空背压的稳定，以提高质谱分析数据的稳定性。,96,(2)校准,用的标准气,工业质谱仪需要的标准气种类较多，除零点气(一般采用N,2,)外，混合气体中的每种组分(包括被测组分和其他组分)均需单独准备一瓶。,标准气的误差直接影响质谱仪的测量准确度，要确保配气质量和精度，同时要随用随配，尽量减少标准气的贮存时间。,(3),日常维护,工业质谱仪是复杂的精密分析仪器，维护需设专人负责，制订切合实际的维护校验规程，并要作好记录，以便积累经验，提高维护质量。,97,应用概况和主要产品,应用概况,工业质谱仪从20世纪70年代末期开始在欧洲出现，20世纪80年代中期，工业质谱仪开始在工业过程成分分析中得到应用并迅速发展。,它可以对工业流程中的气体或蒸气进行定性、定量实时检测，,可以对10多个气路，每路多达916种成分进行分析，测量范围可以达到1001010,6,，分析速度极快，仅用几秒钟到20多秒就能对一路气流进行全面分析。,可用于石油化工、高纯气体生产、钢铁、食品加工、医药制造等行业。,98,世界工业发达国家已成功地将工业质谱仪投入生产过程使用，仅美国PE公司就分别为世界各地的钢铁冶炼厂、化工厂、发酵厂等安装工业质谱仪达千台以上。,1980年代末期我国已在石化、化肥、钢铁、制药等工业部门开始使用过程质谱仪(PMS)。在石化行业，,PMS主要用于乙二醇装置、采用水煤浆加压气化法的合成氨和甲醇装置等一些反应剧烈、需要进行快速在线分析的场合。,目前已考虑用于,乙烯裂解、催化裂化、聚乙烯和聚丙烯,等装置，参与优化控制。,99,典型应用场合,环氧乙烷,煤炭气化,合成氨/尿素,甲醇,炼钢: 退火/高炉/氧气顶吹转炉/焦炉气,发酵监测,乙烯,空分,氢气提纯/重整,检漏,液化天然气,催化剂研究,溶剂监测,碳黑,氯乙烯监测,100,主要产品介绍,目前，在我国销售的工业质谱仪产品主要有以下一些：,美国PE公司,(Perkin-Elmer，现属AIT公司) MGA-1200、MGA-1600单聚焦磁扇式和 MGA-iSCAN双聚焦式；,英国VG公司,(现属Thermo ONIX集团) Prima 600、Prima,B，单聚焦磁扇式；,ABB公司,Questor，四极杆式；,美国EXTREL公司,MAX300- IG、MAX300- LG，四极杆式；,德国IPI公司,(InProcess Instruments) GAM 300，四极杆式。,俄罗斯METTEK公司,EMG-21，飞行时间式。,101,(1) PE公司MGA系列,MGA-1200EC,MGA-1600ES,MGA-iSCAN,MGA系列质谱仪外观图,102,双灯丝,固定收集器,内置式计算机,电源,MGA-1200EC,内视图(1),103,进气口,分析仪磁铁,涡轮分子泵系统,MGA-1200EC,内视图(2),104,扇形电场,离子源,反应气进口,电磁石,静电计,电子倍增器,MGA-iSCAN,的双聚焦质量分析器,105,插件板导轨组件,低压 P/S 组件,机械真空泵,涡轮分子泵,MGA-iSCAN,内部结构图,106,谢谢,107,