质谱仪工作原理

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,*,质谱法,Mass Spectrometry,MS,1,一、质谱法概述,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、真空系统和数据处理系统,三、质谱联用技术,GC-MS,LC-MS,串联质谱法,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,第一节 质谱仪及其工作原理,2,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，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，所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比（,m/z,）,大小依次排列而得到谱图。,一、质谱法概述,3,质谱法是一种按照离子的质核比（,m/z,）,大小对离子进行分离和测定的方法。,质谱法的主要作用是：,（,1,）准确测定物质的,分子量,（,2,）根据碎片特征进行化合物的,结构分析,4,1913,年，,J.J.Thomson,制成第一台质谱仪,有机质谱仪：,无机质谱仪：,同位素质谱仪,气体分析质谱仪,Ionizer,Sample,+,_,Mass Analyzer,Detector,5,进样系统,Inlet,离子源,Ion source,质量分析器,Mass,Analyzer,检测器,Detector,数据处理,系统,Data System,High Vacuum System,二、质谱仪的结构和工作原理,6,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散,2.直接进样,3.气相色谱,1.电子轰击,2.化学电离,3.场致电离,4.快原子轰击,1.单聚焦,2.双聚焦,3.飞行时间,4.四极杆,7,质谱过程,撞击,得到,高速电子,气态分子,阳离子,顺序谱图,质量分析器,定性结构,定量分析,导入,按质荷比m/e,峰强度,峰位置,8,质谱仪的结构,真空系统,进样系统：直接进样和色谱进样,离子源：,电子轰击离子源,EI,，化学电离源,CI,快原子轰击源,FAB,电喷雾源,ESI,大气压化学电离源,APCI,，激光解吸源,LD,质量分析器：,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,检测器：光电倍增管,数据处理系统,9,离子源的真空度应达到,10,-3,-10,-5,Pa,，,质量分析器应达到,10,-6,Pa,。,真空装置：机械真空泵 扩散泵 分子涡轮泵,高真空,原因,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；,引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,1,、真空系统,10,2,、进样系统,（,1,）直接进样,适用于单组份、有一定挥发性的固体或高沸点液体样品。,（,2,）色谱进样,适用于多组分分析。,气相色谱,-,质谱联用仪（,GC-MS,）,液相色谱,-,质谱联用仪（,LC-MS,）等,11,电子轰击离子源,EI,，,化学电离源,CI,快原子轰击源,FAB,磁式双聚焦质谱仪,电喷雾源,ESI,大气压化学电离源,APCI,，,激光解吸源,LD,3,、离子源,GC-MS,LC-MS,12,+,+,+,+,:,R1,:,R2,:,R3,:,R4,:,e,+,M,+,(,M,-,R,2,),+,(,M,-,R,3,),+,Mass Spectrum,(,M,-,R,1,),+,(1),电子轰击源,(electron impact ionization,EI),13,ABCD+e,-,ABCD,+,+2e,-,分子离子,BCD,+A,+,B,+A,+,CD,+AB,+,A,+B,+,ABCD,+,D,+C,+,AB,+,CD,+,C,+D,+,碎,片,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，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即,14,EI,源的特点：,电离效率高；应用广泛；操作方便,EI,源：,可变的离子化能量,(10,240eV,常用,70eV),电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离子增加,对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（常用,70eV,）,。,15,CH,4,+e CH,4,+,+2e,CH,4,+,+CH,4,CH,5,+,+CH,3,离子室内的反应气（甲烷等；10100,Pa，,样品的10,3,10,5,倍），电子（100240,eV,）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。,结构与,EI,同，但是在离子化室充,CH,4,，,电子首先将,CH,4,离解，其电离过程如下：,生成的气体离子再与样品分子,M,反应：,CH,5,+,+,M CH,4,+MH,+,(2),化学电离源,(chemical ionization CI),16,+,+,气体分子,试样分子,+,准分子离子,电子,(,M+1),+,;(M+17),+,;(M+29),+,;,过程,17,特点：,得到一系列准分子离子（,M+1,）,+,（,M-1,）,+,，（,M+2,）,+,等等；,CI,源的的碎片离子峰少，图谱简单；,不适于难挥发成分的分析。,18,（,3,）快原子轰击,(fast atom bombardment FAB),高能量的,Ar,原子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。,本法适合于高极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品,19,(4),场致电离源（,FI,）,电压：7-10,kV；,d,1 mm；,强电场将分子中拉出一个电子；,分子离子峰强；,碎片离子峰少；,不适合化合物结构鉴定；,阳极,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,阴极,d,1mm,20,ESI,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。,气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子,（,5,）电喷雾源,(Electron spray Ionization,，,ESI),21,Rayleigh,Limit,Reached,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,Evaporation,+,+,Charged Droplets,试样离子,准分子离子,Analyte,Ions,Solvent Ion Clusters,Salts/Ion pairs,Neutrals,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,其他离子,ESI,是软电离源，通常很少或没有碎片，,准分子离子，,只能提供未知化合物的,分子量,信息，不能提供结构信息。,22,(6),大气压化学电离源,(Atmospheric pressure chemical Ionization,APCI),23,4,、质量分析器原理,磁式分析器,单聚焦分析器,双聚焦分析器,四极杆分析器,飞行时间分析器,离子阱分析器,回旋共振分析器等,24,（,1,）磁式质量分析器,收集器,离子源,B,S,1,S,2,磁场,R,25,电离室原理与结构,仪器原理图,26,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,：,其中,m,:,离子质量；,v,:,离子速度；,z,:,离子电荷；,V,:,加速电压,(1),27,当被加速的离子进入磁分析器时，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。其行进轨道的曲率半径决定于各离子的质量和所带电荷的比值,m/z,。,此时由离子动能产生的离心力,(,mv,2,/R,),与由磁场产生的向心力,(,Hzv,),相等：,其中：,R,为曲率半径,H,为磁场强度,由此式得,：,(2),代入(1)式得,：,质谱的基本方程,28,当,R,为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同,m/z,的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。,29,方向聚焦,；,相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；,分辨率不高,30,双聚焦磁场分析器,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；,离子源,收集器,磁场,电场,S,1,S,2,+,-,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；,31,（,2,）四极杆分析器,(,quadrupole,analyzer),32,四极杆质量分析器,+,Electron Beam,A,B,C,Sample in,Ion Beam,33,直流电压,V,dc,交流电压,V,rf,34,+,+,-,35,结构,:,四根棒状电极，形成四极场,1,，,3,棒：,(,V,dc,+,V,rf,),2,，,4,棒：,-(,V,dc,+,V,rf,),原理：在一定的,V,dc,V,rf,下,，,只有一定质量的离子可通过四极场，到达检测器。,在一定的（,V,dc,/V,rf,),下，改变,V,rf,可实现扫描。,特点：扫描速度快，灵敏度高,适用于,GC-MS,36,（,4,）,飞行时间分析器,Time of Flight Analyzer TOF,37,试样入口,电子发射,栅极,1-270V,栅极,2 2.8kV,接收器,抽,真空,v,=(2eV/m),1/2,m,：离子的质量；,e,：离子的电荷量；,V,：离子加速电压,离子进入自由空间（漂移区），假定飞行时间为,T,，漂移区长度为,L,，速度,v,：,T=L/,v=L,(m/2eV),1/2,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分辨率。,38,TOF,特点：质量范围宽，扫描速度快，既不需电场也不需磁场。,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。,目前，通过采取,激光脉冲电离方式，离子延迟引出技术和离子反射技术，,可以在很大程度上克服上述三个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,20000,以上。最高可检质量超过,300,000Da,，并且具有很高的灵敏度。,39,（,4,）,离子阱质量分析器,（,ion trap,）,通过扫描射频电压值，使阱中离子的轨道依次变得不稳定，因此可从将离子从低,m/z,到高,m/z,依次甩出阱外检测。,40,5,、检测器,(detector),41,三、质谱图的组成,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（,m,/,z,）,的数值，,纵坐标标明各峰的相对强度，棒线代表质荷比的离子。图谱中最强的一个峰称为基峰，将它的强度定为,100,。,丁酮的质谱图,质谱表,元素图表,42,1,、质量范围,指所能检测的,m/z,范围,四极杆质谱,m/z,小于或等于,2000,磁式质谱,m/z,可达到几千,飞行时间质谱,m/z,可达到几十万,四、质谱仪的性能指标,43,2,、分辨率,R,例如：,CO,+,27.9949,，,N,2,+,，,28.0061,四极质谱恰好能将此分开,.,但是,:,ArCl,+,74.9312,，,As,+,，,74.9216,质谱仪把相邻两质量,组分分开的能力,44,3,、灵敏度：指信噪比大于,10,时的样品量,4,、质量稳定性和质量精度,质量稳定性,主要是指仪器在工作时质量稳定的情况，通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。,0.1amu/12hr,，意思是该仪器在,12,小时之内，质量漂移不超过,0.1amu,。,质量精度,是指质量测定的精确程度。,常用相对百分比表示,45,46,