质谱仪工作原理

1质谱法MassSpectrometry,MS2一、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3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m/z152943578599113142714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m/z1529435785991131427151913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IonizerSample+_MassAnalyzerDetector6进样系统Inlet离子源Ionsource质量分析器MassAnalyzer检测器Detector数据处理系统DataSystemHighVacuumSystem二、质谱仪的结构和工作原理7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8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9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10•离子源的真空度应达到10-3-10-5Pa，•质量分析器应达到10-6Pa。•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112、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12•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LD3、离子源GC-MSLC-MS13++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+(1)电子轰击源(electronimpactionization,EI)14ABCD+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15EI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）。16CH4+eCH4++2eCH4++CH4CH5++CH3离子室内的反应气（甲烷等；10～100Pa，样品的103～105倍），电子（100～240eV）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CH4，电子首先将CH4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：CH5++MCH4+MH+(2)化学电离源(chemicalionizationCI)17++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;过程18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。19（3）快原子轰击(fastatombombardmentFAB)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20(4)场致电离源（FI）电压：7-10kV；d1mm；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d1mm21ESI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(ElectronsprayIonization，ESI)22RayleighLimitReached++++++++++-----++++++++++-----++++++--++++++--Evaporation++ChargedDroplets试样离子准分子离子AnalyteIonsSolventIonClustersSalts/IonpairsNeutrals++++++++--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。23(6)大气压化学电离源(AtmosphericpressurechemicalIonization,APCI)244、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25（1）磁式质量分析器收集器离子源BS1S2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。加速后其动能和位能相等，即：212mvzV其中m:离子质量；v:离子速度；z:离子电荷；V: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，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(mv2/R)与由磁场产生的向心力(Hzv)相等：2mvHzvR其中：R为曲率半径H为磁场强度由此式得：RHzvm(2)代入(1)式得：22/2HRmzV质谱的基本方程29•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。30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31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S1S2+-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；32（2）四极杆分析器(quadrupoleanalyzer)33四极杆质量分析器+ElectronBeamABCSampleinIonBeam34直流电压Vdc交流电压Vrf35++-36结构:四根棒状电极，形成四极场1，3棒：(Vdc+Vrf)2，4棒：-(Vdc+Vrf)原理：在一定的VdcVrf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（Vdc/Vrf)下，改变Vrf可实现扫描。特点：扫描速度快，灵敏度高适用于GC-MS37（4）飞行时间分析器TimeofFlightAnalyzerTOF38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)1/2m：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。39TOF•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。40（4）离子阱质量分析器（iontrap）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。415、检测器(detector)42三、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431、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442、分辨率RMMR例如：CO+27.9949，N2+，28.006125009949.270061.289949.27MMR四极质谱恰好能将此分开.但是:ArCl+74.9312，As+，74.921678009216.749312.749216.74MMR质谱仪把相邻两质量组分分开的能力453、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46