质谱技术与质谱仪-研究生课程

气相色谱/质谱联用仪1、概述2、质谱仪性能指标3、质谱仪仪器组成4、质谱图中离子主要类型5、高分辨气相色谱/质谱联用仪概述气相色谱法和质谱法具有的共同点：1、气相色谱分离和质谱分析过程都是在气态下进行的；2、气相色谱分析的化合物沸点范围适于质谱分析；3、两种方法灵敏度相当；4、两种方法对样品预处理要求有相同之处；5、两种方法都是分析混合物的理想工具。因此，可以把气相色谱和质谱仪组合起来成为联用系统。关键点：在于气相色谱和质谱仪之间的接口，使得从色谱柱流出的组分进入到质谱的离子源时，载气和组分产生的压强不破坏质谱正常运行的真空。概述质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律，然后按照质量或质荷比（m/z）实现分离分析，测定离子质量及其强度分布。这种按质量或质荷比大小顺序排列而成的图谱就是质谱图。•质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实现对样品进行定性和定量的一种方法•电离装置把样品电离为离子•质量分析装置把不同质荷比的离子分开•经检测器检测之后可以得到样品的质谱图质谱仪基本原理概述1.质谱法是唯一可以确定分子质量的方法；2.灵敏度高；3.样品用量少，通常只需微克级样品，检出限可达10-14g；4.质谱仪种类很多，应用范围广，可进行同位素分析，也可进行化学分析，可进行无机成分、有机结构分析，生物样品分析；被分析对象：气体、液体、固体。概述概述气相色谱/质谱联用技术的特点1、气相色谱作为进样系统，将待测样品进行分离后直接导入质谱进行检测，既满足了质谱分析对样品单一性的要求，还省去了样品制备等过程，提高了对混合物的分离、定性和定量分析效率。2、质谱作为检测器，检测的是离子质量，获得化合物的质谱图，解决了气相色谱定性的局限性。质谱可以有选择地只检测所需要的目标化合物的特征离子，可以排除基质和杂质峰的干扰，提高灵敏度。3、可以获得更多信息。化合物的质谱特征加上气相色谱保留时间双重定性信息。质谱仪性能指标1.质量测量范围它是指质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量范围，以原子质量单位来进行计量。一个原子质量单位（1u）就是处于基态12C中性原子的质量的1/12。在非精确测量中，常直接以原子或分子量大小来表示。质量单位：amu或u，Da或D，1D=0.99734ukgggu2724231066054.11066054.11002214.6000.121211质谱仪性能指标不同仪器：四极杆：4000Da离子阱质谱：4000Da磁质谱：10000Da傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS）50000Da飞行时间质谱：无上限不同要求：气相色谱：800Da液相质谱：2000Da生物分子：10000Da或更大质谱仪性能指标2.分辨本领指质谱仪分辨相邻质量数离子的能力。定义为：两个相等强度的相邻峰(质量分别为m1和m2)，当两峰间的峰谷不大于峰高的10%时，则可认为两已分开，那么分辨率R=m1/(m2-m1)=m1/mR与离子通道半径r、加速器和收集器狭缝宽度、离子源的性质和质量等因素有关。组成整数质量精确质量CO2827.994914N22828.006158C2H42828.031299质量数为28的三种分子组成的精确质量若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力CO-C2H4:(RP)2=27.994914/(28.031299-27.994914)=770N2-C2H4:(RP)3=28.006158/(28.031299-28.006158)=1100CO-N2:(RP)1=27.994914/(28.006158-27.994914)=2490当仪器分辨力达到770时，只能够只分开CO-C2H4。当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4和N2-C2H4当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。FT-MS分辨力可达2百万。质谱仪性能指标3、扫描时间质谱仪性能指标色谱峰的数据点数目和峰宽以及扫描时间有关较短的扫描时间，可以获得良好的峰型，但是不利于信号采集较长的扫描时间，有助于信号采集，但是峰型不好峰型和信号，二者需折衷考虑高斯分布的色谱峰理想的高斯峰应有35个数据点0.0020.0040.0060.0080.00100.003.904.004.104.204.304.404.50质谱仪性能指标同一个色谱峰，但数据点减半0.0020.0040.0060.0080.00100.003.904.004.104.204.304.404.50高斯分布的色谱峰质谱仪性能指标7个数据点0.0020.0040.0060.0080.00100.003.904.004.104.204.304.404.50质谱仪性能指标4灵敏度质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度。绝对灵敏度：仪器可以检测到的最小样品量；相对灵敏度：仪器可同时检测的大组分与小组分的含量比值；分析灵敏度：输入仪器的样品量与仪器输出的信号的比值。质谱仪仪器组成按质量分析器(或者磁场种类)可分为静态仪器和动态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。真空系统样品入口检测器数据系统质量分析器离子化方法大气质谱仪仪器组成1、进样系统进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中，并且不能造成真空度的降低。常用的进样装置有：间歇式进样直接探针进样色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）质谱仪仪器组成2.电离源（室IonizationChamber）将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。硬源：离子化能量高，如EI。伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。因此，应根据分子电离所需能量的不同来选择不同电离源。质谱仪仪器组成常见的几种离子化方式如下表名称简称类型离子化试剂电子轰击源EI气相高能电子化学电离CI气相试剂离子场电离FI气相高能势电极场解吸FD解吸高能势电极快原子轰击FAB解吸高能电子电喷雾电离ESI解吸高场基质辅助激光解吸电离MALDI解吸激光辐射电子轰击源(ElectronImpact，EI)作用过程：采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M+，M+继续受到电子轰击而引起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。水平方向：灯丝与阳极间(70V电压)—高能电子—冲击样品—正离子垂直方向：G3-G4加速电极(低电压)---较小动能---狭缝准直G4-G5加速电极(高电压)---较高动能---狭缝进一步准直--离子进入质量分析器。特点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较弱或不出现（因电离能量最高）。质谱仪仪器组成电子轰击源式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。当电子轰击源具有足够高的能量时(一般为7OeV)，大多数化合物（电离能为10eV）分子不仅可能失去一个电子形成分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用于化合物的结构鉴定。（低速）高能ee2M)(M质谱仪仪器组成质谱仪仪器组成3、真空系统质谱仪中离子的产生及经过系统必须处于高真空状态。其中，离子源中的真空度：1.3×10-4-1.3×10-5Pa，质量分析器中的真空度：1.3×10-6Pa一般质谱仪都采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。高真空的作用：a）避免离子源灯丝损坏；b）减少引起其它分子离子反应，避免质谱图的复杂化；c）防止用作加速离子的几千伏高压引起放电。质谱仪仪器组成各类真空泵4、质量分析器质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，它的功能是利用不同方式将样品离子按质荷比m/z大小分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器（单聚焦质量分析器，双聚焦质量分析器）、飞行时间分析器、四极滤质器（即四级杆）等。（1）单聚焦质量分析器：它由单个扇形（90o或60o）或半圆形（180o）的均匀磁场组成。单聚焦质量分析器单聚焦质量分析器只是将m/z相同而入射方向不同的离子聚焦到一点（或称实现了方向聚焦）。但对于m/z相同而动能（或速度）不同的离子不能聚焦，故其分辨率相对较低，一般为5000。（2）双聚焦质量分析器：为克服动能或速度“分散”的问题，即实现所谓的“速度(能量)聚焦”，在离子源和磁分析器之间加一静电分析器（ESA），如下图所示，于两个扇形电极板上加一直流电位Ve，离子通过时的曲率半径为re=U/V，即不同动能的离子re不同，换句话说，相同动能的离子的re相同----能量聚焦了！：当离开入射狭缝的离子束在穿过静电分析器的环形通道时，离子所受到的向心力等于离心力时有：rmveE2eEmvr2所以，离子运动的轨道半径r可通过外加静电场来加以控制，只有动能相同的离子才能通过中间狭缝，实现能量聚焦。具有不同的方向，也就是说，发射角度不同具有不同的动能具有相同质荷比的离子在进入入射狭缝时可以采用单聚焦质量分析器聚焦于出射狭缝采用单聚焦质量分析器不能完全聚焦于出射狭缝要采用双聚焦质量分析器它是一种无磁动态质量分析器，根据不同质荷比的离子在无场分离区中的速度不同，引起漂移时间的差异来实现分离。（3）飞行时间质量分析器(TOF)反射型直线型飞行时间质量分析器如下图，由灯丝发射出的电子在电场作用下射向阳极，运动中央的电子在离子化区与气体分子碰撞并使之电离，在电子控制极上施加一个不大的负脉冲电压，引出离子化区中的正离子，在加速区上加直流负电压，使离子得到加速而获得动能，以速度v飞越长约1m的无场漂移区。直线型飞行时间质量分析器的工作原理其速度v为：由此可见，t取决于m/z的平方根之差。也就是说，离子的质量越小，运动速度越快，运行时间也就越短，也就越早到达接收器。此离子达到无场漂移管另一端的时间为：vLt故对于具有不同m/z的离子，到达终点的时间差：（4）四极杆滤质器它由四根互相平行的金属电极组成，如下图所示。LYZX2(U+V0coswt)r0(a)四极杆滤质器在两个相对的极杆之间加电压(U+Vcost)，在另两个相对的极杆上加-(U+Vcost)。与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。改变U和V并保持U/V比值一定，可实现不同m/z离子的检测。5、检测与记录质谱仪中常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。现代质谱仪中的检测器常采用电子倍增管。现代质谱仪的记录一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件进行严格的监控，从而提高精密度和灵敏度。1、分子离子峰试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即；ee2MMM+为分子离子或母体离子。分子离子的质量与化合物的分子量相等。质谱图中离子主要类型一般有机分子的电离电位在7-15eV，几乎所有的有机分子都有可以辨认的分子离子峰。芳香环分子可产生较强的分子离子峰；高分子量的脂肪醇、醚及胺等产生较小的分子离子峰；若不考虑同位素的影响，分子离子峰一般具有最高质量。分子离子峰的稳定性越大，那么质谱图上对应的分子离子峰越高。有机化合物分子离子峰的稳定性顺序：芳香化合物＞共轭链