尾气质谱

王峥生命学院工业在线过程质谱工业在线过程质谱概述•质谱学的发展–20世纪40年代有机质谱仪器的诞生–50年代各种电离技术的研究和商品仪器的诞生–70年代联用技术的出现–80年代气相色谱-质谱联用技术的成熟和广泛应用–90年代-LC/MS和MS/MS技术成熟和广泛应用期间随者工业自动化的发展,质谱拥有分析速度快,数据信息丰富,工作周期长等特点被用于工厂和实验研究的过程控制中.质谱的常用术语基础知识质谱常用术语丰度:又叫强度,分为绝对强度和相对强度.绝对强度:将所有离子峰的离子流强度流相加作为总离子流,用各离子峰的离子流强度除于总离子流,得出各离子流占总离子流的百分数(总离子流为100%)相对强度:是以质谱峰中最强峰为100%,称为基峰(该离子的强度最大,最稳定),然后用各离子峰的强度除于基峰强度所得的百分数,称做相对强度.现在一般的质谱图都以相对强度表示.并以棒图的形式画出来.质荷比(M/Z):如上图示横坐标为质荷比,由于分子离子和碎片离子在大多数情况下只带一个正电荷,故通常M/Z称为质量数.质谱图：离子碎片丰度对质荷比作图得到质谱图。分子离子：样品分子失去一个电子后形成的质量与分子量相等的离子，碎片离子：由样品分子或分子离子发生化学键断裂后形成的各种离子。同位素离子：由样品中元素的同位素产生的离子。如12C/13C=1.11基础知识---基本概念MW:16CAS#74-82-8CH4(mainlib)Methane101112131415161718192021222324252627282930050100121314151617HHHH二维信息：横坐标是离子质荷比m/z（定性依据）纵坐标是离子的丰度I（定量依据）质谱扫描一次,得到该时刻的一张质谱图,质谱图上所有峰的绝对丰度之和即为该时刻的检测值(I).基础知识---质谱图关键参数基础知识•质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围•质荷比：m/z•质量单位：amu或u，Da或DMAX300-IG基础知识---质量范围分辨率：分开两个邻近质量峰的能力。何为分开：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为是分开的。A:未分开B:部分分开C:全分开分辨差分辨较差分辨达到要求m2m1基础知识---分辨率Questor5软件---分辨率硬件质谱仪构造真空系统检测器离子源质量分析器检测器高真空泵前级机械泵质谱仪(MS)构造硬件数据系统硬件离子源eeeee灯丝过流保护电路灯丝电流调控管灯丝供电电源样品电子加速电压加热器及温度控制磁铁电离室离子引出及聚焦透镜磁铁灯丝比较器电子收集极质量分析器电离电子流：100,200···500A电子加速电压:50···100V电离室压力:10-2~10-3Pa生成离子的内能:1~20eV工作原理：电流使灯丝红热，电子自红热的灯丝表面逸出，逸出电子被电压加速，电子射入电离室，将样品分子离子化。两个重要参数：电离电子流(收集极电流)电子加速电压硬件---离子源ＭＡＸ３００最新离子源•电子轰击电离源(EＩ)•双灯丝设计•小电离室而高电离效率•三组聚焦透镜帮助离子进入四极电场•惰性材料,抗污染,免清洗•减少停机维护频率和时间电子的产生（灯丝)）离子源透镜组Quad-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e离子源----电离工作过程离子源----样品导入电离室30micronFusedSilicaIonizer通过前后压强差产生产生样品传输动力Ionizerblockheatedto180CLensStackQuad~ATMpressure10-6torr样品分子与电子流混合…-e离子源-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e样品被电离的地方（电离盒）+++++透镜组Quad离子源----电子与样品混合碰撞离子源----离子在透镜组作用下进入四极电场…+++++-e离子源-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e+透镜组Quad+++++++++获得能量控制离子运动路径正确导入离子离子源----电离理论M+eM++e单电荷离子双电荷离子M+eM+++3e分子灯丝电子(70eV)电子-M+eM1++R.+2e碎片离子电离理论甲烷（Methane）•单电荷离子•由于电子轰击使甲烷分子失去一个电子形成CH4+–最高的峰16(100)•然后电子引起大部分CH4+成为碎片,丢失H并产生CH3+–质量数15峰（81%）•近一部发生断裂,电子引起后来H丢失生成CH2+,CH+和C+和H+等CH4+CH3++HCH2+CH+C+H+(15)(14)(13)(12)(1)(16)1213141516171001915817电离理论二氧化碳CO2CO2+CO++O+(28,16)(16,12)(44)电子轰击使得CO2失去一个电子生成CO2+mass44(100%)电子使得CO2+进一步断裂生成CO+和O+Mass28(11%)Mass16peakof(10%)电子引起CO+进一步断裂而生成碎片C+和O+Mass16(10%)Mass12(4%)1216284410010114CO+C++O+电离理论气态分子受一定能量的电子流冲击后，失去一个电子而成为带正电荷的离子M+·,叫分子离子。形成的分子离子，还有多余的能量导致键的进一步断裂，形成许多裂片(碎片)。带正电荷的分子离子及碎片离子分子离子继续裂解成不同的正离子。M电子流M-e碎片质谱仪中是用电子轰击分子形成离子。由于电子与电子之间的相互作用，样品分子失去轰击它的电子以及分子内的一个成键电子，结果分子形成离子并带一个正电荷（通常是正一价，但离子也可能带多个正电荷）。最初分子离子的数量依赖于电子轰击的能量，并随轰击电子的能量增加，形成离子的数量增加。在达到一定值（大约30ev）电子能量的增加形成的分子离子数量不会增加。大多数离子，至少有机化合物形成的离子，均非常活泼并带有过剩的能量。在没有其它化合物存在的情况下，（例如：在真空状态下），分子离子断裂或“碎裂”成其它离子、游离基（不带电荷但带有不成对电子）和中性分子。这些碎片的质量和丰度依赖于分子的性质，这正是质谱法具有强有力的鉴定化合物能力的原因。用70ev电子能量轰击的操作方式被称为电子电离(EI)。在这种方式下，只有带正电荷的碎片离子才被检测。电离理论---总结硬件四极质量分析器硬件----四极杆构成四极质量分析器是由四根圆杆或四根截面为双曲面的金属杆组成，分别通过两个或三个绝缘环装配一起，对角的两根杆串联成一组，一组加正直流电，另一组加负直流电压，两组电压值相等极性相反(DC)，所有四根杆上都加载频率为1兆的高频振荡电压（RF)，通过电压（V）扫描，可以选择相应的离子通过四极场而到达检测器。双区面四极为理想的四极结构。四极质量分析器四极杆结构常见的四极质量分析器双曲杆四极杆结构MAX300的四极质量分析器典型的19毫米不锈钢圆杆普遍使用的四级杆结构四极质量分析器原理四极质量分析器四极杆的供电示意四极质量分析器---选择性++++++++++四极杆混合离子流被选择通过的离子四极杆的工作过程•RF和DC电压被加在极棒上•只有被选择的离子稳定通过四极杆到达检测器•其他离子则被电极吸收或随气体分子一起排出分析室之外．RF电压DC电压++--+观察Ｚ轴方向+++Vrf+Vdc观察Ｙ轴方向++四极杆的工作过程未被选择的离子去向？离子源四极滤质器检测器进样分子泵整个工作过程速度非常快！以微秒级的速度通过四极电场•作用：将通过质量分析器的离子转变成电信号输出。•类型：直接测量；电子倍增器。硬件----检测器+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++------------------四级杆检测器离子聚焦高能打拿极电子倍增器电子正离子信号输出高能打拿极和电子倍增器(0-3000V)+入射离子信号输出电子备增器电压电子倍增器•电压有使用上限（3000伏）•电压的提高，可以提高检测器的信号电子倍增器的寿命曲线硬件----检测器Max300-IG配置的检测器法拉第和电子倍增器真空系统硬件---真空系统真空对质谱有何重要性？低真空高真空带电离子检测器检测器气体分子“分子运动自由程”提供足够的平均自由程提供无碰撞的离子轨道减少离子-分子反应减少背景干扰延长灯丝寿命消除放电增加灵敏度为什么MS需要真空真空系统的作用自由程与压力的关系压力(乇)平均自由程(米)7606.0x10-814.5x10-510-34.5x10-210-54.5x10010-74.5x10210-94.5x104真空度的获得进气口排气口气振阀................................................................................机械泵转子吸油阱进油口油液面排油口定子泵腔油液面观察窗10-1-10-2torr真空泵到前级泵轴转速可达60,000每分钟旋转叶片固定叶片MOTORMOTORLubricatingWick分子涡轮泵润滑油芯真空泵调谐准备•调谐之前必须保证仪器开机只至少两个小时以上•确保仪器各加热区的温度达到方法所设定的温值1.离子源温度常用值为180℃2.传输线的温度为100℃3.阀盒内的温度至少在80℃以上•现场配备必要的标准气体•调整各标气瓶间的输出压力尽可能一致一般情况下调节至2公斤的压力•在切换到标气之前需通高纯氦气观察所检测到的离子除氦气特征离子(M/Z4)之外没有别的离子出现•准备调谐仪器设定所检测的质量离子•以空气为例:•空气中的主要组分包括•N2(M/Z28)•CO2(M/Z44)•O2(M/Z32)•AR(M/Z40)•其他为少量的惰性气体设定检测各个离子所使用的检测器(倍增器或法拉第检测器)•保存调谐方法设定调谐方法开始调谐StartTuningbutton在峰窗口观察各离子峰的强度及峰形合适的峰形应该是一个圆滑对称的圆顶峰调谐内容(intensity)•调整离子源各部分电压使各检测离子的强度(intensity)•调整的内容包括:1.电离盒电压2.Extractor(拉出极)3.Lens1(透镜1)4.Lens2(透镜2)各部分典型的电压值1.电离盒电压10～20v-100v～100v2.Extractor(拉出极)-5～20v-100v～100v3.Lens1(透镜1)-80～-140v-400v～400v4.Lens2(透镜2)-20～10v-400v～400v•在CalibrationParameters栏添加所要检测的质量离子调谐内容(CalibrationParameters)CalibrationParameters•PoleBias是加在四极杆上的直流电压补偿,调节的范围为-50～50v,一般比较合适的值是10v,调节这个值对分辨率,峰形都会一定的影响.特别是低质量端的质量离子(M/Z4)•Pos调节这个值是为了校正相应质量离子的质量准确性.随着这个值的减小,质量标尺向左移动,质量数增大;相反质量数减小•Res调整这个会比较明显的影响峰的分辨率•这个值越小,质量分辨率越高,既峰宽愈窄.反之则峰愈宽.CalibrationParameters---ResM/Z28M/Z32M/Z40M/Z44Res各离子对应的峰宽→分辨率调谐完成•待所有所监测的质量离子的强度,峰形和分辨率达到最佳时,调谐工作完成.•保存此调谐文件.•进入下一部,分析方法的建立分析方法的建立1.进入分析方法栏(点击Analysis对话框）2.创建新的方法文件。如下：3.编辑方法名称,及对方法的说明,点击OK进入下一部4.添加化合物及检测离子添加化合物添加化合物•逐一添加完化合物后,进入如下方法界面校正方法建立•背景校正方法的建立•碎片校正方法的建立•灵敏度方法的建立背景校正方法•根据分析方法选择需要校正的背景离子•如空气:•需要对:M/Z28,M/Z32,M/Z40,M/Z40校正•选择适当的气体作为背景校正的标气,一般常用的为氦气