《质谱基本原理：硬件介绍》

2015年8月9日仅用于教学目的1仅用于教学目的2015年8月9日1质谱基本原理：硬件介绍成就您的科学探索之路安捷伦与您一路同行仅用于教学目的2015年8月9日2安捷伦致力于为教育事业贡献力量，愿意无偿提供公司拥有的技术培训材料。这组幻灯片由安捷伦科技公司制作，仅可用于教学目的。如果您希望将其中的图片、示意图或绘图用于其他任何目的，请事先与安捷伦科技公司取得联系。2015年8月9日仅用于教学目的3目录(TOC)前言•什么是质谱？•质谱的用途是什么？•质谱图是什么样的？•质谱仪组件质谱系统配置•离子源•电喷雾•一般注意事项(LC/MS)•流动相的一般注意事项•样品注意事项(LC/MS)•质量分析器•单四极杆•三重四极杆•飞行时间质谱系统配置•检测器•数据系统示例更多信息•安捷伦学术网页•出版物2015年8月9日仅用于教学目的4前言质谱(MS)是一种分析化学技术，它通过测定气相离子的质荷比和丰度来鉴定样品中存在的化学成分的含量和类型。质谱图（spectrum，复数为spectra）为离子信号与质荷比的函数曲线图。在质谱图中，分子离子和碎片的质量数可用于确定化合物的元素组成或同位素特征。这一信息可用于解析农药或多肽等分子的化学结构。质谱的作用主要是通过电离化合物生成带电分子或分子碎片并测量其质荷比。来源：维基百科ToC2015年8月9日仅用于教学目的5前言质谱的用途是什么？质谱是一种对离子进行定性或定量分析与检测的技术。它通常与液相色谱或气相色谱结合使用应用领域十分广泛—此处给出了一些示例：•食品和调味品分析（真菌毒素、抗生素、食品分析）•环境分析（PAH、农药、除草剂、苯）•组学研究（蛋白质组学、代谢组学、暴露组学）•临床研究与IVD•制药行业应用（生物分析、DMPK、药物开发）•法医和毒理学•兽药分析•等等ToC2015年8月9日仅用于教学目的6前言质谱图是什么样的？古柯乙烯的ESI质谱图可卡因的ESIMS/MS质谱图ToC来源：用于毒理学分析的若干液质联用技术的比较（图36和37）2015年8月9日仅用于教学目的7前言质谱仪组件离子源可产生分析物离子。质量分析器可根据离子的质荷比(m/z)对其进行处理。检测器系统可检测离子并记录离子形态的相对丰度。ToC2015年8月9日仅用于教学目的8质谱系统配置离子源在分析样品的质量数之前，必须在离子源中将其离子化。气态样品进样：•电子轰击(EI)•化学电离(CI)液态样品进样：•电喷雾电离(ESI)•大气压化学电离(APCI)•大气压光电离(APPI)•多模式电离(MMI)•基质辅助激光解吸电离(MALDI)•电感耦合等离子体(ICP)详情请参见注释ToC2015年8月9日仅用于教学目的9质谱系统配置离子源—化学电离CI反应气控制模块用于调节进入CIGC/MS接口的反应气流速。气流模块由质量流量控制器(MFC)、气体选择阀、CI校准阀、关闭阀、控制器件和管路组成。CIGC/MS接口。来源：Agilent7000系列三重四极杆气质联用系统操作手册（第79页）ToC2015年8月9日仅用于教学目的10质谱系统配置离子源—电喷雾电喷雾电离(ESI)是一种软电离技术。液相色谱洗脱物在大气压下，在强静电场与加热干燥气中被喷入雾化室进行雾化。静电场产生于雾化器（在本设计中接地）与毛细管（接高电压）之间。适用的分子：•小分子（葡萄糖）和生物大分子（蛋白质、寡核苷酸）形成多电荷离子为ESI中的现象，可用于大分子分析（-解卷积，参见注释）。ToC2015年8月9日仅用于教学目的11质谱系统配置离子源—LC/MS一般注意事项在LC/MS系统中采用液相色谱方法时，应当考虑三个要点：1.流动相的兼容性2.流速和色谱柱的兼容性3.分析物的离子化能力−分析物是否具有挥发性？−分析物是否对热不稳定？−分析物中是否含有能够接受质子(N2O2)或失去质子(O2N2)的杂原子？−接受质子—使用正离子模式−失去质子—使用负离子模式ToC2015年8月9日仅用于教学目的12质谱系统配置离子源—流动相的一般注意事项金属离子缓冲液将干扰离子化表面活性剂将干扰蒸发离子对试剂会发生离子化，形成较高的背景噪音与分析物结合的强离子对会阻碍分析物离子化这类相互作用常称为“离子抑制”。某些流动相添加剂将导致持久性的背景问题：•正离子模式下TEA的干扰(m/z102)•负离子模式下TFA的干扰(m/z113)ToC详情请参见注释2015年8月9日仅用于教学目的13质谱系统配置离子源—流动相的一般注意事项一个设计精良的离子源应当是性能稳定且能够耐受非挥发性物质的组件；然而，离子化过程会受到盐/缓冲液浓度和种类的影响（见下一张幻灯片）。经历635次溶于HBSS中样品进样后的APCI雾化室清洁雾化室ToC2015年8月9日仅用于教学目的14质谱系统配置挥发性缓冲液浓度对信号的影响详情请参见注释ToC2015年8月9日仅用于教学目的15质谱系统配置离子源—LC/MS样品注意事项ESI对挥发性没有要求热不稳定分析物的首选技术离子形成于溶液中可形成多电荷离子APCI对挥发性有一定要求分析物必须热稳定离子形成于气相中仅形成单电荷离子APPI对挥发性有一定要求分析物必须热稳定离子形成于气相中仅形成单电荷离子使用这三种离子源均可使多数化合物得到充分的离子化。APCI/APPI则可以对非极性过强而无法通过ESI离子化的分子进行离子化。ToC2015年8月9日仅用于教学目的16质谱系统配置质量分析器—单四极杆(SQ)ToCAgilent6120单四极杆液质联用系统的离子通道主要应用：•合成过程确证•杂质分析•产物一致性确证•低含量杂质验证2015年8月9日仅用于教学目的17API—大气压电离，主要步骤为：•离子源形成样品离子并将其传递至真空系统中•各种离子光学元件使离子聚焦并引导其穿过一系列真空段•四极杆质量分析器根据设定的m/z过滤离子•检测器记录选定m/z的离子以及该m/z值对应的强度离子传输和碎裂（第一真空段）•离子在静电引力作用下通过干燥气和加热的采样毛细管进入真空系统的第一段中。靠近毛细管出口的是带有小孔的金属截取锥•电场与离子动能的结合可以使分析物通过截取锥孔径•大部分不带电的轻质干燥气（氮气）分子被截取锥偏转，并由真空泵抽走•通过截取锥的离子向真空系统的第二段移动大气压电离技术完全是相对较“软”的技术。它主要生成：•分子离子M+或M-•质子化分子[M+H]+•简单的加合离子[M+Na]+•简单丢失的离子，例如失去水分子的离子[M+H-H2O]+质谱系统配置质量分析器—单四极杆(SQ)ToC2015年8月9日仅用于教学目的18ToC质谱系统配置质量分析器—单四极杆(SQ)离子传输（第二或第三真空段）•此时中性气体分子被去除，离子被限制在穿越两个真空段的八极杆内。在八极杆上施加射频电压，此时离子聚焦于八极杆的中心，而气体分子被抽出•离开八极杆后，离子将通过两个聚焦透镜进入真空系统的第四段离子分离和检测（第四真空段）•在四极杆质量分析器中，根据m/z比使离子分离•四极杆质量分析器由四根平行杆组成，杆上施加了特定的直流电(DC)和射频(RF)电压•通过施加电压所产生的电场决定了哪种质荷比的离子能够在给定时间内通过过滤器•通过的离子则被聚焦于检测器上•随后电子倍增器将对离子进行检测四极杆质量分析器2015年8月9日仅用于教学目的19质谱系统配置质量分析器—三重四极杆(QQQ)ToC主要应用：•小分子和多肽的定量分析•目标物分析•复杂基质中的痕量化合物分析，如食品安全研究、环境研究、药物开发、毒理学、法医学和生物分析2015年8月9日仅用于教学目的20质谱系统配置质量分析器—三重四极杆(QQQ)ToC2015年8月9日仅用于教学目的21质谱系统配置质量分析器—三重四极杆(QQQ)API—大气压电离—请见单四极杆离子传输和碎裂•Q1（四极杆）由四根平行的双曲面杆组成，通过这些杆可以过滤选定离子•Q2为碰撞池，它通过与非反应性惰性气体（氮气或氩气）碰撞来限制并碎裂离子。碰撞池的设计具有轴向加速功能，可保证离子穿过气体以进行高速MS/MS分析•Q3（四极杆）可采用多种操作模式对碎片离子进行过滤，能够提供不同的信息两种主要的操作模式：子离子扫描：Q1：母离子选择Q2：母离子在碰撞池中的碎裂Q3：扫描所有碎片得到子离子扫描MS/MS谱图选择反应监测(SRM)：Q1：母离子选择Q2：母离子在碰撞池中的碎裂Q3：特定m/z子离子的选择ToC由于碎片离子为母离子的片段，因此它们代表了前体分子整体结构的一部分。化合物的指纹图谱随之生成。此步骤将产生极其灵敏的结果，被称为单反应监测(SRM)。而对相同母离子运行多次SRM则被称为多反应监测(MRM)。2015年8月9日仅用于教学目的22质谱系统配置质量分析器—四极杆(Q)-飞行时间(TOF)ToC本图展示了完整的Agilent6520Q-TOFLC/MS示意图，包括AJSESI离子源、离子传输透镜系统、离子束成形透镜部件、离子脉冲器、飞行管和检测器。主要应用：•天然产物筛选•化合物剖析•蛋白质/多肽分析•生物标记物发现•杂质剖析2015年8月9日仅用于教学目的23质谱系统配置质量分析器—四极杆(Q)-飞行时间(TOF)ToC2015年8月9日仅用于教学目的24质谱系统配置质量分析器—四极杆(Q)-飞行时间(TOF)API—大气压电离—请见单四极杆离子传输和碎裂(Q-TOF)•离子通过离子光学元件到达四极杆分析器•四极杆分析器由四根双曲面平行杆组成，这些杆可以根据通过离子的m/z比对其进行选择•六极杆碰撞池通过与非反应性惰性气体（氮气或氩气）碰撞来限制并碎裂离子。碰撞池的设计具有轴向加速功能，可保证离子穿过气体以进行高速MS/MS分析•碰撞池中形成的碎片离子随后被传递至TOF，以便将子离子记录为母离子的函数ToC2015年8月9日仅用于教学目的25ToC质谱系统配置质量分析器—四极杆(Q)-飞行时间(TOF)飞行管•离子脉冲器对穿过飞行管的离子进行加速•飞行管另一端的离子“反射透镜”将离子向检测器方向反射•离子“反射透镜”通过使同一空间内的飞行距离有效加倍并执行再次聚焦操作而使初始速度不同的离子仍能同时到达检测器，从而提高了仪器的分辨能力由于每种离子的质量数计算结果取决于各自的飞行时间，因此背景气压必须非常低。离子与残留气体的任何碰撞都将使离子通向检测器的速度降低，并影响质量数计算的准确度。具有各种质量数离子的TOF分析，每种离子均带单电荷。为清晰简便起见，此处显示的是不带离子镜的线性飞行时间质谱仪。来源：飞行时间质谱2015年8月9日仅用于教学目的26质谱系统配置质量分析器—四极杆(Q)-飞行时间(TOF)调谐与校准调谐是调整四极杆（对于Q-TOF）和TOF参数以实现以下目标的过程：•最大限度提高信号强度并保持可接受的分辨率，或•最大限度提高分辨率并保持可接受的信号强度校准是根据已知质量的标准化合物（在样品运行之前或运行过程中引入）确定精确质量的过程。这一过程非常重要，因为各离子的质量数计算结果均取决于各自的飞行时间(t)：20)(/ttazm由左侧方程得出的示例校准曲线来源：LCMS/TOF系统概念指南（图6）ToC详情请参见注释2015年8月9日仅用于教学目的27利血平示例利血平C33H40N2O9[M+H]+：609.28066Da利用C、H、O和N得到的可能分子式的数量(#)：准确度可能的分子式数量165ppm209SQ质量准确度10ppm135ppm73ppm42ppm2TOF质量准确度质谱系统配置质量分析器—四极杆(Q)-飞行时间(TOF)精确质量数的优势是什么？在单四极杆MS得到的质量准确度高于100ppm时，化合物标注则需要借助保留时间等更多信息。但在质量准确度低至ppm级时，如果用户大致了解化合物中的可能元素并对样品成分有一定的预期，就可以在化合物标注时获得合理的可靠性。进行MS/MS分析时能够实现更可靠的确证。ToC2015年8月9日仅用于教学目的28质谱系统配置检测器—四极杆