质谱分析技术简介

一、质谱分析技术简介IntroductionofMassSpectrometrypy2017.2.27主要内容1概述1、概述2、质谱仪的基本结构2、质谱仪的基本结构（1）进样系统（2）离子源（3）质量分析器（4）检测器3质谱仪3、质谱仪1、概述质谱（MassSpectrometry）分析将样品分子经过离子化后，在电场与磁场的共同作用下，利其离检得质谱的种利用其质荷比(m/z)不同而进行分离，检测得到质谱图的一种分析方法。质谱的主要作用质谱的主要作用①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;③对于高分辨质谱可获得元素组成信息质谱的分类③对于高分辨质谱可获得元素组成信息。质谱的分类2、质谱仪的基本结构质谱仪工作原理样品分子从进样系统进入离子源，形成带电离子进入质量分析器在质量分析器中，不同质荷比m/z的离子入质量分析器在质量分析器中，不同质荷比m/z的离子实现时空分离检测器中检测和记录数据。质谱仪组件构成进样系统离子源质量分析器检测器质量分析器检测器1.直接插入2直接喷入1.电子轰击EI2化学电离CI1.磁扇形(含单聚焦和双聚焦)1.电子倍增管2光电倍增管2.直接喷入2.化学电离CI3.场致电离FI4.场解吸FD双聚焦)2.四级杆Q3.离子阱IT2.光电倍增管3.闪烁检测器4.法拉第杯5.快原子轰击FAB6.电喷雾电离ESI4.飞行时间TOF5.傅立叶变换离子回5.照相检测7.大气压力化学电离APCI8基质辅助激光解吸旋共振FTICR6.几种组合，如QQQ,QTOF8.基质辅助激光解吸MALDIQ‐TOF（1）进样系统最常见的试样引入方式有：•直接插入(directinsertion):样品置于探针或样品板(如MALDI)直接插入离子()()源，热或激光解吸使之挥发和离子化。•直接喷入(directinfusion)：采用毛细管或毛细管柱将气体或液体样品喷入质直接喷入(directinfusion)：采用毛细管或毛细管柱将气体或液体样品喷入质谱仪中进行分析检测（如EI,ESI)，可以通过注射泵连续泵入（GC/MS、LC/MS接口）LC/MS接口）。(EI,ESI)(MALDI)（2）离子源作用：将被分析的样品分子电离成带电的离子。种类：气相源：如EI,CI,FI解吸源：如FD,FAB,APCI,ESI,LD,MALDI…硬源如EI离子化能量高伴有化学键的断裂谱图复杂解吸源：如FD,FAB,APCI,ESI,LD,MALDI…硬源：如EI，离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息。软源如软源：如CI,FI,FD,FAB,APCI,ESI,LD,MALDI……离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子离子峰即得到分子量信息峰，即得到分子量信息。常见离子源离子源简称离子化试剂最初应用年份电子轰击离子化(electronbombEI高能电子1920电子轰击离子化(electronbombionization)EI高能电子1920化学电离(chemicalionization)CI试剂离子1965()场电离(fieldionization)FI高电势场1970场解吸(fielddesorption)FD高电势场1969快原子轰击(fastatomFAB快原子或离子束1981快原子轰击(fastatombombandment)FAB快原子或离子束1981电喷雾离子化(electrosprayESI荷电微粒能量1984(pyionization)基质辅助激光解吸(matrix-assistedlaserdesorptionionization)MALDI激光束1988laserdesorptionionization)………………①电子轰击电离源（EI）M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从而产生电子和分子离子M：M+e→M++2ee高能电子束产生的分子离子M+将进一步裂解，释放出部分能量，加速聚焦并产生质量较小的碎片离子和中性自由基：M1++N1·加速M+M1+N1M2++N2·22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)。②化学电离源（CI）离子化机理：样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通常是CH4)稀释，稀释比例约为104:1，因此样品分子与电子的常是4)稀释稀释例约为因此样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要经过离子-分子反应组成。反应成离子化过程：离子化过程：甲烷首先在电子轰击下被电离：CH+→CH+＋CH+＋CH+＋CH+＋C+＋H+CH4→CH4＋CH3＋CH2＋CH＋C＋H甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH+＋CH→CH+＋CHCH4+＋CH4→CH5+＋CH3CH3+＋CH4→C2H5+＋H2加合离子与样品分子反应：CH5+＋M→MH+＋CH4C2H5+＋M→MH+＋C2H4(M+1)+CH5+＋M→(M-H)-＋CH4+H2C2H5+＋M→(M-H)-＋C2H6(M-1)-25()26复合反应：CH5+＋M→(M+CH5)+(M+17)+5(5)()C2H5+＋M→(M+C2H5)+＋C2H4(M+29)+系准一系列准分子离子③场致电离源（FI）离子化机理：应用强电场诱导样品电离：(电压：7～10kV，d1mm)(电压：710kV，d1mm)离子化过程：样品蒸汽邻近或接触带高的正电位的阳极或接触带高的正电位的阳极尖端时,由于高曲率半径的尖端处产生很强的电位梯度使端处产生很强的电位梯度,使样品分子电离。④场解吸电离源（FD）过程：样品溶液涂于发射EI器表面强电场分子电离奔向阴极引入磁场EI特点：特别适于非挥发性且分子量FI特别适于非挥发性且分子量高达10,0000的分子;样产生分离峰准FI样品只产生分子离子峰和准分子离子峰，谱图最为简单。FD⑤快原子轰击电离源（FAB）过程：稀有气体（如氙Xe或氩Ar电离）通过电场加速获过程：稀有气体（如氙Xe或氩Ar电离）通过电场加速获得高动能快原子快原子撞击涂在金属板上的样品样品分子电离二次离子电场作用下离子被加速后进品分子电离二次离子电场作用下，离子被加速后，进入质量分析器特点：特点：分子离子和准分子离子峰强子峰强；碎片离子峰也很丰富；适合热不稳定、难挥发样品分析；涂在金属板上的溶剂也被电离，谱图复杂化。该离子源的出现促进了质谱从化学跨入生物学领域⑥电喷雾电离(ESI)结构：喷嘴(金属或镀金属的毛细管)，雾化气，加热气ESI的原理“离子蒸发模型”电场和辅助气流作用下形成Taylor锥喷成雾状的液滴加热气体作用下，溶剂蒸发和液滴破碎加热气体作用下，溶剂蒸发和液滴破碎解吸成气态离子ESI的特点：电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子峰；产生的离子常带有多电荷，尤其是生物大分子；适用于强极性、分子量大的样品，如肽、蛋白质、糖等；样蛋等主要用于液相色谱-质谱联用仪数个带多电荷离子经数学转换，得到分子离子ESI使蛋白质产生多个带多电荷离子NanoESI为提高灵敏度,采用内径较小(5-50μM)的毛细管,可使液体体积流量大大降低,可达到nL级。ESI:~100L/min•雾化效率更高NanoESI:~100nL/min•试剂/试样消耗量更少⑦大气压力化学电离源（APCI）样品的离子化是在处于大气压下的离子化室内完成APCI过程样品雾化电晕放电针对其放电在高压电弧中样品被电离在高压电弧中，样品被电离去溶剂化形成离子检测APCI的特点优点:1适用于弱极性小分子化合物如醇和醚类1.适用于弱极性、小分子化合物，如醇和醚类；2.易操作，耐受性好；3.流速大，可达2.0ml/min.缺点：1.有限的结构信息，产生极少的碎片;2.易发生热裂解;2.易发生热裂解;3.应用范围有限，不适合做分子量大于1000的化合物。⑧基质辅助激光解吸电离（MtiAitdLDtiIitiMALDI）（Matrix-AssistedLaserDesorptionIonization,MALDI）激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给样品分子电离过程中将质子转移到样吸收能量传递给样品分子，电离过程中将质子转移到样品分子，使样品分子电离。基质的作用把样品分子彼此分开，减弱样品分子之间的相互作用（稀释样品）；基质吸收激光的能量，并将部分能量传递给样品；辅助样品离子化。MALDI常见的MALDI基质MALDI法的优点MALDI法的优点：属于软电离，通常形成单电荷离子，提供分子离子峰，获得分子量信息，对蛋白质的鉴定非常有用；抗基质干扰能力强适用于较复杂样品的分析；抗基质干扰能力强，适用于较复杂样品的分析；高灵敏度，可达pmol。MALDI法的缺点MALDI法的缺点：准确度不够高，只能精确值小数点后两位；不适于低分子量检测。（3）质量分析器主要类型：磁分析器（MagneticSector)（包括单聚焦和双聚焦）四极杆分析器(QQ)四极杆分析器(Quadrupole,Q)离子阱分析器(IonTrap,IT)(p,)飞行时间分析器(Time-of-Flight,TOF)傅立叶变换离子回旋共振分析器（FourierTransformIonCyclotronResonance,FT-ICR)以上分析器的变型和组合，如QQQ、Q-TOF①单聚焦磁分析器依据离子在磁场的运动行为，将不同质量的离子分开进入分析器前，加速离子的动能为：mv2=2zV进入分析器后在磁场H作用下改作圆周运动只有离心进入分析器后，在磁场H作用下，改作圆周运动，只有离心力与向心力相等时，离子才能飞出弯曲区，即按曲线轨迹飞行飞行。Hmv2f离＝f向HzvRf离f向VrHzm222质谱方程式：Vz2单聚焦磁分析器特点方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；单聚焦分析器特点分辨率不高，适合于能量分散较小的离子源。②双聚焦磁分析器为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前附加一个扇型电场（静电分析器），进入电场的离子受到一个静电力的作用，改做圆周运动：2mυEeREzEzmυRe2Ez双聚焦磁分析器特点能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚。方向聚焦：相同质荷比入射方向不同的离子会聚方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚。静电分析器将具有相同速度（或能量）的离子分成一类；进入磁分析器后再将具有相同质荷比而能量不同的离子进入磁分析器后，再将具有相同质荷比而能量不同的离子进行分离。分辨率高，但体积大。③四极杆质量分析器原理：四根棒状电极形成四极场特点：结构简单体积小分析速度快适合与色谱联用结构简单、体积小，分析速度快，适合与色谱联用；分辨率较高（比磁分析器略低）；准确度低于磁分析器，对质量高的离子有质量歧视效应。④离子阱质量分析器由一对环形电极和两个呈双曲面形的端盖电极形成一个阱，使带电离拘阱内通过改变电场使离依次离使带电离子拘于阱内，通过改变电场，可使离子依次离开进入电子倍增器而分离。离子阱分析器特点优点:1结构简单，性价比高；1.结构简单，性价比高；2.单一的离子阱可实现了多级串联质谱(MS)n，是“时间上”谱的串联质谱；3.灵敏度高，较四极杆高10-1000倍；3.灵敏度高，较四极杆高101000倍；4.质量范围大，单电荷已达6000。缺点：质谱与标准图谱有一定差别，重复性较差，因离子在质谱与标准图谱有定差别，重复性较差，因离子在阱中停留时间较长，易发生离子-分子反应。⑤飞行时间质量分析器（TOF）核心部分是一个离子漂移管（Drifttube）利用从离子源飞出的离子其动能基本相等，但在加速电压作用下，不同m/z的离子飞行速率不一样：zV2mzVv2质荷比小的离子飞行速度快到达检测器的时间不同而被检测质荷比小的离子飞行速度快，到达检测器的时间不同而被检测。zVmLt2飞行时间分析器特点飞行时间分析器特点优