Mass-Spectrometry

MassSpectrometry(MS)10.00.20.40.60.84x10Intens.[a.u.]200250300350400m/z质谱现代分析技术之质谱2020/11/15Whatismassspectrometry(MS)?2MassSpectrometristDefinition:Amassspectrometerisaninstrumentthatmeasuresthemassesofindividualmoleculesthathavebeenconvertedtoions.Foryoutoremember:MSisananalyticaltoolusedformeasuringthemolecularmassofasampleSimpleDefinition:Amachineusedtoweighmolecules.Amolecularscale.2020/11/15Wherearemassspectrometersused?3Biotechnology:theanalysisofproteins,peptides,oligonucleotidesEnvironmental:PAHs,waterquality,foodcontaminationPharmaceutical:drugdiscovery,pharmacokinetics,drugmetabolismClinical:drugandnarcotictesting,dopingdeterminationGeological:Oilandmineralcompositionanalysis2020/11/15Howisamassspectrometerused?4Massspectrometristdefinition:Massspectrometry(MS)isapowerfultechniquethatisusedtoidentifyunknowncompounds,toquantifyknownmaterials,andtoelucidatethestructureandchemicalpropertiesofmolecules.SimpleDefinitionAmassspectrometerisusedtohelpscientists:1.Identifymoleculespresentinthesamples2.Determinethequantityofeachtypeofmolecule3.Determinewhichatomscompriseamoleculeandhowtheyarearranged2020/11/15WhatareadvantagesofMS?•Highselectivityandspecificity•Highsensitivity(µg-ng,comparedwithmgforNMR)•HighthroughputProvidemolecularweightandstructureinformationEasycouplingwithseparationtechniques,suchasgaschromatography(GC),high-performanceliquidchromatography(HPLC),capillaryelectrophoresis/electrochromatography(CE/CEC).52020/11/15质谱分析法特点应用范围广：同位素质谱、无机质谱和有机质谱，分析对象既可以是无机物，也可以是有机化合物；既可以是气体和液体，也可以是固体。灵敏度高：目前有机质谱仪绝对灵敏度可达50pg(10-12g)，无机质谱仪绝对灵敏度可达10-14g分析速度快（可在数秒至数分钟内完成一次测试）并可以实现多组分同时检测，既能够进行定性分析，又能进行定量分析。能同时提供有机样品的精确相对分子质量、元素组成、碳骨架及官能团和结构信息。62020/11/15•质谱仪与计算机的结合使用，不仅简化了质谱仪的操作，而且扩展了质谱仪的分析能力，使MS成为测定有机化合物结构强有力的工具。得到质谱图后，计算机与数据库中的几十万个标准图谱可以自动对照，从而提供可能的样品名称、分子式和结构式。•易于与分离技术联用，GC,HPLC,CE,CEC•样品用量少（µg～ng，而NMR样品需求量为mg）•与其它仪器相比，质谱仪结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较困难。•样品被破坏，无法回收72020/11/15仪器及原理当具有一定能量的电子流冲击气态有机分子时，会使分子失去一个价电子成为带一个正电荷的分子离子。8有机分子形成分子离子的离子化电压（离解能）为9～15eV,但一般所用冲击电子流的能量通常为50～80eV，常规为70eV，此时电子流的能量比离解能高很多，受轰击的离子除了形成分子离子外，还会形成大量的碎片离子。带正电荷的分子离子及碎片离子按质荷比大小以此经过质谱仪，在相应的质荷比（m/z）值处出先锋，并依质荷比（m/z）大小排列得到质谱图。2020/11/15Amassspectrumwillusuallybepresentedasaverticalbargraph（垂直条形图）,inwhicheachbarrepresentsanionhavingaspecificmass-to-chargeratio(m/z)andthelengthofthebarindicatestherelativeabundanceoftheion.9横坐标表示质荷比（m/z)纵坐标表示表示相对强度relativeintensity或相对丰度（relativeabundance)2020/11/1510Basepeak:thepeakhasthegreatestintensity,whichisassignedanabundanceof100Molecularionpeak:thepeakrepresentingthemolecularioninamassspectrum.Molecularionisbiggerthanitsfragmentsandshouldbeontherightsideofthespectrum.纵轴是以图中最强的离子峰（称为基峰）的峰高作为100%2020/11/15TheDevelopmentHistoryofMS•世界上第一台质谱仪于1912年由英国物理学家JosephJohnThomson（1906年诺贝尔物理学奖获得者，贡献：电荷在气体中的运动、英国剑桥大学教授）研制成功。•TheWorld'sfirstcommercialinstrumentbecameavailablein194811•40年代:用于同位素测定和无机元素分析（FW阿斯顿1922年诺贝尔化学奖质谱技术发现同位素）2020/11/15•50年代：开始有机物分析(分析石油)•60年代：研究GC-MS联用技术•70年代：计算机引入•80年代：新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源;LC-MS联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等•目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。122020/11/15HowdoesaMSwork?13Picturetakenfromwikipedia.org0.00.20.40.60.84x10Intens.[a.u.]200250300350400m/z1.Neutralmoleculesgointotheionsource,wheretheyareionized.2.Ionsareacceleratedandgointotheanalyzer,wheretheyareseparated.3.Separatedionsaredetectedindividuallyinthedetector.Thesignalsarecollectedandintegrated.Massspectrum2020/11/15SoftElectronimpact(EI)Chemicalionization(CI)Fastatombombardment(FAB)Electrosprayionization(ESI)AtmosphericPressureChemicalIonisation(APCI)MatrixAssistedLaserDesorptionIonisation(MALDI)14InletIonizerAnalyzerDetector1.Directprobe2.CoupledwithGC,LC,CE/CEC3.MembraneinfusionMagneticsectorTime-of-flightIontrapQuadrupolefilterVacuumSchematicofamassspectrometerABCD进样系统离子源分析器检测器2020/11/1515A.InletSystems（进样系统）Inletintroducessamplemoleculesintotheionsourceefficientlyandrepetitivelywithouthamperingthevacuum.Sometimes,theinletisintegratedwiththeionsource.directprobesamplesemi-permeablemembraneIonsourcemembraneinfusionGCvaporinductionLiquidchromatographyCapillaryelectrophoresisCapillaryelectrochromatography2020/11/15InletSystems（进样系统）16InletApplicabletoSuitableionizationmethodsLoadingVaporVolatile,easilyvaporizedcompoundEI,CImgDirectprobeLessvolatilecompoundEI,CImgGCMixturesingasphase,volatilecomponentEI,CImgLC,CE/CECMixturesinsolution,lessvolatilecomponentESI,APCImgMembraneMixturesinsolution,volatilecomponentEI,CImM2020/11/1517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。常用的进样装置有三种类型：间歇式进样、直接探针进样、色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。1）直接探针进样：高沸点液体及固体探针杆通常是一根规格为25cm6mm，末端有一装样品的黄金杯(坩埚)，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品2020/11/15色谱质谱联用（GC-MS，LC-MS）SampleSample58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBAABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometer(MS)SeparationIdentificationBACD2020/11/1518IonSource（离子源）19Ionsourceistoinducecharges(positiveornegative)intoneutralmoleculestogenerateions.•质谱仪的分析对象是离子，因此，首先要把样品分子或原子电离成离子。产生离子的装置为离子源，离子源内的压力约为10-5Pa.•在质谱仪中，要求离子源产生