质谱法离子源和分析器

1、质谱法 电离源和质量分析器 1、组成部分 灯丝：钨、铼或铼钨丝，发射电子，电离样品 收集极：接收灯丝发射的电子 推斥极：推出产生的样品离子 永久磁铁：使电子做螺旋运动，增加电离几率 2、电离效率曲线 灯丝产生的电子被加速到70eV,保 证电离的重现性。为什么？ 电离效率随电子能量的升高而升 高，当达50eV时，基本达到最大 值，实验上设定电子能量为70eV。 此时，产生的谱图有稳定的指纹 特征。 电离效率曲线 电子能量对质谱图的影响 20406080100120140 0 20 40 60 80 100 77 105 122 20 eV Relative Abundance m/z 20406

2、080100120140 0 20 40 60 80 100 122 9 eV Relative Abundance m/z 20406080100120140 0 20 40 60 80 100 39 51 77 105 122 70 eV Relative Abundance m/z 不同能量下获得的苯甲酸的质谱图 利用反应气体的离子与样品分子相互反应， 而使样品分子离子化，本质是化学过程，故称 化学电离。 离子出品的缝隙减小，使高子室内的压力 保持在0.5-1.0Torr。 电子轰击化学电离气体，不直接作用于样 品分子。 推斥电极电压：0V，增加源内停留时间， 有利于离子-分子反应。 化

3、学电离试剂：甲烷、异丁烷、氨气，氢 气，水、甲醇、胺等。 以甲烷为例，化学电离源内的有关离子-分子反应， CH4 + e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+ CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 CH5+ + XH XH2+ + CH4 C2H5+ + XH XH2+ + C2H4 C2H5+ + XH X+ + C2H6 化学电离离子-分子反应常见类型 q 质子转移反应 BH+ + M MH+ + B q 氢负离子转移反应 BH+ + M M-H+ + BH2 q 电荷交换反应 B+ + M B

4、+ M+ q 加成反应 BH+ + M BHM+ 或 BMH+ 快原子轰击(Fast Atom Bombardment, FAB), Ar原子 快离子轰击(Fast Ion Bombardment, FIB) Cs离子 FAB： Ar 与被加速到20kV的Ar+进行弹性碰撞，使Ar获得相应的动能， 射向样品靶，产生轰击作用。 FIB： Cs+由CsI加热后放出来，然后通过电场加速到20kV，射向样品 靶，产生轰击作用。 适用于极性分子的分析，生物分子，质量在2000以内。 基质的作用： 一般为强极性分子，对快原子或快离子有较强的吸收能力，可使进样 品溶液溶解，溶剂挥发后，基质结晶，样品均匀分布

5、于该结晶体中，轰击 时一起蒸发。 基质分子量沸点C背景离子应用 甘油92182/20mmMH+, MH+nM+普通基质 硫甘油108118/5mmM-H2O+, MH+nM+肽、抗生素 间硝基苄醇153175/3mmMH+, MH+nM+肽、蛋白质 二乙醇胺105217/150mmMH+, MH+nM+多糖 三乙醇胺149190/5mmMH+, MH+nM+多糖 硫代二甘醇94-M-H2O+, MH+nM+金属有机物 二硫苏糖醇 二硫赤糖醇(5:1) 120-M-H2S-H2+,MH+nM+金属有机物,肽 四亚甲基砜120285MH+, 2M+H+肽 聚乙二醇 62+n(4 4) -(CH2C

6、H2O)H+, MH+多糖 FAB/FIB常用基质 试样溶解或悬浮于基质中，激光 束辐射到基质和试样分子上。 基质吸收激光束能量后汽化，部 分试样分子伴随基质的汽化而解 吸。 基质吸收大部分激光能量，减少 了试样分子被激光能量破坏及过 度电离成碎片离子。 激光：固体氮激光，紫外光 波长： 337nm 功率：106108W/cm2 脉冲时间：10-610-9秒 关于基质： 极性化合物 溶解样品 芳环 吸收激光 易结晶 均匀分散样品分子 MALDI常用基质 基质性状适用波长应用 烟酸固体266nm, 2.94m,10.6m 蛋白质 2,5-二羟基苯甲酸固体266nm, 2.94m,10.6m蛋白质

7、 芥子酸固体266nm, 337nm,355nm, 2.94m蛋白质 -氰基-4-羟基肉桂酸固体337nm,355nm蛋白质 3-羟基吡啶甲酸固体337nm,355nm核酸、配糖体 2-(4-羟基苯偶氮)苯甲酸固体266nm, 337nm蛋白质、配糖体 琥珀酸固体2.94m,10.6m蛋白质、核酸 间硝基苄醇液体266nm蛋白质 甘油液体2.94m,10.6m蛋白质 邻硝苯基辛基醚液体266nm, 337nm, 355nm合成高分子 蛋白质组分析。 优优 点点 ： 质量范围可达50万Da。 高灵敏度，可测至10-1210-15摩尔。 软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。 可容纳毫摩

8、尔级的盐。 缺缺 点点 ： 基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。 激光解析电离可能导致被分析物分解。 毛细管 直径0.10.2mm。 喷雾电压：毛细管尖端与离子引入口之间，38kV。 壳气(Sheath gas), 从毛细管端与喷雾反向加热后流出。 离子通过取样锥(Skimmer)和毛细管(Capillary)传送至光学聚焦系统。 电喷雾电离的基本过程 电场下的喷雾 带电雾滴 壳气的作用下 溶剂的蒸发 电荷的库仑作用 带电雾滴的解体 Rayleigh 极限 表面张力和库仑斥力的平衡点 Reproduced from Kebarle, P. J. Mass Spectrom. 200

9、0, 35, 804-817. 电喷雾电离产生多电荷离子： 可以用质谱仪的小的质量范围测定大的生物分子， 相当于将质谱仪的质量范围放大的n倍。 q 例 肌红蛋白电喷雾质谱图 带1030个电荷的系列分子离子 毛细管样品送入加热管中，该管可以达到300C以上。 在加热管中溶剂挥发。 加热管出口处放置电晕(Corona )放电装置, 使挥发出来的溶剂分子 电离，形成等离子体。 等离子体与样品分子反应，生成MH+或MH准分子离子。 APCI特点 软的电离方式，样品直接从液从中拉出来的，不是蒸发，基本 不产生分解，电离过程属于离子-分子反应，与CI原理相似。 快速地适合高低含量水溶液的流动相，可作梯度分

10、析。 单电荷峰，实现源内CID。 Molecular Weight Non-PolarPolar EI/CI Electrospray APCI 100,000 1000 Which Ionisation Mode? 仪器的加速电压V：使离子具有高的动能，快速通过磁场、电场和无场区。 某一离子：质量为m，电荷价态为z，从加速电场获取的电能为zeV。 该离子的动能为1/2mv2 v为离子的运动速度，两个能量是相等的。 即： 4.1.4 质量分析器 种类繁多，磁场、电场、射频场对电荷离子的控制作用。 离子在扇形磁场中的运动 zeVmv 2 2 1 1、离子在扇形磁场中的运动 e 2 r r mv

11、zeE 将离子动能 mv2/2=zeV 代入上式，则得： r e 2 E V r 半径为re圆弧上，电场强度为： 其中E为静电场的电压。 若Er固定，则离子运动半径随加速电压的 改变而改变，因此静电场是能量分析器。 离子在扇形电场中的运动 2、离子在扇形电场中的运动 Er 为离子运动轨道上的电场强度 re 为离子在电场中作圆周运动的半径，即 电场的半径。 21 e r /ln 21 rr E r E 代入 re = 2V/Er中得：E = V lnr1/r2, r1和r2是固定的。 所以，在双聚焦质谱仪中，静电场电压与加速电压维持着一定的比例关系。 2、双聚焦质谱仪基本原理 扇形磁场 质量色散

12、，分析离子原因，实际上是动量分析器。 方向聚焦，相同质量和相同速度的离子，从同一点以不同角度入 射到磁场中，在磁场中所走轨迹不同，但在磁场后可 集中于某一点，与方向无关。 静电分析器 能量分析器 方向聚集，同磁场。 离子源中引出的离子： 运动方向不平行。（角色散） 存在能量色散，初始的温度分 布和电子轰击时所产生的附加动能。 双聚集 ESA使由离子源发散出来的离子束按动能聚焦成一系列的点，再经磁场将具有 相同质核比分开的离子束再聚焦到一点。 两组四极杆分别加上 +(u+Vcost) 和 (u+Vcost)， 其中u直流电压部分，Vcost为射频电压部分 = 2f, f为频率。 理想的四极场为双

13、曲线型，但加工的困难，用四根杆代替。 在四极场中任一点的电场为： 2 0 22 )cos()( r yx tVuxyt 在场的中心和两条对角线 上的任何一点电位为零。 离子在射入四极场后，其运动方程 ma = eE a为离子加速度，E电场强度 电场强度为电位的导数。则上式在直角坐标系展开为：在四极场中任一点 的电场为： z e dt zd m y e dt yd m x e dt xd m 2 2 2 2 2 2 代入上式得： 0 cos2 cos2 2 2 2 0 2 2 2 0 2 2 dt zd m y r t)Ve(u dt yd m x r t)Ve(u dt xd m 令： 2 4

14、 8 22 0 22 0 t mr eV q mr eu a 合并上 几式得： 02cos2 02cos2 2 2 2 2 y)q(a d xd m x)q(a d xd m Mathieu 方程 Mathieu方程解，复杂，与边界条件密切相关。 以a, q为坐标，方程的解作图，三个区：稳定区，x不稳定区，y不 稳定区。 a, q都是交直流电压幅值、频率和时间的函数，可由仪器设定和调 节，r0 是仪器中心到四极杆的径向距离，其值是确定的。 扫描线：与稳定区相截并且 通过原点的直线。在这条直线上， 各处的a/q比值都为常数，即 u/V = a/q 亦为常数。 同质荷比的离子对应有不同的a, q值

15、，对于具有使 u/V = a/q为常数的 离子来说，其a和q值均在扫描线上。如果其值恰好处于扫描线和稳定区的 两个边界交点(A，A)之间，则该离子落在稳定区之内。 改变u/V 的比值，扫描线斜率变化，增加，AA长度减小，即能够稳 定的离子减小，分辨率增加。AA长度仅与u/V比值有关。 固定u/V比值(即保持AA长度不变，也就是分辨率不变)，改变V的幅 值，可使不同质荷比的离子先后进入稳定区，顺序通过四极杆之后被接 收，得到一组不同质荷比的质谱。 稳定区: 离子产生稳定的振荡， 沿z方向通过四极杆。 不稳定区: 离子振幅不断增大， 最后飞出四极场或与z 和y电极碰撞中和。 离子阱质谱由四极杆质谱

16、仪发展而来。 四极杆变为环极，四极杆两端加端帽。 端帽和环极上均加有直流电压U，射频电压 (振幅为V，角频率) 。 离子的运动仍由Mathieu方程描述。 较理想的离子阱质量分析器：r02 = 2z02 Mathieu方程的解：蓝色区为稳定区，其它为不稳定区，空间分布， 这里仅是一个截面。 捕集时(Trapping)，设定U, V 和 ，使各种离子在蓝色区域的最式边。 扫描时(Scanning)，给定U, V 和 ，使扫描线按 qz=0 的由左到右进行， 离子从小质荷比到大的质荷比依次排出到检测器。 离子阱中引入10-3 Torr 氦 气，使离子运动受到阻尼，提 高离子轨迹的稳定性，进而提 高

17、仪器的分辨率和灵敏度。 离子源中的离子经加速电压获得的速度为： 其中 ze为电荷，V为加速电压，m为质量。 m zeV v 2 飞行管长度L，到达检测器的时间为： 质量越大，飞行时间越长，实现分离。zeV m L v L t 2 m1和m2两个离子： zeV mmL t 2 )( 21 用已知样品进行校 正，得到未知离子 的质量。 t t m m 2 仪器的分辨率近似为： 提高加速电压，增长飞行管长度，都可提高分辨率。 但导致分辨率较低的主要原因是离子源得到离子的能量色散作用，即分 子的热运动的影响，使得离子的被始速度不一致。 解决离子热运动，提高分辨率的方法： 两级加速法：先用一级加速，离栅

18、极较远的离子获得更多的动能，提高 速度，追赶上离栅极近者，然后再经栅极加速后，一起进入飞行管。 Delay Extract技术：在激光脉冲开启的瞬间，没有加速电压存在，离子 处于一种无场运动，不同速度的离子向栅极运动的距离不同，一定时间 过后(很短的时间)，加上加速度电压把离子引向栅极，此时，前面具有 不同速度的离子处在不同的位置，速度快者，离栅极近，速度慢者，离 栅极远。加上电压后，处于不同位置的离子获得电场能，离栅极近者， 获得的电场能小，离栅极远者获得电场能大，前者本身速度快，被始动 能大，后者速度慢，初始动能小。动能小者从栅极电压获得相对多的电 场能，动能大者从栅极电压获得相对少的动能

19、，从而使两者加速后，动 能的差异减小，即减小能量色散。从而提高分辨率。 飞行时间质谱仪 反射式或折射式：靠电场将飞行的离子反射回来，在反射端接有检测器。 好处： 提高分辨力和灵敏度。 对灵敏度的提高：中性分子也会在电离过程中产生，并飞向检测器，但中性分子不能被 反射，不能到达反射检测器所在位置，减小本底噪音，提高灵敏度。 对分辨率的提高：速度快的离子动能相对较大，克服电场阻力的能力大，打入到反射电 场的深度大，反之，速度慢的离子打入反射电场的深度小，前者因打 入电场深度大，多运动一段距离，后者因小运动的了段距离。快者多 走路程，慢者少走路程，最终两者几乎同时到达检测器，提高了分辨 力。 折射式

20、原理同反射式，只是多反射了几次，提高分辨力，但可能减小灵敏度。 离子沿平行于磁场方向进入ICR-Cell，加在垂直于磁场的捕集电极上的低直流电压形 成一个静电场将离子拘禁于室中。在磁场作用下，离子在垂直于磁场的圆形轨道上作 回旋运动，其回旋频率 仅于磁场强度 B 和离子的质荷比m/z有关： m zB 7 10537. 1 式中 为赫兹(Hz), B为特斯拉(T), m为原子质量单位(u) 一组不同空间位置上m/z值相同而速度不同的离子将以同一频率运动，离子 的速度只影响其轨道半径。 m zB 7 10537. 1 式中 为赫兹(Hz), B为特斯拉(T), m为原子质量单位(u) 一组不同空间

21、位置上m/z值相同而速度不同的离子将以同一频率运动，离子 的速度只影响其轨道半径。 通过发射电极向离子加一个射频电场；若射频电压的频率正好与离子回旋的 频率相同，离子将共振吸收能量，使其运动轨道半径和运动速度逐渐稳步增大， 但频率仍然不变。当一组离子达到同步回旋之后，在接收电极上产生镜像电流。 根据镜像电流的频率可以计算出离子的质量。 在实际测量中，多种离子同时产生，在回旋池中加一个频率范围覆盖了所有 感兴趣离子的脉冲射频。脉冲结束后，所有受激离子诱导的镜像电流在接收电路 上形成各自的阈衰减信号；这个复合的时阈误减信号经傅里叶变换为与质量相关 的频阈谱图。 对镜像电流取样的时间越长，质量分辨率

22、越高。但碰撞阻尼破坏离子的同步 回刻运动，从而使镜像电流衰减加快。 高真空有利于提高分辨率，同时还可改善信噪比。 几种常见商用质谱仪 Finnigan MAT-900XP High resolution, double focusing mass spectrometer. Acceleration voltage Full acceleration voltage for all ionization modes Mass range 5,000 Da at full acceleration potential Resolution better than 60,000 Mass accuracy better than 2 ppm Finnigan TSQ Quantum Mass Rang