现代分析测试技术

1、 相对分子质量精确测定与相对分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；化合物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：第一台质谱仪：1912年；年；早期应用：相对原子质量、同早期应用：相对原子质量、同位素等的测量；位素等的测量；现代：有机化合物结构鉴定的现代：有机化合物结构鉴定的重要工具；重要工具；特殊性：联用技术，相对分子特殊性：联用技术，相对分子质量测定。质量测定。M+(MR2)+(MR3)+(MR1)+ 20世纪世纪40年代年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；构分析； 20世纪世纪60年代末年代末：色谱：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物质谱联用仪出现

2、，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展； 20世纪世纪90年代年代：基质辅助激光解吸电离源、电喷雾电离：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，开创了质谱技术研究生物大分子源、大气压化学电离源，开创了质谱技术研究生物大分子的新领域。的新领域。 2002年年由于由于 “发明了用于生物大分子的电喷雾离子化发明了用于生物大分子的电喷雾离子化和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法”， 美国科学家约美国科学家约翰翰芬恩与日本科学家田中耕一共享该年度诺贝尔化学奖。芬恩与日本科学家田中耕一共享该年度诺贝

3、尔化学奖。 第一节第一节 质谱仪质谱仪分析方法原理分析方法原理第二节第二节 质谱仪质谱仪基本结构及主要类型基本结构及主要类型第三节第三节 质谱仪质谱仪重要实验技术重要实验技术一、方法原理：将样品一、方法原理：将样品转化为运动的气态离子转化为运动的气态离子，通过对离子，通过对离子的的质荷比（质荷比（m/zm/z）分析分析来实现有机物和无机物的定性和定来实现有机物和无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、各种同位素比的测定量分析、复杂化合物的结构分析、各种同位素比的测定通过通过分子离子分子离子、碎片离子碎片离子、重排离子重排离子等信息，进行等信息，进行化合物化合物结构分析及分子量的确定结构分

4、析及分子量的确定由分子离子峰可以确定化合物由分子离子峰可以确定化合物的分子量；由碎片离子峰可以得到化合物的结构；的分子量；由碎片离子峰可以得到化合物的结构；二、定性分析基础：二、定性分析基础： 一定样品，在一定样品，在一定电离条件下一定电离条件下得到的质谱图是相同的；得到的质谱图是相同的；三、根据质量分析器，可将质谱仪分为：三、根据质量分析器，可将质谱仪分为： 静态仪器静态仪器稳定的电磁场，按空间位置将稳定的电磁场，按空间位置将m/zm/z不同的离子不同的离子分开；分开； 动态仪器动态仪器采用变化的电磁场，按时间不同来区分采用变化的电磁场，按时间不同来区分m/zm/z不不同的离子；同的离子；横

5、坐标：横坐标：质荷比质荷比，纵坐标：，纵坐标：离子的强度离子的强度；离子的离子的绝对强度绝对强度：取决于样品量和仪器的灵敏度；：取决于样品量和仪器的灵敏度；离子的离子的相对强度相对强度：和样品的分子结构：和样品的分子结构化学键有关；化学键有关；1 1、利用、利用电磁学原理电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置：置：2 2、分析样品以直接进样或通过色谱仪进样方式进入质谱仪、分析样品以直接进样或通过色谱仪进样方式进入质谱仪样样品气化；品气化；3 3、气化后的样品引入离子源进行电离，得到带有样品信息的离、气化后的样品引入离子源进行电离，得到带有样品信

6、息的离子子（分子离子和碎片离子等）；（分子离子和碎片离子等）；4 4、电离后离子经过适当的加速后、电离后离子经过适当的加速后进入质量分析器，离子按质荷进入质量分析器，离子按质荷比比M/ZM/Z分离，并排列分开；分离，并排列分开；5 5、经、经电子倍增器检测电子倍增器检测，即可得到化合物的质谱图；，即可得到化合物的质谱图；进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光 1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间4.四极杆 质谱仪需要在高真空下工作：离子源（质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（质量分

7、析器（10 -6 Pa ）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。仪器原理图仪器原理图进样系统离子源质量分析器检测器真空系统真空系统q质量测定范围质量测定范围：表示质谱仪所能够进行分析的样品的：表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对相对原子量原子量（或相对分子质量）范围；气体质谱（或相对分子质量）范围；气体质谱2 2100100；有机；有机质谱一般质谱一般可达几千可达几千；生物医学质谱可以研究相对

8、分子质量；生物医学质谱可以研究相对分子质量可达可达几十万几十万；q分辨本领分辨本领：标志质谱仪：标志质谱仪分开相邻质量数的能力分开相邻质量数的能力（任选一单（任选一单峰，测其峰高峰，测其峰高5%5%处的峰宽处的峰宽W W0.05 0.05 作为作为m m）两峰质量数越两峰质量数越大，要求仪器越高；质谱仪的大，要求仪器越高；质谱仪的分辨本领决定了仪器的价格分辨本领决定了仪器的价格：分辨率分辨率500500左右一般有机分析要求（四极滤质器、离子左右一般有机分析要求（四极滤质器、离子阱）；分辨率大于阱）；分辨率大于10 00010 000进行准确的同位素质量及有机进行准确的同位素质量及有机分子质量的

9、准确测定（双聚焦磁式质量分析器）；分子质量的准确测定（双聚焦磁式质量分析器）；q灵敏度灵敏度：绝对灵敏度：绝对灵敏度可以检测到的最小样品量；相对灵可以检测到的最小样品量；相对灵敏度敏度可以同时检测的大组分与小组分含量之比；可以同时检测的大组分与小组分含量之比；1.无机质谱仪无机质谱仪 火花源双聚焦质谱仪（火花源双聚焦质谱仪（SSMS），电感应耦合等离子体），电感应耦合等离子体质谱仪（质谱仪（ICP-MS）和二次离子质谱仪（）和二次离子质谱仪（SIMS）等。）等。 2.同位素质谱仪同位素质谱仪 小型低分辨同位素质谱仪：轻元素小型低分辨同位素质谱仪：轻元素(H，C，S等等) 大型高分辨的同位素质谱

10、仪：重元素大型高分辨的同位素质谱仪：重元素(U，Pu，Pb等等)3.有机质谱仪有机质谱仪 用途最广的质谱仪用途最广的质谱仪 4.生物质谱仪生物质谱仪 电喷雾电离质谱仪（电喷雾电离质谱仪（ESI-MS），基质辅助激光解吸电），基质辅助激光解吸电离质谱仪（离质谱仪（MALDI-MS），快原子轰击质谱仪（），快原子轰击质谱仪（FAB-MS），），离子喷雾电离质谱仪（离子喷雾电离质谱仪（ISI-MS），大气压电离质谱仪），大气压电离质谱仪（API-MS）等。）等。 1.按进样方式分类按进样方式分类 直接进样质谱直接进样质谱 ，气相色谱，气相色谱-质谱联用仪（质谱联用仪（GC-MS） ，液相色谱，液相色

11、谱-质谱联用仪（质谱联用仪（LC-MS）。）。 2. 按离子化方式分类按离子化方式分类 电子轰击质谱（电子轰击质谱（EI-MS），化学电离质谱（），化学电离质谱（CI-MS），快原子轰击质谱仪（），快原子轰击质谱仪（FAB-MS），电喷雾电），电喷雾电离质谱仪（离质谱仪（ESI-MS）等。）等。 3.按质量分析器分类按质量分析器分类 单聚焦质谱仪，双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，单聚焦质谱仪，双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅里叶变换质谱飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅里叶变换质谱仪等。仪等。 一、进样装置：一、进样装置： 间歇式进样系统间歇式进样系统- -气体、液体、中

12、等蒸气压的固体；气体、液体、中等蒸气压的固体； 直接进样直接进样系统系统- -较难气化的固体、热敏性固体及非挥发性液较难气化的固体、热敏性固体及非挥发性液 体；通过色谱仪进样体；通过色谱仪进样混合组分；混合组分；二、二、电离装置电离装置：离子化所需要的能量差异：离子化所需要的能量差异硬电离、软电离；硬电离、软电离；电子电离源电子电离源EIEI；化学电离源化学电离源CI CI ；快原子轰击源；快原子轰击源FABFAB；大气电大气电离源；离源；三、三、质量分析装置质量分析装置：静态分析器：静态分析器单聚焦单聚焦/ /双聚焦分析器；双聚焦分析器；动态动态分析器分析器四极杆分析器；飞行时间分析器；四极

13、杆分析器；飞行时间分析器；四、检测器装置：离子流计数四、检测器装置：离子流计数高离子电流采用法拉第杯；低高离子电流采用法拉第杯；低离子电流采用电子倍增管；离子电流采用电子倍增管；隧道电子倍增器隧道电子倍增器- -多通道检测多通道检测；五、真空系统：采用五、真空系统：采用RPDPRPDP（分子泵）联用系统（离子源分子泵）联用系统（离子源1010- -4 41010-5-5 PaPa；质量分析器质量分析器1010-6-6）；）；气体扩散； 插入式直接进样杆：适用于有一定挥发性的固体或高沸点液体试样； 色谱作为进样装置。GCMS-QP2010GCMS-QP2010用直接試料導入装置用直接試料導入装置

14、1 1、电子轰击电离源（电子轰击电离源（EIEI）：）：气体和易挥发的固体试样；气体和易挥发的固体试样；2 2、化学电离源（、化学电离源（CICI）：）：测定化合物的分子量，不利于结构解测定化合物的分子量，不利于结构解析；析；3 3、激光解吸电离源、激光解吸电离源：属于软电离技术，用于分析生物大分子，属于软电离技术，用于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。如肽、蛋白质、核酸等。 4 4、快原子轰击电离源（、快原子轰击电离源（FABFAB）：）：分析分析热不稳定、难挥发和强热不稳定、难挥发和强极性极性的化合物的化合物5 5、电喷雾电离源（电喷雾电离源（ESIESI）：）： “软电离软电离”质谱

15、技术，能快速、质谱技术，能快速、准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量；子量；6 6、大气压化学电离源（、大气压化学电离源（APCIAPCI）：）：分析中等极性以上的化合物；分析中等极性以上的化合物；1 1、分子离子、分子离子：样品分子：样品分子被打掉一个电子被打掉一个电子，形成分子离子；，形成分子离子；2 2、碎片离子、碎片离子：分子离子：分子离子进一步发生化学键断裂进一步发生化学键断裂，形成碎片离子；，形成碎片离子；3 3、重排离子、重排离子：分子离子：分子离子发生结构重排发生结构重排，形成重排离子；，形成重排离子；4 4、

16、加合离子：通过分子离子反应，生成加合离子；、加合离子：通过分子离子反应，生成加合离子；5 5、同位素离子、同位素离子+: R1: R2: R3: R4: e+M+(MR2)+(MR3)+Mass Spectrum(MR1)+ 离子室内的反应气（甲烷等；离子室内的反应气（甲烷等；10100 Pa，试样的试样的103105倍），电子（倍），电子（100240 eV）轰击，产生离子，）轰击，产生离子，再与试样分再与试样分子子碰撞，产生准分子离子。碰撞，产生准分子离子。特点：特点：最强峰为准分子离子；最强峰为准分子离子；谱图简单；谱图简单；不适用难挥发试样；不适用难挥发试样；得到的是非标准谱图。得到的

17、是非标准谱图。+气体分子气体分子试样分子试样分子+准分子离子准分子离子电子电子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;a. 氩气氩气离子，加速、碰离子，加速、碰撞，电荷和能量转移撞，电荷和能量转移高高能原子束。能原子束。 b.高能粒子打在置于涂有高能粒子打在置于涂有非挥发性底物靶上的试样非挥发性底物靶上的试样分子使其电离。分子使其电离。不加热汽化，特别适合于相对分子质量大，难挥发或热不加热汽化，特别适合于相对分子质量大，难挥发或热稳定性差的试样分析，例如肽类、低聚糖、天然抗生素稳定性差的试样分析，例如肽类、低聚糖、天然抗生素 。 有较强的准分子离子峰和较丰富的碎片离子信息。有较强的准

18、分子离子峰和较丰富的碎片离子信息。 快原子电离源快原子电离源（FAB）质谱图质谱图电喷雾喷嘴电喷雾喷嘴多层套管多层套管LCLC外层：喷射气外层：喷射气 特点：使喷出的液体分散成特点：使喷出的液体分散成微滴微滴微滴蒸发；产生微滴蒸发；产生多电多电荷离子荷离子准分子离子；准分子离子；很少碎片离子很少碎片离子MS/MSMS/MS联用；联用；适合多肽、蛋白质、氨基酸适合多肽、蛋白质、氨基酸分子量的测试；分子量的测试； 得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。常用的基质：电荷离子较少。常用的基质：2,5二羟基苯甲酸、芥子酸二羟基苯甲酸、芥

19、子酸、烟酸、烟酸、-氰基氰基-4-羟基肉桂酸等。羟基肉桂酸等。 分析试样置于涂有基质的试分析试样置于涂有基质的试样靶上；样靶上； 基质分子吸收激光能，与试基质分子吸收激光能，与试样分子一起蒸发并使试样分子样分子一起蒸发并使试样分子电离。电离。 属于软电离技术，用于分析属于软电离技术，用于分析生物大分子，如肽、蛋白质、生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。核酸等。 方向聚焦方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高分辨率不高缺少能量聚缺少能量聚焦。焦。方向聚焦：方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：能量聚焦： 相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚。 质量相同，能量

20、不同的离子通过电场和磁场时，均产质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。双聚焦。离子源离子源 狭缝狭缝质量相同，能量不同质量相同，能量不同的离子束的离子束接收器接收器狭缝狭缝聚焦离子束聚焦离子束静电场能量色散作用静电场能量色散作用与磁场能量色散作用与磁场能量色散作用大小相等，方向相反大小相等，方向相反 特点：分辨率较高，分析速度极快（适合联用仪器）；特点：分辨率较高，分析速度极快（适合联用仪器）；缺点：准确度和精密度低于双聚焦型。缺点：准确度和精密度低于双聚焦型。1 1、由、由四根棒状

21、电极组成四根棒状电极组成镀金陶镀金陶瓷或钼合金瓷或钼合金2 2、相对两根电极加高压；其中、相对两根电极加高压；其中Vdc Vdc 为直流电压；为直流电压；VrfVrf为射频电为射频电压压四极电场；四极电场；3 3、离子进入四极场、离子进入四极场产生振动产生振动只允许一定只允许一定M/zM/z的离子通过的离子通过（离子（离子振幅增大碰到四极杆被吸收；振幅增大碰到四极杆被吸收；4 4、改变改变VrfVrf使其他使其他M/zM/z的离子顺的离子顺序通过四极场序通过四极场质量扫描；质量扫描； 离子以速度离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为漂

22、移区飞行的时间为t，漂移区长度为漂移区长度为L，则则2)(2LtzVzmiii特点：质量范围宽，扫描速率快，不需电场和磁场。特点：质量范围宽，扫描速率快，不需电场和磁场。分辨率低：原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空分辨率低：原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。间分散和能量分散。 能量相同，质量越大，能量相同，质量越大，达到接收器的时间越长。达到接收器的时间越长。t = L(m / 2zV)1/2 离子检测器离子检测器电离室气体气体栅极L L真空环境真空环境电子接收器离子漂移管离子漂移管灯丝1 1、离子在漂移管中的、离子在漂移管中的飞行时间与离子质量飞行时间与离子质量的平

23、方根成正比的平方根成正比E E相同，相同，M M越越大，大，t t 越长越长；2 2、影响分辨率原因：、影响分辨率原因：时间时间分散；分散；空间空间分散；分散；能量能量分散；分散；3 3、改进技术：、改进技术：激光脉冲电离方式激光脉冲电离方式离子延迟引出技术离子延迟引出技术离子反射技术；离子反射技术；一、标准条件获得谱图一、标准条件获得谱图：通过电子轰击电离方式，获得质谱图：通过电子轰击电离方式，获得质谱图（快原子、电喷雾等没有标准谱图）；（快原子、电喷雾等没有标准谱图）；二、可能性分析二、可能性分析：通过计算机检索，对未知化合物进行定性：通过计算机检索，对未知化合物进行定性检检索结果可以给出几个可能的化合物，并以匹配度大小顺序列索结果可以给出几个可能的化合物，并以匹配度大小顺序列出这些化合物的名称、分子