MS基本原理与仪器结构

1、 基本原理：使待测的样品分子气化，用具有一定能量的电子束（或具有一定能量的快速原子）轰击气态分子，使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子。分子离子还可能断裂成各种碎片离子，所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比（m/z）大小依次排列而得到谱图。10/9/20221质 谱 仪 通过进样系统，使微摩尔或更少的试样蒸发，并让其慢慢地进入电离室，电离室内的压力约为10-3Pa。由热灯丝流向阳极的电子流，将气态样品的原子或分子电离成正、负离子（但一般分析正离子)，在狭缝A处，以微小的负电压将正负离子分开，此后，借助于A、B间几百至几千伏的电压，将正离子加速，使垂直于狭缝的正离子流，通过狭缝B

2、进入真空度高达10-5Pa的质量分析器中，根据离子质荷比的不同，其偏转角度也不同，质荷比大的偏转角度小，质荷比小的偏转角度大，从而使质量数不同的离子在此得到分离。若改变粒子的速度或磁场强度，就可将不同质量数的粒子依次焦聚在出射狭缝上。通过出射狭缝的离子流，将落在一收集极上，这一离子流经放大后，即可进行记录，并得到质谱图。 质谱图上信号的强度，与达到收集极上的离子数目成正比。10/9/20222A: 离子的相对强度(Y axis)B: 离子的质量与电荷比(m/z, X axis)C: 质谱图中最强的峰称为基峰(base peak)D: 相对于特定的检测器时称为峰的绝对强度E: 所有质谱峰对应的是

3、离子电信号强度和离子应在的m/z位置而非真实的离子强度和离子.F: 棒状谱(centroidal peak)G: 高斯峰(gauss peak)F质谱图意义G10/9/20223蛋白质高斯状峰棒状峰10/9/20224原理与结构电离室原理与结构仪器原理图10/9/20225计算机数据处理系统真空系统 加速区进样系统离子源质量分析器检测器 质谱计框图产生气相离子离子转换成电信号按离子的质量与电荷比分离离子10/9/202261、进样化合物通过汽化引入离子化室；2、离子化在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约70eV），撞击使分子电离形成正离子；M M+ + e或与电子结合，形成负离子M

4、+ e M10/9/202273、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：4、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度v，与质量、电荷及加速电压有关：10/9/202285、加速离子进入一个强度为H的磁场，发生偏转，半径为：将（1）（2）合并：当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质量谱，简称质谱。10/9/20229 质谱仪的分辨本领由几个因素决定：（i）离子通道的半径；(ii）加速器与收集器狭缝宽度；（iii）离子源的性质。 质谱仪的分辨本领几乎决定了仪器的价格。分辨率在500左右的质谱仪可以满足一般有机分析的要求，此类仪器的质量分析器一般

5、是四极滤质器、离子阱等，仪器价格相对较低。若要进行准确的同位素质量及有机分子质量的准确测定，则需要使用分辨率大于10000的高分辨率质谱仪，这类质谱仪一般采用双聚焦磁式质量分析器。目前这种仪器分辨率可达100000，当然其价格也将会是低分辨率仪器的4倍以上。10/9/202210质谱计的主要技术指标 分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两单电荷离子质量 的能力。 分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，或两峰各以5%的高度重叠。 R = m /m m 为质谱计可分辨的相邻两峰的质量差M 为可分辨的相邻两峰中较高的质量数10/9/202211 而在实际工作中，有时很难找到相邻的且

6、峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10。在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5处的峰宽W0.05，即可当作上式中的m，此时分辨率定义为 R = m/W0.05 如果该峰是高斯型的，上述两式计算结果是一样的。 10/9/20221210/9/202213 例：要鉴别N+2（m/z为28006）和CO+（m/z为27995）两个峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得一质谱峰中心位置为245u，峰高5处的峰宽为0.52u，可否满足上述要求？ 解: 要分辨N+2和CO+，要求质谱仪分辨率至少为： 质谱仪的分辨率： Rsp=245/0.52=471 RspRneed， 故不能满足要求。 10/

7、9/202214准确度(accuracy); ppm (part per million)稳定性(stability):仪器在一定时间间隔内某离子的m/z测量值的变化.动态范围(dynamic range): 在动态范围内, 样品量与仪器输出的信号应成正比例关系.质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围. 10/9/202215(1)质量测定范围 质谱仪的质量测定范围表示质谱仪所能够进行分析的样品的相对原子质量（或相对分子质量）范围，通常采用原子质量单位（unified atomic mass unit，符号u）进行度量。原子质量单位是由12C来定义的，即一个处于基态的12C中性原子

8、的质量的1/2，即=1.6605410-24g/12C原子=1.6605410-27kg/12C原子10/9/202216 而在非精确测量物质的场合，常采用原子核中所含质子和中子的总数即“质量数”来表示质量的大小，其数值等于其相对质量数的整数。 测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2100，而有机质谱仪一般可达几千。现代质谱仪甚至可以研究相对分子质量达几十万的生化样品。 10/9/202217(3)灵敏度 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析灵敏度等几种表示方法。 绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；分析灵敏度则指输入仪器

9、的样品量与仪器输出的信号之比。 10/9/20221810/9/202219进样系统(inlet system) 离子源(ion source)质量分析器（mass analyzer）检测器（detecter） 真空系统（Vacuum system）二、质谱仪的组成10/9/2022201、样品引入系统气体直接导入或用气相色谱进样液体加热汽化或雾化进样固体用直接进样探头10/9/202221进样系统10/9/202222单聚焦质谱仪10/9/202223真空系统: 质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源真空度应达1.310-4-1.310-5Pa，质量分析器中应达1.310-6P

10、a）。 若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏，本底增高、副反应过多，从而使图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极放电等问题。 一般质谱仪都采用机械泵预抽空后，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。为避免离子与气体分子的碰撞，离子源和质量分析器的压力在104 - 105 Pa 和 105 - 106 Pa。10/9/202224进样系统进样系统目的是高效重复地在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源。 常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、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。 气体可通过储

11、气器进入离子源。易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源。难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。10/9/202225卡式进样系统具有极好的抗腐蚀性和快速冲洗特征。由惰性多聚物材料构成的喷雾室以圆锥壮撞击球设计，以降低记忆效应。 雾化室由一个Peltier半导体制冷装置冷却和精确的温度控制，具有极高的稳定性和最少的多原子离子形成。带有蓝宝石、氧化铝和铂制喷射管的半可拆式管矩。Thermo Optek-VG PQ ExCell ICP-MS卡式进样系统10/9/202226离子源离子源的作用是使样品分子转变为离子。分子失去电子，生成带正电荷的分子离子 分子离子可进一步裂解，生成质量更

12、小的碎片离子 M+eM+.+2eM-. 小于1%M+.A+. +B+CD+. 中性分子或碎片 R.50-70eV10/9/202227 离子源与高真空系统连接小分子，中性碎片，自由基被抽出. 在离子源的出口，对离子施加一个加速电压(1000 - 8000eV), 加速后的离子通过狭缝，直线射入质量分析器。离子加速电压值因质量分析器不同而不同。 离子化的方法下面进一步介绍。10/9/202228离子化的方法电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI化学离子化 Chemical Ionization, CI场电离，场解吸 Field Ionization FD, F

13、ield Desorption FD快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI10/9/202229（1） 电子电离源(electron ionization EI)由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳极，电子能量70eV，有机化合物的电离电位8-15eV。可在平行电子束的方向附

14、加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高灵敏度。10/9/202230特点： 碎片离子多，结构信息丰富， 有标准化合物质谱库； 不能汽化的样品不能分析； 有些样品得不到分子离子；10/9/202231（2）化学电离源(chemical ionization CI)CH4 + e CH4 + + 2eCH4+ + CH4 CH5 + + CH3结构与EI同，但是在离子化室充CH4，电子首先将CH4离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子M反应： CH5 + + M CH4 + MH+10/9/202232特点： 得到一系列准分子离子（M+1）+， （M-1）+， （M+2）+

15、等等；CI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；不适于难挥发成分的分析。10/9/202233 （3）快原子轰击(fast atom bombardment FAB)高能量的Xe原子轰击涂在靶上的样品，溅射出离子流。本法适合于高极性、大分子量、低蒸汽压、热稳定性差的样品。FAB一般用作磁式质谱的离子源。10/9/202234（4）电喷雾源(electronspray ionization ESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾 蒸发 电压喷雾针带电液滴溶剂挥发样品离子小孔板喷雾针尖电压小孔板电压电场方向图2-1 样品在ESI接口中的离子化过程10/9/202235特点：适用于强极性，大

16、分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等2 产生的离子带有多电荷3 主要用于液相色谱质谱联用仪10/9/2022363、质量分析器(mass analyzer)1 单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 双聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3 四极杆分析器 (quadrupole analyzer)4 离子阱分析器 (Ion trap)5 飞行时间分析器(time of flight）6 富立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）10/9/202237质量分

17、析器 质量分析器是质谱计的核心。质量分离器的作用是将离子源中形成的离子按m/e大小分开，质量分离器可分为静态和动态两类。 静态分离器采用稳定不变的电磁场，按照空间位置将m/e不同的离子分开，单、双聚焦磁场分离器属于这一类。 动态分离器采用变化的电磁场，按照时间或空间来区别m/e的离子，属于这一类的有飞行时间分离器、四极滤质器分离器。不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计。 不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同。 10/9/202238收集器离子源BS1S2磁场R质量分析器 磁分析器, 静电分析器1、磁分析器- 单聚焦质谱计只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。 加

18、速后离子具有一定的动能: （ ），该动能是由离子在加速电场获得的电势能（zV）转化的。 10/9/202239 加速后的离子进入磁场， 其运动方向( I )和磁力线的方向(B)相互垂直。 离子受到一个与其运动方向和磁力线的方向都垂直的力(F)的作用，三者的关系可用左手定则确定。 离子沿着I和B合力的方向运动，即受到磁场的偏转作弧形运动。 10/9/202240结合 ，导出 当仪器的狭缝固定(R=常数)，B由小到大改变（扫场），则离子按m/z由小到大通过狭缝，到达检测器，被收集并记录下各质荷比的离子的相对强度。 相同m/z的离子，速度相同，色散角不同，经磁场偏转后，会重新聚在一点上。即静磁场具有

19、方向聚焦，称之单聚焦。 离子作弧形运动的离心力（ ）和受磁场作用的向心力( Bzv ) 大小相等。10/9/2022412、静电分析器 + 磁分析器- 双聚焦质谱计 静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。 离子源收集器磁场电场S1S2+-10/9/202242 静电分析器加在磁分析器之前。加速后的离子在静电分析器中, 受到外斥内吸的电场力(zE)的作用, 迫使离子作弧形运动。 静电分析器只允许具有特定能量的离子通过,达到能量聚焦,提高仪器分辨率。 结合 ， 导出10/9/202243优点：a). 高重现性(稳定性); b). 最好定性分析工具; c). 可以实现高分辨

20、; d). 高灵敏度; e). 宽的动态范围; f). 可以实现多级质谱的串联; g). 高能collision-induced dissociation (CID) 谱重现性好. 缺点: a). 不能较好的与脉冲离子化技术联用(如: MALDI); b). 造价高, 体积大; c). 联动扫描MS/MS谱的分辨率低.应用: a). 所有的有机质谱分析方法; b). 精确质量测量; c). 定量分析; d). 同位素风度比的测量.10/9/202244仪器结构色谱-四极杆质谱仪结构示意图10/9/202245四极杆质量分离器10/9/202246 如果有一质量为m，电荷为e，具有一定速度v0的

21、离子从Z方向射入四极场中，由于在X轴和Y轴方向存在交变电场，离子要进行振荡运动.当w，u和v为某特征值时，只有具有一定质荷比的离子能沿着Z轴方向通过四极场到达接收器，这样的离子称为共振离子。质荷比为其他值的离子，因其振荡幅度大，撞在电极上，这样的离子称为非共振离子。在r (场半径)和e一定的条件下，通过四极场的正离子质量由u，v和w决定，改变这些参数就能使离子按m/e大小顺序依次通过射频四极场实现质量分离。 10/9/202247100 四 极 50 质 谱 磁质谱 100 200 300 400 500 m/z 由图可知：在四极质谱中小质量的灵敏度大于大质量，在大质量处强度很低，产生质量歧视

22、。例：质量69的离子传输效率比质量500的离子高400倍。质量歧视是四极质谱的一个严重缺点，由于这一问题的存在，使得磁质谱仪的标准谱图与四极质谱仪的相应谱图有差异。质量歧视的主要原因：高质量下离子速度小，入射到四极场的几率减小。 10/9/202248优点: a). 可获得经典的质谱图; b). 重现性好; c). 以其体积较小, 造价较低; d). 在三级四极杆串联质谱分析器上或四极杆分析器与磁质谱(飞行时间)分析器组成的混合串联分析器上可获得低能CID谱;缺点: a). 峰强度与峰的质荷比有关; b). 分辨率低; c). 不能较好地与脉冲离子化技术结合(如:MALDI); d). col

23、lision-induced dissociation (CID) MS/MS spectra 与collision energy, collision gas, pressure 有关. 应用: a). 多数台式质谱仪, GC/MS 和 LC/MS 系统; b). 串联三级四极杆质谱仪,MS/MS; c). 磁分析器与四极杆分析器组成混合型串联质谱仪,MS/MS. 10/9/2022495、 离子阱质谱仪 (Ion trap mass spectrometer )时间串联质谱仪10/9/202250优点：a). 可以实现多级串联质谱技术； b). 结构紧凑。缺点：a). 动态范围窄，不适合用

24、于定量分析； b). 存在空间电荷效应和离子-分子反应； c). CID过程中的碰撞能量大小不能确定； d). 多个仪器参数影响质谱中离子的分布， 如：活化能、捕获时间、检测器条件等。应用: a). 台式的GC/MS, LC/MS/MS; b). 目标化合物的筛选; c). 气相离子化学研究. d). 肽序列测定10/9/2022516、 飞行时间质谱仪(Time-of-flight mass spectrometer)m为离子的质量，q为离子所带的电荷，L为离子飞行的距离，v为离子的飞行速度，V为离子的加速电压，z为离子所带的电荷数，e微电子的电量。10/9/202252飞行时间质量分析器1

25、0/9/202253优点:可获得高分辨质谱；可实现快速的离子传输；可以较好地与脉冲离子化电离技术联用，如：MALDI等；高的例子传输效率；利用post-source decay (PSD) 技术可以快速实现MS/MS技术；具有较宽的质量范围;利用ToF-ToF可以实现MS/MS.缺点:需要以脉冲开关；需要快速数字转换器;有限的动态范围.应用：MALDI-ToF；GC/EI(CI)-ToF ;可用于有机化合物的分析；生物大分子的分析；肽谱10/9/202254检测记录系统 质量分析器分离并加以聚焦的离子束，按m/z 的大小依次通过狭缝，到达收集器。经接收放大后被记录。质谱仪常用的检测器有法拉第杯、电子倍增器及闪烁计数器、照相底片等。 现代质谱仪一般都采用较高性能的计算机对产生的信号进行快速接收与处理，同时通过计算机可以对仪器条件等进行严格的监控，从而使精密度和灵敏度都有一定