第六章 质谱分析法(MS)

M + e-(thermal)
由反应气产生
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3 电喷雾电离源(electrospray ionization
ESI)
结构：喷嘴（金属毛细管），雾化气，干燥气(curtain gas) 原理：喷雾 蒸发 电压
106V/m
离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动
10
6.2.2 离子源
电喷雾源(ESI)的特点：
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6.2
质谱仪器
6.2.5 傅立叶变换质谱仪(FT-MS)
•特点：扫描速度快，灵敏度高，分辨率好， 很容易进行MSn实验。价高。 •核心：离子可以在限定轨道内做周期性圆周运动的离子室
离子室根据离子回旋共振现象设计
与MALDI，尤其是ESI新的离子化方式结合， FT-MS技术得以复兴。 ESI-FT-MS在低质量段具有很高的分辨率， 用于蛋白质的MS, MS/MS测定。
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6.2.3 质量分析器
3 四极杆分析器 (quadrupole mass analyzer) 四极滤质器， quadrupole mass filter 结构: 四根棒状电极，相对的两个电极相连，形成四极场
1，3棒：+(Vdc + Vrf)
2，4棒：- (Vdc+ Vrf ) 特点：扫描速度快，灵敏度高。 适用于GC-MS。
5
1 电子电离源(electron ionization EI) 电子束
附加磁场使离子螺旋前进 增加碰撞机会
N
S
6
6.2
质谱仪器
6.2.2 离子源
电子电离源中分子离子及碎片离子的形成
ABCD eABCD + 2e-
形成分子离子
A + BCD A + BCD+ CD + AB
+
BC+ + D B + A+ A + B+
mv 2 1 eE , eV mv 2 Re 2 2V mv 2 Re E Ee 动能大，投射到+极 动能小，在-极放电 一定能量的离子到达出口 同能量的离子汇聚
特点：分辨率高(>150,000) 可分辨公称质量(nominal mass)相同，元素组成不 同的离子
(方向焦面)
(能量焦面)
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1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS) (GC/MS)的分析条件
GC: 不同组分在两相中的分配系数不同，先后从色谱柱中流出，
实现分离
MS: 连续对分离后的某一组分进行质量数扫描， 得离子流强度随质量数变化的质谱 GC条件：同普通GC (柱类型、固定液种类、汽化温度、载气流量、 进样量、柱温及升温程序等) MS条件：扫描方式，扫描范围（质量），扫描速度, 灯丝电流、倍增器电压（电离）
探头经封闭的 真空系统直接 插入距离子源 数mm位置
玻璃或氧化铝毛细管 细线或小杯
4
6.2
6.2.2 离子源
质谱仪器
Gas phase sources: EI, CI, FI Desorption sources: FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI… Hard sources: EI Soft sources: CI, FI, FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI…
离子动能由加速电压引起 离子所受磁力与圆周运动的离心力平衡
2 mV z e 离子所带电荷 R B z 扇形磁铁的曲率半径 R 结论： 1 离子的m/z与R, B, V有关。通过改变磁场可以把不同离子分开 2 在一定磁感应强度B下，改变加速电压V可以使不同离子先后 通过检测器，实现质量扫描，得到质谱。
主要存在 形式
反应气的反应 甲烷为反应气时
……
反应气和样品共同决定产物的形式
RH + M RH + C10H22
+ M M + C2H5+ M + NH4+ R
MH + R C10H21 + R + H2
R + M+
[M + C2H5]+ [M + NH4]+
M
加氢反应，样品对质子亲和力强 烷烃脱氢反应，对质子亲和力弱 电荷交换 形成加和离子 形成负自由基离子
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6.2.3 质量分析器
1单聚焦分析器 (single focusing mass analyzer) 磁扇形分析器，sector field
可以是180 90 60 等 不同质量的离子可通 过改变磁场强度或A, B间的加速电压使之 依次通过出口狭缝
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1单聚焦分析器
eV
1 mv 2 2 mv 2 B ev R
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1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
GC-MS的主要信息：
p315图9.16;图9.18
•总离子色谱图或重建离子流色谱图（全扫描监测方式）：组分化 合物电离产生的所有质量数离子流（总离子流）随时间变化的色
谱图。可以实时显示总离子流色谱图和某组分的质谱图。适用于
未知物定性。 •质量色谱图或提取离子色谱图（选择离子监测方式）：任一质量
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4 离子阱分析器 (Ion trap)
源自文库
四极杆的三维形式
doughnut-shaped ring electrode
electrode
优点： 聚焦场可以快速改变；比四极杆 更紧凑、体积小，灵敏度很高。 23
4 离子阱分析器
24
4 离子阱分析器
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5 飞行时间分析器(time-of-flight analyzer, TOF）
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6.2.6 质谱联用技术
1 气相色谱-质谱联用仪 (gas chromatography-mass spectrometer, GC-MS) 关键：接口。要求除去载气而使样品无损失地进入质谱仪 GC: 常压；MS: 真空 毛细管柱直接导入电离源 浓缩型接口（填充柱）：喷射式分子分离器 GC ：填充柱 毛细管柱均可 MS ：常用四极杆质谱仪 近来还有离子阱和飞行时间质谱仪
一对正电极使重离子透过！
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3 四极杆分析器
b 一对负电极时
重撞电极 轻离子沿y轴通过
一对负电极使轻离子透过！
c 四极滤质器使一定质量的离子既不被一对正电极又不被一
对负电极吸收，从而到达检测器 在另外的Vdc Vrf 下可接收到另外质量的离子。在一定的 Vdc/Vrf下，连续改变Vrf或Vdc可实现质量扫描。
裂解成碎片离子
AB
+ CD
+
D + C+ C + D+
BC AD + AD+ + BC BCD
+
ABCD ABCD
ADBC + ABCD (ABCD)2
裂解重排
+ ABCDA+
裂解碰撞
7
6.2
电子电离源的特点： 1 电离电压：70eV
质谱仪器
6.2.2 离子源
2 加一小磁场增加电离几率。 3 EI源碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库。 4 样品在气态下电离，不能汽化的样品不能分析，主要用于 气-质联用仪。
质谱仪器
6.2.2 离子源
4 介质辅助激光解吸电离源 (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization MALDI) 常用于 •Time-of-flight mass spectrometry 特点： 用于生物大分子，尤其是蛋白质的质量测定 主要产生 [M + H]+ [M - H]+ 和加和离子
的离子，其强度随时间变化的色谱图。
p316图9.17
•选择离子色谱图：表征某一化合物的数个特征离子流（分子离子 流、功能团离子流或强碎片离子流等）随时间变化的色谱图。适 用于目标化合物或目标类化合物的检测（定量）。
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1 气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)
GC-MS定性定量分析
总离子色谱图 某一组分的质谱图 库检索 选择离子色谱图 数个特征质量离子条件下色 谱图上是否同时出峰
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3 四极杆分析器
四根棒状电极
加速电压 5-15V
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3 四极杆分析器 质量过滤原理：
az平面，只有rf电压时 +半周，离子向中心点汇聚(A) -半周，向电极移动(B)，有可能撞电极不进入检测器 由沿z轴的移动速度，m/z及rf的频率和振幅决定
再加dc电压时 1 动能 E m v2 2 动量 P m v 2 Em, P m 重离子对电压变化不敏感，只受dc影响 轻离子撞电极
定量分析：同色谱法定量 利用质量色谱图使重叠峰分开
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2 液相色谱-质谱联用仪 (liquid chromatography-mass spectrometer, LC-MS) 组成： LC：普通LC MS：常用四极杆质谱仪，离子阱质谱仪，飞行时间质谱仪， 串联质谱仪 接口：ESI, APCI…… 数据系统：计算机 蛋白质库……
早期分辨率低的问题通过延迟萃取技术等已经得到解决。
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29
6.2
质谱仪器
6.2.4 检测器 (detector)
1 电子倍增器 electron photon multiplier
2 光子倍增器 photon multiplier 3 法拉第杯 Faraday cup
4 阵列检测器 array detectors
正离子在电场作用下被加速 所有离子同时飞越长度为L的无场空间，先后到达检测器
eV
1 1 L mv 2 m ( ) 2 2 2 t 2V V,L不变时， t由m/e决定 m / e 2 t2 L 一般，1-30s
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5 飞行时间分析器
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5 飞行时间分析器
特点： 简单、耐用，无质量范围限制。 取样速度快，适用于快速GC/MS；分析适用于脉冲离子化 方式（如MALDI）的大分子量的多肽、蛋白质。
Mass Spectrum
2
Inlet system
进样系统
6.2 质谱仪器 6.2.1 质谱仪器构成
Ion Detector
Ion Source
Analyzer
离子源 真空系统
10-2-10-6Pa
质量分析器
检测器
m/z
Mass Spectrum
Computer 3
质谱常见进样方法
―直接探头进样 The direct probe inlet: 固体或非挥发性液体 ―色谱进样：GC, LC
5 有些样品得不到分子离子。
6 适用于分子量低于1000的样品。
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2 化学电离源(chemical ionization CI) 反应气与样品分子碰撞使之电离，结构同EI，一般仪器EI和 CI可以互相切换 R R + R e R RH + (R-H)
CH5+ + CH3 C2H5++ H2 C2H3+ C3H5+ CH4 + CH4+ CH4 + CH3+
1 电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子， 不产生碎片离子。 2 产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 3 适用于强极性，大分子量的样品分析。 如肽，蛋白质，糖等。 4 主要用于液相色谱-质谱联用仪。
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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
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6.2
特点： 结构简单，操作方便 只有方向聚焦，无能量聚焦，分辨率低。
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2 双聚焦分析器 (double focusing mass analyzer) 双聚焦磁扇形分析器，double focusing magnetic sector
结构：磁场、电场任意顺序组合
原理：单聚焦分析器分辨率低的 主要原因在于它不能进行 能量聚焦。 双聚焦分析器具有能量聚 焦和方向聚焦的特点
第六章 质谱分析法(MS)
6.1 概述
质谱分析法是通过测定待测样品离子的质荷比（massto-charge-ratio）来进行分析的方法。
Overview of Mass Spectrometry
Sample Molecule (M)
M+/Fragmentation
Ionization
Mass Analyzer
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The principle of matrix assistance
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6.2
质谱仪器
6.2.3 质量分析器
作用：将离子源产生的离子按质荷比m/z的大小分开 ion separation
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 analyzer) 5 飞行时间分析器 (time-of-flight analyzer) 6 富立叶变换离子回旋共振 (Fourier transform ion cyclotron resonance)
第六章 质谱分析法(MS)
6.1 6.2 概述 质谱仪器 8.2.1 质谱仪器构成 8.2.2 离子源 8.2.3 质量分析器 8.2.4 检测器 8.2.5 傅立叶变换质谱仪 8.2.6 质谱联用技术 质谱解析 8.3.1 质谱中的离子 8.3.2 常见有机化合物的质谱 8.3.3 质谱解析例
1
6.3