质谱的原理和仪器

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2．四极质量分析器(quadrupol mass analyzer)(quadrupole mass filter)
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四极质谱仪的质量分析器是由四根棒状电极组 成，两对电极中间施加交变射频场，在一定射频 电压与射频频率下，只允许一定质量的离子通过 四极分析器而到达接收器。
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图4 四极质量分离器
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按离子源、静电场分析器、磁分析器顺序排列为顺置型双 聚焦质谱仪
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逆置型双聚焦质谱仪，其磁分析器位置在前，静电分析器 位置在后。这是最重要的质谱/质谱串联结构之一。
在离子源与磁场之间的区域是第一无场区。磁场与电 场之间为第二无场区，是最重要的无场区，可以设置各种 碰撞室和电极，以观察离子的碎片反应。
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3.质量分析器
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不同质荷比的离子分开排列成谱，是质谱仪的核 心。不同类型的质量分析器有不同的原理、特点、 适用范围、功能。 用于有机质谱仪的质量分析器有 磁式双聚焦分析器 四极杆分析器 离子阱分析器 飞行时间分析器 回旋共振分析器等。
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4.检测器
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检测各种质荷比的离子，将其转化成电信号再进行记录。 检测器的种类有电子倍增器、光电倍增器、平板式微通道板检 测器等 现用得较多的是光电倍增器，永久性地密封于其自身的玻璃真 空外壳中，这样可以保护光电倍增器在很宽的动态范围内，无 论是检测正离子还是负离子，都能保持高灵敏度、恒定的增益 和线性,并且使用寿命长达 10 年。 平板式微通道板检测器则用于飞行时间质谱仪 (TOF)。因为 TOF 作为质量分析器是脉冲式检测方式，离子按质量大小以不 同的飞行时间依次到达检测器。这种平板式微通道板检测器具 有极高的灵敏度。
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5.计算机、数据处理系统
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计算机系统的功能是对质谱仪进行控制，包括对质谱数 据的采集、处理和打印。 现有电子轰击源 (EI) 的质谱仪的均有 NIST 标准谱库， 谱库中有十几万张标准谱图及用于环保、农药、兴奋剂, 代谢产物等专用谱库。可进行谱库检索。 高分辨质谱仪其数据系统的软件则更丰富，还能给出分 子离子和其他碎片离子的元素组成及理论计算值、偏差 值, 饱和度等其他有关信息。 代谢产物鉴定、蛋白及多肽序列测定。
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6.真空系统
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为了保证离子源中灯丝的正常工作，保证离子在离 子源和分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞， 散射效应，复合反应和离子-分子反应，减小本底 与记忆效应, 质谱仪的离子源和分析器一般真空度 都要求在 10-5-10-8 Torr 才能工作。 真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮分子泵组成。 通常用机械泵预抽真空，然后用扩散泵或涡轮分子 泵连续地抽气。
r = km/e V 2 H
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设计质谱仪器的主要依据
其中 k 是比例常数，曲率半径为 r。 具有相同 m/e 的离子偏转程度相同。
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二、质谱仪的具体组成---共六个单元
1.进样系统 � 在不破坏真空的情况下使样品进入离子源。 a.探头进样系统 一般最常用的探头有电子轰击源直接进样杆,快原子轰击 源直接进样杆等。
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) 3．灵敏度(senstivity senstivity)
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表示质谱仪出峰的强度与所用样品量之间的关系。表明所 选定的样品在一定的分辨率情况下，产生一定信噪比的分 子离子峰所需的样品量。
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测定灵敏度的方法多种多样的，一般直接进样灵敏度的测 定方法是：在固定分辨本领的情况下，直接进入微克量级 的某种样品，看其分子离子峰的强度与噪声的比值，就是 信/噪比值，用 S/N 表示。噪声指基线的强度
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�ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 1 mv 公式3 zeV= 2 所描述的是理想情况。
----离子在加速前，其动能并非绝对为零，而是在某一 较小的动能值之内有一个分别。 ----同一质量的离子，加速后的速度也略有差别，因此 它们经静磁场偏转后不能准确地聚焦于一点，也就是 说静磁场具有能量色散作用。仪器的分辨率不是很高。
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当质荷比为m/z的离子沿z轴方向射入四极场 时，其运动方程比较复杂，将其简化为：
d 2x 2 + （a + 2qcos2 ξ）x = 0 dt 马超方程
d2y 2 + （a + 2qcos2ξ）y = 0 dt
其中： a= q=
8 eU
ω2
U为直流电压 V为射频电压
mr 2 0 4 eV
ω2
8
b. 储罐进样系统
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包括储气室、加热器、真空连接系统及一个通过分子漏孔 将样品导入离子源的接口。 气体和液体样品在不需要进一步分离时用此方式进样，储 气罐可加热至 200℃。此进样方式一般用于石油工业、环 保等领域。 用于 ESI(电喷雾电离源) 和 APCI(大气压化学电离源）的 直接进样。
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c. 注射泵进样系统
d. 色谱进样系统
用于 GC-MS,HPLC-MS,CE-MS
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2.电离和加热室 (离子源)
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被分析物质被电离，形成各种离子。不同性质的样品 需用不同的电离方式。为使生成的离子到达质量分析 器，在离子源的出口施加一个高电压即加速电压，对 离子进行加速。不同的分析器有不同的加速电压。 离子源的种类很多： 电子轰击电离源（ EI） 化学电离源（ CI） 场致电离源（ FI） 场解吸电离源（ FD） 快原子轰击源（FAB） 激光解吸电离源 LD） 热喷雾电离源（ TS） 电喷雾电离源（ ESI） 大气压化学电离源（ APCI） 基质辅助激光解析电离源（ MALDI）等。
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改变加速电V(对应离子动能的变化)，离子的轨道半径 也发生变化。当仪器将离子的运动轨道半径r 固定后， 公式5可改写为：
B m z =kV
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公式6
) 与磁场强度的平方成正比，而 表明离子的质荷比(m/z m/z) 与加速电压成反比。
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增加磁场强度使仪器的质量范围增大；降低加速电压 也能达到相同目的，但仪器灵敏度有所下降。
为提高仪器的分辨率，质量分析器除了采用一个扇形 磁场外，还加上一个扇形电场即静电分析器形成了双 聚焦质量分析器。
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静电场的作用：离子束经静电场的偏转后，离子按能 量的大小顺次排列。加速后的离子在静电分析器中作 圆周运动，所受的向心力由离子所受的电场力提供：
mv 2 zeE= re
E 为静电分析器两极间的电位差 re 为离子在静电分析器中作圆周运动的半径。 因此，静电场可看作是一个能量分析器。静电场有方 向聚焦作用，也有能量色散作用。
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如果设法使静磁场和静电场这二者的能量色散数值相 等，方向相反，离子在通过扇形静电场和扇形磁场 后，即达到能量聚焦。加上方向聚焦的作用，这就是 “双聚焦”。
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扇形静电场加扇形磁场，达到了：方向聚焦、能量聚
焦、质量色散的目的。将扇形磁场和静电场串联，并
安排适当的离子光学参数，则在某点可达到方向和能 量的双聚焦。离子在方向、能量都聚焦的情况下，质 谱可达到高分辨。
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1950 年至 1970 年：有机质谱迅速发展为测定有机化合 物分子量和结构的强有力的工具。主要研究分子量小于 1000Da 的有机分子。 1981 年：出现了快原子轰击质谱，有机质谱开始分析研 究极性大、热不稳定的多肽和小蛋白质等 1988 年：出现了电喷雾电离质谱、基质辅助激光解析电 离飞行时间质谱，傅立叶变换质谱法开创了有机质谱分析 研究生物大分子的新领域。进入了生命科学的范畴。 近年来质谱与各种色谱的联用技术发展迅速。如 HPLCESI-MS,毛细管电泳 CE-ESI-MS等，并发展了微量电喷雾 电离接口技术。
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4. 质量精度
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利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的性能指 标。
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在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低于±0.4 质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相对精度 一般在1~5ppm。
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四、质量分析器： 介绍五种不同的分析器
不同分析器构成了不同种类的质谱仪器。每种类型的 质谱仪器的操作原理、功能和应用范围也有所不同。
mr 2 0
ξ = ωt/2
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方程的解非常复杂，所代表的物理意义可用 a,q坐标的曲线可 表示。
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a,q值在稳定区内的离子产生稳定振荡，顺利通过四极场到达 检测器；a,q值在非稳定区的离子因产生不稳定振荡而被电极 中和。操作仪器时，变化参数有 U、V、ω三个。一般固定 ω，a/q=U/V为常数对V进行扫描，可使一组不同质量的离子 先后进入稳定区而被检测。a/q值越大(扫描成的斜率越大)，在 扫描线上稳定区的质量范围越窄，仪器的分辨率越高。
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质谱分类
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目前质谱在药检领域的应用迅速增加，原因是许 多保健品、中药制剂、食品等非法添加化学成 分，需要做出鉴定，虽是中国国情使然，却也为 仪器供应链创造了商机。
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一、有机质谱的基本原理：
进样系统 离子源 (电离和加速，形成各种离子) 质量分 析器 (把不同质荷比的离子分开) 检测器 (检测各种质荷 比的离子) 数据处理系统。 被测样品首先通过进样系统进入离子源被离子化，然 后进入分析器，利用离子在电场或磁场中运动行为的不 同，因而能将其按质荷比分开而得到样品的质谱图。
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三、质谱仪的主要指标 三个主要指标-质量范围、分辨率、灵敏度
1．质量范围(mass range) 指质谱仪所检测离子的质荷比范围。对单电荷离 子而言，就是指离子的质量范围。在检测多电荷时， 所检测的离子根据其带多少个电荷而扩展其的质量范 围。 2．分辨率(resolution） 分辨率又称之为分辨本领。这是 质谱仪的一个重要性能。一般规定： 当两个峰之间峰谷的高度超过两峰平 均高度的10%时，则两峰没有被分开。
1．单聚焦(single-focusing)和双聚焦 (double-focusing)质量分析器
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单聚焦质量分析器 -- 使用扇形磁场。 双聚焦质量分析器 -- 使用扇形磁场及扇形电场。
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工作原理：离子源中形成的各种 (正)离子被加速电压加速获得动能：
1 mv 2 zeV= 2
V - 加速电压； v - 离子被加速后的速度； ze - 离子所带电荷(e为电子所带的电荷量，z为正整数)； m - 离子质量。
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合并上述两式，消去v,可得：
1 2mV r= ( ze ) B
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公式5
V加速电压固定，通过B(磁场强度)的扫描，顺次记录下 各质荷比离子的强度，从而得到所有m/z离子的质谱图。
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不同质量的离子具有不同的轨道半径，质量越大，其轨 道半径也越大。这意味着磁场有质量色散能力,可以单独 用作质量分析器。
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主要过程
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) 在离 高真空度下 (10-5～10-8Torr ), 高能电子束 (10-70 eV eV) 子源内激发样品的气态分子，分子失掉一个电子形成分子 离子 [M]+。 电子束获得的能量还能使分子离子进一步裂解，生成较小 质量的碎片离子和中性碎片。 离子都被静电压 V 加速，然后进入与运动方向相垂直,强度 ) 分开并按质荷比大小 为 H 的磁场。将离子按质荷比 (m/e m/e) 排列成谱图形式。 离子飞行方向依 m/e 的大小而偏转 ，其关系为：
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磁式质谱仪的分辨率R的公式：
R=
M M
公式1
M：为可分辨的两个峰的平均质量 △M：为质谱仪可分辨的两个峰的质量差。 由此可见分辨率是质谱仪分开相邻两离子质量的能力。 实际测量中将此公式写成：
M R10% = M ×
a b
公式2
式中 a为相邻两峰的中心距离； b为峰高5%处的峰宽； 对傅里叶变换质谱 FT-ICR及飞行时间质谱仪 (TOF)而言，分辨率仍用 公式1。
公式3
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被加速后的离子进入磁场，离子运动的方向和磁力线 垂直。在磁场中，运动的离子如同电流，会与磁场产 生相互作用力。离子受磁场的作用力作圆周运动。离 子所受的磁场作用力提供离子作圆周运动的向心力。
mv Bzev= r
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公式4
式中：B – 磁场强度(洛伦磁力) r - 离子的运动轨道半径；
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质谱 Mass Spectrometry
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发展历史
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上个世纪初英国学者 J.J. 汤姆森制成第一台质谱仪 第一台商品质谱仪: 1942 年 早期应用：原子质量、同位素相对丰度以及研究电子碰撞 过程等物理领域。
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1950 年后：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 上个世纪60 年代末：色谱-质谱联用仪出现，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； 计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更 加成熟，使用更加方便。