基础医学课件质谱法(MS)--图文

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2 直接探针进样 对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样，可直接引人到离子源中，图4所示为一直接引人系统。
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(三)离子源
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(四)质量分析器
质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同方式将样品离子按质荷比m／z分开。质量分析器的主要类型有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器等。随着微电子技术的发展，也可以采用这些分析器的变型。 （l）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发生弯曲，见图7。
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（3）场致电离
应用强电场可以诱发样品电离。场电离源由电压梯度约为107～108V·cm-1的两个尖细电极组成。在距离很近的阴极和阳极之间，施加高电压(10~20kV)时，阳极的尖端附近产生强磁场，利用这个强磁场可将接近尖端的气态样品分子中的电子拉走，形成正离子。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过狭缝进人质量分析器。阳极前端必须非常尖锐才能达到电离所要求的电压梯度，通常采用经过特殊处理的电极，在电极表面制造出一些微碳针（＜1μm），大量的微碳针电极称为多尖陈列电极，在这种电极上的电离效率比普通电极高几个数量级。 场离子化是一种温和的技术，产生的碎片很少。碎片通常是由热分解或电极附近的分子一离子碰撞反应产生的，主要为分子离子和（M＋l）离子。结构分析中，往往最好同时获得场离子化源或化学离解源产生的质谱图和用电子轰击源的质谱图，而获得相对分子质量及分子结构的信息。
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§2 基本原理
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通过电离源将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此，对于不同的分子应选择不同的离解方法。通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法，而给样品较小能量的电离方法为软电离方法，后一种方法适用于易破裂或易电离的样品。 离子源是质谱仪的心脏，可以将离子源看作是比较高级的反应器，其中样品发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（～1μs）内发生，所以可以快速获得质谱。 许多方法可以将气态分子变成离子，它们已被应用到质谱法研究中，表1列出了各种离子源的基本特征。
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(一)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l．3×10-4～l．3×10-5Pa，质量分析器中应达l．3×10-6Pa）。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、本底增高、到反应过多，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真空后，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。
一、离子的产生
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（一）电子轰击
电子轰击法是通用的电离法，是使用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子，即 M＋e → M+＋2e 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。 电子束产生各种能态的M+。若产生的分子离子带有较大的内能（转动能、振动能和电子跃迁能），可以通过碎裂反应而消去，如 M+1 → M+3 M+ …… M+2 → M+4 式中M+1，M+2…为较低质量的离子
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(4)场致解吸(FD) 场致解吸是通过浸渍或注射被测样品在场致电离源的阳极表面形成一层液膜而进行的场致电离。该方法能用于电离不挥发或热不稳定的化合物。其缺点是所得到的总离子流比其它电离方法较低。 (5)快原子轰击(FAB) 快原子轰击是用2~10eV氩快原子轰击聚集态样品对溅射离子作质量分析获得快质谱。其过程是用一个离子源将输入的氩气电离成离子，然后使氩离子与中性氩气碰撞，用所发出的谐振电荷迁移过程，获得与氩离子的能量相近的快原子束 Ar →Ar+ + e Ar+ +Ar →Ar+Ar+
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3 四极滤质器 (Quadrupole Mass Filter)
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2 飞行时间分析器 （Time of Flight，TOF）
这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的，因为从离子源飞出的离子动能基本一致，在飞出离子源后进入一长约lm的无场漂移管，在离子加速后的速度为：
此离子达到无场漂移管另一端的时间为 t=L/υ
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质 谱 法 (MS）
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ຫໍສະໝຸດ Baidu *
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§1 概述
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气态分子受一定能量的电子流轰击后，失去一个外层价电子而成为带正电的离子。在电场和磁场的作用下，这些阳离子按照质子质量大小(质荷比 M／Z)依次排列而成的谱图被记录下来，称为质谱图（亦称质谱，Mass Spectrum）。
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根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。 从20世纪60年代开始，质谱法更加普遍地应用到有机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究室及分析实验室的标准仪器之一。
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（6）激发电离(火花源 )
对于金属合金或离子型残渣之类的非挥发性无机试样，必须使用不同于上述离子化源的火花源。火花源类似于发射光谱中的激发源。向一对电极施加约 30 kV脉冲射频电压，电极在高压火花作用下产生局部高热，使试样仅靠蒸发作用产生原子或简单的离子，经适当加速后进行质量分析。火花源具有一些优点：对于几乎所有元素的灵敏度较高，可达10-9；可以对极复杂样品进行元素分析，对于某个试样已经可以同时测定6O种不同元素；信息比较简单，虽然存在同位素及形成多电荷离子因素，但质谱仍然比原子发射光谱法的光谱要简单得多；一般线性响应范围都比较宽，标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂，操作复杂，限制了使用范围。
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此时离子受到磁场施加的向心力Bzeυ作用，且离子的离心力mυ2·r-1也同时存在，r为离子圆周运动的半径。只有在上述两力平衡时，离子才能飞出弯曲区，即 HeV=mυ2/R 其中B为磁感应强度，e为电荷，υ为运动速度，m为质量，r为曲率半径。调整后，可得 υ 2 =HeR/m , ∵ eV = 1/2mυ2 ∴
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二、质谱方程
离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及正离子电荷e有关，即 正离子在磁场中受的向心力和离心力相等 即 离子在未进入磁场前轨道是直线的，进入轨道后受洛仑兹力的作用，使带电粒子的运动轨道弯曲。
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ABCD + e→ ABCD+ + 2e (分子离子) → A+ + . BCD或. A + ABCD+ ABCD+. → AB+ + . CD或. AB + CD+ → ABC+ + . D或. ABC + CD+ AB+ → A+或 B+ (正碎片离子) ABCD+. → AD+ + . BC或. AD + BC+ (重排)
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（2）化学电离 在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。但经电子轰击产生的M+峰，往往不存在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法，其中之一就是化学电离法。化学电离法是通过离子一分子反应来进行，而不是用强电子束进行电离。离子（为区别于其他离子，称为试剂离子）与试样分子按下列方式进行反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个H+或电子，试样则变成带+l电荷的离子。 化学电离源一般在 1.3×102～1.3×103Pa压强下工作（现已发展出大气压下化学电离技术），其中充满 CH4，首先用高能电子进行电离产生CH5+和C2H5+，即
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磁场方向
电荷运动方向
洛仑兹力方向
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§3 质谱仪
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一、质谱仪的基本结构
质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同m／z的离子来进行分离分析的。质谱仪须有进样系统、电离系统、质量分析器和检测系统。为了获得离子的良好分析，必须避免离子损失，因此凡有样品分子及离子存在和通过的地方，必须处于真空状态。
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CH4 ＋ e→ CH4+·＋2e CH4+·→ CH3+ + H· CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即 CH4+·＋ CH4 → CH5+ ＋ CH3· CH3+＋ CH4→ C2H5+＋ H2 CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，一旦小量样品（试样与甲烷之比为1:1000）导入离子源，试样分子（SH）发生下列反应： CH5+＋ SH → SH2+＋ CH4 C2H5+＋ SH → S+ ＋ C2H6。 SH2+和S+然后可能碎裂，产生质谱。由(<M十H)或(M-H)离子很容易测得其相对分子质量. 化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（由异丁烷）、NH4+（由氨）、H30+（由水）的试剂离子则可更进一步简化。
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(二)进样系统
进样系统的目的是高效重复地将样品引人到离子源中并且不能造成真空度的降低。目前常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样及色谱进样系统。一般质谱仪都配有前两种进样系统以适应不同的样品需要，有关色谱进样系统将在专门章节介绍。
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1 间歇式进样系统 该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体样品进样，典型的设计如图3所示。 通过可拆卸式的试样管将少量（10～100μg）固体和液体试样引入试样贮存器中，由于进样系统的低压强及贮存器的加热装置，使试样保持气态。实际上试样最好在操作温度下具有1.3—0.13Pa的蒸气压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大，样品离子可以通过分子漏隙（通常是带有一个小针孔的玻璃或金属膜）以分子流的形式渗透过高真空的离子源中。