液相色谱-质谱联用仪的原理及应用

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质谱的工作要求高真空系统 LC-MS联用首先要 解决的问题是真空 的匹配。
液相色谱一般在常压下工作
除了真空匹配之外,液质联机技术发展可以说就是接口 技术的发展。
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液相色谱-质谱联用接口的发展
20世纪70年代 直接液体导入接口(DLI) 移动带技术(MB)
20世纪80年代
热喷雾接口(TS) 粒子束接口(PB) 快原子轰击接口(FAB) 基质辅助激光解析接口(MALDI) 电喷雾电离接口(ESI) 大气压化学电离接口(APCI)
质荷比:
峰: 离子丰度: 基峰:
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质谱谱图
基峰: 谱图中最强的离子
丰度
[M + H]+
假分子离子或准分子离子
A+1 A+2
{
来源于自然界中 同位素
m/z
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质谱中的离子
分子离子: 它 准分子离子: 确 样品分子失去一个电子而形成的单电荷离子, 代表样品的分子量。 指与分子存在简单关系的离子,通过它也可以 定分子量。液质中最常见的准分子离子峰是 [M+H]+,[M-H] – ,[M+Na]+等。 分子离子或准分子离子裂解生成碎片离子,碎 片离子还可能进一步裂解成质量更小的碎片离 子,碎片离子是解析质谱图,推断分子结构的 重要信息。
碎片离子:
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质谱中的离子
母离子与子离子:任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离 子,前者是后者的母离子或前体离子,后者是 前者的子离子。 同位素离子: 由元素的重同位素构成的离子。各种元素的同 位素基本上按照其在自然界的丰度比出现在质 谱中,有利于确定化合物及碎片的元素组成。
由离子源到检测器的飞行途中裂解的离子。可 以指示离子产生的途径,对结构判断很有用。
液相色谱-质谱联用仪 的原理及应用
福州大学测试中心 冯蕊
1
色谱-质谱联用仪
实现对复杂混合物更 色谱的分离能力 质谱的定性功能 准确的定量和定性分 析。而且也简化了样
品的前处理过程,使
样品分析更简便。
2
色谱质谱联用的接口
接口:是将色谱仪与质谱仪直接联接起来的装置。
作用:将通过色谱仪分离开的各种组分逐一送入质谱仪中进
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大气压化学电离源 APCI
APCI源原理:喷嘴下游放置一个针状放电电极,进行高压放电, 使空气中某些中性分子电离,产生H3O+,N2+,O2+ 和O+ 等离子, 溶剂分子也会被电离,这些离子与样品分子进行离子-分子反应, 使样品分子离子化。
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特点: 属于“软”电离方式,适 于分析质量数小于2000u的 弱极性小分子化合物。 只产生单电荷离子,主要 是准分子离子,很少有碎片 离子。 主要应用于液相色谱-质 谱联用仪。
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四极杆质量分析器
传统的四极杆质量分析器是由四根笔直的棒状电极与轴线平行并 等距离的置悬着构成,棒的理想表面为双曲面。在一定DC/VC作 用下,只有m/z满足一定要求的离子才能通过四极杆到达检测器, 其他离子被滤掉。
+
+ +
四极杆质量分析器示意图
+
四极杆质量分析器具有重量轻、体积小、造价低廉等优点。
快原子轰击电离源示意图
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电喷雾电离源 ESI
ESI源原理:流出液在高电场下形成带电喷雾,在电场力作用下 穿过气帘;从而雾化、蒸发溶剂、阻止中性溶剂分子进入后端检 测。
电喷雾电离源示意图
特点: 1. 是一种软电离方式,适于分析极性强的有机化合物。 2. 容易形成多电荷离子,可以测量大分子量的蛋白质。 3. 主要应用于液相色谱-质谱联用仪。
影响色谱柱的分离柱效; 2. 接口应能使色谱分离后的各组分尽可能多的 进入质谱仪的离子源,同时使色谱流动相尽可 能的不进入质谱的离子源; 3. 接口的存在不改变色谱分离后各组分的组成 和结构。
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离子源
离子源将欲分析样品的原子或分子电离,得到带电离 子,并对离子进行加速使其进入质量分析器。根据电离 方式的不同,常用的有:
连续地运行以保持真空。
只有在足够高的真空下,离子才能从离子源到达检测 器,真空度不够则灵敏度低。
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进样系统
进样系统是将分析样品引入到离子源的装置。
进样方式: 1 直接进样 2 仪器联用的进样 (GC、LC、CE)
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仪器联用的进样
色谱-质谱联用仪的接口和色谱仪组成了质谱的进样 系统。
接口应满足:1. 接口的存在既不破坏离子源的高真空,也不
电子轰击电离源示意图
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化学电离源 CI
CI源原理:利用反应气体的离子和样品分子发生分子-离子反应 而生成样品分子离子。 特点: 谱图简单,最强峰为分子离
+ +
气体分子
试样分子
子峰和准分子离子峰,碎片 离子峰很少。 可用于负离子质谱,多数有 机化合物的负离子CI质谱图 灵敏度要比其正离子的CI质 谱图高2-3个数量级。
20世纪90年代
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直接液体导入接口 DLI
DLI: 是在真空泵的承载范围内,以细小的液流直接 导入质谱。
优点:是液质方法的最简单的接口,造价低廉。 缺点:无法在大流量下工作; 喷口易堵塞。 此方法始终停留在实验室使用阶段,没有真正形成商 品化仪器。
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移动带技术 MB
MB: 是在LC柱后增加一个传送带,柱后流出物滴落 在传送带上,经红外线加热除去大部分溶剂后进 入真空室,传送带依据流动相的组成调整移动速 度。 优点:基于溶剂和样品的沸点差别进行分离,可被用于 大部分有机物的质谱分析。
Sample Inlet
Ionization Source
离子源
质量分析器
Mass Analyser
Detector
检测器
Data System
数据处理系统
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真空系统
质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须处于高真 空状态。若真空度过低,则会造成离子源灯丝损坏、 本底增高、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真空泵(前级低真空泵)预抽 真空,再用高效率油扩散泵或分子涡轮泵(高真空泵)
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粒子束接口 FB
FB: 又称动量分离器。流动相及样品被喷雾成气 溶胶,脱去溶剂后在动量分离器内产生动量 分离,而后经一根加热的转移管进入质谱。
+
准分子离子
电子
化学电离源示意图
不适用难挥发试样。
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快原子轰击电离源 FAB
FAB源原理:氩气被电子轰击而电离,生成的氩离子被电子透镜 聚焦并加速生成动能可控的离子束,经过中和器中和掉离子束所 带的电荷,成为高速定向运动的中性原子束,用此原子束轰击样 品使其电离。
特点: 适用于分析大分子 量、难气化、热稳定 性差的样品。
决,近年有了飞速发展。适宜分析大分子(包括蛋白、多肽多聚物 等)、不挥发、热不稳定、极性的化合物。
毛细管电泳-质谱联用:近年发展迅速,特别对生物大分子
的分类分析十分有用。
4
质谱仪
质谱仪包括真空系统、进样系统、离子源、质量分析 器、检测器和数据处理系统。
Vacuum System
真空系统
进样系统
行分析。接口要协调前后两种仪器的输出和输入间的
矛盾。将两种仪器的分析方法结合起来,协同作用, 取长补短,获得单独使用时所不具备的功能。
因此,接口是色谱质谱联用技术中的关键装置。
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色谱质谱联用的分类
气相色谱-质谱联用:开发最早的色谱联用仪器,适宜分析
小分子、易挥发、热稳定、能气化的化合物。
液相色谱-质谱联用:液相色谱-质谱联用的接口问题得到解
HPLC inlet
APCI
+ + + +
+
Corona
大气压化学电离源示意图
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基质辅助激光解析电离源 MALDI
MALDI源原理:待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发,使 分析物与基质成为晶体或半晶体,用一定波长的脉冲式激光进行 照射时,基质分子能有效的吸收激光的能量,使基质分子和样品 分子进入气相并得到电离。
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磁质量分析器
磁质量分析器是根据离子束在一定场强的磁场中运动时,其运动 的曲率半径与离子的质荷比和加速电压有关。是质谱仪中最早使 用的质量分析器。分为单聚焦磁质量分析器和双聚焦磁质量分析 器。
单聚焦磁质量分析器示意图
双聚焦磁质量分析器示意图
特点:单聚焦磁质量分析器分辨率低,双聚焦磁质量分析器分 辨率很高。
特点: 1)检测离子的质荷比范围非常宽; 2)灵敏度高,适合于作串联质谱的第二级; 3)扫描速度快,适合研究极快过程。
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离子阱质量分析器
离子阱与四极质量分析器的原理 类似,当高频电压幅值和高频电 压频率固定为某一值时,只能使 某一质荷比的离子在阱内一定轨 道上稳定旋转,改变端电极电压, 不同m/z离子飞出阱到达检测器。
缺点:不适于分析高沸点、难挥发的化合物; 离子化效率低; 灵敏度低; 移动带上残存的难挥发物质易造成记忆效应而干 扰分析。
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热喷雾接口 TS
TS: 喷雾探针取代直接进样杆,流动相经过喷雾针 时被加热到低于完全蒸发点5-10℃,体积膨胀 后以超声速喷出探针形成雾状混合物。 优点:可适应较大流速和含水较多的液相流动相。 缺点:分子量局限于200-1000u的化合物; 对热稳定性较差的化合物有比较明显的分解作 用。
亚稳离子:
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质谱中的离子
单电荷离子:
多电荷离子:
带有1个电荷的离子,z=1。
带有2个或更多电荷的离子,如 z≥2。
奇电子离子(OE):带未成对电子的离子,以符号“+·”表示。 偶电子离子(EE):外层电子完全成对的离子,以符号“+” 表示。
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液相色谱-质谱联用
液相色谱-质谱(LC-MS)联用技术的研究开始于 20 世纪70年代,直到90年代才出现被广泛接受的商品 接口及成套仪器。
大气压化学电离源 atmospheric pressure chemical ionization
source, APCI 基质辅助激光解析电离源 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI
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电子轰击电离源 EI
EI源应用最为广泛,特别是气相色谱-质谱联用仪中应用最多的 离子源,它主要用于挥发性样品的电离。 原理:由进样系统进入的气体样品到达离子源,与灯丝发出的 电子发生碰撞使样品分子电离。
特点: 单一的离子阱可实现多极 “时间上”的串联质谱; 结构简单、价格便宜,性价 比高; 灵敏度高; 质量范围大。
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检测器
质谱仪常用的检测器有直接电检测器、电子倍增器、 闪烁检测器和微通道板等。
电子倍增器运用质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的阴极表
面,使其发射出二次电子,再用二次电子依次轰击一系列电极, 使二次电子获得不断倍增,最后由阳极接受电子流,使离子束信 号得到放大。
基质辅助激光解析电离源示意图
MALDI适用于生物大分子,如肽类,核酸类化合物。可得 到准分子离子峰,碎片离子和多电荷离子较少.
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质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心, 质量分析器的作用是将离 子源产生的离子按m/z顺序进行分离并排列。
常用的质量分析器有:
磁质量分析器(Magnetic Sector Analyzer) 四极杆质量分析器(quadrupole mass analyzer) 飞行时间质量分析器(time of flight, TOF ) 离子阱质量分析器(ion trap)
电子倍增器示意图
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数据处理系统
质谱仪都配有完善的计算机系统,不仅能快速准确的采集数据
和处理数据,而且能监控质谱仪各单元的工作状态,实现质谱
仪的全自动操作,并能代替人工进行化合物的定性和定量分析。
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质谱谱图
质谱图: 以检测器检测到的离子信号强度为纵坐标,离子 质荷比为横坐标所作的图就是质谱图。 离子质量(以相对原子量单位计)与它所带电荷 (以电子电量为单位计)的比值,写作m / z 。 质谱图中的离子信号通常称为离子峰或简称峰。 检测器检测到的离子信号强度。 在质谱图中,指定质荷比范围内强度最大的离子 峰称作基峰。
电子轰击电离源 electron impact ionization source, EI
化学电离源 chemical ionization source, CI
快原子轰击电离源 fast atom bombardment source, FAB 电喷雾电离源 electrospray ionization source, ESI
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飞行时间质量分析器
用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出,经加速电压加速,它 们具有相同的动能进入漂移管,质荷比小的离子具有最快的速 度因而首先到达检测器,质荷比大的离子则最后到达检测器。
Ion Source Drift Region Reflection
Detector
配离子反射镜的飞行时间质谱示意图
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