质谱仪的使用

2、离子源或电离室
• 使试样中的原子或分子电离为离子(正离子或负 离子)，并将离子引出、加速、聚焦进入质量分 析器。主要有电子轰击离子源、化学电离源、 表面电离源、场致电离源、场解吸电离源、快 原子轰击源等。
电子轰击离子源(EI源)：
• 阴极(灯丝在2000度以上产生70eV能量电子)发射的高能电 子轰击气态原子或分子，使其成为离子。有机物分子不仅 可能失去一个电子成为离子，而且可进一步发生断键，产 生碎片离子和中性自由基，这些碎片离子可用于有机物的 结构鉴定。 • 优点：易于实现，图谱重现性好，便于计算机检索及相互 对比；含有较多的碎片离子信息，这对推测未知物结构非 常有帮助，目前质谱图库就是以EI源图谱建立。因此EI是 用的最多的电离源。 • 缺点：当样品分子不稳定时，分子离子峰强度低，甚至没 有分子离子峰，当样品分子不能气化或遇热分解时，则更 没有分子离子峰。
• 转换极是一个与离子束成适当角度放臵的金属凹面， 作负离子检测时加上+10KV电压，作正离子检测时 加上-10KV电压。转化打拿极增强信号并减少噪音， 在转化极上加上高压可得到高转化效率，增强信号。 因为每个离子打击转换极都产生许多二次粒子。倍 增极是从涂复氧化物的电极表面产生一个电子瀑布 以达到放大电流的器件。从转换打拿极产生的二次 粒子以足够的能量打击电子倍增器阴极最近的内壁， 溅射出电子，这些电子被逐步增加的正电位梯度牵 引，向前加速进入阴极。由于阴极的漏斗形结构， 溅射电子不能迁移很远便再次碰到阴极表面，导致 更多的电子发射。于是形成一个电子瀑布，最终在 阴极的未端，电子被阳极收集，得到一个可测量的 电流，阳极收集的电流正比于打击阴极的二次粒子 的数量。 • 通常电子倍增器的增益为105～108。
1、进样系统
是将样品送入离子源。由于质谱需在高真空条件下工作， 故进样系统需要适当的装臵，使其在尽量减小真空损失的 前提下将气态、液态或固态试样引入离子源。进样方法有： •间歇式进样：将少量固体或液体试样导入试样贮样器，由 于贮液室的压力比电离室压力高1-2个数量级，因此部分 样品便从贮样室的通过分子漏隙进入电离室。 •直接探针进样：对固体和非挥发的试样，将样品用探针插 入电离室，升温，产生达到10-4Pa左右的蒸汽压分子并进 行电离。 •色谱和毛细管电泳进样：将质谱与气相色谱、高效液相色 谱或毛细管电泳柱联用，使其兼有色谱法的优良分离功能 和质谱法强有力定能力。
6、数据处理系统
• 控制质谱运行和数据采集处理。采集方式 可分为全扫描和选择离子扫描。
二、质谱仪的性能指标
• 分辨率、灵敏度、质量范围、质量精度
三、色谱质谱联用仪
• 质谱仪种类繁多，不同仪器应用特点也不 同,一般来说，在300º C左右能汽化的样品， 可以优先考虑用GC-MS进行分析，因为GCMS使用EI源，得到的质谱信息多，可以进 行库检索。毛细管柱的分离效果也好。如 果在300º C左右不能汽化，则需要用LC-MS分 析，此时主要得分子量信息，如果是串联 质谱，还可以得一些结构信息。
3、质量分析器
• 是质谱仪的核心，质量分析器把不同质荷 比的离子分开。不同质量分析器有不同的 原理、特点、适用范围和功能。主要有单 聚焦、双聚焦、四极杆、时间飞行和离子 阱质量分析器。
(1)单聚集质量分析器：
• 使用扇形磁场，离子在磁场中 的运动半径取决于磁场强度、 m/z比和加速电压，当固定加速 电压而连续改变磁场强度时， 可使不同m/z 离子发生分离并 依次通过狭缝，到达收集极。 • 缺点：分辨率低，只适用于离 子能量分散小的离子源如EI、 CI组合使用。
(4)离子阱质量分析器
• 优点：相当于四极杆的串联质谱，因此检出 限低；灵敏度高，比四极杆高10-1000倍； 质量范围大。 • 缺点：质谱图与标准图谱有一定差别（这是 因为离子在阱内停留时间长了，可能发生离 子-分子的反应），不适用于目前的谱库。
四级杆和离子阱质量分析器哪种好?

严格说这两者用途侧重点不一样，不好比较。一般说 四级杆重现性好，积累了多年经验，技术比较成熟， 而目前的质谱图库中的图均是用四级杆做得，所以实 验中核对查图比较方便。 离子阱选择性好，可以选择目标物进行分析，接省分 析时间，其检索结果常与质谱库图有差异。
大气压化学电离(APCI)：
• 样品溶液仍有个有雾化气套管的毛细管中流出， 被氮气流雾化，通过加热管时气化。在加热管端 尖端放电，溶剂分子被电离，溶剂的离子与样品 分子反应(与CI相似)，得到样品分子的准分子离 子峰。 • 都是很软的电离方法，易于得到样品的分子量。 为得到进一步的结构信息需进行碰撞诱导断裂 （CID），这在LC与MS的“接口”中完成，通过调 节电压，可以得到不同断裂程度的质谱。
磁 场
S
1 B
R
S2
离 子 源
收 集 器
(2)双聚焦质量分析器：
使用扇形磁场和 扇形电场，同时 实现了方向聚焦 和能量聚焦。
磁场
+
• 最大优点是分辨 率高，缺点是价 格太高，维护困 难。分辨率可达 几千，高的可达 百万。
S1 S2 收集器
离子源
双聚焦质谱仪
(3)四极杆质量分析器：
• 也叫四极滤质器，由四根平行的棒状电极组成。 电极的截面近似为双曲面，二对电极之间的电位 是相反的，电极上加上直流电压U和射频(RF)交变 电压Vcont。 • 改变U、V、三个参数，只有某一种（或一定范 围）质荷比的离子能够到达收集极，其他离子在 运动过程中撞击柱形电极而被“过滤”掉最后被 真空泵抽走。如果保持交流电的频率()不变， 只改变交流和直流电压，可使不同质荷比的离子 依次到达收集极。
GCMS仪：
• 由于质谱是对气相中的离子进行分析，因此 GC与MS的联机困难较小，主要是解决压力上的差 异。色谱是常压操作，而质谱是高真空操作，焦 点在色谱出口与质谱离子源的连接。由于毛细管 柱载气流量小，采用高速抽气泵时，二者就可直 接连接。组分被分离后依次进入离子盒并电离， 载气被抽走。 • 质谱计的采样速度应比毛细管柱出色谱峰的 速度要快。质谱作为气相色谱的检测器，可同时 得到质谱图和色谱图，目前既可定性好可定量。 质量检测器主要四极杆和离子阱等
• • •
•
电喷雾电离(ESI)：
• 样品溶液从具有雾化气套管的毛细管端流出，在 下列几方面的作用，在大气压下喷成在溶剂蒸气 的无数微带电荷的液滴（管端加几千伏的电压； 雾化气N2的吹带；一定的温度），液滴在运动中 溶剂不断蒸发，液滴很快变小，表面电荷密度不 断增大。在这样的情况下，就会从液滴中排出溶 剂和样品的分子和离子。通常小分子得到带单电 荷的准分子离子，生物大分子得到多电荷的离子。 • 电喷雾是很软的电离方式，它通常没有碎片离子 峰，只有整体分子峰。
质谱仪
应化系:曹国庆
• 质谱法（mass spectrometry）常称为质谱(MS), 是一种利用质量分析方法进行鉴定物质结构的仪 器分析方法。质谱分析法是通过对被测样品离子 的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被 分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在 电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比 （m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关 信息，可以得到样品的定性定量结果。 • 原理：样品中原子或分子在电子的轰击下发生电 离成为离子，通过电场的加速，在磁场的作用下 安质荷比值进行分离，然后进行检测。
离子流的记录
各种的离子流，经 （m/z）检测器检测变成电信号，放大后 由计算机采集和处理后，记录为质谱图或用示波器显示。 质谱图是以质荷比（m/z）为横坐标，以各（m/z） 离子的相对 强度（也称丰度）为纵坐标构成。一般把原始图上最强的离子峰 定为基峰，并定其为相对强度100%，其他离子峰以对基峰的相对 百分值表示。因而，质 43 谱图各离子峰为一些不 同高度的直线条，每一 57 条直线代表一个 （m/z） 29 71 离子的质谱峰。 85
LCMS仪：
• 液相色谱与质谱的联机较GCMS困难要大。液相流 动相的流量按分子数目计要比气相色谱的载气要高了 几个数量级，因而液相色谱与质谱的联机必须通过 “接口”(interface)。 “接口”的作用为： 将溶剂及样品气化；分离掉大量的溶剂分子；往往要 完成对样品分子的电离；在样品分子已电离的情况下 最好能进行CID（碰撞诱导断裂）。 LCMS中的“接口”(同时具有电离功能)方式：主要有 电喷雾电离及大气压化学电离。 质谱作为液相色谱的检测器，同样可同时得到质谱图 和色谱图。其质量分析器离子阱、四极杆使用较多。
化学电离源(CI)：
• 又分+CI和-CI源(-CI主要用于电负性大的元素的 化合物如含Cl)，是利用电子轰击反应气(如CH4) 电离成的离子与样品分子反应，形成准分子离子 (M+1)+和(M-1)+离子及一些碎片离子。其中准分 子离子峰为最高峰。 • 优点：有强的准分子离子峰，便于推测分子量； 反映异构体的图谱比EI要好。 • 缺点：碎片离子峰少，强度低。 • EI和CI是一种相互的补充。
(3)四极杆质量分析器
• 四极质谱仪优点：利用四极杆代替了笨重 的电磁铁，故具有体积小重量轻等优点； 仅用电场不用磁场，无磁滞现象，扫描速 度快，适合于色谱联机；操作时真空度低， 特别适合于液相色谱联机。 • 缺点：分辨率不够高；对质量较高的离子 有质量歧视效应。
(4)离子阱质量分析器：
• 由一个双曲线表面的中心环形电极和上下 两个端电极间形成一个腔(阱)。在环形电 极和端电极上加上直流电压和调频电压， 由EI和CI产生的离子注入的特定离子(m/z)， 在阱内稳定区，其轨道振幅保持一定大小， 并可长时间留在阱内，反之不稳定离子会 撞到电极而消失。检测时在引出电极上加 上负电压脉冲使正离子从阱内引出而被电 子倍增器检测。
5、真空系统
• 质谱仪的离子源、质量分析器、检测器必须处于高真空状 态。 • 真空度低的后果是：氧会烧坏离子源的灯丝；会使本底增 高，干扰质谱图；引起额外的离子-分子反应，改变裂解 模型，使质谱解释复杂化；干扰离子源中电子束的正常调 节；用作加速离子的几千伏高压会引起放电等等。 • 高真空的实现：由机械泵和扩散泵（或分子涡轮泵）组成。 前级泵采用机械泵，一般抽至10-1-10-2Pa,高真空要求达 到10-4-10-6Pa,需要用高真空泵抽，扩散泵价格便宜，但 工作中如突然停电，可能造成油反油现象；分子涡轮泵由 于无油，所以无本底及污染，但价格较贵。但经常突然停 电可能会损坏涡轮泵。
15 99 113 142 m /z
一、质谱仪的组成
• 进样系统、离子源、质量分析器、检测器、数 据处理系统、真空系统。
进样系统 离子源
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆 5.离子阱
(5)飞行时间质量分析器
4、离子检测器
目前普遍使用电子倍增器进行离子检测。电子倍增器由 一个转换极、倍增极和一个收集极组成. 电子倍增器的种类很多，其工作原理如下图所示。一定 能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下， 依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一 般在105～108。