MS基础知识

优点
缺点
动量/电荷 50-20000 比 质核比 频率 50-3000 50-2000
高可靠性 体积小， 成本低 多级（1-5）
不适合联用 不适合MALDI 质量范围小 1/3效应
TOF
FT-ICR
飞行时间
频率
50-300000
50-10000
0.0001
0.00001
10-4
10-7
高分辨， 高扫描速度
分类
Quadrupole
SSQ TSQ
GC-MS LC-MS OMS MALDITOF/MS FT-MS MS DFA-MS IMS ICP-MS SIMS
TOF Ion trap
3D IT
LIT
Q-Trap(3级)
IT-TOF
Orbitrap
Q-TOF
SYNAPT
TOF/TOF
Orbitrap:实现离子分离、裂解和多级质谱MSn功能，提供精确的质量分析和高分辨率检测 SYNAPT:系统将UPLC分离、高效离子淌度（IMS）和正交飞行时间质谱融合
质谱知识
丁俊杰
Wednesday, September 24, 2014
发展
质谱分析法是通过测定被测样品离子的质荷比来对被测物进行定性 定量分析的一种方法。
1906年，J．J．Thomson “Father of mass spectrometry”
质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方法, 而分子式的确定对 化合物的结构鉴定是至关重要的。
Thermo-Fisher (USA) www.thermofisher.com


AB (USA) www.appliedbiosystems.com（被Invitrogen 收购）
Bruker Daltonics (Germany) www.bdal.com Waters (USA) www.waters.com Varian (USA) www.varianinc.com Agilent (USA) www.agilent.com Shimadzu (JAPAN) www.shimadzu.com
LC-MS联用系统的组成
由机械真空泵(前极低真空泵)，扩散泵或分子泵(高真空泵)组成真空机组，抽取 离子源和分析器部分的真空。 只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到达接收器，真空度不够则灵敏度低。
离子源
电子轰击源（Electro-Impact source, EI） 化学电离源（Chemical Ionization, CI）
常见的准分子离子峰
正离子模式检测 [M + H]+ [M + Na]+ ; [M + K]+ [M + NH4]+ 酸性条件 盐存在 NH4缓冲盐 [M - H]+ [M + Cl]负离子模式检测
[M + X]+
[2M + H]+ [2M + Na]+ [2M + K]+ [M + H+S]+ [M + 2H]2+
20
+ c Full ms [ 50.00-600.00] 100
292.8
567.7
250 300 m/z + c Full ms [ 240.00-2000.00] 100 80 Relative Abundance
415.3
[2M+NH4]+
Relative Abundance
80 60
40 20 0 99.2 100
X=溶剂或缓冲液阳离子
高浓度下 高浓度下 高浓度下 溶剂加合
[M + X]+
X=溶剂或缓冲液阳离子
[M - H+S]+
溶剂加合物
(甲醇32, 乙腈41 ,甲酸46,乙酸60)
一些有用的规律
正离子模式检测
[M + H]+ [M + NH4]+ [M + Na]+ [M + K]+ [M +HCOOH+ H]+ [M +CH3COOH+ H]+ [M +CH3OH+ H]+ [M +CH3CN+ H]+ [M + 2H]2+
[2M+Na]+
441.2 MW 220 243.2
[M+H]+
60 40
[2M+H]+
MW 128
0 61.1 50 88.2 100 130.1 131.1 169.4 198.0 150 m/z 200 241.8 256.6 250 292.8 300
[M+Na]+ [M+H]+
221.1
90.3 145.0213.8 100 150 200 322.2360.5 439.2 350 400 450 500
0 300 800 900 1000
正离子检测方式
(E) Doubly charged ion: [M+2H]2+
+ c Full ms [ 240.00-1000.00] 100
350.1
80
Relative Abundance
60
699.2
40
20 278.9 0 300 400 500 600 m/z 700 800 900 1000

杂化的分析器(hybrid MS) quadrupole + TOF（Q-TOF） TOF+TOF (TOF/TOF) quadrupole + ion trap（Q-trap） (Orbitrap)
Many other hybrid configurations
Suppliers of LC-MS
(甲醇32, 乙腈41 ,甲酸46, 乙酸60)
负离子模式检测
=M + 1 =M + 18 =M + 23 =M + 39 =M + 47 =M + 61 =M + 33 =M + 42 =(M +2)/2 [M +HCOOH - H][M +CH3OH - H][M +CH3CN - H]=M + 45 =M + 31 =M + 40 [M +CH3COOH - H]- =M + 59 [M - H][M + Cl][M +H2O - H]=M - 1 =M + 35 =M + 17
我们接触的质谱
UPLC-MS/MS：AB2000 Quattro micro, 三重四级杆质谱仪
LC-IT/MS：
Thermo LCQ Fleet, 离子阱质谱仪
电喷雾电离源 Electrospray Ionization (ESI)
离子源
大气压化学电离源 Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI)
MW 275
60 40 20 278.9
456.2
[M+NH4]+
568.8 293.9 338.7 199.2 256.1 200 300 m/z 460.0470.0 400 500 566.5 572.5 600
[M+H+CH3CN]+
437.3
400 500 600 m/z 700
MW 414
不能
<2000 分析极性较小的小分子化合物 良好
线性范围
其它
较窄
可以源内CID
接触的质谱LC-MS
LC-MS：四级杆质谱仪
Resonant Ion Nonresonant Ion
Detector
Full scan SIM
scan fixed
dc and Rf voltages
rf and -dc
Source
Nobel Prize in MS
LC-MS 检测
回答分析化学中最常见的问题
定性 - 样品中有什么?
定量 - 样品中有多少?
药物色谱分析中不同方法的比例
LC/MS GC/MS 3% 12%
HPLC 15% GC/MS 5%
HPLC 85%
LC/MS 80%
1990 年
2000 年
数据来源：American Society for Mass Spectrometry, 2002

傅立叶变换离子回旋共振(Fourier transform-ion cyclotron resonance, FT-ICR)
质量分析器比较
种类 扇形磁场 Quadrupole Ion trap
检测参数
质量范围 (Da)
质量精度 (Da) 0.00001 0.1 0.1
真空 (Pa)
10-4 10-3 10-3
(MW 698)
+ c Full ms [ 50.00-1000.00] 100
448.9
80
Relative Abundance
60
471.0 695.2 224.8 241.8
200 400 m/z
40
MW 224
20
690.1
600 800 1000
0源自文库
负离子检测方式
- c Full ms [ 50.00-500.00] 100 80


历史
1906年 1946年 J.Jthomson于1912年制造出第一台质谱仪 发明飞行时间质量分析器(Time-of-flight Analyzer)
1953-1958年 出现四极杆质量分析器(Quadrupole) 1956年 GC-MS开始联用


1959年
1965年 1968年
高分辨， 多级
对于ESI适应性 较差
价格昂贵
MS Family
进样系统
GC HPLC UPLC
离子源
MALDI ESI
质量分析器
TOF Ion Trap (IT) Quadrupoles (Q) FTMS
不同类型
MALDI-TOF; MALDI-TOF/TOF ESI-TOF ESI-Qq-TOF ESI-Ion Trap ESI (or MALDI or ….) FTMS ESI (or MALDI or ….) Q-q FTMS ESI-triple Quadrupoles
220.8
Relative Abundance
[M H]
60 40
20 0 50 78.9 100 150
MW 222
221.9 340.9 256.5 339.1 219.0 200 250 300 m/z 350 400


场致电离源（Field Ionization, FI）
场解吸电离源（Field Desorption, FD） 快原子轰击（Fast atom bombardment, FAB）

液相色谱－质谱联机的接口
大气压电离源（Atmospheric Pressure Ionization, API） 电喷雾电离（Electro Spary Ionization, ESI）& nano-ESI 大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI） 大气压光喷雾电离(Atmospheric Pressure PhotoSpray Ionization, APPI）
rf and +dc
LC-MS注意事项
1. 扫描分子量 Full scan
首先一定要确保所要扫描物质的纯度 (>98%) ，然后用合适的溶剂 (MeOH, ACN, H2O)使浓度范围在5-20μg/mL。高速离心转移后便可以 扫描 。 （尽量不用DMF&DMSO&吡啶&丙酮）
扫描时正负离子均要扫描，以便于解析结果，扫描范围要达到预计分子量的3倍 纯度足够的话是不用加色谱柱的，如果不够可以连色谱柱做全扫描
加合离子的质谱图举例(+)
+ c Full ms [ 50.00-300.00] 129.1 100 129.1 80
Relative Abundance
+ c Full ms [ 50.00-500.00] 100 Relative Abundance 80 60 40 20 0 50
463.1
质谱首次用于肽序测定
离子共振质谱出现 电喷雾离子源


1973年
1974年
LC-MS
Fourier transform ion cyclotor resonance MS
1987-1988年 Matrise assisted laser desorption ionization 1996年 电喷雾离子源开始用于生物大分子的研究
两种离子源的比较
种类 电离机理 ESI 离子蒸发 APCI 高压放电发生了质子转移
产生离子
液相流速 断裂程度
[M＋H]+ 和加和峰
0.2-0.3 mL/min 低温
[M＋H]+或[M-H]0.2-1 mL/min 热不稳定的化合物会分解
多电荷
质量范围 适用性
能
可以到几十万 分析极性大小分子和生物大分子

基质辅助激光解析电离（matrix-assisted laser desorption-ionization, MALDI）
哪种离子化方式?
100,000 MALDI ESI APCI
分子量
1000
APPI
EI/CI
非极性
极性
质量分析器

扇形磁场分析器 (Sector Magnetic ) 四级杆分析器（quadrupole） 离子阱(ion trap, IT) 飞行时间质量分析器（Time of flight, TOF）