仪器分析-质谱法

飞行时间分析器TOE（1）
电子接受极 栅极
离子检测器
试样 气流
灯丝
脉冲电压 抽真空
Uze
mv2 2
v
2Uze m
1/ 2
t
L v
t
L
1 v1
1 v2
L
m / z1 m / z2
2U
飞行时间分析器TOE（2）
质量范围宽，扫描速度快，无需电场和需磁场。但是离子 进入漂移管前产生时间的先后，产生空间的前后和初始动 能的大小不同，达到检测器的时间就不相同，因而降低了 分辨率。目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引 出技术和离子反射技术，可使分辨率可达20000以上，最 高可检质量超过300000 Da，并且具有很高的灵敏度。广 泛应用于气相色谱-质谱联用仪，液相色谱-质谱联用仪和 基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪中。
质谱法的分类
按用途分类：无机质谱、同位素质谱、有机质谱、生 物质谱
按质量分析器工作原理分类：单聚焦质谱、双聚焦质 谱、四级杆质谱、离子阱质谱、飞行时间质谱、回旋 共振质谱
按联用方式分类：气相色谱-质谱、液相色谱-质谱、 质谱-质谱
基本结构
19-1 质谱仪
进样系统 真空系统
离子源 10-410-5 pa
场解吸源（FD）
类似于场电离源，它也有一个表面长满“胡须”（长0.01 mm ）的阳极发射器。 过程：样品溶液涂于发射器表面蒸发除溶剂强电场 分子电离奔向阴极引入磁场。 特点：解吸需要的能量远低于气化所需要的能量，因此试 样不需气化可以直接得到分子离子，特别适于非挥发性且 分子量高达100000的分子。样品只产生分子离子峰和准分 子离子峰，谱图最为简单。
EI and FI and FD
EI
HOOC CH CH2 CH2 COOH NH2
FI FD
快原子轰击源（FAB）
Ar
原子枪
高能原子轰击样品靶直接使 样品电离，不必加热气化。 适合分析分子量较大、难气
Aro
金属 探针
样品+ 基质（如甘油）
分析器
样品离子束 聚焦狭缝
化、热稳定性差的样品，如 肽类、低聚糖、天然抗生素、 有机金属络合物等。FAB源 得到的质谱不仅有较强的准 分子离子峰，而且有较丰富 的结构信息。
直接探针进样
色谱进样（色谱法中介绍）
间歇式进样
气体 入口
低沸点易挥 发液体引入
隔垫
中等蒸气 压固体
炉
1-3 L 贮存器
小孔
计量 体积
加热套 真空
离子源
将挥发性低的试样转化为高挥发性衍生物亦可使用该进样系统
直接探针进样
—高沸点液体及固体
真空 25cm6mm
离子 化室
加热丝
优点：
引入样品量小，样品
蒸气压可以很低
约翰·芬恩
田中耕一
2002年Nobel Prize
质谱法的应用
同位素分析 无机元素的定性、定量分析 有机化合物的结构分析（有机四大波谱之一，应与
NMR、IR、UV相结合）、定性和定量分析（混合物 的分析需与色谱法联用） 生物大分子的分子量、结构分析
Baidu Nhomakorabea 质谱法的特点
应用范围广。样品可以是无机物、有机物和生物大分子；可以 是气体、液体或固体。可应用在化合物结构分析、原子量与相 对分子量测定、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力 学与反应动力学、空间探测等多个方面。 灵敏度高，样品用量少。有机质谱仪的绝对灵敏度可达50 pg， 无机质谱仪绝对灵敏度可达0.01 pg，用微克级样品即可得到满 意的分析结果。 分析速度快并可实现多组分同时测定。 与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，使用及维修比较 困难。对样品有破坏性。
MALDI的特点
质量数上限可达50万 高敏度，可测至10-12~10-15 mol 软电离，可用于分析混合物 基质背景易干扰质量数1000以内的物质分析 可能会导致分析物分解
无机样品离子源
火花
ICP 特点：元素分析灵敏度高，可分析复杂样品（60 种元素）、谱图简单、线性范围宽，广泛应用于 水分析，血液中微量元素分析，食品分析及同位 素比测定等。
置
率较低，一般为
5000。
静电分析器 （+）
双聚焦型磁分析器
磁分析器
（-）
能量分散
zeE mv2 2 1 mv2 rc rc 2
离子源狭缝
接收器狭缝
设法使静电场的能量色散作用和磁场的能量色散作用大小相等 方向相反，就可消除能量分散对分辨率的影响，可获得高分辨 率（105），利用峰匹配技术，可以达到107或者更高。
四极滤质器（QMF）
non resonant ion
U V0 cos t U V0 cos t
resonant ion
U、V值一定时，只有某 一确定m/z的离子可以顺利 通过中心小孔到达检测器。 改变U和V并保持U/V比值 一定，可实现不同m/z离子 的检测。
结构简单，体积小，质 量轻，分析速度快。质量范 围<3000 u，分辨率较低（ 0.1 u，900 u时）。适合和 色谱联用。
例：要鉴别N+2（m/z为28.006）和CO+（m/z为27.995） 两个峰，仪器的分辨率至少是多少? 在某质谱仪上测得 一质谱峰中心位置为245 u，峰高5％处的峰宽为0.52 u， 可否满足上述要求？
解：要分辨N+2和CO+，要求质谱仪分辨率至少为：
Rneed
27.995 28.006 27.995
类似的有采用高能Cs+的快离子轰击源（FIB）
激光解吸源（1）
利用一定波长的脉冲式激光照射样品使样品电离。被分析 的样品置于涂有基质（ 2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、 α-氰基-4-羟基肉桂酸等）的样品靶上，激光照射到样品靶 上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相 并使样品分子电离。
r固定，U或B不变，连续改变B或U可使不同m/z的离子顺序
进入检测器，实现质量扫描，得到样品的质谱图。
离子源
单聚焦型磁分析器（2）
单聚焦质量分析器
只是将m/z 相同而
入射方向不同的离
泵
子聚焦到一点（或
称实现了方向聚
离 焦）。 但对于m/z
子 检
相同而动能（或速
测 度）不同的离子不
装 能聚焦，故其分辨
第十九章 质谱法
Mass Spectrometry（MS）
概述（1）
原理：将样品转化为运动的气态离子并按质核比 （m/z）大小进行分离检测的分析方法。
质谱的发展史 质谱法的应用 质谱法的特点 质谱法的分类
质谱的发展史
1912年：世界第一台质谱装置 40年代： 质谱仪用于同位素测定 50年代：分析石油 60年代：研究GC-MS联用技术 70年代：计算机引入 80年代：研究LC-MS联用技术 90年代：研究蛋白质分析技术
电离源（2）
硬源：能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得 分子结构的信息。（可用于定性和结构解析）
目前最常用的硬源是电子轰击源
软源：能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分 子量信息，但缺乏分子结构信息。（可通过质谱串联 的方式解决）
电子轰击源（EI）
电子束 70ev
气态 样品 分子
灯丝
最经典的硬源，适用于易挥 发有机样品（M<1000）的电 聚焦电极 离，是GC-MS必备离子源。
CH4
e
CH •4
2e
CH4
CH
5
CH•3
与EI主体部件公用， 工作过程中需引入大
CH•4
CH
3
H•
CH4
C
2
H
5
H2
量反应气体，使其先
CH5
MH
CH4
MH
2
(M
1离 子)
可继续分裂
C
2
H
5
MH
C2H6
M (M
1离 子)
试样
电离后与再试样分子 发生离子分子反应， 从而使试样分子电离
离子阱检测器（ITA）
端罩电极 环形电极
离子源
Z0 r0
r0
2Z
2 0
电子倍增管
上下端罩（End cap） 与左右环电极（Ring electrode）构成可变电 场（前者接地，后者施 以射频电压）某一符 合条件的m/z离子在阱 内稳定存留引入电子 倍增管进行测定。
放大器和射频 发生器（基本
射频电压）
2545
该质谱仪的分辨率为：
R
m W0.05
245 0.52
471 Rneed
不满足要求
真空系统
—减少离子碰撞损失
真空度过低：
大量氧会烧坏离子源 灯丝
引起其它分子离子反 应，使质谱图复杂化
目前常用涡轮分子泵
干扰离子源正常调节
用作加速离子的几千 伏高压会引起放电
间歇式进样
进样系统
—重复性好，不引起真空度降低
质量分析器
—将不同碎片按质荷比m/z分开
磁分析器（单聚焦：低分辨、双聚焦：高分辨） 飞行时间分析器：高分辨 四极滤质器：低分辨 离子阱分析器：准高分辨 傅立叶离子回旋共振分析器：最高分辨
单聚焦型磁分析器（1）
B
U
灯丝
Uze 1 mv2 2
S1
正极 样品
Bzev
真空泵
mv2 r
S2
接收器
m B2r2e z 2U
可以分析复杂有机物 应用更广泛
离子源（1）
—质谱仪的心脏
气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500C、对热 稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、 场电离源、火花源。
解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为 气相，可用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定 性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激 光解吸源、电喷雾电离源和大气压化学电离源等。
分辨率极高（106） ，并且不影响灵敏 度，高精密度，有 多级质谱功能，适 于任何离子源。
Faraday杯
检测器
闪烁记数器
电子倍增管及其阵列
不同离子源的比较
离子源 气相/解析 硬源/软源 碎片离子
适用对象
ICP
无机元素分析
EI
气相
硬源
丰富
CI
气相
计算机
放大器和射频 发生器（附加
射频电压）
特点：结构简单、性价比高，适合于色谱联用。质量范围<6000 u，灵敏度较四级杆高。一个离子阱即可实现多级串联质谱。
傅立叶离子回旋共振分析器（FTICR）
线性调频脉冲共振（吸收能量）
mv2 r
Bzev
v r
Bze m
c
接收电极
接收电极 相电流记录FI质谱图
12.00000g / mol12C 6.022141023 原子/ mol12C
1.66054 10 24
g
非精确测量时，常用质量数（质子和中子数目总和）
表示。无机质谱质量数测定范围通常为2250，有机 质谱一般可达数千。（大分子如何测定？）
19-1-2 质谱仪的主要性能指标（2）
分辨率：指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。当等强度
质量分析器 10-6 pa
提供能量，使 样品成为气态 离子，并在电 场作用下加速
将不同m/z的 离子分离（类 似光谱法中的 单色器）
检测器
19-1-2 质谱仪的主要性能指标（1）
质量测定范围：指质谱仪所能够进行分析的样品的相 对分子质量（或原子质量）范围，通常采用原子质量 单位u进行度量。
1u
1 12
相邻两峰的峰谷峰高10%时，可用 R m1 /m2 m1
表示分辨率；实际可由任意单峰测定： R m / W0.05
分辨率主要由质量分析器类型决定，但 亦受离子源影响。 分辨率大小决定质谱仪的价格。 低分辨（R500）质谱仪即可满足一般 测定；高分辨（R>104）质谱仪可用于质 量数的准确测定。
107108 V/cm的强电场
阳极
样品 气流
阴极
e
量子隧道效应 0.2-2 mm
阴极
M
聚焦单元
分子中电子被 为微电极“萃 出”形成分子
入射狭缝
离子，然后被 排斥进入质量 分析器
电极要求：电极尖锐，使用微碳针（W丝上的苯基腈裂解生成， <1 m）构成多尖陈列电极可提高电离效率。
特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰
离子束 优点：工作稳定可靠，结构 信息丰富，且有标准质谱图
M e M• 2e
磁铁
M1、M
2
可以检索。
缺点：不适于极性大，热不 稳定的化合物，且对有些化 合物得不到分子离子。
有机化合物的电离电位约10 ev，多余能量通过化学键的断裂消除，产生大量碎片离子
化学电离源（CI）
工作气体以CH4为例
合适的基质才获得到较好的离子产率，因此常称为基质辅 助激光解吸电离（MALDI）。特别适合于飞行时间质谱 仪（TOF），属于软电离技术，比较适合分析生物大分子， 如肽、蛋白质、核酸等。得到的质谱主要是分子离子，准 分子离子、少量碎片离子和多电荷离子。
激光解吸源（2）
关于基质
极性化合物（溶解样品） 芳香环（吸收激光） 易结晶（均匀分散样品）
特点：电离能小，质谱峰数少，图谱简单，准分子离子峰大，可提供分 子量这一种要信息；对含很强吸电子基团，负离子灵敏。
EI与CI
M
Scan EI
benzopheno ne
M1 M 117
Scan CI
benzopheno ne methane
Scan CI benzopheno ne ammonia
场电离源（FI）