第四章 质谱仪器(2)

电离效率曲线
电子能量对质谱图的影响
不同能量下获得的苯甲酸的质谱图
总体设计要求: 1.离子电离效率高:
A.增加电离室样品气压; B. 改进灯丝材料和形状,电子产生率好; C.增长电子的飞行轨迹,加磁场; D.改善电离室的电位分布;
2.离子引出率高:
A.改善电离室的电位分布; B. 改进离子引出透镜;
关于基质： 极性化合物 芳环 易结晶
基质 烟酸 2,5-二羟基苯甲酸 芥子酸 α-氰基-4-羟基肉桂酸 3-羟基吡啶甲酸 2-(4-羟基苯偶氮)苯甲 酸 琥珀酸 间硝基苄醇 甘油 邻硝苯基辛基醚
溶解样品 吸收激光 均匀分散样品分子 MALDI常用基质
性状 固体 固体 固体 固体 固体 固体 固体 液体 液体 液体 适用波长 266nm, 2.94µm,10.6µm 266nm, 2.94µm,10.6µm 266nm, 337nm,355nm, 2.94µm 337nm,355nm 337nm,355nm 266nm, 337nm 2.94µm,10.6µm 266nm 2.94µm,10.6µm 266nm, 337nm, 355nm 应用 蛋白质 蛋白质 蛋白质 蛋白质 核酸、配糖体 蛋白质、配糖体 蛋白质、核酸 蛋白质 蛋白质 合成高分子
(M-R2)+ (M-R1)+ Mass Spectrometer M+ (M-R3)+
1、组成部分 灯丝：钨、铼或铼钨丝，发射电子，电离样品 收集极：接收灯丝发射的电子 推斥极：推出产生的样品离子 永久磁铁：使电子做螺旋运动，增加电离几率 2、电离效率曲线 灯丝产生的电子被加速到70eV, 保证电离的重现性。为什么？ 电离效率随电子能量的升高而升 高，当达50eV时，基本达到最大 值，实验上设定电子能量为70eV。 此时，产生的谱图有稳定的指纹 特征。
高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化
FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性 强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。 常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺 等。 注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰 及基质分子与样品分子的结合峰。 例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH), 136（MH–H2O）, 289(MMH–H2O) 的峰。
小分子如 CH4 , (CH3)2CH 等。 以CH4为例
CH4 + e → CH4+· + 2e (46%) CH3+ (39%) CH2+·(7%)
初级离子: CH4+·, CH3+ , CH2+·
CH4+· + CH4 → CH5+ + CH3· (48%) CH3+ + CH4 → C2H5+ + H2 (41%) CH2+· + 2CH4 → C3H5+ + 2H2 (6%)
d<1m m
3. 场电离(Field Ionization，FI) 场解吸(Field Desorption，FD)
离子源由距离很近的阳极和阴极组成，两极间加上高 电压后，阳极附近产生高达10+7 ～10+8V/cm 的强电场。接 近阳极的气态样品分子产生电离形成正分子离子，然后加速 进入质量分析器。对于液体样品(固体样品先溶于溶剂)可用 FD 来实现离子化。将金属丝浸入样品液，待溶剂挥发后把 金属丝作为发射体送入离子源，通过弱电流提供样品解吸附 所需能量，样品分子即向高场强的发射区扩散并实现离子化。 FD 适用于难气化，热稳定性差的化合物。 FI 和 FD 均易得到 分子离子峰。
矿物的LAI-oa-TOFMS谱图
6.基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI)
MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到 离子。 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。 MALDI适用于生物大分子， 如肽类，核酸类化合物。可 得到分子离子峰，无明显碎 片峰。此电离方式特别适合 于飞行时间质谱计。
快原子轰击(Fast Atom Bombardment, FAB), Ar原子 快离子轰击(Fast Ion Bombardment, FIB) Cs离子
FAB： Ar 与被加速到~20kV的Ar+进行弹性碰撞，使Ar获得相应的动能， 射向样品靶，产生轰击作用。 FIB： Cs+由CsI加热后放出来，然后通过电场加速到~20kV，射向样品 靶，产生轰击作用。
3.离子聚焦好,平行度好,截面小; 4.离子出射动能可控,且能量分散小,色散小; 5.质量歧视小; 6.污染小,记忆效应小; 7.维护简单,成本低;
1. 电离几率:τ=ρσs
（单位是Torr,cm)
ρ—分子密度,由压强换算得到; σ—电离截面; s —电子飞行长度; 2.离子流计算:I=ρσs·ie ie—电子流密度;
d<1m m
•场解吸 FD
样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射 体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分子 从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区, 进行离子化。 适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类，肽 类，金属有机化合物，聚合物等。
4.二次离子质谱(Second Ion Mass Spectrometry,SIMS)
······ CH5+, C2H5+ , C3H5+ 等为稳定的次级离子。
3. 场电离(Field Ionization，FI) 场解吸(Field Desorption，FD)
电压：7-10 kV；d<1 mm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定； 阳极 + + + + + + + + + + + + + 阴极
电离源的分类
1. 电子轰击电离 2. 化学离子化
Electron Impact Ionization, EI
Chemical Ionization, CI Field Ionization FD, Field Desorption FD Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI
5.激光电离 Laser Ionization（LI）
激光电离的机理十分复杂，至今还没有完全研究清楚。现在一 般认为激光电离主要包括热电离、光致电离、和碰撞电离三种 形式。这三种电离形式在整个电离过程中所占的比例与激光的 性质（波长、能量和脉宽）和样品的基体特性都有关系
高分辨率LAI-oa-TOFMS谱图

试样溶解或悬浮于基质中，激光 束辐射到基质和试样分子上。 基质吸收激光束能量后汽化，部 分试样分子伴随基质的汽化而解 吸。 基质吸收大部分激光能量，减少 了试样分子被激光能量破坏及过 度电离成碎片离子。 波长： 337nm 功率：106~108W/cm2 脉冲时间：10-6~10-9秒


激光：固体氮激光，紫外光
-110V
-100V
+40V
SRS-RGA Ionizer
电离室 Chamber (0V)
引出极 Extractor (+15V)
聚焦极 Focus lens (-110V)
单透镜 Einzel Lens (-32V)
推斥板 Repel Plate
推斥极 Hale Waihona Puke Baiduepeller (+30V)
灯丝 Filament (-70V)
3. 场电离，场解吸 4. 大气压化学电离
5. 激光电离源 Laser Ionization, LI 6. 快原子轰击 7. 电喷雾电离
Fast Atom Bombardment, FAB Electrospray Ionization, ESI Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI
离子源的设计要求: 1. 离子电离效率高； 2. 离子流稳定性好； 3. 离子聚焦好，离子束发散（截面）小; 4. 离子引出率高: 5. 离子出射动能可控,且能量分散小,色散小; 6. 质量歧视小; 7. 污染小,记忆效应小; 8. 工作压强范围宽，维护简单,成本低;
1.电子轰击电离 Electron Impact Ionization（EI）
出射极 Outlet (-41V)
接地栅网 Grounded grid
2.化学电离 （Chemical Ionization，CI）
引入一定压力的反应气进入离子化室，反应气在具有一定 能量的电子流的作用下电离或者裂解。生成的离子和反应气分 子进一步反应或与样品分子发生离子-分子反应，通过质子交换 使样品分子电离。常用的反应气有甲烷，异丁烷和氨气。化学 电离通常得到准分子离子，如果样品分子的质子亲和势大于反 应气的质子亲和势，则生成[M+H]+，反之则生成[M-H]+。根 据反应气压力不同，化学电离源分为大气压、中气压 (0.1 ～ 10mmHg)和低气压(10-6mmHg)三种。
•场电离 FI
当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时， 在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气 态，灵敏度不高，应用逐渐减少。
电压：7-10 kV；d<1 mm； 强电场将分子中拉出一个电子； 分子离子峰强； 碎片离子峰少； 不适合化合物结构鉴定； 阳极 + + + + + + + + + + + + + 阴极
在电子75eV能量下，氩原子的电离截面是3.52X10-16cm2, 气压在1Torr下，氩的密度是3.5X1016/cm3,如果s=1cm,则每 个电子可产生10个正离子。在气压为10-4Torr时，1000个电子 才能产生1个正离子。
EI源
Aglient EI source
+30V
离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的 103~105倍），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与 试样分离碰撞，产生准分子离子。
最强峰为准分子离子； 谱图简单； 不适用难挥发试样；
气体分子
+ +
试样分子
准分子离子 电子 + (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
•化学电离 CI
适用于极性分子的分析，生物分子，质量在2000以内。
快原子轰击 Fast Atom Bombardment（FAB）
惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使 之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷 交换反应：
Ar+（高动能的）+ Ar（热运动的）→Ar（高动能的）+ Ar+（热运动的）
电子轰击离子源是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。 气化后的样品分子进入离子化室后，受到由钨或铼灯丝发射 并加速的电子流的轰击产生正离子。离子化室压力保持在102～10-4Pa。轰击电压
50-70eV, 有机分子的电离电位一般为
7-15eV。 轰击电子的能量大于样品分子的电离能，使样品分子电 离或碎裂。电子轰击质谱能提供有机化合物最丰富的结构信 息，有较好的重现性，其裂解规律的研究也最为完善，已经 建立了数万种有机化合物的标准谱图库可供检索。其缺点在 于不适用于难挥发和热稳定性差的样品。
8. 基质辅助激光解析电离
电离方式和离子源
种类繁多，介绍主要的几种。
PI Soft No Fragments
CI Ionisation
EI Hard Fragments
Soft ionisation gives low fragmentation Molecular weight determination Produces “theoretical” spectra High sensitivity (low pg levels)
二、质谱仪原理与设计
第一节、真空系统 第二节、电离源 第三节、离子传输系统 第四节、质量分析器 第五节、离子检测与记录系统
第二节、离子源/电离源
离子源使中性原子或分子电离，形成正或负离子，并从中 引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、 电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进 器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部 件。 离子源与质谱仪的灵敏度和分辨率都有非常大的关系，是 质谱仪最重要的部件之一。