第三章-质谱分析-2016本科-14级

100
507.3
TIC 1.57e5
质量254
%
5.81e4
%
334.3 194.2
399.7 0 1 0 0 1 0 0 2 0 0 19 4. 2 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 m / z
%
质 0 量 色 100 谱 图
%
194.20 6.14e4
质量 194
%
226.2
402.2 460.2
不同 m/z 及 其丰度 即MS
具有分离功能的仪器与质谱联用技术
气相色谱-质谱联用GC-MS 液相色谱-质谱联用LC-MS 毛细管电泳-质谱联用 CE-MS… … … …
MS检测器！
• 离子化技术的选择：EI/CI、ESI/APCI • 联用的工作模式及其数据输出（必须知道） – TIC模式及其数据特点、SIM模式及其数据特点
100 % 0 50 100 150 200 250 300 350 m/z 100 % 284 282 288 142 249 107 177214 71 253
碎片 的碎片
250
结果
0 50 100 150 200 m/z 100
的碎片....
作业：为什么BEqQ可以 方便地进行高低能量CID 实验？ 1 Q动能转换方便… 2 p426
质量分析器
5.傅里叶变换离子回旋共振FT-ICR
接收 极 发 射 极
离子检测器
离子检测器
+
< < < < < <
t
数据采集
数据采集
磁场 B
时间脉冲序列包括： 样品电离， 前体离子选择， 前体离子激发， 离子逐出， 产物离子检测
6.串联质量分析器：p424
进样系统
MSn 分析：p424
亚稳（无碰撞气） 第二无场区 CID （有碰撞气）
284 M +. 282 288 249 253
100
105
M +.
Scan EI+ 二苯甲酮 EI
0 284 200 pg 六氯苯 71 0 284 107 142 179 214
77 182 %51 76 78 106 152 181 183 0
100 %
M +.
282 288 249 253
100 % 0 105
252Cf
+HV
10 基质辅助激光解吸电离MALDI
质量分析器
参见实验讲义
激光
EI/CI
Non Polar Polar
离子检测器
(波长与基质和样品)
数据采集
样品层 样品照明
能 量
API… 软 无碎片
CI 离子化 硬
EI
有碎片
2
3.1.4 典型的质量分析器及其特点
• 将各种离子按质荷比分离（而后送入检测器） • 动态仪器（时间）
• 双聚焦(逆/顺置)磁串联质量分析器：p401 – BEB，EBE，BEBE，…… • 三级四极杆串联质量分析器QQQ：p425 • IT-MSn质量分析器 • 混合MSn – 磁场/电场-四极杆串联质量分析器 E/BQQ – B-TOF – Q-TOF – FT-ICR/IT MSn – ……
产物离子的质谱 （和反应能量信息） MS-II
Gas Sheath
溶剂的选择 联用LC,CE
(M+nH)+
大气压
Needle
Ion Plume
N2
真空
Liquid Sheath
质量分析器
M+G+H，
M+G+H2O M+H等
7 大气压化学电离APCI p422
离子检测器
(M+133+H)
气态分子-离子反应，单电荷QM
弱到中极性小分子<1000， 调节电压控制裂解程度
MS谱图
3.1.1 真空系统
进样系统
3.1.2 进样系统p394
torr
进样系统
•
低真空：机械泵，10-3 − 分子扩散泵 − 涡轮分子泵
～
10-4
储罐进样：用于仪器标定的标样PFK、FC43 探头进样（DIP、DCI）
• 高真空
离子源
10-6 torr 10-9 torr
质量分析器
真空系统是MS的工作基础：p394 − 低本底：（主要是）气相（离子）反应 EI--单分子裂解；CI--离子分子反应 − 保护灯丝等等
580.4
0
5 0 0 6 0 0 m / z
Time 11.00 12.00
0
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0
100
TIC
TIC图上显示的两个接近的流出峰， 但每个峰是具有不同质谱指纹的不 同化合物...
% 0
TIC
1.57e5
Time 10.50 11.00 11.50 12.00 12.50
离子源
质量分析器
色谱进样（气/液质联用） 预测GC-MS联用后 最突出的应用特点 毛细管电泳进样
离子检测器
离子检测器
数据采集
理想的真空系统是： 高性能、快速、干净、安全可靠
数据采集
3.1.3 离子化系统
• 使样品电离得到不同质荷比的离子，并使其加速聚焦为离子束， 该离子束通过狭缝进入质量分析器 • 电离能量 – EI电离：70eV，硬电离，通用手段，应用最广泛（标谱） – 软电离：CI、FI、FD、FAB等 • 电离过程：产生的优势离子（分子离子峰、碎片离子等）不同 – 气相电离源：EI、CI、FI – （凝聚态直接）解析源：FD、FAB/SI、MALDI 、ESI
QM ：M+H， Scan CI+ 二苯甲酮 M+C 183 2 H5 、 M+C3H5 甲烷 CI+
184 223 211 Scan CI+ QM：M+H，二苯甲酮 200 M+NH 3，… 氨 CI+ 183201 217 100 150 200 250 300 m/z 350
100
282 288 % 142 249 107 177 214 71 253 0 50 100 150 200 250 300
离子引出口 聚焦电极 离子源出口
2 化学电离CI±：离子-分子反应 p396
QM+（EE+），碎片峰少，强度低
比EI在反映异构体差异上好一些 特殊反应-反应质谱
离子检测器
数据采集
? 分子量大、极性大、 难气化、热稳定性差
1
EI + 单 分 子 碎 裂 反 应
100 %
2 pg 六氯苯 71 107 142 177 214
• SIM仅对目标化合物有用途 – 峰的跟踪、准确定量 – 没有质谱图，不能用于未知物分析 – 仅采集样品中某个或某些特征离子 – 必须知道哪个离子需要采集，故方法设置需要更 多的时间
GC-MS 概要
• MS检测器获得 – 质谱图：分子量及结构鉴定 – TIC总离子流和质量色谱图：组分定量 – 选择离子色谱图：目标化合物跟踪与定量 • 改善信噪比、消除背景、分离共流出物峰 • QP仪在TIC下灵敏度在pg级 • QP仪的灵敏度在SIM模式下低至fg级 • 与FID-GC结果具有可比性，但灵敏度高至少2个数 量级
明显的QM，丰富的碎片,
离子源
多电荷QM峰簇：[ (M+nH)/(nz)]n+ • 蛋白质和多肽等生化大分子化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ物 • 不适合非极性样品
N2
离子源
不需气化，适于高极性，难气化，热不稳定物质 基质：流动性、低蒸气压、化学惰性、电解质、溶解性
质量分析器
原子枪或离子枪 样品
±5kV
样品
Nozzle
4000V
=>
戴利倍增器 电子倍增管：p400 法拉第筒检测器 微通道板
离子源
质量分析器
离子检测器
数据采集
3.1.7 色谱-质谱联用技术
（实验课的重点内容）
数据观察 – Total Ion Current模式
• 每个点相对于质量分析器的一次 扫描（质谱图） • 每次扫描记录某质量范围（如 50～ 300amu）流入检测器的组分 • 每次检测到的离子叠加得一个唯 一的总数值 每次扫 描加和 所有的 离子得 到 ...
质量分析器
•
串联分析器（即串联质谱MSn）
– 时间与空间组合 – 时间序列，如FT-ICR/IT MSn
2. 离子阱IT
离子检测器
p404
数据采集
• • • •
原理与四极杆的非常相似 离子被存储在RF和DC场中 扫描场逐出精确m/z的离子 结构简单，灵敏度高
3.飞行时间质量分析器TOF
+ + + +
离子检测 器
MH+
数据采集
暮气流
数据采集
甘油、TEA、PEG、硝基苄醇
样品
雾化气
加热器
760Torr
H2O + 放电 H M 3OM
点
MS
加热器
9 等离子体解吸PD
进样系统
裂变产物 离子源
参见实验讲义
样品层
热敏感或不挥发物质直接由固相电离
离子源的选择
极 性、 挥 发 性
200,00 0 15,000 1,000 APCI Molecular Weight GC FAB ESI
进样系统
方向聚焦 能量色散
+ +
离子源
• 离子经变化的磁场B和电场E传输后实现方向聚焦、 能量聚焦、质量色散
1/ mv2 = zU 2 Bzv = mv2/Rm m/z = Rm2B2/2U
质量分析器
• 测量已知距离下的速度(飞行时间) • 小的离子移动速度快 • 所有离子同时启动 • 扫描快，灵敏度很高 • 适合快速反应 • MALDI-TOF，质量范围可达几十万
固定 扫描 p425
子离子 母离子 恒定中性丢失 选择离子监测SIM
% 0 50 100 150 200 m/z 100 % 0 50 100 150 200 m/z 250 250
固定Δm 同步扫描 固定 固定
BEqQ
3.1.5 离子检测系统
离子灵敏器
进样系统
3.1.6 数据记录与处理系统
• 将离子的质荷比及其 丰度变化的数据记录 并处理，以图表报告 • 质谱图 – 连续图 – 棒图 • 质谱表 改错：p414基峰
第三章 （有机）质谱分析
3.1 质谱仪及其原理 3.2 质谱定性分析 3.3 质谱定量分析（自学） 谱图加和性，多用于石油中族组分分析 目前多被色质联用代替（实验）
3.1 （有机）质谱仪及其原理
大气 进样系统 离子源
真空系统
质量 分析器
改错：p393
检测器 数据系统
样品的引入
样品的电离
离子的分离
离子的检测
质量分析器 进样系统
1 电子轰击电离EI+：单分子碎裂反应 p396、406
M + e → M·+ +2e M·+ → F+m……
样品室 灯丝 电子束 推斥极 电子引出 口
→r-F+n
! 大量的过剩能量
+4kv
离子源
丰富的碎片可以提供结构信息 引入口 p mol灵敏度 受扫描质量范围限制； 气化前热分解； 分子离子峰M+。 (OE +。)缺失或太低
离子源
“离子源”：MS-I + CID 碰撞池CID
低压中性气体氛下 碰撞活化诱导碎裂
质量分析器
离子检测器
数据采集
磁场/电场-磁场/电场BEBE串联质谱
3
DC=0，RF
QqQ方便改变离子 的动能，允许能量 分辨的CID实验， 方便对机理认识
MSn分析：p425
各级质量分析器的作用 数据采集模式 MS-I MS-II 扫描 固定
– 四级杆QP；离子阱IT；飞行时间TOF；FT-ICR
进样系统
1. 四极质量分析器QP
p403
+ +
+ -(U+VCos t) U+VCost _ ^
+ +
离子源
• 静态仪器（空间）
– 单聚焦磁场分析器；双聚焦分析器
• 固定 DC/RF电压比值，离子因两者电压或频率 的改变而被扫描，形成的质量通道只允许指定 质荷比的共振离子通过，扫描速度快
60 ng 六氯苯
M +.
100 %
350
0 50
CI ± 离 子 分 子 反 应
3 场致电离FI ：
进样系统
p398 改错
QM强 (M±1等）有利M测定 样品需要气化 缺乏碎片峰 不利结构确定
EI
离子源
4 场解吸FD ：p398
质量分析器
直接电离，不需气化 适合难气化、热不稳定样
– 如肽、糖、高聚物、金属有机 化合物
p405
4. 扇形磁场分析器
zE = mv2/Re Re = mv2/zE
单聚焦B p399 双聚焦EB p401
方向聚焦 能量逆色散
进样系统
离子源
1/2 mv2 = zU v = (2zU/m)1/2 t = L/v = L/(2zU/m)1/2 t = L/v = L(m/z /(2U))1/2
• 各次总数值排列在一起（点对点） 产生一个类似色谱图的TIC • 每秒可得一张或数张MS图 一张质谱图是一个“化学指 纹”：分子量及结构
每个点有一张唯一的 质谱图
4
TIC模式：TIC共流出峰上的MS
100
254.2 1 0 0
数据观察：选择离子SIM模式
254.23
（不是质量色谱图）
• 提取出离子并给出更好的信噪比 – 消除背景影响、分离共流出物峰 – 更多时间采集有用数据，灵敏度显著改善 – 采样频率快于全扫描，定量精度得到改善 – QP仪器最终灵敏度在SIM模式下低至fg级
FI
离子检测器
QM强，很少碎片
数据采集
得到M +.（OE+.）及其后续碎 裂或重排碎裂离子，碎片峰多
QM（EE+）系列离子，主要失 去中性小分子，碎片峰少且低
引入碰撞诱导断裂CID增加 结构信息
FD
5 快原子FAB /离子轰击SIMS
进样系统
6 电喷雾电离ESI±：p420
进样系统
[M+nG+H]+和[M+nG+H-H2O]+系列QM峰簇