质谱分析技术简介

Inlet System 进样系统
Ion Source
离子源
Mass Analyzer 质量分析器
Ion Detector 离子检测器
真空系统
10-2-10-6Pa
m/z
Mass Spectrum 数据处理系统
（1）进样系统
最常见的试样引入方式有： •直接插入(direct insertion):样品置于探针或样品板(如MALDI)
场致电离源（FI）
离子化机理：应用强电场诱
导样品电离： (电压：7～10kV，d<1mm)
离子化过程：样品蒸汽邻近
或接触带高的正电位的阳极 尖端时,由于高曲率半径的尖 端处产生很强的电位梯度,使 样品分子电离。
FI与EI所产生的质谱图对比
FI特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和
(M+1)+峰。
• 质子化(protonation): M+H+→MH+
蛋白质、多肽等多种生物分子中含碱性基团如氨基，易结合 质子形成稳定的正离子。每加一个H+，带正一价离子。 如多肽 H2N-RGASRR-OH+H+→+H3N-RGASRR-OH (MH+)
Relative Int.(%)
MH+ 702.4
MH22+ 351.7
白质，糖等。 主要用于液相色谱-质谱联用仪。
数个带多电荷离子经数学 转换，得到分子离子
ESI使蛋白质产生多个带多电荷离子
NanoESI
ESI: ~100 µL/min NanoESI: ~100nL/min
•雾化效率更高 •试剂/试样消耗量更少。
一体化PS微流控芯片（集成电喷雾金薄膜电极、酶）
光源 棱镜
不同波长的光 经棱镜分开
2、质谱仪的基本结构
质谱仪的工作原理：样品挥发进入离子化室，并会聚成离子
束。 狭缝处正、负离子分开、并进入分离管。 高 真空度的分离管中，不同质荷比的离子实现时空分离。 检测器中检测和记录。 计算机采集、处理数据，并检索 分析结果。
质谱仪主要由进样系统、离子源、质量分析器和检 测器等4个部件组成 。
PS通道选择性修饰、固定胰蛋白酶
细胞色素C在线酶解ESI-MS分析
He QH et al. Fabrication of a PS microfluidic chip coupled to ESI MS for protein analysis, J. Chromatogr. B, 2015, 990: 96-103
M
采用高速(高能)电子束冲击样品， 从而产生电子和分子离子M+：
M + e → M+ + 2e
e
高能电子束产生的分子离子M+将
加速
进一步裂解，释放出部分能量，
聚焦
并产生质量较小的碎片离子和中
加速
性自由基：
M1+ + N1·
M+
M2+ + N2 ·
特点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作 方便；但分子离子峰强度较弱或不出现(因电离能量最高)。
EI
FI
场解吸电离源（FD）
过 程：样品溶液涂于发射
EI 器表面→强电场→分子电离 →奔向阴极→引入磁场
特 点：
特别适于非挥发性且分子量
FI
高达10,0000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。
FD
快原子轰击电离源（FAB）
过程：稀有气体（如氙或氩电离）通过电场加速获得高
各种离子化方法的优缺点
离子化方法
质子化 （正离子）
脱质子化 （负离子） 阳离子加合物 （正离子）
排斥电子 （正离子）
优点
很多化合物可以接受质子； 适用于多种离子源，如ESI, APCI, FAB, MALDI。
适用于酸性物质； 适用于多种离子源。
很多化合物形象K+、Na+和 NH4+的加合物； 适用于多种离子源。
基质辅助激光解吸电离
（Matrix-Assisted Laser DesorptionIonization, MALDI）
离子化原理：用小分子有机物作为基质, 样品与基质混合
1:(102-105) 干燥、送入离子源内 真空下，激光辐照 基质吸收激光能量, 并转变成基质离子 样品与基质 离子碰撞过程中, 并离子化。
离子源
常见离子源
简称
电子轰击离子化(electron bomb EI ionization)
化学电离(chemical ionization)
CI
场电离(field ionization)
FI
场解吸(field desorption)
FD
快原子轰击(fast atom bombandment)
电喷雾离子化(electrospray ionization)
准确度不够高，只能精确值小数点后两位； 不适于低分子量检测。
原因：基质盐分干扰（基质峰主要出现m/z700~1000）； 仪器本身的精度。
（3）质量分析器 质量分析器位于离子源和检测器之间，依据不同的 方式将样品离子按照质荷比m/z分开。
主要类型：
磁分析器（Magnetic Sector)（包括单聚焦和双聚焦） 离子肼分析器 (Ion Trap) 飞行时间分析器 (Time-of-Flight, TOF) 四极滤质分析器 (Quadrupole) 傅立叶转化离子回旋共振分析器（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance, FT-ICR) 以上分析器的变型和组合，如Quad-TOF，TOF-TOF
• 排斥电子(electron ejection): M-e-→M+
低分子量的非极性化合物，如蒽C14H10。常见于EI源。
• 捕捉电子(electron capture): M+e-→M-.
具有强电子亲合力的化合物，如卤化物等。
• 荷电分子直接转化为气相 (transfer of a charged molecule to the gas phase):
基质辅助激光解吸(matrix-assisted laser desorption ionization)
FAB ESI MALDI
……
……
离子化试剂 高能电子
最初应 用年份
1920
试剂离子
1965
高电势场
1970
高电势场
1969
快原子或离子束 1981
荷电微粒能量 1984
激光束
1988
……
电子轰击电离源（EI）
化学电离源（CI）
离子化机理：样品分子在承受电子轰击前，被一种反应气(通 常是CH4)稀释，稀释比例约为104:1，因此样品分子与电子的
碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要经过离子-分子 反应组成。
离子化过程： 甲烷首先在电子轰击下被电离：
CH4+ →CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+ 甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：
分辨率不高，适 合于能量分散较 小的离子源。
双聚焦磁质量分析器
为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁 场前附加一个扇型电场（静电分析器），进入电场的离 子受到一个静电力的作用，改做圆周运动：
Ez = mυ2 Re
Re
=
mυ2 Ez
方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚。 能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚。 静电分析器将具有相同速度（或能量）的离子分成一类； 进入磁分析器后，再将具有相同质荷比而能量不同的离子 进行分离。 分辨率高，但体积大。
(M+17)+
C2H5+ ＋M→(M+C2H5)+＋C2H4 (M+29)+
一系列准 分子离子
CI和EI所获得到质谱图比较
CI的特点：
EI
电离能小，质谱峰数
少，图谱简单；
准分子离子(M+1)+峰 大，可提供分子量这 一种要信息；
不适用于难挥发，热
CI
不稳定或极性较大的
有机物分析。
分子离 子M+
准分子 离子 (M+1)+
一、质谱分析技术简介
Introduction of Mass Spectrometry
主要内容
1、概述 2、质谱仪的基本结构 ① 进样系统 ②离子化及离子源 ③质量分析器 ④离子检测
1、概述
根据用途
质谱
根据质量 分析器的 工作原理
静态质谱 动态质谱
采用稳定磁场，按 空间位置区分不同 m/z的离子。
直接插入离子源，热或激光解吸使之挥发和离子化。
•直接喷入(direct infusion)：采用毛细管或毛细管柱将气体或液
体样品喷入质谱仪中进行分析检测（如EI, ESI)，可以通过注射 泵连续泵入或GC/MS、LC/MS接口）
(EI, ESI)
(MALDI)
（2）离子化方法和离子源
使中性分子离子化的方法包括：
常见的MALDI基质
MALDI法的优点： 属于软电离，通常形成单电荷离子，可以提供完整分子
离子峰，提供完整的分子量信息，对蛋白质的鉴定非常有 用。（可检测到的质量范围达~300,000） 抗基质干扰能力强，适用于较复杂样品的分析。 高灵敏度，可达pmol，甚至amol的水平检测。
MALDI法的缺点：
单聚焦磁质量分析器
依据离子在磁场的运动行为，将不同质量的离子分开
进入分析器前，加速离子的动能为：mv2=2zV
进入分析器后，在磁场H作用下，改作圆周运动，只有离心 力与向心力相等时，离子才能飞出弯曲区，即按曲线轨迹 飞行。
f离＝f向
mv2 = Hzv R
质谱方程式：m = H 2r 2 z 2V
方向聚焦：相同 质荷比，入射方 向不同的离子会 聚；
离子源
作用：将被分析的样品分子电离成带电的离子，并使这
些离子在会聚成有一定几何形状和能量的离子束。
种类：
气相源：如EI, CI, FI 解吸源：如FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI…
硬源：如EI。离子化能量高，伴有化学键的断裂，谱图复杂， 可得到分子官能团的信息， 软源：如CI, FI, FD, FAB, APCI, ESI, TSP, LD, MALDI…… 离子化能量低，产生的碎片少，谱图简单，可得到分子离子 峰，即得到分子量信息，
50
750
m/z
• 脱质子化(deprotonation): M→[M-H]-
酚、羧酸、磺酸等酸性物质，易失去质子形成稳定的负离子。 如唾液酸(Sialic acid): 是9-碳单糖的衍生物。
Relative Int.(%)
[M-H]308.1
10
330
m/z来自百度文库
• 阳离子加合物(Cationization): M+Na+→MNa+ (或K+, NH4+)
CH4+＋CH4 →CH5+＋CH3 CH3+＋CH4 →C2H5+＋H2
加合离子与样品分子反应：
CH5+ ＋M→MH+＋CH4 C2H5+ ＋M→MH+＋C2H4
(M+1)+
CH5+ ＋M→(M-H)-＋CH4 +H2 (M-1)-
C2H5+ ＋M→(M-H)-＋C2H6
复合反应：
CH5+ ＋M→(M+CH5)+
采用变化的电磁场， 按时空来区分不同 m/z的离子。
质谱分析法——将样品分子经过离子化后，利用其不
同质荷比(m/z)的离子在静电场和磁场中受到的作用力不
同，形成不同的运动方向，导致彼此的分离，并通过收集 和检测这些离子得到质谱图，实现分析目的的一种分析方 法。
离子源
检测器 质谱分析器
不同m/z离子在 电/磁场中分离
常见于电子轰击源(EI)
捕捉电子 同上 （负离子）
荷电分子直接转 适用于多种离子源。 化为气相（正或
负离子）
缺点
某些化合物如糖类等的质 子结合物不够稳定或不易 接受质子 受化合物物种的限制
不适用于串联质谱；不产 生片段离子
产生过多的碎片离子；难 以确定最高质量的离子是 不是分子离子。 同上
只适用带电的化合物
特点：用于生物大分子，主要产生[M+H]+和[M-H]-加和离子。
• MALDI中的基质通常是有机小分子，能有效地吸收 激光照射的能量。 基质应具有的功能： 吸收能量； 使被分析物（如生物大分子）彼此分离。生物大分 子与极大数量的基质混合，从而使原本比较强的分子 间作用力得到消弱； 帮助分析物离子化。
离子在电压差和压力差的驱使下向下游移动
ESI过程： 形成带电的液滴 溶剂蒸发和液滴破碎 形成气态离子
•带电离子形成Taylor锥 ⇒ 形成液滴 ⇒ 液滴破碎
ESI的特点：
电喷雾源属软电离技术，只产生分子离子，不产 生碎片离子。
产生的离子常常带有多电荷，尤其是生物大分子。 适用于强极性，大分子量的样品分析，如肽，蛋
动能→快原子→快原子撞击涂在金属板上的样品→样品分 子电离→二次离子→电场作用下，离子被加速后→通过狭 缝进入质量分析器。
特点： 分子离子和准分子离
子峰强； 碎片离子峰也很丰富； 适合热不稳定、难挥
发样品分析； 样品涂在金属板上的
溶剂也被电离，谱图 复杂化。
电喷雾电离 (ESI) 结构：喷嘴(金属或镀金属的毛细管)，雾化气，干燥气 原理：喷雾→蒸发→电压