质谱分析技术简介

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)
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）
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：
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
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
• 阳离子加合物(Cationization): M+Na+→MNa+ (或K+, NH4+)
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。
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
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
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。
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
准分子 离子 (M+1)+
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。
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
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)。
• 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
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)+
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；
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。
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
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 。
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)
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
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）
(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+
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：
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。
• 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):
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：
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
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Leabharlann Baidu，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。