15-质谱法(1) - 复件

+
2e(低速)
e(高速)
阳离子 阴离子 加速区
中性裂片
分子 -离子 复合物
真空 19 抽走
+ + +
(M-R2)+ (M-R1)+ M+ (M-R3)+
+ +
: R1 : R2 : R3 : R4 :e
Mass Spectrum
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EI源的优点：
非选择性电离，只要样品能气化即可，电离效率高 重现性好，应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 电离效率高,灵敏度高，获得有关分子结构的信息量大； 有丰富的碎片离子信息和成熟的离子开裂理论，有利于物质的结 构分析和鉴别 结构简单，控温方便；
28
29
d. 大气压电离源
(atmospheric pressure ionization; API) 电喷雾离子化（electrospray ionization; ESI) 大气压化学离子化（atmospheric pressure chemical ionization; APCI) 大气压光喷雾离子化（atmospheric pressure photo spray ionization; APPI)
双聚焦质谱仪体积大； 色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）需要； 体积小的质量分析器： 四极杆质量分析器 飞行时间质量分析器 离子阱质量分析器
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体积小，操作简单
b.四极杆质量分析器：
四极杆的交变电压能够 使特定质荷比的离子稳 定通过
40
41
优点： • 可在较低的真空度下工作 • 结构简单，体积小，重量轻，价格便宜 • 扫描速度快，有利于与色谱仪联用 • 自动化程度高 缺点： • 分辨率低 • 质量范围窄 • 不能提供亚稳离子信息
a. 磁偏转式质量分析器
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由上式可知：
m H R z 2V
2 0
2
<1> 当V和H固定时，m/z R2。说明磁场对不同m/z的离子有 质量色散作用，即不同质量离子将依照质量大小在磁 场中依次排列起来。 <2> 当V和R固定时， m/z H2。即H由小到大进行磁场扫描时， 则可使不同m/z的离子被检测。 <3> 当H和R固定时， m/z 1/V。连续的改变 V ( 称为电压扫 描 ) 可以使不同m/z的离子被检测。
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QQQ多级质谱：单个反应监测(SRM)
选择某一质量的母离子，Q2碰撞单元产生碎片离子。Q3 只分析一个碎片离子。此过程产生一个简单的单个离子 碎片谱图。
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QQQ多级质谱：多反应监测(MRM)
Q1选择某一质量的母离子，碰撞单元产生碎片离子。 Q3用于搜寻多个选择反应监测，这就是多重反应监测 （MRM）
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分类： 1) 单聚焦分析器：质量色散和方向聚焦。
磁场
m R zH
分辨率不高 S2
S1
R
离子源
B
收集器
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2) 双聚焦分析器：
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； 磁场
+
S1 S2 收集器
离子源
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3) 其他类型质量分析器
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2. 质谱仪
高真空系统
进样系统
离子源
1.电子轰击 2.化学电离 3.快原子轰击电离 4. 大气压电离 5. 基质辅助激光 解吸电离
质量分析器
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆 5. 离子阱
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3. GC/LC/CE
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(1)高真空系统
质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-4 10 -6 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ） (1)大量氧会烧坏离子源的灯丝 (2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电 (3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化
第一台质谱仪：1912年； 早期应用：原子质量、同位素相对丰度等； 40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促 进天然有机化合物结构分析的发展； 4
特点
质谱不属波谱范围 质谱峰与分子结构有关 质谱法进样量少,
灵敏度高, 分析速度快 质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的方 法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定至关 重要
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空间串联多级质谱：QQQ
• •
QQQ质谱仪对于液相色谱－质谱/质谱应用来说是权 威的分析工具，特别是需要精确定量时。 可以通过三重四极杆质谱仪可以进行如下几类试验：
– 子离子扫描 – 母离子扫描 – 中性丢失扫描 – 单个反应监测 – 多重反应监测
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QQQ多级质谱：子离子扫描
•
Q1选择了某一特定质量的母离子，Q2碰撞池产生碎片离 子，然后在Q3中分析。此过程产生典型的质谱质谱碎片 谱图。
选择其中带正电荷的离子进入质量分析器，使其在电 场或磁场的作用下根据其质荷比（m/z，离子质量与电 荷之比）的差异进行分离。按各离子m/z的顺序对离子 相对强度大小记录的图谱即为质谱(mass spectrum)
e

11
质谱的图形：棒图（bar graph） 纵坐标：离子的相对强度 (以基峰为 100 % ) 横坐标：质荷比
仪器所能测量的离子质荷比范围。通常采用原子质量单位 （amu）进行度量。 四极杆质谱仪：10 ~ 1000 amu 磁质谱仪：几十到几千 amu
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(2)样品导入系统 a. 直接进样：direct probe inlet ; DPI 适用：单组分、挥发性较低的样品
气体可通过储气器进入离子源 易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源 难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源
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b. 色谱联用导入样品： GC – MS、 HPLC - MS 适用：多组分分析
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ESI
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APCI
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e. 基质辅助激光解吸电离源
(matrix-assited laser desorption ionization; MALDI)
利用对使用的激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质（常用小分子 的液体或结晶化合物），将样品与其混合溶解并形成混合体。在真空下 用激光束轰击样品和基质的共结晶，基质吸收激光能量，并传递给样品， 从而使样品解吸电离。
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QQQ多级质谱：中性丢失扫描

在QQQ中进行中性丢失扫描，Q1和Q3分析器的结合使灵敏 度 和选择性得到最大化。Q1/Q3中性丢失扫描可监测母离 子特定的中性丢失，例如缩氨酸磷酸盐中一个磷酸根的丢 失。在这个例子中，Q1和Q3的扫描得到母离子的谱图，这 张谱图是母离子为了磷酸化，丢失了碎片98而得到的。
第一个四极杆在选择性离子监测模式，第二个在全扫描监测模式
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QQQ多级质谱：母离子扫描
• •
在母离子扫描中，Q1测定母离子，Q3测定某个特定的 碎片离子，因此可在非常复杂的混合物中监测某种特 定的分子。 在下面的例子中，睾丸激素在母碎片（m/z 367）中碎 片m/z 97得到选择性监测，具有极高的灵敏度和精确的 定量分析。
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采集类型：QQQ质谱仪
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三重四极杆: SRM 或MRM
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多反应监测（MRM）
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c.离子阱质量分析器
特定m/z离子在阱内一 定轨道上稳定旋转，改变 端电极电压，不同m/z离子 飞出阱到达检测器；
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(5) 离子检测器 电子倍增器
55
(6) 质谱仪的主要性能指标 a.质量范围（mass range）：
李嫣
科研楼523室 E-mail: yanli@fudan.edu.cn Tel:51980057
1
第15章 质谱法(1) mass spectrometry; MS
2
Introduction
质谱法的基本原理和质谱仪 质谱中的主要离子及其裂解类型 质谱分析法 综合解析
3
质谱分析法：利用多种离子化技术，将物质分子转 化为离子，按其质荷比（m/z）的差异分离测定，从 而进行物质成分和结构分析的方法。
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c. 快原子轰击离子源
(fast atom bombardment ionization source; FAB)
Xe + e Xe + 2e Xe (快)
+
+
+
Xe(热)
Xe(快)
+ Xe
+
(热)
轰百度文库样品
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 样品常用基质或底物（甘油）调和涂于金属靶上，生成离子是被测样 26 品分子-质子及底物作用生成的准分子离子
优点：准分子离子峰强，对杂质 的耐受量大，可测相对分子质量 达40万以上，适用于生物大分子 分析
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(4)质量分析器
mass analyzer
将不同质荷比的离子分离的装置。 分类： • 磁偏转式：磁质谱仪（magnetic - sector mass spectrometer) • 四极杆式：四极质谱仪 (quadrupole mass spectrometer) 34
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EI源的缺点：
只能用于小分子（相对分子质量400以下）的检测 离子化方式能量高，不利于得到相对分子量较大或稳定性差 的物质的分子离子峰； 样品必须能气化，不适合于难挥发、热不稳定化合物的分析
22
EI源：可变的离子化能量 (10~240eV)
电子能量 分子离子增加 电子能量 碎片离子增加
5
一、质谱法的基本原理和质谱仪
6
7
AB 5800 MALDI-TOF/TOF 超高分辨飞行时间质谱仪
Agilent 1200-6460 QQQ液质联用仪
8
气相色谱质谱仪
9
Agilent7500系列ICP-MS（等离子体质谱仪）
10
1. 质谱法的基本原理
M M 碎片离子 中性分子
对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质 则加大电子能量（ 常用70eV ）。
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b. 化学电离源(chemical ionization source; CI)
+ +
气体分子 试样分子
利用低压样品气与高压反应气 ，在高能电子流（~500eV）轰击 下，发生离子-分子反应，产生 准分子离子 样品离子通过离子-分子反应产 生，核心是质子的转移，而不 是用强电子束进行电离
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准分子离子 电子 + (M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
常用反应气：CH4、异丁烷、NH3、H2O、H2、He
CI源的优点：
准分子离子峰强度大，便于准确判断分子量和进行定量分析 易获得有关化合物基团的信息 适宜做多离子检测
CI源的缺点：
重现性较差，一般不能制作标准图谱 碎片离子少，缺少样品的结构信息 样品需加热气化后进行离子化，不适合于难挥发、热不稳定 物质的分析
FAB的优点：
与EI相比，较易得到较强的分子离子或准分子离子峰，由此 可获得化合物分子量信息； 离子化过程中样品无需加热气化，离子化能力强，适合于强 极性、高分子量、低挥发性及热不稳定性化合物的分析
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FAB的缺点：
图谱重现性较差； 对非极性样品灵敏度下降，且基质在低质量数区（400以下 ）产生较多干扰峰
43 57 29 15 71 85
99 113
142 m/z
12
84
100 % OF BASE PEAK 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
H3C CH2 NH
41 56
70
M=113
27
113(M )
0
10 20
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
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(3)离子源
ion source
作用：将样品分子电离成正离子或负离子。 离子源的种类： • 电子轰击电离源 • 化学电离源 • 快原子轰击电离源 • 大气压电离源 • 基质辅助激光解吸电离源
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a. 电子轰击源(electron impact source; EI)
M
质量分析器
e(高速)
M
+
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空间串联的多级质谱
空间串联的多级质谱分析通过连续的质量分析器实现， 例如三重四级杆(QQQ)
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空间串联多级质谱：QQQ
• •
必须通过连续放置多个分析器来实现空间串联的多级质谱 分析。 对于QQQ，每个分析器有以下单独的作用：
– 第一个四极杆(Q1)根据设定的质荷比范围扫描和选择所需的离 子 – 第二个四极杆(Q2) ，也称碰撞池，用于聚集和传送离子。在所选 择离子的飞行途中，引入碰撞气体，例如氮气等 – 第三个四极杆(Q3)用于分析在碰撞池中产生的碎片离子