质谱的原理和仪器构造

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1、质谱Mass Spectrometry发展历史上个世纪初英国学者 J.J. 汤姆森制成第一台质谱仪第一台商品质谱仪: 1942 年早期应用：原子质量、同位素相对丰度以及研究电子碰撞过程等物理领域。 上个世纪50 年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结 构分析；上个世纪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；计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技 术更加成熟，使用更加方便。1950 年至 1970 年：有机质谱迅速发展为测定 有机化合物分子量和结构的强有力的工具。主要研究分子量小于 1000Da 的有机分子。1981 年：出现了快原子

2、轰击质谱，有机质谱 开始分析研究极性大、热不稳定的多肽和小蛋白质等1988 年：出现了电喷雾电离质谱、基质辅助 激光解析电离飞行时间质谱，傅立叶变换质谱法开创了有机质谱分析研究生物大分子的新领域。进入了生命科学的范畴。近年来质谱与各种色谱的联用技术发展迅速。如 HPLC-ESI-MS,毛细管电泳 CE-ESI-MS等 ，并发展了微量电喷雾电离接口技术。质谱分类目前质谱在药检领域的应用迅速 增加，原因是许多保健品、中药 制剂、食品等非法添加化学成分 ，需要做出鉴定，虽是中国国情 使然，却也为仪器供应链创造了 商机。一、有机质谱的基本原理：质谱仪原理的示意图：进样系统 离子源 (电离和加速，形成各

3、种离子) 质量分析器 (把不同质荷比的离子分开) 检测器 (检测各种质荷比的离子) 数据处理系统。主要过程：在极高的真空度下 (10-510-8Torr ), 高能电子束 (10-70 eV) 在离子源内激发样品的气态分子，离 子源内分子由电子束作用失掉一个电子形成分子离子 M+。由电子束获得的能量还能使分子离子进一步裂解 ，生成较小质量的碎片离子和一些中性碎片。离开离子源的所有离子都被静电压 V 加速，然 后进入与运动方向相垂直,强度为 H 的磁场。将 离子按质荷比 (m/e) 分开并按质荷比大小排列 成谱图形式。 离子飞行方向依 m/e 的大小而偏转 (曲率半径为 r)，其关系为：质谱方程

4、式设计质谱仪器的主要依据其中 k 是比例常数。也就是具有相 同 m/e 的离子偏转程度相同。 二、质谱仪的具体组成-共六个单元1.进样系统a.探头进样系统一般最常用的探头有电子轰击源直接进样杆,快原子轰击 源直接进样杆等。b. 储罐进样系统包括储气室、加热器、真空连接系统及一个通过分子漏孔 将样品导入离子源的接口。气体和液体样品在不需要进一步分离时用此方式进样，储 气罐可加热至 200。此进样方式一般用于石油工业、环 保等领域。c. 注射泵进样系统用于 ESI(电喷雾电离源) 和 APCI(大气压化学电离源）的 直接进样。d. 色谱进样系统用于 GC-MS,HPLC-MS,CE-MS2.电离和

5、加热室 (离子源)被分析物质在这里被电离，形成各种离子。不 同性质的样品需用不同的电离方式。为使生成 的离子到达质量分析器，在离子源的出口施加 一个高电压即加速电压，对离子进行加速。不 同的分析器有不同的加速电压。离子源的种类很多，主要有电子轰击电离源（ EI）,化学电离源（ CI）,场致电离源（ FI）, 场解吸电离源（ FD）,快原子轰击源（FAB）, 激光解吸电离源（ LD）,热喷雾电离源（ TS ）,电喷雾电离源（ ESI）,大气压化学电离源 （ APCI）,基质辅助激光解析电离源（ MALDI）等。3.质量分析器 功能：把不同质荷比的离子分开排列成谱，是质谱仪的 核心。不同类型的质量

6、分析器有不同的原理、特点、适用 范围、功能。用于有机质谱仪的质量分析器有磁式双聚焦 分析器，四极杆分析器，离子阱分析器，飞行时间分析器 ，回旋共振分析器等。 4.检测器检测各种质荷比的离子。检测器的种类有电子 倍增器、光电倍增器、平板式微通道板检测器 等。现用得较多的是光电倍增器，永久性地密封于 其自身的玻璃真空外壳中，这样可以保护光电 倍增器在很宽的动态范围内，无论是检测正离 子还是负离子，都能保持高灵敏度、恒定的增益和线性,并且使用寿命长达 10 年。平板式微通道板检测器则用于飞行时间质谱仪 (TOF)。因为 TOF 作为质量分析器是脉冲式 检测方式，离子按质量大小以不同的飞行时间 依次到

7、达检测器。这种平板式微通道板检测器 具有极高的灵敏度。5.计算机、数据处理系统 在计算机未问世前，用反射式电流计，即被 检测的每个 m/e 值的离子电流作用于电流计 上，电流计的发射镜就把光束反射到光敏纸上 ，从而实行记录。 计算机系统的功能是对质谱仪进行控制，包 括对质谱数据的采集、处理和打印。现有电子轰击源 (EI) 的质谱仪的均有 NIST 标准谱库， 谱库中有十几万张标准谱图及用于环保、农药、兴奋剂, 代谢产物等专用谱库。可进行谱库 检索。高分辨质谱仪其数据系统的软件则更丰 富，还能给出分子离子和其他碎片离子的元素组成及理论计算值、偏差值 (百万分之一), 饱 和度等其他有关信息。 6

8、.真空系统为了保证离子源中灯丝的正常工作，保证离子在离子源和 分析器正常运行，消减不必要的离子碰撞，散射效应，复 合反应和离子-分子反应，减小本底与记忆效应, 质谱仪的 离子源和分析器一般真空度都要求在 10-5-10-8 Torr 才能工 作。真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮分子泵组成。通常 用机械泵预抽真空，然后用扩散泵或涡轮分子泵连续地抽 气。 三、质谱仪的主要指标三个主要指标-质量范围、分辨率、灵敏度 1质量范围(mass range)指质谱仪所检测离子的质荷比范围。对单电荷离子而言， 就是指离子的质量范围。在检测多电荷时，所检测的离子根 据其带多少个电荷而扩展其的质量范围。 2分辨

9、率 (resolution)分辨率又称之为分 辨本领。这是质谱 仪的一个重要性能 。一般规定：当两 个峰之间峰谷的高 度超过两峰平均高 度的10%时，则两峰 没有被分开。两峰部分重叠 磁式质谱仪的分辨率R的公式：公式1M：为可分辨的两个峰的平均质量M：为质谱仪可分辨的两个峰的质量差。由此可见分辨率是质谱仪分开相邻两离子质量的能力。 实际测量中将此公式写成：R10% = 公式2式中 a为相邻两峰的中心距离；b为峰高5%处的峰宽；对傅里叶变换质谱FT-ICR及飞行时间质谱仪(TOF)而言，分辨率 仍用公式1。 3灵敏度(senstivity)灵敏度是表示质谱仪出峰的强度与所用样品量之间的关系 。是

10、表示对所选定的样品在一定的分辨率情况下，产生一 定信噪比的分子离子峰所需的样品量。测定灵敏度的方法多种多样的，一般直接进样灵敏度的测 定方法是：在固定分辨本领的情况下，直接进入微克量级 的某种样品，看其分子离子峰的强度与噪声的比值，就是 信/噪比值，用 S/N 表示。噪声指基线的强度。4. 质量精度利用质谱仪定性分析时，质量精度是一个很重要的性能指 标。在低分辨质谱仪中，仪器的质量指示标尺精度不应低 于0.4质量数。高分辨率质谱仪给出离子的精确质量，相 对精度一般在1-10ppm。四、质量分析器：介绍五种不同的分析器 1单聚焦(single-focusing)和双聚焦 (double-focu

11、sing)质量分 析器单聚焦质量分析器 - 使用扇形磁场。双聚焦质量分析器 - 使用扇形磁场及扇形电场。这二种质量分析器曾经是有机质谱的主体，现仍在继续发 挥重要作用。 工作原理：在离子源中形成的各种(正)离子都被加速电压加速，而获得 动能： 公式3公式3中：V - 加速电压；v - 离子被加速后的速度；ze - 离子所带电荷(e为电子所带的电荷量，z为正整数)；m - 离子质量。被加速后的离子进入磁场，离子运动的方向和 磁力线垂直。在磁场中，运动的离子如同电流 ，会与磁场产生相互作用力。离子受磁场的作 用力作圆周运动。离子所受的磁场作用力提供 离子作圆周运动的向心力。公式4式中：B 磁场强度

12、(洛伦磁力)r - 离子的运动轨道半径；合并上述两式，消去v,可得：公式5这样V加速电压为定值，通过B(磁场强度)的扫描，顺次记录 下各质荷比离子的强度，从而得到所有m/z离子的质谱图。不同质量的离子具有不同的轨道半径，质量越大，其轨道半 径也越大。这意味着磁场有质量色散能力,可以单独用作质量 分析器。 改变加速电V(对应离子动能的变化)，离子的 轨道半径也发生变化。当仪器将离子的运动轨 道半径r 固定后，公式5可改写为：公式6 式中，k为一常数。这表明，离子的质荷比 (m/z) 与磁场强度的平方成正比，而与加速电 压成反比。若将加速电压固定，扫描磁场则可 测出样品分子生成的各种m/z值的离子

13、。公式 6还表明，增加磁场强度使仪器的质量范围增 大；降低加速电压也能达到相同目的，但仪器 灵敏度有所下降。公式3所描述的是理想情况。事实上，离子在 加速前，其动能并非绝对为零，而是在某一较 小的动能值之内有一个分别。同一质量的离子 ，由于初始动能略有差别，加速后的速度也略 有差别，因此它们经静磁场偏转后不能准确地 聚焦于一点，也就是说静磁场具有能量色散作 用。因质量相同而动能略有差别的离子不能聚 焦在一点，仪器的分辨率不是很高。为提高仪器的分辨率，质量分析器除了采用一 个扇形磁场外，还加上一个扇形电场，静电分 析器(electrostatic analyser,ESR),又称静电场 ，形成了

14、双聚焦质量分析器。静电场的作用：一束有一定能量分布的离子束，经静电场 的偏转后，离子按能量的大小顺次排列。因此静电场可看 作是一个能量分析器。静电场有方向聚焦作用，也有能量 色散作用。加速后的离子在静电分析器中作圆周运动，所 受的向心力由离子所受的电场力提供：E 为静电分析器两极间的电位差re 为离子在静电分析器中作圆周运动的半径。如果设法使静磁场和静电场这二者的能量色散数值相等， 方向相反，离子在通过扇形静电场和扇形磁场后，即达到 能量聚焦。加上方向聚焦的作用，这就是“双聚焦”。因此，扇形静电场加扇形磁场，达到了：方向聚焦、能量 聚焦、质量色散的目的。将扇形磁场和静电场串联，并安 排适当的离

15、子光学参数，则在某点可达到方向和能量的双 聚焦。离子在方向、能量都聚焦的情况下，质谱可达到高 分辨。按离子源、静电场分析器、磁分析器顺序排列为顺置型双 聚焦质谱仪还有逆置型双聚焦质谱仪，其磁分析器位置在前，静电分 析器位置在后。这是最重要的质谱/质谱串联结构之一。(见图3.倒置型双聚焦质谱仪几何结构图)。 在离子源与磁场之间的区域是第一无场区。磁场与电场之间 为第二无场区，是最重要的无场区，可以设置各种碰撞室和电 极，以观察离子的碎片反应。 2四极质量分析器(quadrupol mass analyzer)(quadrupole mass filter)四极质谱仪的质量分析器是由四根棒状电极组成，两对电 极中间施加交变射频场，在一定射频电压与射频频率下， 只允许一定质量的离子通过四极分析器而到达接收器。 图4 四极质量分离器当质荷比为m/z的离子沿z轴方向射入四极场 时，其运动方程比较复杂，将其简化为：+ （a + 2qcos2）x = 0马蒂厄微分方程+ （a + 2qcos2）y = 0其中：a = 2q = 2 = t/2方程的解非常复杂，所代表的物理意义可用a,q坐标的 曲线可表示。a,q值在稳定区内的离子产生稳定振荡，顺利通过四极 场到达检测器；a,q值在非稳定区的离子因产生不稳定 振荡而被电极中和。操作仪器时，变化参数有U、V 、三个。一般固定，a/q=U