《质谱基本原理：硬件介绍》

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1、2015年8月9日 仅用于教学目的 1 仅用于教学目的 2015年8月9日 1 质谱基本原理： 硬件介绍 成就成就 您的科学探索之路 安捷伦与您一路同行 仅用于教学目的 2015年8月9日 2 安捷伦致力于为教育事业贡献力量， 愿意无偿提供公司拥有的技术培训 材料。 这组幻灯片由安捷伦科技公司制作，仅可用于教学目的。 如果您希望将其中的图片、示意图或绘图用于其他任何 目的，请事先与安捷伦科技公司取得联系。 2015年8月9日 仅用于教学目的 3 目录 (TOC) 前言前言 什么是质谱？ 质谱的用途是什么？ 质谱图是什么样的？ 质谱仪组件 质谱系统配置质谱系统配置 离子源 电喷雾 一般注意事项

2、(LC/MS) 流动相的一般注意事项 样品注意事项 (LC/MS) 质量分析器 单四极杆 三重四极杆 飞行时间 质谱系统配置质谱系统配置 检测器 数据系统 示例示例 更多信息更多信息 安捷伦学术网页 出版物 2015年8月9日 仅用于教学目的 4 前言 质谱质谱 (MS) 是一种分析化学技术，它通过测定气相离子的质荷比和丰度来鉴定样品中 存在的化学成分的含量和类型。 质谱图（spectrum，复数为 spectra）为离子信号与质荷比的函数曲线图。在质谱图 中，分子离子和碎片的质量数可用于确定化合物的元素组成或同位素特征。这一信息 可用于解析农药或多肽等分子的化学结构。 质谱的作用主要是通过电

3、离化合物生成带电分子或分子碎片并测量其质荷比。 来源：维基百科 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 5 前言 质谱的用途是什么？ 质谱是一种对离子进行定性或定量分析与检测的技术。它通常与液相色谱或气相色谱 结合使用 应用领域十分广泛应用领域十分广泛 此处给出了一些示例：此处给出了一些示例： 食品和调味品分析（真菌毒素、抗生素、食品分析） 环境分析（PAH、农药、除草剂、苯） 组学研究（蛋白质组学、代谢组学、暴露组学） 临床研究与 IVD 制药行业应用（生物分析、DMPK、药物开发） 法医和毒理学 兽药分析 等等 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 6 前言 质谱图是什么样的？

4、古柯乙烯的 ESI 质谱图 可卡因的 ESI MS/MS 质谱图 ToC 来源：用于毒理学分析的若干液质联用技术的比较（图 36 和 37） 2015年8月9日 仅用于教学目的 7 前言 质谱仪组件 离子源离子源可产生分析物离子。 质量分析器质量分析器可根据离子的质荷比 (m/z) 对其进行处理。 检测器系统检测器系统可检测离子并记录离子形态的相对丰度。 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 8 质谱系统配置 离子源 在分析样品的质量数之前，必须在离子源中将其离子化。 气态样品进样气态样品进样： 电子轰击 (EI) 化学电离 (CI) 液态样品进样液态样品进样： 电喷雾电离 (ESI)

5、大气压化学电离 (APCI) 大气压光电离 (APPI) 多模式电离 (MMI) 基质辅助激光解吸电离 (MALDI) 电感耦合等离子体 (ICP) 详情请参见注释 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 9 质谱系统配置 离子源 化学电离 CI反应气控制模块用于调节进入 CI GC/MS 接口的反应气流速。气流模块由质量流量控制 器 (MFC)、气体选择阀、CI 校准阀、关闭阀、控制器件和管路组成。 CI GC/MS 接口。来源：Agilent 7000 系列三重四极杆气质联用系统操作手册（第 79 页） ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 10 质谱系统配置 离子源 电喷雾 电

6、喷雾电离 (ESI) 是一种软电离技术。 液相色谱洗脱物在大气压下，在强静电场与加热干燥 气中被喷入雾化室进行雾化。静电场产生于雾化器 （在本设计中接地）与毛细管（接高电压）之间。 适用的分子： 小分子（葡萄糖）和生物大分子（蛋白质、寡核苷酸） 形成多电荷离子为 ESI 中的现象，可用于大分子分析 （- 解卷积，参见注释）。 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 11 质谱系统配置 离子源 LC/MS 一般注意事项 在 LC/MS 系统中采用液相色谱方法时，应当考虑三个要点： 1.流动相的兼容性 2.流速和色谱柱的兼容性 3.分析物的离子化能力 分析物是否具有挥发性？ 分析物是否对热不稳

7、定？ 分析物中是否含有能够接受质子 (N2 O2) 或失去质子 (O2 N2) 的杂原子？ 接受质子 使用正离子模式 失去质子 使用负离子模式 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 12 质谱系统配置 离子源 流动相的一般注意事项 金属离子缓冲液将干扰离子化 表面活性剂将干扰蒸发 离子对试剂会发生离子化，形成较高的背景噪音 与分析物结合的强离子对会阻碍分析物离子化 这类相互作用常称为“离子抑制离子抑制”。 某些流动相添加剂将导致持久性的背景问题： 正离子模式下 TEA 的干扰 (m/z 102) 负离子模式下 TFA 的干扰 (m/z 113) ToC 详情请参见注释 2015年8月9日

8、 仅用于教学目的 13 质谱系统配置 离子源 流动相的一般注意事项 一个设计精良的离子源应当是性能稳定且能够耐受非挥发性物质的组件；然而，离子 化过程会受到盐/缓冲液浓度和种类的影响（见下一张幻灯片）。 经历 635 次溶于 HBSS 中样品进样后的 APCI 雾化室 清洁雾化室 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 14 质谱系统配置 挥发性缓冲液浓度对信号的影响 详情请参见注释 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 15 质谱系统配置 离子源 LC/MS 样品注意事项 ESI 对挥发性没有要求对挥发性没有要求 热不稳定分析物的首选热不稳定分析物的首选 技术技术 离子形成于溶液中

9、离子形成于溶液中 可形成多电荷离子可形成多电荷离子 APCI 对挥发性有一定要求对挥发性有一定要求 分析物必须热稳定分析物必须热稳定 离子形成于气相中离子形成于气相中 仅形成单电荷离子仅形成单电荷离子 APPI 对挥发性有一定要求对挥发性有一定要求 分析物必须热稳定分析物必须热稳定 离子形成于气相中离子形成于气相中 仅形成单电荷离子仅形成单电荷离子 使用这三种离子源均可使多数化合物得到充分的离子化。 APCI /APPI 则可以对非极性过强而无法通过 ESI 离子化的分子进行离子化。 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 16 质谱系统配置 质量分析器 单四极杆 (SQ) ToC Agi

10、lent 6120 单四极杆液质联用系统的离子通道 主要应用：主要应用： 合成过程确证 杂质分析 产物一致性确证 低含量杂质验证 2015年8月9日 仅用于教学目的 17 API 大气压电离，主要步骤为：大气压电离，主要步骤为： 离子源形成样品离子并将其传递至真空系统中 各种离子光学元件使离子聚焦并引导其穿过一系列真空段 四极杆质量分析器根据设定的 m/z 过滤离子 检测器记录选定 m/z 的离子以及该 m/z 值对应的强度 离子离子传输和碎裂（第一真空段）传输和碎裂（第一真空段） 离子在静电引力作用下通过干燥气和加热的采样毛细管进入真空系统的第一段中。靠近毛细管出口的是 带有小孔的金属截取锥

11、 电场与离子动能的结合可以使分析物通过截取锥孔径 大部分不带电的轻质干燥气（氮气）分子被截取锥偏转，并由真空泵抽走 通过截取锥的离子向真空系统的第二段移动 大气压电离技术完全是相对较“软”的技术。它主要生成： 分子离子 M+ 或 M- 质子化分子 M + H+ 简单的加合离子 M + Na+ 简单丢失的离子，例如失去水分子的离子 M + H - H2O+ 质谱系统配置 质量分析器 单四极杆 (SQ) ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 18 ToC 质谱系统配置 质量分析器 单四极杆 (SQ) 离子传输（第二或第三真空段）离子传输（第二或第三真空段） 此时中性气体分子被去除，离子被限制

12、在穿越两个真空段的八极杆内。在八极杆上施加射频电压，此时离子聚焦 于八极杆的中心，而气体分子被抽出 离开八极杆后，离子将通过两个聚焦透镜进入真空系统的第四段 离子分离和检测（第四真空段）离子分离和检测（第四真空段） 在四极杆质量分析器中，根据 m/z 比使离子分离 四极杆质量分析器由四根平行杆组成，杆上施加了特定的直 流电 (DC) 和射频 (RF) 电压 通过施加电压所产生的电场决定了哪种质荷比的离子能够在 给定时间内通过过滤器 通过的离子则被聚焦于检测器上 随后电子倍增器将对离子进行检测 四极杆质量分析器 2015年8月9日 仅用于教学目的 19 质谱系统配置 质量分析器 三重四极杆 (Q

13、QQ) ToC 主要应用：主要应用： 小分子和多肽的定量分析 目标物分析 复杂基质中的痕量化合物分析，如食 品安全研究、环境研究、药物开发、 毒理学、法医学和生物分析 2015年8月9日 仅用于教学目的 20 质谱系统配置 质量分析器 三重四极杆 (QQQ) ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 21 质谱系统配置 质量分析器 三重四极杆 (QQQ) API 大气压电离大气压电离 请见单四极杆 离子传输和碎裂离子传输和碎裂 Q1（四极杆）由四根平行的双曲面杆组成，通过这些杆可以过滤选定离子 Q2 为碰撞池，它通过与非反应性惰性气体（氮气或氩气）碰撞来限制并碎裂离子。碰撞池的设计具有轴向加

14、速功能， 可保证离子穿过气体以进行高速 MS/MS 分析 Q3（四极杆）可采用多种操作模式对碎片离子进行过滤，能够提供不同的信息 两种主要的操作模式： 子离子扫描： Q1：母离子选择 Q2：母离子在碰撞池中的碎裂 Q3：扫描所有碎片得到子离子扫描 MS/MS 谱图 选择反应监测 (SRM)： Q1：母离子选择 Q2：母离子在碰撞池中的碎裂 Q3：特定 m/z 子离子的选择 ToC 由于碎片离子为母离子的片段，因此它们代表了前体分子整体结 构的一部分。化合物的指纹图谱指纹图谱随之生成。 此步骤将产生极其灵敏的结果，被称为单反应单反应监测监测 (SRM)。而对 相同母离子运行多次 SRM 则被称为

15、多反应监测多反应监测 (MRM)。 2015年8月9日 仅用于教学目的 22 质谱系统配置 质量分析器 四极杆 (Q) -飞行时间 (TOF) ToC 本图展示了完整的 Agilent 6520 Q-TOF LC/MS 示意图，包括 AJS ESI 离子源、离子传输透镜 系统、离子束成形透镜部件、离 子脉冲器、飞行管和检测器。 主要应用：主要应用： 天然产物筛选 化合物剖析 蛋白质/多肽分析 生物标记物发现 杂质剖析 2015年8月9日 仅用于教学目的 23 质谱系统配置 质量分析器 四极杆 (Q) -飞行时间 (TOF) ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 24 质谱系统配置 质量分

16、析器 四极杆 (Q) -飞行时间 (TOF) API 大气压电离大气压电离 请见单四极杆 离子传输和碎裂离子传输和碎裂 (Q-TOF) 离子通过离子光学元件到达四极杆分析器 四极杆分析器由四根双曲面平行杆组成，这些杆可以根据通过离子的 m/z 比对其进行选择 六极杆碰撞池通过与非反应性惰性气体（氮气或氩气）碰撞来限制并碎裂离子。碰撞池的设计 具有轴向加速功能，可保证离子穿过气体以进行高速 MS/MS 分析 碰撞池中形成的碎片离子随后被传递至 TOF，以便将子离子记录为母离子的函数 ToC 2015年8月9日 仅用于教学目的 25 ToC 质谱系统配置 质量分析器 四极杆 (Q) -飞行时间 (TOF) 飞行管飞行管