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1、质谱法及其联用技术的原理与应用,解题,质谱法（Mass Spectrometry, MS） 有机/无机/生物/同位素MS 质谱仪可直接进样常见仪器分析技术 液相色谱法（LC） 气相色谱法（GC） 毛细管电泳法 感耦等离子体（ICP）原子发射光谱法 ,解题,为何要联用？ 以LC-MS为例：LC的色谱分离MS的质谱分 离（m/z分离） 两个维度依次分离，是乘法，非加法！结合了LC和MS二者的优点辨证地看待“联用”仪器的小型化、微型化，如waters公司的Qda检测器；ICP-MS。,Waters公司的液质联用仪,QqQ,QTOF,Sciex公司的质谱仪,QTRAP,QTOF,QqQ,Orbitra
2、p,Thermo Fisher公司的液质联用仪,Agilent公司的质谱联用仪,ICP-QqQ质谱仪,GC-QqQ质谱仪,用途和优点,以LC-QqQ-MS定性、定量最常用的多反应监测（Multiple Reaction Monitoring，MRM）模式为例灵敏度高 准确地说信噪比高 LC：g/mL（ppm） LC-MS：ng/mL（ppb）、pg/mL（ppt）特异性好 干扰小，定性准确 降低了对样品前处理的要求 是公认的确证分析技术！,低分辨率质谱仪,用途和优点,以QTOF和Q-Orbitrap为代表：质量准确度高（m/z精确到小数点后3-5位）定性筛查的利器：半未知、全未知化合物 如：北
3、京CDC,高分辨率质谱仪,从历史谈起,离子源和质量分析器有多种不同的类型以两大主线介绍质谱仪的发展史进样系统离子源（使分析物电离）离子光学系统质量分析器（实现m/z分离，质谱仪通常据其命名）检测器真空系统计算机系统,质谱发展史上的两位先驱,1897年，J. J. Thomson（汤姆孙，18561940）质谱仪的雏形1919年，F. W. Aston（阿斯顿，18771945）首次制成具有较高聚焦性能的质谱仪，用其成功发现了多种同位素，获1922年的诺贝尔化学奖,质量分析器发展史,1917年，Dempster 发明扇形磁场质谱仪（扇形磁场分析器）1934年，Mattauch和Herzog 19
4、53年，Johnson和Nier 分别设计出了两种双聚焦质谱仪（扇形磁场分析器 扇形电场分析器）1946年，Stephens 发明飞行时间（Time-of-Flight，TOF）质谱仪1949年，Hipple 发明离子回旋共振（Ion Cyclotron Resonance，ICR） 质谱仪，是首个超高分辨率质谱仪,质量分析器发展史,1953年，W. Paul（保罗，19131993）提出四极质量分析器（Quadrupole Mass Analyzer，QMA）和四极离子阱（Quadrupole Ion Trap，QIT）的理论，随后出现了四极质谱仪和QIT质谱仪H. G. Dehmelt（德
5、梅尔特，1922）对ICR质谱仪的发展作出突出贡献与Paul共享了1989年诺贝尔物理奖的一半,质量分析器发展史,1977年和1984年两种重要的串联质谱仪三重四极（Triple Quadrupole，QqQ）质谱仪和QTOF质谱仪诞生1995年和1998年，Bier等和Hager 分别设计出了两种线性离子阱（Linear Ion Trap，LIT）1999年，A. Makarov（1966）全新概念的分析器轨道阱（Orbitrap）,离子源发展史,气体放电电离、火花电离、辉光放电电离、热电离 最出现的电离技术，属于无机电离技术1918年，A. J. Dempster 发明电子电离（Elect
6、ron Ionization，EI） 最早的有机电离技术，至今仍广泛使用1954年，Inghram和Gomer 场电离，最早的“软”电离技术1966年，Munson和Field 发明化学电离（Chemical Ionization，CI）,离子源发展史,1969年，Beckey场解吸，打开了MS用于生物大分子分析的大门1980s，Fenn（芬恩，19172010） 使电喷雾电离（Electrospray Ionization，ESI）取得重 大突破1973年，Horning大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）1980年，H
7、ouk以电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）为离子源，发明了ICP-MS，是元素分析的利器,离子源发展史,1987年，Tanaka（田中耕一，1959）将基质辅助激光解吸电离（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization，MALDI）用于蛋白质分析；因将ESI和MALDI引入生物大分子领域的卓越贡献，Tanaka与ESI的发明者Fenn分享了2002年诺贝尔化学奖的一半,MS基本原理,MS是与光谱法、核磁共振波谱法并称的三大物质定性手段之一MS是通过形成气相离子来研究物质的一种方法，根据质量、电荷、结构和（或
8、）理化性质的差异，运用质谱仪对离子进行表征提前是化合物能形成离子m/z分离通过质量分析器实现（电场；磁场；电场磁场）,关于m/z的理解,什么是“质”？什么是“荷”？用于描述微观离子质量的单位千克（Kg，SI单位，但单位太大）道尔顿（Dalton，Da） John Dalton（17661844）统一原子质量单位（Unified Atomic Mass Unit，u）1u1Da1.660 538 921（73）1027kg 注：原子质量单位（Atomic Mass Unit，amu，已废弃）,关于m/z的理解,相对质量VS绝对质量初中化学的重要概念“相对原子质量（原子量）”相对质量单位为“1”，
9、绝对质量单位为u、Da等相对质量与以u为单位的绝对质量在数值上相等实际质量VS平均质量要区分“元素”和“原子”的质量。例如，原子质量是实际质量，元素质量是平均质量（考虑了同位素丰度）。原子量（是元素的质量）原子质量分子量（是元素质量的加和，MS中不能直接运用）,同位素分布,Sn的同位素分布,同位素分布,瘦肉精（C12H18Cl2N2O）的同位素分布,同位素标记内标：选择占比较少的同位素组成形式,质谱图,质谱图（Mass Spectrum）以离子的m/z为横坐标，质量峰的强度为纵坐标注意：质谱图并非指MS所得图谱的总称横坐标既非保留时间，也非离子质量,a、轮廓图 b、棒图,提取离子色谱图,质谱仪
10、直接采集得到的是质谱图，经计算机加工得到色谱图质谱图是色谱图的基本组成单元,分辨率,分辨率（Resolution，R）反 映的是相邻质谱峰的分离程度目前最常用的定义是“半峰 全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）定义”,分辨率,低分辨率：R1 000 中分辨率： R 1 00010 000 高分辨率： R 10 000100 000 超高分辨率： R 100 000QMA是低分辨率，TOF和Orbitrap是（超）高分辨率通常， QMA的质谱峰的半峰宽为0.7,质量准确度,准确质量（Accurate Mass）：实测值精确质量（Exact Mass）：理论值质量
11、准确度：二者的误差分辨率会影响质量准确度QMA的质量准确度一般为0.1u,质谱仪简介,SCIEX的QqQ和QTRAPTMThermo Fisher的OrbitrapSCIEX、Waters、Bruker的QTOFBruker的FT-ICR,价格,GC-MSQ：80万QqQ：120万LC-MSQqQ：220330万QTOF：300400万Q-Orbitrap：400600万ICP-MSQ：100150万QqQ：200250万,质谱仪硬件组成,进样系统直接进样（如注射泵）、色谱仪等离子源离子光学系统冷却、聚焦、准直等质量分析器,检测器电子倍增器、微通道板等真空系统为何需要保持真空？为何通常需要待机
12、？需要液氮，是否矛盾？计算机系统,离子源,离子源是使样品分子、原子或自由基转变为气相离子的器件，是质谱仪的“门户”有机MS中几种常见的离子源电子电离（Electron Ionization，EI）源化学电离（CI）源较“软”电离；需要试剂气；适合GC大气压电离（Atmospheric Pressure Ionization，API）源基质辅助激光解吸电离（MALDI）源适合蛋白质分析无机MS中几种常见的离子源 感耦等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）源,EI源,曾称为“电子轰击（Electron Impact，EI）”电离源,特点,“硬”电离 分子离子、碎片
13、离子； 多用于一级MS质谱图重复性好,API源,顾名思义，API是在大气压而非高（如EI）或低（如CI）真空环境中实现的一类电离技术API源的出现，解决了色谱仪与质谱仪接口的难题，极大地推动了LC-MS的成熟,API源,主要包括以下3种类型电喷雾电离（Electrospray Ionization，ESI）源大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）源大气压光电离（Atmospheric Pressure Photoionization，APPI）源,ESI源,SCIEX公司的ESI源,ESI源,Waters公司的ESI源（Z-
14、Spray）,ESI源,Agilent公司的ESI源,ESI的机理,电离过程大致可分成三个阶段（以ESI为例）：第一阶段：使溶液分散成带电雾滴强电场液滴形成泰勒锥瑞利稳定极限锥喷流（Cone-Jet） 约1mm后就迅速膨胀为羽流（Plume），即多个带正电荷的直径为12m的雾滴（高压静电气动辅助）,ESI的机理,锥喷流的照片,ESI的机理,第二阶段是溶剂蒸发与雾滴-喷流分裂（Droplet-Jet Fission）溶剂蒸发雾滴缩小电荷密度增加当达到瑞利稳定极限时 遂发生“雾滴-喷流分裂” 循环往复体积越来越小,ESI的机理,第三阶段是产生气相离子，即离子从溶液中转移出来以气态存在离子蒸发模型（
15、Ion Evaporation Model，IEM）当雾滴半径达nm级时，高挥发性的离子聚集在雾滴表面，在强电场作用下发生场辅助蒸发，直接从雾滴中“弹出”，成为气相离子。带电残渣模型（Charged Residue Model，CRM）该模型认为只有雾滴中的溶剂完全蒸发时，化合物才能继承多电荷形成一个气相离子。两种模型均有实验支持。一般认为，小分子化合物可用IEM解释，大分子化合物则用CRM解释,ESI的特点,在大气压下进行对比：EI在真空状态下进行“软”电离形成离子：加合离子MH、MNa、MNH4 、MCl等；去质子化分子MH 对比：EI是“硬”电离单电荷与多电离离子小分子以单电荷离子为主，大分子以多电荷离子为主基质效应可能存在基质增强或抑制如何判断是否存在？解决办法？（同位素标记内标、基质加标、改进样品前处理）,质量分析器,1. 四极质量分析器（QMA）定性、定量的利器；灵敏、特异，线性范围宽2. 四极离子阱（QIT）捕获离子；可实现多级质谱法；定性能力强，定量能力不及QMA3. 线性离子阱（LIT）离子容量比QIT大，许多性能优于QIT ；有2种类型，其中一种为QTRAPTM（Q-LIT）注：以上3种质量分析器有共同的理论基础Mathieu（马蒂厄）方程,
