质谱法离子源和分析器

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1、质谱法,电离源和质量分析器,4.1.3.1电子轰击电离 (Electron Impact, EI),1、组成部分 灯丝：钨、铼或铼钨丝，发射电子，电离样品 收集极：接收灯丝发射的电子 推斥极：推出产生的样品离子 永久磁铁：使电子做螺旋运动，增加电离几率,2、电离效率曲线 灯丝产生的电子被加速到70eV,保证电离的重现性。为什么？ 电离效率随电子能量的升高而升高，当达50eV时，基本达到最大值，实验上设定电子能量为70eV。 此时，产生的谱图有稳定的指纹特征。,电离效率曲线,电子能量对质谱图的影响,不同能量下获得的苯甲酸的质谱图,4.1.3.2化学电离 (Chemical Ionization,

2、 CI),利用反应气体的离子与样品分子相互反应，而使样品分子离子化，本质是化学过程，故称化学电离。 离子出品的缝隙减小，使高子室内的压力保持在0.5-1.0Torr。 电子轰击化学电离气体，不直接作用于样品分子。 推斥电极电压：0V，增加源内停留时间，有利于离子-分子反应。 化学电离试剂：甲烷、异丁烷、氨气，氢气，水、甲醇、胺等。,以甲烷为例，化学电离源内的有关离子-分子反应， CH4 + e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+ CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 CH5+ + XH XH2+ +

3、 CH4 C2H5+ + XH XH2+ + C2H4 C2H5+ + XH X+ + C2H6,化学电离离子-分子反应常见类型 质子转移反应 BH+ + M MH+ + B 氢负离子转移反应 BH+ + M M-H+ + BH2 电荷交换反应 B+ + M B + M+ 加成反应 BH+ + M BHM+ 或 BMH+,4.1.3.3二次离子质谱(Second Ion Mass Spectrometry,SIMS) 快原子轰击(Fast Atom Bombardment, FAB), Ar原子 快离子轰击(Fast Ion Bombardment, FIB) Cs离子,FAB： Ar 与被加

4、速到20kV的Ar+进行弹性碰撞，使Ar获得相应的动能，射向样品靶，产生轰击作用。 FIB： Cs+由CsI加热后放出来，然后通过电场加速到20kV，射向样品靶，产生轰击作用。 适用于极性分子的分析，生物分子，质量在2000以内。,基质的作用： 一般为强极性分子，对快原子或快离子有较强的吸收能力，可使进样品溶液溶解，溶剂挥发后，基质结晶，样品均匀分布于该结晶体中，轰击时一起蒸发。,FAB/FIB常用基质,4.1.3.4基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI),试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样分子上

5、。 基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基质的汽化而解吸。 基质吸收大部分激光能量，减少了试样分子被激光能量破坏及过度电离成碎片离子。 激光：固体氮激光，紫外光 波长： 337nm 功率：106108W/cm2 脉冲时间：10-610-9秒,关于基质： 极性化合物 溶解样品 芳环 吸收激光 易结晶 均匀分散样品分子 MALDI常用基质, 蛋白质组分析。,MALDI的特点： 优 点 ： 质量范围可达50万Da。 高灵敏度，可测至10-1210-15摩尔。 软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。 可容纳毫摩尔级的盐。 缺 点 ： 基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。 激

6、光解析电离可能导致被分析物分解。,4.1.3.5电喷雾电离(Electro-Spray Ionization, ESI),毛细管 直径0.10.2mm。 喷雾电压：毛细管尖端与离子引入口之间，38kV。 壳气(Sheath gas), 从毛细管端与喷雾反向加热后流出。 离子通过取样锥(Skimmer)和毛细管(Capillary)传送至光学聚焦系统。,电喷雾电离的基本过程 电场下的喷雾 带电雾滴 壳气的作用下 溶剂的蒸发 电荷的库仑作用 带电雾滴的解体 Rayleigh 极限 表面张力和库仑斥力的平衡点,Reproduced from Kebarle, P. J. Mass Spectrom.

7、 2000, 35, 804-817.,电喷雾电离产生多电荷离子：,可以用质谱仪的小的质量范围测定大的生物分子， 相当于将质谱仪的质量范围放大的n倍。,例 肌红蛋白电喷雾质谱图 带1030个电荷的系列分子离子,4.1.3.6大气压化学电离(Atmosphere Pressure Chemical Ionization, APCI),毛细管样品送入加热管中，该管可以达到300C以上。 在加热管中溶剂挥发。 加热管出口处放置电晕(Corona )放电装置, 使挥发出来的溶剂分子 电离，形成等离子体。 等离子体与样品分子反应，生成MH+或MH准分子离子。,APCI特点 软的电离方式，样品直接从液从中

8、拉出来的，不是蒸发，基本 不产生分解，电离过程属于离子-分子反应，与CI原理相似。 快速地适合高低含量水溶液的流动相，可作梯度分析。 单电荷峰，实现源内CID。,Which Ionisation Mode?,仪器的加速电压V：使离子具有高的动能，快速通过磁场、电场和无场区。 某一离子：质量为m，电荷价态为z，从加速电场获取的电能为zeV。 该离子的动能为1/2mv2 v为离子的运动速度，两个能量是相等的。 即：,4.1.4 质量分析器 种类繁多，磁场、电场、射频场对电荷离子的控制作用。,4.1.4.1扇形磁场和静电场 (Sector Analyzer),离子在扇形磁场中的运动,1、离子在扇形磁

9、场中的运动,将离子动能 mv2/2=zeV 代入上式，则得：,半径为re圆弧上，电场强度为： 其中E为静电场的电压。,若Er固定，则离子运动半径随加速电压的改变而改变，因此静电场是能量分析器。,离子在扇形电场中的运动,2、离子在扇形电场中的运动,Er 为离子运动轨道上的电场强度 re 为离子在电场中作圆周运动的半径，即电场的半径。,代入 re = 2V/Er中得：E = V lnr1/r2, r1和r2是固定的。 所以，在双聚焦质谱仪中，静电场电压与加速电压维持着一定的比例关系。,2、双聚焦质谱仪基本原理,扇形磁场 质量色散，分析离子原因，实际上是动量分析器。 方向聚焦，相同质量和相同速度的离

10、子，从同一点以不同角度入 射到磁场中，在磁场中所走轨迹不同，但在磁场后可 集中于某一点，与方向无关。 静电分析器 能量分析器 方向聚集，同磁场。,离子源中引出的离子： 运动方向不平行。（角色散） 存在能量色散，初始的温度分布和电子轰击时所产生的附加动能。,双聚集 ESA使由离子源发散出来的离子束按动能聚焦成一系列的点，再经磁场将具有 相同质核比分开的离子束再聚焦到一点。,两组四极杆分别加上 +(u+Vcost) 和 (u+Vcost)， 其中u直流电压部分，Vcost为射频电压部分 = 2f, f为频率。 理想的四极场为双曲线型，但加工的困难，用四根杆代替。 在四极场中任一点的电场为：,4.1

11、.4.2四极杆质量分析器(Quadrupole Mass Analyser),在场的中心和两条对角线上的任何一点电位为零。,离子在射入四极场后，其运动方程 ma = eE a为离子加速度，E电场强度 电场强度为电位的导数。则上式在直角坐标系展开为：在四极场中任一点的电场为：,代入上式得：,令：,合并上 几式得：,Mathieu 方程,Mathieu方程解，复杂，与边界条件密切相关。 以a, q为坐标，方程的解作图，三个区：稳定区，x不稳定区，y不稳定区。 a, q都是交直流电压幅值、频率和时间的函数，可由仪器设定和调节，r0 是仪器中心到四极杆的径向距离，其值是确定的。,扫描线：与稳定区相截并

12、且 通过原点的直线。在这条直线上， 各处的a/q比值都为常数，即 u/V = a/q 亦为常数。 同质荷比的离子对应有不同的a, q值，对于具有使 u/V = a/q为常数的离子来说，其a和q值均在扫描线上。如果其值恰好处于扫描线和稳定区的两个边界交点(A，A)之间，则该离子落在稳定区之内。 改变u/V 的比值，扫描线斜率变化，增加，AA长度减小，即能够稳定的离子减小，分辨率增加。AA长度仅与u/V比值有关。 固定u/V比值(即保持AA长度不变，也就是分辨率不变)，改变V的幅值，可使不同质荷比的离子先后进入稳定区，顺序通过四极杆之后被接收，得到一组不同质荷比的质谱。,稳定区: 离子产生稳定的振

13、荡，沿z方向通过四极杆。 不稳定区: 离子振幅不断增大，最后飞出四极场或与z和y电极碰撞中和。,离子阱质谱由四极杆质谱仪发展而来。 四极杆变为环极，四极杆两端加端帽。 端帽和环极上均加有直流电压U，射频电压 (振幅为V，角频率) 。 离子的运动仍由Mathieu方程描述。 较理想的离子阱质量分析器：r02 = 2z02,4.1.4.3离子阱质量分析器(Ion Trap Mass Analyser, IT),Mathieu方程的解：蓝色区为稳定区，其它为不稳定区，空间分布，这里仅是一个截面。 捕集时(Trapping)，设定U, V 和 ，使各种离子在蓝色区域的最式边。 扫描时(Scanning

14、)，给定U, V 和 ，使扫描线按 qz=0 的由左到右进行，离子从小质荷比到大的质荷比依次排出到检测器。,离子阱中引入10-3 Torr 氦气，使离子运动受到阻尼，提高离子轨迹的稳定性，进而提高仪器的分辨率和灵敏度。,4.1.4.4飞行时间质量分析器(Time Of Flight Mass Analyser, TOF),离子源中的离子经加速电压获得的速度为： 其中 ze为电荷，V为加速电压，m为质量。,飞行管长度L，到达检测器的时间为： 质量越大，飞行时间越长，实现分离。,m1和m2两个离子：,用已知样品进行校正，得到未知离子的质量。,仪器的分辨率近似为：,提高加速电压，增长飞行管长度，都可

15、提高分辨率。 但导致分辨率较低的主要原因是离子源得到离子的能量色散作用，即分子的热运动的影响，使得离子的被始速度不一致。 解决离子热运动，提高分辨率的方法： 两级加速法：先用一级加速，离栅极较远的离子获得更多的动能，提高速度，追赶上离栅极近者，然后再经栅极加速后，一起进入飞行管。 Delay Extract技术：在激光脉冲开启的瞬间，没有加速电压存在，离子处于一种无场运动，不同速度的离子向栅极运动的距离不同，一定时间过后(很短的时间)，加上加速度电压把离子引向栅极，此时，前面具有不同速度的离子处在不同的位置，速度快者，离栅极近，速度慢者，离栅极远。加上电压后，处于不同位置的离子获得电场能，离栅极近者，获得的电场能小，离栅极远者获得电场能大，前者本身速度快，被始动能大，后者速度慢，初始动能小。动能小者从栅极电压获得相对多的电场能，动能大者从栅极电压获得相对少的动能，从而使两者加速后，动能的差异减小，即减小能量色散。从而提高分辨率。,飞行时间质谱仪,反射式或折射式：靠电场将飞行的离子反射回来，在反射端接有检测器。 好处： 提高分辨力和灵敏度。 对灵敏度的提高：中性分子也会在电离过程中产生，并飞向检测器，但中性分子不能被反射，不能到达反射检测器所在位置，减小本底噪音，提高灵敏度。 对分辨率的提高：速度快的离子动能相对较大，克服