,质谱 Mass Spectrometry,发展历史,1990 年代初英国学者 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。 1950 年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 1960 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 年代至 1970 年代：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-MS,2.电离和加热室 (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.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1 M：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-focusing)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(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。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 = 2 q = 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/V为常数对V进行扫描，可使一组不同质量的离子先后进入稳定区而被检测。a/q值越大(扫描成的斜率越大)，在扫描线上稳定区的质量范围越窄，仪器的分辨率越高。,四极分析器的优点： 体积小、结构简单，价格便宜、维护方便，操作容易。 用电场无磁场，无磁滞现象，扫描快。