1、质谱法及其联用技术质谱法及其联用技术Mass SpectrometryMass Spectrometry，MSMS第一节第一节概述概述分子质谱仪的发展史质谱仪的发展史1912年年:世界第一台质谱装置世界第一台质谱装置40年代年代:质谱仪用于同位素测定质谱仪用于同位素测定50年代：年代：分析石油分析石油60年代：年代：研究研究GC-MS联用技术联用技术70年代：年代：计算机引入计算机引入质谱法是一种按照离子的质荷比（质谱法是一种按照离子的质荷比（m/z）大）大小对离子进行分离和测定的方法。小对离子进行分离和测定的方法。质谱法的主要作用是：质谱法的主要作用是：（1）准确测定物质的分子量）准确测定物
2、质的分子量（2）根据碎片特征进行化合物的结构分析）根据碎片特征进行化合物的结构分析分析时，首先将分子离子化，然后利分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在用离子在电场或磁场电场或磁场中运动的性质，把离子中运动的性质，把离子按质核比大小排列成谱，此即为质谱。按质核比大小排列成谱，此即为质谱。质谱法分类：质谱法分类：按用途分按用途分有机质谱有机质谱无机质谱无机质谱同位素质谱同位素质谱按原理分按原理分单聚焦质谱单聚焦质谱双聚焦质谱双聚焦质谱四极质谱四极质谱飞行时间质谱飞行时间质谱回旋共振质谱回旋共振质谱按联用按联用方式分方式分气质联用气质联用液质联用液质联用质质联用质质联用5 质谱仪是通过对样品电离
3、后产生的具有不同的质谱仪是通过对样品电离后产生的具有不同的 m/z 的离的离子来进行分离分析的子来进行分离分析的。数据处理真空系统 质谱图样品导入离子化质量分离信号检测第二节第二节质谱分析的原理与仪器质谱分析的原理与仪器一、质谱分析的过程与原理一、质谱分析的过程与原理质谱图基峰基峰分子离子峰分子离子峰n碎片离子峰碎片离子峰均匀磁场单聚焦质谱仪1、进样、进样化合物通过汽化引入离子化室；化合物通过汽化引入离子化室；2、离子化、离子化在离子化室，组分分子被一束加速电子碰在离子化室，组分分子被一束加速电子碰撞（能量约撞（能量约70eV），撞击使分子电离形），撞击使分子电离形成正离子；成正离子；M M+
4、e或与电子结合，形成负离子或与电子结合，形成负离子M+e M3、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：、离子也可因撞击强烈而形成碎片离子：4、荷电离子被加速电压加速，产生一定、荷电离子被加速电压加速，产生一定的速度的速度v，与质量、电荷及加速电压有关：，与质量、电荷及加速电压有关：)1(212mvzV 5、加速离子进入一个强度为、加速离子进入一个强度为H的磁场，发的磁场，发生偏转，半径为：生偏转，半径为：)2(zHmvr 将（将（1）（）（2）合并：）合并：)3(222VrHZm)3(222VrHZm讨论：1、固定H和V，不同的质荷比的带电离子r不同。如果只带一个电荷，则按照质量大小依次排序。2、
5、固定r和和加速电压V，不同质荷比的离子运动到相同收集狭缝点时所需的磁场强度强度不同。质谱图基峰基峰分子离子峰分子离子峰n碎片离子峰碎片离子峰q进样系统进样系统(inlet system)q离子源离子源(ion source)q质量分析器（质量分析器（mass analyzer）q检测器（检测器（detecter）q真空系统（真空系统（Vacuum system）二、质谱仪的组成二、质谱仪的组成质谱图的获得质谱图的获得 电离电离(Ionization)：样品分子转变为气态：样品分子转变为气态离子。离子。质量分析质量分析(Mass Messurement)：离子在：离子在真空下按其质荷比真空下按其
6、质荷比(m/z)进行分离进行分离,并先后并先后进入检测器被检测。进入检测器被检测。质谱图（质谱图（Mass Spectrum）就是一张以相）就是一张以相对离子流强度为纵坐标，以质荷比对离子流强度为纵坐标，以质荷比(m/z)为横坐标的条形图。为横坐标的条形图。1、真空系统真空系统为什么需要真空系统为什么需要真空系统 用作加速离子的几千伏高压会引起放电；用作加速离子的几千伏高压会引起放电；大量氧会烧坏离子源灯丝大量氧会烧坏离子源灯丝 干扰离子源正常调节；干扰离子源正常调节；引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化；离子与分子碰撞导致质谱峰变宽离子与分子碰撞导致质谱
7、峰变宽1、真空系统真空系统离子源的真空度应达到离子源的真空度应达到10-3-10-5 Pa，质量分析器应达到质量分析器应达到10-6 Pa。真空装置：真空装置：机械真空泵机械真空泵 扩散泵扩散泵 分子涡轮泵分子涡轮泵2、样品引入系统、样品引入系统气体气体直接导入或用气相色谱进样直接导入或用气相色谱进样液体液体加热汽化或雾化进样加热汽化或雾化进样固体固体用直接进样探头用直接进样探头直接探针进样直接探针进样对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样对于蒸汽压低的样品进行衍生化后进样例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物例如：葡萄糖变成三甲基硅醚的衍生物OCH2OHOHOHHOHOOCH2OSiMe3OSiMe
8、3OSiMe3Me3SiOMe3SiOMe3SiCl 3、离子源离子源(ion source)将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。离子源可以看作是比较高级的反应器样品在其中发生一系列的特征降解反应，分解作用在很短时间（1s）内发生，所以可以快速获得质谱。离子源软硬离子源软硬离子源的软硬 硬：容易将离子打碎，得到的分子离子峰较小，得到的碎片离子增加，得到更多的结构信息 软：不容易将离子打碎，得到的分子离子峰较多，得到的碎片离子减少，获得的结构信息较少3、离子源离子源(ion source)电子电离源电子电离源(electron ionization EI)化学电离源化学电离源(chemica
9、l ionization CI)快原子轰击快原子轰击(fast atom bombardment FAB)电喷雾源电喷雾源(electronspray ionization ESI)大气压化学电离（大气压化学电离（atmospheric pressure chemical ionization APCI)基质辅助激光解吸电离（基质辅助激光解吸电离（matrix assisted laserDesorption ionization MALDI)（1）电子电离源电子电离源(electron ionization EI)由阴极发射电子束，由阴极发射电子束，通过离子化室到达阳通过离子化室到达阳极，电
10、子能量极，电子能量70eV，有机化合物的电离电有机化合物的电离电位位8-15eV。可在平行电子束的方可在平行电子束的方向附加一弱磁场，使向附加一弱磁场，使电子沿螺旋轨道前进，电子沿螺旋轨道前进，增加碰撞机会，提高增加碰撞机会，提高灵敏度灵敏度。特点：特点：v 碎片离子多，结构信息丰富，碎片离子多，结构信息丰富，有标准化合物质谱库；有标准化合物质谱库；v 不能汽化的样品不能分析；不能汽化的样品不能分析；v 有些样品得不到分子离子；有些样品得不到分子离子；（2）化学电离源）化学电离源(chemical ionization CI)CH4 +e CH4+2eCH4+CH4 CH5+CH3结构与结构与
11、EI同，但是在离子化室充同，但是在离子化室充CH4，电子首先将电子首先将CH4离解，其电离过程如下：离解，其电离过程如下：生成的气体离子再与样品分子生成的气体离子再与样品分子M反应：反应：CH5+M CH4+MH+特点：特点：v属于软电离，得到一系列准分子离子（属于软电离，得到一系列准分子离子（M+1）+，（M-1）+，（M+2）+等等；等等；vCI源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；源的的碎片离子峰少，图谱简单，易于解释；v不适于难挥发成分的分析。不适于难挥发成分的分析。（3）电喷雾源）电喷雾源(electronspray ionization ESI)结构：喷嘴，雾化气，干燥气结构：喷
12、嘴，雾化气，干燥气原理：喷雾原理：喷雾 蒸发蒸发 电压电压喷雾针带电液滴溶剂挥发样品离子小孔板喷雾针尖电压小孔板电压电场方向图2-1 样品在ESI接口中的离子化过程特点：特点：1 适用于强极性，大分子量的样品分析适用于强极性，大分子量的样品分析 如肽，蛋白质，糖等如肽，蛋白质，糖等2 产生的离子带有多电荷产生的离子带有多电荷3 主要用于液相色谱质谱联用仪主要用于液相色谱质谱联用仪4、质量分析器、质量分析器(mass analyzer)1 单聚焦分析器（单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2 双聚焦分析器（双聚焦分析器（double focusing mas
13、s analyzer）3 四极杆分析器四极杆分析器(quadrupole analyzer)4 离子阱分析器离子阱分析器(Ion trap)5 飞行时间分析器飞行时间分析器(time of flight）6 傅立叶变换离子回旋共振傅立叶变换离子回旋共振 （Fourier tranform ion cyclotron resonance）（1）单聚焦分析器（single focusing mass analyzer）1）结构：扇形磁场（可以是1800 900600等）原理：原理：由（由（3）式可知：）式可知：)3(222VrHZm离子的离子的m/Z大，偏转半径也大，通过磁场大，偏转半径也大，通过
14、磁场可以把不同离子分开；可以把不同离子分开；当当 r 为仪器设置不变时，改变加速电压或为仪器设置不变时，改变加速电压或磁场强度，则不同磁场强度，则不同m/z的离子依次通过狭缝到达的离子依次通过狭缝到达检测器，形成质谱。检测器，形成质谱。（2）双聚焦分析器）双聚焦分析器（Double focusing mass analyzer）为什么要双聚焦：为什么要双聚焦：进入离子源的离子初始能量不为零，进入离子源的离子初始能量不为零，且能量各不相同，加速后的离子能量也不相且能量各不相同，加速后的离子能量也不相同，运动半径差异，难以完全聚集。同，运动半径差异，难以完全聚集。解决办法：解决办法：加一静电场加一
15、静电场Ee，实现能量分散：，实现能量分散：eMeeRERmvE22eMeEER2对于动能不同的离子，通过调节电对于动能不同的离子，通过调节电场能，达到聚焦的目的。场能，达到聚焦的目的。双聚焦分析器的特点：分辨率高双聚焦分析器的特点：分辨率高（3）四极杆分析器）四极杆分析器(quadrupole analyzer)直流电压直流电压Vdc交流电压交流电压Vrf频率为射频区频率为射频区结构结构:四根棒状电极，形成四极场四根棒状电极，形成四极场 1，3棒：棒：(Vdc+Vrf)2，4棒：棒：-(Vdc+Vrf)原理：原理：在一定的在一定的Vdc Vrf 下下，只有一定质量只有一定质量的离子可通过四极场
16、，到达检测器。的离子可通过四极场，到达检测器。在一定的（在一定的（Vdc/Vrf)下，改变下，改变Vrf 可实可实现扫描。现扫描。特点：特点：扫描速度快，灵敏度高扫描速度快，灵敏度高 适用于适用于GC-MS+-170937765图2-5 m/z=170的分子离子峰的子离子扫描图NHNHNH2M1+H+m/z 170 m/z 93 m/z 77 m/z 65（4）离子阱分析器）离子阱分析器Ion Trap Analyzer特点：特点：q结构简单结构简单q灵敏度高灵敏度高q适于小型联用仪器（适于小型联用仪器（GC-MS）（5）飞行时间分析器）飞行时间分析器Time of Flight Analyz
17、er 试样入口电子发射栅极1-270V栅极2 2.8kV接收器抽真空特点 仪器结构简单仪器结构简单,不需要磁场、电场等；不需要磁场、电场等；扫描速度快，可在扫描速度快，可在10-5 s内观察到整段图内观察到整段图谱；谱；无聚焦狭缝，灵敏度很高；无聚焦狭缝，灵敏度很高；可用于大分子的分析（几十万原子量单可用于大分子的分析（几十万原子量单位），在生命科学中用途很广；位），在生命科学中用途很广；5、检测器检测器(detector)电子倍增器电子倍增器170937765图2-5 m/z=170的分子离子峰的子离子扫描图NHNH2M1+H+m/z 170 93 77 65n碎片离子峰碎片离子峰基峰基峰分
18、子离子峰分子离子峰第三节第三节 质谱图上的主要主要离子质谱图上的主要主要离子质谱峰的主要类型 同位素离子峰 分子离子峰 准分子离子峰 碎片离子峰 重排离子峰 亚稳离子峰分子离子峰 M e M+2e M+称为分子离子或母离子(parrent ion），相应的质谱峰称为分子离子峰。准分子离子峰 M+H+,M-1等等同位素峰同位素峰分子离子峰分子离子峰同位素离子峰 由于同位素的存在，可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰；有时还可以观察到M+2，M+3.；1615m/z RA13.1121.0133.9149.2158516 100171.1碎片离子峰H3CCH2CH2CH2CH2CH3157129
19、57434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771亚稳离子峰 m1离子在电场加速后离开离子源进入质量分析器之前，由于碰撞等原因进一步分裂失去中性碎片而形成质量为m2的离子，即m1m2+m，由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小，故将在磁场中产生更大偏转，观察到的mz较小。这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示，它的表观质量m*与m1、m2的关系是：m*=(m2)2/m1 m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。亚稳离子峰的离子峰宽大（约25个质量单位）、相对强度低、mz不为整数，容易观察。亚稳离子峰
