1、工作原理 质谱仪都必须有电离装置把样品电离为离子，有质量分析装置把不同质荷比的离子分开,经检测器检测之后可以得到样品的质谱图，由于有机样品,无机样品和同位素样品等具有不同形态、性质和不同的分析要求,所以，所用的电离装置、质量分析装置和检测装置有所不同。,第三节 质谱仪器,z为电荷数，U为加速电压，m为碎片质量，V为离子运动速度。,质谱仪的组成,真空系统、进样系统、电离源、质量分析器、检测系统,1 进样系统,直接进样适用于单组分样品的分析。 色谱进样适用于多组分样品的分析。,2. 真空系统质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态（离子源应达10-310-5Pa，质量分析器中应达10-5Pa）
2、 ，以减少离子碰撞损失。真空度过低，将会引起： a）大量氧会烧坏离子源灯丝； b）引起其它分子离子反应，使质谱图复杂化； c）干扰离子源正常调节； d）用作加速离子的几千伏高压会引起放电。通常，质谱仪采用机械泵预抽真空，再用高效率扩散泵连续地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。,最关键的是接口问题。质谱要求高真空度，质谱检测的是气相离子，在电场、磁场的作用下离子按一定的运动轨迹运动，如果真空度达不到要求，即压强高，气体的密度大，离子与气体分子发生相互碰撞的概率高，碰撞会使离子运动方向偏离正常轨道。 气相色谱过来的样品伴随着大量的载气会影响真空度，因此要求好的接口设计保证质谱
3、正常工作。 气相色谱发展的前期主要是解决各种接口技术，曾采用各种分流技术来限制流量，满足质谱的真空要求。 20世纪80年代，毛细管气相色谱的广泛使用，及大抽速的分子涡轮泵的出现，保证了质谱仪所需要的真空。气相色谱质谱仪已经是一个非常完善的定性、定量的优良工具。,气相色谱-质谱仪的基本结构,3.离子源,将进样系统引入的气态样品分子转化成离子。离子源是质谱仪的心脏，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。,软电离方法 能量的较低电离方法适用于易破裂或易电离样品,不同分子离子化所需要的能量差异很大，应选择不同的离解方法。
4、,硬电离方法 能量较高的电离方法,电离源种类繁多，介绍主要的几种。,Ionisation,Hard,Soft,EI（电子轰击源）,CI（化学电离源）,GC/MS常用的两种电离源,APCI（大气压化学电离）,ESI（电喷雾电离源）,HPLC/MS常用的两种电离源,电子轰击源 (Electron Ionization, EI),用高能电子束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子（Me M+2e）以及碎片离子。M为待测分子，M+为分子离子或母离子。碎片离子指分子中某些化学键断裂而产生的质量较小的带正电荷的碎片。,EI 源的特点： 应用最广，标准质谱图库。 结构简单，操作方便。 缺点： 质谱图中分子离子
5、峰很弱或不出现（由于电子的能量高，分子离子进一步离解成碎片离子）,EI源：可变的离子化能量 (10240eV),对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（ 常用70eV ）。,电子能量,电子能量,分子离子增加,碎片离子增加,离子源中进行的电离过程是很复杂的过程，有专门的理论 对这些过程进行解释和描述。在电子轰击下，样品分子可能有三种不同途径形成离子： 样品分子被打掉一个电子形成分子离子。分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子。分子离子发生结构重排形成重排离子。 此外，还有同位素离子。,一个样品分子可以产生很多带有结构信息的离子， 对这些离子进行质量分析和检测，可以得到具
6、有 样品信息的质谱图。,电喷雾电离源 (Electron Spray Ionization),电喷雾电离( Elect ron Spray Ionization ,ESI) 技术 是美国耶鲁大学的Fenn 等于1988年发明的一种非常实用、高效的“软”电离技术,被人们称为LC-MS 技术乃至质谱技术的革命性突破。电喷雾电离是样品的电离在处于大气压的离子化室内完成的,离子化效率高,大大增强了分析的灵敏度、稳定性,它是目前应用最广的“软电离”技术。,ESI电离源是一种近于通用性的电离技术，在药物研究中可以成功地分析90%以上的有机化合物。,最内层是液相色谱流出物，外层是喷射气，喷射气常采用大流量的
7、氮气，其作用是使喷出的液体容易分散成微滴。,在喷嘴的斜前方还有一个辅助气喷咀，辅助气的作用是使微滴的溶剂快速蒸发。,在微滴蒸发过程中表面电荷密度逐渐增大，当增大到 某个临界值时，离子就可以从表面蒸发出来。离子产 生后，借助于喷咀与锥孔之间的电压，穿过取样孔进 入分析器 。,加到喷嘴上的电压可以是正，也可以是负。通过调节极性， 可以得到正或负离子的质谱。,如果喷嘴正对取样孔，则取样孔易堵塞,ESI电离源是一种近于通用性的电离技术，在药物研究中可以成功地分析90%以上的有机化合物。ESI源是一种软电离技术，质谱图简单，因而很容易解释；在质谱图中，质子化的离子M+H+、阳离子加合分子M+Na+ 、
8、M+K+ 常是基峰。,482.2,520.0,504.1,M+Na+,M+H+,M+K+,分子量为481.16的某化合物ESI源下质谱图,344.2,据统计，已知化合物中约80%的化合物是亲水性强、挥发性低的有机物，热不稳定化合物及生物大分子，这些化合物的分析不适宜用气相色谱分析，只能依靠液相色谱。,3. 质量分析器,不同类型质谱仪区别主要在于此。质量分析器的主要类型有： 双聚焦质量分析器、四级杆质量分析器、飞行时间分析器、离子阱质量分析器、离子回旋共振分析器等。,质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱。,单聚焦磁场分析器,单聚焦分析器的主体是处在磁场中的扁形真空腔体。
9、离子进入分析器后，由于磁场的作用，其运动轨道发生偏转改作圆周运动。其运动轨道半径R可由下式表示：,特点： 1、方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 2、能量不聚焦：相同质荷比，初始能量不同的离子不会聚； 3、分辨率不高 。,双聚焦质量分析器,磁场,离子源中产生的离子被电场加速后，进入磁场。 离子的动能 : (1/2)m2= zV 磁场中带电离子作圆周运动： 离心力 =向心力；m 2 / R= BzV 曲率半径：离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/z 、 B、 V 当B恒定，改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检器。,单聚焦磁场分析器原理图,双聚焦分析器,在离子源和磁分析器
10、之间加一静电分析器（Elctrostatic Analyzer， ESA） ，于两个电极板上加一直流电位Ve，离子通过时的曲率半径为re=U/V，不同动能的离子re不同，即相同动能的离子的re相同（能量聚焦）。,特点： 方向聚焦： 相同质荷比，入射方向不同的离子会聚； 能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚； 只要是质量相同的离子，经过电场和磁场后可以会聚在一起。另外质量的离子会聚在另一点。,双聚焦质量分析器目前在高分辨质谱中应用最为普遍。,离子从离子源进入四极场后，在场的作用下产生振动，如果质量为m，电荷为e的离子从Z方向进入四极场，在电场作用下有特定的运动轨迹。,四极杆分析器由四
11、根棒状电极组成。 电极材料是镀金陶瓷或钼合金。 相对两根电极间加有电压（Vdc+Vrf），另外两根电极间加有-（Vdc+Vrf）。 其中Vdc为直流电压，Vrf为射频电压。 四个棒状电极形成一个四极电场。,四级杆质量分析器示意图,四级杆质量分析器,当离子处于稳定三角形内部时，这些离子振幅是有限的，因而可以通过四极场达到检测器。在保持Vdc/Vrf不变的情况下改变Vrf值，对应于一个Vrf值，四极场只允许一种质荷比的离子通过，其余离子则振幅不断增大，最后碰到四极杆而被吸收。通过四极杆的离子到达检测器被检测。改变Vrf值,可以使另外质荷比的离子顺序通过四极场实现质量扫描。,Vrf的变化可以是连续的
12、，也可以是跳跃式的。所谓跳跃式扫描是只检测某些质量的离子，故称为选择离子监测（select ion monitoring SIM）。当样品量很少，而且样品中特征离子已知时，可以采用选择离子监测。这种扫描方式灵敏度高，而且，通过选择适当的离子使干扰组份不被采集，可以消除组分间的干扰。,四级杆质量分析器,四级杆质谱仪市场上有单级四级杆质谱仪(SQMS)和串联三级四级杆质谱仪(TQMS) 电喷雾电离技术最早是在单级四级杆仪器上发展起来的； 单级四级杆质谱仪的主要优点是体积较小而且便宜，能提供灵敏和有选择性的定量方法，因而得到广泛的使用;,离子在加速电压V作用下得到相同的动能 1/2 mv2=eV 或
13、 v=(2eV/m)1/2 m:离子的质量；e:离子的电荷量; V:离子加速电压。 T=L(m/2eV)1/2 T:离子在漂移区飞行的时间; L:漂移区长度。,飞行时间质量分析器,飞行时间质量分析器的主要部分是一个离子漂移管。,适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。,TOFMS仪器的大小及价位与单级四级杆质谱仪(SQMS)类似，但有几条特别的优点。 它们可在高分辨率条件下操作，并且可以进行准确质量测定。 由准确质量数可得到元素的组成，从而提供结构信息，这是四极杆质谱做不到的。,飞行时间质谱仪,离子阱的工作,辅助偶极振幅,初始RF振幅,离子阱的主体是一个环电极和上下两端盖电极，环电极和上下两端盖电
14、极都是绕Z轴旋转的双曲面，直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间，两端盖电极都处于地电位。,离子阱质量分析器,离子阱的工作,辅助偶极振幅,初始RF振幅,与四极杆分析器类似，离子在离子阱内的运动遵守所谓马蒂厄微分方程，也有类似四极杆分析器的稳定图。在稳定区内的离子，轨道振幅保持一定大小，可以长时间留在阱内，不稳定区的离子振幅很快增长，撞击到电极而消失。对于一定质量的离子，在一定的U和Vrf下，可以处在稳定区。改变U或Vrf的值，离子可能处于非稳定区。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出，由电子倍增器检测。因此，离子阱的质量扫描方式与四极杆类似，是在恒定的U/ Vrf下，扫描Vrf获取质谱。,离子阱质谱仪,结构小巧，质量轻，灵敏度高，。 可实现多级质谱，优势在于定性分析。,串联三重四级杆质谱仪,四级杆离子阱质谱仪,四级杆飞行时间质谱仪,质谱仪联用技术,质谱仪的组成（总结）,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,1.气体扩散 2.直接进样 3. 色谱进样,1.电子轰击2.化学电离 1.电喷雾电离源 2.大气压化学电 离源,1.飞行时间 2.四极杆 3.离子阱 4.单聚焦,进样系统、电离源、质量分析器、真空系统、检测系统,GC/MS,HPLC/MS,真空系统,
