質(zhì)譜的原理和儀器構(gòu)造

1、質(zhì)譜Mass Spectrometry發(fā)展歷史1990 年代初英國學(xué)者 J.J. 湯姆森制成第一臺(tái)質(zhì)譜儀第一臺(tái)商品質(zhì)譜儀: 1942 年早期應(yīng)用：原子質(zhì)量、同位素相對(duì)豐度以及研究電子早期應(yīng)用：原子質(zhì)量、同位素相對(duì)豐度以及研究電子碰撞過程等物理領(lǐng)域。碰撞過程等物理領(lǐng)域。 1950 1950 年代：高分辨率質(zhì)譜儀出現(xiàn)，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分年代：高分辨率質(zhì)譜儀出現(xiàn)，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析；析；1960 1960 年代末：色譜年代末：色譜- -質(zhì)譜聯(lián)用儀出現(xiàn)，有機(jī)混合物分質(zhì)譜聯(lián)用儀出現(xiàn)，有機(jī)混合物分離分析；促進(jìn)天然有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展；離分析；促進(jìn)天然有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展；計(jì)算機(jī)的應(yīng)用又使質(zhì)譜分析法發(fā)

2、生了飛躍變化，使其技術(shù)更加成熟，使用更加方便。1950 年代至 1970 年代：有機(jī)質(zhì)譜迅速發(fā)展為測(cè)定有機(jī)化合物分子量和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力的工具。主要研究分子量小于 1000Da 的有機(jī)分子。1981 年：出現(xiàn)了快原子轟擊質(zhì)譜，有機(jī)質(zhì)譜開始分析研究極性大、熱不穩(wěn)定的多肽和小蛋白質(zhì)等1988 年：出現(xiàn)了電噴霧電離質(zhì)譜、基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜，傅立葉變換質(zhì)譜法開創(chuàng)了有機(jī)質(zhì)譜分析研究生物大分子的新領(lǐng)域。進(jìn)入了生命科學(xué)的范疇。近年來質(zhì)譜與各種色譜的聯(lián)用技術(shù)發(fā)展迅速。如 HPLC-ESI-MS,毛細(xì)管電泳 CE-ESI-MS等，并發(fā)展了微量電噴霧電離接口技術(shù)。質(zhì)譜分類目前質(zhì)譜在藥檢領(lǐng)域的應(yīng)用迅速增加

3、，原因是許多保健品、中藥制劑、食品等非法添加化學(xué)成分，需要做出鑒定，雖是中國國情使然，卻也為儀器供應(yīng)鏈創(chuàng)造了商機(jī)。一、有機(jī)質(zhì)譜的基本原理：一、有機(jī)質(zhì)譜的基本原理：質(zhì)譜儀原理的示意圖：進(jìn)樣系統(tǒng) 離子源 (電離和加速，形成各種離子) 質(zhì)量分析器 (把不同質(zhì)荷比的離子分開) 檢測(cè)器 (檢測(cè)各種質(zhì)荷比的離子) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要過程：在極高的真空度下 (10-510-8Torr ), 高能電子束 (10-70 eV) 在離子源內(nèi)激發(fā)樣品的氣態(tài)分子，離子源內(nèi)分子由電子束作用失掉一個(gè)電子形成分子離子 M+。由電子束獲得的能量還能使分子離子進(jìn)一步裂解，生成較小質(zhì)量的碎片離子和一些中性碎片。離開離子源的所有離

4、子都被靜電壓 V 加速，然后進(jìn)入與運(yùn)動(dòng)方向相垂直,強(qiáng)度為 H 的磁場(chǎng)。將離子按質(zhì)荷比 (m/e) 分開并按質(zhì)荷比大小排列成譜圖形式。 離子飛行方向依 m/e 的大小而偏轉(zhuǎn) (曲率半徑為 r)，其關(guān)系為： 質(zhì)譜方程式 設(shè)計(jì)質(zhì)譜儀器的主要依據(jù) 其中 k 是比例常數(shù)。也就是具有相同 m/e 的離子偏轉(zhuǎn)程度相同。 r2= km/eVH2二、質(zhì)譜儀的具體組成二、質(zhì)譜儀的具體組成-共六個(gè)單元共六個(gè)單元1.1.進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng) a.a.探頭進(jìn)樣系統(tǒng)探頭進(jìn)樣系統(tǒng) 一般最常用的探頭有電子轟擊源直接進(jìn)樣桿,快原子轟擊源直接進(jìn)樣桿等。 b. b. 儲(chǔ)罐進(jìn)樣系統(tǒng)儲(chǔ)罐進(jìn)樣系統(tǒng)包括儲(chǔ)氣室、加熱器、真空連接系統(tǒng)及一個(gè)通過分

5、子漏孔將樣品導(dǎo)入離子源的接口。氣體和液體樣品在不需要進(jìn)一步分離時(shí)用此方式進(jìn)樣，儲(chǔ)氣罐可加熱至 200。此進(jìn)樣方式一般用于石油工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。 c. c. 注射泵進(jìn)樣系統(tǒng)注射泵進(jìn)樣系統(tǒng)用于 ESI(電噴霧電離源) 和 APCI(大氣壓化學(xué)電離源）的直接進(jìn)樣。d. d. 色譜進(jìn)樣系統(tǒng)色譜進(jìn)樣系統(tǒng)用于 GC-MS,HPLC-MS,CE-MS 2.2.電離和加熱室電離和加熱室 ( (離子源離子源) )被分析物質(zhì)在這里被電離，形成各種離子。不同性質(zhì)的樣品需用不同的電離方式。為使生成的離子到達(dá)質(zhì)量分析器，在離子源的出口施加一個(gè)高電壓即加速電壓，對(duì)離子進(jìn)行加速。不同的分析器有不同的加速電壓。離子源的種類很

6、多，主要有電子轟擊電離源（ EI）,化學(xué)電離源（ CI）,場(chǎng)致電離源（ FI）,場(chǎng)解吸電離源（ FD）,快原子轟擊源（FAB）,激光解吸電離源（ LD）,熱噴霧電離源（ TS）,電噴霧電離源（ ESI）,大氣壓化學(xué)電離源（ APCI）,基質(zhì)輔助激光解析電離源（ MALDI）等。3.3.質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器 功能：把不同質(zhì)荷比的離子分開排列成譜，是質(zhì)譜儀的核心。不同類型的質(zhì)量分析器有不同的原理、特點(diǎn)、適用范圍、功能。用于有機(jī)質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器有磁式雙聚焦分析器，四極桿分析器，離子阱分析器，飛行時(shí)間分析器，回旋共振分析器等。 4.4.檢測(cè)器檢測(cè)器檢測(cè)各種質(zhì)荷比的離子。檢測(cè)器的種類有電子倍增器、光電

7、倍增器、平板式微通道板檢測(cè)器等?，F(xiàn)用得較多的是光電倍增器，永久性地密封于其自身的玻璃真空外殼中，這樣可以保護(hù)光電倍增器在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，無論是檢測(cè)正離子還是負(fù)離子，都能保持高靈敏度、恒定的增益和線性,并且使用壽命長(zhǎng)達(dá) 10 年。平板式微通道板檢測(cè)器則用于飛行時(shí)間質(zhì)譜儀 (TOF)。因?yàn)?TOF 作為質(zhì)量分析器是脈沖式檢測(cè)方式，離子按質(zhì)量大小以不同的飛行時(shí)間依次到達(dá)檢測(cè)器。這種平板式微通道板檢測(cè)器具有極高的靈敏度。5.5.計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 在計(jì)算機(jī)未問世前，用反射式電流計(jì)，即被檢測(cè)的每個(gè) m/e 值的離子電流作用于電流計(jì)上，電流計(jì)的發(fā)射鏡就把光束反射到光敏紙上，從而實(shí)行

8、記錄。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能是對(duì)質(zhì)譜儀進(jìn)行控制，包括對(duì)質(zhì)譜數(shù)據(jù)的采集、處理和打印。現(xiàn)有電子轟擊源 (EI) 的質(zhì)譜儀的均有 NIST 標(biāo)準(zhǔn)譜庫，譜庫中有十幾萬張標(biāo)準(zhǔn)譜圖及用于環(huán)保、農(nóng)藥、興奮劑, 代謝產(chǎn)物等專用譜庫?？蛇M(jìn)行譜庫檢索。高分辨質(zhì)譜儀其數(shù)據(jù)系統(tǒng)的軟件則更豐富，還能給出分子離子和其他碎片離子的元素組成及理論計(jì)算值、偏差值 (百萬分之一), 飽和度等其他有關(guān)信息。 6.真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)為了保證離子源中燈絲的正常工作，保證離子在離子源和分析器正常運(yùn)行，消減不必要的離子碰撞，散射效應(yīng)，復(fù)合反應(yīng)和離子-分子反應(yīng)，減小本底與記憶效應(yīng), 質(zhì)譜儀的離子源和分析器一般真空度都要求在 10-5-10-8 T

9、orr 才能工作。真空系統(tǒng)由機(jī)械真空泵和擴(kuò)散泵或渦輪分子泵組成。通常用機(jī)械泵預(yù)抽真空，然后用擴(kuò)散泵或渦輪分子泵連續(xù)地抽氣。 三、質(zhì)譜儀的主要指標(biāo)三、質(zhì)譜儀的主要指標(biāo) 三個(gè)主要指標(biāo)三個(gè)主要指標(biāo)-質(zhì)量范圍、分辨率、靈敏度質(zhì)量范圍、分辨率、靈敏度 1質(zhì)量范圍(mass range) 指質(zhì)譜儀所檢測(cè)離子的質(zhì)荷比范圍。對(duì)單電荷離子而言，就是指離子的質(zhì)量范圍。在檢測(cè)多電荷時(shí)，所檢測(cè)的離子根據(jù)其帶多少個(gè)電荷而擴(kuò)展其的質(zhì)量范圍。 2分辨率分辨率(resolution) 分辨率又稱之為分辨本領(lǐng)。這是質(zhì)譜儀的一個(gè)重要性能。一般規(guī)定：當(dāng)兩個(gè)峰之間峰谷的高度超過兩峰平均高度的10%時(shí)，則兩峰沒有被分開。 兩峰部分重疊

10、 磁式質(zhì)譜儀的分辨率磁式質(zhì)譜儀的分辨率R的公式：的公式： 公式公式1 M：為可分辨的兩個(gè)峰的平均質(zhì)量：為可分辨的兩個(gè)峰的平均質(zhì)量 M：為質(zhì)譜儀可分辨的兩個(gè)峰的質(zhì)量差。：為質(zhì)譜儀可分辨的兩個(gè)峰的質(zhì)量差。 由此可見分辨率是質(zhì)譜儀分開相鄰兩離子質(zhì)量的能力。由此可見分辨率是質(zhì)譜儀分開相鄰兩離子質(zhì)量的能力。 實(shí)際測(cè)量中將此公式寫成：實(shí)際測(cè)量中將此公式寫成： R10% = 公式公式2 式中式中 a為相鄰兩峰的中心距離；為相鄰兩峰的中心距離； b為峰高為峰高5%處的峰寬；處的峰寬； 對(duì)傅里葉變換質(zhì)譜對(duì)傅里葉變換質(zhì)譜FT-ICR及飛行時(shí)間質(zhì)譜儀及飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF)而言，分辨而言，分辨率仍用公式率仍用公式

11、1。 R=MMMMab3 3靈敏度靈敏度(senstivity(senstivity) )靈敏度是表示質(zhì)譜儀出峰的強(qiáng)度與所用樣品量之間的關(guān)系。是表示對(duì)所選定的樣品在一定的分辨率情況下，產(chǎn)生一定信噪比的分子離子峰所需的樣品量。測(cè)定靈敏度的方法多種多樣的，一般直接進(jìn)樣靈敏度的測(cè)定方法是：在固定分辨本領(lǐng)的情況下，直接進(jìn)入微克量級(jí)的某種樣品，看其分子離子峰的強(qiáng)度與噪聲的比值，就是信/噪比值，用 S/N 表示。噪聲指基線的強(qiáng)度。4. 4. 質(zhì)量精度質(zhì)量精度利用質(zhì)譜儀定性分析時(shí)，質(zhì)量精度是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。在低分辨質(zhì)譜儀中，儀器的質(zhì)量指示標(biāo)尺精度不應(yīng)低于0.4質(zhì)量數(shù)。高分辨率質(zhì)譜儀給出離子的精確質(zhì)量，

12、相對(duì)精度一般在1-10ppm。四、質(zhì)量分析器： 介紹五種不同的分析器 1 1單聚焦單聚焦(single-focusing)(single-focusing)和雙聚焦和雙聚焦 (double-focusing)(double-focusing)質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器單聚焦質(zhì)量分析器 - 使用扇形磁場(chǎng)。雙聚焦質(zhì)量分析器 - 使用扇形磁場(chǎng)及扇形電場(chǎng)。這二種質(zhì)量分析器曾經(jīng)是有機(jī)質(zhì)譜的主體，現(xiàn)仍在繼續(xù)發(fā)揮重要作用。 工作原理：在離子源中形成的各種(正)離子都被加速電壓加速，而獲得動(dòng)能： 公式3 公式3中：V - 加速電壓； v - 離子被加速后的速度； ze - 離子所帶電荷(e為電子所帶的電荷量，z為正

13、整數(shù))； m - 離子質(zhì)量。 21mv2zeV=被加速后的離子進(jìn)入磁場(chǎng)，離子運(yùn)動(dòng)的方向和磁力線垂直。在磁場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)的離子如同電流，會(huì)與磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用力。離子受磁場(chǎng)的作用力作圓周運(yùn)動(dòng)。離子所受的磁場(chǎng)作用力提供離子作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。 公式4 式中：B 磁場(chǎng)強(qiáng)度(洛倫磁力) r - 離子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑；合并上述兩式，消去v,可得： 公式52Bzev=mvrr =1B(2mVze)1/2這樣V加速電壓為定值，通過B(磁場(chǎng)強(qiáng)度)的掃描，順次記錄下各質(zhì)荷比離子的強(qiáng)度，從而得到所有m/z離子的質(zhì)譜圖。不同質(zhì)量的離子具有不同的軌道半徑，質(zhì)量越大，其軌道半徑也越大。這意味著磁場(chǎng)有質(zhì)量色散能力,可以單獨(dú)用作質(zhì)

14、量分析器。 改變加速電V(對(duì)應(yīng)離子動(dòng)能的變化)，離子的軌道半徑也發(fā)生變化。當(dāng)儀器將離子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑r 固定后，公式5可改寫為： 公式6 式中，k為一常數(shù)。這表明，離子的質(zhì)荷比(m/z) 與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，而與加速電壓成反比。若將加速電壓固定，掃描磁場(chǎng)則可測(cè)出樣品分子生成的各種m/z值的離子。公式6還表明，增加磁場(chǎng)強(qiáng)度使儀器的質(zhì)量范圍增大；降低加速電壓也能達(dá)到相同目的，但儀器靈敏度有所下降。2mz=kVB公式3所描述的是理想情況。事實(shí)上，離子在加速前，其動(dòng)能并非絕對(duì)為零，而是在某一較小的動(dòng)能值之內(nèi)有一個(gè)分別。同一質(zhì)量的離子，由于初始動(dòng)能略有差別，加速后的速度也略有差別，因此它們經(jīng)靜磁場(chǎng)偏

15、轉(zhuǎn)后不能準(zhǔn)確地聚焦于一點(diǎn)，也就是說靜磁場(chǎng)具有能量色散作用。靜磁場(chǎng)具有能量色散作用。因質(zhì)量相同而動(dòng)能略有差別的離子不能聚焦在一點(diǎn)，儀器的分辨率不是很高。為提高儀器的分辨率，質(zhì)量分析器除了采用一個(gè)扇形磁場(chǎng)外，還加上一個(gè)扇形電場(chǎng)，靜電分靜電分析器析器(electrostatic analyser,ESR(electrostatic analyser,ESR),),又稱靜又稱靜電場(chǎng)電場(chǎng)，形成了雙聚焦質(zhì)量分析器。靜電場(chǎng)的作用靜電場(chǎng)的作用：一束有一定能量分布的離子束，經(jīng)靜電場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)后，離子按能量的大小順次排列。因此靜電場(chǎng)可看作是一個(gè)能量分析器靜電場(chǎng)可看作是一個(gè)能量分析器。靜靜電場(chǎng)有方向聚焦作用，也有能量色

16、散作用電場(chǎng)有方向聚焦作用，也有能量色散作用。加速后的離子在靜電分析器中作圓周運(yùn)動(dòng)，所受的向心力由離子所受的電場(chǎng)力提供： E 為靜電分析器兩極間的電位差 re 為離子在靜電分析器中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。zeE=mv2re如果設(shè)法使靜磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)這二者的能量色散數(shù)值相等，方向相反，離子在通過扇形靜電場(chǎng)和扇形磁場(chǎng)后，即達(dá)到能量聚焦。加上方向聚焦的作用，這就是“雙聚焦”。因此，扇形靜電場(chǎng)加扇形磁場(chǎng)，達(dá)到了：方向聚焦、能量聚焦、質(zhì)量色散的目的方向聚焦、能量聚焦、質(zhì)量色散的目的。將扇形磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)串聯(lián)，并安排適當(dāng)?shù)碾x子光學(xué)參數(shù)，則在某點(diǎn)可達(dá)到方向和能量的雙聚焦。離子在方向、能量都聚焦的情況下，質(zhì)譜可達(dá)到高分辨

17、。按離子源、靜電場(chǎng)分析器、磁分析器順序排列為順置型雙聚焦質(zhì)譜儀還有逆置型雙聚焦質(zhì)譜儀，其磁分析器位置在前，靜電分析器位置在后。這是最重要的質(zhì)譜/質(zhì)譜串聯(lián)結(jié)構(gòu)之一。 (見圖3.倒置型雙聚焦質(zhì)譜儀幾何結(jié)構(gòu)圖)。在離子源與磁場(chǎng)之間的區(qū)域是第一無場(chǎng)區(qū)。磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間為第二無場(chǎng)區(qū)，是最重要的無場(chǎng)區(qū)，可以設(shè)置各種碰撞室和電極，以觀察離子的碎片反應(yīng)。 2 2四極質(zhì)量分析器四極質(zhì)量分析器(quadrupol mass (quadrupol mass analyzer)analyzer)(quadrupole mass filter)四極質(zhì)譜儀的質(zhì)量分析器是由四根棒狀電極組成，兩對(duì)電極中間施加交變射頻場(chǎng)，在一定

18、射頻電壓與射頻頻率下，只允許一定質(zhì)量的離子通過四極分析器而到達(dá)接收器。 圖4 四極質(zhì)量分離器 當(dāng)質(zhì)荷比為m/z的離子沿z軸方向射入四極場(chǎng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方程比較復(fù)雜，將其簡(jiǎn)化為： + （a + 2qcos2）x = 0 馬蒂厄微分方程 + （a + 2qcos2）y = 0 其中： a = 2 q = 2 = t/2d2x2dtd22dty8eUmr20emr20V4方程的解非常復(fù)雜，所代表的物理意義可用a,q坐標(biāo)的曲線可表示。a,q值在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的離子產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩，順利通過四極場(chǎng)到達(dá)檢測(cè)器；a,q值在非穩(wěn)定區(qū)的離子因產(chǎn)生不穩(wěn)定振蕩而被電極中和。操作儀器時(shí)，變化參數(shù)有U、V、三個(gè)。一般固定，a/q=U

19、/V為常數(shù)對(duì)V進(jìn)行掃描，可使一組不同質(zhì)量的離子先后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)而被檢測(cè)。a/q值越大(掃描成的斜率越大)，在掃描線上穩(wěn)定區(qū)的質(zhì)量范圍越窄，儀器的分辨率越高。 四極分析器的優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜、維護(hù)方便，操作容易。用電場(chǎng)無磁場(chǎng)，無磁滯現(xiàn)象，掃描快。四極分析器缺點(diǎn)： 分辨率低；對(duì)較高質(zhì)量的離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)。檢測(cè)的質(zhì)量一般在1000以內(nèi) 3 3離子阱離子阱(ion trap)(ion trap)質(zhì)譜質(zhì)譜離子阱技術(shù)是在1950年代提出的，但作為有機(jī)質(zhì)譜質(zhì)量分析器是在80年代中期以后。離子阱與四極質(zhì)量分析器相似，有選擇并儲(chǔ)存離子的功能。樣品的離子引入并儲(chǔ)存在圓形電極和一組射頻電極組成的離子盒

20、中，改變射頻逐個(gè)拉出所有的離子。離子阱質(zhì)譜儀可作成GC和LC的檢測(cè)器，并裝配成體積小、價(jià)格低、高速掃描的新一代臺(tái)式GC/MC、LC/MS儀由三個(gè)特殊電極組成，兩個(gè)端蓋電極( end2cap )和一個(gè)環(huán)電極( ring electrode)。在環(huán)形電極上加基礎(chǔ)射頻電壓和直流電壓；在端蓋電極上加交流補(bǔ)充電壓。與四極桿分析器類似，離子在離子肼內(nèi)的運(yùn)動(dòng)遵循馬蒂厄微分方程，也有類似四極桿分析器的穩(wěn)定圖。由離子源產(chǎn)生的離子，通過脈沖離子門進(jìn)入離子阱，通過調(diào)節(jié)射頻電壓和直流電壓，離子可以穩(wěn)定地存貯在離子阱中。阱中離子的數(shù)目可通過自動(dòng)增益控制（AGC）技術(shù)進(jìn)行有效控制。阱中離子數(shù)目太多，會(huì)引起空間電荷效應(yīng)，導(dǎo)

21、致電場(chǎng)的扭曲和整體性能的下降。離子阱中一般充入1 mTorr的氦氣，它有兩個(gè)作用，一是碰撞“冷卻”降低初進(jìn)入離子的動(dòng)能，有效地捕獲注入的離子；二是作為碰撞氣體，從而產(chǎn)生多級(jí)MS。特定m/z離子在阱內(nèi)一定軌道上穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，改變端電極電壓，不同m/z離子飛出阱到達(dá)檢測(cè)器。 離子阱分析器的優(yōu)點(diǎn)： 單一的離子阱可實(shí)現(xiàn)多極串聯(lián)質(zhì)譜(MS)n，是“時(shí)間上”的串聯(lián)質(zhì)譜，因此價(jià)格相比之下要比幾個(gè)質(zhì)量分析器串聯(lián)而成的儀器要便宜很多。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。靈敏度高，比四極質(zhì)量分析器高。離子阱分析器的缺點(diǎn)： 是與標(biāo)準(zhǔn)圖有一定差別，這是由于在離子阱中生成的離子有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，可能發(fā)生離子分子反應(yīng)，故有的離子

22、阱采用外加離子源，這樣使得離子阱在分析上得到更廣泛的應(yīng)用。4 4飛行時(shí)間質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜 飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的原理與儀器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)離子漂流管（drift tube）。把引入離子室的樣品分子電離后，將離子加速并通過一個(gè)空管無場(chǎng)區(qū)，不同質(zhì)量的離子具有不同的能量，通過無場(chǎng)區(qū)的飛行間長(zhǎng)短不同，質(zhì)荷比最小的離子具有最快的速度首先到達(dá)檢測(cè)器，質(zhì)荷比大的離子則較后到達(dá)檢測(cè)器，可依次被收集檢測(cè)出來。 在離子源中產(chǎn)生的離子經(jīng)電壓V加速后獲得的速度為： 公式8 式中，ze是離子的電荷，m是其質(zhì)量。經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的漂移管到達(dá)檢測(cè)器，離子飛行需要的時(shí)間 公式9 從上述二公式看出，質(zhì)量越大的離子飛行速度越小

23、，到達(dá)檢測(cè)器所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。兩個(gè)質(zhì)量分別為 m1 和 m2 的離子的飛行時(shí)間之差 公式10 儀器的質(zhì)量分辨率可近似地由時(shí)間表示， 公式11 由此可見，提高加速電壓，使離子的飛行時(shí)間縮短，儀器分辨率就下降；由此可見，提高加速電壓，使離子的飛行時(shí)間縮短，儀器分辨率就下降；而增加漂移管的長(zhǎng)度，使離子的飛行時(shí)間增加，儀器分辨率就提高而增加漂移管的長(zhǎng)度，使離子的飛行時(shí)間增加，儀器分辨率就提高。v =2zeVmt =L(_m1m22zevt = Lv=L2zeVmmmt2t飛行時(shí)間質(zhì)量分析器突出的優(yōu)點(diǎn): 一是不存在聚焦狹縫，因此靈敏度很高；二是掃描速度快，達(dá)10000張譜/s；三是測(cè)定的質(zhì)量范圍僅取決于

24、飛行時(shí)間，可達(dá)到幾十萬質(zhì)量數(shù)，為近年來生命科學(xué)中生化大分子的研究，提供了有效分析手段但是，長(zhǎng)時(shí)間以來一直存在分辨率低這一缺點(diǎn)，造成分辨率低的主要原因在于離子進(jìn)入漂移管前的時(shí)間分散、空間分散和能量分散。這樣，即使是質(zhì)量相同的離子，由于產(chǎn)生時(shí)間的先后，產(chǎn)生空間的前后和初始動(dòng)能的大小不同，達(dá)到檢測(cè)器的時(shí)間就不相同，因而降低了分辨率。 二種技術(shù)解決辦法:(1)兩極加速技術(shù) (2)離子反射技術(shù)5 5傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀 (Fourier transfom ion cyclotron resonance mass spectrometer,FT-ICR)由于傅里葉技術(shù)的

25、發(fā)展，新型的ICR-FTMS出現(xiàn)，與此同期發(fā)展的FT-IR和超導(dǎo)FT-NMR，開辟了現(xiàn)代有機(jī)結(jié)構(gòu)傅里葉譜學(xué)分析的新時(shí)代。ICR-FTMS是一種具有超高分辨率和能測(cè)定大分子量的質(zhì)譜儀器。 核心是帶傅里葉變換程序(FT程序)的計(jì)算機(jī)和捕獲離子的分析室。傅里葉變換離子回旋共振(FT-ICR)的分析室是一個(gè)置于均勻超導(dǎo)磁場(chǎng)中的立方空腔，離子的產(chǎn)生，分析和檢測(cè)都在分析室進(jìn)行。由電子束與樣品碰撞產(chǎn)生的離子，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下被迫以很小的軌道半徑運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生可檢出信號(hào)。如果在發(fā)射極上加一個(gè)快速掃頻電壓，若射頻電壓的頻率正好與離子回旋的頻率相同，滿足共振條件時(shí)，離子吸收射頻能量，軌道逐漸增大，產(chǎn)生可檢出信號(hào)。這種

26、信號(hào)是一種正弦波式的時(shí)間域信號(hào)，其頻率與離子固有的回旋頻率相同。振幅與離子數(shù)目成正比。實(shí)際測(cè)得的信號(hào)是在同一時(shí)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào)的疊加，這種信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換，便可檢出各頻率成分,利用頻率和質(zhì)量的已知關(guān)系可得到正常的質(zhì)譜圖。 =1.537x107x zB/m回旋頻率（）僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）和離子的質(zhì)荷比（m/z）有關(guān)傅里葉變換質(zhì)譜計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：傅里葉變換質(zhì)譜儀具有分辨率高(可達(dá)100萬以上)，靈敏度高(可達(dá)pg量級(jí))，掃描速度快和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。1分辨率極高，商品儀器的分辨率可達(dá)1x106。在一定頻率范圍內(nèi)，只要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行采集，即可獲得高分辨的結(jié)果，不影響分辨率。2完成多級(jí)

27、（時(shí)間上）串聯(lián)質(zhì)譜的操作。五、電離源五、電離源 介紹五種不同的電離方式1.1.電子轟擊源電子轟擊源EI(electronEI(electron impact impact ionization)ionization)是應(yīng)用最為廣泛的離子源，它主要用于揮發(fā)性樣品的電離。EI電離是用具有一定能量的電子直接作用于樣品分子，使其電離。(見圖10.電子轟擊源EI經(jīng)過示意圖)。EI源中使用的燈絲是用鎢或錸金屬材料制成的。采用絲或帶的形狀，在高真空中被電流熾熱，發(fā)射出電子。在電離盒與燈絲之間加以電壓(正端在電離盒上)，這個(gè)電壓被稱為電離電壓。電子在電離電壓的加速下經(jīng)過入口狹縫進(jìn)入電離區(qū)。樣品汽化后在電離區(qū)與

28、電子作用，一些分子獲得足夠能量后丟失一個(gè)電子形成正離子。在EI狀態(tài)下，樣品分子約有1/1000發(fā)生電離。分子離子繼續(xù)受到電子的轟擊，使一些化學(xué)鍵斷裂，或引起重排以瞬間速度裂解成多種碎片離子(正離子)。在電子轟擊下，樣品分子可能有四種不同途徑形成離子： 1樣品分子被打掉一個(gè)電子形成分子離子。 2分子離子進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)鍵斷裂形成碎片離子。 3分子離子發(fā)生結(jié)構(gòu)重排形成重排離子。 4通過分子離子反應(yīng)生成加合離子。EI源的特點(diǎn)：電離效率高，能量分散小，這保證了質(zhì)譜儀的高靈敏度和高分辨率。EI電離還有個(gè)特點(diǎn)是質(zhì)譜圖重現(xiàn)性好，并有較多的碎片離子信息，對(duì)推測(cè)未知物結(jié)構(gòu)有幫助。EI標(biāo)準(zhǔn)譜庫，大多數(shù)EI質(zhì)譜圖集或

29、數(shù)據(jù)庫收錄在70eV下獲得的質(zhì)譜圖。缺點(diǎn)： 對(duì)不穩(wěn)定化合物和不氣化的化合物，經(jīng)常得不到分子離子峰或得到豐度很低的分子離子峰。 2 2化學(xué)電離化學(xué)電離(chemical ionization, CI)(chemical ionization, CI)有些化合物穩(wěn)定性差，用EI方式不易得到分子離子,因而也就得不到分子量。為了得到分子量可以采用CI電離方式。CI和EI在結(jié)構(gòu)上沒有多大差別。或者說主體部件是共用的。其主要差別是CI源工作過程中要引進(jìn)一種反應(yīng)氣體。此時(shí)樣品分子與反應(yīng)氣分子相比是極少的，并在一定能量的電子的作用下，反應(yīng)氣分子被電離后因離子-分子反應(yīng)產(chǎn)生一些活性反應(yīng)離子，這些離子再與樣品分子

30、發(fā)生離子-分子反應(yīng)，使樣品分子實(shí)現(xiàn)電離。 CI電離會(huì)產(chǎn)生多種準(zhǔn)分子離子。 反應(yīng)氣有甲烷、氨、異丁烷等。以甲烷氣體為反應(yīng)氣產(chǎn)生下列反應(yīng) CH4 + e CH4+. + 2e CH4 +. + CH4 CH5+ + CH3. CH4+. CH3 + + H . CH3+ + CH4 C2H5+ + H2優(yōu)勢(shì)反應(yīng)離子CH3+ , C2H5+ 這兩個(gè)離子的共軛堿CH4, C2H4 的低質(zhì)子親和力使其成為良好的質(zhì)子供給體。 M + CH5+ MH+ +CH4 M + C2H5+ MH+ + C2H4由CI產(chǎn)生的準(zhǔn)分子離子過剩的能量小，故CI屬于軟電離技術(shù)之一。準(zhǔn)分子離子是偶電子離子，較EI產(chǎn)生的M+(奇

31、電子離子)穩(wěn)定，因?yàn)镃I沒有奇電子離子的諸多碎裂反應(yīng)，使得CI譜的準(zhǔn)分子離子峰的強(qiáng)度高，便于識(shí)別。 3 3快原子轟擊快原子轟擊 (fast atom bombardment, FAB)(fast atom bombardment, FAB)FAB是80年代初發(fā)展起來的一種軟電離技術(shù)。屬于二次離子質(zhì)譜，以高能量的初級(jí)離子轟擊，再對(duì)由此產(chǎn)生的二次離子進(jìn)行質(zhì)譜分析。 原子槍樣品MH+Ar0/Cs+原子槍樣品MH+Ar0/Cs+FAB利用重的原子Xe或Ar，惰性氣體的原子先被電離，后被電位加速，使其有較大的動(dòng)能。在原子槍(autom gun)內(nèi)進(jìn)行電荷交換反應(yīng)； Ar+(高動(dòng)能的) + Ar(熱運(yùn)動(dòng)的

32、) Ar (高動(dòng)能的) + Ar+(熱運(yùn)動(dòng)的)低能量的離子被電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)引出，高動(dòng)能的原子則對(duì)靶物進(jìn)行轟擊。把大量能量傳遞給樣品分子，電離產(chǎn)生的二次離子被引入質(zhì)量分析器中進(jìn)行分析。FAB屬于軟電離，通常產(chǎn)生M+H+和加合離子峰。 FAB 源適合分析極性強(qiáng)、難氣化、不穩(wěn)定的化合物。有時(shí)需加入一些金屬離子，比如NaCl、KCl等，這樣會(huì)出現(xiàn)加合離子峰，便于判別分子離子峰。FAB正逐漸被其它軟電離技術(shù)所替代。因?yàn)镕AB污染離子源，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜。4 4基質(zhì)輔助激光解析電離基質(zhì)輔助激光解析電離(matrix-assister (matrix-assister laser desorption-ionizatio

33、n,laser desorption-ionization, MALDI)MALDI) MALDI源發(fā)展較晚，但在生物領(lǐng)域已發(fā)揮出它的重要作用。MALDI采用脈沖式的激光，在一個(gè)很微小的區(qū)域里，以極短的時(shí)間間隔(納秒級(jí))，打在靶物上，避免樣品加熱分解。它的方法是將被測(cè)物( mol/L級(jí)的濃度)的溶液和基質(zhì)(m mol/L級(jí)的濃度)溶液混合。蒸發(fā)溶劑，被測(cè)物質(zhì)與基質(zhì)成為晶體或半晶體。用一定波長(zhǎng)的脈沖式激光進(jìn)行照射?；|(zhì)分子能有效地吸收激光的能量，使基質(zhì)分子和樣品投射到氣相并得到電離。常用的基質(zhì)有2，5-二羥基苯甲酸、芥子酸等。MALDI特點(diǎn)：是碎片離子峰少，有分子離子、準(zhǔn)分子離子及樣品分子聚積的

34、多電荷離子。適合分析蛋白、多肽、多聚糖等生物領(lǐng)域。 5.5.大氣壓電離大氣壓電離 (Atmospheric Pressure Ionisation(Atmospheric Pressure Ionisation, API), API)API技術(shù)是當(dāng)今質(zhì)譜界最為活躍的領(lǐng)域，它的成功發(fā)展，擴(kuò)展了質(zhì)譜儀分析化合物的范圍，特別是在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物代謝等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。API包括了電噴霧電離(Electrospray, ESI)和大氣壓化學(xué)電離(Atmospheric Pressure Chemical Ionisation ,APCI)兩種。它們的共同點(diǎn)是樣品的離子化在處于大氣壓下的離子化

35、室中完成，離子化效率高，大大增強(qiáng)了分析的靈敏度、穩(wěn)定性，它們是目前最軟的離子化技術(shù)。這二種方式都可以獲得與分子離子有關(guān)的信息而得到化合物的分子量。 電噴霧電離源（電噴霧電離源（Electro spray Electro spray ionization, ESI)ionization, ESI)的原理：的原理： ESI技術(shù)電離過程是“離子霧化”。樣品溶液流出毛細(xì)管的瞬間，在加熱溫度，霧化氣(N2)和強(qiáng)電場(chǎng)(3-5kv)的作用下。溶劑迅速霧化并產(chǎn)生高電荷液滴。隨著溶劑分子的蒸發(fā)，帶電液滴的半徑逐漸縮小，液滴表面的電荷密度逐漸增大。當(dāng)電荷之間的排斥力足以克服表面張力時(shí)，離子向表面移動(dòng)并從表面蒸發(fā)，

36、產(chǎn)生單電荷或多電荷離子。所帶電荷的多少取決于所得的帶正電荷或負(fù)電荷的離子中酸性或堿性基團(tuán)的體積和數(shù)量。通常小分子得到M+H+、M+Na+或M-H-單電荷離子。而生物大分子則產(chǎn)生多種多電荷離子，在質(zhì)譜圖上得到多電荷離子的峰簇。因此質(zhì)量范圍只有幾千質(zhì)量數(shù)的質(zhì)譜儀能夠檢測(cè)質(zhì)量數(shù)幾萬甚至十幾萬的生物大分子如蛋白質(zhì)、寡核苷酸等。ESI是最軟的電離技術(shù)。適合測(cè)定極不穩(wěn)定的極性化合物、如多糖、蛋白等。 大氣壓化學(xué)電離大氣壓化學(xué)電離(atmospheric pressure (atmospheric pressure chemical ionization, APCI)chemical ionization,

37、 APCI)的原理的原理溶液中的樣品流出毛細(xì)管時(shí)被氮?dú)饬黛F化到加熱管中被揮發(fā)，在加熱管端進(jìn)行電暈(Corona)尖端放電，電極的高壓使溶劑分子被電離，形成反應(yīng)氣等離子體。樣品分子在穿過等離子體時(shí)通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移被電離形成M+H+或M-H-離子，并進(jìn)入質(zhì)譜儀。在電暈放電電離的設(shè)計(jì)中，取樣微孔與電離反應(yīng)區(qū)之間增加了層幕氣流，避免微孔堵塞，又能使簇合離子解簇。APCI適合于弱極性小分子化合物。六串聯(lián)質(zhì)譜六串聯(lián)質(zhì)譜(tandem MS)(tandem MS) 為了得到更多的有關(guān)分子離子和碎片離子的結(jié)構(gòu)信息，早期的質(zhì)譜工作者把亞穩(wěn)離子作為一種研究對(duì)象。所謂亞穩(wěn)離子(metastable ion)是指離子源出

38、來的離子，由于自身不穩(wěn)定，前進(jìn)過程中發(fā)生了分解，丟掉一個(gè)中性碎片后生成的新離子，這個(gè)新的離子稱為亞穩(wěn)離子。研究亞穩(wěn)離子對(duì)搞清離子的母子關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)十分有用。由于亞穩(wěn)離子形成的幾率小，亞穩(wěn)峰太弱，檢測(cè)不容易，而且儀器操作也困難，因此，后來發(fā)展成在磁場(chǎng)和電場(chǎng)間加碰撞活化室，人為地使離子碎裂，設(shè)法檢測(cè)子離子，母離子，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)信息。這是早期的質(zhì)譜-質(zhì)譜串聯(lián)方式。隨著儀器的發(fā)展，串聯(lián)的方式越來越多。尤其是20世紀(jì)80年代以后出現(xiàn)了很多軟電離技術(shù)，如ESI、APCI、FAB、MALDI等，基本上都只有準(zhǔn)分子離子，沒有結(jié)構(gòu)信息，更需要串聯(lián)質(zhì)譜法得到結(jié)構(gòu)信息。因此，近年來，串聯(lián)質(zhì)譜法發(fā)展十分迅速

39、。串聯(lián)質(zhì)譜可用MS/MS表示，隨著串聯(lián)級(jí)數(shù)的增強(qiáng)可表示為MSn, n：表示為串聯(lián)級(jí)數(shù)。串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 1.選擇性更高 2.檢測(cè)限更低 3.譜圖質(zhì)量更好 4.大大減少樣品的提純 5.得到更多的結(jié)構(gòu)信息串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)的用途1.微量樣品的檢測(cè)2.臟樣品的分析3.同分異構(gòu)體的區(qū)分、化合物結(jié)構(gòu)鑒定等等串聯(lián)質(zhì)譜分類：1 1空間上的串聯(lián)空間上的串聯(lián)： 兩個(gè)以上的質(zhì)量分析器聯(lián)合使用，兩個(gè)分析器間有一個(gè)碰撞活化室，目的是將前級(jí)質(zhì)譜儀選定的離子打碎，由后一級(jí)質(zhì)譜儀分析。這種串聯(lián)質(zhì)譜可以完成三種掃描方式 (1)(1)子離子掃描子離子掃描 第一級(jí)質(zhì)譜選擇出的某質(zhì)荷比的離子，通過碰撞室與惰性氣體(He,Ar,)等分

40、子發(fā)生碰撞誘導(dǎo)斷裂，生成若干產(chǎn)物離子，再第二個(gè)質(zhì)量分析器測(cè)定，得到產(chǎn)物離子的質(zhì)譜圖。 (2)(2)母離子掃描母離子掃描 即由第一個(gè)質(zhì)量分析器在一個(gè)選擇的質(zhì)量范圍內(nèi)掃描，按離子質(zhì)荷比的順序，依次在碰撞室中進(jìn)行CID(源內(nèi)碰撞誘導(dǎo)分解)。第二個(gè)質(zhì)量分析器設(shè)置為通過某一個(gè)質(zhì)荷比的離子。通過初始離子掃描，可以知道某一個(gè)選定質(zhì)荷比的離子是由哪些母離子產(chǎn)生的。 (3) (3)中性碎片丟失的掃描中性碎片丟失的掃描 即在兩個(gè)質(zhì)量分析器之間的碰撞室進(jìn)行CID(源內(nèi)碰撞誘導(dǎo)分解)。兩個(gè)質(zhì)量分析器一起掃描，保持某一質(zhì)荷比的差值，第二個(gè)質(zhì)量分析器讓第一個(gè)質(zhì)量分析器選出的某一質(zhì)荷比的離子通過。這樣，就可以檢測(cè)出若干成對(duì)

41、的離子，它們有共同的中性碎片的丟失。下面介紹三種串聯(lián)方式：1).QQQ串聯(lián)即采用三個(gè)四極質(zhì)量分析器而以中間一個(gè)作為碰撞室，故表示為QQQ或QqQ,(其中q表示作為碰撞室)。這種串聯(lián)方式用得較多?？赏瓿缮鲜龅?1)、(2)、(3)三種操作模式的掃描，而且四級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜完成這三種掃描方式特別簡(jiǎn)單。2)混合式(hybrid)串聯(lián)質(zhì)譜 用扇形電場(chǎng)質(zhì)量分析器(E)、扇形磁場(chǎng)質(zhì)量分析器(B)和其它質(zhì)量分析器，如用四級(jí)質(zhì)量分析器(Q) 混合使用。在每一個(gè)分析器后面都有檢測(cè)器。在每二個(gè)質(zhì)量分析器之間都有碰撞室?？蛇M(jìn)行多極產(chǎn)物離子的掃描，并可進(jìn)行高、低能量的CID，從而獲得較全面的離子碎裂的信息。 3)采用飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)作為第二個(gè)質(zhì)量分析器 由于TOF能同時(shí)檢測(cè)所有質(zhì)荷比的離子，因而靈敏度高，適合用作第二級(jí)質(zhì)量分析器。2 2第二類：時(shí)間上的串聯(lián)質(zhì)譜第二類：時(shí)間上的串聯(lián)質(zhì)譜 前面已介紹過的離子阱和F