质谱及其联用技术讲义课件.pptx

质谱发展概述质谱发展概述质谱分析原理及过程质谱分析原理及过程质谱仪的组成质谱仪的组成色谱色谱质谱联用分析方法简介质谱联用分析方法简介气相色谱气相色谱-质谱联用质谱联用 GC-MSGC-MS高效液相色谱高效液相色谱-质谱联用质谱联用 LC-MSLC-MS毛细管电泳毛细管电泳-质谱联用质谱联用 CE-MSCE-MS1 1 质谱发展概述质谱发展概述18391839 W.Wien W.Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。19101910 J.J.ThompsonJ.J.Thompson 使用简单的电场使用简单的电场-磁场组合装置，获得了抛物线族磁场组合装置，获得了抛物线族 的质谱，证明了的质谱，证明了NeNe同位素的存在同位素的存在19181918 A.J.Dempster A.J.Dempster 采用电子轰击技术使分子离子采用电子轰击技术使分子离子19191919 F.W.Aston F.W.Aston 制得了第一台速度聚焦质谱仪。并用于发现同位素、测定相制得了第一台速度聚焦质谱仪。并用于发现同位素、测定相 对原子质量，因而于对原子质量，因而于19221922年获得诺贝尔化学奖。年获得诺贝尔化学奖。19401940 Nier A O Nier A O 研制成功扇形磁场单聚焦质谱仪。研制成功扇形磁场单聚焦质谱仪。5050年代初：年代初：质谱仪器开始商品化并广泛用于各类有机物的结构分析质谱仪器开始商品化并广泛用于各类有机物的结构分析 。同时质谱方法与同时质谱方法与NMRNMR、IRIR等方法结合成为分子结构分析的等方法结合成为分子结构分析的 最有效的手段。最有效的手段。8080年代：年代：非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进了MSMS的发展。的发展。9090年代：年代：由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展。由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展。以下是有关质谱技术所获得诺贝尔奖的科学家们2 2 质谱分析原理及过程质谱分析原理及过程2.1 2.1 基本原理概述基本原理概述 质质谱谱分分析析是是将将样样品品转转化化为为运运动动的的带带电电气气态态离离子子碎碎片片，于于磁磁场场中中按按质质荷荷比比(m/z(m/z)大小分离并记录的分析方法。大小分离并记录的分析方法。2.2 2.2 质谱分析过程可简单描述为：质谱分析过程可简单描述为：离子源离子源轰击样品品带电荷的碎片离子荷的碎片离子电场加速（加速（zeU）获得得动能能（1/2mV2）磁磁场分离（分离（质量分析器）量分析器）检测器器记录获得得谱图其其中中，z z为为电电荷荷数数，e e为为电电子子电电荷荷，U U为为加加速速电电压压，m m为为碎碎片片质质量量，V V为为电电子运动速度。子运动速度。3 3 质谱仪的组成质谱仪的组成质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器、真空系统和质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器、真空系统和检测系统构成。检测系统构成。进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器真空系统真空系统加速区加速区质谱仪中所有部分均要处于高度真空的条件下(10-4-10-6Pa),其作用是减少离子碰撞损失。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。只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到达接收器，真空度不够则灵敏度低。3.1 3.1 真空系统真空系统3.2 3.2 进样系统进样系统目的：在不破坏真空环境、具有可靠重复性的条件下将试样引入离子源。目的：在不破坏真空环境、具有可靠重复性的条件下将试样引入离子源。有以下三种进样方式：有以下三种进样方式：a)a)加加热热进进样样：适适于于气气体体、沸沸点点低低且且易易挥挥发发的的液液体体（沸沸点点低低于于500500）、中中等等蒸蒸汽压固体。汽压固体。加热进样系统示意图加热进样系统示意图b)b)直直接接探探针针进进样样：高高沸沸点点液液体体及及固固体体。探探针针杆杆通通常常是是一一根根规规格格为为25cm25cm 6mm 6mm i.d.i.d.规规格格的的硬硬质质玻玻璃璃短短毛毛细细管管 ，末端有一装样品的坩埚，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品。末端有一装样品的坩埚，将探针杆通过真空闭锁系统引入样品。C C）色色谱谱进进样样：利利用用气气相相色色谱谱和和液液相相色色谱谱的的分分离离能能力力，通通过过适适当当的的接接口口与与质质谱谱仪联用，进行多组分复杂混合物分析。仪联用，进行多组分复杂混合物分析。3.3 3.3 离子源离子源气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC500oC、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；、对热稳定的样品的离子化，包括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源；解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达100000100000的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。硬源：离子化能量高，如硬源：离子化能量高，如EIEI。伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；。伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能团的信息；软源：离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。软源：离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量信息。常见的离子化方法常见的离子化方法EI(ElectronImpactIonization):电子子轰击电离离硬硬电离离。CI(ChemicalIonization):化学化学电离离核心是核心是质子子转移。移。FD(FieldDesorption):场解吸解吸目前基本被目前基本被FAB取代。取代。FAB(FastAtomBombardment):快原子快原子轰击或者或者铯离子离子(LSIMS,液体二次离子液体二次离子质谱)。ESI(ElectrosprayIonization):电喷雾电离离属最属最软的的电离方式。适宜极性分子的分析，能分析小分子及大分子离方式。适宜极性分子的分析，能分析小分子及大分子。APCI(AtmosphericPressureChemicalIonization):大气大气压化学化学电离离同上，更适宜做弱极性小分子。同上，更适宜做弱极性小分子。APPI(AtmosphericPressurePhotoSprayIonization):大气大气压光光喷雾电离离同上，更适宜做非极性分子。同上，更适宜做非极性分子。MALDI(MatrixAssistedLaserDesorptionIonization):基体基体辅助激光解吸助激光解吸电离。通常用于离。通常用于飞行行时间质谱和和FT-MS，特，特别适合蛋白适合蛋白质，多，多肽等大分子等大分子其中其中ESI，APCI，APPI统称大气称大气压电离离(API）质量分析器的质量分析器的作用作用是将离子源产生的离子按质荷比是将离子源产生的离子按质荷比m/zm/z顺序分离。顺序分离。质质量量分分析析器器类类型型：磁磁分分析析器器、四四极极杆杆分分析析器器、离离子子阱阱分分析析器器、飞飞行行时时间间分分析器、回旋共振分析器等。析器、回旋共振分析器等。3.4.1 3.4.1 磁分析器磁分析器单单聚聚焦焦型型(Magnetic(Magnetic sector sector spectrometer)spectrometer)：用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。用一个扇形磁场进行质量分析的质谱仪。3.4 3.4 质量分析器质量分析器磁式质量分析器磁式质量分析器双聚焦型双聚焦型(Double focusing mass spectrometer)(Double focusing mass spectrometer)质量分析器质量分析器3.4.2 3.4.2 四极杆分析器四极杆分析器由四根平行的圆柱电极组成，在由四根平行的圆柱电极组成，在这两对电极上加上相差这两对电极上加上相差180180的的射频交流电压。四个圆柱状电极射频交流电压。四个圆柱状电极形成一个四极电场。形成一个四极电场。与前述双聚与前述双聚焦仪的静电分析器类似，离子进焦仪的静电分析器类似，离子进入可变电场后，只有具合适的曲入可变电场后，只有具合适的曲率半径的离子可以通过中心小孔率半径的离子可以通过中心小孔到达检测器。到达检测器。3.4.3 3.4.3 离子阱分析器离子阱分析器 左右带小孔的盖电极与上下环电极左右带小孔的盖电极与上下环电极(Ring electrode)(Ring electrode)构成可变电场构成可变电场（前者施以射频电压，后者接地（前者施以射频电压，后者接地)带电离子在一定轨道上旋转带电离子在一定轨道上旋转改变电压改变电压可使不相同可使不相同m/zm/z离子依次离开并进入电子倍增器而分离。离子依次离开并进入电子倍增器而分离。+MainRFShutterOctapoleRing3.4.4 3.4.4 飞行时间分析器飞行时间分析器 主要部分是一个长主要部分是一个长1 1米左右的无场离子漂移管。离子在漂移管中的飞米左右的无场离子漂移管。离子在漂移管中的飞行时间与离子质量的平方根成正比。据此可以按时间把不同质量的行时间与离子质量的平方根成正比。据此可以按时间把不同质量的离子分开。离子分开。飞行时间质量分析器示意图包括包括FaradayFaraday杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等杯、电子倍增器、闪烁计数器、照相底片等 1)Faraday 1)Faraday 杯：可检测杯：可检测1010-1515A A的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。的离子流，但不适于高加速电压下的离子检测。2 2）电电 子子 倍倍 增增 器器：类类 似似 于于 光光 电电 倍倍 增增 管管，可可 测测1010-1818A A电流。但有质量歧视效应。电流。但有质量歧视效应。3 3）闪烁计数器：记录离子的数目。）闪烁计数器：记录离子的数目。3.5 3.5 检测器检测器主要包括气相色谱质谱联用气相色谱质谱联用 GC-MSGC-MS高效液相色谱质谱联用高效液相色谱质谱联用 HPLC-MSHPLC-MS毛细管电泳质谱联用毛细管电泳质谱联用 CE-MSCE-MS4 4 色谱色谱质谱联用分析方法简介质谱联用分析方法简介4.1 4.1 气相色谱气相色谱质谱联用质谱联用（一）原理（一）原理 由于由于GCGC的试样呈气态，流动相也是气体，与质谱仪的进样要求的试样呈气态，流动相也是气体，与质谱仪的进样要求相匹配，故最容易将这两种仪器联用。相匹配，故最容易将这两种仪器联用。（二）气相色谱质谱联用仪器（二）气相色谱质谱联用仪器 主要由主要由色谱单元色谱单元、质谱单元质谱单元和和接口接口三大部分组成三大部分组成(1)(1)接口接口(interface)(interface)实现联用的实现联用的关键关键 接口装置的作用接口装置的作用 将色谱与质谱联接起来，以除去载气、降低气相色谱仪柱后将色谱与质谱联接起来，以除去载气、降低气相色谱仪柱后流出物的气压，同时对试样起富集的作用，并把组分送到质流出物的气压，同时对试样起富集的作用，并把组分送到质谱仪的离子源。谱仪的离子源。能使色谱分离后的各组分尽可能多地进入质谱能使色谱分离后的各组分尽可能多地进入质谱仪，并使载气尽可能少地进入质谱系统。仪，并使载气尽可能少地进入质谱系统。维持离子源的维持离子源的高真空高真空。组分在通过接口时应组分在通过接口时应不发生化学变化不发生化学变化。接口对试样的有效传递应具有良好的接口对试样的有效传递应具有良好的重现性。重现性。接口的控制操作应简单、方便、可靠。接口的控制操作应简单、方便、可靠。接口应尽可能的接口应尽可能的短短,以使试样尽可能快速通过接口以使试样尽可能快速通过接口G GC C-M MS S对对接接口口的的一一般般要要求求是是GC-MSGC-MS的接口有的接口有直接导入型直接导入型和和浓缩型浓缩型 直接导入型直接导入型 喷射式浓缩喷射式浓缩型接口型接口 装置结构简单，容易维护，但它装置结构简单，容易维护，但它无浓缩作用无浓缩作用具备去除载气、浓缩样品的功具备去除载气、浓缩样品的功能，即具有分子分离的能力能，即具有分子分离的能力 (2)质谱单元（1 1）离子源）离子源 电子轰击源（电子轰击源（EIEI）是）是GC-MSGC-MS中最常用的离子源中最常用的离子源 优点优点：谱图重现性好谱图重现性好 有较多的碎片离子，提供丰富的结构信息有较多的碎片离子，提供丰富的结构信息灵敏度高灵敏度高 化学电离源（化学电离源（CICI）也是）也是GC-MSGC-MS配置的离子源之一配置的离子源之一（2 2）质量分析器）质量分析器四极质量分析器四极质量分析器 扫描速度快，并可从正离子到负离子检测自动切换，而且扫描速度快，并可从正离子到负离子检测自动切换，而且灵巧轻便，价格便宜，是灵巧轻便，价格便宜，是GC-MSGC-MS中最流行的质量分析器。中最流行的质量分析器。离子阱质量分析器、飞行时间质量分析器离子阱质量分析器、飞行时间质量分析器(3)色谱单元 用于用于GC-MSGC-MS色谱系统应该符合质谱仪的一些特殊色谱系统应该符合质谱仪的一些特殊要求要求。主要是：主要是：固定相应选择耐高温，不易流失的固定液，最好固定相应选择耐高温，不易流失的固定液，最好用键合相。用键合相。载气应不干扰质谱检测，一般常用氦气。载气应不干扰质谱检测，一般常用氦气。GC-GC-MSMS联用分析的联用分析的灵敏度高灵敏度高，适合于适合于低分子化合物低分子化合物(相对分子质量相对分子质量10001000）的分析，尤其适合于）的分析，尤其适合于挥发性成分挥发性成分的分析。的分析。在在药物的生物的生产、质量控制和研究中量控制和研究中在中在中药挥发性成分的性成分的鉴定定食品和中食品和中药中中农药残留量的残留量的测定定体育体育竞赛中中兴奋剂等等违禁禁药品的品的检测环境境监测（三）气相色谱质谱分析的应用（三）气相色谱质谱分析的应用（一）原理（一）原理 以高效液相色谱为分离手段，以质谱为鉴定和测定手段，通过适当以高效液相色谱为分离手段，以质谱为鉴定和测定手段，通过适当接口接口(interface)(interface)将二者联接成完整仪器。将二者联接成完整仪器。（二）高效液相色谱质谱联用仪器（二）高效液相色谱质谱联用仪器（1 1）高效液相色谱质谱）高效液相色谱质谱 接口接口和和离子化离子化 接口装置接口装置必须既能满足液、质两谱在线联用的真空匹配要求，又能必须既能满足液、质两谱在线联用的真空匹配要求，又能实现被分析组分的离子化。实现被分析组分的离子化。大气压电离源（大气压电离源（APIAPI）-最常用最常用 其中包括其中包括 电喷雾离子化（电喷雾离子化（ESIESI）大气压化学离子化大气压化学离子化 (APCIAPCI)4.2 4.2 高效液相色谱质谱联用高效液相色谱质谱联用 大气压电喷雾源大气压电喷雾源大气压化学源大气压化学源气相色谱气相色谱/质谱质谱分子量分子量化合物极性化合物极性非极性非极性极性化合物极性化合物1000100,00010,000电离技术的相对应用范围电离技术的相对应用范围（2 2）质量分析器）质量分析器四极质量分析器四极质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器（3 3）色谱单元）色谱单元HPLC-HPLC-MSMS中的色谱中的色谱柱一般柱一般短短柱柱，以缩短分，以缩短分析时间，最析时间，最常用的常用的固定固定相相为为ODSODS。HPLC-HPLC-MSMS对对流动相流动相的基本要求的基本要求是不含非挥是不含非挥发性盐类，发性盐类，以防其析出以防其析出堵塞毛细管堵塞毛细管等。等。所用溶剂的所用溶剂的纯度最好都纯度最好都是是色谱纯色谱纯。流动相中挥流动相中挥发性电解质发性电解质如甲酸、乙如甲酸、乙酸、氨水、酸、氨水、乙酸铵等的乙酸铵等的浓度也不能浓度也不能太高。太高。流动相的流动相的pHpH、流速均对、流速均对检测灵敏度检测灵敏度有很大影响有很大影响。（三）（三）高效液相色谱高效液相色谱-质谱联用的应用和分析条件质谱联用的应用和分析条件 液相色谱质谱联用技术在药学、临床医学、生物学、食品化液相色谱质谱联用技术在药学、临床医学、生物学、食品化工等许多领域的应用越来越广泛。工等许多领域的应用越来越广泛。4.34.3毛细管电泳质谱联用毛细管电泳质谱联用 CECE的高效分离能力与的高效分离能力与MSMS鉴定结构能力的有鉴定结构能力的有机结合机结合 电压匹配匹配问题。CE是依是依赖电渗作渗作为流体的流体的动力，若力，若与与质谱联接接时，质谱的高真空与的高真空与CE造造成的真空差，将会成的真空差，将会引起引起CE的的电渗流的渗流的扰动，破坏分离。，破坏分离。CE的的进样量小，量小，要求要求MS要有很高的要有很高的灵敏度。灵敏度。CE分离工作大都分离工作大都是使用磷酸是使用磷酸盐缓冲冲溶液来完成，与溶液来完成，与MS联用用时，只能用易，只能用易挥发盐的的缓冲冲盐溶溶液。液。若实现若实现毛细管电泳毛细管电泳-质谱联用质谱联用，须解决的问题：，须解决的问题：近年来，随着接口技术的发展以及质谱仪器的不断改进近年来，随着接口技术的发展以及质谱仪器的不断改进，CECE已可实现与已可实现与MSMS的联用。在目前成功的的联用。在目前成功的CECEMSMS联用中，往往采用联用中，往往采用ESIESI接口，同时在接口，同时在CECE出口端设计流出口端设计流体补偿通路用于弥补体补偿通路用于弥补CECE流量的不足来实现电喷雾。流量的不足来实现电喷雾。CECEMSMS在药物、生物试样等方面的应用也有一些报道，然而在药物、生物试样等方面的应用也有一些报道，然而与与LCMSLCMS相比还不是很成熟，许多技术问题有待解决。相比还不是很成熟，许多技术问题有待解决。最后 时光荏苒，半学期的时光匆匆而过，直若白驹过隙。大家时光荏苒，半学期的时光匆匆而过，直若白驹过隙。大家对研究生生活有怎样的感触呢？希望大家能够不虚度青春对研究生生活有怎样的感触呢？希望大家能够不虚度青春年华，多多的发年华，多多的发paperpaper，还要发好的，还要发好的paperpaper！在我们美丽的！在我们美丽的西南大学里收获自己的春华秋实！西南大学里收获自己的春华秋实！