第四章-质量分析器及亚稳离子综述优秀PPT.ppt

第四章第四章 质量分析器及亚稳离子质量分析器及亚稳离子4.1 磁质谱磁质谱 Magnetic Sector4.2 四极杆四极杆 Quadrupole4.3 离子阱离子阱 Ion Trap4.4 飞行时间飞行时间 Time-of-Flight(ToF)4.5 回旋共振回旋共振 Fourier transform ion cyclotron resonance(FT-ICR)4.6 亚稳离子亚稳离子 metastable ion质量分析器是质谱计的核心质量分析器是质谱计的核心不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计 不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理，试验方法均有所不同。质量分析器质量分析器 Mass Analysers:Factors to ConsiderlUpper mass limit:lHighest m/z that can be detectedlMay be offset by multiple chargeslResolution:lDistinct signals for similar m/z ratioslTransmission:lRatio of ions reaching detector:ions producedlCostMass Analysers:Resolution(Resolving Power)lAbility to resolve two signals of similar m/zlResolved if valley is 10%lHigher resolution:greater accuracyle.g.R=20,000:Separatem/z 100.0000 from m/z 100.0050lAccuracy needed:lHigh Resolution Mass Spectrometry(HRMS)lDetermine elemental composition of an ionlVital to confirm structureMass Analysers:High Resolution Mass SpectrometrylHRMS or accurate mass determinationlDetermines elemental compositionlConsider two ions:1)C24H19N+:nominal mass:3212)C21H23NS+:nominal mass:321lUsing C=12,H=1,N=14 and S=32lCan we differentiate these two ions?lNeed to calculate the monoisotopic accurate massMass Analysers:HRMS:An ExamplelExact mass of most abundant isotope(monoisotpoic)lC=12.0000,H=1.0078,N=14.0031,S=31.9721 lMass spectrometer with R 100,000 can distinguish between these two ions1)C24H19N+:accurate mass:321.15132)C21H23NS+:accurate mass 321.1546lR=M/D DM=321/(321.1546-321.1513)=97,273单聚焦磁场分析器单聚焦磁场分析器收集器收集器离子源离子源BS1S2磁场磁场R由于离子初始动由于离子初始动能并不为零，且能并不为零，且各不相同，这样，各不相同，这样，即使相同即使相同m/z的的离子，经过磁场离子，经过磁场后，也不能全部后，也不能全部聚焦在一起，也聚焦在一起，也就是辨别率不高。就是辨别率不高。4.1 磁质谱磁质谱(Magnetic Sector Analyzer)zV=mv2/2 mv2/rm=zvBm/z=r2B2/2V双聚焦分析器双聚焦分析器离子源离子源收集器收集器磁场磁场电场电场S1S2+-在离子源和磁场之间引入静在离子源和磁场之间引入静电分析器，静电分析器由恒电分析器，静电分析器由恒定电场下的一个固定半径的定电场下的一个固定半径的管道构成，如图。加速的离管道构成，如图。加速的离子进入静电场后，只有动能子进入静电场后，只有动能与曲率半径相应的离子才能与曲率半径相应的离子才能经过狭缝进入磁分析器，实经过狭缝进入磁分析器，实现方向聚焦和能量聚集。现方向聚焦和能量聚集。方向聚焦：方向聚焦：相同质荷比，入射方向相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；不同的离子会聚；能量聚焦：能量聚焦：相同质荷比，速度相同质荷比，速度(能能量量)不同的离子会聚；不同的离子会聚；被加速离子在进入磁分析器之前先进入静电分被加速离子在进入磁分析器之前先进入静电分析器，所受的向心力由离子所受电场力供应：析器，所受的向心力由离子所受电场力供应：ZE=mv2/re 由方程（由方程（2-1）可得：）可得：mv2=2ZV 合并上边两方程，消退合并上边两方程，消退v、Z和和m项，可得：项，可得：re 2V/E半径大于半径大于r撞击正极，半径小于撞击正极，半径小于r撞击负极。撞击负极。工作原理工作原理:其他类型质量分析器双聚焦质谱仪辨别率高；体积大；价格昂贵；维护双聚焦质谱仪辨别率高；体积大；价格昂贵；维护困难；困难；但色谱但色谱-质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）质谱联用仪器的发展及仪器小型化（台式）须要；须要；体积小的质量分析器：体积小的质量分析器：四极杆质量分析器四极杆质量分析器飞行时间质量分析器飞行时间质量分析器离子阱质量分析器离子阱质量分析器体积小，操作简洁；体积小，操作简洁；辨别率中等；辨别率中等；4.2 四极杆质量分析器四极杆质量分析器 Quadrupole Mass Analyzer(quadrupole mass filter)+Electron BeamABCSample inIon Beam_由四根平行的棒状金属电极组成，对角两根金属电极连接，分成由四根平行的棒状金属电极组成，对角两根金属电极连接，分成两组加到两对电极杆上的电压数值相等，方向相反。两组加到两对电极杆上的电压数值相等，方向相反。只有那些具有特定动能的离子，才能在特定的只有那些具有特定动能的离子，才能在特定的(U+Vcost)(U+Vcost)四极场中按稳定的振动轨道四极场中按稳定的振动轨道(沿沿Z Z轴方向轴方向)飞行，并且射过四飞行，并且射过四极场，到达检测器，而其他的离子则在四极场中因不稳定的极场，到达检测器，而其他的离子则在四极场中因不稳定的振动飞行而被极杆所吸取，即被偏转掉了。振动飞行而被极杆所吸取，即被偏转掉了。四极质谱结构简洁，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS,LC-MS。辨别率不高。4.3 离子阱离子阱 Ion Trap Analyzer 特定m/z离子在阱内确定轨道上稳定旋转，变更端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器。nIons stored by RF&DC fieldsnScanning field can eject ions of specific m/znPrinciple very similar to quadrupoleRing electrodeEnd cap electrodeEnd cap electrode离子阱质量分析器的优点和缺点：离子阱质量分析器的优点和缺点：优点：优点：单一的离子阱可实现多级串联质谱单一的离子阱可实现多级串联质谱(MS)n 结构简洁，性价比高结构简洁，性价比高 灵敏度高，比四极质量分析器高灵敏度高，比四极质量分析器高101000倍倍 质量范围大，商品仪器已达质量范围大，商品仪器已达6000缺点：所得质谱图与标准谱图有确定差别（因缺点：所得质谱图与标准谱图有确定差别（因在阱中生成的离子有较长的停留时间，可能发在阱中生成的离子有较长的停留时间，可能发生离子分子反应）。但接受外加离子源可克生离子分子反应）。但接受外加离子源可克服，且可与色谱联机。服，且可与色谱联机。4.4 飞行时间质谱仪飞行时间质谱仪 Time-of-Flight TOF-MSTOF-MS的核心部分是一个无场的离子漂移管。的核心部分是一个无场的离子漂移管。原理原理：用脉冲能量将离子从离子源瞬间引出，经加速电用脉冲能量将离子从离子源瞬间引出，经加速电压加速，具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子速压加速，具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子速度快先到达检测器，质荷比大的离子后到达检测器。度快先到达检测器，质荷比大的离子后到达检测器。加速后的离子具有相同的动能：加速后的离子具有相同的动能：m/zm/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。到达检测器。m/z大的离子，漂移运动的速度慢，最终通过漂移管，到达检测器。检测通过漂移管的时间检测通过漂移管的时间(t t)及其相应的信号强度，及其相应的信号强度，可得到质谱图，可得到质谱图，t t为为 s s数量级。数量级。适合于生物大分子，灵敏度高，扫描速度快，结构简洁，辨别率随m/z的增大而降低。w wAll ions start togetherAll ions start togetherw wSmaller ions move fasterSmaller ions move fasterw wMeasure velocity over known distance(time of flightMeasure velocity over known distance(time of flight)提高加速电压，使离子的飞行时间缩短，仪器的辨别率下降；而增提高加速电压，使离子的飞行时间缩短，仪器的辨别率下降；而增加漂移管的长度，使离子的飞行时间增加，仪器的辨别率提高。加漂移管的长度，使离子的飞行时间增加，仪器的辨别率提高。飞行时间质量分析器的优点和缺点：飞行时间质量分析器的优点和缺点：优点：优点：特殊适合于生物大分子的质谱测定（无特殊适合于生物大分子的质谱测定（无质量检测上限）质量检测上限）特殊适合于与脉冲电离过程如特殊适合于与脉冲电离过程如MALDI搭搭配配 灵敏度高，适合于作串联质谱的其次级灵敏度高，适合于作串联质谱的其次级 扫描速度快，适合于探讨极快的过程扫描速度快，适合于探讨极快的过程 结构简洁，便于维护结构简洁，便于维护缺点：质量越大，飞行时间的差值越小，辨别率越缺点：质量越大，飞行时间的差值越小，辨别率越低。低。辨别率随质荷比的增加而降低。辨别率随质荷比的增加而降低。傅立叶变换离子回旋共振质谱计，是受傅立叶变换离子回旋共振质谱计，是受FT-NMRFT-NMR的启迪。利的启迪。利用不同用不同m/zm/z的离子，的离子，在磁场在磁场B B的作用下，各自产生不同的回的作用下，各自产生不同的回旋频率（回旋频率只和质荷比有关而和离子动能无关）旋频率（回旋频率只和质荷比有关而和离子动能无关）。若施加一射频场，使其频率等于某一若施加一射频场，使其频率等于某一 m/z m/z离子的回旋频率，离子的回旋频率，则离子就会吸取能量而激发。则离子就会吸取能量而激发。离子从射频场吸取能量，称之离子的回旋共振。离子从射频场吸取能量，称之离子的回旋共振。激发的离子运动速度激发的离子运动速度(v)增大，运动轨道半径增大，运动轨道半径(r)增大，称之离子的回增大，称之离子的回旋运动的激发。旋运动的激发。4.5傅立叶变换离子回旋共振傅立叶变换离子回旋共振Fourier transform ion cyclotron resonance(FT ICR)FT-MS特点：特点：FT-MS辨别率极高，目前可得到精确度最高的精确质量。FT-MS灵敏度高，质量范围宽，速度快，性能牢靠。但仪器特别昂贵（1,000,000；few in the world）。Ion DetectionlSample introducedlDIP,GC,LC,etc,.lIon is generatedlEI,CI,FAB,ESI,APCI,MALDIlIon is separatedlMagnetic sector,TOF,ion trap,quadrupole,FT ICRlIon must now be detected4.6 亚稳离子及其检测亚稳离子及其检测亚稳离子：供应离子间亚稳离子：供应离子间“亲缘亲缘”关系的信息。关系的信息。离子在离子源中运动的时间约为离子在离子源中运动的时间约为10-6 s,从离子源到检测从离子源到检测器的时间约为器的时间约为10-5 s，寿命，寿命 10-5 s的离子足以到达检测器，的离子足以到达检测器，介于介于10-6 s 10-5 s之间的离子之间的离子在到达检测器之前可能发生分解，在到达检测器之前可能发生分解，4.6.1 在其次无场区产生的亚稳离子在其次无场区产生的亚稳离子m*=m22/m1m*峰较宽，峰较宽，m1,m2应均可见且应均可见且在一般状况下有确定强度。在一般状况下有确定强度。离子离子 M+离开离子源时所携带的动能是离开离子源时所携带的动能是 依据动量守恒原则，依据动量守恒原则，M+M+的动量的动量m1v1 m1v1 应由应由 A+A+和和 中性碎片中性碎片N N共共享。在发生亚稳转变中，享。在发生亚稳转变中，A+A+和和N N两个碎片都以相同的速度两个碎片都以相同的速度（v2v2）运动，所以：）运动，所以：第一个式子可写为：第一个式子可写为：亚稳离子亚稳离子A+进入磁场，并遵守下式方可通过磁分析器：进入磁场，并遵守下式方可通过磁分析器：整理上边两式，得：整理上边两式，得：苯胺的苯胺的EI谱谱针枞酚的针枞酚的EI谱谱4.6.2 在第三无场区产生的亚稳离子在第三无场区产生的亚稳离子在在磁磁场场后后无无场场区区所所产产生生的的亚亚稳稳离离子子，由由于于没没场场的的影影响响，仍仍以以惯惯性性作作直直线线运运动动，混混入入正正常常的的离离子子中中。表表观观质质量量仍仍为为m1。4.6.4 离子动能谱离子动能谱(IKES)和质能谱和质能谱(MIKES)都接受都接受E E扫描法，但测定扫描法，但测定IKESIKES用的是前置型双聚焦质谱仪，而测定用的是前置型双聚焦质谱仪，而测定MIKESMIKES是用倒置型双聚焦质谱仪。是用倒置型双聚焦质谱仪。IKESIKES可区分异构体，可区分异构体，MIKESMIKES可区分骨架相同支可区分骨架相同支链不同的化合物、可用于混合物的分析、与碰撞活扮装置联用可得到更链不同的化合物、可用于混合物的分析、与碰撞活扮装置联用可得到更多的信息。多的信息。4.6.3 在第一无场区产生得亚稳离子在第一无场区产生得亚稳离子m1在第一无场区分解，在第一无场区分解，m2只具有比正常离子小的动能，在静电分只具有比正常离子小的动能，在静电分析器中被中和，在常规条件下不能被检测。析器中被中和，在常规条件下不能被检测。为使在第一无场区产生的亚稳离子可通过为使在第一无场区产生的亚稳离子可通过ESA，有两种方法：提，有两种方法：提高离子的加速电压和高离子的加速电压和E扫描。前者在正常条件下扫描。前者在正常条件下m2的地方出峰，的地方出峰，后者仍在后者仍在m22/m1处。处。质谱仪的三个参数质谱仪的三个参数B、E、V中的一个保持不变，另两个中的一个保持不变，另两个参数按确定关系变更。参数按确定关系变更。B/E扫描：可找出某一母离子所产生的全部子离子扫描：可找出某一母离子所产生的全部子离子正常离子正常离子m1+在第一无场区分解产生在第一无场区分解产生m2+，为使，为使m2+通过通过静电分析器，应有：静电分析器，应有：E2=E1 m2/m1 (1)而正常离子而正常离子m1+通过磁分析器，要遵循：通过磁分析器，要遵循：rB1e=m1v1 (2)要使要使m2以同样曲率半径通过磁分析器，以同样曲率半径通过磁分析器，应有：应有：rB2e=m2v2 (3)由于由于v1=v2，所以：，所以：rB2e=m2v1 (4)联立（联立（2）（）（4），有：），有：B2/B1=m2/m1 (5)联立（联立（1）（）（5），有：），有：B2/B1=m2/m1=E2/E1 即即 B2/E2=B1/E1 为常数，且和为常数，且和m1 有关。有关。4.6.5 联动扫描联动扫描(2)B2/E扫描：可找出给定子离子的全部母离子扫描：可找出给定子离子的全部母离子(3)丢失固定中性碎片的扫描：找到失去给定丢失固定中性碎片的扫描：找到失去给定mn的若干的若干母母-子离子对子离子对4.6.6 亚稳离子供应的信息亚稳离子供应的信息 有机质谱反应的机理、离子的结构、结构单元的有机质谱反应的机理、离子的结构、结构单元的连接次序，另外亚稳离子的峰形能反应离子的能连接次序，另外亚稳离子的峰形能反应离子的能量分布，可用来探讨离子的热化学性质。量分布，可用来探讨离子的热化学性质。一一个个未未知知物物的的常常规规EI谱谱，此此谱谱可可能能表表征征N-甲甲基基-N-异异丙丙基基正丁胺或正丁胺或N-甲基甲基-N-乙基乙基-N-2-戊胺：戊胺：N-甲基甲基-N-异丙基正丁胺异丙基正丁胺N-甲基甲基-N-乙基乙基-N-2-戊胺戊胺碰撞诱导断裂（碰撞诱导断裂（CIDCID）又称为碰撞活化断裂（）又称为碰撞活化断裂（CADCAD）或简称碰）或简称碰撞活化（撞活化（CACA）：）：离子（可以是分子离子、准分子离子或碎片离子）与离子（可以是分子离子、准分子离子或碎片离子）与惰性气体的原子（分子）相碰撞而使该离子发生碎裂。这是软电离技术惰性气体的原子（分子）相碰撞而使该离子发生碎裂。这是软电离技术中用以产生碎片离子的手段。中用以产生碎片离子的手段。4.7 串联质谱和色质联机串联质谱和色质联机串联质谱：串联质谱：空间串联（空间串联（tandem-in-spacetandem-in-space）&时间串联（时间串联（tandem-in-timetandem-in-time）空间串联的三种操作模式：空间串联的三种操作模式：产物离子扫描；初始离子扫描；中性碎片产物离子扫描；初始离子扫描；中性碎片丢失的扫描丢失的扫描时间串联：时间串联：只能完成产物离子扫描只能完成产物离子扫描色质联机：色质联机：GC/MSGC/MS，LC/MSLC/MS，CE/MSCE/MS，CEC/MSCEC/MSEIEI会产生亚稳离子，但产率不高。会产生亚稳离子，但产率不高。