液质联用技术的原理与应用-优秀PPT.ppt
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1、质谱法及其联用技术的质谱法及其联用技术的原理与应用原理与应用 解题解题n质谱法(质谱法(MassSpectrometry,MS)n有机有机/无机无机/生物生物/同位素同位素MSn质谱仪可干脆进样质谱仪可干脆进样n常见仪器分析技术常见仪器分析技术n液相色谱法(液相色谱法(LC)n气相色谱法(气相色谱法(GC)n毛细管电泳法毛细管电泳法n感耦等离子体(感耦等离子体(ICP)原子放射光谱法)原子放射光谱法nn解题解题n为何要联用?为何要联用?n以以LC-MS为例:为例:LC的色谱分别的色谱分别MS的质谱分的质谱分n离(离(m/z分别)分别)n两个维度依次分别,是乘法,非加法!两个维度依次分别,是乘法
2、,非加法!n结合了结合了LC和和MS二者的优点二者的优点n辨证地看待辨证地看待“联用联用”n仪器的小型化、微型化,如仪器的小型化、微型化,如waters公司的公司的Qda检检测器;测器;ICP-MS。Waters公司的液质联用仪公司的液质联用仪QqQQTOFSciex公司的质谱仪公司的质谱仪QTRAPQTOFQqQOrbitrapThermoFisher公司的液质联用仪公司的液质联用仪Agilent公司的质谱联用仪公司的质谱联用仪ICP-QqQ质谱仪质谱仪GC-QqQ质谱仪质谱仪用途和优点用途和优点以LC-QqQ-MS定性、定量最常用的多反应监测(MultipleReactionMonitor
3、ing,MRM)模式为例灵敏度高精确地说信噪比高LC:g/mL(ppm)LC-MS:ng/mL(ppb)、pg/mL(ppt)特异性好干扰小,定性精确降低了对样品前处理的要求是公认的确证分析技术!低辨别率质谱仪低辨别率质谱仪用途和优点用途和优点以QTOF和Q-Orbitrap为代表:质量精确度高(m/z精确到小数点后3-5位)定性筛查的利器:半未知、全未知化合物 如:北京CDC高辨别率质谱仪高辨别率质谱仪从历史谈起从历史谈起n离子源和质量分析器有多种不同的类型离子源和质量分析器有多种不同的类型n以两大主线介绍质谱仪的发展史以两大主线介绍质谱仪的发展史n进样系统进样系统n离子源(使分析物电离)离
4、子源(使分析物电离)n离子光学系统离子光学系统n质量分析器(实现质量分析器(实现m/z分别,质谱仪通常据其命名)分别,质谱仪通常据其命名)n检测器检测器n真空系统真空系统n计算机系统计算机系统质谱发展史上的两位先驱质谱发展史上的两位先驱n1897年年,J.J.Thomson(汤汤 姆姆 孙孙,18561940)质谱仪的雏形)质谱仪的雏形n1919年,年,F.W.Aston(阿斯顿,(阿斯顿,18771945)n首首次次制制成成具具有有较较高高聚聚焦焦性性能能的的质质谱谱仪仪,用用其其成成功功发觉了多种同位素,获发觉了多种同位素,获1922年年n的诺贝尔化学奖的诺贝尔化学奖质量分析器发展史质量分
5、析器发展史n1917年,年,Dempstern独创扇形磁场质谱仪(扇形磁场分析器)独创扇形磁场质谱仪(扇形磁场分析器)n1934年,年,Mattauch和和Herzogn1953年,年,Johnson和和Niern分分别别设设计计出出了了两两种种双双聚聚焦焦质质谱谱仪仪(扇扇形形磁磁场场分分析析器器n扇形电场分析器)扇形电场分析器)n1946年,年,Stephensn独创飞行时间(独创飞行时间(Time-of-Flight,TOF)质谱仪)质谱仪n1949年,年,Hipplen独独创创离离子子回回旋旋共共振振(IonCyclotronResonance,ICR)n质谱仪,是首个超高辨别率质谱仪
6、质谱仪,是首个超高辨别率质谱仪质量分析器发展史质量分析器发展史n1953年,年,W.Paul(保罗,(保罗,19131993)提出四极质量分析器(QuadrupoleMassAnalyzer,QMA)和四极离子阱(QuadrupoleIonTrap,QIT)的理论,随后出现了四极质谱仪和QIT质谱仪nH.G.Dehmelt(德梅尔特,(德梅尔特,1922)对ICR质谱仪的发展作出突出贡献与Paul共享了1989年诺贝尔物理奖的一半质量分析器发展史质量分析器发展史n1977年和年和1984年年两种重要的串联质谱仪三重四极(TripleQuadrupole,QqQ)质谱仪和QTOF质谱仪诞生n19
7、95年和年和1998年,年,Bier等和等和Hager 分别设计出了两种线性离子阱(LinearIonTrap,LIT)n1999年,年,A.Makarov(1966)全新概念的分析器轨道阱(Orbitrap)离子源发展史离子源发展史n气体放电电离、火花电离、辉光放电电离、热电离气体放电电离、火花电离、辉光放电电离、热电离n最出现的电离技术,属于无机电离技术最出现的电离技术,属于无机电离技术n1918年,年,A.J.Dempstern独创电子电离(独创电子电离(ElectronIonization,EI)n最早的有机电离技术,至今仍广泛运用最早的有机电离技术,至今仍广泛运用n1954年,年,I
8、nghram和和Gomern场电离,最早的场电离,最早的“软软”电离技术电离技术n1966年,年,Munson和和Fieldn独创化学电离(独创化学电离(ChemicalIonization,CI)离子源发展史离子源发展史n1969年,年,Beckeyn场解吸,打开了场解吸,打开了MS用于生物大分子分析的大门用于生物大分子分析的大门n1980s,Fenn(芬恩,(芬恩,19172010)n使使电电喷喷雾雾电电离离(ElectrosprayIonization,ESI)取得重取得重n大突破大突破n1973年,年,Horningn大大 气气 压压 化化 学学 电电 离离(Atmospheric P
9、ressureChemicalIonization,APCI)n1980年,年,Houkn以以 电电 感感 耦耦 合合 等等 离离 子子 体体(Inductively CoupledPlasma,ICP)为为离离子子源源,独独创创了了ICP-MS,是是元元素分析的利器素分析的利器离子源发展史离子源发展史n1987年,年,Tanaka(田中耕一,(田中耕一,1959)n将将基基质质协协助助激激光光解解吸吸电电离离(Matrix-AssistedLaserDesorption/Ionization,MALDI)用用于于蛋蛋白质分析;白质分析;n因因将将ESI和和MALDI引引入入生生物物大大分分子
10、子领领域域的的卓卓越越贡贡献献,Tanaka与与ESI的的独独创创者者Fenn共共享享了了2002年年诺诺贝贝尔尔化学奖的一半化学奖的一半MS基本原理基本原理nMS是是与与光光谱谱法法、核核磁磁共共振振波波谱谱法法并并称称的的三三大大物物质质定定性手段之一性手段之一nMS是是通通过过形形成成气气相相离离子子来来探探讨讨物物质质的的一一种种方方法法,依依据据质质量量、电电荷荷、结结构构和和(或或)理理化化性性质质的的差差异异,运运用质谱仪对离子进行表征用质谱仪对离子进行表征n提前是化合物能形成离子提前是化合物能形成离子nm/z分分别别通通过过质质量量分分析析器器实实现现(电电场场;磁磁场场;电电
11、场场磁场)磁场)关于关于m/z的理解的理解n什么是什么是“质质”?什么是?什么是“荷荷”?n用于描述微观离子用于描述微观离子质量的质量的单位单位千克(Kg,SI单位,但单位太大)道尔顿(Dalton,Da)JohnDalton(17661844)统一原子质量单位(UnifiedAtomicMassUnit,u)1u1Da1.660538921(73)1027kg注:原子质量单位(AtomicMassUnit,amu,已废弃)关于关于m/z的理解的理解n相对质量相对质量VS确定质量确定质量n初中化学的重要概念初中化学的重要概念“相对原子质量(原子量)相对原子质量(原子量)”n相对质量单位为相对质
12、量单位为“1”,确定质量单位为,确定质量单位为u、Da等等n相对质量与以相对质量与以u为单位的确定质量在数值上相等为单位的确定质量在数值上相等n实际质量实际质量VS平均质量平均质量n要区分要区分“元素元素”和和“原子原子”的质量。的质量。n例如,原子质量是实际质量,元素养量是平均质量例如,原子质量是实际质量,元素养量是平均质量(考虑了同位素丰度)。(考虑了同位素丰度)。n原子量(是元素的质量)原子量(是元素的质量)原子质量原子质量n分子量(是元素养量的加和,分子量(是元素养量的加和,MS中不能干脆运用)中不能干脆运用)同位素分布同位素分布Sn的同位素分布的同位素分布同位素分布同位素分布瘦肉精(
13、瘦肉精(C12H18Cl2N2O)的同位素分布)的同位素分布同位素标记内标同位素标记内标:选择占比较少的同位素组成形式:选择占比较少的同位素组成形式质谱图质谱图n质谱图(质谱图(MassSpectrum)n以离子的以离子的m/z为横坐标,质量峰的强度为纵坐标为横坐标,质量峰的强度为纵坐标n留意:质谱图并非指留意:质谱图并非指MS所得图谱的总称所得图谱的总称n横坐标既非保留时间,也非离子质量横坐标既非保留时间,也非离子质量a、轮廓图、轮廓图b、棒图、棒图提取离子色谱图提取离子色谱图n质谱仪干脆采集得到的是质谱图,经计算机加工得到色谱图n质谱图是色谱图的基本组成单元辨别率辨别率n辨别率(Resol
14、ution,R)反n映的是相邻质谱峰的分别程度n目前最常用的定义是“半峰n全宽(FullWidthatHalfnMaximum,FWHM)定义”辨别率辨别率n低辨别率:R1000n中辨别率:R100010000n高辨别率:R10000100000n超高辨别率:R100000nQMA是低辨别率,TOF和Orbitrap是(超)高辨别率n通常,QMA的质谱峰的半峰宽为0.7质量精确度质量精确度n精确质量(AccurateMass):实测值n精确质量(ExactMass):理论值n质量精确度:二者的误差n辨别率会影响质量精确度nQMA的质量精确度一般为0.1u质谱仪简介质谱仪简介nSCIEX的QqQ
15、和QTRAPTMnThermoFisher的OrbitrapnSCIEX、Waters、Bruker的QTOFnBruker的FT-ICR价格价格nGC-MSnQ:80万nQqQ:120万nLC-MSnQqQ:220330万nQTOF:300400万nQ-Orbitrap:400600万nICP-MSnQ:100150万nQqQ:200250万质谱仪硬件组成质谱仪硬件组成n进样系统进样系统n干脆进样(如注射泵)、干脆进样(如注射泵)、色谱仪等色谱仪等n离子源离子源n离子光学系统离子光学系统n冷却、聚焦、准直等冷却、聚焦、准直等n质量分析器质量分析器n检测器检测器n电子倍增器、微通道板电子倍增器
16、、微通道板等等n真空系统真空系统n为何须要保持真空?为何须要保持真空?n为何通常须要待机?为何通常须要待机?n须要液氮,是否冲突?须要液氮,是否冲突?n计算机系统计算机系统离子源离子源n离子源是使样品分子、原子或自由基转变为气相离子离子源是使样品分子、原子或自由基转变为气相离子的器件,是质谱仪的的器件,是质谱仪的“门户门户”n有机有机MSMS中几种常见的离子源中几种常见的离子源n电子电离(电子电离(Electron IonizationElectron Ionization,EIEI)源)源n化学电离(化学电离(CICI)源)源n较较“软软”电离;须要试剂气;适合电离;须要试剂气;适合GCGC
17、n大气压电离(大气压电离(Atmospheric Pressure IonizationAtmospheric Pressure Ionization,APIAPI)源)源n基质协助激光解吸电离(基质协助激光解吸电离(MALDIMALDI)源)源n适合蛋白质分析适合蛋白质分析n无机无机MSMS中几种常见的离子源中几种常见的离子源n 感耦等离子体(感耦等离子体(Inductively Coupled PlasmaInductively Coupled Plasma,ICPICP)源)源EI源源n曾称为“电子轰击(ElectronImpact,EI)”电离源特点特点n“硬硬”电离电离 分子离子、碎
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