液相色谱-质谱联用仪的原理及应用

基质辅助激光解析电离源示意图
MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得 到准分子离子峰，碎片离子和多电荷离子较少.
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质量分析器
质量分析器是质谱仪的核心, 质量分析器的作用是将离 子源产生的离子按m/z顺序进行分离并排列。
常用的质量分析器有：
磁质量分析器（Magnetic Sector Analyzer） 四极杆质量分析器（quadrupole mass analyzer） 飞行时间质量分析器（time of flight, TOF ） 离子阱质量分析器（ion trap）
电子轰击电离源 electron impact ionization source, EI
化学电离源 chemical ionization source, CI
快原子轰击电离源 fast atom bombardment source, FAB 电喷雾电离源 electrospray ionization source, ESI
大气压化学电离源 atmospheric pressure chemical ionization
source, APCI 基质辅助激光解析电离源 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI
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电子轰击电离源 EI
EI源应用最为广泛，特别是气相色谱-质谱联用仪中应用最多的 离子源，它主要用于挥发性样品的电离。 原理：由进样系统进入的气体样品到达离子源，与灯丝发出的 电子发生碰撞使样品分子电离。
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飞行时间质量分析器
用一个脉冲将离子源中的离子瞬间引出，经加速电压加速，它 们具有相同的动能进入漂移管，质荷比小的离子具有最快的速 度因而首先到达检测器，质荷比大的离子则最后到达检测器。
Ion Source Drift Region Reflection
Detector
配离子反射镜的飞行时间质谱示意图
HPLC inlet
APCI
+ + + +
+
Corona
大气压化学电离源示意图
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基质辅助激光解析电离源 MALDI
MALDI源原理：待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使 分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行 照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品 分子进入气相并得到电离。
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磁质量分析器
磁质量分析器是根据离子束在一定场强的磁场中运动时，其运动 的曲率半径与离子的质荷比和加速电压有关。是质谱仪中最早使 用的质量分析器。分为单聚焦磁质量分析器和双聚焦磁质量分析 器。
单聚焦磁质量分析器示意图
双聚焦磁质量分析器示意图
特点：单聚焦磁质量分析器分辨率低，双聚焦磁质量分析器分 辨率很高。
+
准分子离子
电子
化学电离源示意图
不适用难挥发试样。
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快原子轰击电离源 FAB
FAB源原理：氩气被电子轰击而电离，生成的氩离子被电子透镜 聚焦并加速生成动能可控的离子束，经过中和器中和掉离子束所 带的电荷，成为高速定向运动的中性原子束，用此原子束轰击样 品使其电离。
特点： 适用于分析大分子 量、难气化、热稳定 性差的样品。
快原子轰击电离源示意图
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电喷雾电离源 ESI
ESI源原理：流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下 穿过气帘；从而雾化、蒸发溶剂、阻止中性溶剂分子进入后端检 测。
电喷雾电离源示意图
特点： 1. 是一种软电离方式，适于分析极性强的有机化合物。 2. 容易形成多电荷离子，可以测量大分子量的蛋白质。 3. 主要应用于液相色谱-质谱联用仪。
行分析。接口要协调前后两种仪器的输出和输入间的
矛盾。将两种仪器的分析方法结合起来，协同作用， 取长补短，获得单独使用时所不具备的功能。
因此，接口是色谱质谱联用技术中的关键装置。
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色谱质谱联用的分类
气相色谱-质谱联用：开发最早的色谱联用仪器，适宜分析
小分子、易挥发、热稳定、能气化的化合物。
液相色谱-质谱联用：液相色谱-质谱联用的接口问题得到解
特点： 1）检测离子的质荷比范围非常宽； 2）灵敏度高，适合于作串联质谱的第二级； 3）扫描速度快，适合研究极快过程。
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离子阱质量分析器
离子阱与四极质量分析器的原理 类似，当高频电压幅值和高频电 压频率固定为某一值时，只能使 某一质荷比的离子在阱内一定轨 道上稳定旋转，改变端电极电压， 不同m/z离子飞出阱到达检测器。
Sample Inlet
Ionization Source
离子源
质量分析器
Mass Analyser
Detector
检测器
Data System
数据处理系统
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真空系统
质谱仪的离子源、质量分析器和检测器必须处于高真 空状态。若真空度过低，则会造成离子源灯丝损坏、 本底增高、图谱复杂化、干扰离子源的调节、加速极 放电等问题。 一般质谱仪都采用机械真空泵（前级低真空泵）预抽 真空，再用高效率油扩散泵或分子涡轮泵（高真空泵）
液相色谱-质谱联用仪 的原理及应用
福州大学测试中心 冯蕊
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色谱-质谱联用仪
实现对复杂混合物更 色谱的分离能力 质谱的定性功能 准确的定量和定性分 析。而且也简化了样
品的前处理过程，使
样品分析更简便。
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色谱质谱联用的接口
接口：是将色谱仪与质谱仪直接联接起来的装置。
作用：将通过色谱仪分离开的各种组分逐一送入质谱仪中进
电子轰击电离源示意图
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化学电离源 CI
CI源原理：利用反应气体的离子和样品分子发生分子-离子反应 而生成样品分子离子。 特点： 谱图简单，最强峰为分子离
+ +
气体分子
试样分子
子峰和准分子离子峰，碎片 离子峰很少。 可用于负离子质谱，多数有 机化合物的负离子CI质谱图 灵敏度要比其正离子的CI质 谱图高2-3个数量级。
特点： 单一的离子阱可实现多极 “时间上”的串联质谱； 结构简单、价格便宜，性价 比高； 灵敏度高； 质量范围大。
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检测器
质谱仪常用的检测器有直接电检测器、电子倍增器、 闪烁检测器和微通道板等。
电子倍增器运用质量分析器出来的离子轰击电子倍增管的阴极表
面，使其发射出二次电子，再用二次电子依次轰击一系列电极， 使二次电子获得不断倍增，最后由阳极接受电子流，使离子束信 号得到放大。
亚稳离子：
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质谱中的离子
单电荷离子：
多电荷离子：
带有1个电荷的离子，z=1。
带有2个或更多电荷的离子，如 z≥2。
奇电子离子（OE）：带未成对电子的离子，以符号“+·”表示。 偶电子离子（EE）：外层电子完全成对的离子，以符号“+” 表示。
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液相色谱-质谱联用
液相色谱-质谱（LC-MS）联用技术的研究开始于 20 世纪70年代，直到90年代才出现被广泛接受的商品 接口及成套仪器。
碎片离子：
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质谱中的离子
母离子与子离子：任何一个离子进一步裂解为质荷比较小的离 子，前者是后者的母离子或前体离子，后者是 前者的子离子。 同位素离子： 由元素的重同位素构成的离子。各种元素的同 位素基本上按照其在自然界的丰度比出现在质 谱中，有利于确定化合物及碎片的元素组成。
由离子源到检测器的飞行途中裂解的离子。可 以指示离子产生的途径，对结构判断很有用。
电子倍增器示意图
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数据处理系统
质谱仪都配有完善的计算机系统，不仅能快速准确的采集数据
和处理数据，而且能监控质谱仪各单元的工作状态，实现质谱
仪的全自动操作，并能代替人工进行化合物的定性和定量分析。
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质谱谱图
质谱图： 以检测器检测到的离子信号强度为纵坐标，离子 质荷比为横坐标所作的图就是质谱图。 离子质量（以相对原子量单位计）与它所带电荷 （以电子电量为单位计）的比值，写作m / z 。 质谱图中的离子信号通常称为离子峰或简称峰。 检测器检测到的离子信号强度。 在质谱图中，指定质荷比范围内强度最大的离子 峰称作基峰。
影响色谱柱的分离柱效； 2. 接口应能使色谱分离后的各组分尽可能多的 进入质谱仪的离子源，同时使色谱流动相尽可 能的不进入质谱的离子源； 3. 接口的存在不改变色谱分离后各组分的组成 和结构。
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离子源
离子源将欲分析样品的原子或分子电离，得到带电离 子，并对离子进行加速使其进入质量分析器。根据电离 方式的不同，常用的有:
连续地运行以保持真空。
只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到达检测 器，真空度不够则灵敏度低。
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进样系统
进样系统是将分析样品引入到离子源的装置。
进样方式： 1 直接进样 2 仪器联用的进样 （GC、LC、CE）
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仪器联用的进样
色谱-质谱联用仪的接口和色既不破坏离子源的高真空，也不
决，近年有了飞速发展。适宜分析大分子（包括蛋白、多肽多聚物 等）、不挥发、热不稳定、极性的化合物。
毛细管电泳-质谱联用：近年发展迅速，特别对生物大分子
的分类分析十分有用。
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质谱仪
质谱仪包括真空系统、进样系统、离子源、质量分析 器、检测器和数据处理系统。
Vacuum System
真空系统
进样系统
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大气压化学电离源 APCI
APCI源原理：喷嘴下游放置一个针状放电电极，进行高压放电， 使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子， 溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分子进行离子-分子反应， 使样品分子离子化。
Nebulizer
特点： 属于“软”电离方式，适 于分析质量数小于2000u的 弱极性小分子化合物。 只产生单电荷离子，主要 是准分子离子，很少有碎片 离子。 主要应用于液相色谱-质 谱联用仪。