质谱基础理论和仪器结构介绍-Orbitrap Fusion
质谱仪的结构原理 ppt课件
答辩人：
质谱仪
离子源
质量分析 器
离子检测 器
进样系统
真空系统
质谱仪分类
有机质 谱仪
无机 质谱
仪
质谱 仪
同位 素质 谱仪
质谱仪器结构
大气
样品入口
离子化方法
真空系统 质量分析器
检测器
数据系统
质谱分析原理
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
补助气喷嘴：喷嘴斜上方，使微 滴的溶剂快速蒸发
ESI
微滴蒸发，表面电荷密度增加， 达到临界值时，离子蒸发出来， 借助喷嘴和锥孔之间电场进入分 析器
APCI
结构图
APCI
❖主要用来分析中等极性的化合物 ❖APCI是ESI的补充，离子产率高 ❖主要产生单电荷离子 ❖质谱很少有碎片离子，主要是准分子离子 ❖用于液相色谱-质谱联用仪
➢ 特 点：
使用最广泛，谱库最完整；电离效率 高；结构简单，操作方便；但分子离 子峰强度较弱或不出现(因电离能量 最高)。
EI源
加速 聚焦 加速
EI源
在电子轰击下，样品分子可能有四种不同途径 形成离子：
❖ 样品分子被打掉一个电子形成分子离子。
❖ 分子离子进一步发生化学键断裂形成碎片离子 。
❖ 分子离子发生结构重排形成重排离子。
能态较高的那些分子，将进一步裂 解，释放出部分能量，产生质量较 小的碎片离子和中性自由基：
M1+ + N1· M+
M2+ + N2 ·
EI源
➢ 水 平 方 向 ： 灯 丝 与 阳 极 间 (70V电 压 )—高能电子 — 冲击样品—正离子
质谱基础理论和仪器结构介绍 Orbitrap Fusion
理论基础理论第一章基础基本名词Orbitrap Fusion质谱仪的结构及介绍Orbitrap Fusion质谱仪的扫描模式基本名词质荷比（m/z）：以原子质量单位表示的离子质量与其电荷数的比值。
基峰（base peak）：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。
原子质量单位（u）：用来衡量原子或分子质量的单位，它被定义为碳12原子质量的1/12。
同位素（Isotopes）：具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素。
总离子流谱图（TIC，Total Ion Chromatogram）：对一定质荷比范围内的离子流总和进行连续检测与记录的色谱图。
提取离子流谱图（EIC，Extracted Ion Chromatogram）：对某一质荷比的离子流进行连续检测与记录的色谱图。
分辨率：质谱图上两个相邻离子峰分离的程度（如下图）Orbitrap Fusion质谱仪的结构及介绍结构基本结构基本组成部分（1） 离子源（Ion Source）（2） 离子透镜系统（Ion Optics）：离子传输毛细管（Capillary），S-Lens，注入四极杆，弯曲四极杆MP0，传输八极杆，透镜L0、Split Gate Lens （3） 质量分析器：四极杆Q1，Orbitrap，双压线性离子阱（Linear Ion Trap）（4） 多离子通道：HCD 碰撞池（5） 检测器（Detector）：电子倍增器，打拿极，Orbitrap以下分别介绍各部分的作用及特点离子源作用：（1）将中性的待测物电离为带电荷的离子；（2）真空过渡；（3）去除多余的溶剂；（4）去除干扰。
与LC相连接的电离源主要为大气压电离源（API，Atmospheric Pressure Ionization），包括：电喷雾电离源、大气压化学电离源、大气压光学电离源电喷雾电离源（ESI，Electrospray Ionization）主要特点：离子在液相状态形成 对热不稳定化合物首选 对中高极性化合物首选 可形成多电荷离子可形成多电荷离子，，分析蛋白质分析蛋白质、、多肽等大分子物质 最佳使用流速: 200 - 400ul/min 一般来说,流速流速越高越高越高，，需要需要越越高的毛细管温度和气体流速高的毛细管温度和气体流速。
orbitrap结构
Orbitrap质谱仪是一种高分辨质谱仪，常用于分析复杂的生物分子样品，如蛋白质、代谢产物等。
它的设计基于一个称为Orbitrap的离子捕获器，这是一种圆柱形结构，具有一对排列在中心轴上的电极。
Orbitrap质谱仪的工作原理如下：
1. 离子化：样品中的分子被离子化，通常通过电喷雾离子化（ESI）或者基质辅助激光解吸电离（MALDI）等技术。
2. 离子加速：离子被加速到一定的能量。
3. 离子进入Orbitrap：加速的离子被注入Orbitrap离子阱。
4. 离子轨道：在Orbitrap中，离子绕着中心轴做稳定的轨道运动，由于其特殊的设计，离子在轨道上运动的频率与其质荷比成正比。
5. 检测：当离子做轨道运动时，它们会引起电极上的电荷聚集变化，这种变化可以通过电子学检测到，并转化为质谱信号。
6. 质谱分析：根据离子在Orbitrap中的运动频率，质谱仪可以确定离子的质荷比，从而得到样品中不同成分的质谱图谱。
Orbitrap质谱仪由Thermo Fisher Scientific公司开发，并在生物医学研究、药物发现等领域广泛应用。
其高分辨率和准确性使其成为分析生物分子结构和特性的重要工具。
orbitrap astral质谱
在化学和生物领域中，质谱技术扮演着至关重要的角色，它能够帮助科学家们分析和鉴定复杂的化合物和生物分子。
而在质谱技术中，Orbitrap Astra质谱仪作为一种先进的仪器，具有着非常重要的地位。
本文将从深度和广度两个方面对Orbitrap Astra质谱仪进行全面评估，并探讨其在科学研究中的应用和意义。
一、Orbitrap Astra质谱仪的基本原理Orbitrap Astra质谱仪采用了高分辨和高灵敏度的仪器设计，它的基本原理是通过电场调制和离子共振的方式来进行质谱分析。
在质谱实验中，先将待分析的样品通过电喷雾离子源离子化，然后将离子通过激光引导到离子圈内，进而在不同的电场调制下进行共振，最后通过检测离子信号来获取质谱信息。
这种原理使得Orbitrap Astra质谱仪在高分辨率、高精准度和高灵敏度方面具有着明显的优势，可以应用于各种复杂样品的分析和研究。
二、Orbitrap Astra质谱仪的应用领域Orbitrap Astra质谱仪在科学研究中有着广泛的应用，包括但不限于生物医药、环境监测、化学分析等领域。
在生物医药领域中，Orbitrap Astra质谱仪可以用于蛋白质组学、代谢组学和蛋白质药物研发等方面的研究。
在环境监测中，Orbitrap Astra质谱仪可以帮助科学家们分析大气、水体和土壤样品中的污染物，以及追踪环境中各种化合物的来源和归趋。
在化学分析中，Orbitrap Astra质谱仪可以用于化合物结构鉴定、杂质分析和质量定量等方面的研究。
OrbitrapAstra质谱仪在科学研究和产业应用中具有着非常重要的地位。
三、个人观点和理解作为专业的文章写手，我对Orbitrap Astra质谱仪的应用和意义有着深刻的理解。
在我看来，Orbitrap Astra质谱仪的高分辨率和高灵敏度使得它在复杂样品分析中具有着重要的优势，可以帮助科学家们更准确地获取样品中的化合物信息，从而推动科学研究和产业发展的进步。
质谱的原理和仪器构造
单聚焦质量分析器 -- 使用扇形磁场。 双聚焦质量分析器 -- 使用扇形磁场及 扇形电场。 这二种质量分析器曾经是有机质谱的主 体，现仍在继续发挥重要作用。
工作原理：在离子源中形成的各种(正)离子都被加速电压加速，而获得动能：
d. 色谱进样系统
用于 GC-MS,HPLC-MS,CE-MS
2.电离和加热室 (离子源)
被分析物质在这里被电离，形成各种离子。不 同性质的样品需用不同的电离方式。为使生成 的离子到达质量分析器，在离子源的出口施加 一个高电压即加速电压，对离子进行加速。不 同的分析器有不同的加速电压。
离子源的种类很多，主要有电子轰击电离源 （ EI）,化学电离源（ CI）,场致电离源 （ FI）,场解吸电离源（ FD）,快原子轰击源 （FAB）,激光解吸电离源（ LD）,热喷雾电离 源（ TS）,电喷雾电离源（ ESI）,大气压化 学电离源（ APCI）,基质辅助激光解析电离源 （ MALDI）等。
为提高仪器的分辨率，质量分析器除了采用一 个扇形磁场外，还加上一个扇形电场，静电分 析器(electrostatic analyser,ESR),又称静 电场，形成了双聚焦质量分析器。
静电场的作用：一束有一定能量分布的离子束，
经静电场的偏转后，离子按能量的大小顺次排
列。因此静电场可看作是一个能量分析器。静
公式3所描述的是理想情况。事实上，离子在 加速前，其动能并非绝对为零，而是在某一较 小的动能值之内有一个分别。同一质量的离子， 由于初始动能略有差别，加速后的速度也略有 差别，因此它们经静磁场偏转后不能准确地聚
焦于一点，也就是说静磁场具有能量色散作用。
质谱的原理及结构
利用GC-MS和LC-MS技术对大气、水体和土壤中的污染物进行监测和分析，如多环芳烃、农药残留和重金属等。
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2023 WORK SUMMARY
THANKS
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REPORTING
02
四极杆质量分析器
通过四根平行放置的金属杆施加射频电压，形成振荡电场，使带电离子
在电场中振荡并通过出口缝隙。具有扫描速度快、质量范围宽等优点。
03
飞行时间质量分析器
将带电离子加速到相同动能后，在无场空间内自由飞行。不同质荷比的
离子飞行时间不同，从而实现分离。具有分辨率高、质量范围宽等特点。
检测器
特点
分辨率高，适用于高精度质谱分析；但扫描速度慢，对磁场稳定性要求高。
四极杆质量分析器
原理
通过四根平行放置的电极杆施加射频电压，形成高频电场。不同质量的离子在电 场中振荡频率不同，从而实现质量分离。
特点
结构简单，扫描速度快；但分辨率相对较低，适用于快速、高通量的质谱分析。
飞行时间质量分析器
原理
离子在加速电场中获得相同动能后， 在无场漂移区飞行。不同质量的离子 飞行时间不同，从而实现质量分离。
超临界流体色谱-质谱联 用（SFC-MS）
利用超临界流体作为流动相，结合质谱进行 检测，适用于中等极性和非极性化合物的分 析。
毛细管电泳-质谱联用 （CE-MS）
毛细管电泳法将样品中的各组分分离，结合 质谱进行检测，适用于带电粒子的分析。
应用实例：药物分析、环境监测等
药物分析
利用LC-MS技术对药物进行定性和定量分析，包括药物代谢产物、杂质和药物制剂中的成分等。
检测器与数据处理
检测器类型及工作原理
新型质谱介绍Orbitrap共振质谱
新型质谱介绍Orbitrap共振质谱Fourier transform)为这种数据采集方式最成功的应用是核磁共振仪（NMR）,恩斯特因为在傅里叶变换NMR的贡献获得诺贝尔奖。
简短的说就是在核磁中用一个短而强的脉冲瞬时激发所有核，取代连续波照射（原连续波NMR）,收集这些信号，把时间谱变换为频谱（这些激发和数据采集的过程设计到傅里叶变换，我也不懂，感兴趣的版友可以自己阅读文献，鼓励与大家共享），利用快速傅里叶变换缩短了采样时间和检测灵敏度。
生物质谱需要高的灵敏度和快速扫描速度来满足高通量分析要求，傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR）和Orbitrap的神奇之处在于他们采用傅里叶变化模式采集数据，检测分子质量，拥有高的分辨率和质量精度。
傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR）拥有超高的分辨率和精确的质量准确度，同时它也可以完全兼用CID,ECD,ETD 等多种模式产生的多级质谱，所以傅立叶变换离子回旋共振质谱（FTICR）是从头开始（top-down）蛋白组学的理想检测工具。
但是傅立叶变换离子回旋共振质谱（FTICR）是昂贵的质谱，体积庞大和巨额的运行维护费用让FTICR一直为少数科学家和大型实验所应用。
2000年出现的新质谱静电轨道阱质谱（Orbitrap）在一些实验中几乎可以达到傅立叶变换离子回旋共振质谱（FTICR）一样的高分辨率和质量准确度。
Orbitrap质量分析器工作时，两个电极之间形成静电场。
当高速运动带电离子进入Orbitrap内，在静电作用下围绕中心电极做圆周轨道运动，不同的离子在z方向形成不同频率ωz与（m/z）1/2 成正比。
检测器检测离子运动形成的电势，经过信号放大和快速傅立叶变换后形成频谱，经过处理最后形成质谱。
在xx年，Thermo公司推出商品化的静电轨道阱质谱LTQ-Orbitrap线性Orbitrap价格相比傅立叶变换离子回旋共振质谱（FTICR）便宜很多，使用维护方便。
质谱介绍.ppt
分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具
质谱仪的发展史
1911年:
世界第一台质谱装置（J. J. Thomson）早期应用：
原子质量、同位素相对丰度等
40年代:
用于同位素测定和无机元素分析
50年代： 开始有机物分析（分析石油）
60年代： 研究GC-MS联用技术
70年代： 计算机引入
80年代： 新的质谱技术出现：快原子轰击电离子源，基质辅助
OH R
γ
RC
α
β
OH
R
RC
OH
R
C
+
R CH2
O
C R CH3
R＝H(醛 ） ： m/z =44 R＝CH3(酮 ）：m/z =58 R=OH(羧 酸 ） ： m/z=60
5 . 多电荷离子
失掉两个以上电子的离子是多电荷离子。
离子丰度的影响因素
❖ 1．产物离子的稳定性 ❖ 2．Stevenson规则 ❖ 3．质子亲合能(PA) ❖ 4．最大烷基丢失 ❖ 5．中性产物的稳定性
一般，离子从离子源到达检测器的时间为105s数量级， 若离子M1,质量m1 ①离子寿命>105s，足以到达检测器,测的其本身m1/z
②当离子寿命< 106 s 的离子在离子源内进一步裂解 M1→M2(m2) 若M2的寿命>105s，测的是m2/z
③10-6s<离子寿命< 105 s M1→M2(m2)此时M2与M1速度相同，
最轻同位素－天然丰度最大 分子离子峰 M+
同位素离子峰 M+1 或 M+2 峰
一些同位素的自然丰度
常见同位素及其丰度
元素 Ｃ
H N O S Cl Br
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理论
基础理论
第一章基础
基本名词
Orbitrap Fusion质谱仪的结构及介绍
Orbitrap Fusion质谱仪的扫描模式
基本名词
质荷比（m/z）：以原子质量单位表示的离子质量与其电荷数的比值。
基峰（base peak）：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。
原子质量单位（u）：用来衡量原子或分子质量的单位，它被定义为碳12原子质量的1/12。
同位素（Isotopes）：具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素。
总离子流谱图（TIC，Total Ion Chromatogram）：对一定质荷比范围内的离子流总和进行连续检测与记录的色谱图。
提取离子流谱图（EIC，Extracted Ion Chromatogram）：对某一质荷比的离子流进行连续检测与记录的色谱图。
分辨率：质谱图上两个相邻离子峰分离的程度（如下图）
Orbitrap Fusion质谱仪的结构及介绍
结构
基本结构
基本组成部分
（1） 离子源（Ion Source）
（2） 离子透镜系统（Ion Optics）：离子传输毛细管（Capillary），S-Lens，注入四极杆，弯曲四极杆MP0，传输八极杆，透镜L0、Split Gate Lens （3） 质量分析器：四极杆Q1，Orbitrap，双压线性离子阱（Linear Ion Trap）（4） 多离子通道：HCD 碰撞池
（5） 检测器（Detector）：电子倍增器，打拿极，Orbitrap
以下分别介绍各部分的作用及特点
离子源
作用：（1）将中性的待测物电离为带电荷的离子；
（2）真空过渡；
（3）去除多余的溶剂；
（4）去除干扰。
与LC相连接的电离源主要为大气压电离源（API，Atmospheric Pressure Ionization），包括：电喷雾电离源、大气压化学电离源、大气压光学电离源
电喷雾电离源（ESI，Electrospray Ionization）
主要特点：
离子在液相状态形成 对热不稳定化合物首选 对中高极性化合物首选 可形成多电荷离子可形成多电荷离子，，分析蛋白质分析蛋白质、、多肽等大分子物质 最佳使用流速: 200 - 400ul/min 一般来说,流速流速越高越高越高，，需要需要越越高的毛细管温度和气体流速高的毛细管温度和气体流速。
在离子源中，设计了两路气体帮助样品电离，分别为内层的鞘气（Sheath Gas ）和外层可加热的辅助气（Auxiliary Gas ），如下图：
鞘气和辅助气示意图
两路气体均为氮气，其作用分别为： 鞘气：帮助液滴挥发，产生离子；
辅助气：帮助液滴挥发，产生离子；离子导向作用，聚焦离子
此外还有一路反吹气（Sweep Gas ），平时可以不开，当液相流动相中添加有难挥发性盐时，可打开该气体（通常设为2-5），其作用是避免难挥发性盐进入毛细管，残留导致毛细管堵塞，如下图
反吹反吹气示意图气示意图
HESI-II 源的操作条件参考值
大气压化学电离源（APCI ，Atmospheric Pressure Chemical Ionization ） 主要特点：
离子在气相状态形成 对易挥发对易挥发、、热稳定的化合物首选 对中低极性化合物首选 只可形成单电荷离子只可形成单电荷离子，，可分析小分子化合物 最佳使用流速: 500 µL/min 一般来说一般来说，，高流速需要更高的鞘气和辅助气流量高流速需要更高的鞘气和辅助气流量，，但不需要提高毛细管温度但不需要提高毛细管温度。
APCI 源的操作条件参考值
大气压光学电离源（APPI，Atmospheric Pressure Photo Ionization）主要特点：
离子在气相状态形成
适合化学结构中有发色团的化合物
流动相的注意事项
常用试剂：
（1）水相
（2）有机相（甲醇，乙腈）
常用添加剂及其量：
（1） 酸：甲酸或冰醋酸，加入量小于1%（V/V）；
（2） 碱：氨水，加入量小于1%（V/V）；胺类试剂（如甲酸胺、乙酸胺），加入量小于10mM；
（注：三氟醋酸，三乙胺都不推荐使用）
离子透镜系统各部分的作用
（1） 离子传输毛细管：传输离子，去除中性干扰
（2） 注入四极杆（Inter-flatapole）：聚焦并传输离子
（3） 弯曲四极杆（弯曲flatapole）：传输离子，去除中性干扰，减少仪器尺寸（4） S-Lens：在聚焦并传输离子过程中实现溶剂蒸汽脱除，降低质量歧视效应（5） 透镜：真空隔离；聚焦并传输离子
（6） Splite Lens：控制进入C-trap的离子数量，避免因离子数过多而造成空间电荷效应
（7） 传输八极杆：聚焦并传输离子
质量分析器
Orbitrap Fusion质谱仪的质量分析器为四极杆Q1，Orbitrap和双压线性离子阱
四极杆可以对离子进行预筛选，其基本工作原理为：在四根电极杆上施加电压形成电场，使待测离子成为谐振离子顺利地通过四极杆被检测（而其他非待测离子变得
不稳定，成为非谐振离子，不能顺利地通过四极杆被检测），如下图：
Orbitrap（静电场轨道离子阱）：通过不同m/z离子在z方向运动频率的差别将不同m/z的离子分开（如下图），可实现高分辨功能。
Orbitrap的基本工作原理
C形阱（C-Trap）：C形阱内充有高纯氮气，主要作用是降低从前端飞来的离子的动能，对离子进行聚焦。
HCD碰撞池（High collision dissociation Cell）：高能碰撞池，主要作用是使待测母离子与碰撞气（高纯氮气）分子发生碰撞，产生碎片离子。
在Orbitrap Fusion中，HCD 碰撞池也作为一个离子通道，离子到达HCD碰撞池后可以选择进入离子阱或Orbitrap中检测
双压线性离子阱：离子捕获及碰撞活化在高压阱中完成，而离子的扫描排出在低压阱中完成，从而使捕获效率、碰撞活化效率及扫描速度都进一步提升。
离子阱的基本工作过程：
离子捕获（Trapping）：将待检测的离子捕获在阱内
离子提取（Isolation）：做SIM或MS n时，施加特定的电压将待测母离子提取
留在阱内，而其他离子在特定电场力的作用下振幅太大，不能稳定地留在阱内 碰撞活化（Excitation）：做MS n时，具有动能的待测母离子与碰撞气氦气分子发生碰撞，产生碎片离子
离子排出（Ejection）：施加特定的电压使待测离子振幅增大，最终排出离子阱而被检测
检测器
打拿极和电子倍增器作为检测器的工作过程：待测离子打到打拿极上产生更多的粒子，这些粒子再打击电子倍增器，使后者溅射出电子，电子通过电子倍增器的放大，转换为电信号被检测。
如果用离子阱扫描，将以打拿极和电子倍增器作为检测器。
如果用Orbitrap扫描，Orbitrap本身作为检测器
Orbitrap Fusion质谱仪的扫描模式
全扫描（Full Scan）：对设定扫描范围的离子扫描，获取一级质谱图。
全扫描分为IT扫描和FT扫描。
IT扫描即用离子阱扫描，提供低分辨质谱数据；FT
扫描即用Orbitrap扫描，提供高分辨质谱数据
单离子监测（SIM，Selected Ion Monitoring）：对特定m/z的离子扫描，获取一级质谱图。
SIM也可以分为IT扫描和FT扫描。
IT扫描即用离子阱扫描，提
供低分辨质谱数据；FT扫描即用Orbitrap扫描，提供高分辨质谱数据 多级质谱（MS n）：对特定的母离子进行碰撞活化，产生多级碎片离子谱。