质谱基础知识-飞行时间质谱仪原理及应用 PPT
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质谱基础知识飞行时间质谱仪原理及应用
营养成分和功能成分分析
飞行时间质谱仪能够检测食品中的营养成分和功能成分，为食品的 营养评价和功能研究提供依据。
04
质谱技术的发展趋势
高灵敏度质谱技术的发展
灵敏度提升
随着技术的不断进步，质谱仪的 灵敏度不断提高，能够检测到更 低浓度的物质，为痕量物质的分 析提供了可能。
选择性增强
高灵敏度质谱技术通过改进离子 化方法和分离技术，提高了对复 杂样品的选择性，降低了干扰物 质的影响。
质谱的应用领域
01
02
03
04
生物医药
用于蛋白质、核酸等生物大分 子的检测和鉴定。
环境监测
检测空气、水体中的有害物质 和污染物。
食品安全
检测食品中的添加剂、农药残 留等。
化学分析
对有机化合物进行定性和定量 分析，用于化学反应机理研究
等。
02
飞行时间质谱仪原理
飞行时间质谱仪的结构
电离源
用于将样品分子转化为带电离 子，常见电离源有电子轰击、 化学电离、电喷雾等。
飞行管
离子在其中进行无散射的飞行 ，通常由真空密封的管子组成 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
进样系统
用于将样品引入质谱仪中，通 常采用气相色谱或直接进样方 式。
加速电场
用于加速离子，使其获得足够 的能量进入飞行管。
检测器
用于检测到达终端的离子，通 常采用电子倍增器或微通道板 。
飞行时间质谱仪的工作原理
01
02
03
04
进样系统将样品引入电离源， 电离源将样品分子转化为带电
在化学领域的应用
在化学领域，质谱技术用于研究化合物的结构、组成、反应机理等，可以用于合成路线的确定、反应条件的优化等。
飞行时间质谱仪能够检测食品中的营养成分和功能成分，为食品的 营养评价和功能研究提供依据。
04
质谱技术的发展趋势
高灵敏度质谱技术的发展
灵敏度提升
随着技术的不断进步，质谱仪的 灵敏度不断提高，能够检测到更 低浓度的物质，为痕量物质的分 析提供了可能。
选择性增强
高灵敏度质谱技术通过改进离子 化方法和分离技术，提高了对复 杂样品的选择性，降低了干扰物 质的影响。
质谱的应用领域
01
02
03
04
生物医药
用于蛋白质、核酸等生物大分 子的检测和鉴定。
环境监测
检测空气、水体中的有害物质 和污染物。
食品安全
检测食品中的添加剂、农药残 留等。
化学分析
对有机化合物进行定性和定量 分析，用于化学反应机理研究
等。
02
飞行时间质谱仪原理
飞行时间质谱仪的结构
电离源
用于将样品分子转化为带电离 子，常见电离源有电子轰击、 化学电离、电喷雾等。
飞行管
离子在其中进行无散射的飞行 ，通常由真空密封的管子组成 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
进样系统
用于将样品引入质谱仪中，通 常采用气相色谱或直接进样方 式。
加速电场
用于加速离子，使其获得足够 的能量进入飞行管。
检测器
用于检测到达终端的离子，通 常采用电子倍增器或微通道板 。
飞行时间质谱仪的工作原理
01
02
03
04
进样系统将样品引入电离源， 电离源将样品分子转化为带电
在化学领域的应用
在化学领域，质谱技术用于研究化合物的结构、组成、反应机理等，可以用于合成路线的确定、反应条件的优化等。
飞行时间质谱仪
JILIN UNIVERSITY RESEARCH CENTER FOR DRUG METABOLISM
Q-TOF
JILIN UNIVERSITY RESEARCH CENTER FOR DRUG METABOLISM
飞行时间质谱仪工作原理
1 2 v t L v 2 qV / m L 2 qV / m 2t V L m /z 2t V eL
2 2 2 2
ห้องสมุดไป่ตู้
mv
2
qV
m / q m / ze
质荷比与时间的平方成正比，只要测定出飞行时间，就 可换算成质荷比。在检测时，显然是质荷比小的先到达检 测器，质荷比大的后到达。在通常情况下，离子的飞行时 间为微秒数量级。
JILIN UNIVERSITY RESEARCH CENTER FOR DRUG METABOLISM
CENTER FOR DRUG METABOLISM
前体离子扫描
飞行时间质谱仪的性能指标
分辨率
RP = M / M （M:为测定的质量， M:半峰高的峰宽）
线性模式，分辨串较低；反射模式，分辨率可高达15000 “延迟引出”（DE）技术或称“脉冲离子引出”（PIE）
质量范围
目前的商品仪器．—般可测到几十万原子质量单位（u）
飞行时间质谱仪在药物分析中应用举例
MALDI-TOF反射模式：
JILIN UNIVERSITY RESEARCH CENTER FOR DRUG METABOLISM
Q-TOF 分析中应用举例
JILIN UNIVERSITY RESEARCH CENTER FOR DRUG METABOLISM
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Q-TOF
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飞行时间质谱仪工作原理
1 2 v t L v 2 qV / m L 2 qV / m 2t V L m /z 2t V eL
2 2 2 2
ห้องสมุดไป่ตู้
mv
2
qV
m / q m / ze
质荷比与时间的平方成正比，只要测定出飞行时间，就 可换算成质荷比。在检测时，显然是质荷比小的先到达检 测器，质荷比大的后到达。在通常情况下，离子的飞行时 间为微秒数量级。
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前体离子扫描
飞行时间质谱仪的性能指标
分辨率
RP = M / M （M:为测定的质量， M:半峰高的峰宽）
线性模式，分辨串较低；反射模式，分辨率可高达15000 “延迟引出”（DE）技术或称“脉冲离子引出”（PIE）
质量范围
目前的商品仪器．—般可测到几十万原子质量单位（u）
飞行时间质谱仪在药物分析中应用举例
MALDI-TOF反射模式：
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Q-TOF 分析中应用举例
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质谱仪工作原理PPT课件
• 目前，通过采取激光脉冲电离方式，离子延迟引出技 术和离子反射技术，可以在很大程度上克服上述三个 原因造成的分辨率下降。
• 现在，飞行时间质谱仪的分辨率可达20000以上。最 高可检质量超过300,000Da，并且具有很高的灵敏度。
2021
39
（4）离子阱质量分析器（ion trap）
通过扫描射频电 压值，使阱中离子 的轨道依次变得不 稳定，因此可从将
质
谱
图
质谱表
元素图表
2021
42
四、质谱仪的性能指标
1、质量范围
指所能检测的m/z范围
四极杆质谱 m/z小于或等于2000
磁式质谱
m/z可达到几千
飞行时间质谱 m/z可达到几十万
2021
43
2、分辨率R
R M M
质谱仪把相邻两质量 组分分开的能力
例如：CO+ 27.9949 ， N2+ ，
28.R0061M
EI 源的特点：
电离效率高；应用广泛；操作方便
EI源：可变的离子化能量 (10～240eV,常用70eV )
电子能量 分子离子增加
电子能量 碎片离子增加
对于易电离的物质降低电子能量，而对于难 电离的物质则加大电子能量（常用70eV ）。
2021
15
(2) 化学电离源(chemical ionization CI)
•电喷雾源ESI,
•大气压化学电离源APCI， LC-MS
•激光解吸源LD
2021
12
(1)电子轰击源
(electron impact ionization, EI)
++
: R1
: R2
+
• 现在，飞行时间质谱仪的分辨率可达20000以上。最 高可检质量超过300,000Da，并且具有很高的灵敏度。
2021
39
（4）离子阱质量分析器（ion trap）
通过扫描射频电 压值，使阱中离子 的轨道依次变得不 稳定，因此可从将
质
谱
图
质谱表
元素图表
2021
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四、质谱仪的性能指标
1、质量范围
指所能检测的m/z范围
四极杆质谱 m/z小于或等于2000
磁式质谱
m/z可达到几千
飞行时间质谱 m/z可达到几十万
2021
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2、分辨率R
R M M
质谱仪把相邻两质量 组分分开的能力
例如：CO+ 27.9949 ， N2+ ，
28.R0061M
EI 源的特点：
电离效率高；应用广泛；操作方便
EI源：可变的离子化能量 (10～240eV,常用70eV )
电子能量 分子离子增加
电子能量 碎片离子增加
对于易电离的物质降低电子能量，而对于难 电离的物质则加大电子能量（常用70eV ）。
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(2) 化学电离源(chemical ionization CI)
•电喷雾源ESI,
•大气压化学电离源APCI， LC-MS
•激光解吸源LD
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12
(1)电子轰击源
(electron impact ionization, EI)
++
: R1
: R2
+
质谱原理及使用课堂PPT
35
在灯丝和阳极之间加入约70V 电压，获得轰击能量为70eV的电 子束（一般分子中共价键电离电位 约10eV），它与进样系统引入气 体束发生碰撞而产生正离子。
36
正离子在第一加速电极和反射极间 的微小电位差作用下通过第一加速电极 狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一 加速极与第二加速极之间的高电位使正 离子获得其最后速度，经过狭缝进一步 准直后进入质量分析器。
47
4．质量分析器
质谱仪的质量分析器位于离子源和检 测器之间，依据不同方式将样品离子按质 荷比m／z分开。质量分析器的主要类型 有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤 质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分 析器等。随着微电子技术的发展，也可以 采用这些分析器的变型。
48
（l）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇
5
1 u1 12 (6.01 2.2 0 2 1 0 12 0 0 g 4 1 3 1C 0 2 C 2原 /0 m/1 m 子 o C 2l1 o C 2） l
=1.66054×10-24g/12C原子 =1.66054×10-27kg/12C原子
6
而在非精确测量物质的场合，常 采用原子核中所含质子和中子的总数 即质量数来表示质量的大小，其数值 等于其相对质量数的整数。
37
（2）化学电离源 在质谱中可以获得样品的重要
电子轰击产生的M+峰，往往不存在 或其强度很低。必须采用比较温和 的电离方法，其中之一就是化学电 离法。
38
化学电离法是通过离子——分 子反应来进行，而不是用强电子束 进行电离。离子（为区别于其它离 子，称为试剂离子）与试样分子按 下列方式进行反应，转移一个质子 给 试 样 或 由 试 样 移 去 一 个 H+ 或 电 子，试样则变成带+l电荷的离子。
在灯丝和阳极之间加入约70V 电压，获得轰击能量为70eV的电 子束（一般分子中共价键电离电位 约10eV），它与进样系统引入气 体束发生碰撞而产生正离子。
36
正离子在第一加速电极和反射极间 的微小电位差作用下通过第一加速电极 狭缝，至质量分析器电极狭缝，而第一 加速极与第二加速极之间的高电位使正 离子获得其最后速度，经过狭缝进一步 准直后进入质量分析器。
47
4．质量分析器
质谱仪的质量分析器位于离子源和检 测器之间，依据不同方式将样品离子按质 荷比m／z分开。质量分析器的主要类型 有：磁分析器、飞行时间分析器、四极滤 质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分 析器等。随着微电子技术的发展，也可以 采用这些分析器的变型。
48
（l）磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇
5
1 u1 12 (6.01 2.2 0 2 1 0 12 0 0 g 4 1 3 1C 0 2 C 2原 /0 m/1 m 子 o C 2l1 o C 2） l
=1.66054×10-24g/12C原子 =1.66054×10-27kg/12C原子
6
而在非精确测量物质的场合，常 采用原子核中所含质子和中子的总数 即质量数来表示质量的大小，其数值 等于其相对质量数的整数。
37
（2）化学电离源 在质谱中可以获得样品的重要
电子轰击产生的M+峰，往往不存在 或其强度很低。必须采用比较温和 的电离方法，其中之一就是化学电 离法。
38
化学电离法是通过离子——分 子反应来进行，而不是用强电子束 进行电离。离子（为区别于其它离 子，称为试剂离子）与试样分子按 下列方式进行反应，转移一个质子 给 试 样 或 由 试 样 移 去 一 个 H+ 或 电 子，试样则变成带+l电荷的离子。
质子转移反应飞行时间质谱仪原理
质子转移反应飞行时间质谱仪原理
质子转移反应飞行时间质谱仪（PTR-TOF-MS）是一种高灵敏度
的质谱仪，用于气相和气溶胶中挥发性有机化合物（VOCs）的分析。
它的工作原理基于质子转移反应（PTR）和飞行时间（TOF）技术。
首先，让我们来看看质子转移反应（PTR）的原理。
在PTR-
TOF-MS中，样品气体通常与H3O+（氢氧根离子）接触，形成离子化
的分子。
这些离子化的分子具有不同的质荷比，它们通过电场加速
器进入飞行时间部分。
接下来是飞行时间（TOF）部分的原理。
一旦分子离子化并加速，它们进入飞行管道，其中它们在电场的作用下以不同的速度飞行。
根据飞行时间和离子质荷比的关系，可以确定分子的质量。
通过测
量到达检测器的时间，可以计算出分子的飞行时间，从而确定其质量。
PTR-TOF-MS的工作原理可以帮助科学家快速、准确地分析复杂
的气味和气味混合物，例如大气中的挥发性有机化合物、生物质燃
烧产物和环境挥发性有机化合物等。
这种技术在环境监测、生物地
球化学、大气化学等领域具有重要的应用价值。
总的来说，PTR-TOF-MS利用质子转移反应和飞行时间技术，能够快速、高灵敏地分析气相和气溶胶中的挥发性有机化合物，为环境科学和相关领域的研究提供了重要的分析工具。
飞行时间质谱仪原理与应用
SF
(
X SF 2 X 3X SF
A2
)3/ 2
X
A2 )
U A2
U
2( X A2 X SF ) 3X SF
空间/能量聚焦条件下旳离子飞行时间
t m ( 2X A1 2X A2 X SF ) 2q U U A2 U U U A2 U
小结
为取得较高旳质量辨别：
A.飞行时间质谱旳几何尺寸和工作电压 都需调整。 B.几何尺寸和工作电压间有有关性。 C.可取得较“空间聚焦”条件下更高旳 质量辨别能力。
XSF
U UA2
双电极情况下旳空间聚焦条件
X SF
2
X
A1
U ( U A2
)3
/
2
(1X A2 X A1 NhomakorabeaU ( U A2
U )1) U A2
XA1 XA2
XSF
U
UA2
结论：
能够经过调整电极间距离和不同电 极上旳电压来变化离子焦点旳位置。
在设计飞行时间质谱时。能够先拟 定飞行管旳长度L，然后经过变化各个电 极间旳距离和工作电压旳设置来取得最 佳旳质量辨别成果。
则： 离子初始动能分布：ΔU=7.5 eV, XSF=20 cm, t1= 5 µs, t2=40 µs. 所以，Δt=0.3 ns
又假定：离子到达探测器表面旳时间 差为0.1ns
RFTOFMS质量辨别率：~105
t 1 ( 7.5 )2 5 3 ( 7.5 )3 40 45 4 1000 45 16 1000 45 t 6 *105
当飞行距离：L，和工作电压：V，一定时，离子 飞行时间：T，和离子质荷比一一相应。
飞行时间质谱仪旳质量辨别
全部质荷比(m/z)相同旳离子尽量同步到达离子探测 器,即具有尽量相同旳飞行时间。
质谱的原理和仪器构造ppt课件
质谱分类
目前质谱在药检领域的应用迅速 增加，原因是许多保健品、中药 制剂、食品等非法添加化学成分， 需要做出鉴定，虽是中国国情使 然，却也为仪器供应链创造了商 机。
一、有机质谱的基本原理：
质谱仪原理的示意图：
进样系统 离子源 (电离和加速，形成各 种离子) 质量分析器 (把不同质荷比的 离子分开) 检测器 (检测各种质荷比的 离子) 数据处理系统。
6.真空系统
为了保证离子源中灯丝的正常工作，保 证离子在离子源和分析器正常运行，消 减不必要的离子碰撞，散射效应，复合 反应和离子-分子反应，减小本底与记忆 效应, 质谱仪的离子源和分析器一般真空 度都要求在 10-5-10-8 Torr 才能工作。
真空系统由机械真空泵和扩散泵或涡轮 分子泵组成。通常用机械泵预抽真空， 然后用扩散泵或涡轮分子泵连续地抽气。
声的比值，就是信/噪比值，用 S/N 表
示。噪声指基线的强度。
4. 质量精度
利用质谱仪定性分析时，质量精度是一 个很重要的性能指标。在低分辨质谱仪 中，仪器的质量指示标尺精度不应低于 ±0.4质量数。高分辨率质谱仪给出离子 的精确质量，相对精度一般在1-10ppm。
四、质量分析器：
介绍五种不同的分析器
5.计算机、数据处理系统
在计算机未问世前，用反射式电流计，即 被检测的每个 m/e 值的离子电流作用于电流 计上，电流计的发射镜就把光束反射到光敏纸 上，从而实行记录。
计算机系统的功能是对质谱仪进行控制， 包括对质谱数据的采集、处理和打印。现有电 子轰击源 (EI) 的质谱仪的均有 NIST 标准谱 库，谱库中有十几万张标准谱图及用于环保、 农药、兴奋剂, 代谢产物等专用谱库。可进行 谱库检索。高分辨质谱仪其数据系统的软件则 更丰富，还能给出分子离子和其他碎片离子的 元素组成及理论计算值、偏差值 (百万分之 一), 饱和度等其他有关信息。
飞行时间质谱仪检测蛋白质的原理
飞行时间质谱仪检测蛋白质的原理
飞行时间质谱仪（Time-of-flight mass spectrometer，TOF-MS）是一种常用于蛋白质分析的质谱仪。
其工作原理如下：
1. 样品制备：蛋白质样品首先需要经过消化酶或其他方法进行降解，生成一系列的肽段。
2. 离子化：样品中的肽段转化为离子态，常见的离子化技术包括电喷雾离子化（Electrospray Ionization，ESI）和基质辅助激
光解吸飞行时间质谱（Matrix-Assisted Laser
Desorption/Ionization-Time-of-Flight Mass Spectrometry，
MALDI-TOF-MS）。
3. 加速：离子化的肽段经过加速电场加速，使得不同质量的离子获得相同的能量。
4. 飞行：加速后的离子在真空中以高速飞行，时间与其质量-
电荷比（m/z）成反比关系。
5. 检测：离子到达飞行时间质谱仪的检测器，并将其时间信号转换为质量分析信号。
飞行时间质谱仪中常用的检测器有微通道板（Microchannel Plate，MCP）、多道面板（Multi-Anode Plate，MAP）和二极管（Diode）。
6. 数据分析：通过测量到的飞行时间和相关的质量数据，可以确定离子的质量-电荷比，从而推断其对应的肽段。
7. 蛋白质鉴定：通过比对实验测得的肽段质谱与数据库中的已知蛋白质进行匹配，可以确认样品中的蛋白质成分。
总的来说，飞行时间质谱仪通过测量离子在电场中飞行的时间，以及离子的质量-电荷比，可以实现对蛋白质的分析和鉴定。
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直线式VS反射式
直线型飞行时间质谱仪的 主要缺点：分辨率低。
离子初始能量不同，使得 具有相同质荷比的离子达 到检测器的时间有一定分 布，造成分辨能力下降。
改进的方法
在线性检测器前面的加上 一组静电场反射镜，将自 由飞行中的离子反推回去， 初始能量大的离子由于初 始速度快，进入静电场反 射镜的距离长，返回时的 路程也就长，初始能量小 的离子返回时的路程短， 这样就会在返回路程的一 定位置聚焦，从而改善了 仪器的分辨能力。
质量精度（mass accuracy）：衡量质谱仪器测量物质 成分的准确度；ppm
质量范围（mass range ）：质谱仪器测量物质成分的 质量大小范围；1~ ∞
灵敏度（sensitivity）：质谱仪器所能测量物质成分 的最低含量；单分子检测
飞行时间质谱仪TOF-MS的构成
离子源：
电喷雾电离源（ESI）
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
飞行时间质谱仪TOF-MS的构成
质量分析器
TOF-MS分辨率低的原因
时间分散 空间分散 能量分散
改进方法
脉冲电离 离子延迟引出 反射器技术
目前, TOF -MS大都装有反射器,使离子 经过多电极组成的反射器后沿V型或W 型路线飞行到达检测器,使得分辨率可 达20 000 以上, 最高检测质量可超过 300 000 Da,且具有很高的灵敏度。
+ +
++ + ++
+
+++ +++
+++ +++
+
+
+
+
检 测 器
EI源 FAB源 MALDI源 ESI源
Quadruopole Ion trap Time-of-flight
电子倍增器 闪烁计数器
质谱的发展历史
1906年 J.JThomson在实验中发现带电荷离子在电磁场中的运动 轨迹与 它的质荷比(m/z)有关,并于1912年制造出第一台质谱仪. 1946年 发明飞行时间质量分析器(Time-of-flight Analyzer) 1953-1958年 出现四极杆质量分析器(Quadrupole) 1956年 GC-MS开始联用 1959年 质谱首次用于peptide sequencing 1965年 离子共振质谱出现 1968年 电喷雾离子源Electrospray Ionization 1973年 LC-MS 1974年 Fourier transform ion cyclotor resonance MS 1987-1988年 Matrise_assisted laser desorption ionization 1996年 电喷雾离子源开始用于生物大分子的研究
广泛用于化学、生物学、环 境科学等领域。
中药分析 蛋白质组学
主要用于极性、难气化的成分在液相状态下的电离。
大气压化学电离源（APCI）
主要用于中等极性、易挥发的小分子化合物在气相状态下的电离
基质辅助激光解吸电离源（MALDI）
主要用于多肽、核苷酸、蛋白质和高分子聚合物等生物大分子的 电离
大气压光电离源（APPI）
主要用于芳烃、甾体等不宜用以上三种离子化的样品。
质谱基础知识-飞行时间质谱仪原理及应用
质谱仪简介
质谱仪是按照离子的质荷比(m/z)不同,来分离不同分子量的分 子.测定分子量进行成分和结构分析.
离子的生成方式有失去或捕获电荷(如:电子发射,质子化或去质
子化) 离子源
质量过滤/分析器
进样部分 样品板 LC或GC
+ ++
+++ + + + + +++
基本原理
V L
2V
基本原理——公式推导
T L* m L* ( 1 )(m)
2neV
2V ne
T L* ( 1 )(m)............(n1) 2V e
当飞行距离L和工作电压V一定时，离子飞行时间T和离子 质荷比一一对应。
飞行时间质谱仪性能指标
质量分辨（Mass resolution, m/△m）：质谱仪器分辨 不同成分物质的能力；~10000
这种带有静电场反射镜的 飞行时间质谱仪被称为反 射式飞行时间质谱仪
V1 V2
XA1 XA2
XSF
U
空间聚焦
L
XD1 XD2
XRef
XS
US
反射式飞行时间质谱仪
飞行时间质谱仪的应用
质量分析器； 可以单独使用，也可以和其
他仪器串联使用
与四级杆质谱串联 与离子阱质谱串联 与粒子淌度质谱串联