质谱技术与质谱仪-研究生课程

概述
气相色谱/质谱联用技术的特点
1、气相色谱作为进样系统，将待测样品进行分离后直接导 入质谱进行检测，既满足了质谱分析对样品单一性的要求， 还省去了样品制备等过程，提高了对混合物的分离、定性和 定量分析效率。 2、质谱作为检测器，检测的是离子质量，获得化合物的质 谱图，解决了气相色谱定性的局限性。质谱可以有选择地只 检测所需要的目标化合物的特征离子，可以排除基质和杂质 峰的干扰，提高灵敏度。 3、可以获得更多信息。化合物的质谱特征加上气相色谱保 留时间双重定性信息。
概述
质谱仪基本原理
•质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实 质谱分析法主要是通过对样品离子质荷比的分析而实 现对样品进行定性和定量的一种方法 •电离装置把样品电离为离子 电离装置把样品电离为离子 •质量分析装置把不同质荷比的离子分开 质量分析装置把不同质荷比的离子分开 •经检测器检测之后可以得到样品的质谱图 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图
当仪器分辨力达到770时 当仪器分辨力达到770时， 770
当仪器分辨力达到1100时 能够分开CO当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 1100 CO 当仪器分辨力超过2500时 三者全部分开。 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。 2500 一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。 一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。 2000左右 以上时称高分辨 FT-MS分辨力可达2百万。 FT-MS分辨力可达2百万。 分辨力可达
概 述
质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律， 质谱法是利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律， 利用带电粒子在磁场或电场中的运动规律 然后按照质量或质荷比（m/z）实现分离分析， 然后按照质量或质荷比（m/z）实现分离分析，测定离 子质量及其强度分布。 子质量及其强度分布。 这种按质量或质荷比大小顺序排列而成的图谱就是质谱图。 这种按质量或质荷比大小顺序排列而成的图谱就是质谱图。 质谱图
气相色谱/质谱联用仪 气相色谱 质谱联用仪
1、概述 2、质谱仪性能指标 3、质谱仪仪器组成 4、质谱图中离子主要类型 高分辨气相色谱/ 5、高分辨气相色谱/质谱联用仪
概述
气相色谱法和质谱法具有的共同点：
1、气相色谱分离和质谱分析过程都是在气态下进行的； 2、气相色谱分析的化合物沸点范围适于质谱分析； 3、两种方法灵敏度相当； 4、两种方法对样品预处理要求有相同之处； 5、两种方法都是分析混合物的理想工具。 因此，可以把气相色谱和质谱仪组合起来成为联用系统。 关键点：在于气相色谱和质谱仪之间的接口，使得从色谱柱 流出的组分进入到质谱的离子源时，载气和组分产生的压强 不破坏质谱正常运行的真空。
质谱仪仪器组成
电子轰击源(Electron Impact，EI) 电子轰击源 作用过程： 作用过程： 采用高速(高能 电子束冲击样品 采用高速 高能)电子束冲击样品，从而产生电 高能 电子束冲击样品， 子和分子离子M 子和分子离子 + ， M+ 继续受到电子轰击而引起 化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。 化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。 水平方向： 灯丝与阳极间(70V电压 高能电子 电压)—高能电子 水平方向 ： 灯丝与阳极间 电压 —冲击样品 正离子 冲击样品—正离子 冲击样品 垂直方向： 加速电极(低电压 较小动能--垂直方向：G3-G4加速电极 低电压 较小动能 加速电极 低电压)---较小动能 狭缝准直G4-G5加速电极 高电压 较高动能 狭 加速电极(高电压 较高动能---狭 狭缝准直 加速电极 高电压)---较高动能 缝进一步准直--离子进入质量分析器。 缝进一步准直 离子进入质量分析器。 离子进入质量分析器 特 点： 使用最广泛， 谱库最完整； 电离效率高； 使用最广泛 ， 谱库最完整 ； 电离效率高 ； 结 构简单，操作方便； 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） 出现（因电离能量最高）。
质谱仪仪器组成
电子轰击源
M + e(高能) = M + + 2e（低速）
式中M为待测分子， 为分子离子或母体离子。 式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。
当电子轰击源具有足够高的能量时(一般为7OeV)， 当电子轰击源具有足够高的能量时(一般为7OeV)，大多 7OeV) 数化合物（电离能为10eV 10eV） 数化合物（电离能为10eV）分子不仅可能失去一个电子形成 分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂， 分子离子，而且有可能进一步发生键的断裂，形成大量的各 种低质量数的碎片正离子和中性自由基， 种低质量数的碎片正离子和中性自由基，这些碎片离子可用 于化合物的结构鉴定。 于化合物的结构鉴定。
20.00
0.00 3.90 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40 4.50
质谱仪性能指标
高斯分布的色谱峰
同一个色谱峰，但数据点减半
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 3.90 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40 4.50
质谱仪性能指标
7个数据点
100.00 80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 3.90
4.00
4.10
4.20
4.30
4.40
4.50
4 灵敏度
质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、 质谱仪的灵敏度有绝对灵敏度、相对灵敏度和分析 灵敏度。 灵敏度。 绝对灵敏度：仪器可以检测到的最小样品量； 绝对灵敏度：仪器可以检测到的最小样品量； 相对灵敏度： 相对灵敏度：仪器可同时检测的大组分与小组分的含 量比值； 量比值； 分析灵敏度： 分析灵敏度：输入仪器的样品量与仪器输出的信号的 比值。 比值。
质谱仪仪器组成
2. 电离源（室Ionization Chamber） 电离源（ ）
将引入的样品转化成为碎片离子的装置。 将引入的样品转化成为碎片离子的装置。根据样品离子化方式和电离源能量 高低，通常可将电离源分为： 高低，通常可将电离源分为： 气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于 气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品的离子化，包 、对热稳定的样品的离子化， 电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源； 括电子轰击源、化学电离源、场电离源、火花源； 解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相， 解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达 105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、快原子轰 的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。包括场解吸源、 击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。 击源、激光解吸源、离子喷雾源和热喷雾离子源等。 硬源：离子化能量高， 硬源：离子化能量高，如EI。伴有化学键的断裂，谱图复杂，可得到分子官能 。伴有化学键的断裂，谱图复杂， 团的信息； 团的信息； 软源：离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单， 软源：离子化能量低，如场解吸源。产生的碎片少，谱图简单，可得到分子量 信息。 信息。 因此，应根据分子电离所需能量的不同来选择不同电离源。 因此，应根据分子电离所需能量的不同来选择不同电离源。
质谱仪仪器组成
大气 真空系统
样品入口
离子化方法
质量分析器
检测器
数据系统
质谱仪仪器组成
1、进样系统 进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子 源中，并且不能造成真空度的降低。 源中，并且不能造成真空度的降低。 常用的进样装置有： 常用的进样装置有： 间歇式进样 直接探针进样 色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS） 色谱进样系统（GC-MS、HPLC-MS） 高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS） 高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）
质谱仪仪器组成
按质量分析器(或者磁场种类 可分为静态仪器和动 按质量分析器 或者磁场种类)可分为静态仪器和动 或者磁场种类 态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪） 态仪器，即稳定磁场（单聚焦及双聚焦质谱仪）和 变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 变化磁场（飞行时间和四极杆质谱仪）。 MS仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、 仪器一般由进样系统、电离源、质量分析器、 仪器一般由进样系统 真空系统和检测系统构成。 真空系统和检测系统构成。
质谱仪性能指标
3、扫描时间 、
色谱峰的数据点数目和峰宽以及扫描时间有关 较短的扫描时间，可以获得良好的峰型，但是不利于信 号采集 较长的扫描时间，有助于信号采集，但是峰型不好 峰型和信号，二者需折衷考虑
质谱仪性能指标
高斯分布的色谱峰
理想的高斯峰应有35个数据点
100.00
80.00
60.00
40.00
概述
1.质谱法是唯一可以确定分子质量的方法； 1.质谱法是唯一可以确定分子质量的方法； 质谱法是唯一可以确定分子质量的方法 2.灵敏度高 灵敏度高； 2.灵敏度高； 3.样品用量少 通常只需微克级样品， 样品用量少， 可达10 3.样品用量少，通常只需微克级样品，检出限 可达1014 g； 4.质谱仪种类很多 应用范围广，可进行同位素分析， 质谱仪种类很多， 4.质谱仪种类很多，应用范围广，可进行同位素分析， 也可进行化学分析，可进行无机成分、 也可进行化学分析，可进行无机成分、有机结构分 生物样品分析； 析，生物样品分析； 被分析对象：气体、液体、固体。 被分析对象：气体、液，则对以上三个分子不能分开， 若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰 若要分开以下混合物， 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力 CO27.994914/(28.031299CO-C2H4: (RP)2 = 27.994914/(28.031299-27.994914) = 770 28.006158/(28.031299N2-C2H4 : (RP)3 = 28.006158/(28.031299-28.006158) = 1100 COCO-N2 : 27.994914/(28.006158(RP)1 = 27.994914/(28.006158-27.994914) = 2490 CO只能够只分开 CO-C2H4 。