质谱法离子源和分析器
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快原子轰击(Fast Atom Bombardment, FAB), Ar原子
快离子轰击(Fast Ion Bombardment, FIB)
Cs离子
FAB： Ar 与被加速到~20kV的Ar+进行弹性碰撞，使Ar获得相应的动能， 射向样品靶，产生轰击作用。 FIB： Cs+由CsI加热后放出来，然后通过电场加速到~20kV，射向样品 靶，产生轰击作用。
稳定区:
离子产生稳定的振荡， 沿z方向通过四极杆。
不稳定区: 离子振幅不断增大， 最后飞出四极场或与z 和y电极碰撞中和。 扫描线：与稳定区相截并且 通过原点的直线。在这条直线上， 各处的a/q比值都为常数，即 u/V = a/q 亦为常数。 同质荷比的离子对应有不同的a, q值，对于具有使 u/V = a/q为常数的 离子来说，其a和q值均在扫描线上。如果其值恰好处于扫描线和稳定区的 两个边界交点(A，A)之间，则该离子落在稳定区之内。 改变u/V 的比值，扫描线斜率变化，增加，AA长度减小，即能够稳 定的离子减小，分辨率增加。AA长度仅与u/V比值有关。 固定u/V比值(即保持AA长度不变，也就是分辨率不变 )，改变V的幅 值，可使不同质荷比的离子先后进入稳定区，顺序通过四极杆之后被接 收，得到一组不同质荷比的质谱。
x2 y 2 ( xyt) (u Vcost ) r02
在场的中心和两条对角线 上的任何一点电位为零。
离子在射入四极场后，其运动方程
ma = eE a为离子加速度，E电场强度
电场强度为电位的导数。则上式在直角坐标系展开为：在四极场中任一点 的电场为：
d x φ m 2 e dt x d2y φ m 2 e dt y
半径为re圆弧上，电场强度为： 其中E为静电场的电压。
1 2E Er re ln r1 / r2
代入 re = 2V/Er中得：E = V lnr1/r2, r1和r2是固定的。
所以，在双聚焦质谱仪中，静电场电压与加速电压维持着一定的比例关系。
2、双聚焦质谱仪基本原理 离子源中引出的离子：
运动方向不平行。（角色散） 存在能量色散，初始的温度分 布和电子轰击时所产生的附加动能。
质谱法
电离源和质量分析器
4.1.3.1电子轰击电离 (Electron Impact, EI)
1、组成部分 灯丝：钨、铼或铼钨丝，发射电子，电离样品 收集极：接收灯丝发射的电子 推斥极：推出产生的样品离子 永久磁铁：使电子做螺旋运动，增加电离几率
2、电离效率曲线 灯丝产生的电子被加速到70eV,保 证电离的重现性。为什么？ 电离效率随电子能量的升高而升 高，当达50eV时，基本达到最大 值，实验上设定电子能量为70eV。 此时，产生的谱图有稳定的指纹 特征。
适用于极性分子的分析，生物分子，质量在2000以内。
基质的作用：
一般为强极性分子，对快原子或快离子有较强的吸收能力，可使进样 品溶液溶解，溶剂挥发后，基质结晶，样品均匀分布于该结晶体中，轰击 时一起蒸发。 FAB/FIB常用基质
基质 甘油 分子量 92 沸点º C 182/20mm 背景离子 MH+, [MH+nM]+ 应用 普通基质
关于基质：
极性化合物 芳环 易结晶
溶解样品 吸收激光 均匀分散样品分子
MALDI常用基质
基质 烟酸
性状 固体
适用波长 266nm, 2.94m,10.6m
应用 蛋白质
2,5-二羟基苯甲酸
芥子酸 -氰基-4-羟基肉桂酸 3-羟基吡啶甲酸 2-(4-羟基苯偶氮)苯甲 酸
固体
固体 固体 固体 固体
多糖
金属有机物
二硫苏糖醇 二硫赤糖醇(5:1)
四亚甲基砜
120
120 62+n(4 4)
285
[M-H2S-H2]+,[MH+nM]+
MH+, [2M+H]+
金属有机物,肽
肽
聚乙二醇
-
(CH2CH2O)H+, MH+
多糖
4.1.3.4基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)
可以用质谱仪的小的质量范围测定大的生物分子，
相当于将质谱仪的质量范围放大的n倍。
例 肌红蛋白电喷雾质谱图 带10~30个电荷的系列分子离子
4.1.3.6大气压化学电离(Atmosphere Pressure Chemical Ionization, APCI)
毛细管样品送入加热管中，该管可以达到300º C以上。 在加热管中溶剂挥发。 加热管出口处放臵电晕(Corona )放电装臵, 使挥发出来的溶剂分子 电离，形成等离子体。 等离子体与样品分子反应，生成[M＋H]+或[M－H]–准分子离子。
4.1.4.2四极杆质量分析器(Quadrupole Mass Analyser)
两组四极杆分别加上 +(u+Vcost) 和 –(u+Vcost)， 其中u直流电压部分，Vcost为射频电压部分 = 2f, f为频率。
理想的四极场为双曲线型，但加工的困难，用四根杆代替。
在四极场中任一点的电场为：
即： 1
2
mv 2 zeV
2、离子在扇形电场中的运动
mv zeEr re
2
Er 为离子运动轨道上的电场强度
re 为离子在电场中作圆周运动的半径，即 电场的半径。 将离子动能 mv2/2=zeV 代入上式，则得：
离子在扇形电场中的运动
2V re Er
若Er固定，则离子运动半径随加速电压的 改变而改变，因此静电场是能量分析器。
Electrospray 1000 EI/CI APCI
Non-Polar
Polar
4.1.4 质量分析器
种类繁多，磁场、电场、射频场对电荷离子的控制作用。
4.1.4.1扇形磁场和静电场 (Sector Analyzer)
1、离子在扇形磁场中的运动
离子在扇形磁场中的运动
仪器的加速电压V：使离子具有高的动能，快速通过磁场、电场和无场区。 某一离子：质量为m，电荷价态为z，从加速电场获取的电能为zeV。 该离子的动能为1/2mv2 v为离子的运动速度，两个能量是相等的。
Βιβλιοθήκη Baidu
4.1.4.3离子阱质量分析器(Ion Trap Mass Analyser, IT)
266nm, 2.94m,10.6m
266nm, 337nm,355nm, 2.94m 337nm,355nm 337nm,355nm 266nm, 337nm
蛋白质
蛋白质 蛋白质 核酸、配糖体 蛋白质、配糖体
琥珀酸
间硝基苄醇 甘油 邻硝苯基辛基醚
固体
液体 液体 液体
2.94m,10.6m
t
2
d 2x m 2 (a 2q cos 2ε) x 0 合并上 dε 几式得： d 2x m 2 (a 2q cos 2ε) y 0 dε
Mathieu 方程
Mathieu方程解，复杂，与边界条件密切相关。 以a, q为坐标，方程的解作图，三个区：稳定区，x不稳定区，y不 稳定区。 a, q都是交直流电压幅值、频率和时间的函数，可由仪器设定和调 节，r0 是仪器中心到四极杆的径向距离，其值是确定的。
以甲烷为例，化学电离源内的有关离子-分子反应， CH4 + e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+
CH4+ + CH4 CH3+ + CH4
CH5+ + XH C2H5+ + XH C2H5+ + XH
CH5+ + CH3 C2H5+ + H2
XH2+ + CH4 XH2+ + C2H4 X+ + C2H6
2
d 2 x 2e(u V cos ωt) m 2 x 2 dt r0 d 2 y 2e(u V cos ωt) y 代入上式得： m 2 2 dt r0 d 2z m 2 0 dt
d 2z φ m 2 e dt z
令：
8eu a 2 2 mr 0 4eV q 2 2 mr 0
电离效率曲线
电子能量对质谱图的影响
122 122 105
100
9 eV
100
20 eV
Relative Abundance
80
Relative Abundance
80
60
60
77
40
40
20
20
0 20 40 60 80 100 120 140
0 20 40 60 80 100 120 140
m/z
APCI特点 软的电离方式，样品直接从液从中拉出来的，不是蒸发，基本 不产生分解，电离过程属于离子-分子反应，与CI原理相似。 快速地适合高低含量水溶液的流动相，可作梯度分析。 单电荷峰，实现源内CID。
Which Ionisation Mode?
100,000 Molecular Weight
266nm 2.94m,10.6m 266nm, 337nm, 355nm
蛋白质、核酸
蛋白质 蛋白质 合成高分子
MALDI的特点：
优点：
质量范围可达50万Da。 高灵敏度，可测至10-12~10-15摩尔。
软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。
可容纳毫摩尔级的盐。
缺点：
试样溶解或悬浮于基质中，激光 束辐射到基质和试样分子上。 基质吸收激光束能量后汽化，部 分试样分子伴随基质的汽化而解 吸。
基质吸收大部分激光能量，减少 了试样分子被激光能量破坏及过 度电离成碎片离子。
波长： 337nm 功率：106~108W/cm2
激光：固体氮激光，紫外光
脉冲时间：10-6~10-9秒
基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。
激光解析电离可能导致被分析物分解。
蛋白质组分析。
4.1.3.5电喷雾电离(Electro-Spray Ionization, ESI)
毛细管 直径0.1~0.2mm。 喷雾电压：毛细管尖端与离子引入口之间，3~8kV。 壳气(Sheath gas), 从毛细管端与喷雾反向加热后流出。 离子通过取样锥(Skimmer)和毛细管(Capillary)传送至光学聚焦系统。
硫甘油
间硝基苄醇 二乙醇胺
108
153 105
118/5mm
175/3mm 217/150mm
[M-H2O]+, [MH+nM]+
MH+, [MH+nM]+ MH+, [MH+nM]+
肽、抗生素
肽、蛋白质 多糖
三乙醇胺
硫代二甘醇
149
94
190/5mm
-
MH+, [MH+nM]+
[M-H2O]+, [MH+nM]+
m/z
100
70 eV
105
122
Relative Abundance
80
60
77
40
51
20
39
不同能量下获得的苯甲酸的质谱图
60 80 100 120 140
0 20 40
m/z
4.1.3.2化学电离 (Chemical Ionization, CI)
利用反应气体的离子与样品分子相互反应， 而使样品分子离子化，本质是化学过程，故称 化学电离。 离子出品的缝隙减小，使高子室内的压力 保持在0.5-1.0Torr。 电子轰击化学电离气体，不直接作用于样 品分子。 推斥电极电压：0V，增加源内停留时间， 有利于离子-分子反应。 化学电离试剂：甲烷、异丁烷、氨气，氢 气，水、甲醇、胺等。
电喷雾电离的基本过程 电场下的喷雾 带电雾滴 壳气的作用下 溶剂的蒸发 电荷的库仑作用 带电雾滴的解体 Rayleigh 极限 表面张力和库仑斥力的平衡点
Reproduced from Kebarle, P. J. Mass Spectrom. 2000, 35, 804817.
电喷雾电离产生多电荷离子：
化学电离离子-分子反应常见类型 质子转移反应 氢负离子转移反应 电荷交换反应 加成反应 BH+ + M BH+ + M B+ + M BH+ + M MH+ + B [M-H]+ + BH2 B + M+ [BHM]+ 或 [BMH]+
4.1.3.3二次离子质谱(Second Ion Mass Spectrometry,SIMS)
扇形磁场
质量色散，分析离子原因，实际上是动量分析器。 方向聚焦，相同质量和相同速度的离子，从同一点以不同角度入 射到磁场中，在磁场中所走轨迹不同，但在磁场后可 集中于某一点，与方向无关。
静电分析器
能量分析器 方向聚集，同磁场。
双聚集
ESA使由离子源发散出来的离子束按动能聚焦成一系列的点，再经磁场将具有 相同质核比分开的离子束再聚焦到一点。
快离子轰击(Fast Ion Bombardment, FIB)
Cs离子
FAB： Ar 与被加速到~20kV的Ar+进行弹性碰撞，使Ar获得相应的动能， 射向样品靶，产生轰击作用。 FIB： Cs+由CsI加热后放出来，然后通过电场加速到~20kV，射向样品 靶，产生轰击作用。
稳定区:
离子产生稳定的振荡， 沿z方向通过四极杆。
不稳定区: 离子振幅不断增大， 最后飞出四极场或与z 和y电极碰撞中和。 扫描线：与稳定区相截并且 通过原点的直线。在这条直线上， 各处的a/q比值都为常数，即 u/V = a/q 亦为常数。 同质荷比的离子对应有不同的a, q值，对于具有使 u/V = a/q为常数的 离子来说，其a和q值均在扫描线上。如果其值恰好处于扫描线和稳定区的 两个边界交点(A，A)之间，则该离子落在稳定区之内。 改变u/V 的比值，扫描线斜率变化，增加，AA长度减小，即能够稳 定的离子减小，分辨率增加。AA长度仅与u/V比值有关。 固定u/V比值(即保持AA长度不变，也就是分辨率不变 )，改变V的幅 值，可使不同质荷比的离子先后进入稳定区，顺序通过四极杆之后被接 收，得到一组不同质荷比的质谱。
x2 y 2 ( xyt) (u Vcost ) r02
在场的中心和两条对角线 上的任何一点电位为零。
离子在射入四极场后，其运动方程
ma = eE a为离子加速度，E电场强度
电场强度为电位的导数。则上式在直角坐标系展开为：在四极场中任一点 的电场为：
d x φ m 2 e dt x d2y φ m 2 e dt y
半径为re圆弧上，电场强度为： 其中E为静电场的电压。
1 2E Er re ln r1 / r2
代入 re = 2V/Er中得：E = V lnr1/r2, r1和r2是固定的。
所以，在双聚焦质谱仪中，静电场电压与加速电压维持着一定的比例关系。
2、双聚焦质谱仪基本原理 离子源中引出的离子：
运动方向不平行。（角色散） 存在能量色散，初始的温度分 布和电子轰击时所产生的附加动能。
质谱法
电离源和质量分析器
4.1.3.1电子轰击电离 (Electron Impact, EI)
1、组成部分 灯丝：钨、铼或铼钨丝，发射电子，电离样品 收集极：接收灯丝发射的电子 推斥极：推出产生的样品离子 永久磁铁：使电子做螺旋运动，增加电离几率
2、电离效率曲线 灯丝产生的电子被加速到70eV,保 证电离的重现性。为什么？ 电离效率随电子能量的升高而升 高，当达50eV时，基本达到最大 值，实验上设定电子能量为70eV。 此时，产生的谱图有稳定的指纹 特征。
适用于极性分子的分析，生物分子，质量在2000以内。
基质的作用：
一般为强极性分子，对快原子或快离子有较强的吸收能力，可使进样 品溶液溶解，溶剂挥发后，基质结晶，样品均匀分布于该结晶体中，轰击 时一起蒸发。 FAB/FIB常用基质
基质 甘油 分子量 92 沸点º C 182/20mm 背景离子 MH+, [MH+nM]+ 应用 普通基质
关于基质：
极性化合物 芳环 易结晶
溶解样品 吸收激光 均匀分散样品分子
MALDI常用基质
基质 烟酸
性状 固体
适用波长 266nm, 2.94m,10.6m
应用 蛋白质
2,5-二羟基苯甲酸
芥子酸 -氰基-4-羟基肉桂酸 3-羟基吡啶甲酸 2-(4-羟基苯偶氮)苯甲 酸
固体
固体 固体 固体 固体
多糖
金属有机物
二硫苏糖醇 二硫赤糖醇(5:1)
四亚甲基砜
120
120 62+n(4 4)
285
[M-H2S-H2]+,[MH+nM]+
MH+, [2M+H]+
金属有机物,肽
肽
聚乙二醇
-
(CH2CH2O)H+, MH+
多糖
4.1.3.4基质辅助激光解吸电离(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)
可以用质谱仪的小的质量范围测定大的生物分子，
相当于将质谱仪的质量范围放大的n倍。
例 肌红蛋白电喷雾质谱图 带10~30个电荷的系列分子离子
4.1.3.6大气压化学电离(Atmosphere Pressure Chemical Ionization, APCI)
毛细管样品送入加热管中，该管可以达到300º C以上。 在加热管中溶剂挥发。 加热管出口处放臵电晕(Corona )放电装臵, 使挥发出来的溶剂分子 电离，形成等离子体。 等离子体与样品分子反应，生成[M＋H]+或[M－H]–准分子离子。
4.1.4.2四极杆质量分析器(Quadrupole Mass Analyser)
两组四极杆分别加上 +(u+Vcost) 和 –(u+Vcost)， 其中u直流电压部分，Vcost为射频电压部分 = 2f, f为频率。
理想的四极场为双曲线型，但加工的困难，用四根杆代替。
在四极场中任一点的电场为：
即： 1
2
mv 2 zeV
2、离子在扇形电场中的运动
mv zeEr re
2
Er 为离子运动轨道上的电场强度
re 为离子在电场中作圆周运动的半径，即 电场的半径。 将离子动能 mv2/2=zeV 代入上式，则得：
离子在扇形电场中的运动
2V re Er
若Er固定，则离子运动半径随加速电压的 改变而改变，因此静电场是能量分析器。
Electrospray 1000 EI/CI APCI
Non-Polar
Polar
4.1.4 质量分析器
种类繁多，磁场、电场、射频场对电荷离子的控制作用。
4.1.4.1扇形磁场和静电场 (Sector Analyzer)
1、离子在扇形磁场中的运动
离子在扇形磁场中的运动
仪器的加速电压V：使离子具有高的动能，快速通过磁场、电场和无场区。 某一离子：质量为m，电荷价态为z，从加速电场获取的电能为zeV。 该离子的动能为1/2mv2 v为离子的运动速度，两个能量是相等的。
Βιβλιοθήκη Baidu
4.1.4.3离子阱质量分析器(Ion Trap Mass Analyser, IT)
266nm, 2.94m,10.6m
266nm, 337nm,355nm, 2.94m 337nm,355nm 337nm,355nm 266nm, 337nm
蛋白质
蛋白质 蛋白质 核酸、配糖体 蛋白质、配糖体
琥珀酸
间硝基苄醇 甘油 邻硝苯基辛基醚
固体
液体 液体 液体
2.94m,10.6m
t
2
d 2x m 2 (a 2q cos 2ε) x 0 合并上 dε 几式得： d 2x m 2 (a 2q cos 2ε) y 0 dε
Mathieu 方程
Mathieu方程解，复杂，与边界条件密切相关。 以a, q为坐标，方程的解作图，三个区：稳定区，x不稳定区，y不 稳定区。 a, q都是交直流电压幅值、频率和时间的函数，可由仪器设定和调 节，r0 是仪器中心到四极杆的径向距离，其值是确定的。
以甲烷为例，化学电离源内的有关离子-分子反应， CH4 + e CH4+ + CH3+ + CH2+ + CH+ + C+ + H2+ + H+
CH4+ + CH4 CH3+ + CH4
CH5+ + XH C2H5+ + XH C2H5+ + XH
CH5+ + CH3 C2H5+ + H2
XH2+ + CH4 XH2+ + C2H4 X+ + C2H6
2
d 2 x 2e(u V cos ωt) m 2 x 2 dt r0 d 2 y 2e(u V cos ωt) y 代入上式得： m 2 2 dt r0 d 2z m 2 0 dt
d 2z φ m 2 e dt z
令：
8eu a 2 2 mr 0 4eV q 2 2 mr 0
电离效率曲线
电子能量对质谱图的影响
122 122 105
100
9 eV
100
20 eV
Relative Abundance
80
Relative Abundance
80
60
60
77
40
40
20
20
0 20 40 60 80 100 120 140
0 20 40 60 80 100 120 140
m/z
APCI特点 软的电离方式，样品直接从液从中拉出来的，不是蒸发，基本 不产生分解，电离过程属于离子-分子反应，与CI原理相似。 快速地适合高低含量水溶液的流动相，可作梯度分析。 单电荷峰，实现源内CID。
Which Ionisation Mode?
100,000 Molecular Weight
266nm 2.94m,10.6m 266nm, 337nm, 355nm
蛋白质、核酸
蛋白质 蛋白质 合成高分子
MALDI的特点：
优点：
质量范围可达50万Da。 高灵敏度，可测至10-12~10-15摩尔。
软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。
可容纳毫摩尔级的盐。
缺点：
试样溶解或悬浮于基质中，激光 束辐射到基质和试样分子上。 基质吸收激光束能量后汽化，部 分试样分子伴随基质的汽化而解 吸。
基质吸收大部分激光能量，减少 了试样分子被激光能量破坏及过 度电离成碎片离子。
波长： 337nm 功率：106~108W/cm2
激光：固体氮激光，紫外光
脉冲时间：10-6~10-9秒
基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。
激光解析电离可能导致被分析物分解。
蛋白质组分析。
4.1.3.5电喷雾电离(Electro-Spray Ionization, ESI)
毛细管 直径0.1~0.2mm。 喷雾电压：毛细管尖端与离子引入口之间，3~8kV。 壳气(Sheath gas), 从毛细管端与喷雾反向加热后流出。 离子通过取样锥(Skimmer)和毛细管(Capillary)传送至光学聚焦系统。
硫甘油
间硝基苄醇 二乙醇胺
108
153 105
118/5mm
175/3mm 217/150mm
[M-H2O]+, [MH+nM]+
MH+, [MH+nM]+ MH+, [MH+nM]+
肽、抗生素
肽、蛋白质 多糖
三乙醇胺
硫代二甘醇
149
94
190/5mm
-
MH+, [MH+nM]+
[M-H2O]+, [MH+nM]+
m/z
100
70 eV
105
122
Relative Abundance
80
60
77
40
51
20
39
不同能量下获得的苯甲酸的质谱图
60 80 100 120 140
0 20 40
m/z
4.1.3.2化学电离 (Chemical Ionization, CI)
利用反应气体的离子与样品分子相互反应， 而使样品分子离子化，本质是化学过程，故称 化学电离。 离子出品的缝隙减小，使高子室内的压力 保持在0.5-1.0Torr。 电子轰击化学电离气体，不直接作用于样 品分子。 推斥电极电压：0V，增加源内停留时间， 有利于离子-分子反应。 化学电离试剂：甲烷、异丁烷、氨气，氢 气，水、甲醇、胺等。
电喷雾电离的基本过程 电场下的喷雾 带电雾滴 壳气的作用下 溶剂的蒸发 电荷的库仑作用 带电雾滴的解体 Rayleigh 极限 表面张力和库仑斥力的平衡点
Reproduced from Kebarle, P. J. Mass Spectrom. 2000, 35, 804817.
电喷雾电离产生多电荷离子：
化学电离离子-分子反应常见类型 质子转移反应 氢负离子转移反应 电荷交换反应 加成反应 BH+ + M BH+ + M B+ + M BH+ + M MH+ + B [M-H]+ + BH2 B + M+ [BHM]+ 或 [BMH]+
4.1.3.3二次离子质谱(Second Ion Mass Spectrometry,SIMS)
扇形磁场
质量色散，分析离子原因，实际上是动量分析器。 方向聚焦，相同质量和相同速度的离子，从同一点以不同角度入 射到磁场中，在磁场中所走轨迹不同，但在磁场后可 集中于某一点，与方向无关。
静电分析器
能量分析器 方向聚集，同磁场。
双聚集
ESA使由离子源发散出来的离子束按动能聚焦成一系列的点，再经磁场将具有 相同质核比分开的离子束再聚焦到一点。