第一章 质谱.pdf

第一章质谱第一章质谱什么是质谱？什么是质谱？质谱是按顺序记录各种质荷比（m/z）离子相对丰度的谱图。质谱含有样品分子或原子的质量信息。质谱图可以给出大量的结构信息，因此质谱图是化合物的一种化学指纹图谱。198199200202204201HgHg蒸汽的质谱蒸汽的质谱蒸汽的质谱蒸汽的质谱1901952002052100102030Relative Abundancem/z1020304050600204060801005844424327261513Relative Intensity m/zCH3CCH3O4315MW=58丙酮的丙酮的丙酮的丙酮的EIEI质谱图质谱图质谱图质谱图真空系统真空系统进样系统进样系统检测器检测器数据系统数据系统质量分析器质量分析器离子源离子源大气压大气压质谱仪的基本结构质谱仪的基本结构离子源离子源离子源离子源样品分子样品分子样品分子样品分子离子离子离子离子外部能量外部能量AB+,ABC+,CD+,A+,B+,C+,D+ABCD+ABCD碎片离子分子离子碎片离子分子离子分子结构离子分子结构离子1.1质谱仪器介绍质谱仪器介绍离子化方法离子化方法?电子轰击电离电子轰击电离?化学电离化学电离?二次离子质谱二次离子质谱?ESI?MALDI离子离子极性极性非极性分子量非极性分子量(Da)EI 或或 CIESI或或MALDIAPCIThermosprayP B各种离子化方法的使用范围各种离子化方法的使用范围选择的依据选择的依据挥发性热稳定性极性挥发性热稳定性极性要求取得的结构信息要求取得的结构信息电子轰击电离（Electron Impact）电子轰击电离使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离。推斥极灯丝源磁铁收集极EI 离子源的结构示意图离子+4930 V+5010 V电离盒M+e MM+e M+2e+2e电离电压：电离电压：电离电压：电离电压：70 70 70 70 eVeVeVeV加速电压：加速电压：加速电压：加速电压：5 kV5 kV5 kV5 kV+5000 V电子轰击电离源电子轰击电离源电子轰击电离源电子轰击电离源(EI)(EI)在电子轰击电离中，样品分子M受到一定能量的(如70 eV)的电子轰击后，生成分子离子M+。有机化合物的电离能在10 eV左右，所以 M+具有很高的过剩能量，还可能进一步碎裂，产生碎片离子F+等。这些离子在离子源中被加速电压(Vacc)加速后具有一定的动能：M+e M+2eM+F+N A+B +N .(1)m21eV2acc=计算：计算：对于动能为 70eV 的电子，穿过直径为10(1A=10-10m)的分子需要多长时间？提示：电子的 m 9.110-31kg1eV 1.6 10-19J(s)1021051010Lt(m/s)105101.9106.1702mKE21661063119=电子在如此短的时间内(10-16s)使分子电离。显然，电离速度比振动速度(10-1310-14s)快 2 3 个数量级。在发生电离过程中，分子内原子核间距来不及发生改变。因此，电离过程遵守FranckFranck-Condon Condon 原理。MM+势能核间距MM+势能核间距IEvIEadIEad=IEv(a)(b)(a)(b)420电离过程可借势能图解释。(a)和(b)是两种具有代表性的双原子分子及其分子离子的势能图。(a)中，分子离子与中性分子的能量最低点对应的核间距相等或十分接近，电离生成的 M+处于振动基态的几率最大。这个电离过程需要的能量被称为分子的绝热电离能 IEad。这一情形可用以描述分子失去杂原子上的一个非键电子的电离。(b)中，分子离子的能量最低点对应的核间距大于中性分子的核间距，电离生成的 M+更多地居于振动激发态。图中，0 4 跃迁的几率最大。这个过程需要的能量被称为分子的垂直电离能 IEv。分子失去一个成键电子的电离过程对应于这一情形。显然，(a)中，IEad=IEv;(b)中，IEad IEv。电离能（电离能（电离能（电离能（IEIE）和出现能（和出现能（和出现能（和出现能（AEAE）对于分子 M 的电离过程，反应(1)的反应热既是该分子的电离能。因此，其中，fH(M+)和 fH(M)分别是 M+和 M 的生成热。M +e M+2e (1)IE(M)=fH (M+)fH (M)对于分子离子 M+的碎裂过程，反应(2)所需的最低能量称为临界能。在质谱仪中，为了能使反应产生的碎片离子F+能够到达检测器，反应的速度必须足够快。这就要求M+离子的热力学能稍高于反应的临界能。这个能量被称为碎片离子F+的出现能(AE)，其超出反应临界能一部分称为非固定能(E)。(Er+E)=Eex(过剩能量)，是动能释放的来源。M+F+N (2)AE(F+)=fH (F+)+fH (N)fH (M)+Eex中性分子的生成热已经积累了较多的数据。因此，通过测定分子的电离能 IE(M)或离子的出现能 AE(F+)，可以得到相关离子的生成热(fH)。注意，为了使测量值足够准确，必须满足以下三个条件：1.除了待测离子外的其他物质的生成热是已知的2.M+的碎裂反应不存在显著的动能位移(kinetic shift)3.M+的碎裂反应不存在显著的逆活化能(Er)MM+势能反应坐标F+NF+NEexEr AE(F+)IE(M)E 化学电离(Chemical Ionization)化学电离通过引入大量的试剂气，是样品分子与电子不直接作用。试剂气分子被电子轰击电离后因离子-分子反应产生活性反应离活性反应离活性反应离活性反应离子子子子，这些离子再与样品分子发生离子-分子反应，使样品分子电离。正离子模式：正离子模式：正离子模式：正离子模式：GH+M M+H+G负离子模式：负离子模式：负离子模式：负离子模式：G-H-+M M-H-+G G:离子化的试剂气体分子离子化的试剂气体分子离子化的试剂气体分子离子化的试剂气体分子,CH4,NH3 等等M:被分析物被分析物被分析物被分析物灯 丝 过 流保 护 电 路灯 丝 电 流调 控 管灯 丝供 电 电 源样 品电 子加 速 电 压加 热 器 及温 度 控 制磁 铁电 离 室离 子 引 出 及聚 焦 透 镜磁 铁灯 丝灯 丝 过 流保 护 电 路灯 丝 电 流调 控 管灯 丝供 电 电 源样 品电 子加 速 电 压加 热 器 及温 度 控 制磁 铁电 离 室离 子 引 出 及聚 焦 透 镜磁 铁灯 丝质 量 分 析 器质 量 分 析 器推斥极推斥极电 子 总发 射 电 流电 子 总发 射 电 流反 应 试 剂反 应 试 剂灯 丝 过 流保 护 电 路灯 丝 电 流调 控 管灯 丝供 电 电 源样 品电 子加 速 电 压加 热 器 及温 度 控 制磁 铁电 离 室离 子 引 出 及聚 焦 透 镜磁 铁灯 丝灯 丝 过 流保 护 电 路灯 丝 电 流调 控 管灯 丝供 电 电 源样 品电 子加 速 电 压加 热 器 及温 度 控 制磁 铁电 离 室离 子 引 出 及聚 焦 透 镜磁 铁灯 丝质 量 分 析 器质 量 分 析 器推斥极推斥极电 子 总发 射 电 流电 子 总发 射 电 流反 应 试 剂反 应 试 剂反 应 试 剂反 应 试 剂甲烷甲烷I35/I18=0.05异丁烷异丁烷I57/I43=1氨氨I35/I18=0.05CI 离子源离子源离子源离子源工作原理：工作原理：离子(反应试剂)/分子反应离子(反应试剂)/分子反应电离室压力：电离室压力：50 Pa(0.5 Torr)平均自由程 平均自由程 0.1 mm充分发生碰撞充分发生碰撞电离室通道的孔径：电离室通道的孔径：50 100 m甲烷作为反应试剂甲烷作为反应试剂CH4CH4CH3+HCH4+CH4CH5+(反应离子反应离子)+CH3(质子转移质子转移)CH4+CH3+C2H5+(反应离子反应离子)+H2+-e+m/z 16m/z 15m/z 17m/z 29CH4 质子亲合能质子亲合能(Proton Affinity)PA 543 kJ/mol甘油甘油(Glycerol)PA 874.8 kJ/mol差值：差值：(874.8-543)kJ/mol=331.8 kJ/mol?3.4 eV(内能内能)M+CH5+M+H+CH4M H+-CH4M-H+CH4M+C2H5+M-C2H5+(加合离子加合离子)m/z=M+1m/z=M+29M+C4H9+M+H+C4H8M H+-C4H8M-H+CH4M+C4H9+M-C4H9+(加合离子加合离子)m/z=M+57m/z=M+1异丁烷作为反应试剂异丁烷作为反应试剂m/z 58iso-C4H10C4H10C3H7+CH3iso-C4H10+C3H7+C4H9+(反应离子反应离子)+C3H8(氢负离子转移氢负离子转移)+m/z 43m/z 57iso-C4H8质子亲合能质子亲合能(Proton Affinity)PA 802.1 kJ/mol甘油甘油(Glycerol)PA 874.8 kJ/mol差值：差值：(874.8-802.1)kJ/mol=72.7 kJ/mol?0.75 eV(内能内能)CI 反应类型反应类型(2)负离子负离子 CI 反应类型反应类型(a)proton abstraction M-1-ABH+X-?AB-+HX(b)charge transfer M-AB+X-?AB-+X(c)attachmentAB+X-?ABX-(d)resonance captureAB+e?AB-(e)ion pair productionAB+e?A+B-+e(f)dissociative resonance captureAB+e?A-+B(1)正离子正离子 CI 反应类型反应类型(a)质子转移反应质子转移反应 M+1+(b)氢负离子转移反应氢负离子转移反应 M-1+(c)形成加合离子形成加合离子(d)电荷交换反应电荷交换反应 M+(e)其它反应一般：含杂原子化合物出现其它反应一般：含杂原子化合物出现 M+1+含多个稠环化合物出现含多个稠环化合物出现 M+含氨基化合物-含氨基化合物-用用正离子正离子 CI 有利有利有机酸、醇或含卤素化合物-有机酸、醇或含卤素化合物-用用负离子负离子 CI 有利有利发展趋势：发展趋势：不仅为了获取分子量信息，可用于确定官能团及其位，空间异构体不仅为了获取分子量信息，可用于确定官能团及其位，空间异构体邻苯二甲酸二辛酯的邻苯二甲酸二辛酯的 EIEI 和和 CICI 质谱图质谱图二次离子质谱(Secondary Ionization)以高能量的初级离子轰击表面，再对由此产生的二次离子进行质谱分析是材料表面分析的一种重要方法。由此基础上发展起来的两种十分相似的电离技术，快原子轰击(FAB)和液体二次离子质谱(LSIMS)在有机质谱中有着重要地位。FAB/LSIMS 离子源：MHMH+原子枪或离子枪ArAr/Cs/Cs+样品质量分析器电喷雾电离(Electrospray ionizatin,ESI)样品质量分析器 M+M+nHnH n n+1挥发裂分21,2准分子离子电喷雾电离电喷雾电离(Electro-spray Ionnization ESI)原理原理离子化过程离子化过程(三步三步)(1)样品溶液样品溶液 喷雾喷雾(带电带电)(2)雾滴雾滴 分裂分裂(3)溶液中离子 转变为溶液中离子 转变为气相离子气相离子The ESl ProcessTaken from http:/ are formed by spraying the solution from a fine needle into an electric field at atmospheric pressure.The droplets pick up charges,in the form of protons;solvent evaporates as the droplets enter the lower pressure regions of the instrument leaving“naked”intact peptides or proteins with varying numbers of varying numbers of charges(z=1,2,3,4charges(z=1,2,3,4n).n).Samples are introduced in liquid solution.So ESI is compatible with HPLC for combined LC-MSA variety of mass analyzers can be used with ESI,including TOF,quadrupoles and ion traps.ESI 方法的主要开拓者是 M.DoleM.Dole 和 J.B.J.B.FennFenn 等人。ESI 于1989年应用于有机质谱。ESI 的工作原理是：内衬弹性石英管的不锈钢毛细管（内径约0.1 mm）被加以3 5 kV的正电压，与相距约1 cm 接地的反电极形成强静电场。被分析的样品溶液从毛细管流出时在电场作用和辅助气流的作用下形成高电荷的雾状小液滴；在加热的气体作用下，液滴因溶剂的挥发逐渐缩小，其表面上的电荷密度不断增大。当电荷之间的排斥力足以克服表面张力时，液滴发生裂分，产生带电的更小微滴；这些液滴中溶剂再蒸发，此过程不断重复，直到液滴变得足够小、表面电荷形成的电场足够强，最终把样品离子从液滴中解析出来，形成的样品离子通过锥孔、聚焦透镜进入质谱仪分析器后被检测。ESI 所能承受的液体流量通常为 1 20 l/min。向喷雾区引入一股逆向的氮气流可以促进雾状液滴的脱溶剂过程。而在内衬的弹性石英管与金属毛细管之间增加一股同轴的助雾化气流可使液体流量提高到 2 ml/min，这样，可使 HPLC与质谱直接联用。另一方面，为了提高灵敏度，采用内径更小的（5 50 m）的毛细管可使液体流量降低至 50 l/min，喷出的液滴直径可由微米级降至纳米级，因而又被称为纳级喷雾（nanospray）。纳级喷雾比常规喷雾的电离效率提高了约两个数量级，检出限可达 10-21mol/l，尤其适合于具有超高灵敏度和超高分辨本领的 FTICR。电喷雾通常要选择合适的溶剂。除了考虑对样品的溶解能力外，溶剂的极性也须考虑。一般来说，极性溶剂（如甲醇、乙腈、丙酮等）更适合于电喷雾。对于水溶液，由于液体表面张力较大，ESI 要求的阈电位也较高。为了避免高压放电，可向喷雾区引入有效的电子清除剂或使离子源加热以降低表面张力。纳升喷雾纳升喷雾(Nano Spray)工作原理工作原理(纯粹的电喷雾)(纯粹的电喷雾)+-Taylor cone距离距离(d)(3 mm)高压电源高压电源(VC)(3 kV)质量分析器质量分析器毛细管，半径毛细管，半径 rC(50 m)雾滴气相离子锥孔电子雾滴气相离子锥孔电子1.喷雾2.液滴分裂3.生成气相离子1.喷雾2.液滴分裂3.生成气相离子发生发生稳定喷雾稳定喷雾的条件的条件（1）要有足够强的电场要有足够强的电场（喷雾、电荷分离）（喷雾、电荷分离）（2）流体要有一定的线速度流体要有一定的线速度（3）流体要含有一定量的电介质流体要含有一定量的电介质（离子）（离子）溶剂溶剂：水、甲醇、乙氰、各种比例混合液(常用)水、甲醇、乙氰、各种比例混合液(常用)乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、二氯甲烷/甲醇混合液乙醇、异丙醇、丁醇、二氯甲烷、二氯甲烷/甲醇混合液四氢呋喃、丙酮、四氢呋喃、丙酮、DMSO*、DMF*(*沸点较高)(*沸点较高)甲苯(用于富勒烯甲苯(用于富勒烯)水的纯度水的纯度：电导率 电导率 18 M/cm3(多肽、蛋白质、PMF 分析，不希望有钠、钾加合离子)(多肽、蛋白质、PMF 分析，不希望有钠、钾加合离子)缓冲试剂缓冲试剂：(含量：(含量 0.51%)甲酸、乙酸、乙酸铵、氢氧化铵、甲铵、三乙铵甲酸、乙酸、乙酸铵、氢氧化铵、甲铵、三乙铵钠盐、钾盐(10 15 M)钠盐、钾盐(10 15 M)垂直喷雾垂直喷雾结构结构Z 型喷雾型喷雾蛋白的蛋白的 ESI 质谱图质谱图还原谱还原谱ESI 多电荷谱ESI 多电荷谱15416.3(M)(13+)(12+)M+nn=1186.9M+n 1n 1=1285.7M 为分子量为分子量ESI 在大气压和环境温度下进行，被分析物的分子在电离过程中通常产生多重质子化的离子。图2.14 是典型的 ESI 质谱图，由一簇不同程度质子化的分子离子峰质子化的分子离子峰质子化的分子离子峰质子化的分子离子峰 组成，相邻两峰相差一个质子。对于任意相邻两峰，由下列公式计算所含的质子数(n)和样品的分子量(M)。高分辨 ESI 谱图高分辨 ESI 谱图高分辨离子回旋共振质谱仪高分辨离子回旋共振质谱仪高分辨离子回旋共振质谱仪高分辨离子回旋共振质谱仪(ICRMS)(ICRMS)(ICRMS)(ICRMS)能把多电荷离子的能把多电荷离子的能把多电荷离子的能把多电荷离子的同位素峰分开，从而容易确定各个峰的电荷数同位素峰分开，从而容易确定各个峰的电荷数同位素峰分开，从而容易确定各个峰的电荷数同位素峰分开，从而容易确定各个峰的电荷数4.7 Teslaubiquitin解电荷数计算分子量解电荷数计算分子量高分辨高分辨 ESI电荷数电荷数=同位素峰间质量差同位素峰间质量差1=50.21=290.0341Isotope peaks are spaced by 1 Da,so the charge is 1VasopressinIsotope peaks are spaced by 0.2 Da,so the charge is 5Bovine insulinIsotope peaks are spaced by 0.034 Da,so the charge is 29Carbonic anhydrase非共价键相互作用非共价键相互作用分子间相互作用包括：(1)分子间相互作用包括：(1)静电作用静电作用(2)(2)氢键作用氢键作用(3)(3)范德华力作用范德华力作用(4)(4)疏水作用疏水作用用用 ESI(软电离技术)(软电离技术)可研究可研究非共价键相互作用非共价键相互作用ESI 是目前最是目前最温和温和(Soft)的离子化技术的离子化技术用用 ESIESI 研究非共价键相互作用研究非共价键相互作用血管紧张肽反意肽血管紧张肽反意肽用用 ESIESI 研究非共价键相互作用研究非共价键相互作用OOOP OOOOPOOOC23H28O10P2 MW 526=鸡蛋白溶菌酶鸡蛋白溶菌酶Anal.Chem.Anal.Chem.2004,76,2112004,76,211基质辅助激光解吸电离(Matrix-assist laser desorption/ionizatin,MALDI)通过激光束与固体样品分子的作用是其产生分子离子和具有结构信息的碎片；所研究的是结构较为复杂、不易气化的大分子。采用固体基质以分散被分析样品是 MALDI 技术的主要特色和创新之处。基质的主要作用是作为把能量从激光束传递给样品的中间体。此外，大量过量的基质（基质：样品=10 000：1）使样品得以有效分散，从而减少被分析样品分子间的相互作用。基质的选择主要取决于所采用的激光波长，其次是被分析对象的性质。Matrix-assisted Laser Desorption Ionization(MALDI)1.Sample is mixed with matrix(X)and dried on plate;2.Matrix molecules absorb pulsed laser light and are rapidly heated,vaporized and ionized;3.Sample molecules(M)are ionized by proton transfer from decomposing matrix molecules:XH+M?MH+X.基质的作用基质的作用基质的作用是吸收激光能量并使被测分子分离成单分子状态，使其发生解吸电离。选择基质时，要求样品应能均匀地分散于基质中，基质应能为样品提供质子。较常用的基质有芥子酸、2，5二羟基苯甲酸、2氰基4羟基肉桂酸、3吲哚丙烯酸、蒽三酚等。基质的选择是得到优质谱图的关键。样品制备、基质溶液配制及两者混合后能共同结晶为最好的操作条件，这些因素对灵敏度和分辨率有明显的影响。Advantages and disadvantages of Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization(MALDI)AdvantagesDisadvantagesPractical mass range of up to 300 kDa.Species of much greater mass have been observed using a high current detector;Typical sensitivity on the order of low femtomole to low picomole.Attomolesensitivity is possible;Soft ionization with little to no fragmentation observed;Tolerance of salts in millimolarconcentrations;Suitable for the analysis of complex mixtures.matrix background,which can be a problem for compounds below a mass of 700 Da.This background interferences is highly dependent on the matrix material;possibility of photo-degradation by laser desorption/ionization;acidic matrix used in MALDI my cause degradation on some compounds.MALDI-TOF-MS可容忍下列物质的最高浓度可容忍下列物质的最高浓度Urea 0.5M Guanidine-HCl0.5M Dithiothreitol(DTT)0.5M Glycerol 1%Alkali metal salts 0.5M Tris buffer 0.05M NH4HCO30.05M Phosphate buffer 0.01M Detergents(not SDS)0.1%SDS 0.01%MALDI 的应用的应用 蛋白和多肽蛋白和多肽(Peptides and Proteins)寡聚核苷酸寡聚核苷酸(Oligonucleotides)碳水化合物碳水化合物(Carbohydrate)合成高分子聚合物合成高分子聚合物(Synthetic polymers)类脂类类脂类(Lipids)天然产物天然产物(Natural products)(生物碱、甙类、甾类等)(生物碱、甙类、甾类等)合成有机物合成有机物胰岛素由胰岛素由胰岛素由胰岛素由A A、B B两个肽链组成。人胰岛素两个肽链组成。人胰岛素两个肽链组成。人胰岛素两个肽链组成。人胰岛素(InsulinInsulinHumanHuman)A A链有链有链有链有1111种种种种2121个氨基酸，个氨基酸，个氨基酸，个氨基酸，B B链有链有链有链有1515种种种种3030个氨基个氨基个氨基个氨基酸，共酸，共酸，共酸，共 1616 种种种种 5151 个氨基酸组成。其中个氨基酸组成。其中个氨基酸组成。其中个氨基酸组成。其中 A7A7(CysCys)-B7B7(CysCys)、A20A20(CysCys)-B19B19(CysCys)四个半胱氨酸中的巯四个半胱氨酸中的巯四个半胱氨酸中的巯四个半胱氨酸中的巯基形成基形成基形成基形成两个二硫键两个二硫键两个二硫键两个二硫键，使，使，使，使A A、B B两链连接起来。此外两链连接起来。此外两链连接起来。此外两链连接起来。此外A A链链链链中中中中A6A6(CysCys)与与与与A11A11(CysCys)之间也存在一个二硫键。之间也存在一个二硫键。之间也存在一个二硫键。之间也存在一个二硫键。胰岛素的 MALDI-TOF 质谱图胰岛素的 MALDI-TOF 质谱图分辨率=12000分辨率=12000Measurement Mode :Reflectron MSSample :Bovine InsulinMatrix :Sinapinic acid反射方式分辨率反射方式分辨率0102030405060708090100%Int.57245726572857305732573457365738574057425744Mass/Charge7 c .K 8 7 c .K 85733.59925734.60065732.61165731.61925735.62035736.63335730.6500Resolution=22,000指标：指标：Rs=20,000 胰岛素胰岛素Polymers(e.g.PEG4000-Li)0102030405060708090100%Int.30003200340036003800400042004400460048005000Mass/Charge1c.A1c.A4121.54076.44033.54078.43901.34122.53813.34209.54032.43769.34164.53944.33681.24253.63768.24298.63724.23636.23593.14429.64428.63460.04519.73373.04649.73241.04871.84648.83065.7RO(-CH2-CH2-O-)nR提供的结构信息提供的结构信息峰间隔为峰间隔为 44 表明：表明：聚合物的重复单元聚合物的重复单元为为(-CH2-CH2-O-)nSmall molecules/pharmaceuticalsSample 3(exp.Mass=448.1086 Da).Matrix:DHB0102030405060708090100%Int.420430440450460470480490500Mass/Charge63 mVsum=4141 mV Profiles 51-116 UnsmoothedAXIMA-CFR Data:DHB_0001.G4 14 Nov 2002 19:35 Cal:14 Nov 2002 19:33 Kratos PC Axima CFR V2.3.0b3:Mode Reflectron,Power:60,Blanked,P.Ext.500(bin 72)448.05449.05471.04448.23450.06487.07446.06M+Na+M+K+M+m/zm/z 448448m/zm/z 471471m/zm/z 487487HOHOOOOOOOOOOOOOOO树枝状化合物树枝状化合物(Dendrimer)基质：基质：CHCA溶剂：四氢呋喃溶剂：四氢呋喃 THFM+Na+M+K+C112H128N16O16Zn4MW=2208金属有机化合物金属有机化合物Angew.Chem.Int.Ed.2003,42,3271-3274.基质：咔啉溶剂：基质：咔啉溶剂：CH3Cl基质：咔啉溶剂：基质：咔啉溶剂：CH3ClC56H64N8O8Zn2MW=1284.43质量分析器质量分析器 电磁扇型双聚焦质谱仪电磁扇型双聚焦质谱仪 飞行时间质谱仪飞行时间质谱仪 四极杆质谱仪四极杆质谱仪 离子阱质谱仪离子阱质谱仪 离子回旋共振质谱仪离子回旋共振质谱仪磁质谱仪磁质谱仪分为单聚焦和双聚焦两种。单聚焦质谱仪只有一个磁场；双聚焦质谱仪除了磁场外，还有一个静电场。双聚焦质谱仪中静电场和磁场的放置顺序有两种形式：（1）顺置形式，即静电场在前面，磁场在后面；（2）反置形式，即磁场在前面，静电场在后面。反置形式除了与顺置形式有相同的功能外，还具有一些独特的功能(可做MIKE谱)，该构型是最重要的质谱质谱质谱质谱/质谱质谱质谱质谱串联结构之一。反几何磁质谱仪的基本结构反几何磁质谱仪的基本结构反几何磁质谱仪的基本结构反几何磁质谱仪的基本结构离子源离子源+磁场磁场磁场磁场静电场静电场静电场静电场检测器检测器检测器检测器碰撞室碰撞室碰撞室碰撞室（1）扇形磁场和电场在离子源中被加速的离子垂直射入扇形磁场中，在洛仑兹力作用下作圆周运动(如图示)，所受到的向心力和离心力平衡。所以，结合(1)、(2)式得出：其中，B和r 分别是磁场强度和离子运动轨道半径。(2)emBr=(3)V2rBemacc22=(3)式表明，磁场是质量分析器。当 r 固定后，离子的质荷比(m/z)与磁场强度平方成正比，而与加速电压成反比。若将Vacc固定，扫描磁场则可检测出样品中不同 m/z 的离子。将离子垂直射入由一对半径分别为 r1 和 r2 的同轴扇形柱面电极组成的静电场中，离子作半径为 re 的圆周运动，受到的电场力与离心力平衡。所以，(4)emEr2e=将(1)式代入上式，得：式中，E 为电场强度。当此值一定时，加速电压的改变将导致离子的运动轨道半径的改变。因此，电场是能量分析器。在双聚焦仪器中，电场 E 与加速电压维持一定的比例关系。调整E 使之与加速电压匹配，可使在离子源中产生的所有离子通过并被检测。对于亚稳离子在无场区产生的碎片离子，可通过扫描电场 E 检测到（以后将涉及到）。(5)EV2racce=定义：有两个高度相等，质量分别为 M1和M2的峰正好分开，则质谱仪的分辨本领定义为：严格地讲，式中 M=(M1+M2)/2,M=M2-M1。对于磁质谱来说，所谓正好分开就是按照国际上统一规定10谷的定义：两峰重叠后形成的谷高为峰高的10时，认为这两峰正好分开。MMR=磁质谱分辨率定义（10%谷）磁质谱分辨率定义（10%谷）高分辨质谱的优点四极杆与离子肼质谱仪四极杆质谱仪的分析器称四极质量分析器（Quadrupole mass analyzer）。其工作原理与扇形磁场截然不同，扇形磁场靠离子动量的差别而把不同质荷比的离子分开，而四极质量分析器是靠质荷比不同把离子分开，因而，四极质量分析器又称四极滤质器。离子在四极质量分析器中运动，其运动方程及其求解都较复杂。这里仅就其工作原理简述如下。四极分析器由四根平行电极组成。在一对电极上加电压 U+V cost，另一对加上电压 (U+V cost)。其中,U U 是直流电压,VcosVcos t t 是射频电压。由此形成一个四极场。四极杆质量分析器四极杆质量分析器+由一组平行放置的四根金属棒构成由一组平行放置的四根金属棒构成由一组平行放置的四根金属棒构成由一组平行放置的四根金属棒构成,用陶瓷绝缘用陶瓷绝缘用陶瓷绝缘用陶瓷绝缘,交错地交错地交错地交错地联结成两对；联结成两对；联结成两对；联结成两对；加以方向相反的直流加以方向相反的直流加以方向相反的直流加以方向相反的直流(DC)(DC)(DC)(DC)和射频和射频和射频和射频(RF)(RF)(RF)(RF)电压；电压；电压；电压；加速粒子进入分析器加速粒子进入分析器加速粒子进入分析器加速粒子进入分析器,并按并按并按并按m/zm/zm/zm/z和和和和RF/DCRF/DCRF/DCRF/DC值开始以一种复杂值开始以一种复杂值开始以一种复杂值开始以一种复杂的形式振荡的形式振荡的形式振荡的形式振荡,稳定振荡的离子通过打拿极射到倍增器上被稳定振荡的离子通过打拿极射到倍增器上被稳定振荡的离子通过打拿极射到倍增器上被稳定振荡的离子通过打拿极射到倍增器上被放大记录放大记录放大记录放大记录,不稳定振荡的离子打到四极杆上被中和不稳定振荡的离子打到四极杆上被中和不稳定振荡的离子打到四极杆上被中和不稳定振荡的离子打到四极杆上被中和,从而从而从而从而达到质量分离目的达到质量分离目的达到质量分离目的达到质量分离目的.当质荷比为 m/e 的离子沿 z 轴射入四极场时，其运动方程为：0y)tcosVU(mre2dtyd0 x)tcosVU(mre2dtxd222222=+=+上述方程组简化为：令 t/2,q,mr4eV ,amreU82222=0 y )2cos q2a(dtyd0 x)2cos q2a(dtxd2222=+=+这是典型的MathieuMathieu方程，其解十分复杂，所代表的物理意义可由以a、q为坐标的曲线表示。a、q值在稳定区内的离子产生稳定振荡，顺利通过四极场到达检测器；a、q值在非稳定区的离子因产生不稳定振荡而被电极中和。四极杆分析器稳定区性图四极杆分析器稳定区性图四极杆分析器稳定区性图四极杆分析器稳定区性图aq当一组质荷比不同的离子进入由DC 和RF 组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振动通过四极杆，到达检测器。其他离子均作不稳定振动而与四极杆相撞，不能通过四极杆。图17为四极质量分析器分别分析m/z=100,10,1000 时的截面图。特别要说特别要说明的是三个例子都是在明的是三个例子都是在DC 和和RF 组成的电场完全相同的情况下进组成的电场完全相同的情况下进行的，行的，但只有m/z=100 的离子能够跑完全程到达检测器，其它离子都被滤掉了。所以，质谱图能够通过扫描RF 场而获得。对于一台四极质谱仪，其场半径r为固定值，也选为定值。若以a/q=U/V=常数 对V 进行扫描，可使一组不同质量的离子先后进入稳定区而被检测。显然，a/q 比值越大（扫描成的斜率越大），在扫描线上稳定区内的质量范围越窄，仪器的分辨率越高。四极分析器可以自身串联，构成串联质谱仪，如Q1，q，Q2。其中，q 是一个只有射频电压的碰撞室，Q1和Q2是两个分析器。它还可以与其它质量分析器串联，构成杂化型串联质谱仪，以综合利用各种分析器的特点。离子阱质谱仪的分析器是由一对环形电极（ring electrode）和两个呈双曲面形的端电极（end cap electrode）组成。在环形电极上加射频电压或再加直流电压，上、下端盖电极接地，如图示。离子肼中心至上下端电极距离为Z，至环电极内侧为r。离子肼分析器离子肼分析器Zr环形电极环形电极环形电极环形电极端电极端电极端电极端电极离子阱质谱离子阱质谱离子阱质谱离子阱质谱?由环形电极和两个端盖电极构成。由环形电极和两个端盖电极构成。由环形电极和两个端盖电极构成。由环形电极和两个端盖电极构成。?离子被引入阱中后离子被引入阱中后离子被引入阱中后离子被引入阱中后,经经经经RFRFRFRF射频电压扫描射频电压扫描射频电压扫描射频电压扫描,不同质不同质不同质不同质/荷比的离子相继排出得到检测。荷比的离子相继排出得到检测。荷比的离子相继排出得到检测。荷比的离子相继排出得到检测。?由于离子在阱内可存储较长的时间由于离子在阱内可存储较长的时间由于离子在阱内可存储较长的时间由于离子在阱内可存储较长的时间,增加增加增加增加了离子相互碰撞的机会了离子相互碰撞的机会了离子相互碰撞的机会了离子相互碰撞的机会,适用于气相离子适用于气相离子适用于气相离子适用于气相离子反应研究。反应研究。反应研究。反应研究。?突出优点在于高灵敏度（低至突出优点在于高灵敏度（低至突出优点在于高灵敏度（低至突出优点在于高灵敏度（低至10101010 18181818克分克分克分克分子）、快速扫描（子）、快速扫描（子）、快速扫描（子）、快速扫描（5000500050005000道尔顿道尔顿道尔顿道尔顿/秒）以及秒）以及秒）以及秒）以及可在一个离子阱检测器内实现程序扫描多可在一个离子阱检测器内实现程序扫描多可在一个离子阱检测器内实现程序扫描多可在一个离子阱检测器内实现程序扫描多级串联质谱功能。级串联质谱功能。级串联质谱功能。级串联质谱功能。离子肼中离子的运动，可以由Mathieu