【仪器知识】质谱仪器概述与工作原理
分 质谱分析概述
1.1 方法概述
质谱分析法就是通过对被测样品离子的质荷比的测定来获得物质分子量的一种分析方法。而把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱称为质谱。
质谱就是把化合物分子用一定方式裂解后生成的各种离子，按其质量大小排列而成的图谱。
1.2 发展历史
1912年 Thomson 研制第世界上一台质谱仪
1919年 Aston 精密仪器，测定50多种同位素
1940年 应用于石油、化工等领域
1946年 飞行时间质谱(Time-of flight mass analysis)
1953年 四极杆分析器(Quadrupole analyzers)
1956年 气相色谱-质谱联用(GC/MS)
高分辨质谱仪 (High-resolution MS)
1966年 化学电离(Chemical ionization)
1967年 串联质谱(Tandem mass spectrometry)
1973年 液相色谱-质谱联用 (LC/MS)，热喷雾方法
1974年 傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)
1981年 快原子轰击电离质谱(FAB MS)
第二部分 质谱仪器与工作原理
2.1 质谱基本原理
质谱：称量离子质量的特殊天平
a. 质谱分析法就是通过测定被测样品离子的质荷比来获得物质分子量的一种分析方法。
b. 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
c. 电离装置把样品电离为离子
d. 质量分析装置把不同质荷比的离子分开
e. 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图
2.2 质谱分类
2.3 质谱仪组成
2.3.1 真空系统
2.3.2 进样系统（Sample Introduction）
要求：大气压下的样品在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源
方式： 直接进样
色谱进样（气相色谱及液相色谱）
2.3.3 离子源（Ion Source）
功能：将进样系统引入的气态样品分子转化成离子；
硬电离 软电离
电子电离 Electron Ionization, EI
化学离子 Chemical Ionization, CI
场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD
快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB
基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI
电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI
大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI
1. 电子电离源(Electron Ionization EI)
l 是应用最普遍，发展最成熟的电离方法。
l 标准质谱图基本都是采用EI源得到的。
l 常用轰击电压 50～70eV, 有机分子的电离电位一般为7～15eV。
l 可提供丰富的结构信息。
l 有些化合物的分子离子不出现或很弱。
2 化学电离源(Chemical Ionization CI)
高能电子束（100~240eV）轰击离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），产生初级离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。最强峰为准分子离子;谱图简单;不适用难挥发试样
3 场电离(Field Ionization, FI)
当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时，在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气态，灵敏度不高，应用逐渐减少。
样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分子从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射区, 进行离子化。
适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类，肽类，金属有机化合物，聚合物等。
4 快原子轰击(Fast Atom Bombardment,FAB)
惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应：
高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化
FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。
常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。
注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。
例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH),
136（MH–H2O）, 289(MMH–H2O) 的峰。
5 基质辅助激光解析电离 (MALDI )
待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子和样品分子进入气相并得到电离。
l 样品置于涂有基质的样品靶上，一定波长的脉冲式激光照射到样品靶上，基质分子吸收激光能量，与样品分子一起蒸发到气相并使样品分子电离。
l 常用的基质有2,5二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。
l 特别适合于飞行时间质谱仪(TOF)，组成MALDI-TOF。
l MALDI属于软电离技术，它比较适合于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。
l 得到的质谱主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。
6 电喷雾电离 (Electron spray Ionization,ESI )
流出液在高电场下形成带电喷雾，在电场力作用下穿过气帘；气帘的作用：雾化；蒸发溶剂；阻止中性溶剂分子
7 大气压化学电离源(Atmospheric pressure chemical Ionization, APCI）
l 在APCI喷咀的下游放置一个针状放电电极，通过放电电极的高压放电，使空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+ 和O+ 等离子，溶剂分子也会被电离，这些离子与样品分子进行离子-分子反应，使样品分子离子化。
l 适合于分析弱极性的小分子化合物，得到样品分子的准分子离子峰
2.3.4 质量分析器（Mass analyzer）
① 扇形磁场质量分析器；Magnetic-Sector
② 四极杆质量分析器；Quadrupole
③ 离子阱质量分析器；IT(Ion Trap)
④ 飞行时间质量分析器；TOF(Time Of Flight)
⑤ 傅里叶变换离子回旋共振(Fourier transform Ion Cyclotron Resonance mass spectrometer, FT ICR)
只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。
双聚焦由静电分析器和磁分析器组成，静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。
优点:分辨率高;
缺点:扫描速度慢，操作、调整比较困难,体积大,而且仪器造价也比较昂贵。
四极质谱 ：结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS, LC-MS。分辨率不高。
特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到检测器；
TOF MS的核心部分是一个无场的离子漂移管 ，加速后的离子具有相同的动能
l m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。
l m/z大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移管，到达检测器。
l 检测通过漂移管的时间( t )及其相应的信号强度，可得到质谱图，t为m 或s数量级。
l 适合于生物大分子，灵敏度高，扫描速度快，结构简单，分辨率随m/z的增大而降低。
傅立叶变换离子回旋共振分析器:利用不同m/z的离子， 在磁场B的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频场，使其频率等于某一 m/z离子的回旋频率，则离子就会吸收能量而激发。
离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋共振。
激发的离子运动速度( v ) 增大，运动轨道半径( r ) 增大，称之离子的回旋运动的激发。
如果磁场强度（B）一定，改变射频场的频率（n），即可激发不同m/z的离子而得到质谱。
FT-MS的核心为分析室，分析室由三对平行的极板构成。磁力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于z轴，在与x轴方向垂直的两极板上施加激发射频，在与y轴方向垂直的两极板上检测信号。
FT-MS分辨率极高，目前可得到精确度最高的精确质量
FT-MS灵密度高，质量范围宽，速度快，性能可靠。
2.分辨率（R）：是质谱计分开相邻两离子质量的能力。
分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，即两峰各以5%的高度重叠。
若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为是分开的。
数学定义：若两个相邻峰的峰谷低于峰高的10%(或5%，50%)，则认为是分开的。
离子阱质谱仪：分辨力高，线性低，准高分辨质谱仪，用于判断质谱峰带的电荷数。
四极杆质谱仪：分辨力低，线性好，不属于高分辨质谱仪。