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质谱简介及其关键部件离子源

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目录
一、质谱的里程碑
二、质谱相关Nobel奖
三、质谱的主要构造
四、主流应用离子源
一、质谱的里程碑

历史上第一张质谱图:
上世纪初,英国物理学家Thomson利用发电方法产生正离子,经过磁场作用之后,记录其谱线,获得了历史上第一张质谱图,并同时发现了氖的两个同位素22Ne20Ne

质荷比和相对丰度:
1918
年,美国A.J. Dempster用电子轰击的方法,记录了离子的质荷比和相对丰度。

历史上第一台质谱:
1919
年,美国F.W. Aston制造了第一台精密质谱,并精确测量了20多种元素的同位素及丰度,指出了第一张同位素表,并首次引入了“质谱”的概念。

质谱商业化:
1942
年出现第一台商品质谱仪,标志着质谱学进入了一个全新的发展阶段。

色谱与质谱联用:
1957
年,实现了气相色谱与质谱仪的联用,GC/MS将质谱法在有机分析中的应用推向一个新阶段。

高分辨技术与不同的电离方式:
60
年代,有机质谱迅速发展,高分辨技术达到了实用的阶段,在这个时期内,也出现了化学电离,场致电离,场解析电离等技术

大分子物质的分析:
70
年代,随着生命科学的迅猛发展,分子量大,热不稳定性的生物分子,如蛋白质,多糖等物质的分子量测量给需要将样品变成气象离子的质谱提出了重大的挑战

软电离技术:
80
年代,出现了针对不稳定生物分子的质量测定而设计的“软电离”质谱技术,如电喷雾质谱ESI,基质辅助激光解析电离质谱MALDI等。一方面解决了生物大分子质量测定的问题,另一方面解决了LC/MS以及CE/MS的接口问题,大大地拓宽了质谱及其联用技术的应用范围。

二、与质谱相关的Nobel

n1906年,ThomsonNobel物理学奖
n1989年,PaulNobel物理学奖

图一:



n1996年,Kroto等获Nobel化学奖
n2002FennTanakaNobel化学奖
图二:



三、质谱的主要特点

质谱已经从其字面意义上的简单质量分析衍生出很多其他的分析功能,是非常重要的分析工具,应用非常广泛。质谱的特点可以非常简单的用四个以S开头的英文单词概括出来:SensitivitySpeedSpecificityStoichiometry。这四个特点保证了它在当今分析领域起着非常重要的作用。以下具体介绍质谱的特点
n快速。最短可以几分钟完成一次样品测试。
n直观。除了提供分子量信息,还可从碎片离子得到其结构信息;高分辨的质谱可以提供元素组成相关信息。
n通用。气体、液体、固体、混合物都可以通过与质谱串联的色谱仪器得到分离之后进入质谱鉴定。
n广泛。质谱基本上适用于分析化学的各个领域。
n兼容。质谱可以有效地与多种色谱技术联用,如GC/MS, LC/MS, CE/MS, MSn等。

与其他的分析仪器相比,质谱具有更高的灵敏度,可以达到10-1110-12g
图三:




在具有多项优势特点的同时,质谱也有局限其应用的特征:
n质谱进行的是破坏性分析,需要进行汽化,电离等步骤,故对样品而言是不可回复的。
n仪器昂贵、复杂,准入门槛较高。


四、有机质谱及其关键部件

有机质谱是鉴定有机化合物结构的重要方法,它不仅能提供分子量,还可以通过测量精确质量来确定分子式,同时质谱中碎片例子的分析可以获得一些重要的结构信息。
20世纪80年代以来,有机质谱分析技术获得逊色的发展,相继发明了快原子轰击、电喷雾电离、和机制辅助激光解析电离等软电离技术,使得质谱的应用扩大到生物大分子的研究领域,并形成一个新的分支学科生长点---生物质谱学。现代生物质谱已广泛地渗透到了生物学、医学和药物学等学科之中,它已经对生命科学的发展产生极大的影响。


图四:




1、质谱的基本构件



图五:




在离子源内样品分子首先经过一个电离过程,在外部能量的作用下分解成离子(分子离子、碎片离子)。接着分子离子或碎片离子会在质量分析器中经历一个质量分离过程,按照m/z不同达到分离鉴定离子的作用。
      这样看来,质谱仪中主导电离过程和质量分离过程的离子源和质量分析器在整个质谱原理中起到了非常重要的作用。而事实上,这两个部件也确实是质谱制造商,用户所最看重的两个部分。因此本次借这次技术讲座的机会,对离子源这部分做一个较为详尽的介绍,希望大家能够更了解离子源的结构,从而能够对大家的实验有所帮助。

由于本人知识所限,难免有疏漏,不完善的地方,欢迎大家拍砖,补充不足,相互交流。

2、 离子源
根据离子化方法的不同,下面将由硬到软的介绍不同的离子源及其工作原理,希望大家能够更好的了解质谱运行方式。
图六:



图七:




电子轰击电离源采用的电离方式为电子轰击电离(Electron Impact)。使用具有一定能量的电子直接作用于样品分子,使其电离。在4930V电压作用下的灯丝发出具有一定能量的电子,在电场的作用下回到收集极。在这个过程中与样品分子相互作用致其电离。推斥极略高10V的电压是离子通过小孔离开电离盒。





化学电离(CI)离子源






图八:



化学电离(CI)离子源是通过化学电离的方式使样品分子得到电离。化学电离通过引入大量的试剂气,使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发生离子-分子反应,从而产生活性反应离子。真正与样品分子发生离子-分子反应的物质真是这些活性反应离子,而不是直接的电子是样品分子电离。
      在正离子模式下GH+ + Mà[M+H]+ + G
      在负离子模式下:[G-H]- + Mà[M-H]- + G
G:离子化的试剂气体分子;M:被分析物)

试剂气通常包括甲烷、异丁烷、氮气。化学电离的工作原理为离子(试剂气)/分子反应。电离室压力约为50 Pa0.5 Torr)。平均自由程约为0.1 mm。试剂气反应活性离子与分子充分的发生碰撞。电离室通道的孔径为5010 lm

以下图片为甲烷作为试剂气所发生的系列反应:
图九:




CI反应类型包括:
正离子:质子转移反应,产生[M+1]+;氢负离子转移反应,产生[M-1]+;形成加合离子;电荷交换反应,产生M+;其他的一些反应。
负离子:脱质子反应,产生[M-1]-;电荷转移反应,产生M-;加合反应;共振俘获反应;离子对形成反应;共振俘获解离反应。
      对于含氨基的化合物,采用正离子CI较为有利;含有有机酸、醇或卤素化合物,采用负离子CI较为有利。

CI
不仅仅可以获取分子量信息,还可用于确定官能团及其取代位置,空间异构体。



快原子轰击(FAB)离子源



图十:



FAB/LSIMS离子源采用的是二次离子电离的原理。已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。这种方法是材料表面分析中的一种重要的方法。包括快原子轰击(FAB)和液体二次离子质谱(LSIMS),同样在有机质谱中有着重要的地位。


电喷雾电离源(ESI





图十一:




ESI源可以说是目前在中国使用得最广泛的离子源。ESI方法的主要开拓者是M.DoleJ.B. Fenn等人。ESI1989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35 kV的正电压,与相距约1厘米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,知道液滴变得足够小,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。
图十二:



图十三:



ESI所能承受的液体流量通常为120 ml/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器流可是液体流量提高到2 ml/min。实现与HPLC的联用。
      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以外,溶剂的机型也须考虑。一般来说,极性溶剂(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。

ESI
同时可以同多类的质量分析器匹配,包括TOF,四级杆,和离子阱。发生稳定喷雾,必须要有足够强的电场使得喷雾,电荷分离。同时流体要有一定的线速度,流体中还必须要含有一定量的电解质(离子)。
图十四:




另一方面,为了提高灵敏度,采用内径更小的毛细管(5-50 mm)可是液体流量降低至50 ml/min,喷出的液滴直径可有微米级降至纳米级,因此被称为纳级喷雾(nanospray)。纳喷比常规喷雾的电离效率提高了约两个数量级,检出限可达10-21 mol/ml。尤其适合于具有超高灵敏度和超高分辨本领的FTICR

为了减少对离子源后续的部件,质量分析器的污染,基本上没有采用直线喷雾的离子源了,基本上毛细管和锥孔都有一定的角度,比如Z型喷雾,垂直喷雾等。
图十五:



图十六:



基质辅助激光解吸电离(MALDI)源



图十七:




通过激光束于固体样品分子的作用使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吧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 0001)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。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、25-二羟基苯甲酸、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图谱的关键。样品制备,基质溶液配置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。

MALDI
在以下领域应用的比较多,包括:蛋白和多肽、寡聚核苷酸、碳水化合物、合成高分子聚合物、类脂类、天然产物、和合成有机物领域。在这些领域上的应用主要是取决于MALDI的一些独特优势。
图十八:



值得一提的是MALDI一个重要的特征就是可以一定范围内容忍盐。下图就是关于各类型不同盐在MALDI中的最大量。
图十九:

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