第三章:质谱 §3.1质谱/质谱基础 §3.2质谱/质谱仪器 §3.3质谱/质谱应用
§3.1 质谱/质谱基础 §3.2 质谱/质谱仪器 §3.3 质谱/质谱应用
§3.1质谱/质谱基础 根据不同的需要,将各种类型的质量分析器以不同的方式 联结起来,提供更为强大的质谱分析功能,解决气相离子的各 种问题 基本概念 1、质谱/质谱与色谱/质谱串联技术的比较 串联的概念是一致的。 M1M2M3进M1M2M x. I 离子源 分离 鉴定 M,M 3 M 1, M2, M M Ix, M ly 碰撞室 色谱/质谱:中性混合物的分离分析。 质谱/质谱:对纯物质,分别研究分子离子和碎片离子,结构结构信息 对混合物,分别研究各个不同的分子离子,具有部分分离能力, 各个物质的结构信息
§3.1 质谱/质谱基础 串联的概念是一致的。 色谱/质谱：中性混合物的分离分析。 质谱/质谱：对纯物质，分别研究分子离子和碎片离子，结构结构信息。 对混合物，分别研究各个不同的分子离子，具有部分分离能力， 各个物质的结构信息。 M 1,M 2,M 3 M 1, + M 2 +,M 3 + M 3 M 2 M 1 M 1 + M 2 + M 3 + M 1x +,M 1y + M 1,M 2,M 3 M 1,M 2,M 3 … M 1x +,M 1y 离 +… 子 源 离子源 碰撞室 分离 鉴定 进 样 口 GC MS1 MS MS2
2、质量分析器串联方式 ≥空间上的串联 ( tandem in space) 将同类型种或不同类型的质量分析器依次联结在一起。 a)同种类型的质量分析器串联 扇形磁场、扇形静电场串联质谱 四极杆串联质谱。 飞行时间串联质谱 b)混合型串联质谱( hybrid mass spectrometry) 扇形磁场、扇形电场和四极杆串联 扇形磁场、扇形电场和飞行时间质谱串联 四极杆和飞行时间质谱串联。 离子阱和飞行时间质谱串联。 时间上的串联 ( tandem in time) 在同一质量分析器上,在不同时间里,依次实现离子的选取、离子的碰撞诱 导解离(或碰撞活化解离)、离子的分析,时间上的串联。 离子阱质谱仪。 离子回旋共振质谱仪
将同类型种或不同类型的质量分析器依次联结在一起。 a) 同种类型的质量分析器串联 扇形磁场、扇形静电场串联质谱。 四极杆串联质谱。 飞行时间串联质谱。 b) 混合型串联质谱(hybrid mass spectrometry) 扇形磁场、扇形电场和四极杆串联。 扇形磁场、扇形电场和飞行时间质谱串联。 四极杆和飞行时间质谱串联。 离子阱和飞行时间质谱串联。 在同一质量分析器上，在不同时间里，依次实现离子的选取、离子的碰撞诱 导解离(或碰撞活化解离)、离子的分析，时间上的串联。 离子阱质谱仪。 离子回旋共振质谱仪
3、质谱仪内离子分解的方式 亚稳分解( Metastable Decomposition,MD) 碰撞诱导解离( Collisional induced dissociation,CID或碰撞活化解离 Collisional Activation Dissociation, CAD) 表面诱导解离( Surface Induced Dissociation,SID) 黑体红外辐射解离( Blackbody Infra-Red Dissociation,BIRD) 光解离( Photo- Dissociation,PD) a)红外多光子解离(nfra- Red Multi-Photon dissociation, IRMPD b)紫外光解离( Ulta-Violet Photon dissociation,UVPD) 电子捕获解离( Electron Capture Dissociation,ECD)
a) 红外多光子解离(Infra-Red Multi-Photon Dissociation, IRMPD) b) 紫外光解离(Ulta-Violet Photon Dissociation, UVPD)
质谱/质谱中离子的能量分布 质谱中的三种类型离子,对于电磁质谱来说,离子源内产生的离子 稳定离子离子寿命大于10μs,分解速率小于105,正常离子峰 不稳定离子,离子寿命小于1μus,分解速率大于106,检测不到 亚稳离子,离子寿命介于1-10μs,分解速率在105到106之间,亚稳峰。 1、亚稳离子 分解过程中不专与任何其它粒子(包括 中性分子、离子、电子或光子)进行能量交 AD 换,分解的驱动主要是沉积在离子上的略高P(E 于分解反应临界能的内能,分解速率在 105~106之间 主要出现在扇形电磁质谱和飞行时间质 谱中。 6--- 电磁质谱中亚稳离子的内能和寿命的关 系见右图和下图: Internal energy
质谱中的三种类型离子，对于电磁质谱来说，离子源内产生的离子： 稳定离子 离子寿命大于10s, 分解速率小于10 5 ，正常离子峰。 不稳定离子，离子寿命小于 1s， 分解速率大于106 ，检测不到。 亚稳离子， 离子寿命介于1-10s, 分解速率在10 5到10 6之间，亚稳峰。 分解过程中不专与任何其它粒子(包括 中性分子、离子、电子或光子)进行能量交 换，分解的驱动主要是沉积在离子上的略高 于分解反应临界能的内能，分解速率在 10 5~10 6之间。 主要出现在扇形电磁质谱和飞行时间质 谱中。 电磁质谱中亚稳离子的内能和寿命的关 系见右图和下图：
106<τ<10s [A+ 内 亚稳离子分解能量示意图 反应坐标 电磁质谱中的亚稳分解一般发生在无场区中进行,BE或EB型质谱仪中,有第 无场区(FFR)、第二无场区(2FFR)和第三无场区(3FR),可采用联动扫描方式分 析。 飞行时间质谱亚稳分解发生在飞行管无场区中,通过源后分解技术(Post Source delay,PSD)测定
A+ B+ Ea 10 -6< < 10 -5s [A+] 反应坐标 内 能 电磁质谱中的亚稳分解一般发生在无场区中进行，BE或EB型质谱仪中，有第 一无场区(IFFR)、第二无场区(2FFR)和第三无场区(3FFR)，可采用联动扫描方式分 析。 飞行时间质谱亚稳分解发生在飞行管无场区中，通过源后分解技术(Post Source Delay, PSD) 测定。 亚稳离子分解能量示意图
2、内能分布及离子结构对离子分解的影响 基本原理 设有两个离子A+和B+,它们分解的临界能分别为E和E,它们之间相互转化的 临界能为E,当离子内能分别处于I,Ⅱ和I区时,离子会以不同的形式存在,在质 谱仪也将检测到不同的离子。 I:稳定的A+离子。 I:A可以异构化为B+,但在质谱上 III 表观测到的是“同一离子”(质 荷比相同),实际上是A+和B+的 混合离子。 E II:过剩内能不太大,发生亚稳分 解反应。 B A IV:A+和B+离子的混合物的分解, 产生各自的碎片
I II B+ III Ea Ei Eb A+ Ø 设有两个离子A+和B+ ，它们分解的临界能分别为Ea和Eb，它们之间相互转化的 临界能为Ei，当离子内能分别处于I，II和III区时，离子会以不同的形式存在，在质 谱仪也将检测到不同的离子。 I：稳定的A+离子。 II：A+可以异构化为B+ ，但在质谱上 表观测到的是“同一离子” (质 荷比相同)，实际上是A+和B+的 混合离子。 III：过剩内能不太大，发生亚稳分 解反应。 IV：A+和B+离子的混合物的分解， 产生各自的碎片
详细分析 (a):E高于E2和E A为初始离子,B为A的异构体:A1以下:内能较低时(不高于亚稳离子分解的临 界能EA),稳定的A+离子 A1~A2:A+的亚稳分解。 A2~A3:A+分解,产生其碎片离子。 E 鑫A3以上:A可以异构化为B+,但B离子在该内 能处,离子的态密度很小,反应速率很 小,两种异构体是可以区分的 (b):E低于E2和Eb B1以下:稳定离子,A+或A+和B+的混合离子。 Bl~B2:A+异构化为B+,B亚稳分解。 B2~B4:B+分解,产生其碎片离子 1ZB4以上:A和B混合离子分解,产生混合碎片 离子,各离子的份额与其内能值有关 亚稳分解谱上,B占优势;CID谱上, A+的比例增加,在质谱分解的时间范 围内,A+和B+不能建立快速的平衡, 因此M和CID谱上,有一定的区别
A+为初始离子，B+为A+的异构体： (a)：Ei高于Ea和Eb A1以下：内能较低时(不高于亚稳离子分解的临 界能EA)，稳定的A+离子。 A1~A2: A+的亚稳分解。 A2~A3： A+分解，产生其碎片离子。 A3以上： A+可以异构化为B+ ，但B+离子在该内 能处，离子的态密度很小，反应速率很 小，两种异构体是可以区分的。 (b)：Ei低于Ea和Eb B1以下：稳定离子，A+或A+和B+的混合离子。 B1~B2: A+异构化为B+ ，B+亚稳分解。 B2~B4: B+分解，产生其碎片离子。 B4以上： A+和B+混合离子分解，产生混合碎片 离子，各离子的份额与其内能值有关。 亚稳分解谱上，B+占优势；CID谱上， A+的比例增加，在质谱分解的时间范 围内，A+和B+不能建立快速的平衡， 因此MI和CID谱上，有一定的区别
(c):E远低于E2和Eb BI以下:A+和B+混合物的稳定离子,因两者间 非常容易转化。 B1~B4:A+和B混合物的分解 A+和B+无法区分 (d):E高于E高于Eb 小于E时:稳定的A+离子。 C1~C2:A+以亚稳的速度转化为B后分解, 得到B+离子的碎片。 C2以上:A+转化为B后再分解,得到B+离子 的碎片离子
(c)：Ei远低于Ea和Eb B1以下：A+和B+混合物的稳定离子，因两者间 非常容易转化。 B1~B4: A+和B+混合物的分解。 A+和B+无法区分。 (d)：Ea高于Ei高于Eb 小于Ei时：稳定的A+离子。 C1~C2: A+以亚稳的速度转化为B+后分解， 得到B+离子的碎片。 C2以上: A+转化为B+后再分解，得到B+离子 的碎片离子。 2 1 C
3、碰撞诱导解离过程中的能量转换 对于内能较小的稳定离子,进行MSMS实验时,需要为该离子提供能量,使其 内能超过该离子分解的临界能。 具有一定动能的前体离子与中性气体碰撞,在发生的非弹性碰撞中,离子的部 分动能转化为内能。转化而来的内能与离子的动能以及碰撞气体的反应截面有关。 碰撞能量表示方式 一高能:千eV数量级。磁质谱、飞行时间串联质谱等。 一中能:百eV数量级。四极杆质谱等。 低能:十eⅤ数量级。离子阱质谱等 此处指实验室坐标下的能量,用离子运动的动能E表示 实际上,决定碰撞能量转换的是质心坐标能量E灬,二者的关系 mg 碰撞气体质量 Ecm= elab mg +m 离子质量
对于内能较小的稳定离子，进行MS/MS实验时，需要为该离子提供能量，使其 内能超过该离子分解的临界能。 具有一定动能的前体离子与中性气体碰撞，在发生的非弹性碰撞中，离子的部 分动能转化为内能。转化而来的内能与离子的动能以及碰撞气体的反应截面有关。 F 高能：千eV数量级。磁质谱、飞行时间串联质谱等。 F 中能：百eV数量级。四极杆质谱等。 F 低能：十eV数量级。离子阱质谱等。 此处指实验室坐标下的能量，用离子运动的动能Elab表示。 实际上，决定碰撞能量转换的是质心坐标能量Ecm，二者的关系： g p g m m m E E cm lab mg : 碰撞气体质量 mp：离子质量