质谱原理与仪器3-笔记
- 一、质量分析器类型
- 1、聚焦磁场分析器：
- A、单聚焦磁场分析器
- B、双聚焦磁场分析器
- 2、四极杆质量分析器
- 3、飞行时间质谱仪(Time of Flight MS, TOF-MS)
- 4、离子阱质量分析器
- 二、质谱仪的主要性能指标
- 1、质量范围(mass range)
- 2、分辨率(resolution power; R)
- 3、灵敏度(sensitivity)
- 4、质量准确度(mass accuracy)
一、质量分析器类型
质量分析器是质谱仪的核心部件之一，它的作用是将离子源产生的离子按质荷比大小进行排序分离。它不像离子源可一台质谱匹配多个离子源质。质量分析器是质谱当中不可更换的部分，同类型的质量分析器已构成不同类型的质谱仪。不同类型的质谱仪，其功能、应用范围、原理、实验方法均有均有所不同。
1、聚焦磁场分析器：
A、单聚焦磁场分析器
工作原理是离子源当中的离子被电场加速飞入磁极的弯曲区域，受磁场的洛伦兹力做匀速圆周运动。由于磁场的作用，离子受到磁场的向心力
其运动轨道半径R可由下式表示：
Z是电荷数，比如说单电荷为1 双电荷为2，E是电子电荷，B是离子速度，H是磁场强度，其大小与离心力相等。
M为离子的质量，V是离子的速度，R是运动的半径。
小离子半径小大离子半径大。经过磁场后，大小离子依据其质和比就分离开来，实现了质量的分离。
其检测器的位置通常是不变的。常用的单聚焦质量分析器如左图所示，是一个弧形的区域，只有一定的飞行半径的离子才能顺利的通过，即轨道的半径R不变。若磁场H不变，扫描加速电压V或加速电压V不变 扫描磁场H可以使得不同质荷比的离子按顺序到达检测器，从而得到质谱的。
磁场对离子只有质量聚焦的作用，只能将质和比相同入射方向不同的离子聚集到一点，即方向聚焦，因此称为单聚焦质量分析器。它的分辨率可达5000，但是该仪器不能对质和比相同能量不同的离子实现聚焦。若要求分辨率大于5000，则需要双聚焦的质量分析器。
常用的单聚焦质量分析器如图，是个弧形的区域，只有一定的飞行半径的离子才能通过。当固定H时，扫描加速电压V，或固定V时，扫描磁场H，可以使得不同质荷比的离子，按顺序到达检测器，从而得到质谱信号。单聚焦质谱仪分辨率可达5000，若要求分辨率大于5000，则需要双聚焦质谱仪。
B、双聚焦磁场分析器
磁场前加静电分析，扇形静电场中静电作用力等于离心力：
它在磁场前加静电分析器，将一个扇形的静电场置于离子源和扇形磁场之间，进入电场的离子受到与速度方向垂直的镜像静电力做圆周运动，静电作用力等于离心力，当电场场强一定的时候，其半径R取决于离子的速度。V加速的离子数进入电场，只有速度与半径匹配的离子才能通过电场的狭缝，它可以在离子进入磁场前进行速度的筛选，实现速度和能量的聚焦，因此称之为双聚焦。它大大提高了分辨率，双聚焦的分辨率远高于单聚焦，可达到16万。
2、四极杆质量分析器
它有四根平行的圆柱形或双曲面的乙状金属电极组成，对角电极连接构成两组被加速的离子数，穿过对准四极杆中间的准直小孔，通过加在四极杆上面直流电压U和射频电压Vcosωt，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，只有合适m/z的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。而其他的离子在运动的过程当中会撞击在筒形电极上，从而被过滤掉，最后被真空泵抽走，称为非共振离子。扫描U和V并保持U/V值恒定时，不同m/z的离子依次通过被检测到。
3、飞行时间质谱仪(Time of Flight MS, TOF-MS)
经电场加速后的离子，具有相同的动能：
TOF的核心的结构是一根无场的离子漂移管。在离子漂移管的前端有一个加速电场，当带电荷的大大小小的离子进入加速电场，被电场加速具有相同的动能。此时小质量数的离子具有一个比较大的速度，大质量数的离子具有一个比较小的速度，因此小离子会优先的到达检测器，而大离子则需要时间比较久，会晚一些到达检测器。
m/z小的离子，速度快，最先通过漂移管；m/z大的离子，速度慢，最后通过漂移管。TOF质荷比没有上限，分子量可达几十万，与MALDI配合适合于生物大分子;可获得高分辨质谱；结构简单，便于维护。
4、离子阱质量分析器
离子阱是通过电场或磁场将气象离子控制并铸成一段时间的装置，或称为离子阱。常见的有两种形式，一种是离子回旋共振技术，一种是我们这里介绍的比较简单的离子阱。它主要有一个环电极以及上下端电极构成端电极接地。环电极上面施加变化的射频电压，使得离子阱当中具有一定的质荷比的离子在一定的轨道上稳定的旋转。当离子进入离子阱，扫描射频电压线路井中的离子会依次发生变化，从底端离开环电极腔体被检测器检测到。
二、质谱仪的主要性能指标
1、质量范围(mass range)
质谱仪能够进行分析的样品的相对原子质量(或相对分子质量)或mm4最小到最大的质量范围。通常采用原子质量单位(unified atomic mass unit，符号amu)进行度量。
可以看出对于生物大分子我们大多会采用飞行时间质谱，而一般的有机分子的话是四极杆和离子阱即可。
2、分辨率(resolution power; R)
是指质谱仪分开相邻质量离子的能力
其中m1、m2为质量数，且m1<m2，故在两峰质量相差较小时，要求仪器分辨率大。
不同质量分析器的分辨率:四级杆:2000
磁质谱:单聚焦:5000 双聚焦:160000(高分辨)
3、灵敏度(sensitivity)
质谱仪的灵敏度有三种表示方法:
(1)绝对灵敏度:仪器可检测到的最小样品量;
(2)相对灵敏度:仪器可以同时检测的大小组分含量之比;(3)分析灵敏度:输入仪器的样品量与仪器产生的信号之比。
4、质量准确度(mass accuracy)
质量准确度又称质量精度，即离子质量实测值M与理论值M，的相对误差。
m：离子质量的整数