色譜儀基本理論

1、離子源1.電子轟擊離子源（EI） 在極高真空度下, 高能電子束在離子源內(nèi)激發(fā)樣品的氣態(tài)分子，離子源內(nèi)分子由電子束作用失掉一個(gè)電子形成分子離子 M+。 由電子束獲得的能量還能使分子離子進(jìn)一步裂解，生成較小質(zhì)量的碎片離子和一些中性碎片。 離開離子源的所有離子都被靜電壓V加速，然后進(jìn)入與運(yùn)動(dòng)方向相垂直,強(qiáng)度為 H 的磁場。將離子按質(zhì)荷比 (m/z) 分開并按質(zhì)荷比大小排列成譜圖形式。 EI是應(yīng)用最廣泛的一種離子源，它利用一束高能電子轟擊樣品分子使其電離。電子的能量取決于燈絲與電離盒之間的電壓，能量過高會(huì)使電離的離子進(jìn)一步碎裂，分子離子峰下降甚至觀察不到，能量太低也會(huì)造成電離效率降低使靈敏度下降，所以

2、，選用不同的電離能量會(huì)得到不同風(fēng)格的質(zhì)譜圖。標(biāo)準(zhǔn)條件下電離能量為70 eV。2.化學(xué)離子源（CI）化學(xué)電離是使有機(jī)化合物樣品分子和反應(yīng)氣體離子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而使樣品分子電離的方法。 常用的反應(yīng)氣體有甲烷、異丁烷、氨等。EI的缺點(diǎn)是只能電離氣體和揮發(fā)性分子,因此后來開發(fā)出其他一些“軟電離”方法。 CI法的能量較低，化學(xué)鍵斷裂較少，因此分子離子M+以及準(zhǔn)分子離子 M+H+峰較強(qiáng)，靈敏度較高。但是這種方法由于給出的碎片離子峰的信號(hào)較少，也就減少了化合物的結(jié)構(gòu)信息。 CI法不僅有陽離子的測定模式，也有陰離子模式，而且陰離子模式的靈敏度更高。 CI法與EI優(yōu)勢互補(bǔ)，因此也有將這兩種離子化器設(shè)計(jì)為一體

3、形成 EI/±CI 復(fù)合源的方法。3.電噴霧電離源（ESI） 這種離子源經(jīng)常用在LC-MS上。經(jīng)液相色譜分離的樣品溶液進(jìn)入離子源，在霧化氣流下轉(zhuǎn)變成小液滴進(jìn)入強(qiáng)電場區(qū)，強(qiáng)電場下帶電的液滴與逆流的干燥氣體相遇蒸發(fā)，最后在庫侖力的作用下使小液滴表面達(dá)到瑞利極限而破碎離子化。 ESI也屬于一種軟電離法，這種方法比較容易形成多電荷離子，即一個(gè)分子或碎片中帶有兩個(gè)以上電荷，使儀器的分析范圍得到擴(kuò)展。4.大氣壓化學(xué)電離源（APCI）它與ESI的主要區(qū)別是：1）增加了電暈放電針，其作用是發(fā)射自由電子，啟動(dòng)離子化進(jìn)程；2）是對(duì)噴霧氣體進(jìn)行加熱，增加了流動(dòng)相的揮發(fā)速度，因此可以用于水分含量較多的流動(dòng)相

4、。APCI的工作原理：放電針?biāo)a(chǎn)生的自由電子首先轟擊空氣的主要組分N2、O2、H2O等，形成N2+、O2+ 、H3O+ 等初級(jí)離子，溶劑分子如甲醇、水等與初級(jí)離子發(fā)生離子交換而形成CH3OH2+ 、 H3O+等離子，再由這些離子與樣品分子進(jìn)行質(zhì)子或電子交換而使其離子化：5.快原子轟擊源（FAB）6.其他電離方式 場致電離源（FI） 場解吸電離源（FD） 激光解吸電離源（LD） 熱噴霧電離源（TS） 基質(zhì)輔助激光解析電離源（MALDI）質(zhì)量分析器1.磁質(zhì)量分析器 包括單聚焦和雙聚焦質(zhì)量分析器。單聚焦質(zhì)量分析器使用一個(gè)扇形磁場。雙聚焦質(zhì)量分析器使用一個(gè)扇形磁場及一個(gè)扇形電場。 工作原理： 在離子源

5、中形成的各種(正)離子都被加速電壓加速，而獲得動(dòng)能；被加速后的離子進(jìn)入扇形磁場，離子運(yùn)動(dòng)的方向和磁力線垂直。在磁場中運(yùn)動(dòng)的離子受洛侖茲力（向心力）作用作圓周運(yùn)動(dòng)。這樣加速電壓V為定值，通過對(duì)磁場強(qiáng)度(B)掃描，順次記錄下各質(zhì)荷比離子的強(qiáng)度，從而得到所有m/z離子的質(zhì)譜圖。不同質(zhì)量的離子具有不同的軌道半徑，質(zhì)量越大，其軌道半徑也越大。這意味著磁場有質(zhì)量色散能力,可以單獨(dú)用作質(zhì)量分析器。 公式所描述的是理想情況。事實(shí)上，離子在加速前，其動(dòng)能并非絕對(duì)為零，同一質(zhì)量的離子，初始動(dòng)能略有差別，加速后的速度也略有不同，因此它們經(jīng)靜磁場偏轉(zhuǎn)后不能準(zhǔn)確地聚焦于一點(diǎn)，也就是說靜磁場具有能量色散作用。因此，這種單

6、聚焦的質(zhì)量分析器的分辨率較低。 雙聚焦質(zhì)量分析器除了采用一個(gè)扇形磁場外，還加上一個(gè)扇形電場靜電分析器，又稱靜電場，以便提高儀器的分辨率。 靜電場的作用：一束有一定能量分布的離子束，經(jīng)靜電場的偏轉(zhuǎn)后，離子按能量大小順次排列。因此靜電場可看作是一個(gè)能量分析器。靜電場有方向聚焦作用，也有能量色散作用。加速后的離子在靜電分析器中作圓周運(yùn)動(dòng)，所受的向心力由離子所受的電場力提供；如果設(shè)法使靜磁場和靜電場這二者的能量色散數(shù)值相等，方向相反，離子在通過扇形靜電場和扇形磁場后，即達(dá)到能量聚焦。再加上方向聚焦的作用，這就是“雙聚焦”。因此，扇形靜電場加扇形磁場，達(dá)到了：方向聚焦、能量聚焦、質(zhì)量色散的目的。將扇形磁

7、場和靜電場串聯(lián)，則在某點(diǎn)可達(dá)到方向和能量的雙聚焦，使質(zhì)譜實(shí)現(xiàn)高分辨。 2.四極質(zhì)量分析器 四極質(zhì)量分析器是目前最常用的質(zhì)量分析器之一。它是由四根棒狀電極組成，兩對(duì)電極中間施加交變射頻場，在一定射頻電壓與射頻頻率下，只允許一定質(zhì)量的離子通過四極分析器而到達(dá)接收器。 四極分析器的優(yōu)點(diǎn)：掃描頻率快（而磁場分析器存在磁滯效應(yīng)）。體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便，操作容易。 四極分析器的缺點(diǎn)：分辨率較低；對(duì)較高質(zhì)量的離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)。檢測的質(zhì)量一般在1000以內(nèi)。3.離子阱分析器（ion trap)離子阱與四極質(zhì)量分析器相似，有選擇并儲(chǔ)存離子的功能。樣品的離子引入并儲(chǔ)存在圓形電極和一組射頻

8、電極組成的離子盒中，改變射頻逐個(gè)拉出所有的離子。離子阱質(zhì)譜儀可作成GC和LC的檢測器，并裝配成體積小、價(jià)格低、高速掃描的新一代臺(tái)式GC/MC、LC/MS儀器離子阱分析器的優(yōu)點(diǎn)： 單一的離子阱可實(shí)現(xiàn)多極串聯(lián)質(zhì)譜(MS)n，是“時(shí)間上”的串聯(lián)質(zhì)譜，因此價(jià)格相比之下要比幾個(gè)質(zhì)量分析器串聯(lián)而成的儀器要便宜很多。結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。靈敏度比四極質(zhì)量分析器高。離子阱分析器的缺點(diǎn)： 與標(biāo)準(zhǔn)圖有一定差別，這是由于在離子阱中生成的離子有較長的停留時(shí)間，可能發(fā)生離子分子反應(yīng)，故有的離子阱采用外加離子源，這樣使得離子阱在分析上得到更廣泛的應(yīng)用。4.飛行時(shí)間質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的原理與儀器結(jié)構(gòu)非常簡單，核心

9、部分是一個(gè)離子漂流管。把引入離子室的樣品分子電離后，將離子加速并通過一個(gè)空管無場區(qū)，不同質(zhì)量的離子具有不同的能量，通過無場區(qū)的飛行間長短不同，質(zhì)荷比最小的離子具有最快的速度首先到達(dá)檢測器，質(zhì)荷比大的離子則較后到達(dá)檢測器，可依次被收集檢測出來。 飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的突出優(yōu)點(diǎn): 不存在聚焦狹縫，因此靈敏度很高； 掃描速度快，達(dá)10000張譜/s； 測定的質(zhì)量范圍僅取決于飛行時(shí)間，可達(dá)到幾十萬質(zhì)量數(shù)，為近年來生命科學(xué)中生化大分子的研究，提供了有效分析手段 分辨率低，其主要原因在于離子進(jìn)入漂移管前的時(shí)間分散、空間分散和能量分散。這樣，即使是質(zhì)量相同的離子，由于產(chǎn)生時(shí)間的先后，產(chǎn)生空間的前后和初始動(dòng)能的

10、大小不同，達(dá)到檢測器的時(shí)間就不相同，因而降低了分辨率。二種技術(shù)解決辦法:(1)兩極加速技術(shù) (2)離子反射技術(shù)5.傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀優(yōu)點(diǎn)：傅里葉變換質(zhì)譜儀具有分辨率高，靈敏度高，掃描速度快和結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。質(zhì)譜儀共有六個(gè)主要部件：它們是樣品導(dǎo)入系統(tǒng)，負(fù)責(zé)把被測樣品以氣體分子的形式送入質(zhì)譜儀；離子源，在真空狀態(tài)下把樣品分子變成離子的狀態(tài)并送入后邊的質(zhì)量分析器；質(zhì)量分析器發(fā)生成的各種離子按質(zhì)荷比的順序分離開；檢測器，是把離子流強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出；真空系統(tǒng)，是通過兩級(jí)真空泵的工作給離子源、質(zhì)量分析器以及檢測器提供足夠高的真空環(huán)境；最后是控制系統(tǒng)，它對(duì)前面提到的五個(gè)部分進(jìn)行信號(hào)的收集

11、、處理和控制操作，使之按分析目的協(xié)調(diào)地工作，最后得到了合格的分析結(jié)果。圖譜的解析是有一定規(guī)律的，一般來說都是遵循以下基本思路進(jìn)行。首先是根據(jù)分子離子峰來判斷分子量；然后根據(jù)高分辨準(zhǔn)確質(zhì)量測定或低分辨同位素推定分子式；第三步計(jì)算環(huán)加雙鍵數(shù)，推測可能的分子骨架；最后根據(jù)裂解機(jī)理排除不合理結(jié)構(gòu)，對(duì)預(yù)想的骨架和結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于絕大多數(shù)有機(jī)化合物，它們不外乎由C，H，O，N，P等元素組成，由這些元素組成的分子，其精確的分子量都有其特殊的尾數(shù)，它們直接反映了組成元素的種類和個(gè)數(shù)。將所有可能的原子組合方式，按照所形成的分子的分子量的尾數(shù)大小的順序排列起來，就得到了一個(gè)Lederberg表，這樣便可以通過測

12、定精確的質(zhì)量，然后按其質(zhì)量的尾數(shù)查表，反推出分子的組成。這是Lederberg 表的一個(gè)部分，它由12張分表組成。使用時(shí)先對(duì)目標(biāo)成分的分子量除以12（碳單位質(zhì)量），得到一個(gè)商和一個(gè)余數(shù)，余數(shù)的整數(shù)部分只有0-11共12種可能，它們就是查Lederberg 表時(shí)的表頭數(shù)字，而余數(shù)的小數(shù)部分（也就是精確分子量的小數(shù)部分）就是查表時(shí)表中的“小數(shù)”，它的排列是從0.000.99的順序。用它可以很快查到對(duì)應(yīng)的小數(shù)值，進(jìn)而獲得H、N、O、C的個(gè)數(shù)。再根據(jù)最小式量值確定真實(shí)的分子量。M+.峰強(qiáng)度與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般來說，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分子比較穩(wěn)定，分子離子峰比較強(qiáng)。此外，具有雙鍵結(jié)構(gòu)的分子比相應(yīng)的單鍵穩(wěn)定；

13、同系物中隨鏈長的增加分子的穩(wěn)定性下降。分子離子峰具有下列一般特征：1）由于只丟失了一個(gè)電子，它應(yīng)該是譜圖中m/z值最大的峰。2）丟失一個(gè)電子之后，分子的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)沒有變化，所以它應(yīng)該是仍然符合N規(guī)律的奇電子離子。由、組成的有機(jī)化合物，一定是偶數(shù)。由、組成的有機(jī)化合物，奇數(shù)，奇數(shù)。由、組成的有機(jī)化合物，偶數(shù)，偶數(shù)。3）在高m/z區(qū)域應(yīng)該有合理的、通過丟失中性碎片而產(chǎn)生的碎片峰。如果符合以上3條，它有可能是分子離子（也可能不是），但是如果其中任何一條不具備，它一定不是分子離子峰。質(zhì)譜碎裂反應(yīng)的一般規(guī)律1）碎裂反應(yīng)是通過分子離子M+·發(fā)生的, 2）丟失的電子將按照 n > >的難

14、易順序發(fā)生3） M+· 的碎裂過程既可以由自由基引發(fā)也可以由正電荷引發(fā)。4）有一些可以說明的因素會(huì)影響碎裂反應(yīng)方向5）可以用一些最基本的質(zhì)譜碎裂機(jī)制描述各種各樣的碎裂過程，就像有機(jī)化學(xué)中用有限的一些反應(yīng)機(jī)制來描述千萬種具體的有機(jī)反應(yīng)一樣分子篩干燥器 管路和凈化器質(zhì)譜儀分類磁質(zhì)譜：高分辨率，大分子量范圍（可適應(yīng)高質(zhì)荷比），體積大，掃描速度低。適合做定性分析。四極桿質(zhì)譜: 高掃描頻率、線性范圍高、小尺寸、低成本、低分辨率、適合小分子定性定量。離子阱質(zhì)譜: 高掃描頻率、小尺寸、線性范圍較低、可進(jìn)行MSn分析，低成本、低分辨率、適合小分子定性。飛行時(shí)間質(zhì)譜: 高掃描頻率、大的質(zhì)量范圍、高分辨

15、率，定性定量效果都好。傅里葉變換質(zhì)譜：掃描速度快、質(zhì)量范圍寬、極高的質(zhì)量分辨率、價(jià)格較高。開機(jī)前的準(zhǔn)備 放氣閥需關(guān)好 MSD連接到接地的電源上 MSD的接口深入柱溫箱 老化好的毛細(xì)管柱接好兩端 99.999%的氦載氣接到GC上，推薦使用凈化器調(diào)諧做什么 設(shè)定離子源部件的電壓，以得到良好的靈敏度 設(shè)定amu gain（增益）和offset（補(bǔ)償）以得到正確峰寬 設(shè)定mass gain（增益）和 mass offset（補(bǔ)償）以保證正確的質(zhì)量分配 設(shè)定EM電壓 自動(dòng)調(diào)諧流程圖 尋找質(zhì)量峰 粗調(diào)EM電壓和峰寬 調(diào)節(jié)離子源部件使502達(dá)到最佳 調(diào)節(jié)EM和峰寬達(dá)到最佳 質(zhì)量軸校正 保存文件 襯管的使用分流進(jìn)樣需注意的問題 盡量減少分流歧視：分流比越大越可能造成分流歧視 保證樣品快速汽化（適當(dāng)添加經(jīng)硅烷化處理的玻璃毛） 分流進(jìn)樣時(shí)，柱的初始溫度盡可能高一些 柱安裝時(shí)注意柱與襯管同軸不分流進(jìn)樣手動(dòng)進(jìn)樣應(yīng)注意的問題如何提高柱效 使用內(nèi)徑更小的柱子。GC/MS要用0.25mm以下的柱子。 減小固定相百分組成或固定相液膜厚度。 減小進(jìn)樣量。 選用更長的柱子。 使用程序升溫改善后流出組分峰形。好的進(jìn)樣技術(shù)可以保障高柱效。進(jìn)樣應(yīng)該緊湊快速，以免峰展寬影響掃描時(shí)間的因素: 平均每0.1 amu 增加數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目(sampling r