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质谱基本原理 美国瓦里安技术中国有限公司上海代表处
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主要内容 基本原理 技术指标 质谱仪器结构 离子源 质量分析器 检测器 串联质谱 扫描模式 质谱评分标准 离子阱&四极杆
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1、基本原理
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基本原理 质谱：称量离子质量的工具 12 units 0 units
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基本原理 质谱：称量离子质量的工具 12 units 12 units
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基本原理 质谱：称量离子质量的工具 12 units 12 units
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基本原理 质谱：称量离子质量的工具 12 units 14 units
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基本原理 质谱：称量离子质量的工具 Number of counts mass 12 units
mass
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基本原理 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 电离装置把样品电离为离子
质量分析装置把不同质荷比的离子分开 经检测器检测之后可以得到样品的质谱图
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基本原理（以四极杆质谱为例） 离子源 质量分析器 检测器 四极杆作为质量过滤器 离子源 RF/DC X+,X- mabove m
mbelow X+,X- 离子源 质量分析器 检测器 四极杆作为质量过滤器
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2、技术指标
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质量范围 质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围 质荷比：m/z 质量单位：amu或u，Da或D
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质量范围 不同仪器： 四极杆：4000Da 不同要求： 气相色谱：800Da 离子阱质谱：4000Da 磁质谱：10000Da
傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS） Da 飞行时间质谱：无上限 不同要求： 气相色谱：800Da 液相质谱：2000Da 生物分子：10000Da或更大
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分辨率 分辨率：分开两个邻近质量峰的能力。 何为分开：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。
A: 未分开 B:部分分开 C:全分开 分辨差 分辨较差 分辨达到要求 m2 m1
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分辨率 数学定义： ……(1) m1和m2代表两个相邻峰的质量数 ……(2) m代表某一峰的质量，△m代表半峰宽
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若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力
质量数为28的三种分子组成的精确质量 组成 整数质量 精确质量 CO 28 N2 C2H4 若仪器分辨力很低，如RP=200，则对以上三个分子不能分开，混为一峰 若要分开以下混合物，则必需有如下分辨力 CO-C2H4: (RP)2 = /( ) = 770 N2-C2H4 : (RP)3 = /( ) = 1100 CO-N2 : (RP)1 = /( ) = 2490 当仪器分辨力达到770时， 只能够只分开 CO-C2H4 。 当仪器分辨力达到1100时，能够分开CO-C2H4 和N2-C2H4 当仪器分辨力超过2500时，三者全部分开。 一般低分辨仪器在2000左右。10000以上时称高分辨。 FT-MS分辨力可达2百万。
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分辨率 不同仪器： 磁质谱，飞行时间质谱仪，傅立叶变换离子回旋共振质谱仪：分辨率、线性和稳定性好，属高分辨质谱仪
离子阱质谱仪：分辨率高，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
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扫描时间 色谱峰的数据点数目和峰宽以及扫描时间有关 较短的扫描时间，可以获得良好的峰型，但是不利于信 号采集
较长的扫描时间，有助于信号采集，但是峰型不好 峰型和信号，二者需折衷考虑
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高斯分布的色谱峰 理想的高斯峰应有35个数据点
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高斯分布的色谱峰 同一个色谱峰，但数据点减半
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7个数据点
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5个数据点
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数据点－错误结果 Illustrative data only
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在多残留分析中，缩短dwell time，可增加同步MRM的通道数
三重四极杆 Dwell time：离子被监测的时间 在多残留分析中，缩短dwell time，可增加同步MRM的通道数 10s的色谱峰，dwell time＝6ms， MSMS通道时间6ms，50通道，峰的数据点10*1000/(12*50)>16 Dwell time 通道时间
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离子阱 Cycle time 的组成 离子阱质谱的分析模式 1、AGC 预扫Pre-scan 2、ion filling (离子充满)
3、分离母离子和对母离子激发碰撞 4、质量分析— 将离子抛出阱外检测 (只有这一步与扫描速度有关） 离子阱质谱的分析模式
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3、质谱仪器结构
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质谱仪器结构 大气 真空系统 样品入口 离子化方法 质量分析器 检测器 数据系统
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真空对质谱有何重要性？ 检测器 检测器 高真空 气体分子 低真空 带电离子
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有机质谱示意图 GC 或 LC 质量分析器 接口 离子源 检测器 PC
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极性、分子量、挥发性
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HPLC 与 GC 的应用差异
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4、离子源
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离子源 ——将待分析样品电离，得到带有样品信息的离子
固体样品 液体样品 气体样品 转化成溶液 转化成固体 转化成气体 根据待分析物的化学性质 根据待分析物的化学性质 MALDI APCI APPI ESI CI EI
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离子源 GC EI：电子电离源，最常用的气相离子源，有标准谱库 CI：化学电离源，可获得准分子离子。PCI，NCI LC
ESI：电喷雾源，最常用的液相离子源，适用于极性较强的化合物，可用于热不稳定化和物的分析 APCI：大气压化学电离源，适用于中等极性或弱极性的小分子量化合物，尤其是含杂原子的化合物，不适合热不稳定或在溶液中容易电离的化合物 APPI：大气压光电离源，适用于弱极性的化合物，如多环芳烃等 MALDI ：基质辅助激光解吸电离，适合于分析生物大分子 ，主要与TOF联用
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EI：电子离子源
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ESI：电喷雾源
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ESI ：电喷雾源 四极预杆 干燥气 喷雾针装置 喷雾室 毛细管
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APCI：大气压化学电离源
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APPI：大气压光电离源
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5、质量分析器
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质量分析器 ——将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱
空间分离质谱： 四极杆质量分析器 双聚焦分析器：分辨率高，但扫描速度慢，操作、调整比较困难，价格高 时间分离质谱 离子阱质量分析器（IT） 飞行时间质量分析器（TOF）：质量范围宽，扫描速度快，灵敏度高 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-MS） ：分辨率极高，分析灵敏度高 四极杆和离子阱均属于四极电场原理
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四极杆质量分析器
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离子源 RF/DC mabove m mbelow X+,X- 离子源 质量分析器 检测器 四极杆作为质量过滤器
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双聚焦质量分析器
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离子阱质量分析器
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飞行时间质量分析器
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6、检测器
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高能转换打拿极检测器
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一体化的检测器 Q3 Multiplier PS +/- 5 kv
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7、串联质谱仪
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Q1 Q2 Q3 串联质谱仪 穿越式四极杆，MS/MS 是空间串联 离子阱， MS/MS是时间串联 需要三个四极杆 ( 三级四极杆)
仅RF电压—所有离子通过——Ar碰撞解离 扫描 子离子 仅 195通过
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串联质谱仪 喷雾室 - 样品雾化，离子化，去溶剂 样品导入 一级四极杆 – 毛细管，取样锥、四极预杆 过滤母离子
– 传输离子，从大气压到高真空状态 二级四极杆 – Ar碰撞诱导解离母离子 真空泵 – 双阶分子涡轮泵 检测器 – 检测离子，产生质谱信号 三级四极杆– 过滤子离子
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GC/MS EI全扫描（利血平）
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LC/MS/MS 一级MS，ESI 二级MS，ESI 子离子扫描
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TQ vs. SQ TRACE QUANTITATION TOOL (LC/MS application note 15; 5ppb onion sample) 2,4-MCPA 2,4-MCPA MECOPROP MECOPROP 2,4-D 2,4-D 来自基质较强的背景干扰 DICHLORPROP DICHLORPROP SQ: Low specificity and poor S/N TQ: High specificity & reliable quantitation Analysis in SIM mode Analysis in MRM mode
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为什么需要MS/MS？ 更多的结构信息，适合未知化合物的结构解析（LC/MS/MS） 共流出物，相同分子量的化合物
提高信噪比——〉降低检测限 提高子离子的选择性 复杂基质样品分析，提高定量结果的准确性 Ion Intensity A B m/z B´ A´
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8、扫描模式
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扫描模式 – Full Scan（全扫描） MS Mode Q1 Q2 Q3 Full scan (Q1) Full scan (Q3)
= scanned; = selected m/z; blank = complete transmission 可获得丰富的谱图信息 适合未知化合物的结构鉴定
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扫描模式 – SIM（选择离子监控） MS Mode Q1 Q2 Q3 Selected ion monitoring (SIM) (Q1)
= scanned; = selected m/z; blank = complete transmission 当全扫描无法满足灵敏度的要求时 适合于基质不是很复杂的样品的定量分析
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扫描模式 – SRM（选择反应监控） MS Mode Q1 Q2 Q3 Selected reaction monitoring (SRM)
= scanned; = selected m/z; = CID
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扫描模式 – MRM（多级反应监控） MS Mode Q1 Q2 Q3 Multiple reaction monitoring (MRM)
= scanned; = selected m/z; = CID SRM & MRM 适合于较脏、基质复杂的样品，提高灵敏度 适合于化合物结构解析
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MRM 扫描方式的特点 多组分同时分析 共流出物的分析 母离子-子离子关系明确， 定性能力强 复杂样品、脏样品的分析 同位素内标的使用
母离子-子离子关系明确， 定性能力强 复杂样品、脏样品的分析 同位素内标的使用 可区分同分异构体
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扫描模式 – 母离子扫描 MS Mode Q1 Q2 Q3 Precursor Scan MS/MS = scanned;
= selected m/z; = CID 适合于含有相同局部结构的不同化合物的鉴定
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扫描模式 – 子离子扫描 MS Mode Q1 Q2 Q3 Precursor Scan MS/MS = scanned;
= selected m/z; = CID 适合于化合物官能团分析以及化合物的结构解析
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扫描 – 中性丢失 MS Mode Q1 Q2 Q3 Precursor Scan MS/MS = scanned;
= scanned with offset; = CID 适合于含某一官能团的化合物鉴定（如含-OH，-NH2）
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几种扫描模式 Full Scan SIM SRM MRM Precursor Scan Neutral Loss
所有扫描模式可通过时间编程应用在同一个运行方法中
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9、质谱评分标准
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质谱评分标准 欧盟2002/657/EC指令中规定在农药和兽药残留分析中以质谱作为确认方法，必须达到4点的要求，才能满足鉴定
一级质谱，一个离子为一点，要满足要求，必须找足4个离子——分析样品时，存在大量基质干扰，完全找出基质不存在而样品存在的4个离子很不容易 二级质谱，一个母离子为1点，一个子离子为1.5点，那么确认时只需选择1个母离子和2个子离子即可达到4点的要求——二级质谱很容易到达此要求
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质谱离子与鉴定点 质谱技术 鉴定点 LRMS 1.0 LRMS/MS母离子 LRMS/MS产物离子 1.5 HRMS 2.0
HRMS/MS 母离子 HRMS/MS 产物离子 2.5
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质谱离子与鉴定点 实验技术 粒子个数 鉴定点（分数） GC-MS(EI or CI) N 2(EI)+2(CI) 4
2(衍生物A)+2(衍生物B) LC-MS GC-MS/MS 1个母离子+2个产物离子 LC-MS/MS 2个母离子各有一个产物离子 5 LC-MS/MS/MS 1个母离子,1个产物离子， 2个次级产物离子 5.5 HRMS 2n GC-MS+LC-MS 2+2 GC-MS+HRMS 2+1
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