质谱仪的质量分析器分类及特点原理

作者:冉盛网 时间:2019-12-03 09:41:43

质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间,它的功能是利用不同方式将样品离子按质量大小分开。质量分析器的主要类型有磁式质量分析器、双聚焦质量分析器、飞行时间质量分析器、四极滤质器(即四极杆)等。质量分析器是质谱仪器的主体部分。一个理想的质量分析器应具备分辨率高、质量范围宽、分析速度快、传输效率高及无“记忆”、质量歧视效应等特点,不同类型的质量分析器具有各自的优缺点。下面是质谱仪器常用到的几种质量分析器。

 

 一、磁式质量分析器

  磁式质量分析器又称单聚焦质量分析器,具有结构简单、操作方便等特点,见图1。由于磁式质量分析器只做方向聚焦,故分辨能力较低。

  在电动力学里,运动的带电粒子会受到磁场的作用力,这个力又叫作洛伦兹力。

  洛伦兹力定律是一个基本公理,不是从别的理论推导出来的定律,而是由多次重复完成的实验所得到的同样的结果。假设初始速度为0质量为m、电荷为z的离子,在加速电压U作用下,进入磁场强度为B的磁场内,会受到磁场力的作用发生偏转。在加速电压的作用下,离子在进入磁场时的瞬时速度v为:

   D=(2Uz/m)1/2

  在磁场中受到与运动方向垂直的磁场力的作用发生偏离,离子运动轨道变成圆周运动,即

  mu2/r=Bzv

  合并两式,质荷比m/z等于:

  m/z=r2B2/2U  式中,r为偏转轨道半径;m是原子量单位;z是离子的电荷量。

 

该方程式为磁式质谱的基本方程。从方程式可知偏转轨道半径r为:

r=(1/B)(2Um/z)1/2

从该式可知,只要改变加速电压U和磁场强度B的数值,就可使不同质荷比(m/z)的离子运动轨道半径相同。这就是磁式质量分析器工作的基本原理。在离子加速电压不变的条件下,改变磁场强度B的数值,就可使不同质荷比(m/z)离子沿一个固定运动轨迹到达离子接收器。

  图1 磁式质量分析器示意图

  磁式质量分析器的工作原理是依照带电粒子的质荷比来分离的,而且上面公式( D=(2Uz/m)1/2)的一个理想条件是离子的初始动能为0,进入磁场的动能完全由加速电压来决定。但实际上离子在离子化和加速过程中初始动能并不相同且不等于0,如果同一质量的离子进入磁场时能量不同,它的运动轨迹也会不同,这就无法实现同一质量数离子的正常聚焦。这种离子能量分散现象会严重影响仪器的分辨率。

 

  为了克服离子能量分散对分辨率的影响,通常会在磁分析器前面加一个静电分析器,利用静电分析器对离子进行能量聚集,这就是我们下面要介绍的双聚焦质量分析器。

 

  二、双聚焦质量分析器

 

  双聚焦质量分析器除了磁分析器外,还有一个静电分析器。静电分析器和磁分析器的放置顺序有两种形式:

  ①顺置形式,即静电场在前面磁场在后面;

  ②反置形式,即磁场在前面,静电场在后面。反置形式除了与顺置形式有相同的功能外,还具有一些独特的功能。多数双聚焦质量分析器采用顺置形式,见图2。离子束首先通过一个静电分析器(ESA)进行能量聚集,在ESA出口狭缝处完成能量聚焦;接着这些具有相同能量的离子再进入后面的磁分析器进行质量聚焦。前者使质量相同而速度不同(即能量不同)的离子做能量聚焦,使符合一定偏转大小即速度相同的离子才能通过狭缝进入后者,再进行后面的磁式质量分析器做质量的聚焦。

  双聚焦质量分析器的特点:同时做速度(或能量)和方向的聚焦,分辨能力较高,能准确测定相对分子质量;但扫描速度慢,操作、调整比较困难,传输效率低,造价昂贵。

  图2 双聚焦质量分析器示意图

  三、飞行时间质量分析器

  飞行时间质量分析器(time-of--flight,TOF)技术始于20世纪40年代,但由于当时电子技术和仪器设计的落后,仪器分辨率很低,很难推广使用。到80年代末,高速发展的新技术使得TOF质谱仪器的分辨率大幅度提高,成为生命科学领域中重要的分析工具,在多肽、蛋白质、糖、核苷酸、高聚物的分析中得到广泛应用。

  TOF质量分析器是一种无磁动态质量分析器根据不同质荷比的离子在无场分离区中的速度不同,引起漂移时间的差异来实现分离。TOF飞行模式分线性及反射飞行模式两类。

  1、线性模式(图3)

  离子在加速电压U作用下获得的电势能(zU)转化为动能:

  mu2/2=zU

  以速度v进入到长度为L的离子漂移管(drift tube,或称飞行管),飞行时间为t,

  t= L/u

  两式合并后有:

   t=L(m/2zU)1/2

  即U、L恒定时,离子飞行时间与其质荷比的平方根成正比。质荷比最小的离子最先到达检测器,最大的则最后到达,产生质谱。适当增加漂移管的长度可以增加分辨率。但是,由于进入漂移管之前离子产生的时间先后、空间前后和初始动能大小存在差异,因此质量相同的离子到达检测器的时间也不相同,因而线性模式的分辨率较低。

  2、反射飞行模式

  反射飞行模式是在线性模式的基础上发展起来的,飞行时间质谱改进的一个重要问题是如何使离子在被注入漂移区后既无空间发散又无能量发散。如果相同质量的离子在不同时间离开离子源或存在能量发散,分辨率都将大为下降。解决办法之一是采用离子反射技术,利用离子反射使不同动能的离子得到聚焦,如图4所示。在经过漂移管后,离子进入减速反射区;动能较大的离子在该区中进入较深(存在运动惯性),反射过来所需的时间也较长,这使动能较小的离子可以赶上。因此,经过反射,质量相同而动量不同的离子可以同时到达检测器。这样就很大程度地提高了TOF质量分析器的分辨率。

  飞行时间质谱仪分辨率的定义:

  R=△M/M

 

  式中,M是拟确定的质量;△M是半峰高时的峰宽

  四、四极滤质器

  四极滤质器又称四极杆质量分析器(quadrupole mass analyzer),由四根平行电极组成,见图5。四根平行的棒状电极对角相连,在一对电极上加电压U+Vcoswt,另一对加上电压-(U+Vcoswt)。式中,U是直流电压; Vcoswt是射频电压。由此形成一个四极场。当一组质荷比不同的离子进入四极滤质器时,离子将按m/z和RF/DC值开始以一种复杂的形式振荡。只有满足特定条件的离子做稳定振动,通过四极杆,到达检测器。其他离子均做不稳定振动而与四极杆相撞,不能通过四极杆而被四极杆中和,从而达到质量分离的目的。

  图5 四极质量分析器示意图

  优点:结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、清洗方便;仅用电场而不用磁场,无磁滞现象(当外加磁场施加于铁磁性物质时,其原子的偶极子按照外加场自行排列);扫描速度快;操作时能容忍相对低的真空度,因而适合于与色谱联机,特别是LC-MS,也适合于跟踪快速化学反应等。

  缺点:分辨率不够高;对较高质量离子有质量歧视效应(对同样浓度的大质量样品比小质量样品的信号强度显得低)

 

  五、离子阱质量分析器

  离子阱质量分析器一般由一个环形电极和上下两个呈双曲面形的端盖电极围成一个离子捕集室(典型离子阱结构如图6所示)。某一质量的离子在一定的电压下可以处在稳定区留在阱内。改变电压后,离子可能处于不稳定区振幅很快增长,撞击到电极即消失。在直流电压和射频电压比值不变时用射频电压扫描,即可以将离子从阱内引出获取质谱信号。  

  图6 典型离子阱结构图

  离子通过端盖中的孔进入离子阱中振荡,振荡离子的稳定性取决于其质荷比(m/z)以及环电极的射频频率和电压。通过改变射频发生器的频率,就能激发在离子阱的振荡,不同质量的离子就逐渐变得不稳定,然后相继离开离子阱而被检测。质量选择不稳定扫描(mass selective instability mode)的工作模式下,通过改变扫描的射频电压,可以获得依据质荷比分布的质谱峰,或者通过改变输出端端盖电极的交流电电压来选择测量离子。

  不过,这项技术存在一些缺陷,比如精确的定量问题以及很窄的动态范围,这些因素限制了离子阱技术的发展。所以,尽管其质量分辨率高离子阱质谱分析仪还没有被广泛地应用在无机质谱,甚至没有任何商用电感耦合等离子体离子阴质谱(ICP-IT-MS)仪器的出现不过ICP-IT-MS技术存在问题可能和等离子中大量的氩离子有关,这些氩离子在离子阱中就会和需要分析的离子发生显著的碰撞和散射作用,其结果就是分析物的灵敏度显著下降。

 

  六、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器

  傅里叶变换离子回旋共振是基于离子在均匀磁场中的回旋运动,离子的回旋频率、半径、速率和能量是离子质量和离子电荷及磁场强度的函数。通过一个空间均匀的射频场(激发电场)的作用,当离子的回旋频率与激发射频场频率相同(共振)时,离子将同相位加速至一较大的半径回旋,从而产生可被接受的电流信号。傅里叶变换法所采用的射频范围覆盖了测定的质量范围,所有离子同时被激发,所检测的信号经傅里叶变换处理,转变为质谱图。

  傅里叶变换质谱仪是一种高分辨率的质谱仪,测定的准确度高,数据采集速度快,可以与多种离子化方式连接,可进行多级质谱MS的检测,在化合物相对分子质量测定、结构信息获取及反应机理的研究等方面发挥着重要作用。近年来与基质辅助激光解吸离子化(MALDI)及电解雾离子化(ESI)联用,成为生物大分子研究中一个不可多得的工具。

 特点:性能十分稳定可靠;可以和任何离子源相联,同时非常适合多级质谱。但是碰撞能装低,碎片不安全,需超导磁场,仪器价格偏高。