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实验分析仪器--质谱仪的基本结构及功能介绍

深蓝

2023/01/29

气质联用（GCMS）

质谱仪一般由进样系统、电离源、质量分析器、真空系统和检测系统构成

一、进样系统

在液质联用中一般有两种进样方式。第一种是输注，即用注射器泵（syringe pump）将样品溶液直接缓慢输入到离子源。这种方法虽然简便、快速，但是需要相对多的样品，且难以实现自动进样分析。第二种是流动注射，即将样品溶液注入HPLC进样系统，由LC泵缓慢推动溶剂将样品溶液直接注入离子源。这种方法既简便、快速，样品溶液的用量较小，易于实现自动进样分析。

二、电离源

液质联用中最常用的电离源有大气压电喷雾电离源（ESI）和大气压化学电离源（APCI），两者同属于大气压电离（API）技术，其离子化过程发生在大气压下。

1、电喷雾（ESI）

工作原理：电喷雾电离（ESI）是在液滴变成蒸汽，产生离子发射的过程中形成的，溶剂由液相泵输送到ESI Probe，经其内的不锈钢毛细管流出，这时给毛细管加2－4kv的高压，由于高压和雾化气的作用，流动相从毛细管顶端流出时，会形成扇状喷雾，使液滴生成含样品和溶剂离子的气溶胶。

电喷雾离子化可分为三个过程：

1）形成带电小液滴：由于毛细管被加高压，造成氧化还原反应，形成带电液滴。

2）溶剂蒸发和小液滴碎裂：溶剂蒸发，离子向液滴表面移动，液滴表面的离子密度越来越大，当达到Rayleigh （瑞利）极限时，即液滴表面电荷产生的库仑排斥力于液滴表面的张力大致相等时，液滴会非均匀破裂，分裂成更小的液滴，在质量和电荷重新分配后，更小的液滴进入稳定态，然后再重复蒸发、电荷过剩和液滴分裂这一系列过程。

3）形成气相离子：对于半径<10nm的液滴，液滴表面形成的电场足够强，电荷的排斥作用最终导致部分离子从液滴表面蒸发出来，而不是液滴的分裂，最终样品以单电荷或多电荷离子的形式从溶液中转移至气相，形成了气相离子。

2、大气压化学电离（APCI）

工作原理：APCI电离是在大气压条件下利用尖端高压（电晕）放电促使溶剂和其他反应物电离、碰撞，及电荷转移等方式，形成一个反应气等离子区，样品分子通过等离子区时，发生质子转移，形成了（M＋H）或（M-H）离子或加和离子。

三、质量分析器

任何质谱仪的基本功能都是分析气态离子。样品的电离过程和蒸发都在离子源中进行。质量分析器分析那些离子，当它们进入检测器时，控制它们的移动，并将它们转化为实际信号。

1、单四极杆质谱仪

四极杆工作原理：四极杆质量分析器由四个平行的杆组成，DC和 RF电压被加载在四极杆上，用于过滤除了某个特定的质荷比数值离子以外的所有离子。四根杆都施加 RF电压，但是负“–”极杆与正“+”极杆相差了 180度。杆根据施加的DC电压标记了 +和 –。当施加某个电压时，只有某个特定数值的质荷比的离子能通过四极杆到检测器中，就算所有的样品都在源中产生离子。当电压变化成其它数值，其他质荷比的离子也能通过。因此，一个完整的质谱扫描就是应用到四根杆上的 DC和 RF电压不断的变动。

一个精确设定的RF和 DC电压被加载到杆上，该电压允许某个质荷比通过。如果对于DC和 RF电压对来说质量过大的离子将会漂到负极杆，因为 RF力不足以克服离子动力。当正极杆有一个负电压的时候，质荷比低于所选择的质荷比的离子将会加速而漂到正极杆。这个过程将过滤超过带宽的质量。这个带宽是通过在调谐文件中设定的 DC和RF的比值确定的。施加于杆的DC和 RF电压会改变，这样下一个质量数就可以通过进入检测器。

2、多级串联质谱仪——三重四极杆

为了使用四极杆进行多级质量分析，需要按顺序摆放三个四极杆。每个四极杆独立的功能：第一个四极杆（Q1）用于扫描目前的质荷比范围，选择需要的离子。第二个四极杆（Q2），也被称为碰撞池，它集中和传输离子，并在所选择的离子的飞行路径引入碰撞气体（氩气或氦气）。离子进入碰撞池和碰撞气体进行碰撞，如果碰撞能量足够高的话，离子就会分解。碎裂的方式取决于能量、气体和化合物性质。小离子只需要很少的能量，更重的离子需要更多的能量来碎裂。第三个四极杆（Q3）用于分析在碰撞池（Q2）产生的碎片离子。

三重四极杆的扫描模式：

1）子离子扫描：MS1选择了某一特定质量的母离子，碰撞池产生碎片离子，然后在MS2中分析。即第一个四极杆在选择性离子监测模式，第二个在全扫描监测模式。

2）母离子扫描：MS1进行全扫描，碰撞池产生碎片离子，MS2进行选择特定的碎片离子扫描。

3）中性丢失扫描：MS1和MS2同时扫描，监测母离子特定的中性丢失。

4）单个反应监测：MS1选择某一质量的母离子，碰撞池产生碎片离子，MS2只分析一个碎片离子。此过程产生一个简单的单个离子碎片谱图。

5）多重反应监测：MS1选择某一质量的母离子，碰撞池产生碎片离子，MS2用于搜寻多个选择反应监测。

四、真空系统

真空系统包含以下元件：前级泵（机械真空泵）、高真空泵（分子涡轮泵或扩散泵）、真空腔、真空规。

1、真空腔

真空腔是由铝制成，有出口连接其它的元件或和质量分析器。真空腔由密封圈分成四个阶段，每个阶段的压力逐渐降低。第一阶段压力是1torr（初级压力大约是2torr），第四阶段压力是 10-5torr（高真空）。

真空腔表面是一个平的铝板，覆盖了真空腔顶部大的出口。真空腔的O形环可提供必要的密封。表面有螺母将其上紧。

2、前级泵

前级泵降低真空腔的压力，以便高真空泵可以运作。它也泵走从高真空泵来的气体。前级泵与真空腔和大涡轮泵的出口连接。前级泵有一个内在的反倒吸阀，帮助防止在断电时倒流。前级泵装有一个油肼和一个油返流管，这个返流管可以将捕集的油排回泵。一个软管将前级泵的废气放空到外面或者烟囱。

机械泵在系统中降低真空至10-1到10-2 torr。它也作为高真空的”后备泵”。
前级泵通常是灌满油的机械泵。这个泵一段时间就需要维护，需要更换泵油、过滤器。在维护时，总是确保出口正确放空。

3、真空泵

高真空泵制造低压（高真空），要求正确的分析器操作。他们通常被称为“涡轮”泵。一个控制器调整供应到泵中的电流，监测泵马达的速度。

高真空泵将系统真空降至10-5torr。分子涡轮泵可以提供高真空（“涡轮”泵），分子涡轮泵在进口安装了马达，可以以 60，000转速/分钟旋转。这种旋转可使在泵中的气体向下压缩偏转到另一个扇叶最终排到泵的出口，被机械泵带走。

4、真空规

真空规被用于测量压力。不同的真空规测量不同范围的压力。

五、检测系统——电子倍增器

在LC-MS/MS中的检测器是一个高能打拿极（HED）电子倍增器。检测器接受在四级杆质量过滤器中的离子。产生与它接收到的离子的数量成正比的电流信号。信号被传递到电极进行放大和处理。在调谐过程中，为透镜优化电压时（这是电子倍增器的一个要素），持续变化电压。透镜的功能是直接将离子引导入高能量打拿极。被释放的电子将被引导入 CDEM喇叭口。在调谐的过程中，产生的信号数量与其它的功能有关。增益根据需要得到的一个离子的目标丰度所需的电压设置

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