质谱技术用于有机分析和无机分析入门.pdf

目录本书介绍.01质谱技术入门.03GC/MS基础.05GC/MS仪器.08离子源.10质量分析器.12检测器和数据系统.13LC/MS基础.17LC/MS仪器.19离子源.20质量分析器.23选择合适的液质技术.26ICP-MS基础.27历史与发展.29ICP-MS基本原理.30 带碰撞/反应池技术的ICP-MS.32 食品安全中的应用.35分析技术.35 食品分析.43农药分析.47兽药分析.53 包装材料分析.59金属元素分析.63 附录.69安捷伦农药谱库.69索引.76本书介绍01公共安全关系到国际贸易准则。今天，食品行业遇到了前所未有的压力，主要来自更加严格的食品安全标准、法规，以及人们对食品中化学残留物的关注。在从农场或加工厂到我们的餐桌上的过程中，许多食品不可避免地会接触到各种化学药品，从化学肥料、除草剂、杀虫剂、生长激素、抗生素，到食品添加剂和来自包装材料的可迁移化合物。法规大多数国家制订了严格的法规，沿着整条食品生产线监控着食品安全的所有方面。制订如此严格标准的目的在于保障消费者的健康，确保全球市场中的公平交易。这些法规通常参照国际食品法典、联合国粮农组织(FAO)、世界卫生组织(WHO)的食品标准而制订。这些机构旨在通过不断调整方法学和标准，保障成员国的公共健康和经济贸易。分析解决方案食品分析工作者需要检测和鉴别食品中从原料到产品的所有组分化合物的性质和浓度的分析方法。挑战来自食品基质的复杂性，这些复杂基质经常干扰目标化合物及元素的检测。高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)、石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)、电感耦合等离子体光学发射光谱(ICP-OES)的传统方法已经在食品监控实验室得到了广泛的应用。但是随着法规标准的不断提高，新的挑战不断出现，分析工作者需要具有低检测限、高准确度和精密度的仪器，而质谱分析仪能满足这一要求，从而在更多的实验室得到了广泛的应用。02安捷伦的质谱产品系列为了满足食品分析的需要，安捷伦开发出一系列的质谱产品和与其色谱配套的质谱解决方案。详细的描述请参见本书中“仪器”部分有关气质联用，液质联用和电感耦合等离子体质谱的技术概述。这些质谱系统在设计上都考虑了如何保证在食品分析中准确、可靠及灵敏地检测有关的目标化合物。食品分析工作者可以利用安捷伦提供的应用分析方法、应用软件、高品质的色谱柱、配件及售后服务来增加进样通量，解决应用问题，最终获得高质量的数据结果。参考书中的应用部分提供的应用举例，可以得到一些应用于食品中的某些化合物的检测的质谱技术。每一个应用描述了详细实验方案及条件。更多的信息食品分析是一个一直不断更新的领域，为了同步获得更新的信息，请浏览以下的网站：安捷伦科技： 气质联用可以提供通用的或特定的信息 气质联用可以提供用于鉴定未知化合物的质谱图 气质联用可以分离共流出峰 气质联用可以对复杂基质中目标化合物进行定量分析 利用化学电离质谱，可以获得分子量的信息气质联用的适用性 对于气质联用的应用来讲，最重要的是化合物需要有足够的挥发性。在标准质谱谱库中，绝大多数的化合物的分子量都小于600。对于一些高分子量的化合物，可以用衍生化的方法来提高其挥发性。在一些情况下，可以将气相色谱旁路，采用直接进样杆进样的方法进行样品分析。气质联用的工作原理一般来讲，液体样品被装在样品瓶中，并且放在自动进样器中，进样1微升样品进入气相色谱中。样品在进样口汽化，然后由氦载气带入到色谱柱上进行分离。样品中的各个组分在色谱柱内通过物理分离并在不同的保留时间出峰。从气相色谱中流出的色谱峰进入到质谱的真空室中，在这里通过合适的离子化模式离子化，见图1和图2。产生的离子通过质量过滤器进行质荷测定。在给定的质量范围内，每个质量数的离子流量被适当的检测器测量出来。用离子流量对碎片的质量数作图形成质谱图。每一个化合物都有其特征的可作为指纹图谱的质谱图，这是鉴定化合物的基础。质谱图中离子流量与化合物的量成正比，这是定量分析的基础。离子化模式 电子轰击离子化(EI)产生最经典的谱图用于谱库检索；见图1。正化学电离(PCI)产生质子化分子离子峰或复合离子，确认化合物的分子量；见图2。负化学电离(NCI)痕量样品分析质谱图举例：图1.邻苯二甲酸二丁酯的电子轰击质谱图。分子离子峰(M/Z 278)的强度极低图2.邻苯二甲酸二丁酯的正化学电离质谱图。上图用甲烷为反应气，下图用氨气作反应气在用氨气为反应气的正化学电离图(下图)中，主要得到质子化分子离子峰(m/z 279)，从而可以得到化合物的分子量。而用甲烷为反应气的正化学电离图(上图)中，除了质子化分子离子峰(m/z 279)之外，还得到其它的碎片,用于结构解析。GC/MS基础07GC/MS仪器08气质联用仪由下面五个部分组成：分离部分-气相色谱 离子源-电子轰击源(EI)-化学电离源(CI)质量分析器-四极杆-离子阱 检测器-电子倍增器-光电倍增管 数据采集及分析系统分离部分大多数样品是通过气相色谱进入到质谱仪的。尽管直接进样杆在某些特殊方面有用，但是绝大多数的应用都是气质联用。气相色谱的分离分辨率远远大于直接进样杆的程序升温的分辨率。进样产生质谱图的第一步是通过进样口将样品引入到质谱中。可以利用合适的进样口将气体、液体及固体样品引入到质谱的离子源中。气相色谱上最常见的进样口是分流/不分流进样口。为了使用这样的进样口，样品首先要溶解于合适的溶剂中。常用的溶剂是正己烷、丙酮、二氯甲烷等低沸点、高挥发性的溶剂。样品和溶剂在进样口被加热挥发成为气体，因此热不稳定的化合物不适合这样的进样口。氦气或其它的载气将样品带入到色谱柱进行分离。对于常规的气相色谱检测器，溶剂必须与样品分离。其它的进样口有：程序升温挥发进样口和冷柱头进样口。利用安捷伦的冷柱头进样口，可以对一根250 m的色谱柱直接进样，并且保证最大的样品传输效率和最小的样品降解。程序升温进样口可以进行大体积进样(LVI)，实现在线样品富集。其它与气质连接的还包括吹扫捕集和顶空进样器。吹扫捕集进样系统是将挥发性组分富集在固体吸附剂上，然后利用热脱附将组分吹扫到色谱柱上进行分离。顶空是利用气体进样阀将固定体积的样品带入到色谱柱上。在上述两种情况下，色谱柱柱箱的起始温度一般设定在较低的温度，使得样品富集，然后再进行程序升温。上述两种样品进样系统基本上不需要样品的制备步骤。色谱柱现在的气质联用几乎都采用毛细管色谱柱。对于过去的气质联用系统，诸如喷气分离器等部件用于分流载气流量以保证质谱的真空系统能正常工作。这些设计损失了灵敏度并增加了维护成本。石英毛细管色谱柱的使用在流速与质谱匹配方面是一个很大的进步，而且它提供了一个样品直接进入离子源的通道。各种尺寸的色谱柱都可以使用，最常用的GC/MS色谱柱的内径是0.25毫米。由于质谱的灵敏度很高，因此用于气质的色谱柱一般要求是低流失的柱。色谱柱生产商一般都提供质谱专用色谱柱。气质接口传输线质谱检测器与气相检测器不同，它需要一种专用的连接线用于质谱与气相的连接。在气相的一侧与质谱离子源之间，色谱柱需要保持恒定的高温以保证样品不发生冷凝，同样这个温度也不能过高而导致热稳定性不好的组分降解。接口最重要的是尽量短，同时可以独立控制温度。真空系统所有的质谱都需要真空系统。离子源、质量过滤器、检测器都要在真空下操作。真空系统可以为离子提供从离子源到检测器的自由程。对于气质，一般的真空是10-5至10-6托。真空由机械泵和高真空泵提供。GC/MS仪器09离子源10离子源样品分子先由进样口进入到离子源中被离子化，然后通过质谱仪分析检测。在离子源中，样品分子经过离子化和裂解的过程。然后，离子束进入到质量过滤器。电子轰击离子化(EI)电子轰击离子化是气质联用最常用的离子化模式。超过90%的适合气质分析的化合物可以使用电子轰击源，而且具有标准质谱库供检索。在EI模式，化合物从气相色谱柱流出，然后与高能量的电子束(70电子伏特)反应而被离子化。这些碰撞主要生成正离子。一旦被离子化，给定化合物分子会产生重复性非常高的碎片谱图。电子轰击离子化是一种直接离子化过程。能量通过碰撞直接传到样品分子。EI将产生高强度的裂解过程，典型谱图参见图3。谱图指纹可以用于鉴定未知化合物。有经验的质谱工作者可以通过得到的质谱图推断化合物的分子结构。初级用户可以通过谱库检索来鉴定化合物的结构。尽管对于浓度在pg级的分析物，全扫描模式可以得到很好的灵敏度。然而，电子轰击原也有一些不足。例如，对于某些化合物，EI谱图无法产生分子离子峰。另外，如果样品的基体复杂时，EI源的灵敏度会受到影响。图3.常见的一种农药，硫丹的电子轰击质谱图。图中可以看出，分子离子峰，m/z 407/408的强度非常低，而产生大量的碎片离子。离子源11化学电离源(CI)化学电离源是一种软电离技术，它与电子轰击电离互补，从而扩展了质谱的应用范围。在化学电离条件下，样品分子进入含有反应气的离子源中，一般是甲烷或氨气。由于反应气远远多于样品，大多数的电子与反应气碰撞，生成反应气离子。在以氨气为反应气的条件下，样品主要生成M+H+和M+NH4+。这些反应气离子相互反应，在主反应和副反应过程中到达一个平衡。同时它们也通过多种途径与样品分子反应形成样品离子。化学电离的过程是一种低能量的过程，远远比电子轰击离子化弱，因此是一种“软电离”技术。由于化学电离的碎片少，因此，主要生成高强度的分子离子峰，参见图4。化学电离经常被用于测量化合物的分子量。对于未知化合物，用电子轰击源得到碎片信息，而用化学电离获得分子量的信息。从图4可以看出，主峰是负离子峰（M-）。在分子离子峰附近，有一组峰，这是因为此化合物含有六个氯原子的缘故。化学电离可以生成正离子或负离子，它们的信号在质谱中均可以测量。选择合适的电离技术，可以大大提高信号的响应。例如，对于用电子捕获器(ECD)分析的化合物，其负化学电离的灵敏度则会很高。图4.在甲烷反应气的化学电离下硫丹的质谱图质量分析器12质量分析器不管是电子轰击或是化学电离产生的离子，都必须由质量分析器根据质荷比进行分离。常见的质量分析器有四种：无线射频类(四极杆过滤器和离子阱)飞行时间质谱(TOF)傅立叶变换(离子回旋共振)质谱 磁质谱在本节，主要讨论四极杆和离子阱质谱。在液质部分，将讨论飞行时间质谱的部分。四极杆(Q)四极杆因为其使用方便，质量范围和定量分析的线性范围广等优点而被广泛地使用。常常可以用于分析皮克级的样品，而且分析结果的重复性很高，RSD一般小于5%。四极杆质谱由四根平行的杆排列成一个上下表面是正方形的长方体，如图5所示。被分析物离子通过正方形的中心在相对的一组杆上，附加精确控制的直流电压和无线电射频，从而产生静电场，这就被称之为“质量过滤器”。这些电场可以控制在给定直流电压下，哪些质荷比的离子通过滤质器。四极杆质量分析器可以进行两个操作模式：全扫描模式(SCAN)选择离子扫描模式(SIM)在全扫描模式下，质谱仪对某一个质荷比范围进行扫描。在选择离子扫描下，质谱仪只是采集几个用户选择的特定质荷比的离子。选择离子的灵敏度高于全扫描模式，但是，选择离子只能提供特定监控离子的信息。全扫描模式主要用于化合物的定性。选择离子一般用于微量或者痕量样品的定量分析。安捷伦的气质工作站具有自动设置选择离子扫描的功能，用户可以很容易的建立高灵敏度的定量分析方法1。图5.四极杆质谱的结构从离子源到检测器检测器和数据系统13离子阱(IT)离子阱的优点在于，它可以采集多级质谱(MS/MS或者MSn)而不需要增加额外的质量分析器。和串联四极杆相比，离子阱能提供更多的结构信息和更高的全扫描灵敏度。串联四极杆质谱的选择反应监控离子模式(SRM)具有较高的灵敏度，而不是全扫描模式。离子阱由一个环形电极和两个碟形端电极组成，它们形成一个三维的四极电场。离子进入到离子阱中而被“捕集”，参见图6。另外一个电场可以根据质荷比将离子喷射出阱。检测器电子倍增器或光电倍增管从四极杆或离子阱出来的离子被电子倍增器或光电倍增管检测。在一个给定时间，只有一种质荷比的离子被检测到。在检测器内，离子产生的信号与离子总量呈正比。质荷比与离子强度的关系图就是质谱图。对于电子倍增器，进入的离子产生一组电子，起到放大信号的作用。对于光电倍增器，离子转换成光子之后，再被检测。电子倍增器的设计简单，而光电倍增器的寿命较长，两种类型的检测器都很常用。数据系统数据系统是气质的一个组成部分。从数据采集、结果显示、生成报告，几乎所有的现代仪器都离不开计算机操作。从前繁琐的仪器校正和调谐现都由软件自动进行。工作站还可以对气质进行诊断和故障排除等等。图6.离子阱质谱的结构示意图离子累积离子喷射14定性分析应用质谱图中一条条的线段代表分子离子峰和碎片离子的质荷比。有经验的质谱工作者可以根据质谱图来推断化合物的结构。根据质谱的裂解规律，质谱工作者可以推断出谱库中没有的化合物的结构。不过，绝大多数气质用户使用谱库检索分析物的特征谱图。在谱库检索时，工作站通过峰匹配将样品质谱图与谱库中的标准谱图相比较。这种方法只有两个变量，即质荷比和相对峰强度。谱图检索是一种从大量化合物中进行筛选的过程。然而，质谱图只是化合物的特征，可能不是唯一的。对于具有相似碎裂指纹的化合物(比如同分异构体)则很难根据谱图鉴别，另外，共流出也会影响化合物的判别。保留时间锁定(RTL)软件可以用于区分质谱类似的同分异构体。因此，通过保留时间锁定和Deconvolution软件可以用于鉴别共流出化合物。下两页会有详细的介绍。一般的质谱库有十几万张谱图而且还在不断的更新。另外，用户也可以根据自己的相关领域建立自己的谱库。定量分析目标化合物分析目标离子是目标化合物的离子特征，即在相近保留时间下，用以此化合物区分于另一个化合物。提取离子色谱图可以用于化合物的定量分析。确认离子是从目标化合物谱图中选择出的一些特征离子。这些确认离子因为与目标离子的离呈特征的比例而被用于确认目标化合物的证据。一般来说，用峰面积或峰高进行定量，内标常常加入到标样和实际样品中，用于定量分析。样品在相同的条件下分析。根据校正曲线，计算出目标化合物的含量。检测器和数据系统15保留时间锁定(RTL)和RTL数据库商业谱库只包含质谱图和化合物的一般信息，而保留时间的信息则没有包括。安捷伦开发了包括质谱和保留时间的数据库。保留时间锁定(RTL)技术可以使全球任何实验室的6890气相的用户进行化合物保留时间的精确匹配，前提是使用同样的色谱柱和分析方法2。有了保留时间锁定，就可以方便而快速地分析复杂仪器基体中的目标化合物。保留时间锁定首先校正色谱柱的柱头压和目标化合物的保留时间。一旦完成，方法就被“锁定”，以后任何由于色谱柱的变化而导致的保留时间的偏差，都可以通过调节柱压进行校正，这一过程被称为“再锁定”。如图7所示，色谱柱减短一米之后，使用保留时间锁定可以将目标化合物的保留时间调整回色谱柱减短之前的保留时间。对于需要经常切割色谱柱来移除不挥发污染物的分析用户来讲，RTL是一种非常实用的技术。安捷伦和一些安捷伦的用户已经开发出来一系列的GC和GC/MS保留时间锁定数据库，包括农残、酚类化合物、多氯联苯(PCBs)、邻苯二甲酸酯类等等3。数据库包含每一个化合物的保留时间，化合物名、CSA号、分子量、分子式和质谱图(只适用于气质谱库)。例如，安捷伦的RTL农药库包含了几乎所有适合气相分析的农药和一些内分泌干扰物的信息(总共567种化合物)，从而在一分钟之内即可筛选出符合所有项目的GC/MSD数据。R T L 数 据 的 衍 生 软 件 自 动 质 谱Deconvolution和鉴定软件(AMDIS)库(见下页)，也已经被开发出来，用户可以简便地用新农药或者其它感兴趣的化合物对数据库进行扩充4。图7.RTL排除了GC柱替换或者柱切割以后导致的保留时间的变化。柱切割前柱切割后，不用RTL柱切割后，使用RTL16用于复杂基质中化合物的解卷积报告软件(DRS)一般来说，目标化合物的分析要求检测目标离子和确认离子的比例。然而，对于高基体背景的样品，离子比例会受到基体的影响很难符合要求。为了确保分析结果可靠，一般采用背景扣除及手动积分。因此，对于复杂基体的样品，需要耗费大量的时间。对于一个高基体的样品，一个有经验的工作者需要一个半小时才能处理一个数据。为了提高分析效率，谱图可以利用一种称为“解卷积”的数学计算来将目标化合物从背景中分离出来。美国国家标准和技术院(NIST)开发了功能强大的解卷积软件，即自动质谱解卷积和鉴定系统(AMDIS)，用户在NIST的网页上可以免费下载使用5。安捷伦已经将AMDIS集成到他们的解卷积报告软件(DRS)中，开发出一个工具包，结合安捷伦GC/MSD工作站、AMDIS和NIST2002质谱检索程序(NIST02)的结果生成一个报告。总的来说，DRS在大约一分钟左右，可以完成以下操作：安捷伦气质工作站-567种目标化合物的保留时间锁定(RTL)-根据锁定的保留时间和4个离子，对目标化合物进行确认及定量 AMDIS-根据解卷积的谱图(代替4个确认离子)进行567种目标化合物的鉴定-根据保留时间(使用RTL)，确认目标化合物 NIST02检索147,000谱图-不在目标库中的未知的化合物，可以用NIST02库进行检索来鉴定-使用AMDIS中的解卷积全谱图来确认化合物DRS包含567-农药化合物库，可以用于多种行业，例如，环境分析、食品安全、香精/香料、毒物分析、国土安全、多氯联苯分析、药物测试、法医领域及挥发性化合物分析。用户还可以根据所需添加自己的谱图而量身定做自己的谱库。参考文献1 H.Prest and Dave Peterson,“New Approaches to theDevelopment of GC/MS Selected-Ion-Monitoring Acquisition and Quantitation Methods”Agilent Technologies,publication 5988-4188EN, V.Giarocco,B.Quimby and M.Klee,“Retention TimeLocking:Concepts and Applications,”Agilent Technologies,publication 5966-2469E, http:/ M.Szelewski and C.K.Meng,“Building and Editing RTLScreener Databases and Libraries,”Agilent Technologies,publication 5989-0916EN, National Institute of Standards and Technology,AMDISLiterature and Downloads website:http:/ 分析物的准确定量质量响应必须与单个化合物关联且具有可重现性 对于痕量分析，通过有效分离手段去除干扰 利用保留时间提高选择性匹配目标分析物的保留时间以及与目标参比物的质谱图质谱与液相组合，在任何混合体系中，任何可电离的样品组分均可以根据时间(液相)和质荷比(质谱)被分离，然后进行定性和定量分析。对于复杂基体中化合物的分析，使用传统检测器的LC分析会面临一个问题。共流出化合物可以根据二极管阵列的紫外光谱图进行定性，但是这种方法不够特征，因为紫外光谱的差异性太小。其它检测器比如荧光的选择性比紫外高，但是，很多化合物没有荧光基团。质谱检测器可以分析更广泛的样品包含多种不同类型的分析物，而且其分析结果的确定性更高。尽管气质在食品分析是一种常用的技术，液质在这个领域的应用也越来越广泛。气相和气质只能分析挥发和热稳定的化合物。然而，许多化合物是不挥发的，极性的或是热不稳定的。这一类化合物一般用液相可以得到很好的分离，液质接口的改善和发展使得LC/MS的应用也越来越普遍。液相/质谱仪器19LC/MS仪器可以认为由以下四个主要部分组成。每个部分包含的技术项目都没有穷举出，但是都列出了应用最为广泛的技术，也表明了LC/MS的可选择性潜力之大。分离部分反相液相色谱正相液相色谱体积排阻色谱离子交换色谱毛细管电泳 离子化接口电喷雾离子化(ESI)大气压化学电离(APCI)大气压光电离(APPI)质量分析器四极杆质谱离子阱质谱飞行时间质谱(TOF)MS/MS*检测器检测器电子倍增器微通道板*多级质谱(也称为串联质谱，MS/MS或MSn)是一种非常强大的结构分析手段。它是利用对第一级质谱中被分离的离子进行碰撞解离获得碎片来进行的。利用多级质谱对于复杂基体的样品定量分析，可以得到更高的灵敏度。MS/MS是这样实现的：一种手段是利用离子阱的多级质谱功能（最经济而有效的手段）或者是串联质谱技术质谱的操作原理质谱是一种将原子或分子离子化，然后根据离子的质荷比来进行拣选和检测的分析技术。在这个过程中，关键的部件是离子源和拣选离子的质量分析器。对于将要检测的离子，离子必须通过质量分析器到达检测器。在这个阶段，离子的状态是气态的，而质谱是在真空下工作的，因此离子可以不受阻碍的到达检测器。对于液质，有几种类型的离子源用于不同类型化合物的电离。质量分析器也有几种不同的类型。每一种对于要得到的信息都具有其优点和不足。在过去的时间里，LC/MS主要的发展是开发离子源和新的离子化技术以及离子从流动相中的分离手段。大气压电离(API)技术的出现大大扩展了液质技术分析化合物的适用范围。正如它的名称一样，它是在常压下进行电离过程的，它也是一种“软电离”技术。分析物分子被离子化以后，得到的分析物离子因为机械或者静电作用与中性分子分离。常见的大气压电离技术(API)主要有：电喷雾电离(ESI)大气压化学电离(APCI)大气压光电离(APPI)根据分析物的极性，分子量和热稳定性来选择合适的LC/MS接口(见图1)。一般来讲，电喷雾适合于离子化合物或者强极性化合物；热不稳定的化合物，或者分子量超过100的化合物的检测。另外，若希望生成加钠或加氯离子的离子，电喷雾也是一种合适的技术。APCI和APPI更适合弱极性的化合物分析。在大多数LC/MS应用中，可能需要切换正电离/负电离模式来获得样品中所有组分的响应。电喷雾电离(ESI)适合于：分子量测定，具有源内碰撞诱导解离(CID)的结构或者MS/MS应用于：极性大分子，小的弱带电离子离子化模式：正/负离子化模式电喷雾依赖于在分析物到达质谱仪之前，溶液中的局部化学电离产生分析物离子。LC流出液雾化以后进入一个常压的腔室，腔室中有强电场和高温干燥气。高温使得溶剂进一步与分析物脱离。离子源20图1.各种液质离子化技术的适用范围电喷物离子化非极性极性强极性分子量离子源21在离子化过程中，当离子之间的排斥力大于带电液滴的表面张力时，离子将从带电液滴中喷射(解析)出来进入到气相中。高温干燥气促使液滴中的溶剂蒸发。随着小液滴收缩，液滴带的电荷密度增加，则重复上述过程。离子束经过一系列的真空系统和离子聚焦部分进入到质量分析器。一些气相反应过程，主要是质子交换发生也在离子从带电液滴喷射出来到质量分析器之前的时间内。标准电喷雾(ESI)由于会产生多电荷和低温的原因，电喷雾非常适合分析生物大分子样品，如蛋白质、多肽和核酸，而且也适合分析小分子化合物。微流电喷雾(Micro-ESI)毛细管流量的喷雾器，最佳适用流速为1-20 L/min，在这个流速下能提供更高的灵敏度。纳流电喷雾(Nano-ESI)纳升流速(50nL/min到1L/min)和纳米柱极大的提高了系统的灵敏度。电子控制流速确保稳定的离子产生，保证了MS的可靠性能。大气压化学电离(APCI)适用于：分子量小于2000u，具有“源内”碰撞诱导解离(CID)的结构或者MS/MS应用于：可电离的，极性和非极性化合物离子化模式：APCI正/负离子化模式在大气压化学电离(APCI)模式下，LC流出液通过一个高温的汽化器(温度在250C至400C之间)在常压下雾化。汽化器的高温使液体蒸发。被汽化的溶剂分子被电晕针放出的电子束离子化。溶剂离子随后通过化学反应与目标化合物进行电荷交换(化学电离)。分析物离子束经过一根绝缘的石英毛细管，取样锥进入到质量分析器(与ESI和APPI的过程一样)。APCI适用范围很广，极性分子和非极性分析均适用。APCI一般不生成多电荷离子，所以通常适合于分子量小于1500u的化合物分析。因为这样，又由于需要高温汽化，于ESI相比，APCI不太使用于热不稳定的生物大分子样品的分析。APCI比ESI更适合于和正相色谱联用，因为正相色谱的分析物通常是非极性的。22大气压光电离(APPI)适合于：具有“源内”碰撞诱导解离(CID)的结构或者MS/MS应用于：极性比能在APCI中电离的更弱的化合物离子化模式：APPI正/负离子化APPI是液质应用中相对较新的离子化技术。与APCI一样，一个汽化器使LC流出物转化成气化。代替电晕针的是一个紫外灯，它产生一组能量带较窄的离子化能量。这些能量带被小心的选择用以离子化尽可能多的分析物分子，同时尽可能的减少溶剂分子的离子化。产生的离子经过一根石英毛细管进入到质量分析器。APCI可以离子化的化合物，APPI也适用。而且APPI还可以电离APCI不太适合的化合物，如多环芳烃类化合物。一个APPI源是传统LC/MS离子化的有效辅助技术，它可以离子化那些使用传统ESI和APCI技术离子化状况不好或者完全不能离子化的样品。所有的情况下，化合物的性质和分析条件都会极大的影响电离技术电喷雾、大气压化化学电离或者大气压光电离产生最佳的结果。如何选择最有效的技术通常无法预测。碰撞诱导解离(CID)大气压电离(API)技术都是“软电离”技术。产生的质谱图主要包括，“准分子离子峰”(M+H+，M-H-，M+NH4+)，除非使用了碎裂技术。分子离子峰可以得到有用的分子量信息，但是经常需要额外的结构信息。为了获得结构信息，分子离子需要利用中性气体分子与其碰撞，产生解离碎片。这个过程被称为碰撞诱导解离(CID)或碰撞活化解离(CAD)。增加电压以提高离子的动能，即提高碰撞的能量，最终产生更强的解离。碰撞诱导解离可以在毛细管的出口的高压区域进行(被称为“源内”CID)，在只有射频的四极杆中(串联四极杆的Q2)加入了碰撞气的设计或离子阱中。质量分析器23虽然任何一种质量分析器都可以用于液质联用，但是最常见的是：四极杆质谱(Q)离子阱质谱(IT)飞行时间质谱(TOF)每一种质谱对于特定的分析要求都有一种其优点和限制。质量分析器是根据其质荷比来分离离子的。离子的分析过程的不同取决于MS类型是四季杆、离子阱还是飞行时间质谱(TOF)。四极杆(Q)离子经过一系列的离子透镜到达四极杆过滤器。四极杆有两组杆组成，在两组杆上加有直流电压和射频。通过控制直流电压和射频，四极杆可以选择一定的质荷比的离子通过过滤器到达检测器。四极杆质谱可以进行全扫描模式或选择离子扫描模式。在选择离子扫描模式，质量过滤器固定一定的值以使某一特定m/z的离子通过。这种操作模式可以得到最大定量灵敏度。选择离子扫描主要用于已知离子的化合物的分析。在全扫描模式，质量过滤器连续通过一定范围的离子。全扫描的灵敏度比选择离子扫描的灵敏度低。全扫描模式用于采集全谱图能谱库检索。优点 耐用 分析成本低 使用方便 选择离子扫描的灵敏度高 优良的定量性能限制 只能使用“源内碰撞诱导解离”进行结构解析 无法获得精确质量数 扫描速度比离子阱和飞行时间质谱慢离子阱质谱(IT)离子阱质谱是另一种质量过滤器，所有的离子都被储存在三维电场中。离子可以被选择地喷射出离子阱到达检测器。一般单个线性四极杆质谱只可以进行一级质谱，而离子阱质谱可以进行多级质谱分析。离子阱质谱可以选择一个离子并对这个离子进行另一轮的裂解。这种技术对于分析某一个特定离子的碎裂机理是非常有用的手段。从离子阱中喷射出来的离子，可以利用电子倍增器进行检测。能在一次分析获得多级质谱的信息是离子阱最大的优点。所有的MS/MS和MSn数据都被采集在一个数据文件中。24优点 多级质谱功能MSn 快速扫描功能 分辨率高 全扫描MS/MS灵敏度高 自动产生MS/MS质谱图，而且其灵敏度高于三级串联四极杆(QQQ)母离子到子离子的碎裂途径简单清晰，对质谱能进行更清晰的解析限制 无法获得准确质量信息 定量的灵敏度比串联四极杆低 MS/MS模式下离子阱中碎裂程度比串联四极杆低，因为母离子在离子阱中不会进一步碎裂，对于串联四极杆，经常会发生碎片离子又进一步发生解离的过程，然而这会导致QQQ的质谱图解析更加复杂。飞行时间质谱(TOF)飞行时间质量分析器的优点是质量范围更宽，它可以精确地测定化合物的质量数，从而可以准确而高分辨率地获得化合物的分子式(鉴定未知化合物)，并且可以分离具有相同质量数的相互干扰的化合物。它可以同时为总的样品鉴定提供分子量和详细的结构信息。飞行时间质谱特别适合于高质量数的化合物分析(分子量500-106道尔顿)，如生物大分子。在飞行时间质量分析器中(见图)，一个均匀静电场同时施加于所有的离子，然后在飞行管中加速飞行。轻的离子飞得快，所以到达检测器的飞行时间就短，质荷比可以根据飞行时间的长短来测定。图2.飞行时间质量分析器飞行管(无电场区域)飞行管(无电场区域)反射极检测器反射极检测器累积喷射从离子源质量分析器25检测模式较窄的动态范围严重限制了传统飞行时间质谱的应用。然而，安捷伦的全新飞行时间质谱采用了模拟数字转换设计。这种技术消除了传统飞行时间质谱的“死时间”校正的问题。安捷伦的设计使飞行时间质谱的动态范围扩展到了3个数量级；消除了内标化合物与目标化合物的浓度需要匹配的问题。因此，在安捷伦的飞行时间质谱中，内标化合物的浓度可以很低，这样可以避免导致信号的抑制或干扰。优点 可以获得精确质量数 高分辨率 快速扫描 高全扫描灵敏度限制 无MS/MS功能，只能使用“源内碰撞诱导解离”功能 不如四级杆和离子阱质谱中SIM和MS/SM中SRM灵敏毛细管液相色谱质谱和毛细管电泳质谱高选择性和高灵敏度的质谱也可以与毛细管液相及毛细管电泳(CE)连接。毛细管液相色谱的流速为微升到纳升级，在极少量样品的定量上，通常可以获得比常规液相更高的灵敏度。它一般用于蛋白质和多肽的分析，而且还用于分析头发和唾液中痕量药物。毛细管电泳具有极高的分离分辨率，而且可以用于处理非常复杂的基质。毛细管电泳对于多肽，滥用药物检测，天然产物中的药物分析，黄酮和芳香胺的分析是非常有用的工具。使用特殊的喷雾器和方法调整，电喷雾电离技术可以适用于毛细管LC/MS和CE/MS的分析中。如何选择合适的液质技术用于目标化合物分析，以下几点可供参考：反相色谱是LC/MS应用中最常用的分离技术 液质中主要使用大气压离子源，如电喷雾、大气压化学电离和大气压光电离技术 多级质谱技术，如离子阱，可以提高选择性一般液质联用应用分为两类：未知化合物需要质谱的信息(包括分子量和碎片信息)。当定量不重要时，适合的液质有，串联四极杆(全扫描模式)、离子阱质谱、Q-TOF和带“源内CID”的飞行时间质谱。疑似物或目标化合物需要选择性和灵敏度高的技术用于确认或者定量分析。分子量和单个离子可能足以确认。适合的系统是，选择离子扫描的单四极杆，单反应监测的串联四极杆，飞行时间质谱和离子阱质谱。*选择性是排除其它可能性，在同样样品中将样品中一种组分的响应和其它组分(分析物、干扰物和基质)区分开的程度。对于复杂基体样品和多类型混合样品，高选择性是非常必要的。特异性是指所有的可能性都已经去除的程度。样品的特异保留时间提供液质分离的特异性，它是鉴定目标化合物的一个先决条件。质谱中的特异性取决于目标化合物的特征响应，即特定碎片离子或碎片指纹。选择合适的液质技术2627ICP-MS基础ICP-MS基础28电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是一种极强的元素分析技术，适用于范围很广的样品类型。该技术具有以下优点：元素覆盖面广可采用ICP-MS测定几乎所有元素，其中包括碱金属与碱土金属元素、过渡金属与其它金属元素、类金属元素、稀土元素、多数卤族元素及某些非金属元素 分析性能佳极高的灵敏度与极低的背景，可获得超低检测限(多数元素的检测限均可达到ng/L到ppt量级)快速分析四极杆扫描速度极快，平均对每个样品进行全元素分析仅需短短4分钟 动态线性范围极宽对单一物分析高达9个数量级 可提供同位素信息随着分析技术的不断革新，在同时、快速测定高含量元素(浓度为ug/L至mg/L或ppb至ppm量级)的能力方面，ICP-MS法已被公认为可取代电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)；而在痕量与超痕量(ng/L或ppt量级)元素分析的能力上，ICP-MS法的检测限不仅可与石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)相媲美，许多元素的检测限甚至超过了GFAAS法。小结：ICP-MS法可在一次运行中同时测定多元素，采用先进的技术消除干扰，适合于各种不同类型的样品，并能提供同位素信息。因具备上述能力，ICP-MS法得以广泛应用于食品、调味品等各种行业。历史与发展29二十世纪七十年代初：英国Luton应用实验室的Alan Gray博士，进行了一系列有关ICP-MS的早期研究工作，为该仪器的商品化奠定了基础。Gray博士早期进行的工作1大大促进了电感耦合射频等离子体技术(ICPs)的应用研究，1978年在他的协助下，ICP-MS的关键技术诞生在Iowa州立大学的Velmer Fassel实验室。二十世纪八十年代：首台商品化仪器问世Houk等人2在1980年发表了一篇极为重要的论文，文中详细探讨了ICP-MS技术及其应用前景。随后于八十年代初首台商品化ICP-MS仪器问世。上述系统主要由两部分技术组成已被成功应用于电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)中的氩等离子体，以及被用于GC/MS与残留气体分析等领域的四极杆质谱。尽管为解决ICP与接地的质谱接口之间的物理接触问题而对其进行了改进，ICP与质谱这两种技术仍然能够很好地匹配，使得首台ICP-MS系统的性能给人以深刻的印象。目前：ICP-MS技术仍在不断地改进与创新，其研究与发展的焦点主要集中在碰撞/反应池系统，该系统旨在消除等离子体(氩)与基体产生的干扰，从而使某些重要元素如Se、Cd、As、Hg的测定更为容易。将GC或LC与ICP-MS联用进行元素形态分析是ICP-MS发展的另一重要领域。在许多环境、临床、蛋白质组学应用领域，ICP-MS不仅可以测定有害元素的总量，还可测定对元素的有效性、迁移性、毒性起决定作用的化学形态，因此日益重要。为满足上述需求，安捷伦建立了气相(GC)、高效液相色谱(LC)、毛细管电泳(CE)与ICP-MS联用的一体化解决方案。形态分析工具包包括硬件、软件、色谱柱以及分析方法。参考文献1 Gray,A.L.,1975,Analyst,100,289-2992 Houk,R.S.,Fassel,V.A.,Flesch,G.D.,Svec,H.J.,Gray,A.L.and Taylor,C.E.,1980,Anal.Chem.,52,22832289ICP-MS基本原理30 第一步：样品通过雾化器雾化成小液滴，以气溶胶形式进入等离子体。等离子体具有极高的温度(6,00010,000K)，可将样品原子化并电离，产生带正电的原子化离子。(见图1)第二步：大的气溶胶液滴在雾室里从气流中移除，余下的小液滴被扫入氩等离子体中心通道。7500系列采用Scott型高纯石英雾室。雾室的温度由热电(Peltier)控温装置精确控制，一方面可避免室温显著变化而造成信号漂移，另一方面还可减少溶剂对等离子体的负载，从而保证了较高的等离子体温度，降低了氧化物干扰，有助于基体的解离。第三步：气溶胶在等离子体中干燥、分解和解离成单原子。安捷伦采用27MHz的射频发生器以保证高能量(热)与稳定的等离子体。定义：等离子体是由离子、电子、中性粒子组成的气体。带电粒子彼此间的电磁交感作用制造了一个极高温的环境(6,00010,000 K)。第四步：原子在经过一系列锥形接口进入真空系统之前，带电转化成正离子(见图2)。定义：样品锥实际上是中心