电喷雾傅立叶变换离子回旋共振高分辨质谱实验
一、电喷雾-傅立叶变换离子回旋共振高分辨质谱
近年来随着质谱技术的不断进步，质谱分辨率越来越高，傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS) 是一种具有超高质量分辨能力的新型质谱仪，在石油组分相对分子质量范围(200 - 1000 Da)内分辨率高达几十万甚至上百万，可精确地确定由C、H、S、N、O及其主要同位素所组成的各种元素组合，使得从石油酸的分子元素组成层次上研究石油组成成为可能，即石油组学(Petroleomics)。

电喷雾(ESI)结合傅立叶变换离子回旋共振质谱可直接进样分析原油样品，不需做任何前处理，是从分子水平表征原油的一种强大手段。

下面将主要介绍电喷雾(ESI)与傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)的基本原理
1) 电喷雾(ESI)原理
电喷雾(ESI)是由Fenn发明的一种软电离技术，通常没有碎片离子峰，只有整体分子的峰，能够从高浓度复杂烃类基质中选择性地电离微量的杂原子极性化合物，广泛用作多种质谱仪的电离源。

图1 电喷雾电离源(ESI)示意图
ESI的工作原理是：样品溶液从具有雾化气套管的毛细管流出时，在电场和雾化气（通常是氮气）的作用下喷成雾状的带电微液滴；在热气体作用下，液滴中溶剂被快速蒸发，液滴直径不断变小，表面电荷密度不断增大。

当达到瑞利限度时，即表面电荷产生的库仑斥力与液滴表面张力大致相等，则会发生“库仑爆炸”，产生带电的更小微滴，最终把样品离子从液滴中排挤出来，形成的样品离子通过锥孔、聚焦透镜进入分析器后被检测。

产生的样品离子可能带单电荷或多
电荷，这和样品分子中的酸性和碱性基团数量有关。

通常小分子样品得到带单电荷的准分子离子；大分子样品则得到多种多电荷离子。

通常认为电喷雾可以用两种机制来解释：
（1）小分子离子蒸发机制：在喷针针头与施加电压的电极之间形成强电场,该电场使液体电,带电的溶液在电场的作用下向带相反电荷的电极运动,并形成带电的液滴,由于小雾滴的分散，比表面增大，在电场中迅速蒸发,结果使带电雾滴表面单位面积的场强极高，从而产生液滴的“爆裂”。

重复此过程，最终产生分子离子。

(2)大分子带电残基机制：首先也是电场使溶液带电，结果形成带电雾滴，带电的雾滴在电场作用下运动并迅速去溶，溶液中分子所带电荷在去溶时被保留在分子上，结果形成离子化的分子。

一般来讲,电喷雾方法适合使溶液中的分子带电而离子化。

离子蒸发机制是主要的电喷雾过程,但对质量大的分子化合物,带电残基的机制也会起相当重要的作用。

电喷雾也可测定中性分子,它是利用溶液中带电的阳离子或阴离子吸附在中性分子的极性基团上而产生分子离子。

ESI对石油中占绝大多数的烃类化合物没有电离作用，而在正离子和负离子模式下选择性地电离石油中微量的碱性（主要是碱性氮化物）和酸性（主要是环烷酸）化合物，中性氮化物一般会出现在负离子谱图中，但电离选择性较差。

2) 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪简介
FT-ICR MS的核心是分析池，在垂直磁场方向上设置互相垂直的两组电极，一组电极激发电子使其以较大半径产生回旋运动，另一组则接收由周期性运动于两极之间带电离子产生的感应电流，检测极接收的高频电流周期与离子的回旋运动周期相同，根据不同质荷比离子的回旋周期不同的原理，就可通过检测电流信号的频率来计算离子的质荷比，而且信号的强度反映离子的丰度。

实际检测时多种质荷比离子同时进入检测池，FT-ICR MS用特定波形的高频电场，把某一质量范围内的离子同时激发到半径较大的回旋轨道上，各离子以各自的回旋频率运动，在检测极上就感应出叠加的多种频率电流信号，通过傅立叶变换可快速把时域谱变换成频域谱，再从频率换算成质荷比，最终获得各离子的质荷比及丰度。

FT-ICR MS无需将离子分离，同时检测不同离子的质荷比及丰度，具有较扫描型质谱(磁质谱、四极杆等)高得多的灵敏度；用感应电流检测离子的方式是非破坏性的，离子可继续被储存、分析，从而实现多级质谱分析。

它还具有两个重要的特点：超高分辨能力和质量精确度，很容易实现几十甚至上百万的分辨率，
新型仪器无需内标就能达到小于2 ppm的质量准确度。

图2 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪分析池原理示意图
图3 傅立叶变换离子回旋共振质谱仪仪器结构示意图
二、实验目的
理解电喷雾-傅立叶变换离子回旋共振高分辨质谱的基本原理、基本结构，掌握样品配制、开关机步骤、优化分析条件等基本操作和注意事项，学习分析软件的使用、简单识别谱峰、深入理解数据处理过程、判断谱图质量，掌握关键影响因素并能调试仪器参数至最佳分析条件，了解傅立叶变换离子回旋共振质谱仪在石油组成分析中的重要作用。

三、实验内容
1、通过配制样品，学习称量样品、选择溶剂及配制特定浓度样品的方法和注意事项；
2、确认仪器状况正常后，练习开关机步骤；
3、学习软件的使用和谱图识别，包括正负离子模式谱图、质量范围、质量重心、峰形好坏、仪器校准与内部校准方法、校准表的建立等；
4、通过调试关键参数，深入理解离子的产生、传输、检测和采集到的谱图之间的联系。

四、使用仪器
美国Bruker公司Apex-Ultra型9.4T傅立叶变换离子回旋共振质谱仪。

五、实验步骤
六、实验报告要求
1、基本信息：时间、地点、同组人员、指导老师、报告人
2、实验内容
3、质谱图数据处理
4、思考题：
(1) 高分辨质谱与气相色谱质谱仪的各自优势是什么？
(2) 使用高分辨质谱分析重质油组成有什么优势？。