background image

The way to ionize a 

compound

and 

MS Configurations 

background image

Mass Spectrometer 
Schematic

background image

Mass Spectrometer Schematic

background image
background image

Atmospheric Pressure 
Ionization

ESI (Electrospray ionization)

APCI (Chemical ionization)

APPI (Photo ionization)

background image

Positive / Negative Modes

    

 

2.5

5.0

min

0.0e6

5.0e6

10.0e6

Int.

2:TIC(1.00)

1:TIC(1.00)

m/z280~600, +/-;   Scan speed: 1000 

amu/s

S/N = 124

2.5

5.0

min

0.0e6

5.0e6

10.0e6

Int.

TIC(1.00)

m/z280~600, + only/  Scan speed: 500 

amu/s

S/N = 136

22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 27.5

min

500e3

1000e3

1500e3

2000e3

2500e3

3000e3

3500e3

4000e3

4500e3

5000e3

5500e3

6000e3

6500e3

Int.

2:TIC(1.00)

1:TIC(1.00)

-

negative scan

-

 positive scan

P1

 Peak 

P1

could not be detected in positive ion mode

background image

MS

analyze

r

vacuum

HPLC

N

2

 gas

N

2

 nebulizer

3-5 kV

Electrospray Ionization 
(ESI)

background image

Electrospray (ESI)

The mechanism for ion generation in electrospray mass 

spectrometry was first announced by the work of Fenn and 

Dole, although the original publication on electrospray 

dates back to 1917 from the work by Zeleny.

The principal outcome of the electrospray process is the 

transfer of analyte species, generally ionized in the 

condensed phase, into the gas phase as isolated entities. 

background image

Nanospray

Online analysis

~ 20 µm tip ID

Interface with nanoLC

Flow rate: ~300nL/min

Offline analysis (static infusion)

~ 2 µm tip ID

Flow rate: ~40nL/min

Requires pure sample free from salt

New Objective, Inc.

background image

⊿ 

5

⊿ 

16

⊿ 

17

⊿ 

18

⊿ 

14

⊿ 

(M+H)

+

MH 

+0

(M+NH

4

)

+

MH 

+17

(M+Na)

+

MH 

+22

(M+K)

+

MH 

+38

(M+H+H

2

O

)

+

MH 

+18

(M+H+MeOH

)

+

MH 

+32

(M+H+CH

3

CN

)

+

MH 

+ 99

Molecular Ions Often Observed 
in ESI-MS

NH

O

HN

R

2

H

N

R

1

H

3

C

O

N

NH

OCH

3

CH

3

CH

3

O

CH

3

CH

2

COOH

CH

3

COOH

H

3

C

O

O

Protonated molecule

  (M+H)

+

Molecule with added sodium ion      (M+Na)

+

COOH   →  COONa  
          1x COONa       (M-H+Na+H)

+

 = (M+Na)

+

          2x COONa       (M-H+Na-H+Na+H)

= (M-H+2Na)

+

background image

  multiply charged ions can be generated 
with
  ESI interface if the chemistry fits

  hardware mass range (- 2000 m/z) is  
  mathematically extended up to 100.000 
amu

  acquisition has to be in profile mode

  following deconvolution

Multiply charged ions

background image

Electrospray Mass Spectrum 
of Bovine Ubiquitin

700

800

900

1000

1100

m/z

779.44

+11

856.9681

857.47

+10

952.63

+9

714.72

+12

659.75

+13

857

858

+0.1

+0.2

+0.3

+0.4

+0.5

+0.6

+0.7

+0.9

+0.8

+1.0

M

theo

=8559.611

2
M

exp 

=8559.603

Z=+10

858.5

857.5

background image

Charge State Determination

High Resolution 

– isotope peaks resolved

(1) counting isotope peaks in ONE m/z unit
(2) if the measured spacing of neighboring isotopes is (m/z),

z=1/ (m/z) or more accurately z=1.00235/(m/z) 

1.00235 is the average isotope spacing

Low Resolution

- isotope peaks are not resolved

Use neighboring charge states (m/z)

1

 [higher charge] and (m/z)

2

 

 

[lower charge, higher m/z]

Solve the following linear equations 

for z (for (m/z)

1

) and M 

(neutral mass)

(m/z)

1

Xz – z =M

(m/z)

2

X(z-1) – (z-1) =M

background image

Deconvolution

750

1000

1250

1500

1750

m/z

0e3

100e3

200e3

300e3

400e3

500e3

600e3

Int.

1131

1060

1212

998

1305

943

1414

893

1542

849

1696

1136

1418

1064

 

ESI mass spectrum of myoglobin

16800

16900

17000

Mas s

0.0e6

1.0e6

2.0e6

3.0e6

4.0e6

Int.

16953.2

+10

+12

+14

+20

Multiply charged ion

deconvolution

background image

Advantages of ESI

High sensitivity to polar compounds

Produces multiply charged ions 

Concentration dependent technique

Well suited to reverse phase solvents

background image

Critical factors in ESI

Solvation plays an important role on ionization

   efficiency. Surface tension effects will affect 

sensitivity [phosphates].

Ion suppression must be carefully considered; 
levels of trifluroacetic acid, sample matrix

Adduct ion generation must also be accounted 
for in interpretation and quantitation.

background image

MS

analyze

r

vacuum

HPLC

N

2

 gas

N

2

 nebulizer

Corona discharge needle 3-5 kV

200-500°C

Atmospheric pressure 
chemical ionisation  (APCI)

background image

Analyte containing 
aerosol

Charged 
reagent gas 
formed

+

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Vapor 

Heat

+

Analyte ions

Charge 
transfer to 
analyte

+ + +

+

APCI Process 

background image

APCI Ionisation

 The sample needs to be thermally stable to  
  a certain extent 

 A protonic solvent is necessary to generate 
 reactant ions

 Under normal reverse phase column  
 conditions, methanol/water achieves higher 
 ionization efficiency than acetonitrile/water.

Typical APCI applications are: 
pesticides, drugs, azo dyes, and 
steroids

background image

MS

analyze

r

vacuum

HPLC

N

2

 gas

N

2

 nebulizer

200-500°C

Atmospheric pressure 
photo ionisation  (APPI)

Lampe 

UV

hn  
    
    
 

background image

APPI Ionisation

 Allows high sensitivity analysis of compounds 

 that have low polarity

 Allows high sensitivity analysis of Fusarium  
 toxins

 Allows not only APPI, but also a simultaneous 
 APCI/APPI dual  ionization mode

background image

Theory of APPI (direct 
APPI)

Molecular Weight

Non-Polar

100,000

Direct APPI

UV
(hν=10 or 10.6eV)

M+

+H

Protic solvent

Analyte

Analyte molecule M is ionized to a molecular ion M

+

.(If 

analyte ionization potential is below photon energy.) In 
the presence of protic solvent, M

may extract a 

hydrogen atom to form MH

+

.

M+H

+

background image

Theory of APPI (dopant 
APPI)

Molecular Weight

Non-Polar

100,000

Dopant APPI

UV
(hν=10 or 10.6eV)

M+H

+

Analyte

Solvent

Dopant 

(e.g. Toluene)

M+

+

e-

+H

M+

A photoionizable dopant is delivered in large concentration to 
yield many D

+

 ions. D

+

 ionizes analyte M by proton or electron 

transfer.

M+

background image

APCI/APPI and ESI

 

APCI/APPI

      ESI 

mass

  

- ca. 1000-1500     

 - up to 100.000

flow

50 µl - 2 mL/min

  

1µL - 1mL/min

analyt

unpolar

 

 polar

solvent  

unpolare solvent possible

buffer

 high tolerance

 N

2

< 2.5 L/min

     < 1.5 L/min

Probe

ESI

APCI

APPI

Ionization

Ion 

evaporation

Chemical 

ionization

Photoionization

Sample 

Stability

Many sample

(Soft 

ionization)

Not good for heat 

unstable 

compounds

Not good for heat 

unstable 

compounds

Sample 

Polarity

 Polar 

compounds

Middle polar 

compounds

Less polar 

compounds

background image

Typical Mass Spectra of ESI-
MS

50

100

150

200

250

300

350

400

m/z

0e3

10e3

20e3

30e3

40e3

Int.

377

399

Riboflavin  C

17

H

20

N

4

O

6

Exact Mass: 376.14

50

75

100

125

150

175

200

225

250

m/z

0

250

500

750

Int.

242

213

170

156

43

256

60

185

103

77

116

198

91

130

143

(a) EI spectrum of riboflavin (vitamine 
B2)

N

N

NH

N

O

O

OH

OH

HO

OH

[M+H]

+

[M+Na]

+

(b)  API  (ESI)  spectrum  of 
riboflavin

background image

Dual source (ESI/APCI)

background image

Dual ion source

heated drying gas 

background image

Compounds Analyzed by 
LC/MS

Properties of compounds: a certain polarity is 

essential 

 With and without UV-vis absorption
 Thermally stable and labile 
 Less and non-volatile 
 Less polar to ionic compound
 Small to large molecules

Types of compounds:  

 Synthetic drugs, metabolites

 Natural compounds (alkaloids, glycosides, 

taxanes, 
   toxins, saccharides, vitamins, lipids etc)

 Peptides, proteins

 Non-volatile pesticides, herbicides etc

 Surfactants, dyes and various organic 

additives

O

HO

O

O

OH

N

O

O

O

O

O

OH

background image

MALDI

Matrix-Assisted Laser 

Desorption/Ionization

background image

N

O

H

O

OH

4-hydroxy-picolinic acid

m = 139.05 Da

NH

2

OH

O

anthracinic acid

m = 137.05 Da

negative mode

OH

O

OH

N

-cyano-4-hydroxy- 

cinnamic acid (CHCA)

m = 189.07 Da

O

H

OH

OH

O

2,5-dihydroxy-

benzoic acid (DHB)

m = 154.03 Da

positive mode

OH

O

O

H

O

O

sinapic acid (SIA)

m = 224.07 Da

small, aromatic, 

organic acids:

UV-absorbing, 

proton donor

Common matrices for MALDI-TOF 
MS

background image

MALDI sample 
preparation

 addition of 0.3 µl Matrix solution 

background image

MALDI

•Analyte is dissolved in solution with excess matrix (>10

4

).

•Sample/matrix mixture is dried on a target and placed in the MS 
vacuum.

Requirements for a satisfactory matrix:

•It must co-crystallize with typical analyte molecules
•It must absorb radiation at the wavelength of the laser 
(usually 337 nm)

•To transfer protons to the analyte it should be acidic

Typical successful matrices for UV MALDI are aromatic carboxylic 

acids.

background image

MALDI-TOF MS: basic principles

io n   d e t e c to r

analyte molecules 
incorporated in 
matrix crystals

in vacuum
< 10

-7

 Torr

background image

io n   d e t e c to r

+

+

laser pulse:
desorption of matrix and
analyte molecules,
ionization by charge 
transfer

MALDI-TOF MS: basic principles

background image

io n   d e t e c to r

+

+

+

+

build-up of an 
electromagnetic 
field

acceleration of ions

MALDI-TOF MS: basic principles

background image

io n   d e t e c to r

+

+

+

+

separation of ions in a 
field free drift range of 
a fixed length by 
velocity
(Time OFlight)
L 1 m

no further 
acceleration!

MALDI-TOF MS: basic principles

background image

io n   d e te c to r

+

+

+

+

mass-independent detection 
of ions at a detector

time resolved output to
oscilloscope and computer

MALDI-TOF MS: basic principles

background image

38

MALDI-TOF MS:

Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization 

Time-of-Flight Mass Spectrometry

ion detector

+

+

+

+

+

+

template

matrix/analyte

crystals

acceleration

zone

field-free

drift range

grid electrode

desorption

ionization

acceleration

separation

detection

m

z =

2eU

m: mass

z: charge

U: accelaration voltage

L: path length

t: time

e: elemetary charge 

background image

Ionization Methods for 
Biomolecule Analysis

MALDI

•Very long sample lifetime; 

repeated measurements 
possible

•Good for mixtures
•Matrix peaks can interfere at  

MW <600

•Salt tolerant
•Low maintenance
•Generate ions with few 

charges

Electrospray

•Online LC/MS 

possible

•Poor for mixtures 

without LC

•Quantitation 

possible

•Good for MW 

<600

•Generate highly 

charged ions

background image

polarity

Non-Polar

Very polar

Molecul
ar 
Weight

10,000

1,000

100

ESI

APCI

APPI

100,000

Mass spectrometry 

MALDI

GCMS

LCMS

MALDI TOF MS

EI/ CI

background image

MS configurations 

background image

Different types of MS 

Aebersold and Mann (2003) Nature 422, 198-207

background image

Single quadrupole MS 

analyzer 

background image

Sourc

e

Detector

Nonresonant 
Ion

Resonant 
Ion

DC and RF 
voltages

Quadrupole Mass Analyzer

Just RF applied                                               Ion Transmission 
Device

DC and RF applied                                          Mass Analyzer

background image

Ion Optics

A device for manipulating ion beams.  
A mass spectrometer consists of many ion optical 
components

background image

Uses a combination of RF and DC voltages to operate as a mass 

filter.

 Mass analyzer.

 Mass selection device

 Ion transport device (RF-only collision cell).

Quadrupole Mass 
Analyzer/Filter

+ U + V cos t

-U - V cos t

Mass scan and stability diagram

Working mass range: 2 to 2000 m/z

Resolution: ~ 2*m (a mass of 200 can be 

analyzed with a resolution of 400 FWHM)

Linearity for quantitation: dynamic range 

~ 10

5

background image

Mass filter

 Figure A) A light ion will be dragged a large distance by the alternating field, and will find

itself in stronger and stronger regions of field. It will quickly collide with an electrode and

disappear

 Figure B) A very heavy ion will not be affected much by the alternating field, but will

gradually drift in the constant part of the field (the DC part). The alternating field is not strong

enough to drag it back as it wanders, so it also collides with an electrode, and is lost.

 Figure C) An ion that is the right weight drifts slightly in the constant part of the field, but is

always dragged back by the alternating part. The alternating part, however, is not quite strong

enough to make it spiral out of control into an electrode. Thus an ion just the right size is

stable in this quadrupole field and reaches the end, where it can be measured.

background image

Quadrupoles theory and operation

By gradually increasing U and V during an experiment (i.e. 
during a scan), ions with different m/z ratios can be made to 
make contact with the rods or can be made to possess 
stable trajectories through the quadrupole assembly

Only ions possessing stable trajectories through the entire 
quadrupole assembly will pass through the quadrupole and 
be detected

Generally, ions of different m/z ratios are sequentially 
transmitted through the quadrupole during a scan to obtain 
a mass spectrum

background image

Quadrupoles - modes of operation

There are 2 main modes of quadrupole operation 

:

1. Scanning

- the potentials applied to the quadrupole rods are 

gradually increased such that ions between a 

user defined m/z range sequentially possess 

stable trajectories and are detected   

2.  Selected ion monitoring (SIM)

- The potentials applied to the quadrupole rods are 

such that only ions of a specific m/z or a very 

narrow range possess stable trajectories 

background image

SQ-mass analyzer 

background image

Quadrupoles - modes of operation

SIM offers increased sensitivity compared with scanning 
experiments as a result of the increased (100%) ‘duty 
cycle’ of a SIM experiment and reduced noise

 in a scanning experiment, the quadrupole is 
scanned across a m/z range and therefore ions of a 
particular m/z only have stable trajectories for a 
fraction of the total scan time 

in SIM mode, ions of the specified m/z have stable 
trajectories 100% of the scan time and therefore 
more ions are detected, and hence sensitivity is 
increased

background image

Coelution

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

mi n

0.001

0.001

0.002

0.002

0.003

0.003

0.004

0.004

0.004

0.005

0.005

0.006

0.006

0.007

0.007

0.008

0.009

0.009

0.009

0.010

0.011

0.011

0.012

0.012

0.013

mAU( x1,000)

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

55.0

60.0

65.0

70.0

75.0

80.0

85.0

90.0

95.0

bar

B .Pre ss .(S ta t us)

A.Pre ss.( S t a tus)

Extr ac t -230nm,4nm ( 1.00)

Flavonoids - PDA chromatogram @230nm

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

15.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

(x1,000,000)

609.00 (1.13)

579.05 (1.11)

595.00 (1.00)

TIC

1

2

3

4

5

MS chromatogram

TIC

S

I

M

P2

MS Spectra Peak 2 - Naringin

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

m/z

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

Inte n.

( x1,000,000)

579.05

615.00

497.20

661.70

270.90

370.80

173.95

676.85

748.85

461.85

795.20

429.85

292.30 316.75

714.90

119.00

406.60

221.90

556.65

Naringin (MW=578)

background image

Difficult Matrix Background 
of Plasma Simplified with MS 
Detection

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

(x100,000)

VER:m/z 455.0 (×2)

PRO:m/z 331.9 (×6)

ALB:m/z 266.0 (×60)

PIR:m/z 260.0 (×4)

ANT:m/z 189.0 (×6)

A

LB

V

E

R

P

R

O

P

IR

A

N

T

MS chromatogram

min.

Int.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

min.

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

mAU

(x10)

254nm,4nm (1.00)

6.0

Int.

PDA chromatogram

A

LB

V

E

R

P

R

O

P

IR

A

N

T

ANT:Antipyrine
PIR:Piroxicam
ALB:Albedazole
PRO:Propraolol
VER:Verapamil

background image

High throughput

• Shorten the run time 
without 
  sacrificing the 
chromatografic 
  resolution

• Higher throughput  

• Less solvent

 

UV chromatogram

MS chromatogram

5

10

15

20       min

    5

   10

    15  min

background image

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

mi
n

1

2

3

4

5

6

Column

        : STR ODS-Ⅱ ( 2.0 × 150mm )

Mobile phase      : 0.1% formic acid / methanol, gradient 
elution
Flow rate         : 0.2 mL / min
Ionization  mode : ESI (+)

     

N

+

R

1

R

2

R

3

R

4

     

N

+

CH

3

O

H

O

CH

3

CH

3

H

O

CH

3

O

H

CH

3

M

W

R

1

R

2

R

3

R

4

  M

agnoflorine M

W

 341

Berberine

335

-O

-C

H

2

-O

-

O

CH

3

O

CH

3

E

piberberine

335

O

C

H

3

O

CH

3

-O

-CH

2

-O

-

C

optisine

319

-O

-C

H

2

-O

-

-O

-CH

2

-O

-

Jateorrhizine

337

O

H

O

CH

3

O

CH

3

O

CH

3

Palm

atine

351

O

C

H

3

O

CH

3

O

CH

3

O

CH

3

Qualitative Analysis of 
Alkaloids 

in Coptis Rhizome

Total Ion Chromatogram

background image

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

min

Intensity

TIC

TIC

336.00

352.00

338

.00

.00

320.00

342.00

1: Magnoflorine

2: 
Coptisine

3: 
Epiberberine

4: 
Jateorrhizine

5: Berberine

6: Palmatine

1

3

4

2

5

6

Mass Chromatograms

background image

100

200

300

400

m/z

0e3

100e3

Int.

342.2

297.1

138.9 201.4

371.4413.6 479.6

Magnoflorine

100

200

300

400

m/z

0e3

50e3

Int.

352.2

139.1 196.3

393.4

335.6

279.6

Palmatine

100

200

300

400

m/z

0e3

100e3

200e3

Int.

338.1

323.4

196.1

465.4

117.1

283.1

Jateorrhizine

100

200

300

400

m/z

0e3

250e3

500e3

750e3

Int.

320.2

447.4

336.1

214.1

158.1

391.3

Coptisine

100

200

300

400

m/z

0e3

250e3

Int.

336.2

322.2

158.2 214.1

464.6

413.5

Epiberberine

100

200

300

400

m/z

0e3

25e3

Int.

336.2

452.2

177.0

371.4

324.6

261.0

416.9

Berberine

Mass Spectrum

background image

Triple quad. MS analyzer  

background image

Triple Quadrupole MS 

background image

CID cell 

Collision Induced Dissociation

 

background image

Functions of the rod assemblies in 
different scan modes 

Note:
Scan

a

: 

Full scan or transmission of selected ions

Pass all ions

b

 or fragments: 

Pass ions or fragments within a wide range of mass-

to-charge ratios

Fragment ions

c

: 

Collisions with argon gas cause ions to fragment

Set

d

: 

Set to pass ions of a single mass-to-charge ratio or set of mass-to-charge ratios

background image

Product Ion Scan 

background image

Precursor Ion Scan 

background image

Neutral loss scan 

background image

SIM and SRM

MS1

Set

MS2

Set

CID

Collision Cell
RF only + Ar

M3

+

M5

+

M1

+

M2

+

M3

+

M4

+

M5

+

M1

+

M2

+

M3

+

M4

+

M3

+

m3

+

m2

+

m2

+

m1

+

SRM – Selected Reaction Monitoring

SIM – Selected Ion Monitoring

background image

Feature of SRM

Better signal to noise ratio than SIM. However, the 
absolute sensitivity of sample is poorer than SIM.
Can increase confidence by  using MS/MS 
fragmentation information.

background image

Time of Flight MS analyzer  

background image

detector

reflectron

TOF

defined starting point 

Reflector Time of Flight (TOF) 
MS separation 

background image

+

+

+

+

+

io

n d

ete

cto

r

Linear

 time-of-flight mass spectrometer

Reflector

 time-of-flight mass spectrometer

m

1

 = m

2

    v

1

 < v

2

mass range up to 350 kDa

high sensitivity

low resolution

mass range up to 5000 

Da

low sensitivity

high resolution

Linear and Reflector modes

Reflector compensates for initial variation in kinetic energy, 
improving resolving power and mass accuracy.

background image

ESI-TOF 

Agilent ESI MSD TOF

Bruker MicrO-TOF

background image

ESI-TOF schematic 

detector

reflectron

TOF

Pusher 

electrode

Ion stream 

background image

ESI-TOF

Positive features :

High mass range 

High resolution: Possible to obtain more than 10.000 FWHM resolution

High scan speed

High mass accuracy 

Limitations :

 No MS/MS 

 no structural information 

 limited suitable for quantitation: The dynamic range is limited due 

to
 pulsed mode of operation and small dynamic range of detector 
 electronics.

 As m/z value becomes large, it becomes difficult to discriminate 

 between times of arrival at the detector.

background image

Ion trap MS analyzer  

background image

Quadrupole Ion Trap

•Uses a combination of 

DC and RF fields to 
trap ions 

•Ions are sequentially 

ejected by scanning 
the RF voltage

Linear Trap

• Essentially a quadrupole with end-caps

• Advantage:  Larger ion storage capacity, leading to better dynamic range

Ions in

(from ESI)

3D Trap

End caps

Ions out

to detector

Ring electrode 
(~V)

Insulated 

spacer

He gas

1x10

-3

 

Torr

background image

Trap filling

background image

Ion traps

background image

Ion trap

By ramping the RF voltage, or by applying supplementary 

voltages on the end cap electrodes,
or by combination of both, it is possible to:

destabilize the ions and eject them progressively from the 

trap (mass analysis)

keep only one ion in the trap, fragment it by inducing 

vibrations, and observe the fragments (MS/MS 

experiment)

repeat the last operation a few times to progressively 

fragment the ions (MSn experiment)

background image

Quadrupole Ion Traps

End cap electrodes

Ring electrode

Benefits

• High sensitivity 

• Multi-stage mass spectrometry (MS

analogous to FTICR experiments) 

• Compact mass analyzer 

1. Low ion mass cut of

2. space-charge efects: too many ions in the trap distort 
the electric fields, leading to significantly impaired 
performance. 

background image

Quadrupole Ion Traps

background image

Multistage fragmentation 

background image

MS

4

 Experiment

background image

Positive features :

• MSn experiment, multiple levels of fragmentation is possible.

• Instrument for identifying an unknown chemical from a finger print of fragments

• Suitable for structure elucidation about complicated compounds

• Suitable for the detection and quantitation of very subtle target   
  compounds in complicated  matrix.

Limitations :

• The resolution and the performance in an ion trap are depending upon the 
charge density of  the ions in the trap. If too many ions at the same time in an ion 
trap, the electrical fields are destorted by inductive effects.  Also, collision 
between the ions may occur, leading to unexpected  dissociation or chemical 
reactions. In this case the spectra and the  quantitation will be impacted.

• Low resolution and mass accuracy 

• narrow dynamic range of quantitation

Ion Trap 

MSn

background image

Q-TOF  MS analyzer

background image

Q-TOF 

5x10

-7 

Torr

Liner

Ion mirror

Ion 

detecto

r

Pusher

Puller

Q

1

q

2

MS1 mass 

selection

CID

Ion focus 

transfer

q

0

N

2

ESI

spray tip

Roughing 

pump

Turbo

pump

High

vacuum

High

vacuum

High

vacuum

Collision gas

MS2 mass 

analysis

Ion 

formatio

n

background image

Q-TOF

The Q-TOF is a tandem mass spectrometer 

(MS/MS) with two analysers

 

the first being a quadrupole analyser that is 

used as an ion guide in MS mode, but as a 

resolving analyser in MS/MS mode. 

the second analyser is a reflectron time-of-flight 

analyser placed orthogonally to the quadrupole. 

the final detector is a microchannel plate 

detector for high sensitivity. 

background image

Q-TOF mass analyser

Positive features :

 Proteome analysis (Mainly for qualitative analysis)

 Popular instruments for high-quality small molecule 
work

 Required ions can be selected easily and efficiently 
and very accurately.

 Accurate mass measurement

Limitations :

 No MSn capability

 Accurate mass mainly only in MS

 Mass calibration drifts over time

background image

Orbitrap Technology 

background image

Image Current Detection 
in Orbitrap

From Alexander Makarov’s 2008 ASMS Award Address

• 3D electric field trapping

• No need for magnet

• Easy access

• Final detection device 

background image

Orbitrap 

TOF

•Simultaneous 
excitation

FTICR

• Confined ion trajectory

• Image current detection

• Fourier transform data 
conversion

Unique to Orbitrap

• 3D electric field trapping

• No need for magnet

• Easy access

• Final detection device 

background image

Orbitrap function 

Orbitrap Discovery (Since ASMS 2007)

Orbitrap XL (Since ASMS 2007)

background image

Orbitrap cycle time 

background image

Orbitrap Cycle time

background image

Orbitrap Exactive  

(2008)

background image

Orbitrap mass analyser

Positive features :

 high mass accuracy 

 very high resolution 

 popular instruments 

 easy to use software 

Limitations :

 slow data acquisition or much lower performance

 Accurate mass mainly only in MS for faster analysis

 price  

background image

FT-ICR-MS 

Technology 

background image

Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance 
(FT-ICR) 

•Ions trapped and 
  measured in ultrahigh vacuum
  inside a superconducting magnet.

B

0

Detect

+

+

+

++ +

+

+

+

R

C

Excite

+

+

+ + + +

+

+

+

z

m

1

background image

Comparison 

Instrument 

ESI-TOF

QqQ

Ion Trap Q-q-TOF LCMS-IT-

TOF

Orbitrap

/
FT MS 

MS function 

MS

MS/M

S

MSn

MS/MS

MS

n

MS

n

Mass accuracy 

MS

3 ppm

0,0

1

5

100 

ppm
0,

1

5

100 

ppm

0,

1

5

3 ppm

0,0

1

5

5 ppm 

0,0

1

5

*

< 1-2 

ppm

0,00

1

5

*

Mass 
resolution 

10,000

-

40.000

4,000

(Delta:

0.5 

amu)

4,000

(Delta:

0.5 

amu)

10,000

-

60.000

10,000

60,000/

>100,00

0

Quantification

+

+++

++

+

+

++

Dynamic 

Range

+++

++++

+++

++

++

+++

exact number   

* also in MS

n

 

mode

 

background image

Hybrid/Tandem Instruments

•Combine (1) ion selection, (2) ion dissociation, and (3) mass analyzer 
devices

•Quadrupoles and ion traps good for selective isolation of 
precursor ions and for fragmentation (required for MSMS - Topic of 
Lecture 2)

•Reflectron TOF, FT-ICR, and OrbiTrap have higher mass accuracy 
and resolving power (high mass accuracy is good for identification 
– Lecture 3)

background image

Ion Dissociation

•Collision Induced Dissociation (CID or Collision Activated 
Dissociation (CAD)

ion traps: off-resonance excitation
rf-only multi-poles: higher kinetic energy (HCD) and 
cascaded CID
TOF/TOF: single collision 

•Electron capture dissociation (ECD) and Electron transfer 
dissociation (ETD)

ECD: FTICR, reagent: electron
ETD: ion traps, reagent: free radical anion

Other important factors to consider: how product ions are 
collected and detected

background image

Data Dependent Acquisition

Data Dependent Scans

MSMS based on intensity ranking of precursor ions

Dynamic Exclusion

Precursor m/z of previous MSMS are memorized and no 
MSMS done on them during a defined time period

 

Automatic Gain Control (AGC, unique to ion trap)

Control how many ions are scanned – to achieve signal/noise 
ratio and to minimize space charge effect

background image

Detector 

background image

Digitally recording ion 
arrival

While there is an exact instant when each ion 

strikes the detector, it is difficult to transfer this 
perfectly into the digital world.
There are two basic approaches used to 
translate a detector signal into a digital 
measurement: 

- the analog-to-digital converter (ADC) 
- time-to-digital (TDC)

It is well known TDC has dead-time problem

background image

TDC vs ADC

TDC Vender

Model

Waters

LCT Premier
Q-TOF 

Premier

Applied Bio 

systems

QSTAR XL

AD

C

Vender

Model

Agilent

LC/MSD TOF

Bruker Daltonics

microTOF
microTOF Q

Shimadzu

LCMS-IT-TOF

background image

TDC dead time causes shift to 
shorter arrival times for higher 
signal levels.

background image

Ions per transient as a function of 
sample amount, showing TDC 
limitations.

background image

Questions ????

background image

Comparison of Analyzer Types

 

Ion Trap/
Quadrupol
e

TOF

OrbiTrap

FT-ICR

Sensitivity

+++

++

*

 to +++

++

*

+

*

Mass 
Accuracy

+

**

++

+++

+++

**

Resolving 
Power

+**

++

+++

++++

**

Dynamic 
Range

+ to +++**

++

++

++**

Upper m/z

+

++++

+++

++

*Sensitivity lowered due to losing ions on way to analyzer, rather than 
inherent sensitivity.
**Can be improved by scanning narrower mass range or slower.


Document Outline