质谱分析

质谱分析
mass spectrometry（MS）
概述
质谱分析法（Mass Spectrometry, MS）是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。

化合物分子受到电子流冲击后，形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z 的比值m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。

质谱分析法有如下特点：
（1）应用范围广。

测定样品可以是无机物，也可以是有机物。

应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、热力学与反应动力学、空间探测等。

被分析的样品可以是气体和液体，也可以是固体。

（2）灵敏度高，样品用量少。

目前有机质谱仪的绝对灵敏度可达50pg（pg为
10−12g），无机质谱仪绝对灵敏度可达10−14。

用微
克级样品即可得到满意的分析结果。

（3）分析速度快，并可实现多组分同时测定。

（4）与其它仪器相比，仪器结构复杂，价格昂贵，
使用及维修比较困难。

对样品有破坏性。

20世纪初20世纪40年代20世纪60年代20世纪80年代第一台质谱仪由英国科学家阿斯顿（F.W.Aston）于1919年制成的
主要是用来进行同位素测定和无机元素分析
开始用于有机物分析
出现了气相色谱-质谱联用仪
成为有机物分析的重要仪器
质谱新技术：电喷雾电离源，大气压化学电离源液相色谱-质谱联用仪
感应耦合等离子体质谱仪
质谱技术发展过程
历史：
1813年：
Thomson使用MS报道了Ne是由22Ne和24Ne两种同位素组成；随后，同位素分析开始发展。

30年代末：
通常用蒸馏的方法先分离石油烃类混合物，然后再分别测定其折光率的方法来分析它们。

这通常要花数天时间。

40年代初：
开始将MS用于石油工业中烃的分析，并大大缩短了分析时间。

50年代初：
质谱仪器开始商品化，并广泛用于各类有机物的结构分析。

同时质谱方法与NMR、IR等方法结合成为分子结构分析的最有效的手段80年代：
非挥发性或热不稳定分子的分析进一步促进
了MS的发展；
90年代：
由于生物分析的需要，一些新的离子化方法得到快速发展；目前一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，ICP-MS等越来越普遍。

目前质谱技术已发展成为三个分支，即同位素质谱、无机质谱和有机质谱。

质谱成为解析有机物结构的强有力工具之一。

在鉴定有机物结构的四大重要手段（NMR、MS、IR、UV）中，也是唯一可以确定分子式的方法（测定精度达10−4）。

质谱仪及基本原理
基本原理概述
质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。

质谱仪
有机质谱仪包括进样系统、离子源、质量分析器、检测器和真空系统。

进样系统离子源质量分析器检测器
1.单聚焦
2.双聚焦
3.飞行时间
4.四极杆
高真空下工作：离子源（10-3 ∼10 -5 Pa）
质量分析器（10 -6 Pa）
其过程为可简单描述为：
为电荷数，e 为电子电荷，U 为加m 为碎片质量，V 为电子运动离子带电荷的电场加速(zeU ) 能(1/2mV 2)
磁场分离(m/z )检测器记录
（1）真空系统
质谱仪的离子源、质谱分析器及检测器必须处
于高真空状态（离子源的真空度应达10−3～10−5Pa ，
质量分析器应达10−6Pa），若真空度低，则：
（i）大量氧会烧坏离子源的灯丝；
（ii）会使本底增高，干扰质谱图；
（iii）引起额外的离子-分子反应，改变裂解模型，
使质谱解释复杂化；
（iv）干扰离子源中电子束的正常调节；
（v）用作加速离子的几千伏高压会引起放电，等等。

（2）进样系统
用于气体及沸点不高、易于挥发的样品。

贮样器为玻璃或上釉不锈钢制成，抽低真空（1Pa），并加热至150℃，试样以微量注射器注入，在贮样器内立即化为蒸汽分子，然后由于压力梯度，通过漏孔以分子流形式渗透入高真空的离子源中。

对于高沸点的液体、固体，可以用探针（probe）杆直接进样。

调节加热温度，使试样气化为蒸汽。

此方法可将微克量级甚至更少试样送入电离室。

探针杆中试样的温度可冷却至约－100℃，或在数秒钟内加热到较高温度（如300℃左右）。

被分析的气体或蒸汽首先进入仪器的离子源，转化为离子。

使分子电离的手段很多。

最常用的离子源是电子轰击（electron impact，EI）离子源。

电子轰击离子源
（3）离子源(ion source)
将引入的样品转化成为碎片离子的装置。

根据样品离子化方式和电离源能量高低，通常可将电离源分为：
气相源：先蒸发再激发，适于沸点低于500oC、对热稳定的样品的离子化；
解吸源：固态或液态样品不需要挥发而直接被转化为气相，适用于分子量高达105的非挥发性或热不稳定性样品的离子化。

电子轰击源(Electron Impact，EI)
采用高速(高能)电子束冲击样品，从而产生电子和分子离子M +，M +继续受到电子轰击而引
起化学键的断裂或分子重排，瞬间产生多种离子。

特点：使用最广泛，谱库最完整；电离效率高；结构简单，操作方便；但分子离子峰强度较
弱或不出现(因电离能量最高)。

EI源：可变的离子化能量(10~240eV)
电子能量↓电子能量↑
分子离子增加碎片离子增加
降低电子能量，而对于电离的物质则加大电子能量（常用70eV ）
化学电离源（CI）
有些化合物稳定性差，用EI方式不易得到分子离子，因而也就得不到分子量。

为了得到分子量可以采用化学电离源（chemical ionization）。

在电子轰击下，甲烷首先被电离：
CH4→CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+＋CH4→CH5+＋CH3
CH3+＋CH4→C2H5+＋H2
加合离子与样品分子反应：
CH5+＋XH→XH2+＋CH4
C2H5+＋XH→X+＋C2H6
作用过程：样品分子与电子的碰撞几率极小，所生成的样品分子离子主要由反应气分子组成。

以甲烷作为反应气为例，说明化学电离的过程：
在电子轰击下，甲烷首先被电离：
CH4+→CH4+＋CH3+＋CH2+＋CH+＋C+＋H+
甲烷离子与分子进行反应，生成加合离子：CH4+＋CH4→CH5+＋CH3
CH3+＋CH4→C2H5+＋H2
加合离子与样品分子反应：
CH5+＋XH→XH2+＋CH4
C2H5+＋XH→X+＋C2H6
+和X+比样品分子多一个H或少一个生成的XH
2
H，可表示为(M±1)+，称为准分子离子。

事实上，以甲烷作为反应气，除(M±1)+之外，还可能出现(M＋17)+，(M＋29)+等离子，同时还出现大量的碎片离子。

化学电离源是一种软电离方式，有些用EI方式得不到分子离子的样品，改用CI后可以得到准分子离子，因而可以推断相对分子质量。

离子室内的反应气（甲烷等；10~100Pa，样品的103~105倍），电子（100~240eV）轰击，产生离子，再与试样分离碰撞，产生准分子离子。

化学电离源（Chemical Ionization，CI）:
挥发试样；
+
+
气体分子试样分子+分子离子电子(M+1)+;(M+17) +;(M+29) +;
场电离源(Field ionization, FI)
应用强电场诱导样品电离。

特点：电离温和，碎片少，主要产生分子离子M+和(M+1)+峰。

场致电离源（FI）
电压：7-10 kV；d<1 mm；
强电场将分子中拉出
峰强；
峰少；
合化合物结构鉴
+
+
++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
阴极
d<1mm
EI
FI
FD
场解吸源(Field desorption, FD)
类似于场电离源，也有一个阳极发射器。

过程：样品溶液涂于发非挥发性100000的分分子离子峰，谱图
质量分析器
铜针探头
探针
二次离子
狭缝
离子束
样品层
快原子轰击(Fast atom bombardment, FAB)过程：高速电子——惰性气体电离——电场加速——高速原子离子束——撞击涂有样品的金属板——能量转移给样品分子——电离——引
（4）质量分析器（mass analyzer）
质量分析器是由非磁性材料制成，单聚焦质量分析器所使用的磁场是扇性磁场，当被加速的离子流进入质量分析器后，在磁场作用下，各种阳离子被偏转。

质量小的偏转大，质量大的偏转小，因此互相分开。

当连续改变磁场强度或加速电压，各种阳离子将按m/z大小顺序依次到达离子检测器（收集极），产生的电流经放大，由记录装置记录成质谱图。

（5）离子检测器
常以电子倍增器（electron multiplier）检测离子流。

一定能量的离子轰击阴极导致电子发射，电子在电场的作用下，依次轰击下一级电极而被放大，电子倍增器的放大倍数一般在105～108。

电子倍增器中电子通过的时间很短，利用电子倍增器可以实现高灵敏、快速测定。

但随使用时间增加，增益会逐步减小。

图6.4 电子倍增器
质谱仪工作过程及基本原理
（1）将样品由贮存器送入电离室。

（2）样品被高能量（70～100ev）的电子流冲击。

通常，首先被打掉一个电子形成分子离子（母离子），若干分子离子在电子流的冲击下，可进一步裂解成较小的子离子及中性碎片，其中正离子被安装在电离室的正电压装置排斥进入加速室。

（只要正离子的寿命在10−5～10−6s）。

（3）加速室中有2000V 的高压电场，正离子在高压电场的作用下得到加速，然后进入分离管。

在加速室里，正离子所获得的动能应该等于加速电压和离子电荷的乘积（即电荷在电场中的位能）。

离子电荷数, U 为加速电压。

显然，在一定下，离子的运动速度与质量m 有关。

zU 2（1）
（4）分离管为一定半径的圆形管道，在分离管的四周存在均匀磁场。

再磁场的作用下，离子的运动由直线运动变为匀速圆周运动。

此时，圆周上任何一点的向心力和离心力相等。

故：
mυ2/R=H z υ（2）
其中，R为圆周半径，H为磁场强度。

合并（1）及（2）消去υ，可得
m / z = H2R2/2U (3)
式（3）称为磁分析器质谱方程。

实际工作中通过调节磁场强度H，使其由小到大逐渐变化，则m/z不同的正离子也依次由小到大通过分离管进入离子检测器，产生的信号经放大后，被记录下来得到质谱图。

单聚焦质谱仪
在讨论单聚焦分析器质量分离原理时，假定离子的初始能量为零，离子的动能只决定加速电压。

实际上，由离子源产生的离子，其初始能量并不为零，而且其能量各不相同，经加速后的离子其能量也就不同。

因此即使是质量相同的离子，由于能量（或速度）的不同。

在磁场中的运动半径也不同，因而不能完全会聚在一起，这就大大降低了仪器的分辨率，使相邻两种质量的离子m1和m2很难分离。

离子能量分散对分辨率的影响
为了消除离子能量分散对分辨率的影响，通常在扇型磁场前附加一个扇型电场，扇型电场是同心圆筒一部分，进入电场的离子受到一个静电力的作用，改做圆离子运动的离心力平衡，e R m υEz =(4)
电场强度，m –离子质量，z –离子电荷，速度，R e –离子在电场中轨道半径。

将与zU m =221υEz υ2(5)
强度E 一定，对质量相同的离子，离子轨道半于离子的速度或能量，而与离子质量无关，所以扇能量分析器，不起质量分离的作用；对于质量同的离子，它是一个速度分离器。

e
2R m υEz =
质量相同而能量不同的离子，经过静电场后将被分开，即静电场具有能量色散作用。

如果设法使静电场和磁场对能量产生色散作用相补偿，则可实现方向和能量的同时聚焦。

磁场对离子的作用也具有可逆性。

由某一方向进入磁场的质量相同而能量不同的离子，经磁场后会按一定的能量顺序分开；反之，从相反方向进入磁场的以一定能量顺序排列的质量相同的离子，经磁场后可以会聚在一起。

因此，把电场和磁场配合使用，使电场产生的能量色散与磁场产生的质量色散数值相等而方向相反，就可实现能量聚焦，在加上磁场本身具有的方向聚焦作用，这样就实现了能量和方向的双聚焦。

静电分析器和磁分析器配合使用，同时实现方向和能量聚焦的分析器，称为双聚焦分析器。

双聚焦质谱原理图
质谱仪主要性能指标
（1）分辨率
分辨率是指仪器对质量非常接近的两种离子的分辨能力。

一般定义是：对两个相等强度的相邻峰，当两峰时，则认为两峰已经分m
m m m m R ∆=−=1121m 2为质量数，且m 1＜m 2，故在两峰质量数时，要求仪器分辨率越大。

质谱仪10%峰谷分辨率
实际工作中，有时很难找到相邻的且峰高相等的两个峰，同时峰谷又为峰高的10%。

在这种情况下，可任选一单峰，测其峰高5%处的峰宽W 0.05，即可当作义为：
05
.0W m R =
（2）质量范围
质量范围是指质谱仪能测量的最大m/z值，它决定仪器所能测量的最大相对分子量。

自质谱进入大分子研究的分析领域以来，质量范围已成为被关注和感性趣的焦点。

各种质谱仪具有的质量范围各不相同。

目前质量范围最大的质谱仪是基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，该种仪器测定的分子质量可高达1 000 000u以上。

测定气体用的质谱仪，一般质量测定范围在2～100，而有机质谱仪一般可达几千。

质谱图及离子峰类型
丙酮的
质谱图（一）质谱图
（1）竖线称为质谱峰，不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子；
（2）峰的高低表示产生该峰的离子数量的多少；
（3）质谱图的质荷比（m/z）为横坐标，以离子峰的相对丰度为纵坐标。

（4）最高的峰称为基峰。

基峰的相对丰度常定为100%，其它离子峰的强度按基峰的百分比表示。

二、质谱峰类型
分子在离子源中可产生各种电离，即同一分子可产生多种离子峰：分子离子峰、同位素离子峰、碎片离子峰、重排离子峰、亚稳离子峰等。

设有机化合物由A，B，C和D组成，当蒸汽分子进入离子源,受到电子轰击而形成各种类型的离子。