质谱法(MS)

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式中M+1,M+2…为较低质量的离子
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ABCD + e→ ABCD+ + 2e (分子离子)
ABCD+.
→ A+ + . BCD或. A + ABCD+ → AB+ + . CD或. AB + CD+ → ABC+ + . D或. ABC + CD+
(正碎片离子)
质 谱 法 (MS)
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§1 概述
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气态分子受一定能量的电子流轰击后,失去 一个外层价电子而成为带正电的离子。在电场和 磁场的作用下,这些阳离子按照质子质量大小(质 荷比 M/Z)依次排列而成的谱图被记录下来,称 为质谱图(亦称质谱,Mass Spectrum)。
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(一)真空系统
质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高 真空状态(离子源真空度应达l.3×10-4~ l.3×10-5Pa,质量分析器中应达l.3×10-6Pa)。 若真空度过低,则会造成离子源灯丝损坏、本底 增高、到反应过多,从而使图谱复杂化、干扰离 子源的调节、加速极放电等问题。一般质谱仪都 采用机械泵预抽真空后,再用高效率扩散泵连续 地运行以保持真空。现代质谱仪采用分子泵可获 得更高的真空度。
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二、质谱方程
离子电离后经加速进入磁场中,其动能与加速电压及正离 子电荷e有关,即
eV 1 m 2 2
正离子在磁场中受的向心力和离心力相等
mv 2 HeV R m H 2R2 进入轨道后受洛仑兹 力的作用,使带电粒子的运动轨道弯曲。
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根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物 的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种 同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。 从20世纪60年代开始,质谱法更加普遍地应用到有 机化学和生物化学领域。化学家们认识到由于质谱法的独 特的电离过程及分离方式,从中获得的信息是具有化学本 性,直接与其结构相关的,可以用它来阐明各种物质的分 子结构。正是由于这些因素,质谱仪成为多数研究室及分 析实验室的标准仪器之一。
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2 直接探针进样 对那些在间歇式进样系统的条件下无法变成气 体的固体、热敏性固体及非挥发性液体试样,可直 接引人到离子源中,图4所示为一直接引人系统。
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(三)离子源
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(四)质量分析器
质谱仪的质量分析器位于离子源和检测器之间, 依据不同方式将样品离子按质荷比m/z分开。质量 分析器的主要类型有:磁分析器、飞行时间分析器、 四极滤质器、离子捕获分析器和离子回旋共振分析器 等。随着微电子技术的发展,也可以采用这些分析器 的变型。 (l)磁分析器 最常用的分析器类型之一就是扇形磁分析器。离子 束经加速后飞入磁极间的弯曲区,由于磁场作用,飞 行轨道发生弯曲,见图7。
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(3)场致电离
应用强电场可以诱发样品电离。场电离源由电压梯度约为 107~108V· cm-1的两个尖细电极组成。在距离很近的阴极和阳极之 间,施加高电压 (10~20kV) 时,阳极的尖端附近产生强磁场,利 用这个强磁场可将接近尖端的气态样品分子中的电子拉走,形成 正离子。电离后被阳极排斥出离子室并加速经过狭缝进人质量分 析器。阳极前端必须非常尖锐才能达到电离所要求的电压梯度, 通常采用经过特殊处理的电极,在电极表面制造出一些微碳针 (<1μ m),大量的微碳针电极称为多尖陈列电极,在这种电极 上的电离效率比普通电极高几个数量级。 场离子化是一种温和的技术,产生的碎片很少。碎片通常是 由热分解或电极附近的分子一离子碰撞反应产生的,主要为分子 离子和(M+l)离子。结构分析中,往往最好同时获得场离子化 源或化学离解源产生的质谱图和用电子轰击源的质谱图,而获得 相对分子质量及分子结构的信息。
2Uze 2 ( ) m
此离子达到无场漂移管另一端的时间为
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t=L/υ
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3 四极滤质器
(Quadrupole Mass Filter)
四极滤质器由四根平行的金属杆组成,其排布见图9所示。 理想的四杆为双曲线,但常用的是四支圆柱形金属杆,被加速 的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。 通过在四极上加上直流电压U和射频电压Vcosωt,在极间形 成一个射频场,正电极电压为U+Vcosωt, 负电极为-(U+ Vcosωt).离子进入此射频场后,会受到电场力作用,只有合适m /z的离子才会通过稳定的振荡进入检测器。只要改变U和V并 保持U/V比值恒定时,可以实现不同m/z的检测。 四极滤质器分辨率和m/z范围与磁分析器大体相同,其极限分 辨率可达2000,典型的约为700。其主要优点是传输效率较高, 人射离子的动能或角发散影响不大;其次是可以快速地进行全 扫描,而且制作工艺简单,仪器紧凑,常用在需要快速扫描的 2019/2/21 33 GC -MS联用及空间卫星上进行分析。
(6)激发电离(火花源 )
对于金属合金或离子型残渣之类的非挥发性无机试样, 必须使用不同于上述离子化源的火花源。火花源类似于发 射光谱中的激发源。向一对电极施加约 30 kV脉冲射频电 压,电极在高压火花作用下产生局部高热,使试样仅靠蒸 发作用产生原子或简单的离子,经适当加速后进行质量分 析。火花源具有一些优点:对于几乎所有元素的灵敏度较 高,可达10-9;可以对极复杂样品进行元素分析,对于某个 试样已经可以同时测定6O种不同元素;信息比较简单,虽 然存在同位素及形成多电荷离子因素,但质谱仍然比原子 发射光谱法的光谱要简单得多;一般线性响应范围都比较 宽,标准核准比较容易。但由于仪器设备价格高昂,操作 复杂,限制了使用范围。
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§2 基本原理
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一、离子的产生
通过电离源将进样系统引入的气态样品分子转 化成离子。由于离子化所需要的能量随分子不同差异 很大,因此,对于不同的分子应选择不同的离解方法。 通常称能给样品较大能量的电离方法为硬电离方法, 而给样品较小能量的电离方法为软电离方法,后一种 方法适用于易破裂或易电离的样品。 离子源是质谱仪的心脏,可以将离子源看作是比 较高级的反应器,其中样品发生一系列的特征降解反 应,分解作用在很短时间(~1μs)内发生,所以可 以快速获得质谱。 许多方法可以将气态分子变成离子,它们已被应 用到质谱法研究中,表 1 列出了各种离子源的基本特 征。
AB+ → A+或 B+ ABCD+.
→ AD+ + . BC或. AD + BC+ (重排)
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(2)化学电离 在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相 对分子质量。但经电子轰击产生的M+峰,往往不存 在或其强度很低。必须采用比较温和的电离方法, 其中之一就是化学电离法。化学电离法是通过离子 一分子反应来进行,而不是用强电子束进行电离。 离子(为区别于其他离子,称为试剂离子)与试样 分子按下列方式进行反应,转移一个质子给试样或 由试样移去一个 H+或电子,试样则变成带+l电荷的 离子。 化学电离源一般在 1.3×102~1.3×103Pa压强下工 作(现已发展出大气压下化学电离技术),其中充 满 CH4,首先用高能电子进行电离产生CH5+和 C2H5+,即 2019/2/21 11
υ 2 =HeR/m , ∵ eV = 1/2mυ2
m H 2 R 2e z 2V
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2 飞行时间分析器
(Time of Flight,TOF)
这种分析器的离子分离是用非磁方式达到的, 因为从离子源飞出的离子动能基本一致,在飞出 离子源后进入一长约 lm 的无场漂移管,在离子加 速后的速度为:
1 间歇式进样系统 该系统可用于气体、液体和中等蒸气压的固体 样品进样,典型的设计如图3所示。 通过可拆卸式的试样管将少量(10~100μg)固 体和液体试样引入试样贮存器中,由于进样系统的 低压强及贮存器的加热装置,使试样保持气态。实 际上试样最好在操作温度下具有1.3—0.13Pa的蒸气 压。由于进样系统的压强比离子源的压强要大,样 品离子可以通过分子漏隙(通常是带有一个小针孔 的玻璃或金属膜)以分子流的形式渗透过高真空的 离子源中。
CH4 + e→ CH4+·+2e CH4+·→ CH3+ + H· CH4+和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应,即 CH4+·+ CH4 → CH5+ + CH3· CH3++ CH4→ C2H5++ H2 CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应,一旦小量样品(试样与 甲烷之比为1:1000)导入离子源,试样分子(SH)发生下列反应: CH5++ SH → SH2++ CH4 C2H5++ SH → S+ + C2H6。 SH2+和S+然后可能碎裂,产生质谱。由(<M十H)或(M-H)离子很容 易测得其相对分子质量. 化学电离法可以大大简化质谱,若采用酸性比 CH5+ 更弱的 C4H9+ (由异丁烷)、 NH4+ (由氨)、 H30+(由水)的试剂离子 则可更进一步简化。
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(4)场致解吸(FD)
场致解吸是通过浸渍或注射被测样品在场致电离 源的阳极表面形成一层液膜而进行的场致电离。该方 法能用于电离不挥发或热不稳定的化合物。其缺点是 所得到的总离子流比其它电离方法较低。
(5)快原子轰击(FAB)
快原子轰击是用2~10eV氩快原子轰击聚集态样品 对溅射离子作质量分析获得快质谱。其过程是用一个 离子源将输入的氩气电离成离子,然后使氩离子与中 性氩气碰撞,用所发出的谐振电荷迁移过程,获得与 氩离子的能量相近的快原子束 Ar →Ar+ + e 2019/2/21 14 Ar+ +Ar →Ar+Ar+
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此时离子受到磁场施加的向心力Bzeυ作用,且 离子的离心力 mυ2·r-1也同时存在,r为离子圆周运 动的半径。只有在上述两力平衡时,离子才能飞 出弯曲区,即
HeV=mυ2/R
其中B为磁感应强度,e为电荷,υ为运 动速度,m为质量,r为曲率半径。调整后, 可得
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4 离子阱检测器
离子阱是一种通过电场或磁场将气相离子控制并贮存一段 时间的装置。已有多种形式的离子阱使用,但常见的有两种形 式:一种是后面要讲到的离子回旋共振技术,另一种是下述的 较简单的离子阱。
图10是离子阱的一种典型构造及示意图,由一环形电极再 加上下各一的端罩电极构成。以端罩电极接地,在环电极上施 以变化的射频电压,此时处于阱中具有合适的m/z加的离子将在 环中指定的轨道上稳定旋转,若增加该电压,则较重离子转至 指定稳定轨道,而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰撞。 当一组由电离源(化学电离源或电子轰击源)产生的离子由上 端小孔中进入阱中后,射频电压开始扫描,陷入阱中离子的轨 道则会依次发生变化而从底端离开环电极腔,从而被检测器检 测。这种离子阱结构简单、成本低且易于操作,已用于GC- MS联用装置用于m/Z 200-2000的分子分析。
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(一)电子轰击
电子轰击法是通用的电离法,是使用高能电子 束从试样分子中撞出一个电子而产生正离子,即 + M+e → M +2e
式中M为待测分子,M+为分子离子或母体离子。 电子束产生各种能态的 M+。若产生的分子离子带有较大的 内能(转动能、振动能和电子跃迁能),可以通过碎裂反 应而消去,如 M+1 → M+3 M+ …… M+2 → M+4
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磁场方向
电荷运动方向
洛仑兹力方向
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§3 质谱仪
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一、质谱仪的基本结构
质谱仪是通过对样品电离后产生的 具有不同m/z的离子来进行分离分析的。 质谱仪须有进样系统、电离系统、质量 分析器和检测系统。为了获得离子的良 好分析,必须避免离子损失,因此凡有 样品分子及离子存在和通过的地方,必 须处于真空状态。
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(二)进样系统 进样系统的目的是高效重复地将样 品引人到离子源中并且不能造成真空度 的降低。目前常用的进样装置有三种类 型:间歇式进样系统、直接探针进样及 色谱进样系统。一般质谱仪都配有前两 种进样系统以适应不同的样品需要,有 关色谱进样系统将在专门章节介绍。
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